过程能量综合及常减压分馏系统运行优化.ppt

程序能源综合，华南理工大学化工与能源学院李亚军liyajun)2009.10大庆，第一部分：程序能源综合，第一节：程序系统工程概述，2020/6/5，3，1.1，程序工业，1，程序工业是什么？ 由工艺单元的组合构成一个网络，把原料变成所希望的产品，同时产生附加价值效应的系统称为化学工艺系统。 2020/6/5，4，1.1，工艺工业，2，工艺工业范畴(1)工艺结构：单元操作和设备(2)工艺原理：由于三传单反质量传递(流体流动)化学反应，化学工业、精油、材料、钢铁、医药、造纸、食品等都应用于工艺工业(ProcessIndustry ) 2020/6/5，5，5，5，5，化工、石油化学等工艺工业为材料、能源、信息流动较多的行业，2020/6/5，6，1.2，工艺系统工程，工艺系统工程采用系统工程的视角、方法、构想模拟、分析、评价、优化和控制工艺系统过程系统工程是系统工程的分支点，又称化工系统工程、化工系统仿真分析等，是以化工为代表的过程工业中系统工程的应用。 2020/6/5、7、1.2、工艺系统工程、工艺系统工程是继上世纪20年代单元操作、60年代传递现象研究之后化学工程的第三次突破。 Westeberg :“如何选择优化的机组设备及其连接关系构成化工工艺系统，从规定的原料生产一定的产品，在最小的总费用和最小的环境污染条件下安全生产，在运行中采用最佳的操作条件来维持”。 过程系统技术由系统设计、系统操作和系统控制三部分组成。 是一门交叉科学，涉及系统工程、化学工程、控制理论、计算机、经济、环境等学科。 应用于设计、改造、扩大生产、解决瓶颈等层次。 1.2、工艺系统工程，2020/6/5，9，1.3，现代工艺工业的特点，现代工艺工业越来越重视材料、能源的综合利用，这必然是许多现代工艺工业，特别是化工业，循环不断的复杂网络系统，产品众多，品牌众多的产品结构为了根据资源状况(质量和量)实现高经济效益的全负荷操作，对设计提出了更高的要求，基于不满足“相似模拟乘以安全系统”公式的延迟设计方法的定性过程分析，将单元过程简单地结合到完整的过程流程中要求对设计提出高精度的理念，减少设计馀量，优化投资和操作费用。 现代工艺工业发展为高效、节能、清洁型。 2020/6/5，10，1.4，工艺系统工程研究问题，工艺系统工程的主要研究内容是如何实现工艺系统操作仿真、设计仿真、操作优化、设计优化、工艺系统优化。 什么是2020/6/5、11、1.5、化工过程模拟技术、化工过程模拟？ 在石油化工实际生产过程中，利用传统技术，难以实现单元操作的静动态特征，如工艺中反应的流体力学特征、传热特征和工程技术问题、装置系统故障诊断、新产品开发中的问题等。 什么是2020/6/5、12、1.5、化工过程模拟技术、化工过程模拟？ 正常生产的工厂(工艺系统)为了了了解其性能，冒着随意破坏正常生产秩序、爆炸的危险，不能大幅度调整其操作参数、原料、设备、工艺。 为了研究方便、安全、经济复杂的对象，大多使用比较简单的系统b来代替对象系统a。 系统b在其主要的系统性能、操作特性、响应特性上必须与系统a一致或者是等效的a，系统b必须比系统a容易实验和计算。2020/6/5、13、1.5、化工过程模拟技术要求化工过程系统总体详细考察，以寻找技术合理性、操作可靠性、总体性能最佳化的条件。 为了达到这样的目的，必须对给定的化工系统建立数学模型，通过该数学模型的求解计算系统的总体特性，通过数学模型分析过程中各单元过程的设备结构参数和操作参数对系统总体特性的影响2020/6/5，14，什么是化工过程模拟？ 化工过程模拟是一种高新技术手段，在化工单元过程和热力学基本方程的基础上，应用现代数学方法，通过计算机模拟实际化工生产过程。 