大型复杂过程系统用能的诊断与调优

针对大型复杂过程系统用能的诊断与调优，发展了夹点分析（夹点技术）方法。提出采用虚拟温度法，确定各流股匹配换热的传热温差；将过程的夹点分析区分为操作型夹点计算与设计型夹点计算两个层次：操作型夹点计算用于过程用能的诊断；设计型夹点计算指导过程用能的调优。基于以上改进，开发了大型复杂过程系统用能诊断与调优策略，并应用于国内某厂乙烯装置的节能改造，可使该装置吨乙烯能耗降低４．１８７ＧＪ。应用表明本文提出的方法是指导大型复杂过程系统用能诊断与调优的有利工具。     

低温过程多流股换热器网络综合

多流股换热器主要应用在低温过程领域.本文针对低温过程换热器网络的特点,基于流股虚拟温度的T-H图提出了利用遗传/模拟退火算法进行低温过程换热网络综合的方法.低温过程传热温差较小,在流股温差贡献值的选取上充分考虑了流股热力学平均温度的影响,使其取值更加合理;冷公用工程的利用不同于常温换热网络,温度越低其相应的费用越高,通过采用分批-逐次利用的原理分配冷公用工程,得到冷公用工程的温位及相应的匹配位置,能够有效地利用过程系统的传热温差,降低换热网络的操作费用;该方法利用虚拟T-H图法产生初始解,具有决策变量少,产生初始解均为可行的特点,能显著提高遗传模拟退火算法的计算效率,并适用于不同材质、不同传热膜系数网络的设计和优化;以国内某乙烯装置脱甲烷塔预冷系统综合为实例进行了分析.     

多股流绕管式换热器的管束排布及传热计算

多股流绕管式换热器的结构复杂,传热计算的难度较大。常见的计算方法是根据一些假定条件建立计算模型、进行数值求解,这种计算方法较复杂,不适合工程计算。而一些能用于工程计算的简便解析计算方法则存在迭代计算复杂、应用范围受限的缺点。本文列举了几种典型的多股流绕管式换热器的管束排列结构,分析了各自的结构特点;给出了多股流换热器的管板结构及相应的流体进出口接管方式,分析了各自的优缺点及应用场合。针对两种常规的多股流管束排列结构,即各股管程流体分层排布和同层排布,分别给出了适应于工程应用的简便传热计算方法。这两种计算方法将复杂的多股流绕管式换热器的计算分解为多个管程单股流绕管式换热器的计算,简化了计算过程。     

考虑温度约束的单杂质水网络优化

实际用水过程有温度的要求,在用水网络集成中考虑温度的约束,使水耗和能耗同时降低,具有重要的意义。此外,过程系统中还存在只有温度限制的与用水无关的过程流股,将水网络中的水流股与其同时考虑热集成,可以使能量得到更合理的分配利用。在全过程系统能量集成的背景下,建立了对应的水网络优化方法。首先使用现有的废水直接回用水网络LP模型求解初始水网络并提取流股数据,然后在4条非等温混合规则的判断下,依次比较水网络流股与背景夹点、全过程夹点的关系,以排除不合理的非等温混合,最后以年总费用最低为目标进行全过程系统的热集成。使用本文提出的方法对某案例进行优化,得到的年总费用减少了6.27%,证明了该方法的可行性。     

基于夹点技术的天然气净化装置的用能分析

采用夹点技术对某天然气厂净化装置进行了能量优化分析,找出了系统用能不合理的环节,按照夹点设计原则,以系统最大热回收为目标,通过调节过程流股的温差贡献值对物流进行重新匹配,初步调优后系统可以节能486.569 kW。     

乙烯装置预冷系统换热网络的节能优化

利用虚拟温度法(流股有效温位)对国内某乙烯装置冷箱系统进行用能诊断分析,找出过程系统的用能"瓶颈",并针对低温过程传热温差较小以及冷公用工程采用中间公用工程的特点,提出了低温过程多流股换热器网络的综合方法;该方法能够有效的利用冷热流股的有效温位,使冷公用工程的操作费用达到最小,得到合理的换热网络,并且在优化流股传热温差贡献值过程中,考虑了各流股温度、传热膜系数和换热器材质的影响,因此可以用于不同材质、不同传热膜系数低温换热网络的设计和优化;将该方法应用于国内某乙烯装置冷箱系统的综合中,与现场用能情况相比,冷公用工程用量降低了44.5%;结果表明该方法在工程中是可行的.     

