基于火积的临氢降凝装置节能研究

2022-11-15赵婷婷栾秋琴王钰鑫孙晓岩项曙光

化学反应工程与工艺 2022年5期

赵婷婷，栾秋琴，王钰鑫，夏力，孙晓岩，项曙光

1.青岛科技大学化工学院，山东青岛 266042；

2.青岛盖特鑫安全技术有限公司，山东青岛 266042

提高能源资源的利用效率是我国可持续发展的一项长远发展战略，加强节能工作是缓解能源紧张、减少环境污染的重要途径，是提高经济增长质量和效益，转变经济增长方式的重要举措，是落实科学发展观，实现经济社会全面、协调、可持续发展的必然要求[1-2]。

对于一切涉及能量利用的活动，都可以从热力学的角度进行分析，评价其合理性和挖掘节能潜力。㶲分析方法从能量的数量和质量结合的角度出发分析和揭示了能量中的㶲（有效能）在装置或设备中的转换、传递、利用和损失情况[3]。近二十多年来，许多学者对㶲损失的换热网络综合方面的问题进行了研究。Linnhoff 等[4]构建了卡诺因子-焓图，包括㶲复合曲线（ECC）图和㶲总复合曲线（EGCC）图。㶲分析法将热力学第一定律和第二定律结合起来，可以衡量能量的“质”与“量”，指出了提高用能效率的潜力与方向，但是未解决也不可能解决供能与用能双方如何合理匹配的问题。为了解决此问题，Feng 等[5]提出用能级-焓（ε-H）图表示㶲损失，并结合夹点技术与㶲分析的优点对换热网络进行了三级分析。

过增元等[6-7]通过导电与导热过程的比拟，引入了“火积”这一新的物理量，描述一物体所具有的热量传递的总能力。有关火积概念与火积耗散极值原理引起了研究者们浓厚的兴趣，进一步从导热机理、电热模拟实验等方面阐述了火积的物理意义[8-10]，并在换热网络等方向开展了一系列的节能研究。郭江峰等[11]提出了在换热量和换热面积给定时的火积耗散最小原则。Wu 等[12]借助温度-热流（T-q）图对含有6 个物流的化工过程进行了火积分析，综合了热效率较高的热回收网络。陈群等[13]引入T-q图，描述了传热过程中冷、热流体的火积变化规律，定性描述了传热过程的不可逆性。Xu 等[14-15]将火积平衡方程作为优化换热网络的约束条件。Xia 等[16]从换热网络存在火积耗散量的不可逆性出发，基于温度-热流图，以最高火积传递效率为目标，提出了基于火积的换热网络能量目标确定方法，以及4 个基于火积的换热网络匹配准则，将冷、热物流进行匹配后，得到了与能量目标一致的最高火积传递效率换热网络，并以柴油加氢装置为例，验证了基于火积的换热网络综合方法的正确性。Geete[17]通过对火积和㶲的分析，得到了较佳操作条件的热交换器。王磊等[18]综合经济性和火积效率最高的因素对换热网络进行了最优化设计。原梓洛[19]将火积耗散理论引入工业余热回收利用中，对火积理论在换热器强化传热中的应用进行了理论分析，设计了一套带初级防腐热回收的废水余热回收系统。

本研究根据火积的概念，通过分析某企业的临氢降凝装置换热网络的能量利用效率，比较火积传递效率和㶲效率的不同，进而确定出较优的换热网络能量利用效率。

1 换热网络中的火积传递效率

化工过程通常是在压力和容积不变的条件下进行的，那么定容比热容（cv）与定压比热容（cp）近似相等[20]，则冷物流和热物流之间的换热量为[20-21]：

根据过增元等[6]提出的关于火积的定义式（2），通过假设换热网络中包含的冷、热物流（包括公用工程）数目都为n，物流在换热器内的流动状态为一维稳定状态，忽略换热过程中对外热损失和轴向导热，同时忽略流体动能和势能的变化，物流与传热面充分换热[22]，可得出冷、热物流的火积量为（以0 K 作为基准）：

换热网络的火积耗散量为：

火积传递效率为：

为了分析换热网络中各个换热设备火积量的传递情况，可以分别计算各个设备的火积传递效率：

从式（6）看出，火积随传热温差的变化而变化，传热温差越大表明在换热网络中热物流输出的火积量不能被冷物流完全利用，则体系中的可用火积越小，存在大量的火积耗散。因此，体系的火积传递效率越低，各个设备的火积耗散率也越低。由此看出，为了保证换热网络中热物流达到热量传递能力最好的状态，可用火积最大，使得火积传递效率最高，必须选择一个最佳的传热温差值。

