優(yōu)秀畢業(yè)論文（設(shè)計）_常減壓焦油加工工藝換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與優(yōu)化

1、摘要隨著全球經(jīng)濟快速的發(fā)展，全球能源資源的快速消耗，資源短缺成為了二 十一世紀所面臨的重大問題，它制約著人類的生存和發(fā)展。再者由于我國長 期粗放型經(jīng)濟增長模式導(dǎo)致高能耗、高物耗的產(chǎn)業(yè)占據(jù)著我國重要的地位。而常減壓蒸餾是是煉油工業(yè)的基礎(chǔ)，同時也是煉油企業(yè)的用能大戶約占全廠 總能耗的20%-30%。因此常減壓蒸餾裝置的節(jié)能優(yōu)化對于煉油廠極為熏要。 那么每個煉油廠必須有著自己的一套常減壓換熱絡(luò)來實現(xiàn)全廠的節(jié)能優(yōu)化， 通過換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化綜合設(shè)計一個最優(yōu)的換熱網(wǎng)絡(luò)也就顯得極為重要。該設(shè)計 就是為年消耗20萬噸常減壓焦油裝置換熱網(wǎng)絡(luò)進行模擬優(yōu)化。(1) 確定常減壓焦油加工工藝的流程，采用脫水塔、分餾塔、蒽油

2、塔、 酚油塔、分餾塔進行5塔蒸餾。確定進料組分以及進料量，利用aspen plus 軟件進行常減壓焦油加工工藝的流程的模擬，得到產(chǎn)品表，進行物料衡算確 定物料守衡。(2) 根據(jù)流程模擬數(shù)據(jù)，利用aspen energy analyzer進行常減壓焦油加 工工藝換熱絡(luò)的模擬，得到換熱網(wǎng)絡(luò)熱負荷為冷負荷為，根據(jù)換熱網(wǎng)絡(luò)復(fù) 合溫焓圖和溫差成本圖中確定常減壓焦油加工工藝換熱網(wǎng)絡(luò)夾點溫度為 210°c,在溫差為8.5°c時，換熱成本是最低的。根據(jù)柵格圖找出常減壓焦油 加工工藝中熱量使用不合理的地方。(3)設(shè)置允許換熱溫差分別為rc、t-rc, b°c,對常減壓焦油加工工 藝

3、進行換熱網(wǎng)絡(luò)的模擬，進行流股匹配，得到在允許換熱溫差等于最小換熱 溫差的時候是最節(jié)工程用量的，節(jié)約了坑44.。根據(jù)成本最低原則，選 擇優(yōu)化方案二。關(guān)鍵詞：流程模擬換熱網(wǎng)絡(luò)模擬夾點技術(shù)換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化abstractwith the rapid development of the global economy, rapid depletion of global energy resources, shortage of resources has become a major problem facing the twenty-first century, it restricts the hu

4、man survival and development. furthermore, because our long-term extensive economic growth mode leads to high energy consumption, high material consumption industry occupies an important position in china. and yes basis of atmospheric and vacuum distillation refining industry, but also energy-hungry

5、 refineries account for about 20% -30% of the whole plants total energy consumption. thus saving optimization crude distillation unit is extremely important for the refinery. then each refinery must have their own set of atmospheric and vacuum heat network to achieve energy optimization of the whole

6、 plant, an optimal integrated design optimization of heat exchanger network through a network will become extremely important. the design is to the annual consumption of 200,000 tons of tar crude oil distillation unit heat exchanger network simulation and optimization.determine the atmospheric and v

7、acuum tar processing technology processes using dehydration tower, fractionating tower, tower anthracene oil, phenol oil tower，fractionating column distillation tower 5. determine the feed ingredients and feed rate，use of aspen plus software for simulation of atmospheric and vacuum distillation of t

8、ar processing process, to give the product table, for material balance to determine the material conservation.according to the process simulation data using aspen energy analyzer to simulate the atmospheric and vacuum distillation of tar processing technology heat exchanger network, get a load of co

9、ld heat exchanger network load is determined according to the temperature of the heat exchanger network composite enthalpy diagram and the temperature difference between the cost of fig. atmospheric and vacuum distillation tar processing technology heat exchanger network pinch point temperature of 2

10、10 °c，the temperature difference is 8.5 °c，the heat exchanger isthe lowest cost. according raster map to find tar processing crude oil distillation process using heat unreasonable.setting allows the temperature difference was 6 °c，8.5 0c，12 °c， atmospheric and vacuum distillation

11、 of coal tar processing technology to simulate heat exchanger network, perform stream match to give the allowable temperature difference is equal to the minimum temperature difference the amount of time is the most section of the project, saving 2744.9mj / h. according to the principle of lowest cos

12、t, choose optimization ii.key words： process simulation heat exchanger network simulation pinchtechnology heat exchanger network optimization1. 新侖11.1化工流程模擬11.1.1化工流程模擬及其國內(nèi)外研究進展11.1.2穩(wěn)態(tài)化工流程模擬11.2夾點技術(shù)31.2.1夾點技術(shù)的應(yīng)用范圍及其發(fā)展31.2.2夾點技術(shù)的基木概念41.2.3夾點設(shè)計法的基木原理51.2.4夾點及夾點溫度的確定61.3換熱網(wǎng)絡(luò)的模擬、優(yōu)化綜合71.3.1換熱網(wǎng)絡(luò)的模擬81.3.2

