过程装备优化设计Word文档下载推荐.docx
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耗能也越来越大，公用工程也占据着越来越大的比重，致使投资和运营成本大幅提升。
所以过程装备的节能是一个重要的问题，也具有很大的利益。
因此，“装备优化设计”的目的就是利用现代的仿真软件（如aspen，proII等），本文用的是aspenplus8.4对“催化重整过程”进行化工过程相关计算，并作出优化设计，使过程的耗能最小，获得最大经济效益。
本文中，通过计算和优化，获得公用工程用量为：
48530000KJ/h，热物流的夹点温度为：
87℃，冷物流的为：
67℃；
优化后的换热面积为：
4427m2。
可见，通过夹点技术的运用和aspenplus的仿真模拟，能够大大节省模拟和优化成本，并获得最大的经济效益。
可以说，过程工业依托有力的模拟仿真将是一个发展趋势。
关键词：
过程装备;
优化设计;
aspen模拟
-I-
Thedesignofoptimizationofprocessequipment
Abstract
Processequipmentisthefoundationandplatformofmodernindustrialproduction.Especiallywiththedevelopmentoflarge-scaleequipment,anddigitalandintelligentdevices,greatlyimprovestheproductionefficiency.
However,themanufacturingprocessandequipmentrequirementsaregettinghigherandhigher,andneedtobearmoredemandingproductionconditions,suchashightemperature,highpressure,andevenultrahighpressure;
energyconsumptionisalsogrowing,utilitiesalsooccupyanincreasinglylargeproportion,resultingininvestmentandoperatingcostsincrease.
Soenergysavingisanimportantpoint,ithasgreatbenefit."
Thedesignofoptimizationofprocessequipment"
isthepurposeoftheuseofmodernsimulationsoftware（suchasAspen,proiietc.）。
ThispaperisusedinchemicalprocesscalculationofAspenplus8.4on"
Catalyticreformingprocess"
andmakestheoptimizationdesign,theprocessoftheminimumenergyconsumption,obtainthebiggesteconomicbenefits.
Throughcalculationandoptimization,theutilitiesconsumptionis:
48530000KJ/h,thermallogisticspinchpointtemperature:
87℃,coldLogistics:
67℃;
heattransferareaastheoptimized:
4427m2.
Therefore,usingpinchtechnologyandAspenPlussimulationcangreatlysavethecost,andobtainthemaximumeconomicbenefit.Aswecansee,It’sthetrendofusingsimulation.
KeyWords：
ProcessEquipment；
DesignofOptimization；
AspenplusforSimulation
-12-
目录
摘要 I
Abstract II
引言 1
1项目背景 3
1.1催化裂化过程 3
1.2相关数据：
3
1.3本文的主要工作 5
2Aspenplus模拟 6
2.1概述 6
2.2模拟和计算结果 7
结论 10
参考文献 11
致谢 11
引言
优化设计英文名是optimizationdesign，从多种方案中选择最佳方案的设计方法。
它以数学中的最优化理论为基础，以计算机为手段，根据设计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定的各种约束条件下，寻求最优的设计方案。
优化步骤：
①建立数学模型。
②选择最优化算法。
③程序设计。
④制定目标要求。
⑤计算机自动筛选最优设计方案等。
通常采用的最优化算法是逐步逼近法，有线性规划和非线性规划。
优化设计就是在满足设计要求的众多设计方案中选出最佳设计方案的设计方法。
化工优化设计
