基于Aspen的MVR沼液浓缩系统的换热网络分析

符 侃，黄福川，梁正贤，马良涛，经建芳



基于Aspen的MVR沼液浓缩系统的换热网络分析

符 侃，黄福川，梁正贤，马良涛，经建芳

（广西大学 化学化工学院，广西 南宁 530004）

MVR技术是一种新型的节能蒸发技术，它的主要原理是对蒸发过程中产生的二次蒸汽进行再压缩处理，从而能够最大程度地利用其热能。此外，夹点技术在化工行业换热网络分析中已经得到了非常广泛的运用，根据夹点理论的应用原则，利用Aspen Energy Analyzer软件对Aspen Plus模拟出的MVR沼液蒸发浓缩系统进行换热网络分析。结果表明，进行换热网络优化过后，系统经济性得到了一定的提升，对实际工程中的热网设计起到了一定的参考意义。

Aspen；换热网络；流程模拟；成本分析

MVR又叫做机械蒸汽再压缩技术，在有效利用热能进行蒸发的领域内，MVR技术是最新的进展。它的基本原理是重复利用系统产生的二次蒸汽，将其送入压缩机或者风机内进行再压缩，从而提高二次蒸汽的热焓，再经循环系统再次将二次蒸汽送入系统中重复利用，从而大大的提升了蒸汽热量的利用率。相比于传统的多效蒸发技术，由于多效蒸发系统的二次蒸汽是直接被用作下一效的热源，这将不可避免地造成很多热量的损失，此外由于随着效数的增加，效间的传热温差会相应变小，导致了传热速率也变小，所以为了增大传热速率就需要增大换热器的面积，从而导致了投资成本的增大。另外，与MVR技术原理类似的TVR（Thermal Vapor Recompression，热力压缩）技术相比，TVR技术只能压缩部分二次蒸汽，剩余的二次蒸汽会被冷凝排出，蒸汽的重复利用率不高，也会有一定的热量浪费。

近几十年来，随着节能减排不断被重视，MVR技术在全世界范围内也取得了长足的进展，目前已经广泛运用于制盐工业、食品工业（乳液、蔬菜或者果汁浓缩等）、造纸工业、海水淡化、中药浓缩以及废水浓缩等等领域。董守亮，李庆生[1]等通过对液态奶的MVR蒸发系统进行能效分析，得出了MVR系统的蒸发性能系数很高，系统具有很好的节能效果，并且对系统进行了火用分析，得出了蒸发器和压缩机的火用损失较大，是可以进行优化从而提高经济性的部件。韩东，彭涛，梁林[2]等通过在蒸汽机械再压缩进行氯化铵蒸发结晶实验，分析得到MVR系统构造简单，系统运行平稳，并且从节约标准煤的量的角度说明了比起多效蒸发技术，MVR系统是有很大的节能优势的。刘军,王淑梅[3]通过对MVR在中药蒸发凝缩领域的应用的说明，得出了MVR蒸发系统蒸发温度较低，可以有效地适用于蒸发热敏性物料的特点，但是MVR系统的设备费用较贵，一次投资较大的缺点。MVR系统适用于浓度提升在一定范围内，沸点提升不大并且不易结垢的物料，在电价较便宜，热能偏贵的地区或者企业也非常适用MVR系统。

1 Aspen Plus以及夹点技术的介绍

1.1 Aspen Plus软件的介绍

Aspen Plus 软件具有丰富的物性参数数据、多样的单元操作模块以及便捷的操作界面，对蒸发系统能准确地进行物料以及能量衡算，并且借助模型分析功能能对模拟流程进行相关的分析。Ana-Maria Comos[4]等采用Aspen Plus模拟了制氨工艺中生产纯碱的工艺流程，并且得到了现有工况下的最优参数。数学模型和数值模拟结果证明了Aspen Plus对于氨工业中，模拟分析和优化生产纯碱制品的工艺流程是精确可靠的。Everton Simoes Van-Dal[5]等利用Aspen Plus模拟了水与二氧化碳的电解作用生成甲醇反应过程：首先由火电厂的烟气吸收大量的CO2，在水中与无碳电极发生电解反应生成甲醇，与此同时放出的热量能被重复利用，从而大大降低了能源投入的成本。Abdulrahman[6]等用Aspen Plus模拟了二乙醇胺溶液对酸性气体的吸收过程，并且对比了乙醇胺和甲基二乙醇胺的吸收效果，并评估了醇胺溶液的浓度和流量等工艺条件，使产品中的天然气所含酸性气体含量降低，因而能在规定的天然气管道中输送。洪文鹏[7]等运用Aspen Plus对氨法脱硫工艺进行了研究，得到了一个较为理想的工艺条件。此外，董其伍，王利以及胡永锁[8,9]等都利用夹点原理深入分析了其在实际工程中的应用，并且利用Aspen等模拟软件做出了优化设计。本文先对沼液蒸发浓缩的模拟流程进行一个概述，然后将其导入Aspen Energy Analyzer中进行换热网络的分析。

1.2 夹点技术及其应用

夹点技术的主要目标是寻找工艺上一个最小能耗的温度差。Linnhoff最早在1978年就提出了这种理论并且大力推广，这种技术也渐渐地代替了传统装置，并以其低成本的特性得到了较好的发展。实际工程中的冷热物流的换热关系可用温-焓图表示如下。温度为纵轴，热焓为横轴。热流曲线的变化趋势是高温到低温，而冷流曲线反之。由于焓差Δ是物流热量变化的表征量，因此平移冷热物流线并不会对物流的热量和温度产生改变。多股冷、热物流在图上可合并为复合曲线,其中，纵坐标即为温度，冷热温差最小处即为夹点。得到夹点Δmin就可以根据温焓图就可以得到到系统的换热量E，冷流曲线焓变C以及热流曲线焓变H。