13、換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化綜合81.3.3換熱網(wǎng)絡(luò)的研究進展92. 常減壓焦油蒸餾工藝的模擬102.1常減壓工藝描述102.2常減壓工藝流程的模擬102.3工藝流程模擬結(jié)果112.3.1物料衡算112.3.2能量衡算122.4 4、結(jié)-133. 換熱網(wǎng)絡(luò)模擬及優(yōu)化143. 1 換熱網(wǎng)絡(luò)模擬軟件 aspen energy analyzer143.2換熱網(wǎng)絡(luò)模擬143.3換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化163.3.1優(yōu)化方案一163.3.2優(yōu)化結(jié)果二173.3.3優(yōu)化方案三183.4優(yōu)化方案結(jié)果對比194、結(jié)-194. 結(jié)i侖21辦捕22w舌辛23|5付$24附表一煤焦油常減壓蒸餾工段流程圖241.緒論近些年來，能源的消耗量的

14、增加使得各種資源急劇短缺。這嚴重影響并制約著經(jīng)濟的 發(fā)展以及生態(tài)的平衡。其中，作為一種不可再生資源-石油，在全球范圍內(nèi)的剩余量越來 越少，但它在世界經(jīng)濟屮所發(fā)揮的作用卻越來越重要。在我國，石油的消費量隨著經(jīng)濟發(fā) 展水平的提高不斷攀升，其供需問題已成為日益突出的矛盾。2013年，我國原油年產(chǎn)量 約兩億噸，消費量卻接近五億噸。2014年，我國的原油消費量突破五億噸，累計凈進口 量約為三億噸左右，對外依存度接近三分之二1。由于我國長期以來粗放型的經(jīng)濟增長模式，導(dǎo)致整個石化行業(yè)的生產(chǎn)過程能耗、物耗 量巨大。然而，近些年來能源成本的持續(xù)上漲，嚴重制約了石化企業(yè)發(fā)展，使得該領(lǐng)域正 想方設(shè)法地進行各種技術(shù)上

15、的改進以降低能源消耗，節(jié)約運營成本。就i；前來看，雖然石 油煉制生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展水平在不斷提升，但從整個煉油工業(yè)的角度來看，大多數(shù)裝置的原 油換熱終溫未能達到行業(yè)內(nèi)設(shè)計要求水準。從而，對常減壓蒸餾工藝進行改造、提高能量 回收率對于煉油企業(yè)的節(jié)能降耗至關(guān)重要。1.1化工流程模擬1.1.1化工流程模擬及其國內(nèi)外研究進展社會的發(fā)展離不開化工行業(yè)的發(fā)展，而在生產(chǎn)過程中，如何對其操作工藝與設(shè)備單元 進行改進以提高工作效率、節(jié)約能源是我們所關(guān)心的主要問題。通常，在一個化工過程中， 因為某些實際因素我們無法直接得到系統(tǒng)內(nèi)部的具體情況情況，從而需要對整個流程進行 模擬以獲取所需信息。作為化工過程系統(tǒng)中最基本的技

16、術(shù)，無論是對系統(tǒng)內(nèi)部情況詳細分 析還是優(yōu)化工藝過程或是對系統(tǒng)的綜合設(shè)計都離不開化工流程模擬技術(shù)。對流程的模擬即 就是根據(jù)化工過程屮的工藝操作，建立一個能夠準確描述流程屮所有信息的模型并采用相 關(guān)算法對該模型求解，從而獲得所需信息2。它是由化工原理、工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)以及 系統(tǒng)工程學(xué)等多學(xué)科體系綜合發(fā)展而來的產(chǎn)物。隨著化工流程模擬軟件的研發(fā)以及模擬屮 準確度和復(fù)雜性的提升，目前數(shù)學(xué)模型的建立與求解通常是利用計算機完成。對于任何一 個化工流程模擬系統(tǒng)，均可將其分為四部分：模型、算法、軟件與用戶接口。通過化工流 程模擬技術(shù)于可對操作工藝進行改進、提高生產(chǎn)效率；節(jié)約能源，有效地防治污染并且降 低了工廠

17、的投資費用和運營成本。1.1.2穩(wěn)態(tài)化工流程模擬穩(wěn)態(tài)流程模擬是指根據(jù)工藝的特點，在與實際相差不大的基礎(chǔ)上，將部分工藝操作參 數(shù)理想化為不隨時間改變的定值，對整個化工過程進行模擬。i；前，穩(wěn)態(tài)化工流程模擬技 術(shù)主的應(yīng)用相對較為廣泛，主要集中在以下幾個方而3:工工藝流程再現(xiàn)：利用相關(guān)計算機模擬軟件，通過建立運行裝置的模型以及相關(guān) 工藝操作參數(shù)的輸入，可對現(xiàn)行化工過程進行模擬，實現(xiàn)生產(chǎn)流程的復(fù)現(xiàn)；優(yōu)化生產(chǎn)過程：通過對現(xiàn)行裝置的工藝流程模擬，利用相關(guān)軟件模塊分析計算其 工藝操作參數(shù)、流股數(shù)據(jù)等，找到工藝過程的的不足之處，進行優(yōu)化改造?？衫枚嗵撞?同方案的流程模擬間的比較，從中優(yōu)選出最佳設(shè)計方案，確定

18、生產(chǎn)工藝路線；對新型化工過程開發(fā)與技術(shù)可行性分析：通常情況下，新型工藝的研發(fā)與推廣需 要大量的試驗與實際性操作，這將會耗費一定的時間和人力。另外，由于工藝準確性無法 得以保證，操作中稍有不慎還可能造成一定的危害。通過穩(wěn)態(tài)模擬技術(shù)來代替中間試驗， 可在新型工藝條件下進行流程模型，裝置調(diào)優(yōu)以及過程剖析，從中探索得到最佳操作工況， 以及利益收率情況的預(yù)估。這不僅提高了工作效率，乂可降低生產(chǎn)成木。對生產(chǎn)過程的經(jīng)濟性收益分析與評估：通過流程模擬軟件中的和關(guān)模塊設(shè)定適 當?shù)哪繕撕瘮?shù)與約束條件，跟據(jù)計算結(jié)果對系統(tǒng)的設(shè)備費用，能量費用的投資比率以及總 的經(jīng)濟收率做一預(yù)估；軟件集成的綜合應(yīng)用；將流程模擬軟件與其

