第八讲化工过程热集成仿真
完全热集成变压精馏分离环己烷和乙酸乙酯的模拟
完全热集成变压精馏分离环己烷和乙酸乙酯的模拟唐建可;王琦;孟戎茜;马春蕾【摘要】由于环己烷-乙酸乙酯为压力敏感体系,可用变压精馏工艺对环己烷和乙酸乙酯共沸物进行分离.利用化工流程模拟软件对分离过程进行模拟优化,以NRTL活度系数方程作为物性计算方法,高压塔和常压塔再沸器总热负荷最低为目标,对理论板数、进料位置和回流比参数进行优化.通过模拟计算得到纯度不低于99.5％的环己烷和乙酸乙酯产品.在变压精馏的基础上对系统进行热量集成,与常规变压精馏相比,完全热集成变压精馏冷凝器可节能34.97％,再沸器可节能33.91％;完全热集成变压精馏可得到质量分数分别为99.97％和99.78％的环己烷和乙酸乙酯产品.【期刊名称】《精细石油化工》【年(卷),期】2018(035)006【总页数】6页(P61-66)【关键词】环己烷;乙酸乙酯;完全热集成;变压精馏;节能【作者】唐建可;王琦;孟戎茜;马春蕾【作者单位】太原工业学院化学与化工系,山西太原030008;太原工业学院化学与化工系,山西太原030008;太原工业学院化学与化工系,山西太原030008;太原工业学院化学与化工系,山西太原030008【正文语种】中文【中图分类】TQ225.24+1;TQ221.1+6环己烷和乙酸乙酯是化工行业中重要的有机溶剂和有机原料。
环己烷可用于油脂萃取溶剂，橡胶、涂料、清漆用溶剂和胶黏剂的稀释剂[1]，由于其低毒性，常代替苯用于脱润滑脂和脱漆剂，还用于制造锦纶、环己醇和环己酮的原料[2]。
乙酸乙酯又称作醋酸乙酯，具有优异的溶解能力和快干性，可用于生产乙基纤维素、人造革、黏合剂等的溶剂，也可用于有机酸、医药产品生产中的提取剂等，在香料、医药、油漆涂料、印刷油墨及食品工业中有广泛的应用[3-6]。
环己烷和乙酸乙酯的混合物常作为混合溶剂和有机原料用于农药、医药和有机合成等领域，因而会产生大量的环己烷和乙酸乙酯的混合废液。
在常压下，环己烷和乙酸乙酯会形成二元最低共沸物，共沸组成(质量分数)为环己烷46%，乙酸乙酯54%，共沸温度为72.8 ℃[2]。
化工设计 教学大纲
课程代码：09188170 课程名称：化工设计学分：4 周学时：6面向对象：本科生预修课程要求：化工原理、化工热力学、化学反应工程、工程制图、化工设备基础、化工仪表及自动化、无机化学、有机化学一、课程介绍（100-150字）（一）中文简介：本课程通过面向设计项目的实践教学过程，学习化学工程的现代设计方法与工具，了解化工设计的工作程序、内容、设计文档编制方法，实践经历设计一个化工厂的全过程，并初步掌握化工专业计算机仿真设计工具软件，以及基本的化工仿真设计方法，培养综合运用专业基础理论解决具体工程问题的能力。
（二）英文简介Through a practical study process of project-oriented, the students will learn modern methods and tools of chemical engineering design, understand the working procedure, contents and documentation, practically experience the whole process of designing a chemical plant by simulation, get familiar of the computer software and basic skills for chemical engineering simulation design, and receive an integrated training on the ability to solve engineering problems by application of the principles and theories they have learnt.二、教学目标(一)学习目标1、对化工设计阶段的划分，各设计阶段的工作内容和设计文档有一个总体的了解；2、能够在设计工作中自主地综合运用化学、热力学、单元操作、化学工艺学、化学反应工程、化工机械与设备、化工仪表与自动控制等专业基础知识；3、初步掌握一种通用和四种化工专业CAD工具软件，以及基本的化工CAD方法；4、学会团队工作方法；5、完成模拟项目的设计。
