考慮產(chǎn)汽的延遲焦化裝置分餾與換熱過(guò)程集成優(yōu)化

雷 楊,陳曉忠,張冰劍,陳清林

(中山大學(xué) 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院 低碳化學(xué)與過(guò)程節(jié)能廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510275)

考慮產(chǎn)汽的延遲焦化裝置分餾與換熱過(guò)程集成優(yōu)化

雷 楊,陳曉忠,張冰劍,陳清林

(中山大學(xué) 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院 低碳化學(xué)與過(guò)程節(jié)能廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510275)

分餾、換熱過(guò)程和公用工程三者的整體集成對(duì)于延遲焦化裝置的用能優(yōu)化極為關(guān)鍵。在分餾與換熱過(guò)程的集成中,考慮以復(fù)雜分餾塔的取熱作為關(guān)鍵耦合變量,建立基于換熱網(wǎng)絡(luò)分級(jí)超結(jié)構(gòu)的集成優(yōu)化模型(混合整數(shù)非線(xiàn)性模型)。從理論上探討通過(guò)發(fā)生不同等級(jí)的蒸汽進(jìn)一步強(qiáng)化熱量回收,優(yōu)化裝置的產(chǎn)汽等級(jí)和產(chǎn)汽量,從而提高裝置的整體用能效率和經(jīng)濟(jì)效益。在案例研究中,對(duì)3個(gè)優(yōu)化層次,即不考慮產(chǎn)汽、考慮產(chǎn)汽的孤立優(yōu)化和考慮產(chǎn)汽的多系統(tǒng)集成的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明,考慮產(chǎn)汽的孤立優(yōu)化、考慮產(chǎn)汽的多系統(tǒng)集成這兩個(gè)優(yōu)化層次比不考慮產(chǎn)汽優(yōu)化層次的年度總費(fèi)用分別降低0.2×106RMB/a和3.2×106RMB/a,考慮產(chǎn)汽的集成優(yōu)化結(jié)果更優(yōu)。模型可揭示和辨識(shí)不同過(guò)程間的相互作用關(guān)系。

延遲焦化；分餾；換熱網(wǎng)絡(luò)；產(chǎn)汽；集成優(yōu)化

換熱網(wǎng)絡(luò)(Heat exchanger network,HEN)的研究重點(diǎn)集中在對(duì)已知過(guò)程物流信息(熱負(fù)荷、起始溫度和目標(biāo)溫度)的HEN進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)改進(jìn)。但對(duì)于實(shí)際工業(yè)過(guò)程,過(guò)程物流信息并非固定不變[1],通常涉及兩種情況。一是操作參數(shù)的周期性變化或者外界條件的不確定性改變[2-3],多周期柔性HEN的研究可辨識(shí)不同參數(shù)間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)；二是受工藝過(guò)程改進(jìn)或調(diào)整的影響導(dǎo)致冷熱物流數(shù)據(jù)變化[4-5],柔性的HEN可以保持系統(tǒng)的可操作性和優(yōu)化狀態(tài)[6]。Verheyen和Zhang[7]綜述了多周期操作下柔性HEN的設(shè)計(jì)方法。但考慮分餾過(guò)程工藝參數(shù)和工藝物流產(chǎn)汽參數(shù)變化影響HEN的研究鮮有報(bào)道,因此開(kāi)展分餾、換熱及公用工程的集成研究具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

延遲焦化是重要的原油二次加工手段,是煉油企業(yè)實(shí)現(xiàn)渣油平衡的重要路線(xiàn)之一,涵蓋反應(yīng)、分離、物流循環(huán)等基本化工工藝過(guò)程。分餾系統(tǒng)中物流溫度范圍廣,且塔器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,與HEN關(guān)聯(lián)性強(qiáng)。目前,針對(duì)該裝置的HEN研究主要集中在基于熱力學(xué)方法的用能改進(jìn)[8-9]和基于數(shù)學(xué)建模的HEN優(yōu)化[10-11]。前者以熱力學(xué)效率為目標(biāo),較少考慮換熱器投資費(fèi)用等的影響；后者考慮了能耗與投資權(quán)衡,轉(zhuǎn)換連結(jié)不同過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)的模型屬性(參量或變量),可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成優(yōu)化。

