考虑非等温混合的能量集成多杂质水网络优化设计

提出了一种分步综合多杂质体系水网络和换热网络的新方法。对于水网络,考虑进入操作单元的新鲜水与回用水之间的非等温混合,确保流股间的直接热回收;对于换热网络,可以只考虑水网络中的新鲜水和回用水流股之间的换热匹配。采用无进化次数的改进粒子群算法对本文建立的多杂质体系水网络非线性模型和换热网络混合整数非线性模型进行求解。实例表明,与不考虑非等温混合时比较,考虑非等温混合时的最优网络结构更简单,且年度总费用要节省2.4%。因此,本文提出的方法在实际生产中有较好的可行性和有效性。     

考虑非等温混合的能量集成用水网络综合

提出了考虑非等温混合的新的水网络模型,并结合线性规划（LP）转运模型同时优化水网络的水耗及公用工程目标。新的水网络模型引入非等温混合以改善用水网络的能耗特性及减少模型中参与集成换热网络的流股数,从而降低设计换热网络的复杂程度。在确定水网络的水耗及公用工程目标后,采用夹点法设计详细的换热网络结构。两个算例结果表明,新的水网络模型不仅能确定用水网络的最优水耗及公用工程目标,而且还能得到一个更加简单的换热网络。这对节省设备投资及减少操作费用具有重要意义。     

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。     

考虑环境及处理单元流股回用的多性质用水网络集成

水资源的日益匮乏和更为严格的废水排放法律法规促使过程工业必须重视节水减排问题,而传统的用水网络综合仅将杂质浓度作为约束物料回用的限制因素,忽略流股的性质或功能对流股回用的影响,不足以反映实际的工业生产要求。因此,开展用水网络的多性质集成问题研究具有重要的现实意义。本文在考虑环境问题的多性质用水集成超结构模型基础上,增加了对废水流股性质处理中部分流股依次回用给阱单元使用的过程。该方法以最小年度总费用为目标函数,建立了考虑环境和过程流股性质的直接回用及经过处理单元后流股回用的混合整数非线性规划(MINLP)模型,并将其用于实例计算,结果表明本文方法在降低年度总费用的同时还减少了新鲜水使用量及废水排放量,验证了本文方法的有效性及优越性。     

过程全局夹点分析与超结构MINLP相结合的能量集成最优综合法

提出了过程全局夹点分析与超结构混合整数非线性规划 (MINLP)相结合的能量集成最优综合法 .各单过程内部换热优化匹配后 ,进行各过程剩余冷、热负荷与公用工程系统的全局夹点分析 ,确定全局热集成目标 ,在此基础上建立包含过程剩余热负荷产生各等级蒸汽、剩余冷负荷使用各等级蒸汽加热的各种可能匹配方案的公用工程换热网络超结构及其MINLP模型 ,采用混合连续进化算法求解得到过程与公用工程换热网络最优改造方案 .大型乙烯装置能量集成应用算例表明 ,可充分发挥全局夹点分析法确定改造目标的简洁实用性和超结构MINLP寻求最佳方案的优点     

考虑间接换热额外换热温差的间歇过程储热集成

间歇过程流股间换热有直接换热和间接换热两种方式,通过储热介质进行间接换热会产生额外的换热温差。现有的夹点分析方法考虑间接换热额外换热温差后,难以得到经济且可行的储热集成方案。本文在夹点分析的基础上,提出了一种考虑间接换热额外换热温差的间歇过程储热集成方法。该方法首先使用不同的直接换热和间接换热温差进行热级联分析,确定储热集成后的最小冷、热公用工程用量,识别储热位置和储热量,并依据热级联分析结果,建立时间段温焓图确定储热介质温度,得到储热方案。然后,将储热流股转化为放热时间段的冷流股和需热时间段的热流股,进行换热网络综合与优化,得到符合实际应用的储热集成方案。最后,通过经典实例证明了所提方法的可行性和有效性。     

混合顺序对热集成水网络的能耗影响

研究了流股混合顺序对热集成用水网络的能耗影响。首先，根据两流股的混合规则，基于热力学分析的方法研究了多流股的水网络中，不同的混合顺序对系统能耗的影响。然后，根据产生的影响结果，归纳出混合顺序的规则，可用于指导选择适当的流股混合顺序，从而提高系统节能效果。     