名词解释—化工过程分析与合成
名词解释—化工过程分析与合成名词解释1.夹点的意义（夹点处，系统的传热温差最小（等于ΔT min ），系统用能瓶颈位置。
夹点处热流量为0 ，夹点将系统分为热端和冷端两个子系统，热端在夹点温度以上，只需要公用工程加热（热阱），冷端在夹点温度以下，只需要公用工程冷却（热源）；）2、夹点技术夹点技术是以热力学为基础，从宏观角度分析过程系统中能量流沿温度的分布，从中发现系统用能的“瓶颈”所在，并给与解瓶颈的方法。
夹点设计法三条原则：（1）应该避免有热流量穿过夹点（2）夹点上方应该尽量避免引入公用工程冷却物流（3）夹点下方应该尽量避免引入公用工程加热物流夹点匹配的可行性规则及经验规则3、过程系统能量集成过程系统综合是以合理利用能量为目标的全系统能量综合问题，它从总体上考虑过程中能量的供求关系以及系统结构，操作参数的调优处理，已达到全过程系统能量的优化综合。
（以用能最小化为目标的考虑整个工艺背景的过程能量综合）设备在系统中的合理放置：（1）分离器与过程系统热集成时，分离器穿越夹点是无效的热集成；（2）分离器完全在夹点上方或完全在夹点下方均是有效的热集成。
（3）热机不穿越夹点的设置，是有效的热集成。
（4）热泵穿越夹点的设置是有效热集成。
4、过程用能一致性原则利用热力学原理，把反应、分离、换热、热机、热泵等过程的用能特性从用能本质的角度统一起来，把全过程系统能量综合问题转化为有约束的化热网络综合问题。
5、利用夹点分析进行过程系统能量集成，调优策略的原则：设法增大夹点上方总的热流股的热负荷，减少总的冷流股的热负荷；设法减少夹点下方总的热流股的热负荷，增大总的冷流股的热负荷。
即所谓的“加减原理”。
6、化工过程系统模拟采用一反映研究对象本质和内在联系，与原型具有客观一致性，可再现原型发生的本质过程和特性的模型，来进行设计和研究原型过程的方法。
（对于化工过程，在计算机上通过数学模型反映物理原型的规律）三种基本方法：序贯模块法、联立方程法、联立模块法7、过程系统优化（实现过程系统最优运行，包括结构优化和参数优化）结构优化：改变过程系统中的设备类型或相互间的联接，以优化过程系统。
化工设计竞赛换热网络与热集成(0002)
换热网络与热集成我国国民经济正处于一个高速发展的时期，这就不可避免地出现能源消耗的大幅度上升。
当前我国的能源消费量已超过世界能源消费总量的10%，但是我国的人均能源消费量仅约为世界平均水平的50%，这种情况表明未来我国经济发展所面临的能源问题将更加突出、更加严峻。
为了保证国民经济持续、快速、健康地发展，必须合理、有效地利用能源，不断提高能源利用效率。
在大型过程系统中，存在大量需要换热的流股，一些物流需要被加热，一些物流需要被冷却。
大型过程系统可以提供的外部公用工程种类繁多，如不同压力等级的蒸汽，不同温度的冷冻剂、冷却水等。
为提高能量利用率，节约资源与能源，就要优先考虑系统中各流股之间的换热、各流股与不同公用工程种类的搭配，以实现最大限度的热量回收，尽可能提高工艺过程的热力学效率。
热集成网络的分析与合成，本质上是设计一个由热交换器组成的换热网络，使系统中所有需要加热和冷却的物流都达到工艺流程所规定的出口温度，使得基于热集成网络运行费用与换热设备投资费用的系统总费用最小。
1.1 热集成1.1.1 概述进行流程的冷热流股之间的能量匹配设计并构建换热网络。
热集成旨在最大程度的利用流程内部的能量，减少公用工程的消耗，从而减少操作费用，降低生产成本。
通过对流程流股的深入分析，利用Aspen Energy Analyzer 设计换热网络，其主要步骤如下：（1）确定流程中需要换热的冷流股和热流股；（2）利用物流数据做出冷热流股的温焓图和总组合曲线图（GCC）；（3）确定最小传热温差；（4）找出夹点及最小冷、热公用工程用量；（5）构建优化换热网络。
由于跨车间换热对管道伴热要求较高，使用的管道经济投资较大，在换热网络处理中，本设计将原料预处理工段、反应工段、二氧化碳捕集工段和分离提纯工段分别进行换热网络设计。
