（化学工艺专业论文）燃料乙醇分离工艺的流程模拟及换热网络的最优综合.pdf

中文摘要 随着世界石油资源的日趋紧张，作为石油替代产品的燃料乙醇受到世界各国 的重视。燃料乙醇生产过程能耗的高低，不但影响资源的利用率，而且直接影响 生产企业的经济效益。降低燃料乙醇单位产品的用能必将为燃料乙醇产业带来巨 大的经济效益和社会效益。 现有的燃料乙醇分离工艺的主要能耗部分一精馏操作过程中存在着大量的热 量交换，以实现能量的回收。为了进一步降低燃料乙醇分离过程中的能耗，对现 有燃料乙醇分离工艺进行改进及换热网络系统的最优综合具有重要的实际意义。 本文使用p r o ，i i5 6 软件对我国现有燃料乙醇分离工艺进行了模拟计算。并 采用双效精馏技术对现有燃料乙醇分离工艺进行了改进，提出了精馏过程由一个 粗馏塔、两个精馏塔组成的平流型双效精馏的新工艺。并对新工艺进行了模拟运 算。在此基础之上采用换热网络综合方法之一一夹点技术对现有工艺及新工艺系 统的用能状况作出诊断，找到过程系统的用能“瓶颈”所在。通过改善夹点附近 的流股匹配，减少穿越夹点的热流量，从而减少了系统的公用工程消耗量。 对燃料乙醇分离工艺模拟计算、系统优化及热集成的结果表明，采用双效精 馏的新工艺与现有燃料乙醇分离工艺相比每吨燃料乙醇节省热公用工程用量 3 2 5 2 ，节省冷公用工程用量3 4 2 3 。 现有工艺通过热集成，每吨燃料乙醇节省加热公用工程用量1 1 7 0 k w , 约合蒸 汽1 9 4 6 k g 。经过系统进一步优化，每吨燃料乙醇节省一次蒸汽用量1 1 8 9 5 k g ，冷 却公用工程用量1 1 9 9 0 k w ，约合循环冷却水量1 2 9 3 t 。 对双效精馏的新工艺进行换热网络最优综合后，每吨燃料乙醇节省加热公用 工程用量1 2 3 2k w ，约合蒸汽2 0 5 l k g ；冷却公用工程用量1 1 5 1 9k w ，约合循环 冷却水1 2 4 2 t 。 关键词：燃料乙醇夹点技术换热网络节能 a b s t r a c t a st h el a c ko fp e t r o l e u mr e s o u r c e sb e c o m es e r i o u s ，t h ef u e le t h a n o la st h e s u b s t i t u t eo fp e t r o l e u mi sc o n c e r n e di nt h ew o r l d t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ff u e l e t h a n o l s e p a r a t i n gt e c h n o l o g ya f f e c t b o t ht h ee f f i c i e l l c yo fr e s o u r c e sa n dt h e e c o n o m i c a lb e n e f i to fe n t e r p r i s eo fp r o d u c i n gf u e le t h a n 0 1 c u t t i n gd o w nt h ee n e r g y c o n s u m p t i o nf o rp r o d u c to ff u e le t h a n o l ，w h i c hm u s tb r i n ga b o u tg r e a tb e n e f i tf o rf u e l e t h a n o li n d u s t r y t h em a i np a r to fe n e r g yc o n s u m p t i o nf o rt h ee x i s t i n gs e p a r a t i o nt e c h n o l o g yo f f u e le t h a n o li sd i s t i l l a t i o n i no r d e rt or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，i ti ss i g n i f i c a n tt o i m p r o v et h ee x i s t i n gt e c h n o l o g ya n do p t i m i z et h eh e a te x c h a n g en e 研o r k so ff u e l e t h a n o ls e p a r a t i o nt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , t h ei n d u s t r i a l i z e ds e p a r a t i n gs y s t e mo ff u l ee t h a n o li ss i m u l a t e db y m a k i n gu s e o ft h ec h e m i c a le n g i n e e r i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r