读“化工过程设计”有感之四——换热网络
读“化工过程设计”有感之四——换热网络liutaize在化工过程设计中，当反应、分离及循环系统确定下来后，系统的物料及能量平衡也就随之确定了。但外层的换热网络、公用工程如何设置才能实现经济效益最大化则大有考究。同时，外层换热网络、公用工程的设计也并非一个孤立系统，它可以使过程设计由外向内地进行改进，并逐步调优内层设计，使设计者对内层的反应器、分离器和循环系统的设计作出改进，以提高外两层的能量和投资费用目标。能量的优化利用是工业装置的一大重点。据统计，大多数公司都比实际需要多使用了高于50%的能量。如何节能降耗是企业生存发展所面临的亘古不变的命题，在反应、分离及再循环系统处于同等水平下，换热网络设计的优劣将直接决定一个企业的竞争力以及能否生存发展。它带来的效益是非常惊人的，笔者了解到一些效益很好的企业年效益中有一大部分是装置节能降耗技改所贡献的。一小部分特别好的企业甚至成立专门的专业团队对全厂进行系统化能量优化，这将带来革命性的提升。一、能量目标1、组合曲线对换热网络的分析，首先是根据物料及能量平衡确定出热源（称热流股）和热阱（称冷流股）。热流股可以采用循环水或其他冷却介质来冷却，冷流股可以采用蒸汽或其他加热介质来加热。为实现经济效益最大化及可持续性工业发展目标，应尽可能多的进行热量回收减少能量消耗。热量回收的多少可通过将流股标绘在温-焓图上而得出。只有当热流股温度在所有点上都高于相应的冷流股温度，两流股间的换热才是可行的。流股的温度及焓变是不能改变的，因此其在温-焓图上的斜率也不会改变。但因为两流股的参照焓可以不同，所以他们在图上水平方向上是可以移动的，其相对位置可以改变。即：两流股间的温差可以调整，当两流股间的温差越小时，回收的热量越多，冷热公共工程消耗量越少。对于具有多条热流股和多条冷流股的情况，在温-焓图上标绘出所有的热流股，将它们在同一温度区间内加以组合，温度区间的划分是根据焓变总流率随温度的关系发生了变化的那些位置而确定的。在每一温度区间，将所有热流股组合成一条组合热流股。任一温度区间内的组合热流股的CP是该区间内所有热流股CP之和，其焓变也是各流股焓变之和。该组合热流股即为热流股的组合曲线。同样的，采用该方法也可构造出冷流股组合曲线。将热组合曲线和冷组合曲线标绘在同一张温-焓图上，设定热/冷组合曲线间最小传热温差ΔTmin为一具体值，则两曲线的相对位置确定下来，两曲线重叠部分即为最大热回收量。超出重叠部分即为冷热公用工程量，该部分能量不可回收。热公用工程量、冷公用工程量或ΔTmin一经指定，两曲线的相对位置就固定下来。当两组合曲线刚好接触时，在过程的某一点上不存在传热推动力，这就需要无限大的传热面积，此时设备投资费用为无限大。随能量目标的增加（两曲线间ΔTmin增加），投资费用降低，能量费用随之增大。因此，在设备投资费用与能量费用间存在权衡的问题，即存在一个能量回收的经济度。同时，在设定ΔTmin时必须注意其实现的约束条件，在管壳式换热器中ΔTmin一般不能低于10℃，因为壳程侧的流股存在周期性的交错流，不可能实现纯逆流操作。在板式换热器中，最小温差能达到5℃。在板翅式换热器中，最小温差能达到1~2℃。当然，只有在两曲线最接近点处的设计才涉及这些约束条件。如果此处有汽化或冷凝发生，还会产生额外的约束。2、热回收夹点组合曲线的合理配置是由能量费用和投资费用权衡所确定的，这一权衡对应于一个经济的最小传热温差ΔTmin。ΔTmin一经确定，组合曲线的相对位置就确定下来，从而能量目标也随之确定了。最小传热温差ΔTmin只存在于冷、热组合曲线之间的一点，该点称为热回收夹点。为了达到由组合曲线所设定的能量目标，设计者不能使热量穿越夹点，即应避免：（1）夹点上方与夹点下方过程间的换热；（2）公用工程不合理利用。同时，每台换热器的传热温差应不小于ΔTmin。3、门槛问题并不是所有的问题都具有将过程分为两部分的夹点。冷、热组合曲线在热端对齐，将组合曲线进一步靠近，冷端所需的冷公用工程量进一步减少，但热端却需要新的冷公用工程，其所需量等于冷端公用工程的减少量。即：两组合曲线虽进一步靠近，但所需的总公用工程不再变化。此处即为一个“门槛”位置，带有“门槛”特性的问题就简称作“门槛问题”。在门槛问题中，有些没有热公用工程需求量，另一些没有冷公用工程需求量。总费用最优点不可能在低于门槛值之下出现，它只能等于或大于这一门槛值。4、过程约束以上做出的分析都是基于只要存在允许的温差，任意一条热流股原则上都可与任意一条冷流股进行匹配。然而，实际上并非如此，会经常由于一些约束条件而无法实现。如：两流股在同一换热器中进行匹配换热，泄漏将引起两流体直接接触而产生无法接受的后果。此时，增加了一个约束，即禁止该两流股进行匹配换热。此外，还有很多其他约束条件，如两流股相距太远，会造成管线的长距离输送；不同功能区之间的换热，会导致系统缺乏灵活性。潜在的控制及开、停车、操作柔性、安全等都将形成约束，而不得不放弃一部分热回收。也因为此原因，大部分工程技术人员直接放弃了换热网络设计方法。笔者认为，充分考虑好这些制约因素，同时与换热网络设计方法结合起来，必将达到一个理想的效果。