夹点设计技术原则：（1）流股数目准则夹点以上只能用热公用工程进行加热，所有的热流股都要用冷流股冷却到热夹点温度，夹点以下只能用冷公用工程进行冷却，所有的冷流股都要用热流股加热到冷夹点温度。
化工热力学精ppt课件
利用纯物质在临界点附近的特殊性质，通过一 些经验公式或图表，估算其在其他条件下的热 物理性质。
混合物热物理性质预测方法
基于组分的加权方法
根据混合物中各组分的摩尔分数或质量分数，采用加权平均的方法 预测混合物的热物理性质。
基于活度的预测方法
引入活度系数来描述混合物中组分间的相互作用，通过活度系数与 纯物质性质的关联，预测混合物的热物理性质。
01
夹点技术
通过优化换热网络，降低能源消耗。
热泵技术
利用外部能源，提高低温热源的品 位，实现能量的升级利用。
03
02
热集成
将多个操作单元集成在一起，提 高能源利用效率。
04
节能技术与措施
改进工艺和设备
采用先进的生产工艺和设备，降低能源消耗。
设计优化方法
通过选择合适的萃取剂、优化萃取塔结构、改进操作条件 等方式，提高萃取过程的分离效率，降低能耗和投资成本。
案例分析
结合具体萃取案例，分析热力学原理在萃取过程设计中的 应用，以及优化方法对提高萃取效率的作用。
其他分离过程热力学原理简介
01
02
结晶过程热力学原理
利用物质在溶液中的溶解度随温度、压 力等条件的变化而变化的性质，实现物 质的分离和提纯。结晶过程涉及相平衡、 传热等热力学基本原理。
封闭系统
与外界有能量交换但没有物质交换的系统。
开放系统
与外界既有能量交换又有物质交换的系统。
热力学基本定律
热力学第零定律
如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡状态，那么这两个系统也必定处于热平衡状态。
热力学第一定律
热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。
热力发电厂应用化学专业实践教学模拟仿真体系的构建
热力发电厂应用化学专业实践教学模拟仿真体系的构建
热力发电厂是利用燃料的热能转化为电能的装置，是实践教学中常见的实验对象。
化学专业是与电力工程紧密相关的学科，因此在热力发电厂的实践教学中，应用化学专业的知识和实践技能非常重要。
为了更好地进行热力发电厂的实践教学，可以建立一个仿真体系来模拟实际的工厂运行情况。
该仿真体系应包含以下几个方面的内容。
仿真体系应包括燃料的燃烧过程。
燃料的燃烧是热力发电厂能量转化的核心过程，也是化学专业知识的重要部分。
通过模拟燃料的燃烧过程，学生可以了解燃料的性质、燃烧的原理和热量的转化过程。
仿真体系还应包括蒸汽轮机和发电机的工作原理。
蒸汽轮机是将高压高温的水蒸汽转化为机械能的装置，而发电机是将机械能转化为电能的装置。
通过模拟蒸汽轮机和发电机的工作原理，学生可以了解机械能和电能的转化过程。
仿真体系还应包括一些实际操作环节的模拟。
学生可以模拟锅炉的燃料供给过程、水循环系统的运行过程和电力传输系统的工作过程。
这些实际操作的模拟可以让学生更加深入地了解热力发电厂的运行原理和实际操作步骤。
热力发电厂的应用化学专业实践教学模拟仿真体系的构建可以帮助学生更加全面地了解热力发电厂的运行原理和实际操作步骤，提高学生的实践能力和综合素质。
这种仿真体系可以在实验室或虚拟实验室中进行，使学生能够在安全、环保的环境中进行实践教学。
该仿真体系还可以与实际的电力工程实践相结合，提高学生的实际应用能力。
热仿真使用的方法
热仿真使用的方法1. 热仿真简介热仿真是一种通过计算机模拟和分析热传导、传热、温度分布等热学问题的方法。
它可以帮助工程师和设计师在产品设计和工艺优化中预测和改进热性能，提高产品的可靠性和效率。
2. 热仿真的应用领域热仿真广泛应用于各个工程领域，包括电子器件、汽车工业、航空航天、建筑设计等。
以下是一些常见的应用领域：2.1 电子器件在电子器件设计中，热仿真可以帮助优化散热系统以确保器件在正常工作温度范围内运行。
通过模拟器件的温度分布，可以确定是否需要增加散热片或风扇来降低温度。
2.2 汽车工业在汽车工业中，热仿真可以用于设计发动机冷却系统、制动系统和空调系统等。
通过模拟流体流动和传热过程，可以预测不同工况下的温度分布和传热效率，从而优化系统设计。
