基于Aspen的MVR沼液濃縮系統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡(luò)分析

符 侃，黃福川，梁正賢，馬良濤，經(jīng)建芳

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基于Aspen的MVR沼液濃縮系統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡(luò)分析

符 侃，黃福川，梁正賢，馬良濤，經(jīng)建芳

（廣西大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，廣西 南寧 530004）

MVR技術(shù)是一種新型的節(jié)能蒸發(fā)技術(shù)，它的主要原理是對(duì)蒸發(fā)過程中產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)行再壓縮處理，從而能夠最大程度地利用其熱能。此外，夾點(diǎn)技術(shù)在化工行業(yè)換熱網(wǎng)絡(luò)分析中已經(jīng)得到了非常廣泛的運(yùn)用，根據(jù)夾點(diǎn)理論的應(yīng)用原則，利用Aspen Energy Analyzer軟件對(duì)Aspen Plus模擬出的MVR沼液蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)分析。結(jié)果表明，進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過后，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性得到了一定的提升，對(duì)實(shí)際工程中的熱網(wǎng)設(shè)計(jì)起到了一定的參考意義。

Aspen；換熱網(wǎng)絡(luò)；流程模擬；成本分析

MVR又叫做機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)，在有效利用熱能進(jìn)行蒸發(fā)的領(lǐng)域內(nèi)，MVR技術(shù)是最新的進(jìn)展。它的基本原理是重復(fù)利用系統(tǒng)產(chǎn)生的二次蒸汽，將其送入壓縮機(jī)或者風(fēng)機(jī)內(nèi)進(jìn)行再壓縮，從而提高二次蒸汽的熱焓，再經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)再次將二次蒸汽送入系統(tǒng)中重復(fù)利用，從而大大的提升了蒸汽熱量的利用率。相比于傳統(tǒng)的多效蒸發(fā)技術(shù)，由于多效蒸發(fā)系統(tǒng)的二次蒸汽是直接被用作下一效的熱源，這將不可避免地造成很多熱量的損失，此外由于隨著效數(shù)的增加，效間的傳熱溫差會(huì)相應(yīng)變小，導(dǎo)致了傳熱速率也變小，所以為了增大傳熱速率就需要增大換熱器的面積，從而導(dǎo)致了投資成本的增大。另外，與MVR技術(shù)原理類似的TVR（Thermal Vapor Recompression，熱力壓縮）技術(shù)相比，TVR技術(shù)只能壓縮部分二次蒸汽，剩余的二次蒸汽會(huì)被冷凝排出，蒸汽的重復(fù)利用率不高，也會(huì)有一定的熱量浪費(fèi)。

近幾十年來，隨著節(jié)能減排不斷被重視，MVR技術(shù)在全世界范圍內(nèi)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，目前已經(jīng)廣泛運(yùn)用于制鹽工業(yè)、食品工業(yè)（乳液、蔬菜或者果汁濃縮等）、造紙工業(yè)、海水淡化、中藥濃縮以及廢水濃縮等等領(lǐng)域。董守亮，李慶生[1]等通過對(duì)液態(tài)奶的MVR蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行能效分析，得出了MVR系統(tǒng)的蒸發(fā)性能系數(shù)很高，系統(tǒng)具有很好的節(jié)能效果，并且對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了火用分析，得出了蒸發(fā)器和壓縮機(jī)的火用損失較大，是可以進(jìn)行優(yōu)化從而提高經(jīng)濟(jì)性的部件。韓東，彭濤，梁林[2]等通過在蒸汽機(jī)械再壓縮進(jìn)行氯化銨蒸發(fā)結(jié)晶實(shí)驗(yàn)，分析得到MVR系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，并且從節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤的量的角度說明了比起多效蒸發(fā)技術(shù)，MVR系統(tǒng)是有很大的節(jié)能優(yōu)勢(shì)的。劉軍,王淑梅[3]通過對(duì)MVR在中藥蒸發(fā)凝縮領(lǐng)域的應(yīng)用的說明，得出了MVR蒸發(fā)系統(tǒng)蒸發(fā)溫度較低，可以有效地適用于蒸發(fā)熱敏性物料的特點(diǎn)，但是MVR系統(tǒng)的設(shè)備費(fèi)用較貴，一次投資較大的缺點(diǎn)。MVR系統(tǒng)適用于濃度提升在一定范圍內(nèi)，沸點(diǎn)提升不大并且不易結(jié)垢的物料，在電價(jià)較便宜，熱能偏貴的地區(qū)或者企業(yè)也非常適用MVR系統(tǒng)。