考慮到分餾過(guò)程調(diào)整[12]和裝置工藝物流自產(chǎn)蒸汽狀況對(duì)HEN優(yōu)化潛在的影響,筆者提出將復(fù)雜分餾塔取熱參數(shù)作為分餾與換熱過(guò)程的耦合變量,建立集成優(yōu)化模型。同時(shí),提出適用于一般性HEN優(yōu)化模型的兩點(diǎn)修正,即傳熱溫差復(fù)合計(jì)算方法及含有虛擬組成的復(fù)雜混合物的熱容表示方法[11]。在此基礎(chǔ)上,考慮工藝物流產(chǎn)汽影響,通過(guò)發(fā)生不同等級(jí)的蒸汽強(qiáng)化熱量回收,優(yōu)化裝置的產(chǎn)汽等級(jí)和產(chǎn)汽量,從而有效實(shí)現(xiàn)分餾、換熱與公用工程三者的集成優(yōu)化。

1 HEN集成優(yōu)化中的問(wèn)題描述

復(fù)雜分餾塔存在多中段回流取熱及多側(cè)線(xiàn)產(chǎn)品抽出。循環(huán)取熱、產(chǎn)品物流及進(jìn)料物流構(gòu)成了HEN的冷、熱物流,將復(fù)雜分餾塔及相應(yīng)的HEN定義為一個(gè)集成系統(tǒng),如圖1所示。

蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)(Steam power system,SPS)是公用工程系統(tǒng)的重要組成部分,主要為核心工藝過(guò)程提供所需的電、熱量及各種等級(jí)的蒸汽[13]。目前,針對(duì)SPS的研究主要是,在確定或不確定的蒸汽平衡約束下,以單目標(biāo)或者多目標(biāo)為決策準(zhǔn)則,單獨(dú)或同步優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)；但對(duì)SPS與HEN的連結(jié)關(guān)系及相互作用考慮不夠,如圖2所示。HEN在一定程度上影響系統(tǒng)蒸汽平衡[14],導(dǎo)致SPS優(yōu)化邊界變化。

圖1 分餾與換熱過(guò)程的集成系統(tǒng)

圖2 HEN與SPS之間關(guān)系簡(jiǎn)圖

集成公用工程物流到分餾與換熱過(guò)程,如圖3所示。發(fā)汽給水在分餾與換熱系統(tǒng)中變換為多種等級(jí)的蒸汽,構(gòu)成筆者研究的集成系統(tǒng)。描述所研究的集成系統(tǒng)建模與優(yōu)化問(wèn)題,主要涉及以下方面。

(1) 集成系統(tǒng)包括分餾、換熱、發(fā)汽等過(guò)程。

(2) 除氧水變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽的過(guò)程中相變所需熱量在HEN中獲得。

(3) 系統(tǒng)物流類(lèi)型包括進(jìn)料、產(chǎn)品、循環(huán)以及公用工程物流。

(4) 公用工程物流定義為除氧水和多種等級(jí)的蒸汽。蒸汽等級(jí)由系統(tǒng)管網(wǎng)的壓力確定。

(5) 發(fā)生的蒸汽作為過(guò)程的副產(chǎn)品,在年度總費(fèi)用(TAC)中作為收益扣除。

(6) 考慮到能量梯級(jí)利用,假定每條熱物流最多發(fā)生某特定等級(jí)的蒸汽1次。每股公用工程物流與熱物流至多換熱1次。

圖3 被研究的換熱集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2 HEN集成優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型

2.1 基礎(chǔ)模型

區(qū)別常規(guī)分級(jí)超結(jié)構(gòu)換熱網(wǎng)絡(luò)模型[11,15],由于引入了發(fā)汽物流,需對(duì)冷物流進(jìn)行分類(lèi)定義。公用工程物流按照壓力等級(jí)(Steam leveln,Sn)的不同分為若干子集,如式(1)所示。冷物流可劃分為過(guò)程物流S0(j)和n種壓力等級(jí)的蒸汽物流Sn(j),其中,Sn(j)的起始和目標(biāo)溫度可定義為對(duì)應(yīng)TSAT的上下整數(shù)溫度。

SC={S0,S1,S2…Sn}

(1)

以年度總費(fèi)用(TAC)為目標(biāo)函數(shù),結(jié)合問(wèn)題描述5,式中包含發(fā)蒸汽的效益,如式(2)所示。

(2)

