基于火積的臨氫降凝裝置節(jié)能研究

趙婷婷，欒秋琴，王鈺鑫，夏 力，孫曉巖，項曙光

1.青島科技大學化工學院，山東 青島 266042；

2.青島蓋特鑫安全技術有限公司，山東 青島 266042

提高能源資源的利用效率是我國可持續(xù)發(fā)展的一項長遠發(fā)展戰(zhàn)略，加強節(jié)能工作是緩解能源緊張、減少環(huán)境污染的重要途徑，是提高經(jīng)濟增長質(zhì)量和效益，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式的重要舉措，是落實科學發(fā)展觀，實現(xiàn)經(jīng)濟社會全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的必然要求[1-2]。

對于一切涉及能量利用的活動，都可以從熱力學的角度進行分析，評價其合理性和挖掘節(jié)能潛力。?分析方法從能量的數(shù)量和質(zhì)量結(jié)合的角度出發(fā)分析和揭示了能量中的?（有效能）在裝置或設備中的轉(zhuǎn)換、傳遞、利用和損失情況[3]。近二十多年來，許多學者對?損失的換熱網(wǎng)絡綜合方面的問題進行了研究。Linnhoff 等[4]構(gòu)建了卡諾因子-焓圖，包括?復合曲線（ECC）圖和?總復合曲線（EGCC）圖。?分析法將熱力學第一定律和第二定律結(jié)合起來，可以衡量能量的“質(zhì)”與“量”，指出了提高用能效率的潛力與方向，但是未解決也不可能解決供能與用能雙方如何合理匹配的問題。為了解決此問題，F(xiàn)eng 等[5]提出用能級-焓（ε-H）圖表示?損失，并結(jié)合夾點技術與?分析的優(yōu)點對換熱網(wǎng)絡進行了三級分析。

過增元等[6-7]通過導電與導熱過程的比擬，引入了“火積”這一新的物理量，描述一物體所具有的熱量傳遞的總能力。有關火積概念與火積耗散極值原理引起了研究者們濃厚的興趣，進一步從導熱機理、電熱模擬實驗等方面闡述了火積的物理意義[8-10]，并在換熱網(wǎng)絡等方向開展了一系列的節(jié)能研究。郭江峰等[11]提出了在換熱量和換熱面積給定時的火積耗散最小原則。Wu 等[12]借助溫度-熱流（T-q）圖對含有6 個物流的化工過程進行了火積分析，綜合了熱效率較高的熱回收網(wǎng)絡。陳群等[13]引入T-q圖，描述了傳熱過程中冷、熱流體的火積變化規(guī)律，定性描述了傳熱過程的不可逆性。Xu 等[14-15]將火積平衡方程作為優(yōu)化換熱網(wǎng)絡的約束條件。Xia 等[16]從換熱網(wǎng)絡存在火積耗散量的不可逆性出發(fā)，基于溫度-熱流圖，以最高火積傳遞效率為目標，提出了基于火積的換熱網(wǎng)絡能量目標確定方法，以及4 個基于火積的換熱網(wǎng)絡匹配準則，將冷、熱物流進行匹配后，得到了與能量目標一致的最高火積傳遞效率換熱網(wǎng)絡，并以柴油加氫裝置為例，驗證了基于火積的換熱網(wǎng)絡綜合方法的正確性。Geete[17]通過對火積和?的分析，得到了較佳操作條件的熱交換器。王磊等[18]綜合經(jīng)濟性和火積效率最高的因素對換熱網(wǎng)絡進行了最優(yōu)化設計。原梓洛[19]將火積耗散理論引入工業(yè)余熱回收利用中，對火積理論在換熱器強化傳熱中的應用進行了理論分析，設計了一套帶初級防腐熱回收的廢水余熱回收系統(tǒng)。

