第5章 节 典型化工单元及过程模拟优化案例 化工过程分析与合成课件.pptx

第5章 典型化工单元及过程模拟及优化案例5.1 换热过程模拟及优化5.2 流体输送管径优化5.3 保温层优化5.4 多效蒸发优化5.5 反应精馏塔双回流比优化5.6 石油产品运输调度优化目录15.7 生产过程最优选择5.8 生产配置优化5.9 锅炉发电系统优化5.10 管式反应器最优温度分布5.11 串联反应器最佳空时分析5.12 平行理想催化反应模拟及优化分析目录25.1 换热过程模拟及优化5.1.1 套管式换热器动态模拟5.1.2 单个换热器面积优化5.1.3 串联换热器优化目录15.15.25.35.45.55.65.1.1 套管式换热器动态模拟目录15.15.25.35.45.55.6（5）环隙传递给微元的热量q1t(6) 微元体内的能量变化率(7) 总能量平衡方程目录15.15.25.35.45.55.6同理，对套管的环隙也进行如上的能量分析，并注意流动方向和长度坐标方向不同，可得：同时有边界条件：目录15.15.25.35.45.55.65.1.2 单个换热器面积优化目录15.15.25.35.45.55.6根据前面的假设及能量守恒、质量守恒和传热速率方程建立下面的数学模型： 目录15.15.25.35.45.55.6在进行最经济换热器优化设计求解前，需先确定一些和技术经济有关的数据，设资金的年率为i（ nl，为程序中对应名称，下同），冷却介质水的价格为pw元/吨，换热器的使用寿命为n（sm）年，换热器寿命期终了时设备残值为cz元，换热器年维修费用为nx元，换热器一次性投资按式（5-1）计算由数学模型可知冷却水的流量为：设年工作时间为 小时，则年需要冷却水费用为：目录15.15.25.35.45.55.6换热器面积为：则一次性设备投资的年费用为：换热器年运行综合费用为：目录15.15.25.35.45.55.6图5-7 换热器面积优化计算界面目录15.15.25.35.45.55.6为了验证程序的正确性，作者特意将某参考文献中的数据作为输入数据，由于文献中对设备采用15%的简单折旧，没有考虑资金的时间价值，为了和文献中的情况一致，采用了增加设备寿命为80年的方法使程序中的设备折旧几乎等于按设备原值的15%折旧目录15.15.25.35.45.55.6目录15.15.25.35.45.55.65.1.3 串联换热器优化3个换热器串联起来完成某一冷流体的加热任务，见图5-11。现有3股工业废热可以利用，已知3个换热器的总传热系数，冷流体的初始温度和目标温度及其热容，3股工业废热的起始温度及热容，具体数据见表5-1。如何合理配置换热器，在保证冷流体最后出口温度的前提下，总的换热面积为最小目录15.15.25.35.45.55.6首先需建立该三级串联换热系统的数学模型，由于不考虑压力变化，已知热容流率，故模型可简化为只考虑能量平衡及热量传递即可，共3个换热器，每个换热器均有两个方程，共有6个方程，其具体模型方程如下：目录15.15.25.35.45.55.6其中中间变量：目标函数为： min J=A1+A2+A3 目录15.15.25.35.45.55.6表5-1串联换热系统已知数据变量名称/单位数据冷流体初始温度t0/℃100冷流体目标温度t3/℃500冷流体热容CPC/kW/℃100000第一换热器总K1/kW/m2.℃120第二换热器总K2/kW/m2.℃80第三换热器总K3/kW/m2.℃40第一换热器热流温度T1/℃300第二换热器热流温度T2/℃400第三换热器热流温度T3/℃600第一换热器热流热容CPH1/ kW/℃100000第二换热器热流热容CPH2/ kW/℃100000第三换热器热流热容CPH3/ kW/℃100000目录15.15.25.35.45.55.6图5-12 三级串联换热器优化求解-1目录15.15.25.35.45.55.6图5-13三级串联换热器优化求解-2目录15.15.25.35.45.55.6表5-2 总传热面积与最佳出口温度关系A500055006000650070007500800085009000950010000t3464.6475.1484.3492.3499.3505.6511.2516.2520.7524.9528.6目录15.15.25.35.45.55.65.2流体输送管径优化5.2.1 问题的提出5.2.2 优化模型的建立5.2.3 优化求解目录15.15.25.35.45.55.65.2.1 问题的提出流体输送是化工生产过程中最常见的物料输送方式，利用泵通过一定直径的管道，将物料从一个地方输送到另一个地方。在完成相同的输送任务时，人们可以选择管径大一点的，也可以选择管径小一点的目录15.15.25.35.45.55.65.2.2 优化模