ep r oi i t h ei n d u s t r i a l i z e d s e p a r a t i o ns y s t e m o ff u e le t h a n o lh a v eb e e ni m p r o v e d b ym a k i n g u s eo f d o u b l e - e f f e c t i v ed i s t i l l a t i o nt e c h n o l o g y , a n dan e wd o u b l e - e f f e c t i v ed i s t i l l a t i o np r o c e s s o ff u e le t h a n o lh a v eb e e nd e s i g n e d a so n eo fo p t i m i z i n gm e t h o d so fh e a tc ) 【c h a n g e n e t w o r k s ，p i n c ha n a l y s i si su s e dt od i a g n o s i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o nc o n d i t i o no f t h ei n d u s t r i a l i z e dt e c h n o l o g ys y s t e ma n dt h en e wd o u b l e e f f e c t i v ed i s t i l l a t i o np r o c e s s t of i n dw h e r et h eb o t t l e n e c kl o a d e d b ym e a n so fi m p r o v i n gt h es t r e a m sm a t c h p r o p e r l y , t h eu t i l i t yt h r o u g hp i n c hi sr e d u c e d ，c o n s e q u e n t l yt h ec o n s u m p t i o no ft h e u t i l i t yi nt h eh e a te x c h a n g e rn e t w o r k si sd e c r e a s e d a f t e rt h ei n d u s t r i a l i z e d t e c h n o l o g y i s i m p r o v e db ym a k i n g u s eo f d o u b l e - e f f e c t i v ed i s t i l l a t i o nt e c h n o l o g y , t h en e wd o u b l e e f f e c t i v ed i s t i l l a t i o np r o c e s s r e d u c e d3 2 5 2 h e a t i n gu t i l i t i e sa n d3 4 2 3 c o o lu t i l i t i e sw h e no n et o nf u e le t h a n o l i sp m d u c e d a f t e rt h ei n d u s t r i a l i z e dt e c h n o l o g yi si n t e g r a t e d ，a b o u t11 7 0 k wh e a t i n gu t i l i t yi s s a v e dp e rt o n , i ti se q u i v a lt o 1 9 4 6 k gs t e a m a n dd u et ot h em o r eo p t i m i z i n go f s y s t e m ，a b o u t1 1 8 9 5 k gs t e a mi ss a v e dp e rt o n i nt h es a m et i m e ，1 1 9 9 0 k wc o o l i n g u t i l i t yi ss a v e dp e rt o n ，i ti se q u i v a lt o1 2 9 3 tc i r c u l a t i o n w a t e r a f t e rt h en e wd o u b l e e f f e c t i v ed i s t i l l a t i o np r o c e s si si n t e g r a t e d ，1 2 3 2k wh e a t i n g u t i l i t yi ss a v e dp e rt o n ，i ti se q u i v a lt o2 0 5 1 k gs t e a m ，1 1 5 1 9k wc o o l i n gu t i l i t yi s s a v e dp e rt o n , i ti se q