换热网络集成与优化研究进展

首先回顾了上世纪80年代初期提出的以夹点技术和数学规划法为代表的经典换热网络集成优化方法,进而分别论述了近期换热网络集成优化的主要进展,包括考虑压降、结垢和换热器详细设计等实际问题的换热网络集成优化方法;针对不断升级的环境问题,考虑全生命周期分析、二氧化碳捕集和水系统的换热器网络集成优化方法;以及为进一步提升能量利用效率,将换热网络的边界扩展至多个装置,甚至工业园区的能量系统优化方法。最后展望了今后换热网络集成优化的发展趋势与方向。     

加氢裂化装置换热网络的节能改造

针对一套20世纪80年代引进的加氢裂化装置,首先对其进行了夹点分析,由于该装置仍然存在温度低于夹点温度的加热器,特别是由于存在跨越夹点的传热,该装置中占实际加热公用工程用量一半以上的用能是不合理的.针对这些用能不合理的环节,对装置进行热集成,并结合工程实际和经济性因素,提出了2种换热网络优化改造方案,并对换热器网络改动最小的方案进行了调优.     

环氧丙烷装置换热网络的分析与优化

利用夹点技术对某环氧丙烷装置换热网络进行了分析,并提出优化改造方案。基于MATLAB的操作型夹点分析表明,现行换热网络夹点温差偏大(34℃)。优选夹点温差为20℃,可得最小加热和冷却公用工程量分别为1 981 kW和9 132 kW,而现行换热网络中加热和冷却公用工程量分别为3 049 kW和10 201 kW,存在较大节能潜力。进一步分析表明,现行换热网络存在违背夹点设计原则的现象,导致用能不合理。考虑换热网络变动的复杂程度和经济性,提出了一种简便的优化改造方案,可减少冷热公用工程量各300.5 kW。     

利用夹点技术分析优化碳酸二甲酯装置换热网络

利用Aspen Plus软件计算出冷流股和热流股的焓变,然后运用夹点技术对碳酸二甲酯反应精馏装置换热网络进行优化分析。计算结果表明,优化后的换热网络节能效果较好。通过小试数据,可以推断中试乃至工业化装置的换热网络节能情况。     

夹点技术及其在换热网络中的应用研究

首先阐述了夹点技术的基本原理,利用夹点技术对原油常减压蒸馏装置的换热网络进行设计,运用问题表法求取夹点温度、最小公用工程。     

换热网络设计方法的研究进展

本文概括分析了近年来在研究换热网络设计方面所取得的新进展。指出夹点技术及其发展、双温差方法和分步优化方法的尚存缺陷，分析了围绕克服这些缺陷已采取的措施和进一步改进的方向。阐述了同步优化方法的优势和尚待改进的地方。指出目前从热力学、经济规模和“系统“的观点更全面地认识换热网络，从而设计高效、低费用的工业换热网络。     

基于夹点技术的汽油加氢装置换热网络节能研究

为了保障炼油厂加氢炼化装置的有效运行、解决资源浪费现象,要基于现有的换热网络,利用夹点技术完成分析。通过数据换算以及模拟,可以了解夹点技术加氢电化装置换热网节能效果较佳,将夹点温差设置为20℃,可以计算出该装置的换热网络夹点温度为125℃。最小的工程计算量为10 449 kW,最小冷公用工程量为49 193 kW。由此可见,换热网络不合理情况执行的对应节能改造方案,可节能约57.89%的热公用工程以及27.76%的冷公用工程,有极佳的经济效益。     

利用夹点技术分析优化甲基叔戊基醚装置换热网络

利用Aspen Plus软件计算出冷流股和热流股的焓变,冷热流股的焓变分别为1.4W和-1.2W,然后运用夹点技术对甲基叔戊基醚固定床装置换热网络进行优化分析.计算结果表明,优化后的换热网络节能效果较好.通过小试数据,可以推断中试乃至工业化装置的换热网络节能情况.     

利用夹点技术设计换热网络

介绍夹点技术的基本概念以及利用夹点技术设计换热网络的原则,列举利用夹点技术设计换热网络过程的实例,并简单介绍换热网络优化方面的基本知识。     

受网络夹点控制的装置的改造分析

本文分析了过程夹点和网络夹点的不同,指出了在改造过程中存在网络夹点,并且节能潜力受网络夹点的控制,同时提出了克服网络夹点的途径,即分流和调整换热网络结构。通过对某炼油厂润滑油加氢补充精制装置的分析。提出了不分流时克服网络夹点的方法,即同一温闰的冷流体按热溶流率CP值减小依次被加热;同一温位的热流体按CP值减小依次被冷却。最后,文章对该装置提出了采用“一改动方案”的改造方案,节能效果和经济效益显著。     

特殊换热网络算例优化与分析

换热网络综合属于混合整数非线性规划问题,具有严重的非凸、非线性特性。为探讨某些换热网络算例可能存在内部公用工程且年综合费用极低的特殊换热网络结构,本文采用了允许公用工程内置的无分流分级超结构模型。基于布谷鸟搜索算法,通过设置最小换热量阀值及以较小概率接受较差结构来指导换热网络结构进化,建立适用于求解换热网络综合问题的优化算法,并对特殊算例的优化结果进行分析。本文列举3个特殊算例,具有热流体的初始温度高于热公用工程的入口温度或热公用工程的进出口温差较大的特征,改进的布谷鸟搜索算法能够搜索到带有内部公用工程的换热网络结构,且年综合费用得到明显下降。结果表明：对于特殊算例,公用工程内置能够优化换热网络的热量分布,节约换热器面积,有效降低换热网络的年综合费用。     