部分約束條件參考文獻(xiàn)[10]的式(2)～式(8)。相關(guān)變量邊界約束如式(3)所示。

(3)

為避免除數(shù)為零,計(jì)算傳熱溫差時(shí)采用近似計(jì)算方法[15]。為使結(jié)果更接近實(shí)際,改進(jìn)傳熱溫差的計(jì)算,即當(dāng)冷端和熱端的傳熱溫差幾乎相等時(shí),采用Chen近似方法計(jì)算傳熱溫差；相反,則采用對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算。引入布爾變量可在模型中實(shí)現(xiàn)上述復(fù)合計(jì)算[11],如式(4)所示。式(4)含雙線(xiàn)性項(xiàng),不利于求解,其可變換為式(5)。

(4)

(5)

為反映物流真實(shí)熱性質(zhì),利用最小二乘法擬合多項(xiàng)式表示物流熱容和對(duì)應(yīng)溫度的關(guān)系。物流的熱容流率表示為式(6),也可表示為矩陣形式,見(jiàn)式(7)。

(6)

CP=A·T·F

(7)

式(7)中,

CP=(CP1,CP2,…,CPm)T

(8)

(9)

T=(Tn,Tn-1,…,T,1)T

(10)

F=(F1,F2,…,Fm)T

(11)

計(jì)算熱負(fù)荷的積分形式如式(12)～(15)所示。

(12)

(13)

(14)

(15)

該集成系統(tǒng)熱物流包括循環(huán)取熱和產(chǎn)品物流,如式(16)所示。僅含循環(huán)取熱時(shí),FP,i為零；僅含產(chǎn)品時(shí),FPA,i為零。

Fi=FPA,i+FP,i

(16)

2.2 取熱約束

集合iP表示循環(huán)取熱物流,取熱不等式約束為式(17)。

(17)

式(17)中最后一項(xiàng)為等式,表示總?cè)崃恳欢ā?/p>

集成取熱約束到模型中,式(17)變換為式(18)。循環(huán)取熱物流參數(shù)邊界為式(19)。

(18)

(19)

2.3 集成公用工程

各壓力等級(jí)發(fā)汽量滿(mǎn)足式(20)。

Fj.lo≤Fj≤Fj.up,j∈Sn

(20)

由問(wèn)題描述6可知,每股熱物流與某一壓力等級(jí)公用工程物流至多換熱一次,即有式(21)的關(guān)系。

(21)

每一壓力等級(jí)公用工程物流與熱物流至多換熱一次,即有式(22)的關(guān)系。

(22)

基于式(21)和式(22),某一壓力等級(jí)(Sn)公用工程物流數(shù)為熱物流數(shù)目之和。

公用工程物流溫度限制如式(23)所示。

TINj≤tj,NOK+1,j∈SCk∈ST

(23)

為保證公用工程物流一次性換熱到飽和溫度以上,滿(mǎn)足式(24)的關(guān)系。

tj,k+(TOUTj-TINj)Zi,j,k≤tj,k+1,j∈SCk∈ST

(24)

集合取熱約束方程組,構(gòu)成了考慮產(chǎn)汽的分餾與換熱集成系統(tǒng)的混合整數(shù)非線(xiàn)性規(guī)劃(MINLP)優(yōu)化模型。

3 HEN集成優(yōu)化的案例研究

以國(guó)內(nèi)某1.2 Mt/a的延遲焦化裝置為例,復(fù)雜分餾塔和相應(yīng)HEN集成系統(tǒng)如圖4所示。復(fù)雜分餾塔將高溫反應(yīng)油氣分離為不同餾分。減壓渣油作為冷物流在HEN中通過(guò)與產(chǎn)品和循環(huán)取熱等熱物流換熱升溫。

該系統(tǒng)進(jìn)料包括物流F1、F2和F3。其中物流F2和F3無(wú)需加熱。物流F1需要加熱到反應(yīng)溫度。產(chǎn)品物流包括P1、P2、P3和進(jìn)入焦化加熱爐的物流。分餾塔頂物流產(chǎn)品P1的溫位較低,通常被直接冷卻或進(jìn)入低溫?zé)嵯到y(tǒng),故冷熱物流中不含P1。進(jìn)入換熱網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程冷熱物流包括F1、PA1、PA2、PA3、PA4、P2和P3。

