技术领域
[0001] 本
发明属于换热集成技术领域，特别是一种设有循环反应器的换热网络最优循环比确定方法。
背景技术
[0002] 目前，常规的反应器和换热网络集成优化是基于温-
焓图分析换热网络的复合曲线与表示反应器的
温度-
能量直线的相对
位置确定反应器的合理设置。由于该方法未考虑反应动
力学及
热力学，无法综合考虑反应器的各参数进行系统优化。
[0003] 在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的
现有技术的信息。
发明内容
[0004] 本发明提出了一种设有循环反应器的换热网络最优循环比确定方法，可以清晰、直观的集成循环反应器和换热网络，展示系统能耗和关键参数的关系，确定系统的最小能耗和相应的循环比、进出口温度等关键参数，以便实现更佳的节能环保。需要强调的是，本发明全文所指的收益是指节能环保，以最大化节约
能源和有益于环保。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种设有循环反应器的换热网络最优循环比确定方法包括以下步骤：
[0006] 第一步骤中，提取换热网络中冷热流的进出口温度和流量以确定其放出的热量，记为热负荷，其中，需要被冷却的热物流为热源；需要被加热的冷物流为热阱，流股的初始温度为始温，目标温度为终温，根据热源的温度和热负荷，各个热源均用一条直线段表示，其两端点纵坐标分别代表进、出口温度，横坐标之差代表所述热源的热负荷，把所有热源并合并为一根源复合曲线，其每两端点之间的横坐标代表该温度区间内所有物流的热负荷之和，同样地绘制出阱复合曲线；
[0007] 第二步骤中，提取至少包括进口流量、组成成分浓度、进口温度和出口温度以及转化率的循环反应器参数，根据反应动力学确定循环反应器出口温度和循环比的关系，根据热力学确定循环反应器进口温度、出口温度和循环比的关系；
[0008] 第三步骤中，基于第二步骤的反应器进口温度、出口温度和循环比的关系，确定不同循环比对应的进出口温度，基于第一步骤的源复合曲线和阱复合曲线确定反应器温度变化时换热网络回收能量的关系；
[0009] 第四步骤中，基于反应器进口温度、出口温度、回收能量及收益随循环比的变化曲线构建温度-能量-收益-循环比图，确定达到最大收益时的最小循环比，即最优循环比。
[0010] 所述的方法中，第一步骤中，热物流的热负荷与温度关系为ΔH＝CP(T终温-T始温)，其中，ΔH为热物流热负荷，CP为
热容流率，T表示温度，其下标分别表示终温和始温。
[0011] 所述的方法中，第一步骤中，提取换热网络中冷热流股的进出口温度、冷热流的组成成分和流量以确定其放出的热量。
[0012] 所述的方法中，第一步骤中，当不同热源的温度区间发生重合时，
叠加其所对应的热负荷。
[0013] 所述的方法中，第一步骤中，源复合曲线的斜率等于所有热物流热容流率之和的倒数。
[0014] 所述的方法中，第一步骤中，源复合曲线和阱复合曲线的最小垂直温差达到预定夹点温差时，曲线重合部分为循环反应器出口回收的能量。
[0015] 所述的方法中，所述循环反应器出口回收能量为，
[0016] Q回收＝(1+β)CP2(T4-T5)，其中，Q回收为循环反应器出口回收能量，β为循环比，CP2为循环反应器输出的产物热容流率，T4为反应器出口温度，T5为循环反应器出口
蒸汽发生器的出口温度。
[0017] 所述的方法中，第二步骤中，根据反应动力学确定循环反应器出口温度和循环比的关系，
[0018]
[0019] ，其中，W为循环反应器的催化剂填装量； 为反应物A在进口0处的流量；β为循环比；X为转化率；A为指前因子；E为活化能；T4为反应器出口温度；c为反应物A、B和产物C在进口0的浓度，
[0020] 根 据热 力 学 确定 循 环反 应 器进 、出口 温 度 和循 环比 的 关 系 ，其中，T3为循环物流温度；β为循环比；T1为新鲜进料在反应器进口温度；ΔTmin为最小
传热温差；CP0为新鲜进料的热容流率；T0为新鲜进料的温度；CP4为反应器出口产物的热容流率。
[0021] 所述的方法中，第三步骤，回收能量与循环比关系为Q回收＝(1+β)CP2(T4-T1-ΔTmin)，其中，Q回收为循环反应器出口回收能量，β为循环比，CP2为循环反应器输出的产物热容流率，T4为反应器出口温度，T1为新鲜进料在反应器进口温度；ΔTmin为最小传热温差。