考虑非等温混合的能量集成水网络设计方法

讨论了能量集成水网络中非等温混合对系统能量目标的影响,提出了分割温度的概念。对于同性混合,系统的公用工程需求量不会减少。对于异性混合,通过确定分割温度并比较分割温度以上区间混合流股的热量之和与低温区间所需的热量,可以准确确定系统公用工程会增加、减少或者保持不变。基于以上思想,得到了非等温混合规则。它能判断是否存在能量惩罚,以及如何通过设计混合温度来避免能量惩罚。结合改进的"分离系统"法,提出了一种系统化的能量集成水网络设计方法。     

综合考虑经济性与效率的换热网络多目标约束优化方法

换热网络优化中不仅要考虑能量回收的“量”,还要考虑能量回收过程中“质”的耗散问题。在换热网络最大能量回收的前提下,基于不可逆传热过程中的耗散理论,以代表能量回收品质的效率最高为目标,建立综合能量回收数量、品质并同时考虑换热网络经济性的多目标混合整数非线性规划（MOMINLP）模型。根据模型目标有主次之分的特点,基于ε约束法对模型进行分步优化并结合BARON软件进行精确求解,依次求解换热网络的最大能量回收量(MER)与最低年均总成本(TAC),再将所得结果乘以松弛系数ε_i作为缩小搜索区域的约束条件,获得能量与成本约束下效率的Pareto前沿。通过对经典10SP1案例进行计算求解,最终得到最大能量回收量下,费用松弛系数为1.05时费效比最小的优化方案,而且本文的多目标约束优化方法能够更快求得综合的最优解。最后通过T-Q图中的换热网络组合曲线对比不同优化方案的效率,将换热网络划分为内部换热部分与剩余流股部分,多目标约束优化方法能够降低内部换热不可逆损失,提高剩余流股的温度。     

过程系统能量流结构模型及其应用

综述了过程系统能量综合优化的能量流结构研究与进展；重点介绍了过程系统三环节能量流结构模型，该模型基于对过程系统中能量演变共性规律的认识，定量地描述了过程系统能量流在转换、利用、回收过程中的平衡关系；概述了按照能量流结构进行过程能量综合优化策略和方法；指出了过程系统能量综合优化中能量流结构的进一步发展可以包容其他相关方面，如环境、安全等。     

计算饱和汽、液体焓值的Yen-Alexander关联式与图的偏差及其修正

一、焓值的计算 化工过程的设计经常遇到流通系统能量平衡问题的分析和计算,能量利用的合理与否往往决定过程能否收到必要的经济效益,从而决定在工业上是否被采用。 根据物料的状态就能确定焓值。在一般计算中,往往只考虑焓的相对变化量,它们的零值点完全可以人为地予以规定。例如,对     

多产品工业系统的能值分析

介绍了起源于生态领域的能值分析方法. 为了扩展能值分析方法的应用范围,根据能值分析的基本思想,并以能量守恒和能值守恒为依据,建立了多产品工业系统能值分析模型. 将能量分率作为分配系数,提出了评价多产品工业系统的评价指标：共生指数. 为了获得对比结果,还对相应的单产物系统提出了数均指数. 若共生指数优于数均指数,则多产品联产系统优于单产系统. 通过垃圾焚烧热电联产方案的能值分析,验证了多产品的能值分析模型. 并与常规燃煤热电联产系统进行了比较,以说明能值分析方法的优势.     

化工系统产品能耗分析的设备级质量流-流评价方法

产品的能耗分析对于化工系统生产工艺的可持续性评价具有重要意义。对系统中各物流能耗的合理评价是准确分析和合理评价产品能耗的关键。从系统中废物流能耗的合理分配和评价出发,通过区分过程能耗类型及其对应能耗分配系数,研究了物流能耗的合理分配和评价方法。基于质量流分析和流分析方法,提出了设备级质量流（MFA）-流（EFA）分析的产品能耗评价方法。通过炼厂蜡油加氢装置5种产品的能耗分析,从装置或过程尺度、产品能耗强度和产品CO₂排放强度3个方面阐明了所提出产品能耗分析和评价方法的合理性。     

甲醇模块化生产中分时储热系统的优化设计

以“数量放大”为特征的模块化化工生产为克服原料供给和产品市场需求波动的生产流程优化操作提供新途径。为了提高生产系统的能量利用效率,需对生产系统中随时间变化的流股预热、冷却和反应热分时段进行储存和调度。针对可再生能源驱动的甲醇模块化生产系统,本文提出了分时储热策略,通过储罐设置及流股匹配、储罐储热温区确定和储罐容量配置及调度三步对甲醇模块化生产中分时储热系统进行优化设计,获得了分时储热系统的最优配置和优化调度方案。研究表明：在甲醇模块化生产系统中,分时储热系统可将前阶段的热量储存供后续阶段调用,以实现系统能量的最大化利用,而储热的适量废弃可降低储热系统的投资费用。本文所提出的储热系统优化方法可为波动生产过程中分时储热系统的优化设计提供分析工具。     

