综合考虑换热器传热、压降和结垢性能的换热网络优化方法

Heat exchanger networks play an important role in process industries. The energy recovery efficiency of a heat exchanger network has great impact on the energy saving performance of the process. Many synthesis methods for heat exchanger networks have been proposed during the last three decades. However, conventional heat exchanger network synthesis methods normally aim at the network scale. Researching heat exchanger network synthesis by integrating the heat exchanger scale and heat exchanger network scale can further improve network optimization methodology and promote the development of chemical system integration. To consider heat exchanger scale, this project uses flow velocity of streams as a medium to correlate the performance of pressure drop, heat transfer and fouling rate. Then, how the flow velocity affects the heat exchangers in different position of a network will be studied. By doing this, the detailed heat exchanger design and the network integration can be combined. Based on the consideration of flow velocity, the bottlenecks of heat transfer, fouling and pressure drop can be identified. After that, the correlation of these bottlenecks is further explored. After all, the optimization of heat exchanger network considering fouling and pressure drop can be achieved.

换热网络是过程工业中重要的能量子系统，它的热回收效率直接影响着整个装置的节能效果。 在近几十年相继提出许多针对换热网络集成优化的方法，然而这些传统方法仅针对网络这一尺度进行研究。将换热器尺度和换热网络尺度集成起来进行研究，可以进一步完善换热网络优化方法，并推动化工系统工程的发展。本课题通过流速这一变量，从研究换热器内流体的流速对换热器内换热、压降和结垢的综合性能的影响入手，进而从网络集成的角度，研究流速对网络中不同位置的换热器的影响，将细节的换热器设计和宏观的换热网络集成结合在一起。以此为基础，识别换热网络中的传热瓶颈、压降瓶颈与结垢瓶颈，并进一步探求这三个瓶颈之间的交互作用。最终实现对于换热网络的传热，压降与结垢性能的综合优化。

换热网络是过程工业中重要的能量子系统，它的热回收效率直接影响着整个装置的节能效果。 然而目前的研究对于换热网络设计中的结垢和压降问题并没有很好的解决。我们发现结垢、压降和传热系数都与流速有关，因而我们采用流速作为优化变量，对换热网络进行优化，并同时关联换热网络的结垢、压降和传热的性能。由于关联式的非线性严重，所以采用模拟退火算法进行优化，并将整个操作周期划分为多个时间区间，以描述问题的动态过程。同时，为了更好的解决换热网络的结垢问题，在流速优化的基础上，加入了清洁周期的优化，以同时减缓和清除结垢。为了避免清垢时的换热器离线问题，还加入了备用换热器的考虑。研究结果表明，在结垢过程中，总体结垢速率会随着垢层的增厚而减小，传热效果也会随着垢层的增厚而减小。在考虑结垢的换热网络中，传热瓶颈是热负荷较大的换热器，而结垢瓶颈是壁温高的换热器，从流速优化的结果可以看出，这些换热器内物流的流速明显高于其它换热器，以进一步促进传热并减小结垢。同时在考虑清垢周期优化时，也发现清垢次数较为频繁的是传热瓶颈和结垢瓶颈，为这些瓶颈增加备用换热器之后，可以有效增加换热网络的热回收量，并使整个系统的操作更为平稳。在研究中还发现，流速优化可以扩展到其它系统进行优化，例如循环水系统和厂际热联合。因此，本项目所研究的方法有效的深化和扩展了系统集成相关的理论。