2.3 航空航天在航空航天领域，热仿真可以用于设计飞机发动机的冷却系统、隔热材料和热防护结构。
通过模拟高温环境下的热传导和辐射过程，可以评估材料的性能并改进设计。
2.4 建筑设计在建筑设计中，热仿真可以用于评估建筑物的能源效率和室内舒适性。
通过模拟建筑物的热传导、太阳辐射和空气流动，可以优化保温材料、窗户设计和通风系统等。
3. 热仿真方法热仿真方法包括数值方法和实验方法两种主要方式。
下面将详细介绍这两种方法及其常见的应用。
3.1 数值方法数值方法是基于数学模型和计算机算法进行热仿真分析的一种方法。
常见的数值方法包括有限元法（Finite Element Method, FEM）、有限差分法（Finite Difference Method, FDM）和边界元法（Boundary Element Method, BEM）等。
3.1.1 有限元法（FEM）有限元法是一种将连续物体离散化为有限个单元进行计算的方法。
它将物体划分为小的几何单元，并在每个单元内建立方程来描述热传导过程。
通过求解这些方程，可以得到整个系统的温度分布和传热性能。
有限元法适用于复杂几何形状和边界条件的问题，如电子器件散热、建筑物热传导等。
化工过程热集成Aspen Plus
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。
§1.1 基本概念和术语
1. 基本概念：
夹点、冷物流、热物流、热容流率
2. 温焓图 3. 复合曲线 4. 总复合曲线
1. 基本概念
夹点
夹点——根据热能回收的观点，在换热网络中 冷物流 存在某一特定温度，如果热能传递通过这一温 冷物流——初始温度较低且需要加热的物流。 热物流 度将造成能源浪费，这一特定温度则称夹点。 热物流——初始温度较高且需要冷却的物流。 热容流率 热容流率——工艺物流单位时间内每变化1K所 发生的焓变，物流质量流率与比热容的乘积。
Ok =0处所对应温度为夹点温度，供给第一个子网络的
热量即为所需的最小热公用工程用量，最后一个子网络输出 的热量即为所需的最小冷公用工程用量。
§1.3 夹点的意义
夹点是冷热组合曲线图中传热温差最小的 夹点将换热网络分为两个部分： 夹点之上称为热阱 夹点之下称为热源
地方，此处热通量为零。
§1.3 夹点的意义
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能量目标可通过温焓图的组合曲线法计算得到。
Units Target — 换热单元数目标
一个换热网络的最小单元数目可由欧拉通 用网络定理来描述：
U min N L S N 1
U—换热单元数，包括换热器、加热器和冷却器；
N—流股数目，包括工艺流股和公用工程流股； L—独立的热负荷回路数目； L 0 S—可能分离成不相关子系统的数目。 S 1
1. 能量目标 2. 换热单元数目标 3. 换热网络面积目标 4. 经济目标
Energy Target — 能量目标
能量目标就是指以系统能量的最大回收为目标， 即最小热公用工程和最小冷公用工程。 能量目标随夹点温差而变。夹点温差确定后，
所分析系统的能量目标为一确定值。 若夹点温差增大，加热公用工程和冷却公用
设计（Design）
3. 案例(Case) —— 设计目标计算 4. 改造模式(Retrofit Mode) 5. 案例/文档(Case/File) —— *.hch 文件
基本使用步骤 — 独立应用（1
设备投资费用目标 —根据换热单元数目标
和换热面积目标求取
假定：换热单元数目标为Umin，且换热面积平均分配
在各单元中 CN U min [a b( A /U min )c ]
总年度费用目标 CT CE B CN / R
B — 年运行时间； R — 设备折旧年限
最优夹点温差Tmin的确定
CE CH QH CC QC CN U min [a b( A /U min )c ]
最大能量回收网络的 换热单元数目标
如果要使系统能量最大回收，需将系统分成夹点 之上和夹点之下两个独立网络设计：
夹点之上： U min，1 N1 L1 S1 夹点之下： U min ,2 N 2 L2 S2
U min U min ，1 U min ，2
