大工优化设计资料(共15页)

1、过程装备优化设计过程(guchng)装备优化设计The design of optimization of process equipment学部(xu b)（学院）： 化机(hu j)学院 专 业： 过程装备与控制工程 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 武锦涛 评 阅 教 师： 张晓东 完 成 日 期： 2015/1/2 大连理工大学Dalian University of Technology过程装备优化设计过程装备优化设计- PAGE IV - PAGE I -摘 要过程装备是现代过程工业生产中的基础和平台，这些装备的可靠是现代化工快速发展(fzhn)和稳定运行的基石。尤其是

2、随着过程装备的大型化，平台化，数字化，智能化的发展，大大提高了生产效率。然而，过程装备的制造要求却越来越高，需要承受更为苛刻的生产条件，例如高温，高压，甚至超高压；耗能也越来越大，公用工程也占据着越来越大的比重，致使投资和运营成本大幅提升。所以过程装备的节能是一个(y )重要的问题，也具有很大的利益。因此，“装备优化设计”的目的就是利用现代(xindi)的仿真软件（如aspen，proII等），本文用的是aspen plus8.4对“催化重整过程”进行化工过程相关计算，并作出优化设计，使过程的耗能最小，获得最大经济效益。本文中，通过计算和优化，获得公用工程用量为：48530000KJ/h，热物

3、流的夹点温度为：87，冷物流的为：67；优化后的换热面积为：4427m2。可见，通过夹点技术的运用和aspen plus的仿真模拟，能够大大节省模拟和优化成本，并获得最大的经济效益。可以说，过程工业依托有力的模拟仿真将是一个发展趋势。关键词：过程装备;优化设计;aspen模拟 过程装备优化设计- PAGE 14 - The design of optimization of process equipmentAbstract Process equipment is the foundation and platform of modern industrial production. Esp

4、ecially with the development of large-scale equipment, and digital and intelligent devices, greatly improves the production efficiency.However, the manufacturing process and equipment requirements are getting higher and higher, and need to bear more demanding production conditions, such as high temp

5、erature, high pressure, and even ultra high pressure; energy consumption is also growing, utilities also occupy an increasingly large proportion, resulting in investment and operating costs increase. So energy saving is an important point, it has great benefit. The design of optimization of process

6、equipment is the purpose of the use of modern simulation software (such as Aspen, pro ii etc.)。This paper is used in chemical process calculation of Aspen plus8.4 on Catalytic reforming process , and makes the optimization design, the process of the minimum energy consumption, obtain the biggest eco

7、nomic benefits.Through calculation and optimization, the utilities consumption is: 48530000KJ/h, thermal logistics pinch point temperature: 87, cold Logistics: 67; heat transfer area as the optimized: 4427m2.Therefore, using pinch technology and Aspen Plus simulation can greatly save the cost, and o

8、btain the maximum economic benefit. As we can see, Its the trend of using simulation. Key Words：Process Equipment；Design of Optimization；Aspen plus for Simulation目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc408218457 摘 要 PAGEREF _Toc408218457 h IHYPERLINK l _Toc408218458 Abstract PAGEREF _Toc408218458 h IIHY

9、PERLINK l _Toc408218459 引 言 PAGEREF _Toc408218459 h 1HYPERLINK l _Toc408218460 1项目(xingm)背景 PAGEREF _Toc408218460 h 3HYPERLINK l _Toc408218461 1.1催化裂化(cu hu li hu)过程 PAGEREF _Toc408218461 h 3HYPERLINK l _Toc408218462 1.2相关(xinggun)数据： PAGEREF _Toc408218462 h 3HYPERLINK l _Toc408218463 1.3本文的主要工作 PAG

10、EREF _Toc408218463 h 5HYPERLINK l _Toc408218464 2 Aspen plus模拟 PAGEREF _Toc408218464 h 6HYPERLINK l _Toc408218465 2.1 概述 PAGEREF _Toc408218465 h 6HYPERLINK l _Toc408218466 2.2 模拟和计算结果 PAGEREF _Toc408218466 h 7HYPERLINK l _Toc408218467 结 论 PAGEREF _Toc408218467 h 10HYPERLINK l _Toc408218468 参考文献 PAGE

11、REF _Toc408218468 h 11HYPERLINK l _Toc408218469 致 谢 PAGEREF _Toc408218469 h 11引 言优化 HYPERLINK /view/14417.htm t _blank 设计(shj)英文名是optimization design，从多种方案中选择最佳方案的设计方法。它以数学中的最优化理论为基础，以计算机为手段(shudun)，根据 HYPERLINK /view/14417.htm t _blank 设计(shj)所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定的各种HYPERLINK /view/2167316.htm t _b