在化工优化设计中，AspenPlus是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统。
AspenPlus是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院（MIT）组织的会战，开发新型第三代流程模拟软件。
该项目称为“过程工程的先进系统”（AdvancedSystemforProcessEngineering，简称ASPEN），并于1981年底完成。
1982年为了将其商品化，成立了AspenTech公司，并称之为AspenPlus。
该软件经过20多年来不断地改进、扩充和提高，已先后推出了十多个版本，成为举世公认的标准大型流程模拟软件，应用案例数以百万计。
产品特点：
一、产品具有完备的物性数据库物性模型和数据是得到精确可靠的模拟结果的关键。
人们普遍认为AspenPlus具有最适用于工业、且最完备的物性系统。
许多公司为了使其物性计算方法标准化而采用AspenPlus的物性系统，并与其自身的工程计算软件相结合。
AspenPlus数据库包括将近6000种纯组分的物性数据
1.纯组分数据库，包括将近6000种化合物的参数
2.电解质水溶液数据库，包括约900种离子和分子溶质估算电解质物性所需的参数。
3.固体数据库，包括约3314种固体的固体模型参数。
4.Henry常数库，包括水溶液中61种化合物的Henry常数参数。
5.二元交互作用参数库，包括Ridlich－KwongSoave、PengRobinson、LeeeslerPlocker、BWRLeeStarling，以及HaydenO’Connell状态方程的二元交互作用参数约40,000多个，涉及5,000种双元混合物。
6.无机物数据库，包括2450种组分（大部分是无机化合物）的热化学参数。
二、产品线比较长，集成能力很强。
AspenPlus是Aspen工程套件（AES）的一个组份。
AES是集成的工程产品套件，有几十种产品。
以AspenPlus的严格机理模型为基础，形成了针对不同用途、不同层次的AspenTech家族软件产品，并为这些软件提供一致的物性支持。
如：
PolymersPlus：
在AspenPlus基础上专门为模拟高分子聚合过程而开发的层次产品，已成功地用于聚烯烃、聚酯等过程。
1.AspenPlus可以为夹点技术软件直接提供其所需要的各流段的热焓、温度和压力等参数。
B-JAC/HTFS：
换热器详细设计（包括机械计算）的软件包，
2.AspenPlus可以在流程模拟工艺计算之后直接无缝集成，转入设备设计计算。
3.唯一将序贯（SM）模块和联立方程（EO）两种算法同时包含在一个模拟工具中。
序贯算法提供了流程收敛计算的初值，采用联立方程算法，大大提高了大型流程计算的收敛速度，同时，让以往收敛困难的流程计算成为可能。
节省了工程师计算的时间。
4.结构完整，除组分、物性、状态方程之外，还包含以下单元操作模块：
对于气/液系统，AspenPlus包含：
通用混合、物流分流、子物流分流和组分分割模块。
闪蒸模块：
两相、三相和四相通用加热器、单一的换热器、严格的管壳式换热器、多股物流的热交换器液液单级倾析器基于收率的、化学计量系数和平衡反应器。
连续搅拌釜、柱塞流、间歇及排放间歇反应器。
单级和多级压缩和透平物流放大、拷贝、选择和传递模块压力释放计算精馏模型简捷精馏严格多级精馏多塔模型石油炼制分馏塔板式塔、散堆和规整填料塔的设计和校核。
对于固体系统，AspenPlus包含：
文丘里涤气器、静电除尘器、纤维过滤器、筛选器、旋风分离器、水力旋风分离器、离心过滤器、转鼓过滤器、固体洗涤器、逆流倾析器、连续结晶器等。
1项目背景
1.1催化裂化过程
一、总体设计
催化裂化是石油炼制过程之一，是在热和催化剂的作用下使重质油发生裂化反应，转变为裂化气、汽油和柴油等的过程。
原料采用原油蒸馏（或其他石油炼制过程）所得的重质馏分油;
或重质馏分油中混入少量渣油,经溶剂脱沥青后的脱沥青渣油；
或全部用常压渣油或减压渣油。
在反应过程中由于不挥发的类碳物质沉积在催化剂上，缩合为焦炭，使催化剂活性下降，需要用空气烧去（见催化剂再生），以恢复催化活性，并提供裂化反应所需热量。
催化裂化是石油炼厂从重质油生产汽油的主要过程之一。
所产汽油辛烷值高（马达法80左右），安定性好，裂化气（一种炼厂气）含丙烯、丁烯、异构烃多。
二、工艺流程
催化裂化工艺由三部分组成：
原料油催化裂化、催化剂再生、产物分离。
催化裂化过程的主要化学反应有：
裂化反应、异构化反应、氢转移反应、芳构化反应。
催化裂化所得的产物经分馏后可得到液化气、汽油、柴油和重质馏分油。
催化裂化工艺流程图
原始流股数据
公用工程数据：
冷却水CW为15℃。
1.3本文的主要工作
1.画出冷热流股的组合曲线、总组合曲线；
2.确定系统夹点温度；
3.确定公用工程用量；
4.画出格子图，判断违法夹点匹配原则的情况；
5.提出改进方案；
2Aspenplus模拟
2.1概述
利用aspen的模拟，将数据输入，选择合适的物性方法，利用夹点技术、夹点技术与换热网络的合成和AspenEnergyAnalyzer的应用。