分析装置换热网络的火积传递效率可采取以下步骤：

（1）提取装置换热网络的冷、热物流的数据，包括进口温度、出口温度、热容流率或热负荷。

（2）计算装置换热网络的所有物流的火积量。

（3）计算装置换热网络中的火积传递效率。根据步骤（2）中得到的所有物流的火积量，由公式（6）求出换热网络的火积传递效率。为了确定换热网络中存在能量利用不合理的地方，可以进一步求出每一个物流的火积耗散率。

2 临氢降凝装置的物流数据提取

2.1 临氢降凝装置工艺流程

临氢降凝装置是重油轻质化的重要单元，在分子筛催化剂的作用下，将高凝点的正构烷烃异构化为低凝点的支链烷烃，所发生的反应主要是烷烃的异构化反应，某装置工艺流程如图1 所示。

图1 临氢降凝装置的工艺流程Fig.1 The process flow chart of hydrodewaxing unit

2.2 提取物流数据

利用流程模拟软件Aspen Plus 模拟临氢降凝装置的工艺流程，得到了能量衡算和物料衡算数据，提取所需要的冷、热物流数据，见表1。

表1 工艺物流数据Table 1 The data of process streams

3 换热网络能量利用效率分析研究

3.1 原始换热网络分析

根据表1 中的数据，冷物流和热物流的组合曲线如图 2 所示。计算得到：热物流的火积量为3.13×106kW·K，冷物流火积量为2.62×106kW·K，热公用工程的火积量为0.93×106kW·K，冷公用工程的火积量为1.13×106kW·K，火积回收量为1.69×106kW·K，火积耗散量为 3.13×105kW·K，则火积传递效率为53.9%。

图2 临氢降凝装置的组合曲线Fig.2 Composite curves of streams for hydrodewaxing unit

换热网络中的热量㶲可以表示物流热量的可用能，则㶲效率也能用来分析换热网络中的能量利用效率。选取环境温度（T0）为298.15 K，压力（P）为0.101 3 MPa，通过计算可得，热物流的供给㶲为2.17×103kW，冷物流需要的㶲为1.93×103kW，外加热公用工程㶲为7.57×102kW，冷公用工程的㶲为5.90×102kW，㶲损失为7.64×102kW，㶲效率为64.76%，㶲损率为35.24%。

3.2 最大热回收换热网络分析

选取不同的最小传热温差（ΔTmin），通过计算临氢降凝装置的火积传递效率和㶲效率来评价换热网络的热量利用情况，结果见表2。由表2 的计算结果可知，换热过程的㶲损失和火积耗散对于描述传热过程存在的不可逆性均有效果。但是，㶲分析的方法是在一定的自然环境（T0）下进行的，根据研究对象的不同而不同，有着人为规定的特点，且更注重用热量能够转变为有用功的多少来衡量整个体系中热量的品质，而火积分析法通过计算火积传递效率描述实际体系热量传递的效果。

表2 临氢降凝装置的㶲分析和火积分析结果Table 2 Results of exergy analysis and entransy analysis for hydrodewaxing unit

换热网络的能量利用效率随着传热温差的增大而降低。案例中分别取ΔTmin为10，15 和20 K，对于㶲分析法，通过计算热物流的供给㶲、冷物流的所需㶲和冷热公用工程的㶲，进一步求出过程的㶲损失，即㶲损失越来越大，㶲效率越来越小，分别为90.32%，89.20%和88.08%，节约公用工程分别为65.00%，59.25%和55.10%，表明热物流热量的品质越来越低，不可逆性越大，热力学完善性越低。对于火积分析法，通过计算热物流具有的火积量、冷物流需要的火积量和冷热公用工程的火积量，进一步求出火积回收和火积耗散，最后由火积传递效率描述体系火积的利用情况，即火积回收越来越小，火积耗散越来越大，火积传递效率越来越小，分别为74.91%，73.46%和72.01%，同时节能效果越来越差，节约公用工程火积量分别为55.44%，51.73%和48.01%。㶲分析法中计算㶲损失的精确方法过程复杂，而火积分析法直接计算实际冷热物流的火积量，火积耗散为热物流释放的火积量与冷物流利用的火积量的差值，计算过程简便。