基于Aspen的MVR沼液濃縮系統的換熱網絡分析

符 侃，黃福川，梁正賢，馬良濤，經建芳

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基于Aspen的MVR沼液濃縮系統的換熱網絡分析

符 侃，黃福川，梁正賢，馬良濤，經建芳

（廣西大學 化學化工學院，廣西 南寧 530004）

MVR技術是一種新型的節能蒸發技術，它的主要原理是對蒸發過程中產生的二次蒸汽進行再壓縮處理，從而能夠最大程度地利用其熱能。此外，夾點技術在化工行業換熱網絡分析中已經得到了非常廣泛的運用，根據夾點理論的應用原則，利用Aspen Energy Analyzer軟件對Aspen Plus模擬出的MVR沼液蒸發濃縮系統進行換熱網絡分析。結果表明，進行換熱網絡優化過后，系統經濟性得到了一定的提升，對實際工程中的熱網設計起到了一定的參考意義。

Aspen；換熱網絡；流程模擬；成本分析

MVR又叫做機械蒸汽再壓縮技術，在有效利用熱能進行蒸發的領域內，MVR技術是最新的進展。它的基本原理是重復利用系統產生的二次蒸汽，將其送入壓縮機或者風機內進行再壓縮，從而提高二次蒸汽的熱焓，再經循環系統再次將二次蒸汽送入系統中重復利用，從而大大的提升了蒸汽熱量的利用率。相比于傳統的多效蒸發技術，由于多效蒸發系統的二次蒸汽是直接被用作下一效的熱源，這將不可避免地造成很多熱量的損失，此外由于隨著效數的增加，效間的傳熱溫差會相應變小，導致了傳熱速率也變小，所以為了增大傳熱速率就需要增大換熱器的面積，從而導致了投資成本的增大。另外，與MVR技術原理類似的TVR（Thermal Vapor Recompression，熱力壓縮）技術相比，TVR技術只能壓縮部分二次蒸汽，剩余的二次蒸汽會被冷凝排出，蒸汽的重復利用率不高，也會有一定的熱量浪費。

近幾十年來，隨著節能減排不斷被重視，MVR技術在全世界范圍內也取得了長足的進展，目前已經廣泛運用于制鹽工業、食品工業（乳液、蔬菜或者果汁濃縮等）、造紙工業、海水淡化、中藥濃縮以及廢水濃縮等等領域。董守亮，李慶生[1]等通過對液態奶的MVR蒸發系統進行能效分析，得出了MVR系統的蒸發性能系數很高，系統具有很好的節能效果，并且對系統進行了火用分析，得出了蒸發器和壓縮機的火用損失較大，是可以進行優化從而提高經濟性的部件。韓東，彭濤，梁林[2]等通過在蒸汽機械再壓縮進行氯化銨蒸發結晶實驗，分析得到MVR系統構造簡單，系統運行平穩，并且從節約標準煤的量的角度說明了比起多效蒸發技術，MVR系統是有很大的節能優勢的。劉軍,王淑梅[3]通過對MVR在中藥蒸發凝縮領域的應用的說明，得出了MVR蒸發系統蒸發溫度較低，可以有效地適用于蒸發熱敏性物料的特點，但是MVR系統的設備費用較貴，一次投資較大的缺點。MVR系統適用于濃度提升在一定范圍內，沸點提升不大并且不易結垢的物料，在電價較便宜，熱能偏貴的地區或者企業也非常適用MVR系統。

1 Aspen Plus以及夾點技術的介紹

1.1 Aspen Plus軟件的介紹

Aspen Plus 軟件具有豐富的物性參數數據、多樣的單元操作模塊以及便捷的操作界面，對蒸發系統能準確地進行物料以及能量衡算，并且借助模型分析功能能對模擬流程進行相關的分析。Ana-Maria Comos[4]等采用Aspen Plus模擬了制氨工藝中生產純堿的工藝流程，并且得到了現有工況下的最優參數。數學模型和數值模擬結果證明了Aspen Plus對于氨工業中，模擬分析和優化生產純堿制品的工藝流程是精確可靠的。Everton Simoes Van-Dal[5]等利用Aspen Plus模擬了水與二氧化碳的電解作用生成甲醇反應過程：首先由火電廠的煙氣吸收大量的CO2，在水中與無碳電極發生電解反應生成甲醇，與此同時放出的熱量能被重復利用，從而大大降低了能源投入的成本。Abdulrahman[6]等用Aspen Plus模擬了二乙醇胺溶液對酸性氣體的吸收過程，并且對比了乙醇胺和甲基二乙醇胺的吸收效果，并評估了醇胺溶液的濃度和流量等工藝條件，使產品中的天然氣所含酸性氣體含量降低，因而能在規定的天然氣管道中輸送。洪文鵬[7]等運用Aspen Plus對氨法脫硫工藝進行了研究，得到了一個較為理想的工藝條件。此外，董其伍，王利以及胡永鎖[8,9]等都利用夾點原理深入分析了其在實際工程中的應用，并且利用Aspen等模擬軟件做出了優化設計。本文先對沼液蒸發濃縮的模擬流程進行一個概述，然后將其導入Aspen Energy Analyzer中進行換熱網絡的分析。