圖4 HEN集成優(yōu)化的案例簡(jiǎn)圖

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

在流程模擬軟件PRO/II中建立分餾塔穩(wěn)態(tài)模擬模型[16],得到塔的操作條件和部分參數(shù)。由圖4辨識(shí)系統(tǒng)中的冷熱物流,結(jié)果列于表1,部分關(guān)鍵參數(shù)的邊界約束列于表2,取熱約束列于表3[12]。

表1 由圖4得到的物流識(shí)別

表2 相應(yīng)物流的關(guān)鍵參數(shù)的邊界條件

表3 取熱約束

以節(jié)能為目標(biāo)的啟發(fā)式規(guī)則認(rèn)為取熱循環(huán)的返塔溫度越高越利于節(jié)能。表4為極限狀態(tài)下依據(jù)啟發(fā)式規(guī)則確定的取熱,取熱物流的返塔溫度為表2中的上限值。

表4 極限取熱和啟發(fā)式設(shè)計(jì)規(guī)則下的物流數(shù)據(jù)

過(guò)程物流的熱容流率和對(duì)應(yīng)溫度的關(guān)系如圖5所示。物流1和2表示H1和H2,物流3表示H3和H5,物流4表示H4和H6,物流5表示C1。

圖5 實(shí)例中物流的擬合曲線(xiàn)

基于圖5,得到矩陣式(25)。

(25)

圖6為0.35 MPa、1.0 MPa和3.5 MPa蒸汽發(fā)生過(guò)程的溫-焓曲線(xiàn)[17]。僅考慮相變過(guò)程,對(duì)應(yīng)式(6),得到產(chǎn)汽過(guò)程的熱容函數(shù)關(guān)系,如式(26)所示。

(26)

假設(shè)回收期pt=1 a、加熱爐熱效率η=90%、年操作時(shí)間h=8400 h、最小傳熱溫差ε=10℃、冷卻水進(jìn)口溫度TINCU=20℃、出口溫度TOUTCU=30℃、所有物流膜傳熱系數(shù)為100 W/(m2·℃)。換熱器的設(shè)備費(fèi)用如式(27)所示。

COST=CF+C·(Area)B

(27)

式(27)中,CF為固定費(fèi)用,5500 RMB；C為換熱器費(fèi)用系數(shù),3000 RMB/m2；B為面積費(fèi)用因子,1。

冷熱公用工程費(fèi)用分別為CCU=0.0252 RMB/(kW·h)、CHU=0.55 RMB/(kW·h)。3種等級(jí)蒸汽價(jià)格為CS1=0.224 RMB/(kW·h)、CS2=0.276 RMB/(kW·h)、CS3=0.328 RMB/(kW·h)。對(duì)應(yīng)的起始和目標(biāo)溫度分別在138～140℃、179～181℃和242～244℃范圍。

考慮到工藝裝置與蒸汽系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)、相互影響,實(shí)際工程中存在裝置內(nèi)工藝產(chǎn)蒸汽并入系統(tǒng)管網(wǎng)難以平衡等問(wèn)題。筆者僅從理論上研究裝置內(nèi)部分餾與換熱集成的情況下考慮工藝物流發(fā)汽帶來(lái)的潛在節(jié)能機(jī)會(huì),模型中各等級(jí)蒸汽發(fā)汽量的約束設(shè)為大于等于零的邏輯性約束。

3.2 計(jì)算結(jié)果

定義3種優(yōu)化層次,即層次1—集成分餾與換熱過(guò)程,不考慮發(fā)汽；層次2—先集成分餾與換熱過(guò)程,后將直接冷卻的物流用于發(fā)汽；層次3—分餾、換熱及公用工程集成優(yōu)化。

3種層次的優(yōu)化均在相同硬件環(huán)境下(Windows XP,Core2 duo,1.59 GHz,RAM 2.00 GB)采用GAMS24.0求解。

層次1,2和3分別采用求解器SBB、DICOPT和DICOPT求解,各耗時(shí)20980、41和269 s,得到的HEN如圖7所示。層次2中發(fā)生0.35 MPa、1.0 MPa和3.5 MPa的蒸汽各0.02、0.20和0.11 t/h,回收180 kW熱量。層次3中發(fā)生0.35 MPa、1.0 MPa和3.5 MPa的蒸汽各0.24 t/h、7.46 t/h和0 t/h,回收4371 kW熱量。