本研究根據(jù)火積的概念，通過分析某企業(yè)的臨氫降凝裝置換熱網(wǎng)絡的能量利用效率，比較火積傳遞效率和?效率的不同，進而確定出較優(yōu)的換熱網(wǎng)絡能量利用效率。

1 換熱網(wǎng)絡中的火積傳遞效率

化工過程通常是在壓力和容積不變的條件下進行的，那么定容比熱容（cv）與定壓比熱容（cp）近似相等[20]，則冷物流和熱物流之間的換熱量為[20-21]：

根據(jù)過增元等[6]提出的關于火積的定義式（2），通過假設換熱網(wǎng)絡中包含的冷、熱物流（包括公用工程）數(shù)目都為n，物流在換熱器內(nèi)的流動狀態(tài)為一維穩(wěn)定狀態(tài)，忽略換熱過程中對外熱損失和軸向?qū)幔瑫r忽略流體動能和勢能的變化，物流與傳熱面充分換熱[22]，可得出冷、熱物流的火積量為（以0 K 作為基準）：

換熱網(wǎng)絡的火積耗散量為：

火積傳遞效率為：

為了分析換熱網(wǎng)絡中各個換熱設備火積量的傳遞情況，可以分別計算各個設備的火積傳遞效率：

從式（6）看出，火積隨傳熱溫差的變化而變化，傳熱溫差越大表明在換熱網(wǎng)絡中熱物流輸出的火積量不能被冷物流完全利用，則體系中的可用火積越小，存在大量的火積耗散。因此，體系的火積傳遞效率越低，各個設備的火積耗散率也越低。由此看出，為了保證換熱網(wǎng)絡中熱物流達到熱量傳遞能力最好的狀態(tài)，可用火積最大，使得火積傳遞效率最高，必須選擇一個最佳的傳熱溫差值。

分析裝置換熱網(wǎng)絡的火積傳遞效率可采取以下步驟：

（1）提取裝置換熱網(wǎng)絡的冷、熱物流的數(shù)據(jù)，包括進口溫度、出口溫度、熱容流率或熱負荷。

（2）計算裝置換熱網(wǎng)絡的所有物流的火積量。

（3）計算裝置換熱網(wǎng)絡中的火積傳遞效率。根據(jù)步驟（2）中得到的所有物流的火積量，由公式（6）求出換熱網(wǎng)絡的火積傳遞效率。為了確定換熱網(wǎng)絡中存在能量利用不合理的地方，可以進一步求出每一個物流的火積耗散率。

2 臨氫降凝裝置的物流數(shù)據(jù)提取

2.1 臨氫降凝裝置工藝流程

臨氫降凝裝置是重油輕質(zhì)化的重要單元，在分子篩催化劑的作用下，將高凝點的正構(gòu)烷烴異構(gòu)化為低凝點的支鏈烷烴，所發(fā)生的反應主要是烷烴的異構(gòu)化反應，某裝置工藝流程如圖1 所示。

圖1 臨氫降凝裝置的工藝流程Fig.1 The process flow chart of hydrodewaxing unit

2.2 提取物流數(shù)據(jù)

利用流程模擬軟件Aspen Plus 模擬臨氫降凝裝置的工藝流程，得到了能量衡算和物料衡算數(shù)據(jù)，提取所需要的冷、熱物流數(shù)據(jù)，見表1。

表1 工藝物流數(shù)據(jù)Table 1 The data of process streams

3 換熱網(wǎng)絡能量利用效率分析研究

3.1 原始換熱網(wǎng)絡分析

根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)，冷物流和熱物流的組合曲線如圖 2 所示。計算得到：熱物流的火積量為3.13×106kW·K，冷物流火積量為2.62×106kW·K，熱公用工程的火積量為0.93×106kW·K，冷公用工程的火積量為1.13×106kW·K，火積回收量為1.69×106kW·K，火積耗散量為 3.13×105kW·K，則火積傳遞效率為53.9%。

