三效蒸發(fā)系統(tǒng)第一效冷凝水熱量回收利用經(jīng)濟分析

1、三效蒸發(fā)系統(tǒng)第一效冷凝水熱量回收利用經(jīng)濟分析張及瑞 ,居蔭軒 ,張立強 ,趙景利(河北工業(yè)大學 ,天津 300130)摘要 :本文以年凈收益最大為目標函數(shù) ,考慮了回收熱量的價格及年設備折舊費用 ,針對碳酸鉀三效蒸發(fā)系統(tǒng)第一效冷凝水熱量回收利用的不同方案提出了經(jīng)濟分析 ,確定對第一效冷凝水利用的最 佳方案 ,取得顯著經(jīng)濟效益 。關鍵詞 :三效降膜蒸發(fā) ;熱量回收利用 ;價格 ;經(jīng)濟分析中圖分類號 : tk11 + 2文章編號 :1002 - 6339 (2004) 02 - 0022 - 03文獻標識碼 :aexergy economic optimization of recla iming

2、 and utilizing heat of thefirst effect condensate in three - effect falling eva porationzhang j i - rui ,ju yin - xuan ,zhang li - qiang ,zhao j ing - li( hebei university of technology ,tianjin 300130 ,china)abstract : in this paper ,taking the maximum net income per - year as object function and t

3、aking the exergy cost of re2claiming heat and the cost of equipment depreciation into account ,as to vary scheme of reclaiming heat of condensate that is from the first effect of three - effect falling evaporation system ,we adopt exergy economic optimization. as a re2 sult ,we find the best scheme

4、of utilizing heat of the first effect condensate .key words :three - effect falling evaporation system ;reclaiming and utilizing heat ;exergy economic optimization供了依據(jù) 。為此提出有關 值計算及 經(jīng)濟分析的基本方法 。0前言蒸發(fā)過程是大量耗能過程 , 為 了 節(jié) 省 能 源 , 常 采 用 多 效 蒸 發(fā) 。合理使用能源 ,提高能源利用率是多效蒸發(fā)過程中必須重視 的問題 。在多效蒸發(fā)系統(tǒng)中 , 由于第一效的冷凝水溫度 、壓力較 高

5、而具有較高的 值 ,將其直接排放造成較大的 損失 ,降低了系統(tǒng)的 效率 。對于第一效冷凝水的利用通常有不同的途徑 ,在1碳酸鉀三效蒸發(fā)系統(tǒng)工藝操作參數(shù)的給定計算示例以年產(chǎn) 1. 5 萬噸碳酸鉀生產(chǎn)為例 ,生產(chǎn)的成品率 65 % ,采用 生蒸汽壓力為 0. 6mpa ,冷凝器的壓力 0. 03mpa ,離子交換液濃度10 % ,完成液濃度 47 % , 進料溫度 100 , 每天生產(chǎn) 24h , 一年按300 天計算 。對于碳酸鉀溶液的蒸發(fā) , 取第一效傳熱系數(shù) k1 =2評價各種方案能量回收的價值方面 “,”的概念要比“能”更科學 、更全面 , 分析法是一種比較科學的能量分析方法 。但 值并非

6、能量的經(jīng)濟價值 。為進行經(jīng)濟效益的比較 ,需要對 值價值 化 。不同形態(tài)能量的單位 值不等價 ; 同一形態(tài)的能量在整個工 藝過程中的不同操作段也有不同的單位 的價值 。本文以碳酸鉀三效降膜蒸發(fā)系統(tǒng)為例 , 對第一效冷凝水熱量回收利用進行 經(jīng)濟分析 , 為優(yōu)化三效蒸發(fā)系統(tǒng)工藝路線提1500w(m2 ) ;第二效傳熱系數(shù) k = 1200w(m2 ) ;第三效22傳熱系數(shù) k3 = 900w(m ) 。采用三效降膜順流蒸發(fā)工藝 ,流程如圖 1 。1. 2 工藝操作參數(shù)的計算工藝操作參數(shù)的計算運用 c 語言編程進行計算 ,將文獻4 中蒸汽壓力 、溫度與汽化潛熱的關系定義函數(shù) data ( m , j

7、) , 該文 獻中的碳酸鉀濃度與沸點關系定義函數(shù) temp ( x) , 以數(shù)組存儲 , 查找時通過內(nèi)差法計算 ,保證了數(shù)據(jù)的準確性 。采用各效等傳熱量 、等傳熱面積的設計原則得到圖 1 所示流程的蒸發(fā)系統(tǒng)的設計收稿日期 2003 - 12 - 15修訂稿日期 2004 - 02 - 16作者簡介 : 張及瑞 ( 1964) ,男 ,河北工業(yè)大學化工學院過程裝備與控制系講師 ,學士學位 , 主要從事“化工過程傳熱的強化與優(yōu)化”方面研究與教學工作 。22 w = m1 cph ( t1 - t2 ) w以本文例可知 t1 = 158. 52 , t2 = 108. 61 ,m1 = 10799.