如果有热量穿过夹点传递，则会使公用工程量 增加（不满足能量最大回收），此时夹点上下 就不再是独立网络了。
温-焓(T-H )图(1)
物流的热特性可以用(T-H )图表示
温-焓(T-H )图(2)
两流股间的换热:温度及焓的变化在
(T-H )图上能够很好地表达。
T (℃)
Hot Stream
Cold Stream
QE
QC
QH
H (MW)
组合曲线-Composite Curve
多股流股的组合温焓线
夹点的形成 -Pinch Point (1)
Area Target — 换热面积目标
在进行换热网络设计前，无法精确计算换热网 络的面积，最小换热面积的计算是由最小传热温 差下冷、热温焓曲线垂直换热得到的。
T
i
Ai
1 ( i Ti,min
j
qj ) hj
H
Cost Target — 经济目标
能量费用目标
CE CH QH CC QC
能量供给（热公用工程）
原料
工艺过程子系统
热回收 子系统
蒸汽动力 子系统
产品
副产 蒸汽
废热排出（冷公用工程）
过程热集成设计的方法
— 夹点技术 Pinch Technology 夹点技术是广泛应用的过程热集成 设计的有效方法，其要点如下：
1. 温-焓图和组合曲线
2. 夹点的形成
3. 夹点的意义和设计原则
有两种方式应用 Aspen Energy Analyzer：
1.独立应用Aspen Energy Analyzer； 2.在Aspen Plus仿真模型的基础上应用 Aspen Energy Analyzer。
Aspen Energy Analyzer 入门
Structure 基本术语
1. 管理员(Manager) 2. 项目(Project) ——方案（Scenario） 和
4.不应有跨越夹点的传热。
Grand Composite Curve — 总组合曲线
如果将每个温区中的冷、热流股的焓变加和起来， 计算总焓变，并在温焓图上表示，则可得到总组 合曲线。
T
H
总组合曲线的意义
由总组合曲线可知不同温位下的传热通量分 布，能更合理地配置公用工程。
换热网络(HEN)设计目标
夹点
在纵坐标上的
差值代表传热
温差。温差最
小处称为夹点。
极限情况是夹
QE
点温差为零。
H
夹点的形成 -Pinch Point (3)
对于有限大的传热面积，最小传热温差不能为
零。设定最小传热温差值，就可根据(T-H)图中的
冷、热组合曲 T 线得到系统内
部换热量QE、
冷公用工程量 QC 和热公用工
夹点
程量QH。
夹点技术的应用
夹点技术既可用于新厂设计，又可用于 已有系统的节能改造，但两者在目标上和 方法上都有区别；
夹点技术的一个显著特点是在换热网络 设计前，先获得各项设计目标；
在优化目标方面，夹点技术最初是以最 大能量回收为系统的目标，然后发展为以 最小总费用为目标。
Aspen Energy Analyzer 入门
Hierarchy
— 化工过程的分层设计
最常用的化工过程 分层设计模型是左图所 示的洋葱模型，由里到 外逐层细化设计。
过程热集成设计的 对象是换热系统的拓扑 结构和公用工程的规格 配套设计。
化工过程的洋葱模型
Hierarchy
— 化工过程的分层设计
洋葱模型分层 结构的能量关系如 右图所示：热回收 子系统通过内部物 流之间的换热来减 少对外部公用工程 的依赖，提高系统 能效；蒸汽动力子 系统是适用于大量 高温放热过程的可 选项。
将全部热物流的组合温焓线与全部冷物流 的组合温焓线绘制在同一（T-H）图上：
T
Hot Stream
Cold Stream
H
夹点的形成 -Pinch Point (2)
焓是热力学状态函数，具有实际意义的是其增 量而非绝对值。因此可以将组合曲线水平移动。
冷、热组合曲 T
线在横坐标上
的重叠部分代
表两类流体间 可交换的热量，
QE （h j Aj T j）
j
QC
QE
QH
H
夹点的意义和设计原则
Q2 Q
+ Q2 + Q
+Q + Q1
1.夹点是冷热复合温焓线中传热温
差最小处，此处热通量为零。
2.夹点之上是热端，只有换热和加 热公用工程，为需要热量的热阱， 不应设置任何冷公用工程。
Q1
3.夹点之下是冷端，只有换热和冷 却公用工程，为热量多余的热源， 不应设置任何热公用工程。