过程系统集成
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
夹点分析的过程：从全局识别出过程系统用能的“瓶颈”所在， 然后采用调优策略以解“瓶颈。
调优策略的原则： 设法增大夹点上方总的热流股的热负荷，减 少总的冷流股的热负荷，设法减少夹点下方总的热流股的热负 荷，增大总的冷流股的热负荷。即所谓的“加减原理”。
（1） 过程用能的一致性原则 利用热力学原理，把反应、分离、换热、热机、热泵等过程的 用能特性抽提出来，通过把单元所需的功、热以及单元中能流 的变化转化为相当的换热网络中的冷、热流股，从用能本质的 角度上一致起来，转化为换热网络中的冷、热流股的匹配。
直接蒸汽压缩式热泵
采用辅助介质的热泵精馏 ◆ 塔顶蒸汽不适于直接压缩时采用。 ◆ 常用辅助介质：水、氨。
对辅助介质的基本要求： ① 蒸汽在一合适的压力下冷凝温度要高于精馏塔塔底釜液 泡点温度； ② 液相在一合适压力下蒸发的温度要低于精馏塔塔顶蒸汽 露点温度； ③ 价格、安全性、腐蚀性、热稳定性及对环境的影响。
结论：热机不穿越夹点的设置，是有效的热集成。
② 热泵的合理放置 结论：热泵穿越夹点的设置是有效热集成。
(2) 热机在热集成过程中热负荷及温位的限制 温位的限制： 不能使热级联中间的热负荷出现负值。
热负荷的限制: 超出热回收级联 所需公用工程加 热负荷部分的功 与热机单独操作 时相同。
7.1.3 夹点分析在过程系统能量集成中的应用
（2） 蒸馏过程与过程系统的能量集成方法
① 复杂塔与热耦合塔
复杂塔 — 多股进料和多侧线出料。即可节省能源，又可以节省 设备投资，是有效的热集成。
热耦合塔—可以节省能源20％～30%。
说明：按照分离序列设计的工作顺序，还是首先考虑采用简单塔， 然后再考虑是否能实行热集成，最后才考虑采用复杂塔及热耦合 方案，这样处理是出于对系统的总费用以及操作、控制和安全等 因素的综合考虑。 ② 多效蒸馏
以提高系统热回收； ⅱ 提高C-201、C-202以及C-204塔的操作压力，以改变系统夹
点的位置，实现系统内的热集成，包括：C-201塔与C-205B 进行热集成；C-204塔与C-205C进行热集成；C-202塔顶蒸 汽热量的回收。 ⅲ 对系统换热流程重新匹配，以减小传热温差，提高热回收。
论证措施ⅱ的可行性： ① 将待参与热集成的塔从系统中分离出来
◆ 用A塔顶蒸汽作为B塔底
再沸器热源，使A的冷凝器
和B的再沸器合为一个换热
器。
A
B
◆ 加在塔A底部的热量在塔 A和B逐级使用。
◆ 调整操作参数（如操作压力），实现多效蒸馏。
百度文库
③ 采用中间再沸器或中间冷凝器 中间再沸器
好处：节省高品位热源。 代价：降低中间再沸器位置以下塔段的分离效果。
中间冷凝器
好处：节省低温冷却公用工程或提供比塔顶冷凝器温位更高 的热源。
不含C-205B，C的组合曲线
不含C-205B，C的总组合曲线
② 部分塔提压操作 提压操作的组合曲线
提压操作的总组合曲线
7.1.2 公用工程与过程系统的能量集成
热机：利用热能产生动力的装置。 热泵：利用动力而提供一定温度（不同于环境）的热能的装置。
(1) 热机、热泵在系统中的合理放置 ① 热机的合理放置
① 换热器 ② 蒸馏塔
③ 反应器
④ 热机
入口汽-冷流股
朗肯循环温-焓图
乏汽-热流股 热机用能的当量图
⑤ 热泵
从热力学角度分析，在封闭循环中，循环介质在蒸发器中从 外界环境吸收热量，相当于一条冷工艺流股，而在冷凝器中 将其作为热源用于加热其它工艺流股，减少热公用工程用量， 相当于一条热工艺流股。
① 蒸馏塔在T-H图上的表示
再沸器
蒸馏塔
蒸馏塔在T-H图上表示
② 蒸馏塔在系统中的合理放置
蒸馏塔穿越夹点的放置 特点：夹点上方取热，夹点下 方放热，公用工程的冷、热负 荷均增加，与过程是否集成， 所用能量相同，不能节省能量。
蒸馏塔设在夹点上方
特点：若再沸器热量取自 工艺物流，冷凝器热量排 放于低温工艺物流，节能。
代价：中间冷凝器位置下方塔段的分离能力被削弱。