在一些过程约束中，若约束代价昂贵，可考虑放弃独立度，过程作为一个系统运行；或者保留独立，另寻他法来克服该约束。如通常可采用两工序之间的间接换热来实现。如在乙二醇精馏中，利用高温塔顶气相产蒸汽并输入蒸汽总管，而其他用户再从该总管取出蒸汽进行换热，此时，公用工程系统就充当了缓冲区的作用。二、投资费用与总费用目标换热网络投资费用的影响因素主要包括：换热单元数、换热面积、设备材质、壳程数、压力等级、设备类型等。一般来说，最终换热网络设计应使换热单元数最小，以降低设备投资费用，即：最小换热单元数=总流股数-1；若网络存在一个夹点，则在夹点两侧分别应用上述公式，即：最小换热单元数=（夹点上方流股数-1）+（夹点下方流股数-1）。 换热面积：通过经验数据获得传热膜系数，然后利用经验公式计算得到换热网络总换热面积，该方法获取相关数据较为困难。笔者一般通过流程模拟软件ASPEN建模，同时利用Aspen Energy Analyzer计算获得相关数据。总费用为投资费用与操作费用的和，若过程能量消耗增加，则热回收可利用的换热温差就会增大，所需换热面积就会减小。所以存在一个能量消耗最优点，在此点处，总费用最小。这里一定要注意不同项目有区域性差异，不可一概而论，比如在新疆、内蒙与在中部地区相比，公用工程费用就会有较大差别，最优点也会相应发生变化。三、换热网络设计在项目设计过程中，由于大部分产品均较为成熟，流程设置比较完善，换热网络设计也考虑得比较充分。还有一部分产品本身的冷热物流数相对较少，可从流程中直接判断设置热量回收。此外，还有不少热量回收受过程约束条件的限制。基于以上原因，绝大部分工艺设计人员包括不少工艺开发人员直接放弃了换热网络的设计，认为其没有实质性的意义。笔者不赞成这种观点，其实科学的换热网络设计方法意义非凡，不管是对成熟产品技术的进一步提升还是对新开发产品技术的优化完善，它都有着不可替代的巨大作用。首先是它自身的设计，其次是它与反应、分离及再循环系统等的紧密关联性，它是多因素综合权衡后的抉择。对于换热网络设计，一个好的初始方案是假设所有换热器的传热温差都大于ΔTmin。为实现能量目标，工艺流股之间的热传递不能穿越夹点，夹点上方及夹点下方不能有不适当的使用公用工程。1、夹点设计方法在上面的内容中已经讨论过换热网络的投资费用与能量费用的权衡。总费用最小值对应一个最佳ΔTmin值。ΔTmin这个值一般是根据经验设置的，它通常在10~20℃之间。对于某些工业，可以选择更低的ΔTmin值。一些ΔTmin经验值推荐如下：石油炼制——20~40℃；石油化工——10~20℃；化工——10~20℃；低温过程——3~5℃。（1）从夹点处开始设计，夹点是整个问题中最受约束的区域。从整个问题中最受约束的部分确定初始匹配，一般不会给后来的匹配造成困难；（2）单个匹配的CP不等式，为保证夹点匹配的可行性，在夹点上方：CPH≤CPC，在夹点下方：CPH≥CPC，CP不等式只应用于夹点匹配，离开夹点后温差增加了，因此不再必须遵循CP不等式。在夹点上方不得使用冷公用工程，在夹点下方不得使用热公用工程；（3）流股分流，为保证设计出适宜的过程匹配，在夹点上方：SH≤SC；在夹点下方：SH≥SC；当不能满足上述要求，或不能满足CP不等式要求时，均可考虑采用流股分流的方法来解决；（4）“剔除”经验规则，利用该规则来实现保持单元数最小。为剔除一条流股，单个换热单元应尽可能大，以使两个匹配流股当中热负荷较小者被完全匹配掉。离开夹点后，会有更多的自由度供设计者选择匹配关系。这时，可依据自己的经验判断和过程设计知识来求解。2、多夹点问题设计在一个问题中出现两个工艺夹点的情况很少，多夹点问题通常是由于引入公用工程形成了公用工程夹点而引起的。对于多夹点问题，在两个夹点之间的设计，则应从最受约束的夹点处开始。初始换热网络结构确定后，可通过回路、公用工程路径和流股分流来调整网络费用。在此过程中，可不受温差大于ΔTmin或无热量跨越夹点的约束。唯一目标是实现总费用最小的设计。3、利用Aspen Energy Analyzer实现换热网络夹点分析在夹点分析与优化过程中，需要大量的冷、热流股及其相应的热力学性质。可通过Aspen Plus完成模拟后直接传递到Aspen Energy Analyzer，在Aspen Energy Analyzer里面进行换热网络设计。软件的最大优势在于他能大大提高效率及拥有较为完善的物性数据，可快速的实现对不同方案的比选。具体分析方法及换热网络的设计方法原则与上面所述内容相同。以上介绍的换热网络设计方法是基于夹点分析的热集成，它已广泛应用于过程工业和电力行业的各个部门，其方法在于考虑工艺过程内部不同的热源和热阱，并提出在工艺过程内部进行热交换的解决方案，从而实现能量的优化利用。节能减耗，开源节流 值得学习学习，有用！ 值得学习学习，有用！ 心得值得學習，謝謝分享 写的不错，感谢经验方分享 值得学习 谢谢楼主分享。 感谢楼主总结 不错的资料，希望马友们多来些这样的干货。 zjwmcl 发表于 2019-9-6 14:13
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