节能效果与对比

热集成节能效果1.1概述在化工流程中，从原料到产品的整个生产过程，始终伴随着能量的供应、转换、利用、回收、生产、排弃等环节。例如，进料需要加热，产品需要冷却，冷、热流体之间换热构成了热回收换热系统。加热不足的部分就必须消耗热公用工程提供的燃料或蒸汽，冷却不足的部分就必须消耗冷公用工程提供的冷却水、冷却空气或冷量；泵和压缩机的运行需要消耗电力，或由蒸汽透平直接驱动等。若能巧妙的安排流程中的冷热流体相互换热，则可减少外部公用工程的消耗，以降低操作成本。热集成网络的分析与合成，本质上是设计一个由热交换器组成的换热网络，使系统中所有需要加热和冷却的物流都达到工艺流程所规定的出口温度，使得基于热集成网络运行费用与换热设备投资费用的系统总费用最小。Aspen能量分析器软件采用过程系统最优化的方法进行过程热集成的设计，其核心是夹点技术。它主要是对过程系统的整体进行优化设计，包括冷热物流之间的恰当匹配、冷热公用工程的类型和能级选择；加热器、冷却器及系统中的一些设备如分离器、蒸发器等设备在网络中的合适放置位置；节能、投资和可操作性的三维权衡；最终的优化目标是总年度运行费用与设备投资费用之和（总年度费用目标）最小，同时兼顾过程系统的安全性、可操作性、对不同工况的适应性和对环境的影响等非定量的过程目标。因此，夹点技术不仅可以用于热回收换热网络的优化集成，而且可用于合理设置热机和热泵、确定公用工程的等级和用量，去除“瓶颈”、提高生产能力，分离设备的集成，减少生产用水消耗，减少废气污染排放等。1.2换热网络设计步骤利用Aspen Energy Analyzer设计换热网络，其主要步骤如下：（1）确定流程中需要换热的冷流股和热流股；（2）确定使用的公用工程类型；（3）确定最小传热温差；（4) 作出冷热流股的温焓图和组合曲线图；（5) 找出夹点及最小冷、热公用工程用量；（6) 构建优化换热网络。(1):换热物流的确定利用Aspen Energy Analyer的物流导入功能，提取Aspen模拟源文件的信息，并将缺失的信息补全，可以得到需要换热的冷热物流，如表1-1所示。表1-1换热物流一览表物流编号进口温度出口温度MCpEnthaply流量类型（）()(kJ/(h)(kJ/h)（kg/h）0308-B_To_051090.0099.63107038.991030512.101333.130308-A_To_020990.0099.63266273.482563533.554053.440308-C_To_061290.0099.63635068.946114091.892774.350407_To_040890.0025.002058.04133772.495459.910601_To_060225.0040.006485.6297284.257039.740103_To_0104128.0525.0052394.815399386.2115011.88V0402_heat86.0090.001579214.536316858.11126218.0V0401_heat80.0086.00341742.232050453.361218.51R0401_heat89.9880.00683580.526824739.771218.51V0201_heat50.7865.00303671.194317698.1757484.78V0602_heat65.2190.00377763.619365570.447039.74V0101_heat40.00128.05327990.9528880234.5324017.70R0601_heat60.0059.5054250400.527125200.237039.74V0501_heat107.71107.71147329.20212.15932.54R0201_heat40.0039.5050207436.125103718.0757484.78(2):确定最小传热温差；分析换热物流信息，可以得到最高的加热温度为120.5，最低冷却温度为25，故选择的公用工程如表1-2公用工程信息表所示：表1-2公用工程信息表公用工程类型介质热公用工程高压蒸汽、中压蒸汽、低压蒸汽、冷公用工程冷却水、冷冻盐水利用Aspen Energy Analyzer软件的绘图功能，以最小传热温差对总操作费用作图，可得图1-1最小传热温差图。由图1-1在传热温差为13.5的时候，总操作费用最小，故取传热温差为13.5。图1-1最小传热温差图(3):绘制温焓图和组合曲线利用Aspen Energy Analyzer软件的绘图功能，可以得到图1-2温焓图图1-3总组合曲线，图1-4含公用工程的组合曲线。图1-3全厂物流温焓图图1-3全厂物流总组合曲线图1-4全厂含公用工程的组合曲线由图1-2温焓图可以看出，系统在较大的焓值区间有较好的换热潜力，通过软件确定出夹点温度，之后可进行物流之间的换热匹配，根据夹点原理，系统可以实现最大程度的热量集成。综合考虑系统中物流换热潜力、物流性质、以及物流输送，即可进行物流之间的换热匹配，在物流间的换热设计过程中，还需要考虑设备个数，以及由于换热面积所产生的设备投资费用。在设计完所有的物流间换热后，其余的物流换热则通过冷热公用工程实现，进而完成整个系统的全部换热。(4):确定夹点及最小公用工程用量利用Aspen Energy Analyzer软件，在T=13.5时计算得到夹点信息，如表1-3物流夹点信息表所示。表1-3物流夹点信息表序号热物流夹点/冷物流夹点/1125111.526046.5333.520最小公用工程用量为：热公用工程44618683.4400732kJ/h冷公用工程57146672.0924457kJ/h(5):构建优化换热网络利用夹点理论，结合本流程的实际情况，设计最佳换热网络，设计的原则如下：（1） 运用夹点理论，尽量不穿越夹点进行能量传递；（2） 气体等不利于长距离运输的物流，尽量与相近的物流进行换热；（3） 冷凝器、再沸器尽量采用公用工程换热，有利于减小换热器的复杂度；对总厂的物流进行匹配如下：图1-5推荐换热网络图对热集成网络的优化匹配方案的解释如下：用反应器冷却液的余热给原料进行预热，将废热回收工段的热量用来给水蒸气加热，加热后的水蒸气再给换热器中管程中的物料进行加热，部分换热器中出口水蒸气温度再给其他换热器提供能量，其他物流就用公用工程处理。这样可以在换热器个数比较少的情况下，节约大量的能量。利用Aspen Energy Analyzer软件可以得到换热网络的换热面积，换热器数量等其它参数，如下表所示：表1-4换热网络参数表Network Cost IndexesNetwork PerformanceCost IndexTargetHENTargetHeatingCost/s2.83E-0295.55HeatingCost/s47508989.10106.48CoolingCost/s3.54E-0396.69CoolingCost/s60037189.91105.06OperatingCost/s3.19E-02113.30NumberofUnits18.0072.00CapitalCost/s1552483.482.87NumberofShells27.0093.10Total CostCost/s4.77E-02100.