基于ASPENPLUS和窄点技术的常减压换热网络优化

夹点技术在换热网络优化中的应用奚培博;黄汉初;梁景焕;董佳;黄昊来;郝子龙;谢清华【摘要】在夹点技术的基础上,利用工艺流程模拟软件(ASPEN PLUS)和换热网络计算软件(ASPEN PINCH),将热力学原理和系统工程相结合,对原有二甲醚工艺的换热网络进行用能分析,找出了其能量利用不合理的环节,并得出了近于最优的换热网络.优化后的换热网络经实际生产运行取得了良好的效果和可观的经济效益.【期刊名称】《广州化工》【年(卷),期】2010(038)008【总页数】3页(P260-261,280)【关键词】热集成;夹点技术;二甲醚工艺;节能【作者】奚培博;黄汉初;梁景焕;董佳;黄昊来;郝子龙;谢清华【作者单位】华南理工大学化学与化工学院,广东,广州,510640;华南理工大学化学与化工学院,广东,广州,510640;中山大学化学与化学工程学院,广东,广州,510275;华南理工大学化学与化工学院,广东,广州,510640;华南理工大学化学与化工学院,广东,广州,510640;华南理工大学化学与化工学院,广东,广州,510640;华南理工大学化学与化工学院,广东,广州,510640【正文语种】中文能源与人类文明和社会的发展一直紧密地联系在一起,是社会发展的物质基础.在当今世界,能源问题更是渗透到社会生活的各个方面,直接关系到整个社会经济发展和人们物质文化生活水平的提高.近年来由于能源逐渐匮乏,环境污染日趋严重,节能减排越来越受到人们的重视.因此,工业的节能降耗具有重要的经济效益和社会效益.目前,人们纷纷从各种途径寻找降低生产过程能耗的办法,取得了很好的效果.夹点技术是目前应用最广泛的热集成技术之一,夹点技术将热力学原理和系统工程相结合,对工程系统的能量进行优化配置,提高系统的能量利用率,从而降低能耗[1-3]. Aspen Pinch是一个基于过程综合与集成的夹点技术的计算软件.它应用工厂现场操作数据或者Aspen Plus模拟计算的数据为输入,来设计能耗最小和操作成本最低的化工厂和炼油厂过程流程.它在老厂节能改造过程集成方案的设计、老厂扩大生产能力的"脱瓶颈"分析、能量回收系统(例如换热器网络)的设计分析、公用工程系统合理布局和优化操作等有着重要的作用.采用这种夹点技术进行流程设计,根据一些大型石化公司经验,一般对老厂改造,可以节能20%左右,投资回收期一年左右;对新厂设计往往可节省操作成本30%,并同时降低投资10～20%.本文对夹点技术的设计方法进行了简单介绍,并将其与Aspen Pinch相结合,应用于现有生产工艺换热网络的能量分析与优化.1978年末,Bodo Linnhoff等人首先提出了过程换热网络中描述能量流的一种新方法,这种方法引入了热力学概念,叫做"过程综合".1983年Linnhoff和Hindmarsh 把这一概念表达为夹点(Pinch Point)技术.夹点技术以热力学为基础,从宏观的角度分析过程系统中能量流沿温度的分布,从中发现系统用能的"瓶颈",并给以解"瓶颈"的一种方法.夹点技术把最大的能量回收和夹点温度通过最小温差联系起来,使换热网络优化在理论和工程设计中取得突破性进展,并已被广泛地应用于工业生产中.用夹点技术设计换热网络的基本思想是:从最大能量回收出发,建立一个初始网络,然后根据设备费用和能量费用的协调,对初始网络进行修正,从而得到一个最佳的换热网络结构.夹点把网络系统分成2个在热力学上相互分离的两个子系统.夹点上方的子系统是热阱系统,热公用工程向其输入热能,而没有任何热能流出;夹点下方的子系统是热源系统,由冷公用工程从系统带走热量,而没有任何热能从外界流入.假如有一定量的热量自热阱系统进入热源系统,根据热量衡算,不但在热阱系统需要多消耗同样量的热公用工程,而且在热源系统也多消耗同样量的冷公用工程;如果在夹点之上的热阱系统设置冷却器,冷却器取出的热量必然要由热公用工程额外输入,这样既浪费了热公用工程,又浪费了冷公用工程,还浪费了设备投资;同样如果在夹点之下的热源系统设置加热器,这部分热量对系统并无好处,还要用冷公用工程来取出,浪费冷、热公用工程的同时还增加了设备投资.