换热网络与热集成

换热网络与热集成我国国民经济正处于一个高速发展的时期，这就不可避免地出现能源消耗的大幅度上升。当前我国的能源消费量已超过世界能源消费总量的10%，但是我国的人均能源消费量仅约为世界平均水平的50%，这种情况表明未来我国经济发展所面临的能源问题将更加突出、更加严峻。为了保证国民经济持续、快速、健康地发展，必须合理、有效地利用能源，不断提高能源利用效率。在大型过程系统中，存在大量需要换热的流股，一些物流需要被加热，一些物流需要被冷却。大型过程系统可以提供的外部公用工程种类繁多，如不同压力等级的蒸汽，不同温度的冷冻剂、冷却水等。为提高能量利用率，节约资源与能源，就要优先考虑系统中各流股之间的换热、各流股与不同公用工程种类的搭配，以实现最大限度的热量回收，尽可能提高工艺过程的热力学效率。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。1.1 热集成1.1.1 概述进行流程的冷热流股之间的能量匹配设计并构建换热网络。热集成旨在最大程度的利用流程内部的能量，减少公用工程的消耗，从而减少操作费用，降低生产成本。通过对流程流股的深入分析，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）利用物流数据做出冷热流股的温焓图和总组合曲线图（GCC）；（3）确定最小传热温差；（4）找出夹点及最小冷、热公用工程用量；（5）构建优化换热网络。由于跨车间换热对管道伴热要求较高，使用的管道经济投资较大，在换热网络处理中，本设计将原料预处理工段、反应工段、二氧化碳捕集工段和分离提纯工段分别进行换热网络设计。夹点设计技术原则：（1）流股数目准则夹点以上只能用热公用工程进行加热，所有的热流股都要用冷流股冷却到热夹点温度，夹点以下只能用冷公用工程进行冷却，所有的冷流股都要用热流股加热到冷夹点温度。因此流股数目准则为：对于夹点上方，热物流(包括其分支物流)的数目要小于或等于冷物流（包括其分支物流）数目，即：NHNC对于夹点上方，热物流（包括其分支物流）的数目要大于或等于冷物流（包括其分支物流）数目，即：NHNC在夹点处，如果实际系统中股流数目不能满足上述准则，则应通过对股流的分流来满足该准则，而在远离夹点处可不必遵守该准则。（2）热容流率准则夹点处的温差是网络中的最小温差，为保证各换热匹配的温差始终不小于Tmin，要求夹点处匹配的股流的热容流率满足以下准则：对于夹点上方，每一夹点匹配中热物流(或其分支)的热容流率要小于或等于冷物流的热容流率FCpc，即：FCphFCpc对于夹点下方，则：FCphFCpc如果夹点处的实际股流不能满足该准则，就应通过分流来减少夹点之上所需匹配的热流的热容流率或夹点之下所需匹配的冷流的热容流率。离开夹点后，由于物流间的传热温差都增大了，所以不必一定要遵循该规则。（3）最大换热负荷准则为保证最小数目的换热单元，每一次匹配应换完两股股流中的一股。1.1.2 换热网络设计选择相变点进行物流分段，通过Aspen Energy Analyzer 的自动导入功能物流信息进行提取，并手动检查物流信息，增删部分物流，选择公用工程的类型及温度。对第一、二工段，第三工段以及第四工段的物流提取信息提取见表1-1、表1-2、表1-3所示表1-1 第一、二工段物流提取信息过程流股物流符号进口温度（）出口温度（）换热量（KJ/hr）0110_To_0111130.2400581609953222.7540224_To_0225126.4115731203088786.9080230_To_023161.2106443258855580.3060202_To_0203152.3645922062274387.2To ReboilerT0203_TO_0237121.8780021122.35623758774256.83To CondenserT0203_TO_023080.5426673261.210644347639194.91To ReboilerT0201_TO_0213157.9802025158.83349754131493.79To CondenserT0201_TO_0209105.671273864.792527538203800.09To ReboilerT0202_TO_0222157.9802025158.83349754131493.79To CondenserT0202_TO_0218105.671273864.792527538203800.09续表1-1第一、二工段物流提取信息R0202_heat160159.535661898.1R0201_heat160160.514299168.55表1-2第三工段物流提取信息过程流股物流符号进口温度（）出口温度（）换热量（KJ/hr）0316_To_031719.445946450642308.34750239_To_0301124.982924305054368.9510303_To_030464.7892293-1528872731.760308_To_0309141.609524515251924.830327_To_0328160.744723201010942.781To ReboilerT0303_TO_0326134.3196181155.08976547455909.75To CondenserT0303_TO_032298.3984733695.004106131316716.78表1-3 第四工段物流提取信息过程流股物流符号进口温度（）出口温度（）换热量（KJ/hr）0442_To_0443287.8975282011002572.520418_To_041984.002608920992200.20510425_To_0426122.187354204728785.8410411_To_0412116.734011551472797.3850412_To_04135512712060319.70306_To_0307-37.510475710.00675213155078.68To CondenserT0402_TO_041899.8006684184.00260893709258.079To