王君　+吳宗發(fā)　李多松　等

摘要：隨著能源價(jià)格的不斷提升，化工企業(yè)的節(jié)能降耗成為緊迫必行的任務(wù)。通過(guò)在對(duì)一實(shí)際過(guò)程的換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上提取熱、冷工藝物流，在給定的最小傳熱溫差（20 ℃）限制下運(yùn)用夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法合成具有最大熱回收的新?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)；采用斷開(kāi)熱負(fù)荷回路、取消熱負(fù)荷較小的換熱器達(dá)到減少換熱器個(gè)數(shù)、簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的目的；由于熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移造成了某些換熱器傳熱溫差違反最小傳熱溫差限制、甚至出現(xiàn)傳熱溫差為負(fù)值（違反熱力學(xué)第二定律）的情況，采用能量松弛法恢復(fù)這些換熱器的傳熱溫差至給定的最小傳熱溫差。經(jīng)過(guò)調(diào)優(yōu)后換熱器網(wǎng)絡(luò)總換熱設(shè)備個(gè)數(shù)與原實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的相同，但與原實(shí)際網(wǎng)絡(luò)相比，熱、冷公用工程均節(jié)省1 220 kW。

關(guān)鍵詞：換熱網(wǎng)絡(luò)；夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法；最小傳熱溫差；改造

中圖分類號(hào)：TK123文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1672-1098（2014）04-0038-04

隨著能源價(jià)格的不斷提升，化工企業(yè)的節(jié)能降耗成為緊迫必行的任務(wù)。各種節(jié)能技術(shù)運(yùn)應(yīng)而生[1-3]，其中夾點(diǎn)技術(shù)是一種比較成熟的節(jié)能技術(shù)，它是以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，從宏觀的角度分析過(guò)程系統(tǒng)中能量流沿溫度的變化，從中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)用能的瓶頸并予以解除的一種方法[4-5]。

國(guó)外著名的工程公司如赫斯特、拜耳、聯(lián)碳、杜邦及三棱等較早運(yùn)用夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行新廠設(shè)計(jì)和老廠改造，在降低能耗、減少投資、保護(hù)環(huán)境等方面取得顯著成效；國(guó)內(nèi)高校和設(shè)計(jì)部門于20世紀(jì)80年代初開(kāi)始運(yùn)用夾點(diǎn)技術(shù)并取得實(shí)效[6]。

本文采用夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法，對(duì)一實(shí)際過(guò)程換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并提出改造方案。

1實(shí)際換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

某實(shí)際過(guò)程換熱網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，該過(guò)程的換熱過(guò)程描述如下。圖1某實(shí)際過(guò)程換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

溫度為50 ℃的某反應(yīng)原料（FEED1）進(jìn)入系統(tǒng)，在換熱器E1（熱負(fù)荷1 980 kW）中被反應(yīng)器出口物流（REAOUT1）加熱到149 ℃（FEED2），再經(jīng)過(guò)加熱器H1（熱公用工程用量1 220 kW）加熱到210 ℃（FEED3）進(jìn)入反應(yīng)器REACTOR；反應(yīng)器出口物流（REAOUT1）經(jīng)過(guò)換熱器E1被冷卻到160℃（REAOUT2）進(jìn)入精餾塔COLUMN。精餾塔底產(chǎn)品物流（PRODUCT1）溫度220 ℃，在換熱器E2（熱負(fù)荷880 kW）中被壓縮機(jī)COMP出口物流（DISTIL2，160 ℃）冷卻到180 ℃（PRODUCT2），再經(jīng)過(guò)冷卻器C1（冷公用工程用量為2 640 kW）冷卻到目標(biāo)溫度60 ℃（PRODUCT3），壓縮機(jī)COMP出口物流（DISTIL2）被加熱到177.6 ℃（DISTIL3），再經(jīng)過(guò)加熱器H2（熱公用工程用量1 620 kW）加熱到210 ℃（DISTIL4）進(jìn)入反應(yīng)器。