可将公用工程量确定，并画出冷热流股的组合曲线、总组合曲线，确定系统夹点温度。
1.夹点技术：
夹点技术（Pinchtechnology）是以热力学为基础，以最小能耗为主要目标的换热网络综合方法。
1978年，Linnhoff等提出了换热网络的夹点问题，指出夹点限制了换热网络可能达到的最大热回收。
1983年，Linnhoff比较系统的提出了用于换热网络综合的夹点技术，并推广应用于整个过程的能量分析与调优。
2.夹点技术与换热网络
在石油化工生产过程中，一些工艺物流需要加热，而另一些工艺物流需要冷却，如何合理地将这些物流匹配在一起，充分利用热物流去加热冷物流、提高过程的热回收率，以便尽可能减少公用工程加热和冷却负荷是一个多方案、多目标的集成问题。
换热网络合成就是确定出这样的流程，使它具有最小的冷换设备（换热器、加热器和冷却器）投资费用和操作费用，并将每一个过程物流由初始温度达到指定的目标温度。
除此之外，换热网络还要求具备较好的灵活性、操作性和可控性
3.换热网络合成的目标
n最小公用工程负荷目标：
QHmin和Qcmin
n最小换热单元数目标：
Umin
n最小传热面积目标：
Amin
n年总费用最小目标
4.AspenEnergyAnalyzer
AspenEnergyAnalyzer（能量分析器）是AspenTech公司旗下的产品，是进行换热网络优化设计的一个功能强大的概念设计包，提供了夹点分析和换热网络优化设计的环境，是Aspen在工程应用上的一个重要工具。
其功能为：
n计算能量和设备投资目标
n进一步改善能量热集成项目，从而减少操作费用、设备投资费用并使能量利用最大化
n提供过程能量优化的工具
n提供图表结合使用的方法
2.2模拟和计算结果
1.画出冷热流股组合曲线，总组合曲线
把冷热物流的进出口温度以及热负荷值输入AspenEnergyAnalyzerV7.2中，
图1冷热物流的信息表
图2冷热流股的组合曲线
图3冷热流股总组合曲线
2.系统夹点温度
本题规定最小传热温差为20℃，所以不需DT图。
图5Case1Targets
由图可知热物流的夹点温度为87冷物流的为67。
3.确定公用工程用量
根据上图可知：
热公用工程用量=48530000KJ/h冷公用工程用量=13700000KJ/h
4.画出格子图，判断违法夹点匹配原则的情况
格子图如下
由下述3个夹点技术设计换热网络基本原则：
但凡违背下述三点的情况都违法夹点匹配原则
（1）避免有热流量通过夹点换热；
（2）夹点上方应该避免使用公用工程冷却物流；
（3）夹点下方应该避免使用热公用工程加热物流
5.提出改造方案
换热网络优化
换热网络（HeatExchangerNetwork）的主要作用就是在各种条件允许的情况下,尽可能经济地回收所有过程物流的有效能量,以达到减少公用工程耗量的目的。
HEN的设计目标通常包括定量（投资费用和公用工程费用）和定性（安全性、运行能力、弹性及控制能力等）两部分,由于实际的HEN含有较多物流且需考虑多种实际因素（如约束、禁止匹配等）,因而其设计是一个较复杂的问题。
因其在化学工程领域具有显著的节能效益,同时它又是一个数学的混合整数非线性规划问题,因而受到人们的重视。
换热网络优化设计目标主要分为最小公用工程用量、最小换热面积、最少单元数及最低年总费用等几种。
而最低年总费用是一同时考虑所有投资费用因素（换热面积、单元数及结构材料等）和所有运行费用因素（公用工程耗量等）及相互关系的综合目标函数。
一般可表述为[1]:
有Nh个热物流需要冷却,Nc个冷物流需要加热,它们的进口温度、目标温度、热容流率及传热系数给定,另有温位已知的1组冷、热公用工程可以利用。
目标是设计具有最低年总费用的换热器网络,包括确定公用工程耗量,流股的匹配与单元设备数目,换热器网络结构,各分支物流的流率,每台换热设备的热负荷、换热面积及操作温度。
接下来，利用energyanalyzer软件进行网络优化。
直接采用内嵌的美国化工界公用工程消耗费用经验公式以及换热器购置费用与换热面积的经验公式，选择推荐换热网络中平均年换成本最低的。
得出如图的换热网络。
图6优化后的换热网络图
花费指数为3.048x106，换热面积为4427m2。
具体结果如下表：
结论
本文利用aspen中energyanalyzer软件的设计与优化，在花费和换热面积等方面权衡之后得到最优的设计方案，能源利用率进一步提高，经济指标进一步提高。
另外画出了冷热流股组合曲线，总组合曲线并确定了夹点温度及工程量。
参考文献
1.程之光.重油加工技术[M].北京:
中国石化出版社,1994
2.刘家海,陈清林,王伟,张冰剑.重油催化裂化装置节能措施与效果分析[J].炼油技术与工程,2009,03:
55-60.
3.吕亮功,肖家治,王英敏.催化裂化装置的用能分析与改进[J].石油大学学报（自然科学版）,2004,05:
117-120
致谢
本文是在武锦涛老师和张晓东老师的悉心指导下完成的，在此期间，二位老师提供了很详细的工程资料，也进行了很多的答疑解惑，才使得本文能够顺利完成。
在此表示感谢！
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