19、它工程軟件集成用于化工工藝流程 的優(yōu)化設(shè)計。目前己得到普遍推廣應(yīng)用的流程模擬技術(shù)主要是流程的穩(wěn)態(tài)模擬。工程項目中所使用 的模擬技術(shù)或是基于計算機軟件進行設(shè)計、操作的流程模擬均為穩(wěn)態(tài)的，所以在后續(xù)章節(jié) 中將其簡化成化工流程模擬，即是指穩(wěn)態(tài)的流程模擬?；瘜W(xué)工業(yè)的發(fā)展，過程學(xué)科分類的精細化，使得人們對化工過程、工藝流程、單元操 作等的認識不斷深化。在此基礎(chǔ)上，“化工流程模擬”這一概念應(yīng)運而生。隨后，在計算機 技術(shù)的迅速發(fā)展下，于上世紀后半葉時期化工流程模擬軟件開始研發(fā)，這使得解決流程模 擬時所采用的一些數(shù)值計算方法可以通過使用計算機軟件而實現(xiàn)|41。w外對于化工流程模擬的研究始于20世紀50年代中后

20、期，并和繼推出了 4種流程 模擬軟件。50年代，世界上第一款流程模擬程序“flexible floweet”由美國kellogg公司 率先推出，其主要應(yīng)用于對系統(tǒng)中單個操作設(shè)備的流程模擬。60年代，休斯頓大學(xué)開發(fā)出 “chess”通用性化工流程模擬系統(tǒng)。70年代中后期，麻省理工大學(xué)與美w能源部合作研 發(fā)了新一代化工流程模擬系統(tǒng)“aspen”'此時的化工模擬軟件已經(jīng)開始由著眼于單個設(shè)備 轉(zhuǎn)向?qū)φw裝置的工藝模擬、計算。發(fā)展至80年代，化工過程模擬軟件的技術(shù)日益成熟， 功能也愈加完善。在這個時段里，一大批優(yōu)秀的模擬軟件和繼突出，如：美國smisci模 擬公司研發(fā)的大型通用性流程模擬軟件“p

21、ro/iraspen tech軟件公司推出第二代化工流 程模擬系統(tǒng)“aspen plus。90年代中后期，新型的交互式模擬系統(tǒng)“hysys”軟件由加拿大 hyprotech公苛成功開發(fā)并得以推廣應(yīng)用。隨后，美國aspen tech軟件公司推出“aspen one-,它在模擬計算方面有較大改進。該公司的“hysy”、“htfs”“aspen plus”等各大產(chǎn)品成為目前的主流模擬軟件。與此同時，另一種完全不同的化工流程模擬技術(shù)也得以問世，即以神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)（ann）為理論基礎(chǔ)并將其應(yīng)用于流程模擬中的人工智能方法，目前仍處 于理論階段。國外對于流程模擬的研宄以及相關(guān)模擬軟件的研發(fā)、推廣工作主要由專門的

22、 化工模擬軟件公司進行，而非像過去的分散在各大學(xué)院及煉化公司。其模擬計算的精確度、 可靠性大大提升，應(yīng)用范圍也己經(jīng)從單純的穩(wěn)態(tài)計算開始向工業(yè)設(shè)備裝置“在線化”模擬方 向發(fā)展，使用愈加方便，功能愈益豐富|67。在我國，盡管對于化工流程模擬的研究起步相對較晚，但仍取得了一定的成果。其中， 比較著名的有：上世紀80年代后期，青島化工大學(xué)自行研制了“ecss”通用模擬軟件|81, 這是w內(nèi)到目前為止唯一一款獨立研發(fā)、推廣并得以成功應(yīng)用的化工流程模擬軟件；90年 代，北京化工大學(xué)對于動態(tài)模擬轉(zhuǎn)向仿反應(yīng)器的研發(fā)，并在該人為非定態(tài)反應(yīng)模擬技術(shù)方 面取得了一定的成果之后將其成功應(yīng)用于燕山煙機件模擬平臺上；北京

23、石油化工研究院研 發(fā)再生流程模擬系統(tǒng)“ccsos”，隨后將其成功應(yīng)用于催化裂化反應(yīng)裝罝的模擬中。與國外 相比，當前我國流程模擬軟件及模擬力量主要集中在相關(guān)院校、石化企業(yè)和各大化工研究 所，應(yīng)用還不十分普及，平均水準也未達到國際先進水平|91。1.2夾點技術(shù)1.2.1夾點技術(shù)的應(yīng)用范及其發(fā)展目前，最實用的夾點技術(shù)是過程集成方法。在世界范圍內(nèi)夾點技術(shù)已成功地取得了相 當顯著的節(jié)能效果，通過大量的工業(yè)實踐表明：運用夾點技術(shù)可以明顯的提高系統(tǒng)能量利 用率、降低投資和操作成本等，對工業(yè)生產(chǎn)具有十分重要的作用。如果在老工廠中采用夾 點技術(shù)，對老j *實行全面的改造，預(yù)估計可節(jié)能20%-35%,在半年至3年

24、之間，改造投 資成本將得到回收uqj。熱回收換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化集成孕育出夾點技術(shù)。夾點技術(shù)初次應(yīng)用于熱回收換熱網(wǎng)絡(luò)， 并成功推行，至此夾點技術(shù)的應(yīng)用范圍也逐步擴大，蒸汽動力公用工程子系統(tǒng)也可以運用 夾點技術(shù)，隨后夾點技術(shù)又進一步發(fā)展一躍成為包括蒸汽動力公用工程子系統(tǒng)和熱回收換 熱網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的總能系統(tǒng)。夾點技術(shù)在其他領(lǐng)域也逐步取得成功，在工藝過程子系統(tǒng)中的分離設(shè)備的節(jié)能上夾點技術(shù)也成功應(yīng)用，此外，分離設(shè)備在過程系 統(tǒng)中的集成就是后續(xù)發(fā)展的目標。90年代以來，質(zhì)量交換網(wǎng)絡(luò)中也出現(xiàn)了夾點技術(shù)，夾點技術(shù)也逐漸發(fā)展成了一種質(zhì)量 綜合手段，廢水最小化的夾點設(shè)計方法、氫夾點分析等也陸續(xù)被提出。夾點應(yīng)用范圍十分