1 Aspen Plus以及夾點(diǎn)技術(shù)的介紹

1.1 Aspen Plus軟件的介紹

Aspen Plus 軟件具有豐富的物性參數(shù)數(shù)據(jù)、多樣的單元操作模塊以及便捷的操作界面，對(duì)蒸發(fā)系統(tǒng)能準(zhǔn)確地進(jìn)行物料以及能量衡算，并且借助模型分析功能能對(duì)模擬流程進(jìn)行相關(guān)的分析。Ana-Maria Comos[4]等采用Aspen Plus模擬了制氨工藝中生產(chǎn)純堿的工藝流程，并且得到了現(xiàn)有工況下的最優(yōu)參數(shù)。數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬結(jié)果證明了Aspen Plus對(duì)于氨工業(yè)中，模擬分析和優(yōu)化生產(chǎn)純堿制品的工藝流程是精確可靠的。Everton Simoes Van-Dal[5]等利用Aspen Plus模擬了水與二氧化碳的電解作用生成甲醇反應(yīng)過程：首先由火電廠的煙氣吸收大量的CO2，在水中與無碳電極發(fā)生電解反應(yīng)生成甲醇，與此同時(shí)放出的熱量能被重復(fù)利用，從而大大降低了能源投入的成本。Abdulrahman[6]等用Aspen Plus模擬了二乙醇胺溶液對(duì)酸性氣體的吸收過程，并且對(duì)比了乙醇胺和甲基二乙醇胺的吸收效果，并評(píng)估了醇胺溶液的濃度和流量等工藝條件，使產(chǎn)品中的天然氣所含酸性氣體含量降低，因而能在規(guī)定的天然氣管道中輸送。洪文鵬[7]等運(yùn)用Aspen Plus對(duì)氨法脫硫工藝進(jìn)行了研究，得到了一個(gè)較為理想的工藝條件。此外，董其伍，王利以及胡永鎖[8,9]等都利用夾點(diǎn)原理深入分析了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用，并且利用Aspen等模擬軟件做出了優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文先對(duì)沼液蒸發(fā)濃縮的模擬流程進(jìn)行一個(gè)概述，然后將其導(dǎo)入Aspen Energy Analyzer中進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)的分析。

1.2 夾點(diǎn)技術(shù)及其應(yīng)用

夾點(diǎn)技術(shù)的主要目標(biāo)是尋找工藝上一個(gè)最小能耗的溫度差。Linnhoff最早在1978年就提出了這種理論并且大力推廣，這種技術(shù)也漸漸地代替了傳統(tǒng)裝置，并以其低成本的特性得到了較好的發(fā)展。實(shí)際工程中的冷熱物流的換熱關(guān)系可用溫-焓圖表示如下。溫度為縱軸，熱焓為橫軸。熱流曲線的變化趨勢(shì)是高溫到低溫，而冷流曲線反之。由于焓差Δ是物流熱量變化的表征量，因此平移冷熱物流線并不會(huì)對(duì)物流的熱量和溫度產(chǎn)生改變。多股冷、熱物流在圖上可合并為復(fù)合曲線,其中，縱坐標(biāo)即為溫度，冷熱溫差最小處即為夾點(diǎn)。得到夾點(diǎn)Δmin就可以根據(jù)溫焓圖就可以得到到系統(tǒng)的換熱量E，冷流曲線焓變C以及熱流曲線焓變H。

圖1 溫焓T-H圖

根據(jù)夾點(diǎn)定理以及其選取的意義與準(zhǔn)則，在網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中, 夾點(diǎn)溫度的取值對(duì)能量的回收和系統(tǒng)的投資運(yùn)行費(fèi)用有直接影響，夾點(diǎn)溫度較低時(shí)，系統(tǒng)能有效回收的熱量較大，使得系統(tǒng)操作費(fèi)用較低但這要建立在較大的冷熱系統(tǒng)換熱面積上，因此設(shè)備成本的投入也較大，而夾點(diǎn)溫度較高時(shí)則反之。因此，在設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要在操作成本和設(shè)備成本之間做出衡量以得到最優(yōu)解。

2 Aspen Energy Analyzer及其應(yīng)用

Aspen Energy Analyzer作為一款與Aspen Plus相輔相成的化工過程能量分析工具，在夾點(diǎn)的選取和熱網(wǎng)的設(shè)計(jì)上，有著非常突出的優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)以某沼液處理廠的一套MVR沼液蒸發(fā)裝置為例，概述Aspen Plus軟件的模擬流程，建立的Aspen流程圖如圖2所示。

圖2中，料液由左側(cè)進(jìn)入流程，經(jīng)預(yù)熱器模塊預(yù)1、預(yù)2進(jìn)行預(yù)熱，之后被通入蒸發(fā)室內(nèi)進(jìn)行蒸發(fā)，在Aspen Plus中蒸發(fā)室由兩個(gè)熱量交換模塊E1和E2組合而成，料液經(jīng)換熱后沸騰并產(chǎn)生氣液混合物，氣液混合物進(jìn)入氣液分離器模塊進(jìn)行分離。