8、 46kgh 。由文獻4查得 cph = 4. 34kjkg , = 2233. 8kjkj ,代入 (4 - 1) 式計算 ,可得閃蒸量 w = 837. 39kgh 。4. 2 方案一的年凈收益由文獻5查得比焓及比熵的值代入式 (2 - 1) 計算可得閃 蒸產(chǎn)生蒸汽的比 為 570kjkg ,回收 的速度為 477312. 3kjh , 的價格仍按 1. 04 10 - 4 元 kj 計算 ,每天生產(chǎn) 24h ,年生產(chǎn) 300 天 , 閃蒸罐結(jié)構(gòu)簡單 ,一次性投資較少 ,本設計忽略閃蒸罐的年折舊費用 ,可以得到采用蒸汽閃蒸罐方案的年凈收益為 35. 7 萬元 。(4 - 1)圖 1 三效降

9、膜蒸發(fā)順流流程圖結(jié)果 ,見表 1 。表 1 程序設計計算結(jié)果效數(shù)序號123加熱蒸汽溫度 , 溶液沸點 , 二次蒸汽溫度 , 蒸發(fā)水量 ,kgh料液流量 ,kgh生蒸汽耗量 ,kgh158. 52134. 89134. 178132 . 4132051. 2810799. 46133 . 17110 . 14108 . 618583. 3223918 . 87107. 6177 . 3367 . 58516 . 6515335. 54冷凝水預熱器的優(yōu)化設計由于只用末效二次汽預熱后的離子交換液溫度僅為 62 , 比料液在第一效的沸點低 72. 89 。若將第一效冷凝水用于在二 次汽預熱后第二次預熱

10、料液 ,可以將料液預熱至更高的溫度 。預熱器兩側(cè)都為液相 ,無相變 ,由于管殼式換熱器設計較簡單 ,且易于制造維修 ,我們選用管殼式換熱器 ,采用逆流操作 ,由52值的價值化在進行 經(jīng)濟分析時 ,需將 價值化 ,由穩(wěn)流過程的熱力學第一定律形式 , 忽略過程動能和勢能的變化 , 可得到水 、水蒸氣2 為穩(wěn)流系統(tǒng)的物流文獻 可查得 兩側(cè)無相變的液相管殼式換熱器的換熱系數(shù)可取 1000wm2 。5. 1 設計變量的選取4,ex = ( h - h0 ) - t0 ( s - s 0 )(2 - 1)本文選取 t0 = 293. 15 k ,p0 = 0. 1mpa 為標準態(tài) ,按 (3 - 2) 式

11、計算一次蒸汽的比 值為 770kjkg。本文示例采用 0. 6mpa 的一次 蒸汽 ,一次蒸汽成本按 80 元 t 計 ,得到 的單價為 1. 04 10- 4 元kj 。以本文為例 ,由對末效二次汽預熱器 經(jīng)濟優(yōu)化結(jié)果可見 ,對原料液的第一次預熱最經(jīng)濟的溫度為 62 , 此溫度為冷凝水 預熱器冷側(cè)的進料溫度 ti ,熱側(cè)進口溫度 ti 為第一效冷凝水溫 度 158. 52 ,兩出口溫度待定 ,可將冷側(cè)流體出口溫度作為設計 變量 t ,熱側(cè)的出口溫度 t 可由熱量衡算得到 。5. 2 目標函數(shù)的選取選取年凈收益最大為目標函數(shù) 。年凈收益可表示為年回收 的 的價值與設備折舊費用之差 ?；厥盏?與

12、冷側(cè)吸收的熱量 和回收該熱量時的平均溫度有關 , 設備的折舊費用與換熱面積有關 。年凈收益可用下式表示 :3一效冷凝水熱量回收方案在多效蒸發(fā)系統(tǒng)中 , 對冷凝水的利用主要是研究對第一效冷凝水利用 。第一效冷凝水可以用泵打回鍋爐循環(huán)利用 ,可將其閃蒸出蒸汽而作為第二或第三效的加熱蒸汽 , 閃蒸后的水流回 鍋爐循環(huán)利用 。第一效冷凝水還可以用于預熱原料液 ,使第一效 料液的進口溫度接近沸點 。如用第一效冷凝水直接加熱原料液 , 由于冷熱流體的溫差較大 ,會引起較大的傳熱 損 ,可用三效的 二次汽先預熱原料液至一定溫度 , 再用第一效冷凝水預熱二次 汽已預熱的原料液 。因此可供選擇的方案有兩種 ,

13、方案一 : 采用 蒸汽閃蒸罐 , 閃蒸罐頂部與第三效加熱室相通 ; 方案二 : 采用管殼式換熱器預熱二次汽已預熱的原料液 。m0 = 24l 1 ex d - l 2 a(5 - 1)5. 3 變量的計算由熱量衡算 ,略去傳熱損失 ,冷側(cè)的吸熱量等于熱側(cè)的放熱量 ,則 q = f c ( t - ti ) = m1 cph ( ti -由上式可得到 t 與 t 及 ti 的關系 :t)(5 - 2)4冷凝水閃蒸罐的優(yōu)化若將第一效冷凝水減壓至第三效夾套中加熱蒸汽的壓力 , f c ( t - t i )(5 - 3)t = ti -m1 cph冷凝水的溫度高于該壓力下的沸點 ,有部分冷凝水閃蒸