基于超结构法的热集成间接式功交换网络综合

换热网络综合的研究和应用对于提高能源利用率已被证明是有效的,而用于回收更高品质能量的功交换网络综合的研究仍处于起步阶段。针对间接式功交换网络综合中复杂推动力约束对流股匹配的制约问题,构建了一种考虑级间热集成的拓展超结构,基于线性拟合压缩机和涡轮机的操作曲线,提出了功源与功阱间流股匹配的识别方法;针对压力、流量与温度的高度非凸非线性关系,提出了采用热集成优化每一级入口温度的松弛策略,建立了以年度总费用最小为目标的混合整数非线性规划模型,通过GAMS求解得到最优的间接式功交换网络结构。最后通过一个算例分析,验证所提方法的有效性和可行性。     

基于超结构法的热集成间接式功交换网络综合

换热网络综合的研究和应用对于提高能源利用率已被证明是有效的,而用于回收更高品质能量的功交换网络综合的研究仍处于起步阶段。针对间接式功交换网络综合中复杂推动力约束对流股匹配的制约问题,构建了一种考虑级间热集成的拓展超结构,基于线性拟合压缩机和涡轮机的操作曲线,提出了功源与功阱间流股匹配的识别方法;针对压力、流量与温度的高度非凸非线性关系,提出了采用热集成优化每一级入口温度的松弛策略,建立了以年度总费用最小为目标的混合整数非线性规划模型,通过GAMS求解得到最优的间接式功交换网络结构。最后通过一个算例分析,验证所提方法的有效性和可行性。     

热集成复杂精馏系统综合的研究

将夹点分析法应用于热集成复杂精馏系统综合的换热网络设计中,避免了以换热网络结构作为独立变量,建立了一个以预分馏塔组分回收率、回流比及操作压力为连续变量,以分离序列和热耦合方式为离散变量的混合整数非线性规划(MINLP)模型。该模型用改进的模拟退火算法求解,可同时得到优化的流程结构和操作参数。对多个五组分混合物分离问题进行了求解,并对不同优化方案的优化结果及其经济性作了比较和分析,结果表明采用热集成复杂精馏塔流程可以显著地降低系统的总费用,还表明该方法是求解热集成复杂精馏系统综合问题的有效方法。     

采用两种中间介质的工业园区厂际余热集成

发挥园区集群效应，借助中间介质回路将工业园区中各单厂内的余热于厂际间进一步回收利用，能够显著提高园区整体能源效率。其中，中间介质回路的设置与介质的选择将关系到整个余热回收系统的最优设计与节能效果。因此，不同于目前研究仅采用一种中间介质的集成策略，同时选用热水和导热油为介质开展厂际余热集成研究。提出耦合介质与厂内流股换热及介质流股在厂际间分配的换热器网络超结构，以年度总费用最小为目标建立MINLP热集成数学模型，优化获得包含介质回路结构与厂内换热器网络结构等内容的园区余热集成结果。最后，在一个包含3个厂的厂际余热集成案例中，分别研究了单种介质单回路、单种介质双回路及双种介质双回路3种情况，通过对比验证了所提方法的有效性。     

利用余热回收多能互补技术的原油蒸馏装置热集成系统的优化改造

针对换热网络（HEN）的优化改造,提出了一种利用公用热量实现多能互补理念的改造思路,通过充分利用热过程物流中的低温余热,完成热集成系统的优化改造。本文基于参考点非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅲ）,通过综合评估集成废热回收（WHR）系统的换热网络的年度改造费用、年度改造收益、能耗（包含换热网络的冷/热公用工程和废热系统冷却水和电力消耗）和废热系统的有益产出,从而获得最优解决方案。对原油蒸馏系统（10H5C）的优化改造研究案例表明,通过权衡集成系统的能源消耗、WHR系统的产出、改造费用和改造收益4个目标,采用NSGA-Ⅲ算法求解获得了多维度的改造方案,相较于基础网络不仅有可以为用户最大节省22.9%能源消耗的改造方案,还有WHR系统最大输出为4.003×10⁴kW的解决方案,也有最小改造费用为1.848×10⁶USD/a的改造方案,还有最大改造收益和最大投资回报率分别为1.173×10⁷USD/a和121%的解决方案;最后通过比较集成WHR系统与单独HEN优化改造的性能,证明了集成WHR系统的实用性和可行性,以及余热回收多能互补技术对提高流程工业能量集成系统能量利用效率的重要作用。     

Thermodynamic analysis of non-isothermal mixing's influence on the energy target of water-using networks

In this paper, a thermodynamic analysis of non-isothermal mixing's influence on the energy target of water-using network is presented. Firstly, water streams in the network are divided into two categories, and then based on the classification all the non-isothermal mixing patterns between two streams are defined. Through thermodynamic analysis from energy composite curve of hot and cold water streams, the influences of non-isothermal mixing on the energy target of water-using network are explored and some mixing rules are obtained, which can be used to simplify the heat exchanger network of a given water-using system and improve the system's energy performance through identifying the beneficial non-isothermal mixings. The applicability of these rules is illustrated by an example in the paper and the result is very encouraging.     

