用虛擬溫度法進(jìn)行優(yōu)化間歇過程換熱網(wǎng)絡(luò)

邢秉茂

（北京眾聯(lián)盛化工工程有限公司太原分公司，山西太原 030006）

用虛擬溫度法進(jìn)行優(yōu)化間歇過程換熱網(wǎng)絡(luò)

邢秉茂

（北京眾聯(lián)盛化工工程有限公司太原分公司，山西太原 030006）

間歇過程在生產(chǎn)中高度靈活，使其在化工生產(chǎn)中所占的比重越來越大。研究了用虛擬溫度法得到的間歇過程換熱網(wǎng)絡(luò)，尋找各時(shí)間間隔的子換熱器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的熱負(fù)荷回路，以一定的規(guī)則斷開回路，對總換熱器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得到的總換熱網(wǎng)絡(luò)的換熱單元數(shù)目減少。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化；間歇過程；換熱網(wǎng)絡(luò)；虛擬溫度法

1 間歇過程換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 基于虛擬溫度法的間歇過程換熱網(wǎng)絡(luò)

虛擬溫度法[1-2]是基于換熱器結(jié)構(gòu)不同及流股不同傳熱系數(shù)等因素導(dǎo)致的價(jià)格不同，確定不同流股在換熱過程中貢獻(xiàn)給溫差的數(shù)值，對流股溫度進(jìn)行修正，對系統(tǒng)的不同溫位能量進(jìn)行重新分配，使各個(gè)換熱器的溫差分布更加合理，優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

換熱器網(wǎng)絡(luò)綜合[3]的目標(biāo)函數(shù)為最小的年度化總費(fèi)用，費(fèi)用的內(nèi)容有公用工程費(fèi)用，設(shè)備的費(fèi)用，換熱面積的費(fèi)用。

1.2 換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化回路斷開的規(guī)則

在虛擬溫度法的基礎(chǔ)上，尋找換熱網(wǎng)絡(luò)中的熱負(fù)荷回路，通過一定的規(guī)則斷開回路，得到最終換熱網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算其總費(fèi)用。

（1）換熱網(wǎng)絡(luò)中，在保證熱負(fù)荷為正和換熱過程中溫度差低于約束條件的前提下，如存在分流，斷開回路的方法采用在回路斷開后存在分流的方式，如行不通，則用斷開后不存在分流的方式進(jìn)行斷開。

（2）對于換熱網(wǎng)絡(luò)中的二級回路及二級回路以上回路的情況，在滿足熱負(fù)荷非負(fù)和換熱溫差約束的條件下，優(yōu)先去掉其中熱負(fù)荷最小的換熱設(shè)備；當(dāng)熱負(fù)荷量最小的換熱設(shè)備有約束條件不能被去除時(shí)，再考慮去掉其他熱負(fù)荷量較小的換熱設(shè)備。

（3）對于間歇過程，如果在一級回路中兩個(gè)換熱器都是非共用的，則用上面提到的第1條斷開回路；如果在回路中有非共用換熱器，則對非共用換熱器優(yōu)先去掉；如果都是共用換熱器，則根據(jù)換熱網(wǎng)絡(luò)中各共用時(shí)間間隔的最大面積來確定需要斷開的換熱器。

2 間歇過程的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化實(shí)例

例子中的換熱網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)如表1所示。

實(shí)例中所示的換熱網(wǎng)絡(luò)有共有5個(gè)時(shí)間間隔，只有第四個(gè)時(shí)間間隔有熱負(fù)荷回路，因此只需要對第四個(gè)時(shí)間間隔進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

找到一級回路（1，7），根據(jù)上面的規(guī)則，去掉7號換熱器，檢驗(yàn)相關(guān)熱負(fù)荷和傳熱溫差進(jìn)行檢驗(yàn)，均滿足要求。繼續(xù)尋找回路，找到二級回路（8，6，5，1），根據(jù)規(guī)則去掉8號換熱器（熱負(fù)荷最小），經(jīng)檢驗(yàn)也滿足要求。換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化前后結(jié)果如表2所示。

表1 例題數(shù)據(jù)

表2 實(shí)例換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化前后結(jié)果對比

由表2可以看出，對換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化后，總的換熱器減少了兩個(gè)，總換熱面積在以前基礎(chǔ)上增加了 4.24m2。總投資費(fèi)用減少了 1 306.00$/a。

3 結(jié)束語

文章在以間歇生產(chǎn)過程換熱器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，對換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低了換熱網(wǎng)絡(luò)年度總費(fèi)用。

本文提出了對間歇過程中換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的三條規(guī)則，并利用規(guī)則對間歇過程實(shí)例進(jìn)行優(yōu)化后，總的換熱器減少了兩個(gè)，總的換熱面積增加了 4.24m2，總投資費(fèi)用減少了 1 306.00$/a，表明文章的三條規(guī)則適用于間歇過程換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。

[1] 王 莉， 王 玲，姚平經(jīng)， 等 .一 種 具 有 不 同 傳 熱 膜 系 數(shù) 網(wǎng) 絡(luò) 的 新 設(shè)計(jì)方法 —— 虛擬溫度法 [J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，35（2）：203-20.

[2] 李暉，王莉，姚平經(jīng) .采用虛擬溫度法設(shè)計(jì)換熱器網(wǎng)絡(luò) [J].高校化學(xué)工程學(xué)報(bào)，1997，11（l）：100-103.

[3] 姚 平 經(jīng) . 化 工 過 程 系 統(tǒng) 工 程 [M]. 大 連 ：大 連 理 工 大 學(xué) 出 版 社，1992.

The Structure Optimization of Heat Exchange Network Based on the Pseudo-temperature for Batch Process

Xing Bing-mao

Batch processes take an increasing proportion of chemical production processes.On the basis of the heat exchanger network of batch processes based on the pseudo-temperature，this paper studies the structure optimization of heat exchange network for batch process.The thermal load loops can be found within each time interval of the heat exchanger network.According to certain rules to disconnect loop of the heat exchanger network for each time interval，the number of the units for the fi nal network after structure optimization is reduced.

structure optimization ；batch process ；heat exchange network ；pseudo-temperature method

TK172

：A

：1003–6490（2017）07–0168–02

2017–05–15

邢秉茂（1989.4），男，山西平遙人，助理工程師，主要從事化工裝備設(shè)計(jì)工作。