因此,为了达到最小公用工程消耗,实现热量最大回收,利用夹点技术对换热网络进行设计时,必须遵循3个基本原则:①不应有跨越夹点的传热;②夹点之上不应设置任何公用工程冷却器;③夹点之下不应设置任何公用工程加热器[3-4].本文利用夹点技术对某80万吨/年二甲醚工艺[5](如图1所示)的能量系统进行了分析,找出了其能量利用不合理的环节.基于夹点技术的设计原则,提出了一种节能效果显著的换热网络优化方案.经过对二甲醚合成工艺流程的分析,从系统中提取参与换热的主要流股的物流数据.找到可构造换热网络,如表1所示.二甲醚合成工艺中所用的冷公用工程为循环冷却水,所用的热公用工程为250℃中压蒸汽.通过计算可知,在现行换热网络中,全厂消耗冷公用工程175 916.4kW;冷公用工程210130.69kW.在夹点分析中,最小传热温差影响热回收量和设备投资的大小,根据二甲醚生产的换热器设计经验,本文将最小换热温差取为10℃.用夹点技术处理全厂的物流数据,得到图2的组合曲线.热物流的夹点温度为114.8℃,冷物流的夹点温度为104.8℃,最小热公用工程量为60421.5kW,最小冷公用工程量为130056.5kW.与现有的换热网络相比,理论上公用工程的节能潜力为195569.11kW,占现行热公共工程量的67.8%,冷公用工程量的38.1%.为改善现有换热网络的用能状况,本文提出的优化思路为:可以利用系统内的低品位热源提高反应器进料入器前的温度,并利用部分出塔物流的热量来代替部分热公用工程,以此达到节能的目的.而需要加热或冷却的工艺物流,则尽量使之能相互换热,减少公用工程的用量.根据上述分析,本文提出了优化方案,将该优化方案进行分析计算和流程模拟,优化后的工艺流程见图3,具体的优化内容:①闪蒸塔入口物流从249.85℃与脱CO2塔再沸器、低压塔再沸器换热到夹点温度124.8℃后用低温水冷却至25℃;②低压塔塔底回收的甲醇从147.0℃与低压塔再沸器换热到夹点温度124. 8℃后用冷水冷却至0℃;③从低压塔再沸器出来的物流一直是相变换热.和上述两股物流换热后用中压蒸汽加热以满足再沸器换热负荷;④脱CO2塔入口物流选择其和低压塔冷凝器换热可完成换热要求.热集成前后用能对比见表2.夹点技术的核心是以热力学为基础,结合优化计算,充分利用换热网络和公用工程之间的联系,引入夹点允许最小传热温ΔTmin这一重要的决策变量.并根据能量目标构造一个具有最大能量回收特性的换热初始网络,其基本点是找出夹点位置,禁止通过夹点传递热量;再以最小换热设备数为目标,对初始网络进行调优,权衡设备投资费用和操作费用,从而获得一个最优或接近最优的换热网络[6].作者通过夹点技术对二甲醚合成工艺进行了用能分析和诊断,找到了系统中用能不合理之处,结合工程实现的可行性与经济性,提出了节能效果明显的优化方案,采用将蒸塔入口物流从249.85℃与脱CO2塔再沸器、低压塔再沸器换热到夹点温度124.8℃后用低温水冷却至25℃等措施,有效减少了冷热公用工程的耗量,这对实现二甲醚工业化具有重要作用.【相关文献】[1] 周志超,吴嘉.具有完全热集成和水集成的合成甲醇精制工艺[J].化工学报,2007,58(12):3210-3214.[2] 冯霄.化工节能原理与技术[M].北京:化学工业出版社,2004.[3] 朱玉琴,周丹黎.利用夹点技术分析优化换热网络[J].西安石油大学学报(自然科学版),2008(06):67-69.[4] 杨俊坤,冯霄,余新江.夹点分析子系统选取规则及应用[J].化学工程,2009,37(3):70-74.[5] 傅燕芬,蔡友强,黄捷,等.年产80万吨二甲醚分厂设计[M].浙江:浙江大学出版社,2008.[6] 万志文,李国庆.应用夹点技术实现换热网络的优化[J].广东化工,2008(06):138-140.。