[0022] 所述的方法中，第四步骤，
[0023] 其中，R为年收益；Q回收为循环反应器出口回收能量；M1为回收蒸汽的年度价格；J1为回收单位蒸汽消耗的能量；|Q冷却|为冷却公用工程用量；M2为冷却公用工程年度价格；J2为单位冷却公用工程消耗的能量；β*为初始循环比；β为循环比；N*为初始循环物流
泵轴功；W为年操作时间；D为单位
电能价格。
[0024] 和现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0025] 本发明不同于现有的方法的仅仅根据图像温度约束和能量平衡匹配反应器和换热网络的复合曲线，本发明是在热力学和反应动力学的
基础上，研究反应反应器进出口温度和循环比的关系、在温-焓图上分析温度变化对换热网络公用工程用量的影响，绘制温度-能量-收益-循环比图像展示循环物流泵的轴功率、反应器出口回收的能量和系统收益等参数随循环比的变化；确定最大收益下的最小循环比，及其所对应的反应器进出口温度和系统能耗。
附图说明
[0026] 通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。
说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些
实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
[0027] 在附图中：
[0028] 图1是根据本发明一个实施例的设有循环反应器的换热网络最优循环比确定方法的步骤示意图；
[0029] 图2是根据本发明一个实施例的设有循环反应器的换热网络最优循环比确定方法的循环反应器示意图；
[0030] 图3是根据本发明一个实施例的设有循环反应器的换热网络最优循环比确定方法的复合曲线构造方法示意图；
[0031] 图4是根据本发明一个实施例的设有循环反应器的换热网络最优循环比确定方法的复合曲线示意图；
[0032] 图5是根据本发明一个实施例的设有循环反应器的换热网络最优循环比确定方法的温度-能量-收益-循环比示意图及其最优循环比。
[0033] 以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
[0034] 下面将参照附图1至图5更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0035] 需要说明的是，在说明书及
权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
[0036] 为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
[0037] 为了更好地理解，图1是根据本发明一个实施例的方法的步骤示意图，如图1所示，一种设有循环反应器的换热网络最优循环比确定方法包括以下步骤：
[0038] 第一步骤S1中，提取换热网络中冷热流的进出口温度和流量以确定其放出的热量，记为热负荷，其中，需要被冷却的热物流为热源；需要被加热的冷物流为热阱，流股的初始温度为始温，目标温度为终温，根据热源的温度和热负荷，各个热源均用一条直线段表示，其两端点纵坐标分别代表进、出口温度，横坐标之差代表所述热源的热负荷，把所有热源并合并为一根源复合曲线，其每两端点之间的横坐标代表该温度区间内所有物流的热负荷之和，同样地绘制出阱复合曲线；
[0039] 第二步骤S2中，提取至少包括进口流量、组成成分浓度、进口温度和出口温度以及转化率的循环反应器参数，根据反应动力学确定循环反应器出口温度和循环比的关系，根据热力学确定循环反应器进口温度、出口温度和循环比的关系；
[0040] 第三步骤S3中，基于第二步骤的反应器进口温度、出口温度和循环比的关系，确定不同循环比对应的进出口温度，基于第一步骤的源复合曲线和阱复合曲线确定反应器温度变化时换热网络回收能量的关系；
[0041] 第四步骤S4中，基于反应器进口温度、出口温度、回收能量及收益随循环比的变化曲线构建温度-能量-收益-循环比图，确定达到最大收益时的最小循环比，即最优循环比。