圖2 臨氫降凝裝置的組合曲線Fig.2 Composite curves of streams for hydrodewaxing unit

換熱網(wǎng)絡中的熱量?可以表示物流熱量的可用能，則?效率也能用來分析換熱網(wǎng)絡中的能量利用效率。選取環(huán)境溫度（T0）為298.15 K，壓力（P）為0.101 3 MPa，通過計算可得，熱物流的供給?為2.17×103kW，冷物流需要的?為1.93×103kW，外加熱公用工程?為7.57×102kW，冷公用工程的?為5.90×102kW，?損失為7.64×102kW，?效率為64.76%，?損率為35.24%。

3.2 最大熱回收換熱網(wǎng)絡分析

選取不同的最小傳熱溫差（ΔTmin），通過計算臨氫降凝裝置的火積傳遞效率和?效率來評價換熱網(wǎng)絡的熱量利用情況，結(jié)果見表2。由表2 的計算結(jié)果可知，換熱過程的?損失和火積耗散對于描述傳熱過程存在的不可逆性均有效果。但是，?分析的方法是在一定的自然環(huán)境（T0）下進行的，根據(jù)研究對象的不同而不同，有著人為規(guī)定的特點，且更注重用熱量能夠轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ亩嗌賮砗饬空麄€體系中熱量的品質(zhì)，而火積分析法通過計算火積傳遞效率描述實際體系熱量傳遞的效果。

表2 臨氫降凝裝置的?分析和火積分析結(jié)果Table 2 Results of exergy analysis and entransy analysis for hydrodewaxing unit

換熱網(wǎng)絡的能量利用效率隨著傳熱溫差的增大而降低。案例中分別取ΔTmin為10，15 和20 K，對于?分析法，通過計算熱物流的供給?、冷物流的所需?和冷熱公用工程的?，進一步求出過程的?損失，即?損失越來越大，?效率越來越小，分別為90.32%，89.20%和88.08%，節(jié)約公用工程分別為65.00%，59.25%和55.10%，表明熱物流熱量的品質(zhì)越來越低，不可逆性越大，熱力學完善性越低。對于火積分析法，通過計算熱物流具有的火積量、冷物流需要的火積量和冷熱公用工程的火積量，進一步求出火積回收和火積耗散，最后由火積傳遞效率描述體系火積的利用情況，即火積回收越來越小，火積耗散越來越大，火積傳遞效率越來越小，分別為74.91%，73.46%和72.01%，同時節(jié)能效果越來越差，節(jié)約公用工程火積量分別為55.44%，51.73%和48.01%。?分析法中計算?損失的精確方法過程復雜，而火積分析法直接計算實際冷熱物流的火積量，火積耗散為熱物流釋放的火積量與冷物流利用的火積量的差值，計算過程簡便。

4 結(jié) 論

運用火積的概念，對某企業(yè)的臨氫降凝裝置換熱網(wǎng)絡的能量利用效率進行分析研究，并與?效率對比，得到的結(jié)論如下：

a）火積傳遞效率可以分析換熱網(wǎng)絡中的能量利用效率。換熱網(wǎng)絡中物流的火積量表示物流具有傳遞熱量的能力，熱量是否被高效利用可以計算火積傳遞效率來評價?？筛鶕?jù)火積量及火積傳遞效率的計算結(jié)果分析換熱網(wǎng)絡的熱量是否被有效利用，然后實現(xiàn)熱量的最大化利用及裝置的經(jīng)濟效益最好的目標。

b）火積傳遞效率和?效率都能分析換熱網(wǎng)絡的用能情況，火積可解決?分析法不能進行換熱網(wǎng)絡匹配的問題和受基準態(tài)選擇影響的問題。

c）?效率從熱功轉(zhuǎn)換的角度考慮，火積傳遞效率從傳熱的角度考慮，對于分析換熱網(wǎng)絡中熱量的利用情況并不需要考慮做功問題，則火積傳遞效率計算過程簡便，更具有價值。

符號說明