u i v a lt o1 2 4 2 tc i r c u l a t i o nw a t e r k e yw o r d s ：f u e le t h a n o l ，d o u b l e - e f f e c t i v e ，p i n c ht e c h n o l o g y , e n e r g y c o n s e r v a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨生盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：起淑荔 签字日期：诩形年月7 - 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞态鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：起球乏葛 导师签名： 签字日期： 耐年月纠日 签字日期： 猢缘幸 础月7 日 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 燃料乙醇分离工艺的现状 2 0 世纪进入以石油作为主要能源及石油化学品的原料时代。但随之也出现 了二个严重的问题：一是石油为不可再生的资源，由于大量开采，消耗过快，已 面l | 缶枯竭；二是用石油作为燃料及化学品原料引起了环境的严重破坏，特别是 c 0 2 的温室效应。基于以上两个方面的原因，人们正在努力开发新的可再生的能 源和不会对环境造成污染的清洁燃料。 燃料乙醇，是指含水量及其它指标符合现行的国家标准并用作燃料的乙醇。 将燃料乙醇与汽油按一定比例调和，形成车用乙醇汽油。以发酵法生产燃料乙醇， 具有和矿物质燃料相似的燃烧性能，其生产原料为生物质，是一种可再生能源。 此外，乙醇燃烧过程所排放的一氧化碳和含硫气体均低于汽油燃烧，所产生的二 氧化碳和作为原料的生物源生长所消耗的二氧化碳的数量上基本持平，这对减少 对大气的污染及抑制温室效应意义重大。因此，燃料乙醇也被称为“清洁燃料”。 目前，世界各国都加快了燃料乙醇推广应用的步伐。在美国，随着车用汽油 禁止添加m t b e 法规的实施，车用乙醇汽油中添加燃料乙醇的最高体积分数为 1 0 ，乙醇汽油的消耗量已占全国汽油用量的7 0 。巴西车用乙醇汽油中添加燃 料乙醇的最高体积分数为2 0 。欧盟于1 9 9 3 年要求车用乙醇汽油中添加燃料乙 醇的体积分数为5 。美国燃料乙醇生产能力约6 0 1 0 6 t a , 巴西乙醇生产能力约 为1 0 1 07 t a 【l 】。燃料乙醇的生产符合当前我国可持续发展的能源政策。国家己 在黑龙江、吉林、河南和安徽四地建立了燃料乙醇生产基地。规划一期生产能力 为1 0 0 多万吨。预计在未来，我国燃料乙醇的生产能力将会快速增长。燃料乙醇 作为2 1 世纪的车用燃料的替代产品，可使我国的车用燃料结构呈现多元化的特 征，其使用将对节约石油资源、减少环境污染、促进农业和其他相关产业的发展 具有重大意义。 在燃料乙醇生产过程中，首先将常压下乙醇含量1 0 左右发酵醪液进行精 馏，获得乙醇含量接近共沸组成的乙醇，再进一步脱水得到燃料乙醇。精馏过程 是各种化工分离过程中能耗较大的工艺过程之一，提高精馏过程的能耗综合利用 率，对于降低燃料乙醇生产过程中的能耗十分关键。因此，如何降低分离纯化过 程中的能耗成为燃料乙醇研究的重要内容之一。燃料乙醇的分离工艺一般都是由 精馏和脱水两部分构成，以下对燃料乙醇分离过程的精馏和脱水进行简要介绍。 第一章文献综述 1 1 1 酒精的蒸馏工艺 以糖或淀粉为原料，经发酵法生产酒精的工艺首先从发酵过程得到乙醇含量 为1 0 左右的发酵醪液。发酵醪液经过精馏得到乙醇含量接近共沸组成的酒精 产品。最简单的酒精精馏过程由粗馏塔和精馏塔两个塔组成，即所谓的双塔蒸馏 工艺。粗馏塔的作用是将酒精和挥发性杂质及一部分水从醪液中分离出来，并排 除由固形物、不挥发性杂质及大部分水组成的酒糟。精馏塔的作用是使酒精增浓 和除杂，最后得到符合规格的成品酒精，并排除废水。 1 、两塔常压精馏 根据精馏塔进料方式的不同，两塔流程分为气相过塔和液相过塔两种形式。 气相过料两塔流程：原料醪液经预热器与精馏塔的塔顶酒精蒸汽进行熟交换 进入粗馏塔顶部，酒精含量为5 0 左右的粗酒蒸汽从粗馏塔顶部引出并送入精 馏塔。粗酒在精塔内进行汽液传质分离，从精塔顶排出的轻组分顺次经过醪液预 热器和冷凝器进行冷凝，排除醛酯等杂质馏分。成品酒精从精塔上部侧线液相采 出。酒糟由粗塔底部排出。 液相过料两塔蒸馏流程：从粗馏塔塔顶排出的酒精蒸汽不直接送去精馏塔， 而是经过一系列冷凝器，将全部酒精蒸汽冷凝下来，除了最后一台冷凝器中的冷 凝液作为杂质醛酯馏分取出外，其余的酒精冷液全部以液相的形式进入精塔。液 相过料工艺与气相过料相比，增加了一次排杂机会，成品酒精中杂质含量低于气 相过料工艺，成品质量因此提高。 两塔常压精馏的特点是两塔都在常压下操作，粗塔、精塔底部均用一次蒸汽 进行加热，因此能耗高。 2 、两塔差压精馏工艺 酒精蒸馏工艺的双塔差压精馏工艺，一般将精馏塔设计为加压塔，粗馏塔设 计为负压塔。