常壓蒸餾裝置低溫余熱的熱物流控制研究

常壓蒸餾裝置低溫余熱的熱物流控制研究

在回收和利用低溫盈余時(shí)，應(yīng)進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)，以盡可能多地回收熱量，以減少公共工程的消耗。在眾多的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法中,由英國(guó)學(xué)者Linnhoff等為代表提出的夾點(diǎn)技術(shù)簡(jiǎn)便實(shí)用,應(yīng)用最為廣泛。確定夾點(diǎn)的常用方法有兩種:溫焓圖以及問(wèn)題表格法。當(dāng)物流較多時(shí),用復(fù)合溫焓線(xiàn)復(fù)雜,不準(zhǔn)確,此時(shí)常用問(wèn)題表格來(lái)精確計(jì)算夾點(diǎn)。然而,對(duì)煉油企業(yè)進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí),通常會(huì)遇到相變物流,相變過(guò)程溫度不變,焓值增加,相變潛熱較大,且與液相段及氣相段的熱容流率及傳熱膜系數(shù)相差很大。而用傳統(tǒng)的問(wèn)題表格法一般不考慮相變,導(dǎo)致結(jié)果誤差較大,因此為準(zhǔn)確設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò),解決物流在換熱過(guò)程產(chǎn)生的相變化問(wèn)題是十分必要的,而目前,對(duì)于利用問(wèn)題表格確定夾點(diǎn)時(shí)存在相變物流的研究較少。本文擬對(duì)存在相變物流的問(wèn)題表格法進(jìn)行研究,提出相應(yīng)的處理方法,并應(yīng)用于煉油企業(yè)低溫余熱回收換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中,為低溫余熱回收利用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供可參考的依據(jù)。1夾點(diǎn)方法的設(shè)計(jì)夾點(diǎn)技術(shù)(pinchtechnology)是以熱力學(xué)為基礎(chǔ),從宏觀(guān)的角度分析過(guò)程系統(tǒng)中能量流沿溫度的分布,從中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)用能“瓶頸”所在,并給以“解瓶頸”的一種方法。夾點(diǎn)將換熱網(wǎng)絡(luò)分為夾點(diǎn)之上和夾點(diǎn)之下兩部分,夾點(diǎn)之上是熱阱,只有換熱和加熱公用工程,沒(méi)有任何熱量流出;夾點(diǎn)之下是熱源,只有換熱和冷卻公用工程,沒(méi)有任何熱量流入。夾點(diǎn)方法的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是:(1)不要有跨越夾點(diǎn)的傳熱;(2)夾點(diǎn)之上不要有任何公用工程冷卻器;(3)夾點(diǎn)之下不要有任何公用工程加熱器。為達(dá)到最小加熱和冷卻公用工程量。在夾點(diǎn)設(shè)計(jì)中,物流的匹配應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則:(1)物流數(shù)目準(zhǔn)則。夾點(diǎn)之上,熱物流的數(shù)目NH不大于冷物流的數(shù)目NC;夾點(diǎn)之下,熱物流的數(shù)目NH不小于冷物流的數(shù)目NC。(2)熱容流率準(zhǔn)則。夾點(diǎn)之上,熱物流的熱容流率CPH不大于冷物流的熱容流率CPC;夾點(diǎn)之下,熱物流的熱容流率不小于冷物流的熱容流率。(3)最大換熱負(fù)荷準(zhǔn)則。為保證最小數(shù)目的換熱單元,每一次匹配應(yīng)換完兩股物流中的一股。