圖7 3個(gè)層次的HEN優(yōu)化結(jié)構(gòu)

3.3 結(jié)果討論

3個(gè)層次的優(yōu)化結(jié)果列于表5。從表5可以看出,揉合了公用工程物流的集成優(yōu)化結(jié)果優(yōu)于不考慮發(fā)汽和孤立優(yōu)化的結(jié)果。層次2與層次1相比,發(fā)汽后減少冷卻負(fù)荷并降低了TAC。層次3與層次2相比,公用工程量增加,但發(fā)汽量增多,TAC相應(yīng)減少。

表5 3個(gè)層次的HEN優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化結(jié)果中取熱分布情況如圖8(a)所示,各層次取熱比例示于圖8(b)。優(yōu)化層次1、2與取熱極限狀況相比,蠟油循環(huán)取熱減少,中段取熱增加,柴油取熱略微減少。優(yōu)化層次3與1、2相比,中段部分熱量用于發(fā)生1.0 MPa蒸汽,且柴油與原料僅換熱一次；柴油循環(huán)取熱減少而中段取熱增加,頂循和蠟油循環(huán)取熱變化較小。優(yōu)化層次3與取熱極限狀況相比,頂循和柴油循環(huán)取熱基本保持不變,中段取熱增加,蠟油取熱減少。由圖8(b)可見(jiàn),層次3相對(duì)層次1和2的低溫位取熱(頂循和柴油)比例更低,但仍在極限取熱比例37.97%以?xún)?nèi)。

圖8 優(yōu)化結(jié)果中各層次取熱的比較

取熱量由循環(huán)取熱物流的流量和返塔溫度決定。圖9為不同狀況下的循取熱參數(shù),包括循環(huán)取熱物流的目標(biāo)溫度、流量等。結(jié)果顯示,多系統(tǒng)優(yōu)化(層次3)中取熱物流的返塔溫度并不高于孤立優(yōu)化(層次2)建議的溫度,表明循環(huán)取熱物流返塔溫度的高低與能否得到更好的HEN并無(wú)直接關(guān)聯(lián)。

圖9 循環(huán)取熱參數(shù)的比較

4 結(jié) 論

將復(fù)雜分餾塔的取熱參數(shù)設(shè)為連結(jié)分餾與換熱過(guò)程的關(guān)鍵變量,建立了考慮取熱約束的復(fù)雜分餾塔和換熱網(wǎng)絡(luò)同步優(yōu)化的混合整數(shù)非線(xiàn)性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上,集成公用工程物流用于優(yōu)化裝置內(nèi)工藝發(fā)汽的等級(jí)及流量,能有效改善裝置的整體用能效率及經(jīng)濟(jì)效益。將取熱和產(chǎn)汽作為耦合變量,能夠?qū)⒎逐s、換熱和公用工程三者進(jìn)行有效集成。

延遲焦化案例顯示,考慮產(chǎn)汽的集成優(yōu)化相比孤立優(yōu)化,年度總費(fèi)用降低了3.2×106RMB/a。在不同層次的優(yōu)化中,分餾塔取熱分布發(fā)生變化,高溫位的取熱越多及循環(huán)取熱的返塔溫度越高并不能保證得到年度總費(fèi)用更小的換熱網(wǎng)絡(luò),其與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)存在緊密關(guān)聯(lián)。

符號(hào)說(shuō)明：

A——矩陣;Q——熱量;

P——產(chǎn)品；S——物流；

縮寫(xiě)

CU——冷公用工程;PA——循環(huán);

HEN——換熱網(wǎng)絡(luò);TAC——年度總費(fèi)用,RMB;

HU——熱公用工程;

索引

i——過(guò)程熱物流或熱公用工程物流;k——換熱級(jí)的索引1,…,NOK,溫度點(diǎn)1,

…,NOK+1;

iP——循環(huán)取熱物流;n——不同壓力等級(jí)的蒸汽;

j——過(guò)程冷物流或冷公用工程物流;

集合

K——級(jí)數(shù)的集合；

CU——冷公用工程；SS——冷物流的子集;