精馏塔用一次蒸汽通过再沸器加热，粗馏塔由精馏塔塔顶蒸汽通过 再沸器加热。发酵醪液经原料预热器预热进入粗馏塔，塔顶蒸汽通过原料醪液耦 合换热和冷却水冷却进行冷凝。冷凝液一部分回流，另一部分作为粗酒精产品送 至精馏塔，废液从塔釜排出。精馏塔的塔顶蒸汽一部分作为粗馏塔再沸器的加热 介质，经冷凝后回流；另一部分作为酒精产品采出。塔釜工艺废水排出系统。两 塔差压精馏工艺与两塔常压精馏工艺相比，由于实现了精馏塔和粗馏塔热耦合换 热，粗馏塔不再需要新鲜蒸汽加热，加入精馏塔的热量即为全部精馏过程消耗的 热量。因此，具有明显的节能降耗效果。 第一章文献综述 1 1 2 乙醇脱水工艺 由于乙醇和水形成共沸物，常规精馏方法无法得到纯乙醇产品，要生产含水 量较低的燃料乙醇，必须采用特殊精馏或其它脱水方法。乙醇脱水的方法很多， 包括萃取精馏、恒沸精馏、生石灰脱水、分子筛吸附、淀粉吸附、离子交换树脂 吸附等【2 卅。目前工业上无水乙醇的脱水方法主要有恒沸精馏、萃取精馏、吸附 和膜分离4 种方法。 恒沸精馏工艺是在常规精馏方法无法制取无水乙醇的情况下，通过向乙醇一 水溶液添加共沸剂进行精馏，常用的共沸剂有苯、环己烷、戊烷、乙醚等。共沸 剂与乙醇溶液中的乙醇和水形成三元共沸物，可获得纯度很高的乙醇。传统的恒 沸精馏法已形成规模化程度很高的无水酒精生产工艺，但恒沸精馏工艺生产无水 乙醇的能耗高，且共沸剂在生产操作不当时会对产品和环境造成污染。 萃取精馏方法是通过加入萃取剂以改变乙醇和水的相对挥发度，使乙醇和水 容易分离。使用乙二醇作萃取剂的多效萃取精馏法【”，以气态进料取代液态进料， 避免进料中主要成分的再次蒸发，减少了能耗。 吸附技术在气液混合物的分离和工业上痕量物质的纯化方面显示出很强的 吸引力，由于吸附分离和纯化过程通常是能耗最小的一种方法，在工业中可以替 代某些热效率低的精馏操作。张敏华【8 1 等人提供了一种用分子筛气相选择性吸附 从乙醇和水混合物中分离出水的工艺。采用了多吸附器的冷凝变压吸附、高温乙 醇气体反洗变温脱附生产燃料乙醇。h a s s a b a l l a h a a f 9 】等人先采用普通精馏法得 到7 5 9 0 的乙醇溶液后，然后采用谷物吸附剂对该溶液进行吸附，结果得到 了高纯度乙醇。 采用膜分离技术分离有机混合物或共沸物、近沸点物被认为是高效节能的分 离技术【1 0 】。它主要包括渗透汽化和蒸汽渗透两种方法，渗透汽化是利用膜对液体 混合物中各组分溶解扩散性能的不同而实现其分离的。具有一次分离度高、操作 简单、无污染、低能耗的特点。蒸汽渗透法( v p ) 是与渗透汽化法( p v ) 十分 相似的膜分离过程，所不同的是在v p 过程中，料液是以蒸汽形式与膜接触。 日本采用v p 技术，已建成中试规模的工厂，每小时可将3 8 0 k g 质量分数为9 0 的乙醇水溶液浓缩至9 9 以上，与传统的共沸精馏法相比，蒸汽的消耗量减少 至1 3 ：德国已建成了工业规模的v p 工厂，采用g f t 膜，设计日处理量为3 万 升体积分数为9 4 的乙醇，浓缩至9 9 9 的浓度】。 综合上述几种乙醇脱水技术，恒沸精馏和萃取精馏工艺过程复杂，设备投资 较大，且能耗高。膜分离技术虽可大幅度降低生产过程能耗，但膜及膜组件操作 稳定性差，投资及维护费用高，大规模用于燃料乙醇的工业生产还有待于技术的 第一章文献综述 完善和膜及膜组件成本的降低。分子筛变压吸附工艺技术成熟，能耗低，已成为 燃料乙醇生产的主流技术。 1 2 双效精馏的原理及类型 由于精馏是化工生产的能耗大户，近年来，人们已经开发了各种各样的精馏 节能工艺。其中多效精馏是一种比较常用的方法。双效精馏作为多效精馏的一种 常用型式，在工业中应用比较广泛。 1 2 1 双效精馏的原理 双效精馏的原理是重复利用给定数量的能量来提高精馏设备的热力效率。精 馏系统由不同操作压强的塔组成。利用较高压力的塔顶蒸汽作为相邻压力较低的 精馏塔再沸器的热源。此较低压力精馏塔的再沸器即为较高压力精馏塔的冷凝 器。塔顶蒸汽的汽化潜热被系统本身回收利用。因此在较大程度节约了精馏装置 的能耗。 1 2 2 双效精馏的基本方式 双效精馏按照加热蒸汽与物流的流向，分为顺流法( l s f ) 、平流法( f s ) 和逆 流法( i s 鼬等工艺流程。 ( 1 ) 双效顺流的精馏流程 顺流操作是物料进入高压塔，经过分离后，高压塔底釜液作为低压塔的原料液 进入低压塔进行精馏。工作蒸汽只输入高压塔的再沸器，高压塔产生的塔顶蒸汽 作为低压塔再沸器的热源。塔顶蒸汽为较纯的甲醇，在再沸器中冷凝后，部分回流， 部分作为产品。 ( 2 ) 双效平流的精馏流程 双效平流精馏操作流程和顺流精馏操作流程只是物料的走向不同，平流操作 是各级分别进料，高、低压塔顶和塔底分别得到产品。工作蒸汽的走向与顺流相 同，只输入高压塔的再沸器。 ( 3 ) 采用双效逆流精馏操作 双效逆流精馏操作流程，物料从低压塔进料，低压塔的釜液作为高压塔的进 料。加热蒸汽从高压塔再沸器进入，产生的高压塔顶蒸汽作为低压塔再沸器的热 源。 在几种双效精馏的流程中，平流型流程在增加设备投资后，其生产能力也相 第一章文献综述 应的提高，并且这种流程控制易，因而受到了较多的重视。