從以上描述可知，該實(shí)際換熱網(wǎng)絡(luò)包括兩臺(tái)換熱器（E1、E2）、兩個(gè)加熱器（H1、H2）和一個(gè)冷卻器C1；仔細(xì)分析還可以發(fā)現(xiàn)換熱器E1兩端傳熱溫差過(guò)大，進(jìn)料冷量和產(chǎn)品物流熱量沒(méi)有被充分利用，致使換熱過(guò)程熱、冷公用工程消耗偏大，該網(wǎng)絡(luò)熱、冷公用工程用量分別為2 840 kW和2 640 kW（選取網(wǎng)絡(luò)不包括精餾塔自身的公用工程及壓縮機(jī)提供的熱量）；網(wǎng)絡(luò)最小傳熱溫差為20 ℃，出現(xiàn)在換熱器E2右端。

2運(yùn)用夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法合成新網(wǎng)絡(luò)

21物流提取

根據(jù)第1節(jié)的分析，從原來(lái)實(shí)際換熱網(wǎng)絡(luò)中提取用于熱集成的工藝物流，如表1所示。

表1物流數(shù)據(jù)

物流

代號(hào)物流名稱熱容流率

/（kW·℃-1）起始溫度

/℃目標(biāo)溫度

/℃熱負(fù)荷

/kW H1產(chǎn) 品 流 股22220603 520 H2反應(yīng)器出口流股182701601 980 C1進(jìn) 料 流 股20502103 200 C2循 環(huán) 流 股501602102 500 22夾點(diǎn)溫位及最小公用工程用量確定

給定最小傳熱溫差與原實(shí)際過(guò)程換熱網(wǎng)絡(luò)相同，為20 ℃，采用問(wèn)題表格法計(jì)算得到提取物流系統(tǒng)的夾點(diǎn)溫位為180 ℃（對(duì)熱物流）和160 ℃（對(duì)冷物流）、最小熱、冷公用工程分別為1 000 kW和800 kW。

23最大熱回收網(wǎng)絡(luò)合成

根據(jù)得到的夾點(diǎn)溫位和最小熱、 冷公用工程用量， 遵循夾點(diǎn)匹配換熱的可行性規(guī)則及經(jīng)驗(yàn)規(guī)則， 分別進(jìn)行熱端和冷端換熱網(wǎng)絡(luò)合成，用格子圖表示的合成方案如圖2和圖3所示，整體方案如圖4所示。

圖2熱端合成方案圖3冷端合成方案圖4整體方案3新網(wǎng)絡(luò)調(diào)優(yōu)及改造方案

圖4整體方案具有最大熱回收、最小熱、冷公用工程用量，但換熱設(shè)備較多，共7個(gè)，因此有必要對(duì)該初始網(wǎng)路進(jìn)行調(diào)優(yōu)，再將調(diào)優(yōu)后的方案與原實(shí)際換熱網(wǎng)絡(luò)比較，提出改造方案。

31熱負(fù)荷回路斷開(kāi)及能量松弛

仔細(xì)觀察圖4，可以識(shí)別出三個(gè)第二級(jí)回路。即A：（1，2，4，3），B：（C1，4，2，C2），C：（C1，3，1，C2），取A、B為獨(dú)立回路，則C可由A、B消去公共節(jié)點(diǎn)4，2得到，所以不獨(dú)立。按照通用網(wǎng)絡(luò)定理[3]計(jì)算得到圖4初始網(wǎng)絡(luò)換熱器個(gè)數(shù)

U=N+L-S=6+2-1=7

式中：N為源物流和阱物流總數(shù)，L為獨(dú)立回路數(shù)，S為獨(dú)立的子網(wǎng)絡(luò)數(shù)，取1，與圖4所示一致；若斷開(kāi)獨(dú)立回路，使L=0，Umin=N-1=6-1=5，可以合并掉2個(gè)換熱設(shè)備，達(dá)到簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的目的。