④ 采用热泵技术
热泵技术：通过外部输入能量做功来提高精馏塔顶蒸汽的温位， 再返回塔底以满足再沸器加热的需要。
应用热泵的适宜条件 a. 有低价的热源，如过程中过剩的低压蒸汽或热水。 b. 具有足够低温的冷却水。 c. 精馏塔塔顶与塔底之间的温度差不超过40 ºC。 d.尤其适用于分离沸点接近的、分离要求高的大型精馏装置。
工程应用实例：合成乙醇装置的能量集成
过程系统的组合曲线
过程系统的总组合曲线
系统用能薄弱环节： ⅰ 多数需要冷却或加热的物流均采用公用工程冷却或加热，
热量未得到回收。 ⅱ 传热温差过大，有效能损失大。 ⅲ 系统夹点温度低，夹点下方热量难以回收。
针对以上的分析，提出以下改造措施： ⅰ 减小反应器入口原料气与反应器出口气体换热的传热温差，
蒸馏塔设于夹点下方
特点：若再沸器热量取自 工艺物流，冷凝器热量用 于加热低温工艺物流，节 能。
结论： （a）蒸馏塔与过程系统热集成时，蒸馏塔穿越夹点是无效的
热集成； （b）蒸馏塔完全在夹点上方或完全在夹点下方均是有效的热
集成。 说明：蒸馏塔与过程系统热集成，在能量方面是节省的，但 在开工、操作和控制方面会带来一定的困难，而且也会增加 设备投资费，所以应当权衡利弊。
第7章 过程系统集成
7.1 过程系统能量集成
过程系统能量集成：以合理利用能量为目标的全过程系统综合 问题，它从总体上考虑过程中能量的供求关系以及过程结构、 操作参数的调优处理，达到全过程系统能量的优化综合。
说明：集成时增加了系统中各单元设备间的耦合关系，某些参 数的扰动会在系统内部扩散、放大，给操作控制带来困难，所 以要求系统具有一定的柔性。 7.1.1 蒸馏过程与过程系统的能量集成 （1） 蒸馏塔在系统中的合理设置
⑥ 公用工程子系统
在过程用能一致性原则中，将公用工程子系统中的流股也看成 相当的冷、热流股，而且将其与其它子系统同时考虑，综合考 虑各级别蒸汽用量。
（2）过程流股的提取及参数的确定
1）过程流股的提取
① 过程系统中与工艺物流匹配换热或与公用工程流股匹配换 热的所有工艺流股应提取作为参与过程夹点分析的流股。
调优策略的原则： 设法增大夹点上方总的热流股的热负荷，减 少总的冷流股的热负荷，设法减少夹点下方总的热流股的热负 荷，增大总的冷流股的热负荷。即所谓的“加减原理”。
（1） 过程用能的一致性原则 利用热力学原理，把反应、分离、换热、热机、热泵等过程的 用能特性抽提出来，通过把单元所需的功、热以及单元中能流 的变化转化为相当的换热网络中的冷、热流股，从用能本质的 角度上一致起来，转化为换热网络中的冷、热流股的匹配。
直接蒸汽压缩式热泵
采用辅助介质的热泵精馏 ◆ 塔顶蒸汽不适于直接压缩时采用。 ◆ 常用辅助介质：水、氨。
对辅助介质的基本要求： ① 蒸汽在一合适的压力下冷凝温度要高于精馏塔塔底釜液 泡点温度； ② 液相在一合适压力下蒸发的温度要低于精馏塔塔顶蒸汽 露点温度； ③ 价格、安全性、腐蚀性、热稳定性及对环境的影响。
结论：热机不穿越夹点的设置，是有效的热集成。
② 热泵的合理放置 结论：热泵穿越夹点的设置是有效热集成。
(2) 热机在热集成过程中热负荷及温位的限制 温位的限制： 不能使热级联中间的热负荷出现负值。
热负荷的限制: 超出热回收级联 所需公用工程加 热负荷部分的功 与热机单独操作 时相同。
7.1.3 夹点分析在过程系统能量集成中的应用
（2） 蒸馏过程与过程系统的能量集成方法
① 复杂塔与热耦合塔
复杂塔 — 多股进料和多侧线出料。即可节省能源，又可以节省 设备投资，是有效的热集成。
热耦合塔—可以节省能源20％～30%。
说明：按照分离序列设计的工作顺序，还是首先考虑采用简单塔， 然后再考虑是否能实行热集成，最后才考虑采用复杂塔及热耦合 方案，这样处理是出于对系统的总费用以及操作、控制和安全等 因素的综合考虑。 ② 多效蒸馏
以提高系统热回收； ⅱ 提高C-201、C-202以及C-204塔的操作压力，以改变系统夹