12、lank 约束条件下，寻求最优的设计方案。优化步骤：建立数学模型。选择最优化算法。程序HYPERLINK /view/14417.htm t _blank 设计。制定目标要求。计算机自动筛选最优HYPERLINK /view/14417.htm t _blank 设计方案等。通常采用的最优化算法是逐步逼近法，有线性HYPERLINK /view/126021.htm t _blank 规划和非线性规划。优化HYPERLINK /view/14417.htm t _blank 设计就是在满足设计要求的众多设计方案中选出最佳设计方案的设计方法。化工优化设计在化工优化设计中，Aspen Plus是一

13、个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统。Aspen Plus是大型通用流程模拟系统，源于 HYPERLINK /view/218687.htm t _blank 美国能源部七十年代后期在麻省理工学院（MIT）组织的会战，开发新型第三代流程模拟 HYPERLINK /view/37.htm t _blank 软件。该项目称为“过程工程的先进系统”（Advanced System for Process Engineering，简称ASPEN），并于1981年底完成。1982年为了将其商品化，成立了AspenTech公司，并称之为Aspen Plus。该 HYPERLINK /vie

14、w/37.htm t _blank 软件经过20多年来不断地改进、扩充和提高，已先后推出了十多个版本，成为举世公认的标准大型流程模拟软件，应用案例数以百万计。产品特点：一、产品具有完备的物性数据库 物性模型和数据是得到精确可靠的模拟结果的关键。人们普遍认为AspenPlus 具有最适用于工业、且最完备的物性系统。许多公司为了使其物性计算方法标准化而采用Aspen Plus 的物性系统，并与其自身的工程计算软件相结合。 Aspen Plus 数据库包括将近6000 种纯组分的物性数据1. 纯组分数据库，包括将近6000 种化合物的参数2. 电解质水溶液数据库，包括约900 种离子和分子溶质估算电

15、解质物性所需的参数。3. 固体数据库，包括约3314 种固体的固体模型参数。4. Henry 常数库，包括水溶液中61 种化合物的Henry 常数参数。5. 二元交互作用参数库，包括(boku)RidlichKwong Soave、Peng Robinson、Lee esler Plocker、BWR Lee Starling，以及Hayden OConnell状态方程的二元交互作用参数约40,000 多个，涉及5,000 种双元混合物。6. 无机物数据库，包括2450 种组分(zfn)（大部分是无机化合物）的热化学参数。二、产品线比较长，集成能力很强。 Aspen Plus 是Aspen 工

16、程套件（AES）的一个组份。AES 是集成的工程产品套件，有几十种产品。以Aspen Plus 的严格机理模型为基础，形成了针对(zhndu)不同用途、不同层次的Aspen Tech 家族软件产品，并为这些软件提供一致的物性支持。 如：Polymers Plus： 在Aspen Plus 基础上专门为模拟高分子聚合过程而开发的层次产品，已成功地用于聚烯烃、聚酯等过程。1.Aspen Plus 可以为夹点技术软件直接提供其所需要的各流段的热焓、温度和压力等参数。B-JAC/ HTFS： 换热器详细设计（包括机械计算）的软件包，2.Aspen Plus 可以在流程模拟工艺计算之后直接无缝集成，转入

17、设备设计计算。3.唯一将序贯（SM）模块和联立方程（EO）两种算法同时包含在一个模拟工具中。 序贯算法提供了流程收敛计算的初值，采用联立方程算法，大大提高了大型流程计算的收敛速度，同时，让以往收敛困难的流程计算成为可能。节省了工程师计算的时间。4.结构完整，除组分、物性、状态方程之外，还包含以下单元操作模块： 对于气/液系统， Aspen Plus包含： 通用混合、物流分流、子物流分流和组分分割模块。 闪蒸模块：两相、三相和四相 通用加热器、单一的换热器、严格的管壳式换热器、多股物流的热交换器 液液单级倾析器 基于收率的、化学计量系数和平衡反应器。 连续搅拌釜、柱塞流、间歇及排放间歇反应器。

18、单级和多级压缩和透平 物流放大、拷贝、选择和传递模块 压力释放计算 精馏模型 简捷精馏 严格多级精馏 多塔模型 石油炼制分馏塔 板式塔、散堆和规整填料塔的设计和校核。 对于固体系统， Aspen Plus包含： 文丘里涤气器、静电除尘器、纤维过滤器、筛选器、旋风分离器、水力旋风分离器、离心过滤器、转鼓过滤器、固体洗涤器、逆流倾析器、连续结晶器等。1项目(xingm)背景1.1催化裂化(cu hu li hu)过程一、总体设计催化裂化是石油炼制过程之一，是在热和催化剂的作用下使重质油发生裂化反应，转变为裂化气、汽油和柴油等的过程。原料采用原油蒸馏（或其他石油炼制过程）所得的重质馏分油;或重质馏分