若斷開(kāi)回路A， 合并換熱器1， 則換熱器3右端溫度為15182 ℃， 傳熱溫差為15182-160=-818 ℃，如圖5所示， 換熱器3右端違反最小傳熱溫差限制，同時(shí)也違反熱力學(xué)第二定律，考慮通過(guò)熱負(fù)荷路徑（H， 3，C1）進(jìn)行能量松弛，恢復(fù)傳熱溫差至最小傳熱溫差。

圖5合并換熱器1后的網(wǎng)絡(luò)利用熱負(fù)荷路徑（H， 3，C1）進(jìn)行能量松弛，恢復(fù)換熱器3右端傳熱溫差為20 ℃，結(jié)果如圖6所示。

圖6能量松弛后的網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)斷開(kāi)回路B：（C1，4，2，C2），合并冷卻器C2，結(jié)果如圖7所示，經(jīng)檢查，沒(méi)有違反最小傳熱溫差限制的情況出現(xiàn)，至此，網(wǎng)絡(luò)中換熱設(shè)備個(gè)數(shù)已經(jīng)達(dá)到最小。

圖7調(diào)優(yōu)后的網(wǎng)絡(luò)作為對(duì)比，圖8中給出了原實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的格子圖，對(duì)比圖7、圖8可發(fā)現(xiàn)：調(diào)優(yōu)后的網(wǎng)絡(luò)增加了一臺(tái)換熱器4，減少了一個(gè)加熱器，且熱、冷公用工程均減少1 220 kW。

圖8原實(shí)際網(wǎng)絡(luò)32改造方案

比較圖7與圖8、圖1與圖9，對(duì)原實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的改造方案如下：保留原網(wǎng)絡(luò)熱負(fù)荷分別為1 980 kW和880 kW的兩臺(tái)換熱器，增加一臺(tái)熱負(fù)荷為1 220 kW的換熱器，取消原網(wǎng)絡(luò)中熱負(fù)荷為1 220 kW的進(jìn)料加熱器，產(chǎn)品冷卻器熱負(fù)荷減少到1 420 kW，具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7和圖9所示。

圖9調(diào)優(yōu)后的網(wǎng)絡(luò)還原成流程

4結(jié)論

應(yīng)用夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法對(duì)一實(shí)際換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改造，重新設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)與原網(wǎng)絡(luò)換熱設(shè)備個(gè)數(shù)相同， 但與原網(wǎng)絡(luò)相比， 新設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)可以節(jié)約熱、 冷公用工程均為1 220 kW；改造方案為保留原網(wǎng)絡(luò)中兩臺(tái)換熱器，取消一個(gè)熱負(fù)荷為1 220 kW加熱器，原冷卻器熱負(fù)荷減少1 220 kW，增加一臺(tái)熱負(fù)荷為1 220 kW的換熱器，具體網(wǎng)絡(luò)如圖7、圖9所示。

參考文獻(xiàn)：

[1]TANTIMURATHA L， ASTERIS G， ANTONOPOULOS D K， et al. A conceptual programming approach for the design of flexible HENs[J]. Computers and Chemical Engineering，2001，25（4）：887-892.

[2]LINNHOFF B， HINDMARSH E.Pinch design method for heat exchanger network[J].Chem. Eng. Sci.，1983，38：745-752.

[3]CIRIC A R，F(xiàn)LOUDAS C A. Heat exchanger network synthesis without decomposition[J]. Computers and Chemical Engineering，1991，14： 751-756.

[4]都健.化工過(guò)程分析與綜合. [M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2009：124-125.

[5]WARREN D SEIDER，J D SEADER，DANIEL R LEWIN.Process Design Principles（Synthesis，Analysis，and Evaluation）[M].John Wiley&Sons，Inc.1999：32-34.

[6]姚平經(jīng).過(guò)程系統(tǒng)分析與綜合[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2004：202-204.

（責(zé)任編輯：李麗）