也就是说，在计算机上正确“再现”实际生产过程，得到详尽的材料平衡和热平衡数据，指导实际生产。 化工仿真技术的应用都要全面正确地了解企业的生产过程。 1.5、化工过程模拟技术、2020/6/5、15、1.5、化工过程模拟技术可反映传统技术难以实现的机组装置静态、动态特征，广泛应用于石油、化工、制药、冶金等重要行业，在项目设计中， 在生产中实施先进的过程控制，更先进的企业优化生产管理(现在流行的ERP企业资源计划体系)。 2020/6/5，16，1.6，化工过程优化，为什么化工过程优化？ 以优化方式做出的决策比直接做出的决策有多好？ 优化通过改进工艺设备的初步设计，尽可能强化已经运行的装置设备的操作性能，达到产量最大、成本最小、能耗最小等目的。 2020/6/5、17、1.6、化工过程优化、优化范围和层次优化问题已经存在于各个层次中，并且可以包括整个公司、一个工作场所、一个单元操作、一个单元操作的装置或者其中的中间系统。 优化可以从a、管理三个方面来利用b； 工艺设计与装置优化c，现场操作优化。 a .管理者在做决策时，必须考虑项目的评价、产品的选择、整体预算、销售和研发成本、新工厂的建设(时间和地点)等。 2020/6/5，18，1.6，优化化工过程，优化范围和b级，生产石油化工产品时应使用多少反应器，工作场所结构应如何配置，如何调度流程以最大限度地提高运营效率？ 单元或单元的最佳尺寸是多少？ 所有这些问题都可以通过流程设计模拟或流程软件辅助设计来解决。 这些软件可用于单个设备和整体设备的质量平衡计算和能量平衡计算。 c、现场操作的优化。 设计和设备选型通常优化为实现过程，但操作条件的优化存在于每月、每周、每日、每小时甚至每分钟。 工厂操作感兴趣的是，对某一定的单元操作，通过操作控制，找到最佳的温度、压力、流量等条件。 通过2020/6/5、19、2020/6/5、20建立的动态模型，可对共沸塔的操作进行大量的细致优化研究，塔底供热塔顶供热塔底MTBE纯度、塔底供热塔底供热塔底产品纯度、2020/6/5、21、1.7、化工过程模拟通过过程严格的物流与能量流的平衡计算，预测物流的流量、组成和性质，预测操作条件、设备尺寸，减少装置的设计时间，比较各种装置的设计方案。 2020/6/5、22、1.7、化工过程模拟的应用，(2)可模拟诊断生产中的故障。 当生产过程中现有的装置系统发生故障时，主要是由于设备问题和过程问题，可以在过程模拟中进行工况模拟诊断，有助于尽快找出故障的原因和位置。(3)在新产品开发过程中，可以通过过程模拟为新产品开发提供很大的便利。 可以模拟新产品开发过程中的工艺参数，协助新工艺的开发，减少大量不必要的实验投资。 2020/6/5、23、1.7、化工过程模拟应用；(4)系统潜在插件：根据系统总体经济效益的最佳目标改造部分单元过程，消除过程中的瓶颈，在生产过程中， 过程模拟可以对现有装置进行生产能力标定，有助于找到系统的“瓶颈”部位，确定各单元过程的最佳设备结构参数，充分利用现有设备，制定合理的改造方案，消除装置瓶颈，使装置整体能力一致，最大限度地提高效率、2020/6/5、24、1.7、化工过程模拟的应用，(5)根据整个系统的最佳目标确定各单元过程的操作条件。 在不改变工艺结构的条件下，通过改变压力、温度、配料等操作条件，寻求改善系统性能的途径，优化生产装置的运行，节能消耗，减少投入，提高经济效益和生产技术水平。 2020/6/5、25、1.7、化工过程模拟的应用，(6)对生产过程进行经济评价，对多种过程方案进行经济比较，并进行优化评价。 