14、,吸收熱量 ,冷凝水降溫 ,當達到該壓力下水的沸點時 ,閃蒸結(jié)束 ,閃蒸產(chǎn) 生的蒸汽可用于加熱第三效蒸發(fā)器 。4. 1 閃蒸量的計算冷凝水降溫放出的顯熱全部用于提供水閃蒸的汽化潛熱 ,又因為 q = k a tm式中對數(shù)平均溫差tm 可用下式求得 :(5 - 4) ( t - t i ) - ( ti - t)tm =(5 - 5)t - tiin t- ti23 6結(jié)論ia =(5 - 6)k t ( t - t ) - ( t - t)miik (1) 由以上的計算可以看到 ,若采用添加閃蒸罐的方法回收第一效冷凝水的 ,在不考慮閃蒸器的設備折舊費用時 ,年凈收 益為 34 萬元 ;若采用預

15、熱器回收 ,考慮管殼式換熱器的年折舊 費用后 , 經(jīng)濟優(yōu)化結(jié)果為年凈收益 45. 97 萬元 ,因此若將系統(tǒng) 產(chǎn)生的第一效冷凝水用于第二次預熱原料液 , 可取得更高的經(jīng) 濟效益 。(2) 采用末效二次汽預熱原料 , 在最經(jīng)濟的條件下 , 僅可將 原料液 預 熱 至 62 , 與 第 一 效 料 液 沸 點 134. 89 的 溫 差 為72. 89 ,如果不在進料前進行進一步的預熱 ,則在第一效蒸發(fā)器 中將有部分一次蒸汽用于預熱 ,消耗了高品質(zhì)的能量 ,同時第一 效蒸發(fā)器的有效面積減小 , 由文獻6可以看到 , 對于管外都為 蒸汽冷凝加熱 ,管內(nèi)為沸騰換熱的傳熱系數(shù)與過冷料液換熱的 傳熱系數(shù)相

16、關很大 , 提高進料溫度對提高第一效蒸發(fā)器總傳熱 系數(shù)效果顯著 。由以上分析可見 , 將蒸發(fā)系統(tǒng)第一效產(chǎn)生的冷凝水用于在 二次汽預熱后再次預熱原料液 ,或?qū)⑵溟W蒸 ,并將產(chǎn)生的蒸汽用 于第三效的加熱 ,二者比較前者是一種更經(jīng)濟的方法 。符號說明 :m0 年凈收益 ,元 yl 1 的單價 ,元 kj t - t iinti -t回收的熱流: t0 t0 t ex = q (1 - = f c ( t - ti ) (1 -)t in t)t -tmi i(5 - 7) t - t i式中 tm 為冷側(cè)的對數(shù)平均溫度 : tm =(5 - 8)in t ti將式 (5 - 6) 及 (5 - 7)

17、 代入式 (5 - 1) ,得到年凈收益的完整表達式為 t0 t m0 = k11 ( t - ti ) (1 - t in t ) -t -ii t - t i t - t it) in(5 - 9)k22 ( t - t ) - ( t -t - tii式中= 24 d l 1 f c= l 2 f ckk11k225. 4 優(yōu)化方法幾及搜索區(qū)間的確定該問題為單變量的優(yōu)化問題 , 采用黃金分割法或函數(shù)逼近 法可得到比較滿意的結(jié)果 。本文采用黃金分割法 。用 c 語言編程 進行優(yōu)化計算 。探索區(qū)間的確定 :該換熱器采用逆流操作 ,由工程實踐經(jīng)驗 ,對于無相變的換 熱器 ,熱側(cè)的出口溫度應比冷

18、側(cè)的進口溫度高 10 ,因此取冷凝 水的出口溫度最低 72 ,由式 (5 - 2) 可以計算得到冷側(cè)出口溫 度上限為 91. 55 。冷 側(cè) 出 口 溫 度 的 下 限 為 料 液 的 進 口 溫 度62 ,故取搜索區(qū)間為 62 ,91. 55 。5. 5 優(yōu)化結(jié)果以本文示例 ,對于我們設計的碳酸鉀三效蒸發(fā)系統(tǒng) ,經(jīng)優(yōu)化 添加末效二次汽預熱器后 ,料液溫度達到 62 ,比熱近似按水計 算 ,平均溫度下為 4. 20kj( kg ) ,熱側(cè)冷凝水取其平均溫度下 比熱為 4. 258kj( kg ) ,單位換熱面積的投資費用按 1800 元計 算 ,設計使用壽命為 10 年 ,故設備的年折舊費用為 180 元 ,換熱系 數(shù)取 1000w(m2 ) , 的價格按 1. 04 10 - 4 元 kj 計算 ,環(huán)境溫 度 t0 = 20 。將各已知量代入優(yōu)化程序 ,得到以下優(yōu)化結(jié)果 :(1) 離子交換液 : 流量 32051kgh , 進口溫度 62 , 出口溫度91 ;(2) 第一效冷凝水 :流量 10799kgh ,進口溫度