ReboilerT0402_TO_0425121.562938122.18735413028154.94To CondenserT0401_TO_040696.6029581176.826963572655881.67To ReboilerT0403A_TO_0441287.2054135287.705413519670873.74To ReboilerT0401_TO_0410114.57492116.71919191558425.69To CondenserT0404_TO_044869.2400142958.27548531751477.019To CondenserT0403B_TO_0437153.479946291.36303177966183.203To ReboilerT0404_TO_045278.5247396578.70457022680550.13To CondenserT0403A_TO_043372.0707823366.558640913005263.51.2 夹点分析和能量目标确定图1-1 热回收网图络公用工程成本与Tmin的关系图在设计换热网络时，Tmin的选择与换热网络的操作及设备成本有直接关系。由图1-1，我们可以看到，热公用工程和冷公用工程都随Tmin的增大而增大，而且二者用量平行增加。对于设备费用而言，Tmin存在一个最佳值，当Tmin增加时，夹点处换热器面积减少，设备投资费用也迅速下降，但是超过最低值后，由于外加热、冷却单元数增加，设备投资费用又开始增加。将上述工艺流股信息输入到 Aspen Energy Analyzer V10，在能量分析器中，对最小传热温差进行经济评估，获得总费用-温差关系曲线如图1-2、图1-3和图1-4所示。图1-2 第一、二工段总费用与Tmin 关系曲线图1-3 第三工段总费用与Tmin 关系曲线图1-4 第四工段总费用与Tmin 关系曲线在图中选取总费用最小且变化趋势相对平稳部分的温度作为最小传热温差 进行后续计算。分析后可以看出，第一工段费用最少时，传热温差为3，由于温差较小时容易产生温度的交叉，而温度较高时费用升高，因此第一、二工段传热温差定为5；第三工段费用最少时，传热温差为14。第四工段传热温差为9时，费用最高，由图可得到传热温差为10时，较为合适，因此此处选取最小传热温差为10。根据导入的流股信息，根据选取的最小传热温差，可以获得分别作出四个工段的冷热流股的温焓图和组合曲线，之后获得最小公用工程用量，以及夹点的温度。本工艺冷热流股温焓图和流股复合曲线如图1-5至图1-10所示：图1-5第一二工段物流温焓图（热集成优化前）图1-6第三工段物流温焓图（热集成优化前）图1-7第四工段物流温焓图（热集成优化前）图1-8 第一、二工段物流总组合曲线图（热集成优化前）图1-9 第三工段物流总组合曲线图（热集成优化前）图1-10 第四工段物流总组合曲线图（热集成优化前）预处理工段、反应工段、二氧化碳捕集工段、分离精制工段优化前的换热网络如图1-11至图1-13所示：图1-11 第一、二工段优化前换热网络图1-12 第三工段优化前换热网络图1-13 第四工段优化前换热网络通过Aspen Energy Analyzer流程起始默认的夹点温度10，得到流程优化前的换热网络以及所需的最小公用工程如表1-4、1-5、1-6所示：表1-4 第一、二工段夹点温度表(热集成优化前)夹点温度（）最小公用工程耗量(kJ/h)冷端热端热公用工程冷公用工程32.542.51.911082.34108表1-5 第三工段夹点温度表(热集成优化前)夹点温度（）最小公用工程耗量(kJ/h)冷端热端热公用工程冷公用工程1641744.811078.15107表1-6 第四工段夹点温度表(热集成优化前)夹点温度（）最小公用工程耗量(kJ/h)冷端热端热公用工程冷公用工程1171271.421081.17108优化前费用表如表1-7所示：表1-7 优化前Aspen经济费用表工段号 设备费用（cost）操作费用（cost/s）总费用(cost/s)第一、二工段 3.191060.14520.1719第三工段81050.0530.06第四工段2.21060.1050.124在Aspen energy analyzer中本身含有编辑换热网络的功能，通过删除不必要的的换热器，删除不必要的撕裂流股，删去较小的换热器，对于过大的换热器尽可能减少面积，改变换热器换热的顺序提高传热温差，将双气相换热转化为与公用工程的换热，塔设备的换热器尽可能只换一次热，将公用工程流股调整为全并联模式，与实际公用工程情况相匹配，适当添加额外公用工程，保证每一个流股都含有公用工程。在设计合理的前提下，为了减少有效能的损失，合成最大热回收量，以最小设备数、最小换热面积、最小操作费用为目标，进行不同方案的筛选和优化。从而确定出最后的换热方案。如图1-14至图1-16所示：图1-14 第一、二工段优化后换热网络图1-15 第三工段优化后换热网络图1-16 第四工段优化后换热网络根据导入的流股信息，根据优化过程每个工段选取的最小传热温差，可以获得分别作出四个工段的冷热流股的温焓图和组合曲线，之后获得优化后的最小公用工程用量，以及优化后的夹点的温度。本工艺优化后的冷热流股温焓图和流股复合曲线如图1-17至图1-22所示：图4-17第一二工段物流温焓图（热集成优化后）图4-18第三工段物流温焓图（热集成优化后）图4-19第四工段物流温焓图（热集成优化后）图4-20 第一、二工段物流总组合曲线图（热集成优化后）图4-21 第三工段物流总组合曲线图（热集成优化后）图4-22 第四工段物流总组合曲线图（热集成优化后）表1-8至1-10为四个工段的热集成优化结果：表1-8 第一、二工段夹点温度表(热集成优化后)夹点温度（）最小公用工程耗量(kJ/h)冷端热端热公用工程冷公用工程32.537.51.531081.98108表1-9 第三工段夹点温度表(热集成优化后)夹点温度（）最小公用工程耗量(kJ/h)冷端热端热公用工程冷公用工程1641784.751078.08107表1-10 第四工段夹点温度表(热集成优化后)夹点温度（）最小公用工程耗量(kJ/h)冷端热端热公用工程冷公用工程1171271.211089.65107我们对于热集成前后的能量消耗进行了对比，结果见表1-11：