25、廣泛，不僅在新廠設(shè)計中可以引進，又可利用其進行己有系統(tǒng)的節(jié)能改造，但是在目標上 還是在方法上兩者都是存在差別。從優(yōu)化目標來看，最初以能量為系統(tǒng)的h標的夾點技術(shù)， 后續(xù)發(fā)展為以總費用為目標的技術(shù)，最后綜合考慮過程系統(tǒng)的可操作性、安全性、對不同 工況的適應(yīng)性以及對環(huán)境的影響等，將夾點技術(shù)改為非定量的工程目標。因此，其技術(shù) 的用途也比較廣泛，不僅可用于優(yōu)化集成熱回收換熱網(wǎng)絡(luò)，還可合理的設(shè)置熱機和熱泵，以此確定公用工程的等級和用量，達到分離設(shè)備的集成，提高生產(chǎn)能力，減少廢氣污染排 放，減少生產(chǎn)用水等目的。1.2.2夾點技術(shù)的基本概念熱力學(xué)第二定律是夾點技術(shù)的理論依據(jù)，主要是從能量回收的極限值的觀點開始

26、，尋 找出整個系統(tǒng)中的能量冋收瓶頸，其方法是通過組合溫焓曲線得到，以此建立一個最大限 度能量冋收的初始網(wǎng)絡(luò)，另外可以通過對投資成本與運轉(zhuǎn)成本的權(quán)衡對比，對換熱網(wǎng)絡(luò)進 行進一步優(yōu)化與調(diào)整，最終呈現(xiàn)在我們面前的是一個最有效的換熱網(wǎng)絡(luò)?？梢杂脺匾混蕡D(t-h圖)來表示物流的熱特性，焓圖的橫坐標為焓值，縱坐標為溫 度t。從低溫向高溫的走向是需要被加熱的冷物流線，從高溫向低溫的走向是需要被冷 卻的熱物流線。用ah來表示物流的熱量，其值為橫坐標兩點之間的距離，稱為焓差， 另外，物流的熱量和溫位不會隨物流線左右平移而變化。如圖1-1，如果將冷物流或者熱物流從溫度ts加熱或冷卻至b標溫度tt,過程中傳 熱總量

27、為q = jcp d t1-1如果把熱容cp視為常數(shù)，上式可改寫為：q=cp (tt-ts) = ah1-2通過上式可以知道，冷物流被加熱或熱物流被冷卻的過程可以用溫一焓圖上的一條直 線來表示?？梢灾?，t-h圖上的線越平緩cp值越大吋，反之亦然。圖1-1單一溫焓圖在實際的工業(yè)生產(chǎn)過程中，通常都有多股冷物流或熱物流需要被加熱或被冷卻，如圖 1-2所示，對于這種情況，可將合多股熱物流合并成一根熱復(fù)合曲線；也可將多股冷流股 合并成一根冷復(fù)合曲線。1.2.3夾點設(shè)計法的基本原理溫焓圖上的焓值是一個和對值，因此其曲線不會因為水平的平行移動發(fā)生改變變換熱 量，因此，可以通過溫焓圖上可以清楚的看到夾點并進

28、行面描述。當然在實際工程設(shè)計過 程中若需要利用溫焓圖來確定夾點的位置，需要其基木的工藝參數(shù)，如系統(tǒng)內(nèi)所有物流的 壓力、組成、初始溫度、質(zhì)量流量等。除此之外，還要知道冷熱物流間的最小允許傳熱溫 差atmin。atmin是影響換熱的重要參數(shù)。有了上述的數(shù)據(jù)之后，便可利用溫焓圖確定夾點 位置。確定夾點位置的方法步驟是：1、在溫焓圖上分別繪出冷熱物流組合曲線；2、熱 物流組合曲線下方放罝冷物流組合曲線；3、將冷物流曲線平行左移至冷、熱物流組合曲 線間，垂直距離最小等于atmin,這樣我們就可以在圖中觀察到夾點的位置。如圖1-3所示，在溫焓圖中，夾點在熱物流組合曲線上為m點，冷物流組合曲線上 sna，即

29、熱物流的溫度等于m點溫度的部位和冷物流溫度等于n點的部位都稱為夾 點，而夾點位置熱物流溫度與冷物流溫度正好等于最小傳熱溫差atmm。從圖1-3可以看出：（1）qc，min為換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的最小公用工程冷卻量；（2）qh,mins換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的最小公用工程加熱量；（3）整個換熱網(wǎng)絡(luò)中，在最小傳熱溫差atmm限制條件下，所能回收的最大熱量為qr，min;夾點位罝將整個系統(tǒng)分割成兩部分。在夾點下方部分，換熱網(wǎng)絡(luò)僅需要換熱和 冷卻公用工程，因此，也把夾點下方部分也稱為冷端，即沒有任何熱量流入，可以把這部 分看做一個熱源。在夾點上方部分，整個換熱網(wǎng)絡(luò)僅需要換熱和加熱公用工程，因此，夾 點上方部分也稱為