Optimum heat storage design for solar‐driven absorption refrigerators integrated with heat exchanger networks

A methodology is presented for optimizing hybrid renewable energy‐fossil fuel systems with short‐term heat storage. The considered system is an absorption‐refrigeration (AR) cycle integrated with a heat exchanger network (HEN) requiring cooling below ambient temperature. The AR cycle can be driven by multiple energy sources including excess energy from hot process streams, renewable energy sources (solar and biofuels), and fossil fuels. A two‐step approach based on mixed integer nonlinear programming methods is used for the optimization. First, the problem of optimal energy integration in the hybrid energy system without heat storage is solved on a monthly basis by minimizing simultaneously the total annual cost and the overall greenhouse gas emissions. In the second step, the multi‐tank thermal energy storage (TES) design problem is solved. The design involves the identification of the optimal number of storage tanks, their sizes, configuration and operation policies. The TES optimization is carried out on an hourly basis while incorporating the design targets determined by the first step. © 2013 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 60: 909–930, 2014     

Indirect heat integration across plants using hot water circles☆

Total site heat integration (TSHI) provides more opportunities for energy saving in industry clusters. Some design methods including direct integration using process streams and indirect integration using intermediate-fluid cir-cuits, i.e., steam, dowtherms and hot water, have been proposed during last few decades. Indirect heat integration is preferred when the heat sources and sinks are separated in independent plants with rather long distance. This improves energy efficiency by adaption of intermediate fluid circle which acts as a utility provider for plants in a symbiotic network. However, there are some significant factors ignored in conventional TSHI, i.e. the investment of pipeline, cost of pumping and heat loss. These factors simultaneously determine the possibility and perfor-mance of heat integration. This work presents a new methodology for indirect heat integration in low tempera-ture range using hot water circuit as intermediate-fluid medium. The new methodology enables the targeting of indirect heat integration across plants considering the factors mentioned earlier. An MINLP model with economic objective is established and solved. The optimization results give the mass flow rate of intermediate-fluid, diam-eter of pipeline, the temperature of the circuits and the matches of heat exchanger networks (HENS) automati-cally. Finally, the application of this proposed methodology is il ustrated with a case study.     

酮苯脱蜡装置节能减排一体化

对企业的能量系统进行集成优化,可以提高能源的利用效率,并同时减少装置的用水量和CO2的排放量。本文针对某酮苯脱蜡装置,对其现行的换热网络进行了夹点分析,提取了物流数据,找出了用能不合理之处和装置的能量目标,通过计算获得该装置的节能潜力为4228.3 kW。考虑该装置实际的状况,提出对部分物流进行重新匹配的热集成优化方案,结果表明可分别节约1456.4 kW的加热公用工程和524.2 kW的冷却公用工程。对优化后方案进行的经济性分析显示,该方案每年可节约278.5万元的能量费用、减少0.3万吨污水和9078.2吨CO2的排放。对酮苯脱蜡装置进行一体化的优化可以降低能耗和成本,本文提出的优化方案对相关装置的节能减排也具有一定的指导作用。     

功热交换网络综合的研究进展

功和热是化工工业中使用能源的两种最主要方式,由于流股压力、温度操作需要消耗大量的功热,因此研究功热的协同利用对于提高过程整体能源利用率具有重要的意义。本文首先概述了基于热力学分析的功热交换网络综合的研究情况,以系统?耗最小为目标探讨压缩机、膨胀机优化配置与换热网络用能瓶颈的耦合关系,揭示了功热协同利用的作用机制。然后系统地总结了以年度总费用最小为目标的数学规划模型综合功热交换网络的研究进展,探寻压力操作路径、流股功/热交换匹配、公用工程消耗量及设备投资之间的有效权衡;最后对后续研究进行展望,指出可进一步探究考虑流股冷热性质判定的功热交换网络同步综合、公用工程系统优化与功热交换网络同步设计的耦合等。     

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。