基于转运模型的功交换网络综合

功交换网络作为能量回收系统的重要组成部分,其设计水平的高低对过程系统的能耗将有着重要的影响,但是目前对功网络综合的研究仍处于理论研究的起步阶段.本文根据功级联分析,首次提出了一种基于转运模型进行功交换网络综合的新方法.该方法以公用工程用量最小为目标函数,建立了适用于等温过程的LP数学模型.通过提出构造低压流股压力中间值的策略,解决直接式功交换匹配过程中压力约束的限制,在每个压力间隔内寻求可行流股匹配,从而得到功交换的初始网络结构;再根据所提的合并相邻压力间隔的策略,进一步减少公用工程用量,进而达到优化网络结构的目的.最后通过实例计算,验证了本文方法的可行性及有效性.     

化工过程系统用能诊断和调优的“夹点分析”法

把热力学与系统工程的方法相结合，进一步将“夹点分析”应用于化工过程系统的用能诊断及调优。首先，从能量的角度将以能量驱动的过程单元如，反应器、精馏塔、压缩机等与换热器网络中的冷、热流股统一起来；然后，利用格子图，总组合曲线（ＧＣＣ）、扩充的总组合曲线（ＥＧＣＣ）、分离的总组合曲线（ＳＧＣＣ）等诊断工具，对化工过程系统进行用能诊断，给出相应的调优措施，并将该方法应用于实际的化工过程。     

大规模复杂过程系统能量综合方法

针对过程系统工程的一个难点－－全过程系统能量综合,提出了“过程用能一致性原则”,从用能的角度上提高系统的集成性,将全过程系统的能量综合问题为相应的虚拟换热网络综合问题;并对大规模虚拟换热网络的求解进行了研究,提出了适用的分解策略;应用自行开发的过程用能夹点分析软件进行用能分析及换热网络匹配,实例分析节能效果显著。     

油页岩综合利用系统的能值分析

为了综合评价油页岩综合利用系统的环境可持续性,以吉林桦甸处理量为300×10⁴t/a油页岩综合利用项目为例,应用能值分析理论,构建该系统的能值评价指标体系。研究结果表明:虽然页岩油的能值转化率(Tr)要高于传统原油,但油页岩综合利用系统环境负载率(ELR)低,对环境影响小,系统可持续发展指数(ESI)较高,系统富有活力和发展潜力;与桦甸式干馏工艺相比,将锅炉灰渣用于建材,不仅能增加系统副产物,提高能值产率(EYR),还能有效地改善其他各项能值指标。     

考虑效率的功交换网络问题表格法

功交换网络与换热网络和质量交换网络存在类似性.本文将夹点技术推广到功交换网络,提出了确定功交换网络最小公用工程功消耗量的问题表格法.该方法中,根据功源功阱压力从高到低顺序将压力可分成若干区间,通过计算每个区间的剩余功和亏缺功,确定系统的最小公用工程功消耗量,计算亏缺功时可同时考虑功量交换的传递效率.这种方法可同时确定功...     

Membrane‐assisted vapor stripping: energy efficient hybrid distillation–vapor permeation process for alcohol–water separation

BACKGROUND: Energy efficient alternatives to distillation for alcohol recovery from dilute solution are needed to improve biofuel sustainability. A process integrating steam stripping with a vapor compression step and a vapor permeation membrane separation step is proposed. The objective of this work is to estimate the energy and process costs required to make a fuel grade ethanol (0.5 wt% water) from 1 and 5 wt% ethanol aqueous streams using the proposed process. RESULTS: Using process simulation and spreadsheeting software, the proposed membrane‐assisted vapor stripping process was estimated to require as little as 8.9 MJ of fuel‐equivalent energy per kg of fuel grade ethanol recovered from a 1 wt% ethanol feed stream, 2.5 MJ kg^?1 for a 5 wt% ethanol solution. This represents an energy saving of at least 43% relative to standard distillation producing azeotropic ethanol (6 wt% water). Process costs were also found to be lower than for distillation at the 3.0 × 10⁶ kg‐ethanol year^?1 scale modeled. CONCLUSION: In this hybrid system, the stripping column provides high ethanol recoveries and low effluent concentrations while the vapor compression‐membrane component enables the efficient recovery of latent and sensible heat from both the retentate and permeate streams from the membrane system. Published in 2008 by John Wiley & Sons, Ltd.