换热网络运行模拟优化

换热网络系统大多数是按给定工况,以投资费用和运行费用最优为目标设计的。但在实际运行过程中,确定和不确定性的影响因素往往导致换热网络的运行工况偏离设计值。偏离设计工况运行的换热网络性能变差,导致运行费用增加,甚至不能满足工艺物流换热要求。在换热网络结构给定条件下,将满足物流目标温度和运行费用最优作为目标函数,以单体模型和Yee et al.（1990）提出的多级超结构为基础,建立换热网络运行模拟优化模型,并进一步去除恒定膜传热系数假设使模型贴近实际问题。针对提出的非线性数学模型（NLP）问题,以标准粒子群算法为基础建立求解策略。在论文的最后,4个来源于已发表论文的实例研究证明了该优化方法的有效性。     

换热网络的最优设计

基于Ｌｉｎｎｈｏｆｆ的Ｐｉｎｃｈ－Ｐｏｉｎｔ方法，提出外加冷热负荷最小费用模型，该模型在获得最小费用的同时，可确定外加冷热负荷的数目及其流量，并在此基础上提出了换热网络最小建造费用的数学模型，并与换热网络最小单元数模型进行分析比较，结果证明，求解换热网络的最低建造费用更具有实际意义。     

采用换热器负荷图指导换热网络改造的新方法

目前大部分图形工具仅适用于以节能为目标的换热网络(HEN)设计或者改造。能量回收量的增加往往伴随换热单元数的增多,而换热单元数对设备投资费有较大影响。采用换热器负荷图(HELD)提出一种系统化的换热网络改造新方法。新方法基于夹点分析,在改造区间中选择匹配目标,重新构建改造用HELD,从而简化问题;通过在水平方向上平移热流股曲线实现跨夹点负荷的重新分配,完成节能目标,并结合经验规则,尽可能减少改造后换热网络的换热器数目。以一个工业造纸厂为例,对其进行节能改造方案设计,相较于文献报道结果,得到两个节能目标值相近且换热器改动数目更少的新方案,验证了新方法的有效性。     

Anionic polymerization of styrene: Integration with styrene monomer production

Anionic polymerization and ethylbenzene dehydrogenation were carried out in the laboratory using continuous reactor designs and conditions typical of current commerical processes. The dehydrogenator was operated at 43–55% conversion with continuous distillation of the ethylbenzene/styrene mixture to remove byproducts that would interfere with the subsequent anionic polymerization. The anionic polymerization was carried out using a reactor of the CSTR type which operated at > 99% conversion of styrene. The volatiles were recovered from the polymer syrup and recycled back to the dehydrogenator. During 4 months of continuous operation the integrated process showed no detrimental buildup of impurities which affected the anionic polymerization or dehydrogenation. The polystyrene produced had excellent color, clarity, thermal stability, and polydispersity (M_w/M_n = 2.1–2.4). The ability to control weight average molecular weight was within a range of 20,000 using an on-line GPC in concert with a colorimeter.     

换热器结垢与换热网络裕量设计方法研究进展

从结垢现象影响换热系统正常运行的角度出发,介绍了近几年换热网络裕量设计以及针对结垢问题不同学者研究出的换热网络优化设计。总结了在换热网络设计中对换热器清洗时序、清洗周期优化或者增加换热网络的裕量设计的不同换热网络设计最优方法,但这些方法都是在换热网络设计之初,考虑换热器结垢最严重的情况即换热网络在“最差”工况下进行的优化,因此优化得到的换热网络难以保证换热网络全运行周期的持续节能优化。本文结合现有换热网络设计方法的利弊,针对结垢过程的慢时变、持续特点,提出一种基于长周期持续节能的换热网络设计优化方法,在换热网络设计之初,定量分析结垢对网络结构的影响,以换热网络全周期累积总费用为目标函数,实现换热网络的最优综合。     

考虑系统可靠性分析的柔性换热网络综合

基于虚拟温-焓图法与遗传/模拟退火算法,提出了一种考虑系统可靠性水平的柔性换热器网络综合方法。为简化求解问题的复杂度,首先通过虚拟温-焓图法得到了柔性网络匹配,对于得到的网络结构,通过网络结构的连接矩阵分析网络之中的连接状况,搜索出换热网络中存在关联的换热器单元,以关联的换热器作为主线识别出网络之中不相关的子系统,根据包含换热器单元个数最多的不相关的子系统含有换热器的数量,计算出换热网络系统的可靠性。对于未能满足网络系统可靠性要求的网络结构,通过去掉与其它换热器相关联总数最多的换热器,进行网络解耦,改变换热网络的关联状况,提高了系统的可靠性。换热网络结构改变后,采用遗传/模拟退火算法对热负荷回路中相关换热器的热量分配和换热面积进行计算,得出满足系统可靠性需求,并且总费用最为节约的网络结构。本文所提出的方法可以将需要改善系统可靠性的网络结构系统可靠性提高至设计的容许范围,适用于包含系统可靠性分析的柔性换热网络综合。计算实例表明了所提方法的实用性与可行性。     

Automatic generation of multiperiod heat exchanger network configurations

This paper presents an extension of the procedure proposed by Floudas and Grossman for the synthesis of heat exchanger networks under multiperiod operation. It is shown that the automatic synthesis of these networks can be performed by a nonlinear programming formulation that is based on a superstructure representation that includes all possible structural options for a given set of matches that are predicted for different time periods. A graph representation is proposed for this superstructure to account for the changes in pinch points and to reduce the size of the nonlinear program. Two example problems are presented to illustrate this procedure.