王以清1 2 1 对甲醇水 体系进行了双效精馏，三种方式中，平流型流程较为优越，相对于单塔节热高达 3 0 ，节约冷却水量高达5 0 。 1 3 燃料乙醇分离工艺的模拟 化工流程多是由若干个操作单元通过物料流和能量流连接成的完整体系。为 实现单元设备及全流程的最优化设计，需要对全流程进行严格的模拟计算。流程 模拟是在单元模拟技术的基础上，以基于物料流和能量流关系的数学模型来描述 实际工艺流程，通过联立式序贯求解数学模型来实现全流程的模拟计算。随着化 工流程模拟技术的广泛应用，大大促进了石油炼制和化工行业的技术进步。近年 来，一批批较成熟的化工流程模拟软件，如a s p e np l u s ，p r o i i 和c h e mc a d 等已 广泛应用于各种化工过程中，产生了巨大的经济效益。 p r 0 是一个功能强大的流程模拟软件。它的前身是p r o c e s s ，它的物性 数据库包括两个部分：物性数据和计算物性的子程序。物性数据包括分子量、临 界温度、临界压力、临界分子体积、临界压缩因子、偏心因子、溶解度参数、偶 极矩、标准生成热和标准生成自由焓、标准沸点、标准沸点下的汽化热、热焓方 程系数以及物性子程序所需要的各种系数，如a n t o i n e 常数、亨利常数、二元交 互作用系数等。物性子程序用于估算单元模块计算和物流输出时所需的热力学性 质和传递性质，如逸度、活度、汽液平衡常数、焓、熵、密度、粘度、导热系数、 扩散系数、表面张力等。因此在流程计算中，只要是数据库中包含的组分，使用 者就不需要输入物性数据。 p r o i i 提供了常见的化工单元操作计算模块。它采用的模拟计算方法为序 贯模块法。对每一单元设备或设备的组合过程，都根据其数学模型编制一个子程 序，这种子程序就称为模块。序贯模块法中所有模块都是核算型的，即给定输入 流股值和单元设备参数值计算所有的输出流股值。每个单元之间由流股相连，计 算顺序由程序确定。p r o i i 的循环流分析器能确定循环切断流股和环计算的顺 序。在每个环路内部程序先进行单元操作的计算，满足要求后，再转入下一单元 操作，当所有单元之间的流股在前后两次迭代的误差均满足要求之后，程序才转 入下一个环路的计算，直至全部单元和流股都满足误差后，程序计算结束。 酒精行业作为一个传统行业，在以往的工程设计中多以经验进行。利用先进 的流程模拟技术对完整的乙醇分离工艺进行流程模拟，将对传统酒精行业的技术 提升和燃料乙醇分离工艺的优化产生巨大的推动作用。 第一章文献综述 1 4 换热网络最优综合的研究现状 换热网络( h e a te x c h a n g e rn e t w o r k s ，h e n s ) 作为过程系统的重要子系统，是 化工、炼油等过程工业能量回收的重要组成部分，对企业降低能耗有重要意义。 换热网络的优化合成是设计由一个换热器，混合器和分流器的组合的换热网络 【l3 1 ，使系统中所需要加热或冷却的过程物流都达到规定的出口温度，并使系统的 总费用最小。换热网络结构的优化问题是1 9 6 5 年c s h w a 首次提出的【l ”。接着， 许多学者对换热网络的合成问题进行了深入的研究，提出了多种最优或接近最优 的换热网络综合方法。有些方法已成功的用于工程实际，取得了显著效果。目前 我国已应用换热网络优化节能技术对中国石油和中国石化的6 0 多套常减压装置 的换热网络进行了优化节能研究，并提出了改造方案。如对某石化分公司炼油厂 常减压车间的换热网络进行了优化设计，改进后每年直接节省燃料油7 8 6 8 t ，年节 能效益为7 6 7 万元，设备投资2 0 0 万元，改造投资回收期为3 1 个月，节能效果十 分可观，为该厂常减压装置换热网络的节能技术改造提供了可靠的技术依据【15 】。 但目前换热网络优化技术在燃料乙醇分离工艺上的应用还未见文献报导。 换热网络的综合方法从求解策略上可分为启发探试法和数学规划法两大类： 数学规划法是通过建立换热网络最有综合问题的数学模型( 主要包括线性规 划l p ，非线性规划n l p ，混合整数线性规划和混合整数非线性规划1 ，并根据数 学模型的类型选择适宜的优化方法进行求解，求得目标函数的最小值，从而得到 最优的换热网络。目前虽然有一些成熟的数学方法可以利用，但由于数学问题的 维数太高，大规模非线性迭代运算效率较低，致使现代的计算机也难于完成。所 以只好把问题加以简化，并在算法上加以改进。这方面的代表性工作有7 0 年代 的以来的分支界限法t 1 6 1 、线性规划法【1 7 】和8 0 年代以来的以美国c m u 的 i e o n o s s m a n n 等人为代表的混合整数线性与非线性规划法【1 8 , 1 9 】。 启发探试法是根据最优换热网络所具有的必要条件和特征，从热力学原理和 经验知识出发，规定一些设计目标和探视规则来构造网络，进行综合评价调优， 最后找出接近最优的换热网络。早在1 9 6 9 年m a s s o 和r u d d 2 0 】就提出了用直观 推断法建立换热网络的方法：利用一些匹配过程物流的经验规则，在计算机上合 成最优的系统结构。1 9 7 4 年p o n t o n 和d o n a l d s o n f 2 1 1 提出了可用于计算机快速合 成换热网络的直观推断规则，即按最高供给温度和最高目标温度的冷热流股由高 温端向低温端逐次进行匹配的规则。