30、熱端，即沒有任何熱量流出，可以將這部分看成是一個熱阱。在工程設(shè)計中，如果在夾點上方的熱阱子系統(tǒng)中設(shè)置一個冷卻設(shè)備，即用冷卻公用工 程移走部分熱量a,這部分熱量就需要由熱公用工程額外輸入，這個是根據(jù)夾點之上子系 統(tǒng)熱平衡得出的。導(dǎo)致的結(jié)果是加熱和冷卻共用工程量均增加山同理，若在夾點下方熱 源子系統(tǒng)中設(shè)置一個加熱設(shè)備，根據(jù)夾點之下子系統(tǒng)的熱平衡原理可以得出，加熱工程用 量和冷卻公用工程量會隨之增加。另外，在換熱網(wǎng)絡(luò)中，如果進行換熱匹配方式通過夾點上方的熱物流與夾點下方的冷 物流之間，即發(fā)生跨越夾點傳遞熱量為p;那么可以得出夾點上方的加熱公用工程量和夾 點下方的冷卻公用工程量都隨之增加p。同樣是根據(jù)

31、夾點上下子系統(tǒng)的熱量平衡得出的。1.2.4夾點及夾點溫度的確定對于初次設(shè)計一個過程系統(tǒng)，一個適合的最小允許傳熱溫差atmin是設(shè)計者需要選定 的。針對一個現(xiàn)有的裝置過程系統(tǒng)，選擇一個適宜的最小允許傳熱溫差初值atmin應(yīng)該依 靠經(jīng)驗來決定。對于操作型夾點設(shè)計，需耍通過迭代計算操作型夾點設(shè)計，需耍使計算公 用工程用量與實際用量保持一致，這個時候的夾點才是真正意義上的實際系統(tǒng)裝置的夾 點，同理所得到的最小允許傳熱溫差atmin才是我們需耍的實際過程的atmin。atmin直接 影響著成本指數(shù)的變化會直接導(dǎo)致總得費用增加，如圖1-41-4夾點傳熱溫差與系統(tǒng)費用間的關(guān)系 選擇合適的最小換熱溫差，可以直

32、接決定總費用的多少1.3換熱網(wǎng)絡(luò)的模擬、優(yōu)化綜合實際上，在工業(yè)的過程生產(chǎn)裝置中，總有很多條物流需要被加熱，也可稱為冷物流， 例如分離設(shè)備的進料、進入反應(yīng)器的原料物流等，另外又有一些物流需要被冷卻，稱其為 熱物流，例如分離產(chǎn)品、反產(chǎn)物等。在工業(yè)生產(chǎn)中進行換熱通常利用生產(chǎn)裝置木身的熱物 流與冷物流，來回收一部分熱量，以達到目的。當然也存在補救措施，如果冷物流與熱物 流進行換熱后達不到指定的溫度時，則需要用公用工程來加熱，常用的是蒸汽或燃料等； 如果熱物流與冷物流換熱后同樣達不到指定溫度時，則需要用公用工程來冷卻，常用的是 用水冷或空冷等冷卻。換熱網(wǎng)絡(luò)由此也產(chǎn)生，把這種由裝置中冷、熱物流之間進行換熱

33、的 換熱器，利用公用工程加熱用的加熱器，利用公共工程中冷凝的冷卻器三者所構(gòu)成的換熱 系統(tǒng)稱為換熱網(wǎng)絡(luò)11。由于爆發(fā)能源危機，世界上，許多國家的政府十分重視節(jié)能工作。節(jié)能工作主要從三 個階段入手：第一個階段，利用單體設(shè)備進行余熱回收；第二階段，利用單體設(shè)計、強化 傳熱、同時減少系統(tǒng)中單體的數(shù)量；第三階段，把過程工業(yè)中的設(shè)計達到能耗最小、環(huán)境 污染少、成木最小，把多個系統(tǒng)集成起來作為一個有機整體進行，達到整體設(shè)計最優(yōu)，以此達到整個系統(tǒng)的優(yōu)化節(jié)能。換熱網(wǎng)絡(luò)也被稱為一個有機的系統(tǒng)|121。1.3.1換熱網(wǎng)絡(luò)的模擬實際中有一類問題需要我們進行換熱網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模擬，這些問題主要是：利用計算 機建立換熱網(wǎng)絡(luò)的

34、數(shù)學(xué)模型，描述模型并利用計算機上進行仿真與實驗；已知該系統(tǒng)的內(nèi) 部流程結(jié)構(gòu)，每個換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)值，輸入到該網(wǎng)絡(luò)的各個物流數(shù)據(jù)和，利用上述已 知條件求換熱系統(tǒng)中每個換熱設(shè)備輸出的物流有關(guān)數(shù)據(jù)；每個換熱設(shè)備的傳熱系數(shù)、熱負 荷、流動阻力等數(shù)值13。利用計算機強大的計算能力來解答與計算化工過程中的數(shù)學(xué)模型， 以達到模擬化工過程中系統(tǒng)的性能的b的，早在上個世紀50年代這種技術(shù)就己經(jīng)在化 學(xué)工業(yè)中開始被應(yīng)用，經(jīng)過幾十年的的發(fā)展，己經(jīng)成為一種普遍采用的常規(guī)技術(shù)。換熱網(wǎng)絡(luò)被廣泛的應(yīng)用，許多現(xiàn)代化工系統(tǒng)中的換熱器也常常利用換熱網(wǎng)絡(luò)，達到實 現(xiàn)多種物流體、多個溫度區(qū)間的熱量交換與冋收。但是由于工業(yè)過程系統(tǒng)的

35、復(fù)雜化與大型 化，使得所使用的換熱網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、規(guī)模也越來越大，換熱網(wǎng)絡(luò)對于整個工業(yè) 過程系統(tǒng)的能量交換與回收也越來越重要。因此過程工業(yè)系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能中的側(cè)重研究方向 與主要研究熱點也主要針對于換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計、系統(tǒng)性能預(yù)測以及節(jié)能系統(tǒng)動靜態(tài)仿 真的研究等。但是，不管是換熱網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)化還是動靜態(tài)性能預(yù)測仿真都需要利用模擬， 即換熱網(wǎng)絡(luò)的模擬是工業(yè)過程工作的基礎(chǔ)，是不可缺少的環(huán)節(jié)。1.3.2換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化綜合現(xiàn)代企業(yè)中有一些化工生產(chǎn)中的老裝置，經(jīng)過多年，這些老裝置因技術(shù)落后，對節(jié)能 要求不高，工、ik過程物流換熱達不到理想的要求，很多都需要優(yōu)化改造的；冇些工業(yè)生產(chǎn) 工藝由于生產(chǎn)能力或條