点的位置，实现系统内的热集成，包括：C-201塔与C-205B 进行热集成；C-204塔与C-205C进行热集成；C-202塔顶蒸 汽热量的回收。 ⅲ 对系统换热流程重新匹配，以减小传热温差，提高热回收。
论证措施ⅱ的可行性： ① 将待参与热集成的塔从系统中分离出来
◆ 用A塔顶蒸汽作为B塔底
再沸器热源，使A的冷凝器
和B的再沸器合为一个换热
器。
A
B
◆ 加在塔A底部的热量在塔 A和B逐级使用。
◆ 调整操作参数（如操作压力），实现多效蒸馏。
百度文库
③ 采用中间再沸器或中间冷凝器 中间再沸器
好处：节省高品位热源。 代价：降低中间再沸器位置以下塔段的分离效果。
中间冷凝器
好处：节省低温冷却公用工程或提供比塔顶冷凝器温位更高 的热源。
不含C-205B，C的组合曲线
不含C-205B，C的总组合曲线
② 部分塔提压操作 提压操作的组合曲线
提压操作的总组合曲线
7.1.2 公用工程与过程系统的能量集成
热机：利用热能产生动力的装置。 热泵：利用动力而提供一定温度（不同于环境）的热能的装置。
(1) 热机、热泵在系统中的合理放置 ① 热机的合理放置
① 换热器 ② 蒸馏塔
③ 反应器
④ 热机
入口汽-冷流股
朗肯循环温-焓图
乏汽-热流股 热机用能的当量图
⑤ 热泵
从热力学角度分析，在封闭循环中，循环介质在蒸发器中从 外界环境吸收热量，相当于一条冷工艺流股，而在冷凝器中 将其作为热源用于加热其它工艺流股，减少热公用工程用量， 相当于一条热工艺流股。
① 蒸馏塔在T-H图上的表示
再沸器
蒸馏塔
蒸馏塔在T-H图上表示
② 蒸馏塔在系统中的合理放置
蒸馏塔穿越夹点的放置 特点：夹点上方取热，夹点下 方放热，公用工程的冷、热负 荷均增加，与过程是否集成， 所用能量相同，不能节省能量。
蒸馏塔设在夹点上方
特点：若再沸器热量取自 工艺物流，冷凝器热量排 放于低温工艺物流，节能。
代价：中间冷凝器位置下方塔段的分离能力被削弱。
④ 采用热泵技术
热泵技术：通过外部输入能量做功来提高精馏塔顶蒸汽的温位， 再返回塔底以满足再沸器加热的需要。
应用热泵的适宜条件 a. 有低价的热源，如过程中过剩的低压蒸汽或热水。 b. 具有足够低温的冷却水。 c. 精馏塔塔顶与塔底之间的温度差不超过40 ºC。 d.尤其适用于分离沸点接近的、分离要求高的大型精馏装置。
工程应用实例：合成乙醇装置的能量集成
过程系统的组合曲线
过程系统的总组合曲线
系统用能薄弱环节： ⅰ 多数需要冷却或加热的物流均采用公用工程冷却或加热，
热量未得到回收。 ⅱ 传热温差过大，有效能损失大。 ⅲ 系统夹点温度低，夹点下方热量难以回收。
针对以上的分析，提出以下改造措施： ⅰ 减小反应器入口原料气与反应器出口气体换热的传热温差，
蒸馏塔设于夹点下方
特点：若再沸器热量取自 工艺物流，冷凝器热量用 于加热低温工艺物流，节 能。
结论： （a）蒸馏塔与过程系统热集成时，蒸馏塔穿越夹点是无效的
热集成； （b）蒸馏塔完全在夹点上方或完全在夹点下方均是有效的热
集成。 说明：蒸馏塔与过程系统热集成，在能量方面是节省的，但 在开工、操作和控制方面会带来一定的困难，而且也会增加 设备投资费，所以应当权衡利弊。
第7章 过程系统集成
7.1 过程系统能量集成
过程系统能量集成：以合理利用能量为目标的全过程系统综合 问题，它从总体上考虑过程中能量的供求关系以及过程结构、 操作参数的调优处理，达到全过程系统能量的优化综合。
说明：集成时增加了系统中各单元设备间的耦合关系，某些参 数的扰动会在系统内部扩散、放大，给操作控制带来困难，所 以要求系统具有一定的柔性。 7.1.1 蒸馏过程与过程系统的能量集成 （1） 蒸馏塔在系统中的合理设置
⑥ 公用工程子系统
在过程用能一致性原则中，将公用工程子系统中的流股也看成 相当的冷、热流股，而且将其与其它子系统同时考虑，综合考 虑各级别蒸汽用量。
（2）过程流股的提取及参数的确定
1）过程流股的提取
① 过程系统中与工艺物流匹配换热或与公用工程流股匹配换 热的所有工艺流股应提取作为参与过程夹点分析的流股。