SC——過(guò)程冷物流；ST——超結(jié)構(gòu)的換熱級(jí){k|k=1,…,NOK};

SH——過(guò)程熱物流；

參量

a,b——多項(xiàng)式擬合系數(shù)；M——極大的正數(shù);

B——面積費(fèi)用因子；NOK——換熱級(jí)數(shù);

C——面積費(fèi)用系數(shù),RMB/m2；pt——回收期,a;

CCU——單位熱量的冷公用工程費(fèi)用,RMB/(kW·h)；TINj——冷物流的進(jìn)口溫度,℃;

CF——換熱器的固定費(fèi)用,RMB；TOUTj——冷物流的出口溫度,℃;

CHU——單位熱量的熱公用工程費(fèi)用,RMB/(kW·h);U——總傳熱系數(shù),W/(m2·℃);

CSn——單位熱量Sn等級(jí)蒸汽的價(jià)格,

RMB/(kW·h);α——極小的正數(shù);

Fj——冷物流的流量,kg/h;?！獪夭畹纳舷?℃;

FP,i——產(chǎn)品(熱物流)的流量,kg/h;ε——換熱器容許的最小傳熱溫差,℃;

h——年操作時(shí)間,h;η——加熱爐的熱效率(熱公用工程),%;

Hdefn,CGCC——取熱負(fù)荷之和的焓赤字,W;Ω——換熱的上限,℃;

變量

CPi——物流i的熱容流率,W/℃;FPA,i——取熱循環(huán)(熱物流)物流的流量,kg/h;

LMTD——傳熱溫差，℃；

CPiP——物流iP的熱容流率,W/℃;qi,j,k——換熱級(jí)k上熱物流和冷物流的換熱量,W;

CPj——物流j的熱容流率,W/℃;qCUi——熱物流和冷公用工程的換熱量,W;

CPs——物流s的熱容流率,W/℃;qHUj——冷物流和熱公用工程的換熱量,W;

CPPA,iP——循環(huán)取熱物流的比熱容,W·h/(kg·℃);ti,k——換熱級(jí)k上熱端熱物流的溫度,℃;

dti,j,k——溫度點(diǎn)k換熱匹配(i,j)的溫差,℃;tj,k——換熱級(jí)k上冷端冷物流的溫度,℃;

dtCU,i——熱物流和冷公用工程匹配換熱的溫差,℃;TINi——熱物流的進(jìn)口溫度,℃;

Fi——熱物流的流量,kg/h;TOUTi——熱物流的出口溫度,℃;

二元變量

ZCU,i——表示冷公用工程與熱物流是否換熱的二元變量;

Zi,j,k——表示換熱級(jí)k上是否存在換熱匹配(i,j)的二元變量;

ZLMTD,ZLMTD1,ZLMTD2——表示換熱面積計(jì)算中采用對(duì)數(shù)溫差或近似計(jì)算的二元變量。

[1] SMITH R. Chemical Process Design and Integration[M].second ed, Wiley: New York, 2005.

[2] ZHAO X G, O’NEILL B K, ROACH J R, et al. Heat integration for batch processes Part 2 Heat exchanger network design[J]. Chemical Engineering Research and Design, 1998, 76(6):700-710.

[3] ISAFIADE A J, FRASER D M. Interval based MINLP superstructure synthesis of heat exchanger networks for multi-period operations[J]. Chemical Engineering Research and Design, 2010, 88(10):1329-1341.

[4] ZHANG N, SMITH R, BULATOV I, et al. Sustaining high energy efficiency in existing processes with advanced process integration technology[J]. Applied Energy, 2013, 101:26-32.

[5] YEE T F, GROSSMANN I E, KRAVANJA Z. Simultaneous optimization models for heat integration III Process and heat exchanger network optimization[J]. Computers & Chemical Engineering, 1990, 14(11):1185-1200.

[6] AHMAD M I, ZHANG N, JOBSON M, et al. Multi-period design of heat exchanger networks[J]. Chemical Engineering Research and Design, 2012, 90(11):1883-1895.

[7] VERHEYEN W, ZHANG N. Design of flexible heat exchanger network for multi-period operation[J]. Chemical Engineering Science, 2006, 61(23):7730-7753.