常减压蒸馏装置换热网络优化康明艳;李继友;王蕾;李磊【摘要】常减压蒸馏装置作为原油的一次加工装置,在原油加工总流程中占有非常重要的作用.常减压装置的耗能约占炼油厂所用能量的10％～ 20％,优化设计常减压装置的换热网络结构,最大限度地回收热量,具有非常重大的意义.利用夹点技术对常减压蒸馏换热网络进行分析,对我国某常减压蒸馏装置进行换热网络优化.【期刊名称】《广州化工》【年(卷),期】2013(041)002【总页数】3页(P104-105,167)【关键词】常减压蒸馏;换热网络;夹点;优化【作者】康明艳;李继友;王蕾;李磊【作者单位】天津渤海职业技术学院,天津300402;天津渤海职业技术学院,天津300402;天津渤海职业技术学院,天津300402;天津渤海职业技术学院,天津300402【正文语种】中文【中图分类】TE624常减压蒸馏是石油炼制的龙头装置，常减压蒸馏装置总消耗在炼油厂全厂能耗中占有重要的比例，其燃料消耗约相当于加工原油量的2%，为全厂消耗自用燃料量最大的生产装置［1］。

常减压蒸馏装置中原油升温和汽化需要大量热量，而常压塔和减压塔的中段取热需要传给外界热量，常压塔的塔顶产品和侧线产品以及减压馏分油和减压渣油需要冷却到安全温度需要消耗大量冷却用水，如何将装置内需要降低温度的各介质与需要升高温度的热介质有效换热，对常减压蒸馏装置的节能降耗至关重要。

化工生产过程中，根据工艺的需要，设置了各种不同类型的换热设备，通过物流把这些换热设备相互联结起来，就构成了换热器网络系统。

换热网络的主要作用就是在各种条件允许的情况下，尽可能经济的回收所有过程物流的有效能量，以达到减少公用工程消耗量的目的［2］。

原油进入常减压蒸馏装置中的初馏塔前需预热到一定温度，而这个过程需要大量的热量，从常压塔及减压塔出来的产品温度非常高，不便于运输和储存，因此又需要大量的冷量来将产品冷却到一定温度.除此之外，工艺过程中的中段循环，冷凝过程，再沸过程也需要大量的冷量和热量。