[0042] 所述的方法的优选实施方式中，第一步骤S1中，热物流的热负荷与温度关系为ΔH＝CP(T终温-T始温)，其中，ΔH为热物流热负荷，CP为热容流率，T表示温度，其下标分别表示终温和始温。
[0043] 所述的方法的优选实施方式中，第一步骤S1中，提取换热网络中冷热流股的进出口温度、冷热流的组成成分和流量以确定其放出的热量。
[0044] 所述的方法的优选实施方式中，第一步骤S1中，当不同热源的温度区间发生重合时，叠加其所对应的热负荷。
[0045] 所述的方法的优选实施方式中，第一步骤S1中，源复合曲线的斜率等于所有热物流热容流率之和的倒数。
[0046] 所述的方法的优选实施方式中，第一步骤S1中，源复合曲线和阱复合曲线的最小垂直温差达到预定夹点温差时，曲线重合部分为循环反应器出口回收的能量。
[0047] 所述的方法的优选实施方式中，所述循环反应器出口回收能量为，
[0048] Q回收＝(1+β)CP2(T4-T5)，其中，Q回收为循环反应器出口回收能量，β为循环比，CP2为循环反应器输出的产物热容流率，T4为反应器出口温度，T5为循环反应器出口
蒸汽发生器的出口温度。
[0049] 所述的方法的优选实施方式中，第二步骤S2中，根据反应动力学确定循环反应器出口温度和循环比的关系，
[0050] 其中，W为循环反应器的催化剂填装量； 为反应物A在进口0处的流量；β为循环比；X为转化率；A为指前因子；E为活化能；T4为反应器出口温度；c为反应物A、B和产物C在进口0的浓度，[0051] 根 据热 力 学 确定 循 环反 应 器进 、出口 温 度 和循 环比 的 关 系 ，其中，T3为循环物流温度；β为循环比；T1为新鲜进料在反应
器进口温度；ΔTmin为最小传热温差；CP0为新鲜进料的热容流率；T0为新鲜进料的温度；CP4为反应器出口产物的热容流率。
[0052] 所述的方法的优选实施方式中，第三步骤，回收能量与循环比关系为Q回收＝(1+β)CP2(T4-T1-ΔTmin)，其中，Q回收为循环反应器出口回收能量，β为循环比，CP2为循环反应器输出的产物热容流率，T4为反应器出口温度，T1为新鲜进料在反应器进口温度；ΔTmin为最小传热温差。
[0053] 所述的方法的优选实施方式中，
[0054] 第四步骤， 其中，R为年收益；Q回收为循环反应器出口回收能量；M1为回收蒸汽的年度价格；J1为回收单位蒸汽消耗的能量；
|Q冷却|为冷却公用工程用量；M2为冷却公用工程年度价格；J2为单位冷却公用工程消耗的能* *
量；β为初始循环比；β为循环比；N为初始循环物流泵轴功；W为年操作时间；D为单位电能价格。
[0055] 为了进一步理解本发明，在一个实施方式中，根据换热网络中各个换热流股的进出口温度、流量、组成，提取和计算所有热源、热阱的进出、口温度和热负荷数据。如附图2所示，在带有循环反应器的系统且该反应器进出口物料之间互相换热，影响换热网络公用工程用量的物流为反应器R1出口热源的始温，以及换热器E3热物流的入口温度。为达到最佳的换热效果，进、出口物流换热器的最小传热温差为ΔTmin，即图中⑤号物流和①号物流温差为ΔTmin。
[0056] 1在温-焓图上作现行换热网络的复合曲线、并确定能耗与温度的关系：
[0057] 提取所有热物流的进、出口温度和热负荷数据，每个热物流均可在温-焓图中表示为一条直线段，其纵坐标由初始温度指向目标温度，横坐标之差为该物流的热负荷。当物流的热容流率为定值时，其热量与温度关系可表示为：
[0058] ΔH＝CP(T终温-T始温) (1)
[0059] 式中，ΔH-物流热负荷
[0060] CP-热容流率
[0061] T-温度
[0062] 对于多股热流，可在温-焓图中合并为一根热复合曲线，如图3所示。当有三股热物流，其热容流率分别为A、B和C，其温度区间由高到底分别为[T4，T1]、[T5，T3]和[T4，T2]。在重合温度区间[T4，T3]和[T3，T2]内，热容流率为区间内所有物流的总和，即A+B+C和A+C。
[0063] 基于此方法在温-焓图中分别构造出该换热网络的冷、热复合曲线。当冷、热复合曲线的最小垂直温差达到ΔTmin时，换热网络的公用工程用量最小，如图4所示。
[0064] 热复合曲线上AB段表示反应器出口物流流经换热器F1所回收能量，BC段为换热器E2热物流，CD段为换热器E3的热物流。AB段回收能量与反应器出口温度和循环比相关，可由公式2计算：