p h o 和l a p i d i u s t 2 2 j 提出了基于匹配规则的换 热网络综合的树搜索法。随后，n i s h i d a 2 3 1 等证明用上述规则可以得到具有最小 换热面积的网络结构，并提出了一个简单实用的调优方法一借助温焓图( t - h 图) 综合换热网络，可以实现物流之间的合理匹配换热，有效地利用温位，合理的分 第一章文献综述 配传热温差和热负荷，使得换热网络原则上实现逆流操作，即得到满足规定热负 荷前提下热力学最小面积网络。l i n n o f f 等所开发的夹点以其较好的系统性特别 是实用性而最为引人注目。但由于夹点设计法存在着“拓扑陷阱，【州，c h a l l a n d 和c o l b e r t 2 玉2 6 】提出了双温差法，指出不应该以夹点温差作为换热网络综合的决 策变量；t r i v i d i 2 7 】等提出了对初试网络进行调优的系统能量松弛法。n i n i c k 2 8 】等 考虑了冷热物流相互匹配的换热器的材质、类型以及物流间的物理距离，通过匹 配规则来完成换热网络的综合，并将热泵结合到换热网络中，使所综合的网络公 用工程负荷更少。在启发探试法中具有代表性的是夹点设计法及在此基础上发展 起来的双温差法。 由于夹点技术应用方便，而且便于让工程师发挥多年积累的经验，在解决实 际问题时有很大的优越性，被公认为是换热网络综合的突破性进展，在此后近二 十年里，得到了充分发展，并成功的用于生产实践。世界上已有数千家企业的众 多项目采用了夹点技术，取得了非常好的经济效益【l 玷”。 1 5 夹点设计法 夹点技术( p i n c h t e c h n o l o g y ) 是换热网络综合中一种实用的热集成方法，它是 以热力学为基础，从宏观角度分析过程系统中能量流沿温度的分布，从中发现系 统用能的“瓶颈”( b o t t l e n e c k ) ，并给以“解瓶颈”( d e b o t t l e n e c k ) 的一种过程系 统节能技术【3 0 l 。这种方法与其它的换热网络集成方法不同的是，在设计过程中工 程师始终始终处于主动状态。利用夹点技术的概念，工程师可以在达到即定目标 的同时，考虑操作的可行性、过程的安全性和产品的稳定性等，设计出不仅效率 高而且可行的集成方案【3 1 1 。1 9 7 8 年，l i n n h o 弹3 2 】和u m e d a ”】等人基于热力学原理 和有效能的概念，分别提出了换热网络中的温度夹点的问题，指出夹点限制了换 热器网络可能达到的最大热量回收。1 9 8 2 年和1 9 8 3 年l i n n o f f 比较充分的论述了用 于换热器网络综合的夹点技术【3 0 1 ，并推广应用于整个过程系统的能量分析与调 优，1 9 9 3 年l i n n o 鲥夹点技术作了全面的总结性评述。夹点在学术上和工程应用 中都取得了巨大成就，其方法本身也在不断完善和扩展。a s a n t e 与z h u 3 4 】在夹点 分析的基础上，提出了将网络夹点( n e t w o r kp i n c h ) 与过程夹点( p r o c e s sp i n c h ) 相区别。前者与网络和拓扑结构有关，基于网络夹点的换热器网络改造的目标是 网络拓扑变化最小，同时增加面积所产生的费用最小。 使用夹点技术在新厂设计中可导致能量和设备双节省，比传统方法可降低操 作成本3 0 5 0 ，节省投资1 0 左右【3 5 1 。对老厂改造而言，通常可达到用最小的 设备投资回收尽可能多的能量，降低操作成本和投资成本。以l i n n h o f 伪首的英 第一章文献综述 国帝国化学公司( i c i ) 的系统综合小组，曾在1 9 8 0 年前后的四年问对老厂技术 改造及新厂建设的1 8 项工程设计中进行了重新设计计算，发现用新的原理设计可 以节能3 0 ，有的项目不仅可以节能，而且重新安排系统后还节省了投资。1 9 8 2 年，美国联碳公司请l i n n h o 睹导，在一年的时间内试算了9 个工程实例，结果证 明这种方法可以平均节能5 0 ，用于老厂技术的改造的设备投资一般可在2 1 2 个月内收回。国内也有一些项目采用了这种技术，能源利用达到了国际先进水平， 例如，陶忠华等人口6 】采用夹点技术对酒精蒸馏较先进的五塔蒸馏工艺流程进行了 分析，并提出了改进方案，整体集成后的换热网络节省加热公用工程用量 11 2 5 6 2 k w ，约合蒸汽1 8 9 9 2 1 k g h ，蒸汽用量减少4 1 2 8 7 k g h ，且原料进料温度升 高1 5 4 ，接近准泡点迸料，年节约运行费用约9 4 0 3 万元。 夹点技术之所以取得如此大的成功，是因为它有自己的特点和优点。夹点技 术的特点和优点可概括以下几点【3 “3 玎： ( 1 ) 最重要的一点，就是从实际系统设计的需要出发，而不是从理论和概念 的移植出发，因而，它是一个真正的面向工程实用的方法。 ( 2 ) 利用图论的方法描述作为对象的过程系统，这样使得过程系统简单明 了。例如用问题表、复合曲线、总复合曲线及换热网络图等描述换热网络。 ( 3 ) 强调工作人员对问题和目标的理解，所有的决定由工程师自己而不是 由它不能理解的计算机程序作出，工程师始终了解所发生的事情，并处于主 动状态。 ( 4 ) 夹点技术的概念、方法和应用步骤非常简单、精练，易于学会，便于 掌握。 1 5 1 夹点技术的基本原理 1 5 1 1 夹点及其形成 每一股物流的热特性可以用温一焓图来很好的表示。当有多股热流和多股冷 流进行换热时，可将所有的热流的温焓线合并成一根热复合曲线，所有的冷流温 焓线合并成一根冷复合曲线，然后将二者一起表示在温一焓图上。系统的冷热复 合线表明了系统的热流量沿温位的分布。 在温一焓图上，冷热复合温焓线的相对位置有三种不同的情况，如图1 1 所 示。图中，a 是热复合曲线，b 是冷复合曲线。当b 处于i 位置时，系统中的热量 全部没有回收，全部冷流由加热公用工程加热，全部的热流由冷却公用工程冷却， 加热公用工程q h l 和q c l 的量最大；当b 处于i i 位置时，冷热复合曲线有部分的重 叠，即系统的热量有部分回收，回收的热量为q m ，此时，加热公用工程和冷却公 第一章文献综述 用工程量相对于b 处于i 处时的情况有所减少，减少的量为q r 2 ；当b 处于位置 掰l l ii ，一t ：， ，一r l t 。 一r o 一：q ”一 ：q m 7 ；一 7 ；一 q c j q j q h i一 ：q 。：l 一 o 。， 一 图1 - 1 多股热流与多股冷流换热时的复合曲线 f i g1 - it h ec o m p o s i t ec u i v ( ：o f h e a ts t r e a m sa n dc o o ls t r e a m s 时，冷热复合曲线在一点完全重合，此时系统中回收的热量最大，为q m ，加热 公用工程和冷却公用工程的量最小，分别为q m 和q o 。冷热复合曲线在某点重 合时为该系统内部换热的极限，该点的传热温差为零，该点即为夹点。 当冷热复合曲线在夹点处重合时夹点处的传热温差为零，操作时就需要无限 大的传热面积，这样既不现实也不经济。但可通过设备费用和能量费用的技术经 济评价确定一个系统最小的传热温差一夹点温差。因此，夹点即为冷热复合温焓 线上传热温差最小的地方。 1 5 1 2 夹点的意义 夹点具有两个特征：一是该处冷、热物流的传热温差最小，刚好等于t m i n ： 另一个特征是该处过程系统的热流量为零。由这些特征，可以理解夹点的意义如 下： ( 1 ) 夹点处热、冷物流间传热温差最小，等于t m i n ，它限制了进一步回 收过程系统的能量，构成了系统用能的“瓶颈”，若想增大过程系统的能量回收， 减小公用工程负荷，就需要改善夹点，以解除“瓶颈”。 ( 2 ) 夹点处过程系统的热流量为零，从热流量的角度上，它把过程系统分 为两个独立的子系统。夹点上方为热阱，只需要加热公用工程，夹点下方为热源， 只需要冷却公用工程。 由上述的特征可知，在用夹点法设计时，应遵循以下原则： ( 1 ) 夹点之上不应设置任何公用工程冷却器； + ( 2 ) 夹点之下不应设置任何公用工程加热器； 第一章文献综述 另外，也不应有跨越夹点的传热，这是因为如果发生跨越夹点的传热，则会 使加热和冷却公用工程的消耗量同时增加2 0 j 。 1 5 1 3 夹点位置的确定 在夹点温差一定的情况下，确定夹点位置的方法主要有两种：t - h 图法和问 题表格法。在t - h 图上利用冷热复合曲线可以形象、直观地表达过程系统的夹点 位置。但当复合温焓线很繁琐，且不够准确时，此时常用问题表格法精确计算。 问题表法的步骤如下【3 8 】： ( 1 ) 以冷、热流体的平均温度为标尺，划分温度区间。流体的平均温度相 对热流体，下降t m i n 2 ，相对冷流体上升a t t a i n 2 ，这样可保证在每个温区内 热流体比冷物流高t m i n 。 ( 2 ) 计算每个温区内的热平衡，以确定各温区所需的加热量和冷却量，计 算式为： h 1 = ( 吸一c p n ) ( t l t 1 + 1 ) ( 1 一1 ) 式中：h ，第i 区间所需加入的热量，k w 。c ； c p c c p m 一分别为该区内冷、热物流热容流率之和，k w * c t ，t i + 1 分别为该温区的进、出口温度。 ( 3 ) 进行无外界热量输入时的热级联计算，即计算无外界热量输入时各温 区之间的热通量。此时，各温区之间可有自上而下的，但不能有逆向的热通量。 ( 4 ) 为保证各温度之间的热通量不小于零，确定所需外界加入的最小热量， 即最小加热公用工程用量 ( 5 ) 进行外界输入最小加热公用工程量时的热级联计算，此时所得最后一 个温区的热量，就是最小冷却公用工程用量。 ( 6 ) 温区之间热通量为零处，即为夹点。 由上述的计算步骤可见，根据问题表可以精确的确定夹点温度、最小加热公 用工程和最小冷却公用工程的量，并可以看出热流量沿温位的分布。 1 5 2 诊断过程的基本方法【3 9 】 对一个化工过程系统进行能量诊断，其诊断工具主要有： 1 5 2 1 总组合曲线 总组合曲线( e g c c ) 可通过冷、热流股的分组合曲线或从问题表格法的计 算结果作出。根据总组合曲线，可判断一个过程系统的公用工程的品位选择是否 恰当。