19、油中混入少量渣油,经溶剂脱沥青后的脱沥青渣油；或全部用常压渣油或减压渣油。在反应过程中由于不挥发的类碳物质沉积在催化剂上，缩合为焦炭，使催化剂活性下降，需要(xyo)用空气烧去（见催化剂再生），以恢复催化活性，并提供裂化反应所需热量。催化裂化是石油炼厂从重质油生产汽油的主要过程之一。所产汽油辛烷值高（马达法80左右），安定性好，裂化气（一种炼厂气）含丙烯、丁烯、异构烃多。二、工艺流程催化裂化工艺由三部分组成：原料油催化裂化、催化剂再生、产物分离。催化裂化过程的主要化学反应有：裂化反应、异构化反应、氢转移反应、芳构化反应。催化裂化所得的产物经分馏后可得到液化气、汽油、柴油和重质馏分油。 催化裂化

20、工艺流程图1.2相关数据：原始(yunsh)流股数据公用(gngyng)工程数据：冷却水CW为15。1.3本文的主要(zhyo)工作1. 画出冷热(ln r)流股的组合曲线、总组合曲线；2. 确定系统夹点温度；3. 确定公用工程用量；4. 画出格子图，判断违法夹点匹配原则的情况；5. 提出改进方案；2 Aspen plus模拟2.1 概述(i sh)利用aspen的模拟，将数据输入，选择合适的物性(w xn)方法，利用(lyng)夹点技术、夹点技术与换热网络的合成和Aspen Energy Analyzer的应用。可将公用工程量确定，并画出冷热流股的组合曲线、总组合曲线，确定系统夹点温度。1.

21、夹点技术：夹点技术（Pinch technology）是以热力学为基础，以最小能耗为主要目标的换热网络综合方法。1978年，Linnhoff等提出了换热网络的夹点问题，指出夹点限制了换热网络可能达到的最大热回收。1983年，Linnhoff比较系统的提出了用于换热网络综合的夹点技术，并推广应用于整个过程的能量分析与调优。2.夹点技术与换热网络在石油化工生产过程中，一些工艺物流需要加热，而另一些工艺物流需要冷却，如何合理地将这些物流匹配在一起，充分利用热物流去加热冷物流、提高过程的热回收率，以便尽可能减少公用工程加热和冷却负荷是一个多方案、多目标的集成问题。换热网络合成就是确定出这样的流程，使它

22、具有最小的冷换设备（换热器、加热器和冷却器）投资费用和操作费用，并将每一个过程物流由初始温度达到指定的目标温度。除此之外，换热网络还要求具备较好的灵活性、操作性和可控性3.换热网络合成的目标最小公用工程负荷目标：QHmin和Qcmin 最小换热单元数目标：Umin 最小传热面积目标：Amin 年总费用最小目标4.Aspen Energy AnalyzerAspen Energy Analyzer（能量分析器）是AspenTech公司旗下的产品，是进行换热网络优化设计的一个功能强大的概念设计包，提供了夹点分析和换热网络优化设计的环境，是Aspen在工程应用上的一个重要工具。其功能为：计算能量和设

23、备投资目标进一步改善能量热集成项目，从而减少操作费用、设备投资费用并使能量利用最大化提供过程能量优化的工具提供图表结合使用的方法2.2 模拟(mn)和计算结果1.画出冷热(ln r)流股组合曲线，总组合曲线把冷热(ln r)物流的进出口温度以及热负荷值输入Aspen Energy Analyzer V7.2中，图1冷热物流的信息表图2冷热流股的组合曲线图3冷热(ln r)流股总组合曲线2.系统(xtng)夹点温度本题规定最小传热(chun r)温差为20，所以不需DT图。图5 Case 1 Targets由图可知热物流的夹点温度为87冷物流的为67。3.确定公用工程用量根据上图可知：热公用工程

24、用量=48530000KJ/h 冷公用工程用量=13700000KJ/h4.画出格子图，判断违法夹点匹配原则的情况格子图如下由下述3个夹点技术设计换热网络基本原则：但凡违背下述三点(sn din)的情况都违法夹点匹配(ppi)原则（1）避免(bmin)有热流量通过夹点换热；（2）夹点上方应该避免使用公用工程冷却物流；（3）夹点下方应该避免使用热公用工程加热物流5.提出改造方案换热网络优化 换热网络(Heat Exchanger Network)的主要作用就是在各种条件允许的情况下,尽可能经济地回收所有过程物流的有效能量,以达到减少公用工程耗量的目的。HEN的设计目标通常包括定量(投资费用和公用工程费用)和定性(安全性、运行能力、弹性及控制能力等)两部分,由于实际的HEN含有较多物流且需考虑多种实际因素(如约束、禁止匹配等),因而其设计是一个较复杂的问题。因其在化学工程领域具有显著的节能效益,同时它又是一个数学的混合整数非线性规划问题,因而受到人们的重视。换热网络优化设计目标主