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.     

基于换热网络集成的二甲苯分离精馏塔参数优化

精馏是化工过程中重要的耗能设备,其产品温度的改变将影响换热网络的集成.针对二甲苯分离吸附的实际生产过程,利用复合曲线系统分析精馏塔DA604塔压增大至170kPa及230kPa后塔顶和塔底产品流股温度改变对换热网络的集成和公用工程消耗量的影响,可实现精馏塔操作与换热网络的同步集成,相较与之前只考虑流股温位对换热网络的影响更加全面.结果表明,该精馏塔的塔压由110kPa增至170kPa时,系统的冷却公用工程用量增大1765.0kW,加热公用工程量减少1948.5kW,无需消耗加热公用工程;压力由110kPa增加至230kPa时,系统冷却公用工程用量增大4964.1kW,加热公用工程用量节省共计8172.4kW,此时加热公用工程用量减小为0且可在高温段向外界供给6223.9kW热量.该分析结果与夹点法的计算结果相同,由该结果可得普适性结论,当精馏塔塔顶塔底出口物流均为源时,增大塔压,系统加热公用工程减小,冷却公用工程增加,整体上有利于系统的节能.     

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。     

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.     

综合考虑泵的设备及运行费用的换热网络优化

流体流经换热设备产生的压降是影响换热网络综合的重要因素,且压降会对整个换热网络系统的稳态运行造成影响。因此在进行换热网络综合时,泵的设备购置费、运行泵的能耗费用需同换热设备费用和公用工程费用同时进行考虑。本文基于有分流的非等温混合分级换热网络超结构模型,并且去除流股给热系数为常数的假设,将流股的给热系数作为流股流速的函数,以换热网络最低年总费用作为本文数学模型的目标函数,综合考虑泵的设备购置费用和泵运行时的能耗费用,建立了一个换热网络同步综合的MINLP数学模型。采用改进的拟并行的遗传/模拟退火算法对该数学模型进行求解,可获得最优的压降值及最优流股给热系数下的换热网络结构。最后,通过具体的算例证明了模型的有效性和可靠性,达到了既简化换热网络结构又降低了年总费用的目标。     

基于夹点技术与超结构模型的多程换热网络最优综合

基于热力学原理,以夹点技术为基础结合数学规划法,采用两步法综合多程换热网络。第一步在多程换热网络热力学分析的基础上优化求解最小温差,计算公用工程用量。第二步将求得的最小温差作为夹点温差,将网络分为夹点之上和夹点之下两个子网络,建立多程换热网络的超结构模型,确定流股匹配并优化网络配置。最后,以换热网络总费用最小为目标,连接两个子网络,权衡设备投资费用和操作费用,综合多程换热网络。该方法基于热力学原理,改进了夹点技术在多程换热网络综合中的应用,进而实现了多程换热网络的自动综合。示例分析证明了本文所提方法的有效性。     

基于夹点技术与超结构模型的多程换热网络最优综合

基于热力学原理,以夹点技术为基础结合数学规划法,采用两步法综合多程换热网络。第一步在多程换热网络热力学分析的基础上优化求解最小温差,计算公用工程用量。第二步将求得的最小温差作为夹点温差,将网络分为夹点之上和夹点之下两个子网络,建立多程换热网络的超结构模型,确定流股匹配并优化网络配置。最后,以换热网络总费用最小为目标,连接两个子网络,权衡设备投资费用和操作费用,综合多程换热网络。该方法基于热力学原理,改进了夹点技术在多程换热网络综合中的应用,进而实现了多程换热网络的自动综合。示例分析证明了本文所提方法的有效性。     

基于热损失的换热网络夹点设计法

现行的换热网络目标方法,在进行换热网络价格估算时,未考虑热物流的热损失。在真实的设计中,换热器壳体保温后仍与环境温度相差较大,则其热损失不可忽略。文章提出了一个新的基于热损失的换热网络夹点设计法,该方法首先以综合费用最小为目标确定出最小温差,然后建立问题表格确定出夹点位置及最小公用工程消耗,最后再进行换热网络设计。文中采用某石油常减压换热网络系统为典型算例对该方法的前两步进行了分析研究,论证了该方法的必要性及可行性。结果表明:该方法与基本Linnhoff夹点技术法估算的投资费用有较大的差距之外,在一定的最小温差下,其与基本Linnhoff夹点技术法确定的夹点位置不同,公用工程消耗也有较大的差距。     

采用浓度差同步优化的质量交换网络设计

质量交换网络(MEN)综合作为过程集成的一个分支,越来越受到过程系统工程领域的广泛关注。因为质量交换网络综合时,贫、富流股之间对应的浓度差(ε)反映传质推动力,影响操作费用和投资费用的大小,所以对其进行优化意义重大。而现有的质量交换网络综合设计一般将贫、富流股之间对应的最小允许浓度差假设为固定值,不能保证得到最优的质量交换网络。针对这一问题,介绍了一种同步优化方法,既能处理单杂质体系,又能处理多杂质体系,建立质量交换网络的超结构模型, 以年度总费用(TAC)最小为目标,将每一对贫、富流股对应的浓度差作为变量,权衡操作费用和投资费用,并利用改进的遗传算法求解,同步得到年度总费用的最小值以及对应的一组最优浓度差,从而得到最优的质量交换网络。     

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。     

Framework for work‐heat exchange network synthesis (WHENS)