1.2 夾點技術及其應用

夾點技術的主要目標是尋找工藝上一個最小能耗的溫度差。Linnhoff最早在1978年就提出了這種理論并且大力推廣，這種技術也漸漸地代替了傳統裝置，并以其低成本的特性得到了較好的發展。實際工程中的冷熱物流的換熱關系可用溫-焓圖表示如下。溫度為縱軸，熱焓為橫軸。熱流曲線的變化趨勢是高溫到低溫，而冷流曲線反之。由于焓差Δ是物流熱量變化的表征量，因此平移冷熱物流線并不會對物流的熱量和溫度產生改變。多股冷、熱物流在圖上可合并為復合曲線,其中，縱坐標即為溫度，冷熱溫差最小處即為夾點。得到夾點Δmin就可以根據溫焓圖就可以得到到系統的換熱量E，冷流曲線焓變C以及熱流曲線焓變H。

圖1 溫焓T-H圖

根據夾點定理以及其選取的意義與準則，在網絡的設計中, 夾點溫度的取值對能量的回收和系統的投資運行費用有直接影響，夾點溫度較低時，系統能有效回收的熱量較大，使得系統操作費用較低但這要建立在較大的冷熱系統換熱面積上，因此設備成本的投入也較大，而夾點溫度較高時則反之。因此，在設計換熱網絡時，需要在操作成本和設備成本之間做出衡量以得到最優解。

2 Aspen Energy Analyzer及其應用

Aspen Energy Analyzer作為一款與Aspen Plus相輔相成的化工過程能量分析工具，在夾點的選取和熱網的設計上，有著非常突出的優勢。

現以某沼液處理廠的一套MVR沼液蒸發裝置為例，概述Aspen Plus軟件的模擬流程，建立的Aspen流程圖如圖2所示。

圖2中，料液由左側進入流程，經預熱器模塊預1、預2進行預熱，之后被通入蒸發室內進行蒸發，在Aspen Plus中蒸發室由兩個熱量交換模塊E1和E2組合而成，料液經換熱后沸騰并產生氣液混合物，氣液混合物進入氣液分離器模塊進行分離。

與此同時，從氣液分離器出來的濃縮液仍具有一定液體熱，可以繼續通入預熱器模塊預2進行預熱，然后流出蒸發系統得到產品；氣液分離器分離出的二次蒸汽將進入壓縮機模塊，受到壓縮機的壓縮而成為高品位蒸汽，在與補充水混合消除過熱度后再次進入蒸發室，得到的冷凝液可以通入預熱器1中進行進料液的預熱。按照步驟將Aspen Plus中的模擬數據導入Aspen Energy Analyzer,得：如圖3所示為Δmin對總的目標花費指數的影響的趨勢圖。由圖3可知夾點溫度的范圍約在4~9 ℃之間，所以取一個中間值6.5 ℃作為Δmin進行后面的分析。

圖3 ΔTmin對總的目標花費指數的影響

如圖4所示為冷熱流股的溫熵線。由曲線可知在不同溫度工況下的熱量分布情況。

再以最大能量回收為前提下，可以得到系統的能量目標，即合理地調整冷熱公用工程使其最小，從而得到最大的換熱量，它會隨著夾點溫差而變。在確定夾點溫度后，能量目標就會隨之確定且為一定值（圖5）。

圖5 設計結果

如果以年度總費用最小為目標，則選擇Design 3方案，將Design 3方案設置為所需的目標方案，可以將其最大程度地優化。得出最終的換熱網絡設計結果為：如圖6所示為換熱網絡優化設計后的結果。

圖6 換熱網絡設計結果

Fig.6 Design results of Heat Exchanger Network

通過選擇Minimize Total Annualized Cost（年最小總花費）選項可以得出最終的設計結果：雖然operating（操作）費用較高，但是Capital（成本）僅為目標費用的93.62%，Total Cost（總費用）為目標費用的96.99%，經濟性得到了一定的提升。

3 結 論

本文介紹了利用Aspen Plus結合Aspen Energy Analyzer進行換熱網絡分析及優化的基本方法，以及換熱網絡設計中夾點的相關概念以及設計原則，分析了冷熱流股溫焓圖的相關構成以及應用方式。之后通過將利用Aspen Plus模擬完成的MVR蒸發系統導入換熱網絡分析軟件Aspen Energy Analyzer中，按照換熱網絡設計的基本步驟對其進行相關的換熱網絡分析，然后定出一個的最小夾點位置，進行方案設計，最后選擇一個最優方案進行換熱網絡優化。結果表明，進行換熱網絡優化過后，系統經濟性得到了一定提升，該換熱網絡可以為實際工程提供一定的參考。

參考文獻：

［1］董守亮，李慶生. MVR技術在液態奶蒸發系統中的應用[J]. 輕工機械, 2014, 32(4): 1-4．

［2］韓東，彭濤，梁林. 基于蒸汽機械再壓縮的氯化銨蒸發結晶實驗[J]．化工進展，2009，28(1)：187-189．

［3］劉軍, 王淑梅. MVR低溫降膜蒸發技術在中藥蒸發中的應用[J]. 中國機械，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］洪文鵬，何慧穎，劉廣林，等.基于Aspen Plus的氨法脫硫單塔系統流程模擬[J]. 動力工程學報,2013,33(2):141-146.

［8］ 董其伍 ,劉敏珊 ,謝 偉. 換熱網絡優化設計的研究進展[J].能源工程，2005 ,6:15-19.

［9］胡永鎖.Aspen 軟件在換熱網絡能量分析中的應用[J].石油化工設備,2010,39(2):77-80.

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

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（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，碩士研究生，廣西大學化學化工學院動力工程專業，研究方向：生物質燃料技術開發。E-mail：444071811@qq.com。

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