如果夾點(diǎn)處的實(shí)際物流數(shù)目和熱容流率不能滿(mǎn)足上述準(zhǔn)則,則通過(guò)分流來(lái)滿(mǎn)足該準(zhǔn)則;而在遠(yuǎn)離夾點(diǎn)處,只要溫度許可,物流可逐次進(jìn)行匹配,不必遵循以上準(zhǔn)則。2網(wǎng)絡(luò)發(fā)熱設(shè)計(jì)2.1污水回用干燥以某常壓蒸餾中試裝置為研究對(duì)象,運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)品經(jīng)簡(jiǎn)單換熱后運(yùn)輸?shù)较掠翁幚韱卧?。具體參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可以看出,本裝置有4股熱物流,總的低溫余熱大約有63.68MW,目前這些低溫余熱通過(guò)冷卻水冷卻直接排放,既浪費(fèi)能源,又對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了熱污染。來(lái)自其他裝置的含硫污水送入污水汽提裝置進(jìn)行脫除酸性氣體,為了更好地實(shí)現(xiàn)脫除酸性氣體,該物流在進(jìn)入汽提裝置前需加熱至一定溫度;另外一股物流為25℃的熱媒水需要加熱至100℃并得到蒸汽,最終100℃的蒸汽作為濃縮電脫鹽污水的驅(qū)動(dòng)熱源。熱媒水從25℃加熱升溫并最終轉(zhuǎn)化為100℃的蒸汽,這個(gè)過(guò)程涉及相變化。冷物流的具體參數(shù)見(jiàn)表2。2.2熱穩(wěn)定性物流的溫圖分析冷物流可知,冷物流的熱媒水在換熱過(guò)程中涉及到相變化,而在利用問(wèn)題表格確定夾點(diǎn)時(shí),溫度段的劃分是根據(jù)物流的進(jìn)出口溫度決定的,但處于相變過(guò)程的物流,是沒(méi)有溫度變化的,即初始溫度和目標(biāo)溫度一樣,但相變過(guò)程卻包含著相變潛熱,并且這部分熱量很大,如果直接用問(wèn)題表格進(jìn)行計(jì)算,由于進(jìn)出口溫差為零,無(wú)法計(jì)算物流的熱容流率,就會(huì)出現(xiàn)計(jì)算不收斂或錯(cuò)誤的情況,因此,存在相變物流時(shí),如何對(duì)相變物流進(jìn)行處理將是問(wèn)題表格法確定夾點(diǎn)的關(guān)鍵。發(fā)生相變時(shí),如果是純物質(zhì)汽化或是冷凝,則T-H線(xiàn)為一水平線(xiàn);如果是混合物汽化或冷凝時(shí),其溫度變化范圍在泡點(diǎn)和露點(diǎn)之間,T-H線(xiàn)與相圖有關(guān),本文只討論純物質(zhì)的相變。冷熱物流的溫焓圖見(jiàn)圖1,單純的溫變過(guò)程在溫焓圖中表現(xiàn)為一條直線(xiàn),如圖1中的Ⅰ所示。相變過(guò)程在溫焓圖中的表示有8種形式,兩種情況。(1)單純相變過(guò)程在溫焓圖中表現(xiàn)為一水平段,如圖1中的Ⅱ所示。(2)溫變過(guò)程伴隨著相變過(guò)程在圖中表現(xiàn)為比單純的溫變過(guò)程多了一水平段,如圖1中的Ⅲ所示。相變物流的具體處理方法如下:以冷物流為例,物流不存在相變化時(shí)在問(wèn)題表格中溫度劃分時(shí)一般只用一條從初始溫度到目標(biāo)溫度的一條直線(xiàn)來(lái)表示,然而若冷物流某段發(fā)生相變化時(shí),采用同樣的方式處理,會(huì)由于忽略了液相段和汽相段的比熱容、熱容流率和傳熱的差別,以及相變潛熱的存在等方面的影響,而導(dǎo)致錯(cuò)誤結(jié)果的出現(xiàn)。對(duì)有相變化的物流應(yīng)該分成液相段,相變段和汽相段進(jìn)行考慮,液相段和汽相段的處理和單純的溫變過(guò)程相同;對(duì)相變區(qū)間,可以采取將出口溫度比入口溫度提高1℃,將其放入汽相段進(jìn)行處理,如圖2中的Ⅰ所示。