Work and heat are the two predominant forms of energy in the process industry. Considerable savings can be achieved by synergizing the work and heat requirements of process streams. A generalized framework for integrating heat and work simultaneously is proposed based on a mixed‐integer nonlinear programing model for work‐heat exchange network synthesis. Starting with a set of streams with known flows, temperatures, and pressures, a network of single‐shaft‐turbine‐compressors with motors/generators, valves, heat exchangers, and utility heaters/coolers is synthesized for minimized total annualized cost. In contrast to existing works, (1) streams are not preclassified as hot/cold or high/low pressure, (2) pressure changes are allowed for streams with no net pressure change, (3) liquid‐vapor phase changes are allowed, and (4) phase‐based property correlations are used. Successful application of our approach to C3 splitting yields a nonintuitive configuration. Another application of an offshore natural gas liquefaction process is also studied. © 2018 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 64: 2472–2485, 2018     

Step-wise synthesis of work exchange networks involving heat integration based on the transshipment model

Due to the deterioration of serious energy dilemma, energy-conservation and emission–reduction have been the strategic target in the past decades, thus people have identified the vital importance of higher energy efficiency and the influence of lower carbon development. Since work exchange network is a significant part of energy re-covery system, its optima design wil have dramatically significant effect on energy consumption reduction in chemical process system. With an extension of the developed transshipment model in isothermal process, a novel step-wise methodology for synthesis of direct work exchange network (WEN) in adiabatic process involv-ing heat integration is first proposed in this paper, where a nonlinear programming (NLP) model is formulated by regarding the minimum utility consumption as objective function and optimizing the initial WEN in accordance with the presented matching rules to get the optimized WEN configuration at first. Furthermore, we focus on the work exchange network synthesis with heat integration to attain the minimal total annual cost (TAC) with the introduction of heat-exchange equipment that is achieved by the following strategies in sequence:introducing heat-exchange equipment directly, adjusting the work quantity of the adjacent utility compressors or expanders, and approximating upper/lower pressure limits consequently to obtain considerable cost savings of expanders or compressors and work utility. Finally, a case taken from the literature is studied to illustrate the feasibility and effectiveness of the proposed method.     

Heat,mass, and work exchange networks

Heat (energy), water (mass), and work (pressure) are the most fundamental utilities for operation units in chemical plants. To reduce energy consumption and diminish environment hazards, various integration methods have been developed. The application of heat exchange networks (HENs), mass exchange networks (MENs), water allocation heat exchange networks (WAHENs) and work exchange networks (WENs) have resulted in the significant saving of energy and water. This review presents the main works related to each network. The similarities and differences of these networks are also discussed. Through comparing and discussing these different networks, this review inspires researchers to propose more efficient and convenient methods for the design of existing exchange networks and even new types of networks including multi-objective networks for the system integration in order to enhance the optimization and controllability of processes.     

MTBE合成与裂解联合装置的用能一致性

提出用能一致性原则,对ＭＴＢＥ合成与裂解联合装置全过程进行用能分析,从用能的角度上将过程系统一致起来,提高了系统的集成性;同时应用虚拟温度法及ＨＥＸＴＲＡＮ软件及自行开发的夹点分析软件对该系统进行用能分析及换热网络匹配,节能约２０％     

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。     

Integration of energy recovery network including recycling residual pressure energy with pinch technology

Work exchange is a promising innovative technology in recovering residual pressure energy. However, at the systematic level, the comprehensive utilization of different energy resources in an energy system has become an issue of concern. In this work, a systematic approach is proposed, one that successively integrates heat, work and adjusts operation parameters. A detailed procedure for building a heat-work coupling transfer network is provided. The synthesis mainly consists of constructing a work exchange sub-network with pinch analysis based on positive displacement type work exchangers. Simultaneously, another kind of sub-network based on turbine-type work exchangers is built as a schematic comparison. The influence of applying a positive displacement work exchanger on the system is investigated. Finally, as a case study, a renovation design of a typical rectisol process in the coal-water slurry gasification section of an ammonia plant is presented. The results show that the added work exchanger has little impact on the existing heat exchange sub-network. Moreover, extra pressure energy is recovered by coupling the transfer network. It is concluded that the heat-work systematic design is a promising and powerful method to use energy more efficiently.     

异丁烯提纯装置换热网络的能效分析

基于Aspen Plus对抽余C₄提取高纯度异丁烯的工艺流程进行系统灵敏度分析,并以目前我国用户最重视的能源消耗问题与投资成本问题等为改造优化目标,基于Aspen Energy Analyzer对换热网络进行优化分析。对系统灵敏度进行分析得出：在精制塔理论塔板数为36、回流比为5的优化条件下,精制后异丁烯的质量纯度可达到99.95%,回收率可达到99.6% 。本文从夹点理论概念设计法着手,对异丁烯提纯装置换热并对其换热网络进行能效分析,结果表明,在反应温度为60℃,D006树脂做催化剂,结合Aspen Energy Analyzer优化后的能耗参数,计算得出工艺流程的热公用工程用量达到1944.17kW,相比原工艺过程的用能节约了12.9％;冷公用工程用量达到3877.78 kW,相比原工艺流程节约了23.4%,大幅度提升节能降耗效果并节省投资,因此本研究可以为能量的更优利用提供理论依据和可行方案。     

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...