運用夾點設(shè)計法對一實際換熱網(wǎng)絡的改造

王君　+吳宗發(fā)　李多松　等

摘要：隨著能源價格的不斷提升，化工企業(yè)的節(jié)能降耗成為緊迫必行的任務。通過在對一實際過程的換熱網(wǎng)絡結(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 ℃）限制下運用夾點設(shè)計法合成具有最大熱回收的新?lián)Q熱網(wǎng)絡；采用斷開熱負荷回路、取消熱負荷較小的換熱器達到減少換熱器個數(shù)、簡化網(wǎng)絡的目的；由于熱負荷轉(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)傳熱溫差為負值（違反熱力學第二定律）的情況，采用能量松弛法恢復這些換熱器的傳熱溫差至給定的最小傳熱溫差。經(jīng)過調(diào)優(yōu)后換熱器網(wǎng)絡總換熱設(shè)備個數(shù)與原實際網(wǎng)絡的相同，但與原實際網(wǎng)絡相比，熱、冷公用工程均節(jié)省1 220 kW。

關(guān)鍵詞：換熱網(wǎng)絡；夾點設(shè)計法；最小傳熱溫差；改造

中圖分類號：TK123文獻標志碼：A文章編號：1672-1098（2014）04-0038-04

隨著能源價格的不斷提升，化工企業(yè)的節(jié)能降耗成為緊迫必行的任務。各種節(jié)能技術(shù)運應而生[1-3]，其中夾點技術(shù)是一種比較成熟的節(jié)能技術(shù)，它是以熱力學為基礎(chǔ)，從宏觀的角度分析過程系統(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用夾點技術(shù)進行新廠設(shè)計和老廠改造，在降低能耗、減少投資、保護環(huán)境等方面取得顯著成效；國內(nèi)高校和設(shè)計部門于20世紀80年代初開始運用夾點技術(shù)并取得實效[6]。

本文采用夾點設(shè)計法，對一實際過程換熱網(wǎng)絡進行重新設(shè)計，并提出改造方案。

1實際換熱網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

某實際過程換熱網(wǎng)絡如圖1所示，該過程的換熱過程描述如下。圖1某實際過程換熱網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

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

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

2運用夾點設(shè)計法合成新網(wǎng)絡

21物流提取

根據(jù)第1節(jié)的分析，從原來實際換熱網(wǎng)絡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

代號物流名稱熱容流率

/（kW·℃-1）起始溫度

/℃目標溫度

/℃熱負荷

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

給定最小傳熱溫差與原實際過程換熱網(wǎng)絡相同，為20 ℃，采用問題表格法計算得到提取物流系統(tǒng)的夾點溫位為180 ℃（對熱物流）和160 ℃（對冷物流）、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)絡合成

根據(jù)得到的夾點溫位和最小熱、 冷公用工程用量， 遵循夾點匹配換熱的可行性規(guī)則及經(jīng)驗規(guī)則， 分別進行熱端和冷端換熱網(wǎng)絡合成，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，因此有必要對該初始網(wǎng)路進行調(diào)優(yōu)，再將調(diào)優(yōu)后的方案與原實際換熱網(wǎng)絡比較，提出改造方案。

31熱負荷回路斷開及能量松弛

仔細觀察圖4，可以識別出三個第二級回路。即A：（1，2，4，3），B：（C1，4，2，C2），C：（C1，3，1，C2），取A、B為獨立回路，則C可由A、B消去公共節(jié)點4，2得到，所以不獨立。按照通用網(wǎng)絡定理[3]計算得到圖4初始網(wǎng)絡換熱器個數(shù)

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

式中：N為源物流和阱物流總數(shù)，L為獨立回路數(shù)，S為獨立的子網(wǎng)絡數(shù)，取1，與圖4所示一致；若斷開獨立回路，使L=0，Umin=N-1=6-1=5，可以合并掉2個換熱設(shè)備，達到簡化網(wǎng)絡的目的。

若斷開回路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，同時也違反熱力學第二定律，考慮通過熱負荷路徑（H， 3，C1）進行能量松弛，恢復傳熱溫差至最小傳熱溫差。

圖5合并換熱器1后的網(wǎng)絡利用熱負荷路徑（H， 3，C1）進行能量松弛，恢復換熱器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)絡繼續(xù)斷開回路B：（C1，4，2，C2），合并冷卻器C2，結(jié)果如圖7所示，經(jīng)檢查，沒有違反最小傳熱溫差限制的情況出現(xiàn)，至此，網(wǎng)絡中換熱設(shè)備個數(shù)已經(jīng)達到最小。

圖7調(diào)優(yōu)后的網(wǎng)絡作為對比，圖8中給出了原實際網(wǎng)絡的格子圖，對比圖7、圖8可發(fā)現(xiàn)：調(diào)優(yōu)后的網(wǎng)絡增加了一臺換熱器4，減少了一個加熱器，且熱、冷公用工程均減少1 220 kW。

圖8原實際網(wǎng)絡32改造方案

比較圖7與圖8、圖1與圖9，對原實際網(wǎng)絡的改造方案如下：保留原網(wǎng)絡熱負荷分別為1 980 kW和880 kW的兩臺換熱器，增加一臺熱負荷為1 220 kW的換熱器，取消原網(wǎng)絡中熱負荷為1 220 kW的進料加熱器，產(chǎn)品冷卻器熱負荷減少到1 420 kW，具體網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖7和圖9所示。

圖9調(diào)優(yōu)后的網(wǎng)絡還原成流程

4結(jié)論

應用夾點設(shè)計法對一實際換熱網(wǎng)絡進行重新設(shè)計改造，重新設(shè)計的網(wǎng)絡與原網(wǎng)絡換熱設(shè)備個數(shù)相同， 但與原網(wǎng)絡相比， 新設(shè)計網(wǎng)絡可以節(jié)約熱、 冷公用工程均為1 220 kW；改造方案為保留原網(wǎng)絡中兩臺換熱器，取消一個熱負荷為1 220 kW加熱器，原冷卻器熱負荷減少1 220 kW，增加一臺熱負荷為1 220 kW的換熱器，具體網(wǎng)絡如圖7、圖9所示。

參考文獻：

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（責任編輯：李麗）