溫焓圖中表示的冷物流在加熱過(guò)程在T2溫度發(fā)生相變化,為了在問(wèn)題表格中體現(xiàn)出物流存在相變化,較好的辦法是此物流分別在三個(gè)溫區(qū)內(nèi)處理,其中發(fā)生相變的過(guò)程采用T2～(T2+1)℃的溫區(qū)(即溫差為1℃)表示,此溫區(qū)間的熱量為此物流的相變熱,然后再進(jìn)行問(wèn)題表格的下一步計(jì)算。同理,當(dāng)熱物流發(fā)生相變時(shí),可以采取將出口溫度比入口溫度降低1℃的方式進(jìn)行處理,將其放入液相段進(jìn)行處理,如圖2中Ⅱ的所示。2.3系統(tǒng)熱風(fēng)物流設(shè)計(jì)利用問(wèn)題表格確定夾點(diǎn)時(shí),由于熱媒水涉及到相變化過(guò)程,因此處理熱媒水時(shí)將其分成兩股物流來(lái)分析,其中一股為熱媒水從25℃加熱升高到100℃;另外一股為100℃的熱媒水轉(zhuǎn)化為100℃的蒸汽時(shí),這部分涉及相變化,采取進(jìn)口溫度為100℃,出口溫度為101℃,此溫區(qū)的熱量為水變?yōu)檎羝钠瘽摕?。重新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)冷熱物流參數(shù)見(jiàn)表3。最小傳熱溫差通常為10～20℃,取ΔTmin為15℃時(shí),對(duì)物流劃分溫區(qū)見(jiàn)圖3。根據(jù)問(wèn)題表格的步驟對(duì)各溫區(qū)進(jìn)行熱量衡算得到,溫區(qū)3和溫區(qū)4之間的熱通量為零,此處就是夾點(diǎn),即夾點(diǎn)在平均溫度107.5℃(熱物流溫度為115℃,冷物流溫度為100℃)處。換熱網(wǎng)絡(luò)所需的最小公用工程加熱負(fù)荷為57.87MW,所需的最小公用工程冷卻負(fù)荷為38.09MW。2.4為加熱網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建加熱網(wǎng)絡(luò)(1)熱利用與冷卻夾點(diǎn)之上:熱物流兩股,冷物流一股,不滿(mǎn)足物流數(shù)目準(zhǔn)則,為滿(mǎn)足物流數(shù)目準(zhǔn)則將冷物流分為兩股。根據(jù)熱容流率準(zhǔn)則、最大換熱負(fù)荷準(zhǔn)則,匹配的結(jié)果及一些數(shù)據(jù)如圖4中的Ⅰ所示。熱媒水由100℃汽化時(shí)可以利用常二線(xiàn)的4.70MW和常三線(xiàn)的3.29MW的熱量,不足的部分可以用公用工程(57.87MW)來(lái)加熱。夾點(diǎn)之下:熱物流有四股,冷物流兩股,根據(jù)熱容流率準(zhǔn)則和最大換熱負(fù)荷準(zhǔn)則匹配的結(jié)果如圖4中的Ⅱ所示。常三線(xiàn)的9.19MW的熱量加熱熱媒水使其從25℃升高到100℃,剩下的1.99MW的熱量用冷卻器冷卻。把塔頂油氣的8.40MW的熱量傳給汽提污水,這部分熱量把汽提污水由50℃加熱到90℃,余下的9.39MW的熱量用冷卻器冷卻。常一線(xiàn)和常二線(xiàn)用冷卻器冷卻到目標(biāo)溫度。(2)冷卻器+加熱器將夾點(diǎn)之上與夾點(diǎn)之下的換熱網(wǎng)絡(luò)在夾點(diǎn)處連接起來(lái),得到綜合的換熱網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖5,其中:C1～C4為冷卻器;H1為加熱器;1,2為換熱器編號(hào)。3相變區(qū)間的確定(1)采用問(wèn)題表格確定換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點(diǎn)時(shí),對(duì)于相變區(qū)間可以單獨(dú)處理。冷物流的相變區(qū)間可以采取出口溫度比入口溫度提高1℃的方式把其放在汽相段進(jìn)行處理,熱物流的相變區(qū)間可以采用出口溫度比入口溫度降低1℃的方式把其放在液相段進(jìn)行處理。(2)