摘要青霉素是最早出现的抗生素，作为抗菌药物应用广泛。

我国主要经过生物发酵，提纯分离等工序生产青霉素制剂。

其中，最常见的提纯方法是溶媒萃取法。

对于大型生产单位，青霉素溶媒用量大，溶媒回收工艺必不可少。

溶媒及时回收，有利用实现原料的循环利用，降低工业成本，减少环境污染。

但是，在一些回收案例中存在能耗高的问题，增加了精馏的操作成本。

因此，预期通过能量集成使溶媒回收系统能量结构得以优化。

本文研究依据某青霉素生产线中溶媒回收工艺，通过日常生产数据采集，并整理提取模拟数据，利用Aspen plus软件完成三组独立工艺建模。

利用夹点技术分别对三组工艺和整个回收系统进行能量分析，确定各自能量瓶颈，指出不合理用能设备，跨越夹点传热量，提出改进措施。

经过改造模拟，提出节能改造方案。

独立改造方案节约热公用工程32%，节约冷公用过程29%，预计每年可降低操作成本196万元/a。

集成改造方案针对不同工艺中的能量瓶颈，加强工艺之间换热，增强能量的回收与集成。

改造工艺可为溶媒回收组可节约热公用工程36%，节约冷公用过程75%，预计每年可降低操作成本388万元/a。

经过对溶媒回收组能量分析，提出切实可行的优化措施，以最小工程改造量实现节能减排的目标。

关键词：溶媒回收Aspen plus 夹点技术节能改造AbstractPenicillin, the earliest of antibiotics, is widely used as antibacterial drugs. In our country, penicillin production mainly includes two procedures, i.e. biological fermentation, purification process.And the solvent extraction method is the most common purification methods.Solvent recovery processes is necessary, for the dosage of solvent stays large in the large-scale plants. Recovering solvent in time is beneficial for the recycling of raw material, decreasing costs and reducing environmental pollution.There exists large energy consumption in some cases, enhancing the operating costs of the distillation. Therefore, it is expected to optimize energy structure of solvent recovery system by energy integration.We study on the basis of a solvent recovery process of penicillin production line. After the daily production data collection and simulation data extraction, three sets of independent process modeling are accomplished using Aspen plus. The analyses of three sets of solvent recovery processes and the entire section were conducted, energy bottlenecks were determined. And then improvement measures are proposed, after pointing out the unreasonable energy-using equipment and heat transmission across the pinch.Via modified simulation, energy-saving retrofit scheme was presented. All of the independent projects saved 32% of hot utility, saving 29% cold public process, that was expected to reduce RMB 1.96 million/a year of operating cost.In view of the energy bottleneck in different processes, integrated renovation strengthened the heat exchange among the processes to enhanced energy recovery and integration for the section.The retrofit saved 36% of hot utility to retrofit scheme, cold public saving 92%, that was expected to reduce RMB 3.88 million/a year of operating cost.Through analysis of energy consumption in the solvent recovery section, the feasible optimization measures were put forward, achieving the goal of energy conservation and emissions reduction with minimum engineering modification.Keywords: solvent recovery Aspen plus pinch technology energy-saving modification第一章绪论1.1 引言近年来，随着各行各业改革中可持续发展观的深入，能源问题受到越来越多的关注。

俄油常减压蒸馏过程模拟与换热网络优化刘芳芳;侯丹阳;牟峻纬;吴全才【摘要】The technology and technological progress that atmospheric vacuum distillation unit processing Russian crude oil in the world were summarized and discussed. The steady-state model processing the Russian crude oil in process of atmospheric vacuum distillation was built by using the the Aspen plus software, and the Steady-state process was strictly calculated and simulated at the same time. The research verified the reliability of the model by comparing the computing results of the simulation with the practical data of production, and then used the model to evaluated the existing atmospheric vacuum distillation unit processing Russian crude oil by simulation. Finally, the heat exchanger network of production was optimized. The research will provide technical references for the further capacity expansion concerning process of the existing the Russian crude oil in process of atmospheric vacuum distillation.%综述了国内外俄罗斯原油常减压蒸馏的技术和进展，并利用成熟的Aspen plus 软件，建立了俄罗斯原油常减压蒸馏的稳态模型并进行稳态模拟，将模拟结果与现场生产数据进行比较，从而确定了模型的可靠程度。

常减压装置换热网络的优化设计摘要：我国现在的换热网络的终温还是很低，装置还是会消耗很多的能量，热换网络进行操作时候的弹性是非常不好的。

原来的换热网络有许多不合理的地方，这就使其出现了终温低和耗水量大以及弹性差等问题。

针对其现在存在的这些问题，对现在的换热网络的技术进行更新是非常重要，要用最少的钱得到最大的效果，这是提高其能量利用率的有效的办法。

所以，本文通过对其进行分析，把夹点技术和一些相关的计算机技术和软件结合一起进行应用，利用它们的优点，对其进行改进，得到了一个比较满意的结果，很大程度上提高了设计效率。

关键词：换热网络、优化、常减压装置在现实真正生产的时候，我们经常会面临这种问题，即不管是使用什么方式合成的网络，在最开始的时候都是最接近最优的状态的，但是这种状态是不会维持多久，那是因为经常会需要对这个工艺进行某一部分线路或条件进行更改，还需要经常对设备进行改进或者技术需要更新，而且在对量的改变进行处理时，会出现实际的条件与设计时不相符。

所以想要提高现在的这种生产装置的能量利用率，我们需要对换热网络进行研究，这也是现在能想到的最有效和经济的办法，通过这种方法可以找到有什么问题，然后针对这些问题进行仔细分析，进而可以对它进行优化。

一、换热网络概述（一）常减压装置用能和换热网络的现状因为在最开始建的时候各方面都比较落后，而且也不会过高的要求可以节能，在进行使用过程换热不够合理，虽然有进行了几次改造，但是现在的换热网络的终温还是很低，装置还是会消耗很多的能量，热换网络进行操作时候的弹性是非常不好的。