與此同時(shí)，從氣液分離器出來的濃縮液仍具有一定液體熱，可以繼續(xù)通入預(yù)熱器模塊預(yù)2進(jìn)行預(yù)熱，然后流出蒸發(fā)系統(tǒng)得到產(chǎn)品；氣液分離器分離出的二次蒸汽將進(jìn)入壓縮機(jī)模塊，受到壓縮機(jī)的壓縮而成為高品位蒸汽，在與補(bǔ)充水混合消除過熱度后再次進(jìn)入蒸發(fā)室，得到的冷凝液可以通入預(yù)熱器1中進(jìn)行進(jìn)料液的預(yù)熱。按照步驟將Aspen Plus中的模擬數(shù)據(jù)導(dǎo)入Aspen Energy Analyzer,得：如圖3所示為Δmin對(duì)總的目標(biāo)花費(fèi)指數(shù)的影響的趨勢(shì)圖。由圖3可知夾點(diǎn)溫度的范圍約在4~9 ℃之間，所以取一個(gè)中間值6.5 ℃作為Δmin進(jìn)行后面的分析。

圖3 ΔTmin對(duì)總的目標(biāo)花費(fèi)指數(shù)的影響

如圖4所示為冷熱流股的溫熵線。由曲線可知在不同溫度工況下的熱量分布情況。

再以最大能量回收為前提下，可以得到系統(tǒng)的能量目標(biāo)，即合理地調(diào)整冷熱公用工程使其最小，從而得到最大的換熱量，它會(huì)隨著夾點(diǎn)溫差而變。在確定夾點(diǎn)溫度后，能量目標(biāo)就會(huì)隨之確定且為一定值（圖5）。

圖5 設(shè)計(jì)結(jié)果

如果以年度總費(fèi)用最小為目標(biāo)，則選擇Design 3方案，將Design 3方案設(shè)置為所需的目標(biāo)方案，可以將其最大程度地優(yōu)化。得出最終的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)結(jié)果為：如圖6所示為換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)果。

圖6 換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)結(jié)果

Fig.6 Design results of Heat Exchanger Network

通過選擇Minimize Total Annualized Cost（年最小總花費(fèi)）選項(xiàng)可以得出最終的設(shè)計(jì)結(jié)果：雖然operating（操作）費(fèi)用較高，但是Capital（成本）僅為目標(biāo)費(fèi)用的93.62%，Total Cost（總費(fèi)用）為目標(biāo)費(fèi)用的96.99%，經(jīng)濟(jì)性得到了一定的提升。

3 結(jié) 論

本文介紹了利用Aspen Plus結(jié)合Aspen Energy Analyzer進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)分析及優(yōu)化的基本方法，以及換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中夾點(diǎn)的相關(guān)概念以及設(shè)計(jì)原則，分析了冷熱流股溫焓圖的相關(guān)構(gòu)成以及應(yīng)用方式。之后通過將利用Aspen Plus模擬完成的MVR蒸發(fā)系統(tǒng)導(dǎo)入換熱網(wǎng)絡(luò)分析軟件Aspen Energy Analyzer中，按照換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的基本步驟對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的換熱網(wǎng)絡(luò)分析，然后定出一個(gè)的最小夾點(diǎn)位置，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，最后選擇一個(gè)最優(yōu)方案進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。結(jié)果表明，進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過后，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性得到了一定提升，該換熱網(wǎng)絡(luò)可以為實(shí)際工程提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)：

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Analysis on the Heat Network of MVR Firedamp Liquid Evaporation System Based on Aspen

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（Guangxi Key Laboratory of Petrochemical Resource and Process Intensification Technology,School of Chemistry and Chemical Engineering,Guangxi University,Guangxi Nanning 530004, China）

MVR (Mechanical Vapor Recompression, mechanical vapor recompression) technology is a new energy-saving evaporation technology, and is a heat pump technology, it can compress secondary steam generated by the evaporation chamber to utilize its thermal energy. The pinch technology has been very widely used in heat exchanger network analysis in the chemical industry. According to the basic principles of the theory, the heat exchanger network analysis of MVR firedamp liquid evaporation system obtained by Aspen Plus simulation was carried out by Aspen Energy Analyzer software. The results showed that ,after the heat exchange network optimization, system economical efficiency was improved.

Aspen; heat exchanger network; process simulation; cost analysis

TP273

A

1671-0460（2016）09-2237-04

2015-10-11

符侃（1991-），男，福建泉州人，碩士研究生，廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院動(dòng)力工程專業(yè)，研究方向：生物質(zhì)燃料技術(shù)開發(fā)。E-mail：444071811@qq.com。

黃福川（1963-），男，教授，博士，研究方向：石化及可再生資源利用。E-mail：huangfuchuan@gxu.edu.cn。