图1 温焓T-H图

根据夹点定理以及其选取的意义与准则，在网络的设计中, 夹点温度的取值对能量的回收和系统的投资运行费用有直接影响，夹点温度较低时，系统能有效回收的热量较大，使得系统操作费用较低但这要建立在较大的冷热系统换热面积上，因此设备成本的投入也较大，而夹点温度较高时则反之。因此，在设计换热网络时，需要在操作成本和设备成本之间做出衡量以得到最优解。

2 Aspen Energy Analyzer及其应用

Aspen Energy Analyzer作为一款与Aspen Plus相辅相成的化工过程能量分析工具，在夹点的选取和热网的设计上，有着非常突出的优势。

现以某沼液处理厂的一套MVR沼液蒸发装置为例，概述Aspen Plus软件的模拟流程，建立的Aspen流程图如图2所示。

图2中，料液由左侧进入流程，经预热器模块预1、预2进行预热，之后被通入蒸发室内进行蒸发，在Aspen Plus中蒸发室由两个热量交换模块E1和E2组合而成，料液经换热后沸腾并产生气液混合物，气液混合物进入气液分离器模块进行分离。

与此同时，从气液分离器出来的浓缩液仍具有一定液体热，可以继续通入预热器模块预2进行预热，然后流出蒸发系统得到产品；气液分离器分离出的二次蒸汽将进入压缩机模块，受到压缩机的压缩而成为高品位蒸汽，在与补充水混合消除过热度后再次进入蒸发室，得到的冷凝液可以通入预热器1中进行进料液的预热。按照步骤将Aspen Plus中的模拟数据导入Aspen Energy Analyzer,得：如图3所示为Δmin对总的目标花费指数的影响的趋势图。由图3可知夹点温度的范围约在4~9 ℃之间，所以取一个中间值6.5 ℃作为Δmin进行后面的分析。

图3 ΔTmin对总的目标花费指数的影响

如图4所示为冷热流股的温熵线。由曲线可知在不同温度工况下的热量分布情况。

再以最大能量回收为前提下，可以得到系统的能量目标，即合理地调整冷热公用工程使其最小，从而得到最大的换热量，它会随着夹点温差而变。在确定夹点温度后，能量目标就会随之确定且为一定值（图5）。

图5 设计结果

如果以年度总费用最小为目标，则选择Design 3方案，将Design 3方案设置为所需的目标方案，可以将其最大程度地优化。得出最终的换热网络设计结果为：如图6所示为换热网络优化设计后的结果。

图6 换热网络设计结果

Fig.6 Design results of Heat Exchanger Network

通过选择Minimize Total Annualized Cost（年最小总花费）选项可以得出最终的设计结果：虽然operating（操作）费用较高，但是Capital（成本）仅为目标费用的93.62%，Total Cost（总费用）为目标费用的96.99%，经济性得到了一定的提升。

3 结 论

本文介绍了利用Aspen Plus结合Aspen Energy Analyzer进行换热网络分析及优化的基本方法，以及换热网络设计中夹点的相关概念以及设计原则，分析了冷热流股温焓图的相关构成以及应用方式。之后通过将利用Aspen Plus模拟完成的MVR蒸发系统导入换热网络分析软件Aspen Energy Analyzer中，按照换热网络设计的基本步骤对其进行相关的换热网络分析，然后定出一个的最小夹点位置，进行方案设计，最后选择一个最优方案进行换热网络优化。结果表明，进行换热网络优化过后，系统经济性得到了一定提升，该换热网络可以为实际工程提供一定的参考。

参考文献：

［1］董守亮，李庆生. MVR技术在液态奶蒸发系统中的应用[J]. 轻工机械, 2014, 32(4): 1-4．

［2］韩东，彭涛，梁林. 基于蒸汽机械再压缩的氯化铵蒸发结晶实验[J]．化工进展，2009，28(1)：187-189．

［3］刘军, 王淑梅. MVR低温降膜蒸发技术在中药蒸发中的应用[J]. 中国机械，2013(13)：142-143.

［4］ Ana-MariaCormos,Calin-CristianCormos,Pauls.Agachi.Makings-odaashm aufacture more sustainable.Amodeling study usin-g ASPEN Plus[C]. 17th European Symposiumon Computer Aided Process Engineering,2007：551-556.

［5］Van-Dal E S, Bouallou C.Design and simulation of a methanol production plant from CO2 hydrogenation[J].Journal of Cleaner Production, 2013, 57: 38-45．

［6］Abdulrahman R K. Sebastine I M．Natural gas sweetening process simulation and optimization：A case study of Khurmala eld in Iraqi Kurdistan region[J]．Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2013, 14:116-120.

［7］洪文鹏，何慧颖，刘广林，等.基于Aspen Plus的氨法脱硫单塔系统流程模拟[J]. 动力工程学报,2013,33(2):141-146.

［8］ 董其伍 ,刘敏珊 ,谢 伟. 换热网络优化设计的研究进展[J].能源工程，2005 ,6:15-19.

［9］胡永锁.Aspen 软件在换热网络能量分析中的应用[J].石油化工设备,2010,39(2):77-80.

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

，

（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，硕士研究生，广西大学化学化工学院动力工程专业，研究方向：生物质燃料技术开发。E-mail：444071811@qq.com。

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