但是，通常的情况并不是把所有的以能量驱动的过程单元如反应器、精馏 第一章文献综述 塔、压缩机、热机、热泵等都放在一张总组合曲线图上加以说明，这主要有以下 两方面的原因： ( 1 ) 与夹点温度不符、没有合理放置的过程单元在总组合曲线上改变了通 常所指的热级联图； ( 2 ) 许多过程单元绕过了换热器网络，并不参与正常的总组合曲线绘制。 也就是说，能量直接由热源流到了热阱，如一个具有放热反应的反应器同一个内 嵌锅炉之间的换热。 可以采取一些措施对以上的两点限制加以改进。首先，从总组合曲线中除去 那些没有合理放置的过程单元。然后，连同足够的公用工程，作为总组合曲线的 增加部分放在总组合曲线之前，形成扩充的总组合曲线( e x t e n d e dg r a n d c o m p o s i t ec u r v c - - e g c c ) 。 1 5 2 2 扩充的总组合曲线 一个过程单元的主要任务是完成一些通常与能量变化相连的过程要求( 如压 缩、反应或分离) 。从更高的角度讲，如果只考虑能量可用性的话，那么从一个 具有放热的反应器中放出的热量可以象公用工程的蒸汽提供的热量一样作为热 源使用，即在化学公用工程( 反应热) 和热公用工程( 蒸汽热) 之间实际上没有区 别。为对一个过程系统进行能量诊断，就应当将各过程单元从用能的角度统一起 来，同时考虑各单元的特殊性。因此我们把所有的热源统称为能量贡献者 ( e n e r g yd o n o r ) ；把所有的热阱统称为能量接受者( e n e r g ya c c e p t o r ) 。能量贡献者 和能量接受者统称为能量参与者( e n e r g o r ) 。除了蒸汽、烟道气和热机废气之外， 典型的能量贡献者还有放热反应器、燃烧炉和压缩机 经常遇到的能量接受者除 了冷却介质和冷冻介质之外，还有锅炉、蒸发器和空气干燥器、吸热反应和膨胀 机。应用扩充的总组合曲线就可以将过程流股与过程单元的能量情况形象地表示 出来。 扩充的总组合曲线( e g c c ) 是由总组合曲线( g c c ) 经公用工程组合曲线( u c c 1 撕l i t y c o m p o s i t e c u r v o 力d 以扩充的总组合曲线。其中。总组合曲线( g c c ) 表示 了间接换热( 热公用工程的能量通过换热器网络传到冷公用工程) ，而公用工程总 组合曲线( u c c ) 形象地表示了热源与热阱之间的直接热交换。 1 5 2 3 分离的总组合曲线 所谓分离的总组合曲线( s g c c ) 就是把一个能量驱动的过程单元或子系统 从总组合曲线( g c c ) 中分离出来以后的总组合曲线。用分离的总组合曲线 ( s g c c ) 对过程系统的用能进行诊断，就是将能量驱动的单元或子系统( 如反应 第一章文献综述 器子系统) 从总组合曲线( g c c ) 中抽出来，然后重新绘制总组合曲线并将抽出 的单元或子系统与重新得到的总组合曲线对照，检验其放置的位置是否合理。这 样，就可以在分离的总组合曲线( s g c c ) 图上，一个一个地将所有的单元或子 系统与背景夹点温度对照，进行能量诊断。 1 5 2 4 格子图 格子图( g r i dd i a g r a m ) 最先是利用夹点技术对换热网络进行设计的一种方 法，冷热流股用一有向线段来表示，热物流位于图的上部，方向从左向右；冷流 股位于图的下部，方向由右向左，热交换可用圆圈及其连接竖线来表示。当把过 程的夹点温度标在格子图上时，就可以很容易的诊断出穿越夹点温度的换热器。 根据夹点分析的指导性原则，从作出的格子图上确定出是否有穿越夹点换热 的换热器、夹点上方是否有冷却器、夹点下方是否有加热器。如果存在以上三种 现象，那么就可以断定该过程系统用能不合理，可以通过调优处理，进行用能的 合理化。 1 6 系统的调优处理 对一个过程系统进行调优处理，就是用以上的用能分析手段诊断出该过程系 统的用能不合理之处，通过进行过程的设计型夹点计算，调优流程结构、操作参 数，改进设备，形成过程用能调优措施，减少系统公用工程用量，降低过程能耗。 在现有的装置上优化工艺流程，结合其他先进技术改造用能不合理部位，形成过 程用能优化的一系列方案，改动原设计流程，充分利用现有设备，最大限度地发 挥现有设备的潜能。可采用的具体措施有： 1 、对于换热网络，要恰当地减小过大的传热温差，这样可以有效地降低有 效能损失。 2 、对于能量密集型设备单元，应当改变其工艺条件，把它调整至过程系统 中合理位置。 3 、通过提高或者降低某些设备单元的操作压力，或对原料预热，以此来降 低它的能耗。 4 、也可以通过改进工艺流程，并利用高效的能量转换设备。 1 7 换热网络的改造综合 换热网络综合可分为两种类型一新网络的设计综合和原有换热网络的改造。 第一章文献综述 换热网络的改造要比新换热网络的综合更为复杂，受到的的约束更多，要考虑的 因素也更多【3 9 1 。首先，应尽可能利用原有的换热器，其次，应考虑原有系统结构 是否会限制改造方案的进行，如工艺设备的位置已定，某些流股会因为距离太远 而不便进行换热等。因此，在改造综合中各种因素都要考虑。 换热网络是否最优可从三个方面考虑：一是网络回收的热量是否最