从多种方案中选择最佳工艺路线，综合设备投资、能耗、物品消费、产品质量、操作费用、环保等因素，以系统合成的方法寻找经济效益最好的方案，为决策提供依据。 (7)能够支持扩大实现研究和开发阶段的数学模拟、概念设计、工艺设计和工程设计、工厂开工指导和作业工程模拟训练、工艺流程改进和优化、解决工厂瓶颈的技术改造等。 (8)生产中能够实施先进的过程控制和企业的最佳生产管理。 第二节：工艺能源综合，2020/6/5，27，一，工艺能源原理二，工艺系统能源结构与节能原则三，能源综合优化方法要点四，炼铁厂常用节能技术与措施，第二节：工艺能源综合，2020/6/5，28，1 能量质量的定量表示3，消耗是过程推进的推进力4，判断为节能的本质，一是过程能量原理2020/6/5，29，1，能量的数量和质量表示能量不仅有数量，也有质量，一是过程能量原理，2020/6/5，30，1，能量的数量和质量， 热力学第一定律u=qw即在关系变化过程中，系统内的减少等于环境向系统供热和向系统外工作的差异，本质是能量守恒。 它基于能量方程，利用能量转换的数量关系来评价过程的能量完整性，主要指标是热效率、简单、直观，但不能反映能量过程的不可逆性导致的能量下降。 对节能的指导仅限于交通堵塞、烟、滴、漏等初级水平。 2020/6/5、31、1、烟气To、热力学第一定律在加热炉能量分析中的应用，提高效率的关键是减少烟气和炉壁散热，2020/6/5、32、1、能量的量和质量，热力学第二定律：孤立系统熵恒定增大S=S系统s环境0或-T0(S-S0)能力中以功能的形式无限变换传递的部分有限，由系统的状态和基准状态决定。 在一定环境下系统能够对外的最大学习，热力学第二定律有机地结合能量的“质”和“量”，真正体现了能量在热力学系统中的价值。另外，2020/6/5、33、2、能量质量的定量特征，2020/6/5、34，例如1Kg、100C的水，相对于基准状态0C，1atm热焓：H=100Kcal能级：=1-273/(100273 )=0.2681:ex=1000.2681=26.81Kcal在此条件下设计游戏机：:可逆循环效率=26.81%Ex :最大功率=26.81kcal，2，能量质量定量表示，2020/6/5， 35相同4GJ/h的热量： 360-320C时=0.555Ex=2.22GJ/h130-90C时=0.287Ex=1.148GJ/h(为平均温度计算，以0C为基准状态)、2、能量质量的定量表现、2020/6/5、 36、(ex)t=铮铮铮铮铮铮、铮、铮、铮、，面积，2 .能量质量的定量表现，200 22卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡6、2020/6/5、38、，化学，电能=1.01 )转化成产品2 )丢弃在环境中3 )再利用，2020/6/5，40，2020/6/5，40，2020 ，q，化学佣金损失，排烟温度，排烟废弃佣金损失，分离佣金损失，热回收佣金损失，冷却佣金损失，基准温度，1400C，385C，30C，3，消耗是过程的推动力，2020/6/5，41，4， 作为节能的本质和判断标准的投资和消费权衡传热过程： Q=KFTF-传热面积(投资)t-传热温差(差/推进力、操作费用)目标：经济最佳(即评价能源，不评价热)、2020/6/5、42、能源费用和投资费用权衡、最低费用、4、节能的本质包括工程、技术、经济、环境方程式： O-总费用(万元/年) Oe-总能源费用(万元/年，评估) Od-投资费用(折旧、万元/年)，4，节能的本质判断，2020/6/5，44，例1 :管径与保温厚度的优化设计，热油品运输费用与管径关系的经济优化， 2020/6/5，45例2 :分馏塔回流比架数的最佳化：