因为原油性质存在差别，使得对其进行加工时所使用的流程和工艺也是不一样的。

我国的常减压装置大部分都是根据国内的原有的性质来设计的，然而加工的原油是不同的，这对同一个装置提出了更高的能够满足不同原油的要求。

（二）原来的换热网络的问题并进行分析针对其现在存在一些问题，对现在的换热网络的技术进行更新是非常重要，要用最少的钱得到最大的效果，这是提高其能量利用率的有效的办法。

常减压装置的先进控制和实时优化周丽;金晓明【摘要】针对常减压装置(CDU)需要加工多种不同性质原油的特性,设计了一套在常减压装置中实现先进控制和实时优化的系统.该系统利用在线分析仪和实时数据装置,通过流程模拟计算操作变量和被控变量的优化目标.优化目标包括常压炉和减压炉出口温度,以及常压塔和减压塔主要产品拔出量等.通过多变量模型预测控制器,系统实现了对装置的稳定控制,按生产条件逐步实现工艺点接近计算的优化目标.应用结果表明,该优化系统能达到维持工艺参数安全、稳定和高效的目标.【期刊名称】《自动化仪表》【年(卷),期】2018(039)008【总页数】5页(P6-9,14)【关键词】常减压装置;先进控制;流程模拟;软测量;实时优化;预测控制【作者】周丽;金晓明【作者单位】浙江中控软件技术有限公司,浙江杭州310053;浙江大学智能系统与控制研究所,浙江杭州 310027【正文语种】中文【中图分类】TH86;TP2730 引言常减压原油蒸馏是原油加工的第一道工序。

常减压装置根据原油中各个组分的沸点不同，分别在常压和负压状态下分离出各馏分产品。

常减压装置能耗一般约占炼厂总能耗的10%～30%[1]。

以多变量模型预测控制为代表的先进控制技术和以稳态优化为关键的过程优化技术能大大提高工业装置的经济效益[2]。

对于常减压装置，由于处理的原料是来自不同产地的原油，原油性质变化容易造成生产工艺参数的波动，从而影响产品性质，因此常减压装置的优化问题十分复杂[3]。

在某套燃料型5 Mt/a的常减压装置中，实现了对全装置的模拟、控制和优化。

该装置采用的硬件平台是OPC Server上的先控上位机和优化上位机，软件平台为DMC Plus、ASPEN IQ、ASPEN Plus和ASPEN Online，分布式控制系统(distributed control system,DCS)为横河CENTUM CS3000系统。

1 优化控制软件系统对工业生产过程的实时优化功能包括：首先获取装置的过程数据和化验数据，对工业装置进行精确的全流程模拟；其次根据需求确定优化目标方程，设定约束并进行求解；最后通过多变量模型预测控制器执行到控制层。

炼厂常减压换热网络优化及低温余热利用邹帅;吴明【摘要】利用夹点技术，针对模拟的现有网络基础，对某炼油厂的常减压换热网络进行细节分析和问题诊断，找出了根源所在，并针对换热网络，根据当前情况提出了改造方案，最后经过统筹考虑，决定采用并进行改造，同时回收改造后的系统余热，进一步节省了能量。

然后，对整个改造的投资与效益进行分析计算，得出了整个改造项目所需的投资回收期和大概投资额。

最后，火用分析改造前后的常减压换热网络，分别计算出了网络的火用效率和火用损失，分析了换热网络改造的效果。

%The heat exchange net in CDU/VDU was investigated and diagnosed by pinch technology based on the net simulation. The reconstruction scheme of the heat exchanger network was put forward and carried out based on current conditions by comprehensive consideration, and then waste heat of the system was recovered. The benefits and capital costs were estimated. At last, exergy analysis of changed atmosphere vacuum distillation heat exchange net and unchanged net was carried out, exergy efficiency and exergy lose were obtained,the effect of net retrofit was analyzed.【期刊名称】《当代化工》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】4页(P576-579)【关键词】常减压装置;节能;夹点;低温余热【作者】邹帅;吴明【作者单位】辽宁石油化工大学，辽宁抚顺 113001;辽宁石油化工大学，辽宁抚顺 113001【正文语种】中文【中图分类】TE6242012年世界炼油总能力为44.48亿t/a，亚洲炼油能力的增加带动了全球炼油能力的复苏，达到12.82亿t/a，比2011年增加3600万t/a。