36、件的變化，己有換熱網(wǎng)絡(luò)跟不上現(xiàn)有的生產(chǎn)，對生產(chǎn)造成嚴重的影 響，這個時候就必需對己有網(wǎng)絡(luò)進行改造。換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造的應(yīng)用范圍是十分廣泛的， 同樣也是非常重要，不可忽視14。最大換熱網(wǎng)絡(luò)面積、最大換熱量與最小換熱器數(shù)量是換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計的目的，也是 設(shè)計的核心。換熱網(wǎng)絡(luò)達到這樣的要求是換熱網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化設(shè)計，具冇最少ii最小的設(shè)備 （換熱器、冷卻器、加熱器）、最少的投資成本與操作成本（公用設(shè)施的費用），同吋也 滿足把每一個過程物流加熱或冷卻到指定要求的目標溫度以達到生產(chǎn)的要求15。當然換熱 網(wǎng)絡(luò)良好的操作性、靈活性和可控性也是必須要有的。在換熱網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能優(yōu)化的研究過程中，所需要遵循的主要思想是：（

37、1）換熱網(wǎng)絡(luò)可以充 分回收熱量以達到工藝要求；（2）利用原有設(shè)備，節(jié)省設(shè)備投資；（3）設(shè)計出的換熱流程結(jié)構(gòu) 簡單具有靈活的操作性，便于管理與維修。在生產(chǎn)過程中，原有換熱網(wǎng)絡(luò)存在的較為突出 的問題是：（1）冷、熱物流換熱不合理，達不到工藝要求；（2）流程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沒有良好的操 作性；（3）換熱設(shè)備利用不充分，浪費設(shè)備；（4）取熱比不均衡15。1.3.3換熱網(wǎng)絡(luò)的研究進展上個世紀，換熱網(wǎng)絡(luò)的最初研究方向是想盡一切辦法回收換熱系統(tǒng)內(nèi)部能量，以減少 外加能量為主要r標。因此研宄問題的方向也被歸結(jié)為數(shù)學(xué)中的分配問題得方向，通常是 建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來進行計算與解答，這種研宄方向有很大的弊端，只注重數(shù)學(xué)計

38、算， 忽略實際的工業(yè)生產(chǎn)，對實際應(yīng)用的指導(dǎo)意義不大16。在換熱網(wǎng)絡(luò)的綜合研宂上有了突出進展的是rudd、hohmann以及他們的伙伴。他們 最初的思想是換熱網(wǎng)絡(luò)不只是個數(shù)學(xué)任務(wù)分配的問題，在綜合研宄過程中需耍從實際出 發(fā)，綜合熱力學(xué)來進行研宄。因此他們提出研宄的初步過程是先對系統(tǒng)進行熱力學(xué)分析， 這樣做的目的是上確定可以回收的最小換熱設(shè)備數(shù)與最大能量，這一研宄過程被稱之為確 定目標17】。rudd和hohmann關(guān)丁熱力學(xué)分析的思想對后來的研究具有重要的影響，b.linnhoff 就是根據(jù)這一思想于1979年提出了關(guān)于確定最小能耗的“夾點”的概念18。通過研宄發(fā)現(xiàn)，可以將換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化綜合分為

39、三個大類：基于熱力學(xué)的的研究試探 法、數(shù)學(xué)問題研究法和人工智能研究法(ai)。在研究試探法中，linnhoff> hindmarsh以及 umeda等學(xué)者發(fā)現(xiàn)了熱回收夾點，經(jīng)過多年的研宄，提出了利用換熱網(wǎng)絡(luò)合成的夾點技術(shù) 來達到系統(tǒng)優(yōu)化的目的。在以后的研究過程中，夾點設(shè)計法被曝光，成為換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法中最閃耀的亮點。2.常減壓焦油蒸餾工藝的模擬2.1常減壓工藝描述煉油廠屮，常減壓蒸餾裝置是最復(fù)雜的單元設(shè)備之一。它的處理量很大，同時也要消 耗相當多的能量。輕微的能量改進就可以節(jié)約巨大的能量。因此常減壓蒸餾裝置的節(jié)能是 必要的。在此先對常減壓裝置做一簡單介紹。常減壓裝置一般分為四部分，即電脫

40、鹽部分、初餾部分、常壓部分及減壓部分。從全 裝置能量利用優(yōu)化上又可分為系統(tǒng)能量、換熱網(wǎng)絡(luò)和單元設(shè)備三個環(huán)節(jié)。常減壓裝置的能 耗主要有加熱爐燃料消耗、蒸汽及冷卻水消耗和電力消耗等。因此，提高原油的換熱終溫 和加熱爐效率是節(jié)能的主要途徑。但是，提高原油的換熱終溫是以減小裝置換熱溫差為代 價的，因而，導(dǎo)致裝置設(shè)備投資增加。從提高經(jīng)濟效益的觀點出發(fā)，常減壓裝置優(yōu)化設(shè)計 的目標是綜合性的年費用最小。2.2常減壓工藝流程的模擬以焦油車間20萬噸（常減壓多塔式）/年焦油裝置為基礎(chǔ)，采用aspen plus流程模 擬軟件對焦油蒸餾過程進行模擬核算，通過對模擬結(jié)果與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)作對比進行模擬分 析。圖2-1流程