[0065] Q回收＝(1+β)CP2(T4-T5) (2)式中，Q回收-反应器出口回收能量
[0066] β-循环比
[0067] CP2-反应器系统输出的产物热容流率当转化率一定时为定值
[0068] BC段为换热器E2热物流，该换热器为进出口物流换热，不涉外界能量消耗，且E2处为该系统换热夹点。E3为最终产物冷却器，位于夹点下，其初始温度点C温位变化将影响冷却公用工程用量，C点温度越高，冷却公用工程用量Q冷却越大，其表达式如公式3所示。
[0069]
[0070] 式中，Q冷却*-当前操作参数下的冷却公用工程用量
[0071] T*-当前操作参数下的温度
[0072] 2)基于反应动力学和热力学确定循环反应器温度和循环比之间的关系
[0073] 反应器中的反应如下表示：
[0074] A+B→C
[0075] 其中，A和B为反应物，C为产物。
[0076] 基于反应器的设计方程和反应速率方程构建反应温度与循环比之间的关系，如式4所示，。
[0077]
[0078] 中：W-催化剂填装量；
[0079] -组分A在进口0处的流量；
[0080] c-浓度；
[0081] A-指前因子；
[0082] X-转化率；
[0083] T4-反应温度；
[0084] β-循环比；
[0085] E-活化能；
[0086] 基于能量守恒对循环反应器进行分析，该反应器能耗由反应热、进出口物流能差、以及外界换热三部分组成。其中，进出口物流包括两部分：发生反应的新鲜进料b和循环物流a，如图2所示。对于新鲜进料b来说，该物流在反应器内发生反应，产生反应热；而对于循环物流a来说，该部分物流相当于在反应器内不发生反应，带走部分热量。循环反应器的能量平衡由式5所示。
[0087]
[0088] 式中：ΔHR-反应热；
[0089] ΔCP-进出口物流热容差值；
[0090] CP-热容流率；
[0091] QR-反应器换热量；
[0092] 换热器E1的能量守恒如式3所示。
[0093] (1+β)CP4(T5-T3)＝CP0(T1-T0) (6)
[0094] 由于
[0095] T5＝T1+ΔTmin (7)
[0096] 由式6可得T3表达式，如下所示：
[0097]
[0098] 公式8、公式5与公式4联立求解，得到不同循环比β下所对应的反应入口T1和出口温度T4，并绘制温度-循环比曲线，如图4中红色和蓝色曲线所示。
[0099] 3)基于2中温度与循环比关系确定1中换热网络消耗和回收的能量与循环比之间的关系
[0100] 由2中计算可得反应器入口温度T1与循环比之间的关系，带入公式7中可求得换热器E2出口温度与循环比关系。带入公式2中可求得回收能量与循环比之间的关系，如公式9所示。确定的回收能量与循环比关系曲线为图5中的曲线。
[0101] Q回收＝(1+β)CP2(T4-T1-ΔTmin) (9)
[0102] 根据公式8确定T3与循环比之间的关系，带入公式3中可得到用于确定不同循环比下的冷却公用工程变化量的公式10。确定的公用工程用量与循环比关系曲线见图5中的曲线。
[0103]
[0104] 循环反应器循环比的变化还将影响反应器
循环泵P1轴功率的变化。由于循环泵的轴功率由其流量决定，其变化后的功率见公式11和图5中的曲线。
[0105]
[0106] 式中，N-轴功率
[0107] N*-当前操作参数下的轴功率
[0108] β*-现行循环比
[0109] 3)确定循环反应器与换热网络集成系统的收益
[0110] 换热网络集成系统的年收益R计算主要包括反应器出口回收能量、换热网络冷却公用工程用量和轴功三部分，如公式12所示。
[0111]
[0112] 式中，M-年度价格
[0113] J-单位回收蒸汽或公用工程所消耗的能量
[0114] W-年操作时间
[0115] D-单位电能价格
[0116] 4)最优循环比的确定
[0117] 将公式12绘制为曲线表示于图5中。该曲线表示不同循环比下该集成系统的收益变化情况，达到最大收益的循环比为此系统的最优点。若当前操作循环比过大，则造成能量浪费，应将循环比降低；若循环比过小，则应调至最优点处以增加系统收益。
[0118] 尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。