[8] LEI Y, ZHANG B J, CHEN Q L. Thermodynamic analysis and modeling for typical feed-preheating and fractionating processes in delayed cokers[J]. Computer Aided Chemical Engineering, 2012, 31:655-659.

[9] 雷楊, 張冰劍, 齊鑫, 等. 延遲焦化進(jìn)料預(yù)熱過(guò)程熱力學(xué)分析與改進(jìn)[J]. 石油煉制與化工, 2013, 44(5):78-83. (LEI Yang, ZHANG Bingjian, QI Xi, et al. Thermodynamic analysis and improvement for feed preheating process of delayed coking unit[J]. Petroleum Processing and Petrochemicals, 2013, 44(5):78-83.)

[10] 雷楊, 張冰劍, 許永亮, 等. 基于MATLAB建模的延遲焦化換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[J]. 計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué), 2013, 30(11):59-1264. (LEI Yang, ZHANG Bingjian, XU Yongliang, et al. Optimization for the heat exchanger network of delayed coking units based on matlab modeling[J]. Computers and Applied Chemistry, 2013, 30(11):1259-1264.)

[11] LEI Y, QI X, ZHANG B J, et al. Simultaneous optimization of the complex fractionator and heat exchanger network considering the constraints of variable heat removals in delayed coking units[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2014, 53(33):13073-13086.

[12] LEI Y, ZHANG B J, QI X, et al. Study on constraints for heat removal duties of the main fractionator in delayed coking units[J]. Applied Thermal Engineering, 2014, 71(1):573-580.

[13] 羅向龍, 華賁. 蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與綜合優(yōu)化研究綜述[J]. 化工學(xué)報(bào), 2009, 60(10):2411-2419. (LUO Xianglong, HUA Ben. A review on design and optimization of steam power system[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering(China), 2009, 60(10):2411-2419.)

[14] ZHANG B J, LUO X L, CHEN Q L. Hot discharges/feeds between plants to combine utility streams for heat integration[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2012, 51(44):14461-14472.

[15] YEE T F, GROSSMANN I E, KRAVANJA Z. Simultaneous optimization models for heat integration-I. Area and energy targeting and modeling of multi-stream exchangers[J]. Computers & Chemical Engineering, 1990, 14(10):1151-1164.

[16] LEI Y, ZHANG B J, HOU X Q, et al. A novel strategy for simulating the main fractionator of delayed cokers by separating the de-superheating process[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2013, 21(3):285-294.

[17] National Institute of Standards and Technology. Thermophysical properties of fluid systems[DB/OL]. 2013-07-31/2001-01-01. http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/.

Integrated Optimization of the Fractionation and Heat Exchange Processes in Delayed Coker With Considering Steam Generation

LEI Yang, CHEN Xiaozhong, ZHANG Bingjian, CHEN Qinglin

(SchoolofChemistryandChemicalEngineering,KeyLaboratoryofLow-carbonChemistry&EnergyConservationofGuangdongProvince,SunYat-SenUniversity,Guangzhou510275，China)

In the energy optimization of delayed coker, fractionation, heat exchange and utility are the key points. During the integration between fractionation and heat exchange, integrated optimization model (mixed integer nonlinear programming model) was established based on stage-wise superstructure of heat exchanger networks, taking heat removals from the complex fractionator as key coupling variables. To strengthen the energy recovery through steam generation, the steam levels and flow rates were optimized theoretically, thus the whole energy efficiency was gradually improved as well as economic benefit. Results of three optimization levels were compared in the case study. Compared with the first optimization level, the annual total costs of the latter two optimization levels decreased by 0.2×106and 3.2×106RMB/a, respectively, indicating that it is superior to consider steam generation in integrated optimization. Besides, the integrated optimization model can reveal and identify the interaction among different processes.

delayed coking; fractionation; heat exchanger network; steam generation; integrated optimization

2014-11-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21376277)、廣東省科技計(jì)劃重大專(zhuān)項(xiàng)(2010A080801003)資助 第一作者： 雷楊，男，博士，從事過(guò)程系統(tǒng)工程研究；E-mail:leiyang@wust.edu.cn

陳清林，男，教授，博士，從事過(guò)程系統(tǒng)工程研究；Tel:020-84113659; E-mail:chqlin@mail.sysu.edu.cn

1001-8719(2015)02-0572-11

TE624

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.02.040