41、模擬圖預(yù)熱至85°c的煤焦油（21）經(jīng)一段換熱器（e1）加熱到llo'c后，進入一段蒸發(fā)器（f1）進行脫水，粗焦油中的大部分水分和部分輕油(22)從一段蒸發(fā)器(f1)頂部蒸出，底部 出來的無水焦油(29)含水小于0.5%。無水焦油經(jīng)二段換熱器(e2)加熱到390°c后(s1) 進入脫水塔(t1),使輕油餾分與其他餾分分離。輕油餾分(s2)自塔頂采出，其他餾分 (s3)自塔底逸出進入分餾塔(t2)。分餾塔(t2)頂部混油餾分(s5)進入酚油塔(t4), 其他餾分(s6)從塔底部進入蒽油塔(t3)。蒽油塔(t3)頂部蒽油餾分(s7)采出，瀝 青(s3)從底部采出。酚油塔

42、(t4)頂部釆出進入酚油(s10),從底部逸出兩混油(s11)。 分餾塔(t5)頂部采出輕萘油(s13)，底部采出洗油餾分(s14)。焦油常減壓工藝流程圖見附表一。2.3工藝流程模擬結(jié)果2.3.1物料衡算本設(shè)計中的物料衡算以每小時物質(zhì)的量(kmol/h)為基準，設(shè)計中煤焦油的處理量為 20萬噸/年，年工作時間定為8000小時，則每小時的進料量為23879kmol/h，在軟件中進行 運算，得出焦油的進料量為45.2466kmol/h,根再據(jù)各組分的質(zhì)量分數(shù)，換算出各組分的摩 爾進料量和摩爾分數(shù)見表2-1。表2-1進料組分表組分名稱進料量(k-mol/h)摩爾分數(shù)xfi組分名稱進料量(k-mol/

43、h)摩爾分數(shù)xjqbenzene0.5140017320.001naphthl3.2577572650.12h201.8171045630.030.1809865220.004yoluene0.5411496840.00235xylnac0.384596365().011pyridine0.482329067().001quinolin0.4271281890.004ebenzen0.5501990020.0022mnapht1.060581050.018pxylene0.473279750iquinoln0.4723748290.005mxylene0.4732797501mnapht0.7

44、891012060.012oxylene0.473279750indole0.3366349340.002styrene0.5954456420.003biph0.4271281890.004mesityle0.5954456420.00326dmnp0.517621470.006phenol0.316726404().00527dmnp0.517621470.006indene0.1131165750.003acenap1.2415675050.022ocresol0.0904932610.002fluoren2.1736480540.043pcresol0.0904932610.002ph

45、nanth3.8459635380.06mcresol0.1809865220.004anthrce2.5790578160.0321234hnap0.0904932610.002fluanthe0.9049325980.02組分名稱進料景(k-mol/h)摩爾分數(shù)xfi組分名稱進料量(k-mol/h)摩爾分數(shù)xfi24xylnac0.0904932610.002pyrene0.9049325980.0225xylnac0.0904932610.002liqing17.600939710.54623xylnac0.0452466310.001total進料量45.246630312摩爾分數(shù)1.

46、000表2-2常減壓流程物料衡算表流程常減壓流程年產(chǎn)量（萬噸）產(chǎn)品產(chǎn)量(k-mol/h)浙靑19.43688.2064蔥油6.42472.7125洗油8.07613.4093萘油4.22652.2721酚油0.72980.3068輕油、水6.35282.6831總計45.246719.5902各精餾eg投入eg產(chǎn)品，系統(tǒng)屮物料守恒。 2.3.2能量衡算表2-3換熱網(wǎng)絡(luò)負荷成本表熱交換冷熱流股負荷kjh換熱面積m2設(shè)備數(shù)t4酚汕塔冷凝器c6.572e+00525.871t3蔥汕塔再沸器h8.227e+0053.8251t3蔥汕塔冷凝器c7.363e+0053.9351t4酚汕塔再沸器h8.259

47、e+00529.851t2分餾塔冷凝器c1.308e+00611.121t5分餾塔再沸器h6.635e+005429.23t1脫水塔再沸器h1.552e+0068.5611t1脫水塔冷凝器c3.246e+00532.701t5分餾塔冷凝器c6.222e+0051.7451t2分餾塔再沸器h2.081e+00623.651根據(jù)上表計算出熱公用工程用量為5945.lmj/h，冷公用工程用量為3675.6mj/h,總公 用工程量為9620.7mj/h。操作單元數(shù)量為122.4小結(jié)簡介常減壓蒸榴工藝，確定5塔蒸溜工藝，確定進料組分與摩爾分數(shù)，使用aspen plus 軟件對5塔蒸餾工藝進行模擬，得到產(chǎn)

48、品。對進料與產(chǎn)品進行物料衡算，得岀系統(tǒng)中物料 守恒。對設(shè)備進行能量衡算，得到能量衡算表。3.換熱網(wǎng)絡(luò)模擬及優(yōu)化3. 1換熱網(wǎng)絡(luò)模擬軟件aspen energy analyzeraspen energy analyzer （能量分析器）是aspen teach公司旗下的一個產(chǎn)晶，是進行 換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計的一個強大的概念設(shè)計乜，提供了夾點分析和換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計的環(huán) 境，是aspen再工程應(yīng)用上的一個重要工具。它的功能宥（1）計算能量和設(shè)備投資目標;（2）進一步改善能量熱集成項目，從而減少操作費用、設(shè)備投資費用并使能量利用最大 化；（3）提供過程能量優(yōu)化的工具；（4）提供表格結(jié)合使用的方法。3.2換

49、熱網(wǎng)絡(luò)模擬將冷熱兩個流股數(shù)據(jù)輸入到軟件中進行處理，使用aspen energy analyzer繪制出 夾點傳熱溫差atmin=8.5'c時該常減壓蒸餾裝置換熱網(wǎng)絡(luò)的冷、熱流股復(fù)合曲線溫焓閣和總 組合曲線圖（其中，紅色實為熱流股的組合曲線，藍色虛線為冷流股組合曲線）如圖34柵 格圖如圖3-2composite curves圖34換熱網(wǎng)絡(luò)復(fù)合流股溫焓圖根據(jù)復(fù)合流股溫焓圖可以讀出夾點溫度為210°c，換熱流股不能穿過夾點溫度，穿過 夾點溫度會導(dǎo)致公用工程量增加;不允許在夾點溫度以上區(qū)域設(shè)置冷公用工程；不允許在夾 點以下溫度區(qū)域設(shè)置熱公用工程。aoocnwjju*oc9-sarrc

50、mf1740c»0c蠱”朗，扇mmnorrmr.jocc»1cifav2814csmc«4c：»cwwt2jo.i6，hacccmtwervo.tb2c-: c«nrtti to s：imtc_»<cs»ocs4scftorwirqwi2m0c311cw82m319u*/aftonbdrgts/osk2x0c»ocft0uwrot</o.$11woe.rsx:f-4ter«oirow»嚷 paw零kxuc i|aoocaooc««0ikiochpston圖3-2換

51、熱網(wǎng)絡(luò)柵格圖在柵格圖中熱物流被冷卻到夾點上方，冷物流被加熱到夾點下方，但是兩股物流都不 能穿越夾點，如果穿越夾點，就會增加冷熱負荷從而增加成本費用，圖中顯示所冇的流股 都是用公用工程所提供的能量進行換熱，沒有任何的內(nèi)部換熱，這樣冋導(dǎo)致負荷增加。顯 示經(jīng)過t3蔥油塔s3流股和經(jīng)過t5分餾塔的s13流股換熱是不符合夾點原理的，它們的 換熱穿過了夾點溫度，既增加了冷公用工程也增加了熱公用工程。range targets105exm)2(s/lsoo)o6jel xopul 1sooleoi1 04e-0021.03e0021.02e0021.01e0021 00e002990e-0039 80e-0

52、039 70e-003960e4)039.50e-003 ,- total cost index target051015202530354045deltatmin (c)圖3-3溫差成本圖根據(jù)圖屮可以讀出atmin為8.5'c,總成本指數(shù)目標為9.58e-003kj/h是最小負荷，當 atmin小于8.5'c時，總成本指數(shù)a標增加，當at.大于8.5°c時總成本指數(shù)r標極具增大, 所以確定最小換熱溫差為8.5°c最經(jīng)濟。3.3換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化根據(jù)表1-4,改變夾點溫差，確定三種優(yōu)化方案。優(yōu)化方案一，設(shè)置夾點溫差為12"c 進行換熱網(wǎng)絡(luò)的模擬；優(yōu)化方

53、案二，設(shè)置夾點溫差為最小傳熱溫差8.5°c進行換熱網(wǎng)絡(luò)的 模擬；優(yōu)化方案三設(shè)置夾點溫差為6"c進行換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。3.3.1優(yōu)化方案一圖3-4優(yōu)化結(jié)果一柵格圖從柵格圖中可以看出，經(jīng)過aspen energy analyzer軟件得自動匹配流股后，得到四條 進行內(nèi)部換熱的換熱路程。（1）去往蒽油塔冷凝器（1）出來的部分流股與去往酚油塔（ti）再沸器出來 的s11 部分流股進行了內(nèi)部換熱換熱，只是增加了 一個換熱器e- lib。（2）去往蒽油塔冷凝器（13）出來的奶另一部分流股與經(jīng)過分餾塔（tt再沸器 去往的si4流股進行了換熱，只是增加了一個換熱器e-itj。（3）去往蒽油塔

54、冷凝器（13）出來的流股與去往分餾塔（h）再沸器出來的si4 流股進行了換熱，只是增加了一個換熱器e-lib。（4）去往分餾塔（h）冷凝器出來的si3流股與去往脫水塔（ti）再沸器出來的 s5流股進行換熱，只是增加換一個熱器e-ib。表3-1優(yōu)化結(jié)果一負荷成本表熱交換負荷kj/h成本 index cost換熱而積m2設(shè)備數(shù)e-108c1.308c-0061.550c+00411.141e-111h8.377c-0051.771e+0059.371e-109c6.572e+0052.110e+00426.771e-114h7.630c+0051.542c+00410.931e-110c3.346

55、c+0052.302c+00432.701e-112h2.081c+0062.620c+00519.561e-113h9.393c-0051.22960046.0751根據(jù)表4-1，計算得到冷公用工程量為2389.8mj/h,熱公用工程量為4591mj/h。 設(shè)備數(shù)為14，減少2個冷凝器，增加4個換熱器。3.3.2優(yōu)化結(jié)果二圖3-5優(yōu)化結(jié)果二柵格圖從柵格圖中可以看出，經(jīng)過aspen energy analyzer軟件得自動匹配流股后，得到四條 進行內(nèi)部換熱的換熱路程。（i）去往蒽汕塔冷凝器（15）出來的奶一部分流股與去往分餾塔（12）再沸器出來 的sb部分流股進行了換熱，沒有用到冷公用工程和熱公用工程，只是增加了換熱器（2）去往蔥汕塔冷凝器（13）出來的st另一部分流股與去往酚汕塔（t）再沸器出來的sii流股進行了換熱，沒有用到冷公用工程和熱公用工程，只是增加了換熱器e-i«b。 （5）去往蒽油塔冷凝器（13）出來的流股與去往分餾塔（h）再沸器出來的s14流股進行了換熱，沒有用到冷公用工程和熱公用工程，只是增加了換熱器e-lib。（4）去往分餾塔（h）冷凝器出來的si5流股與去往脫水塔（ti）再沸器出來的s5流股進行換熱，沒有增加冷公用工程和熱公用工程，增加換熱器e-1亂