水和能源消耗最小化的水和热回收网络设计.docx

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1、水和能源消耗最小化的水和热回收网络设计格雷厄姆托马斯波莱，马丁的PiCOn-努涅斯，何塞德赫苏斯洛佩兹马西埃尔化工系，瓜纳华托大学，墨西哥诺娅阿尔塔特丹，瓜纳华托，地球静止转移轨道。，墨西哥，处长36040墨西哥摘要本论文介绍了设计过程中，可操作性水和能源消耗形成了经营成本的很大一部分。良好的流程设计可以由若干特点，其中最重要的是：物业的原材料，较低的资本成本和良好的有效利用。在热力学分析计算，这些过程可无论是定性为“捏”问题或一个“门槛”的问题。本文着重对发展问题的设计阈值类型。由以前的工人所讨论的大部分问题已成为这一类型。有了这些考虑到这项工作的性质看综合水和能源系统设计，展览以下特点：1

2、。最低用水量，2。最低能源消耗，和3。简单网络结构。该方法适用于单杂质。结果表明，这是节约用水的问题和热回收问题能被耦合节约用水问题应首先建立。同时表明，系统需要加热器和热回收机组数量，需要的实用热植物的数量和类型所与热回收网络的复杂性都可以被决定，而不必确定设计任何热回收网络。这使得工程师能够更好选择节约用水的方法，而不用从热回收网络设计着手。对于这类问题的设计在热回收网络本身通常是简单明了。关键词：水和能量最小化网络设计可操作性水网热回收网络1、引言节能和节约用水有密切的关系。在处理设计过程中，旨在减少能源和水消耗的最低限度，技术提供给设计人员采用启发式规则1,2或数学编程3e5。源自热回

3、收网络的概念，萨尔瓦多，Ha1Wagi和ManoUSiOUthakiS6建立起在等温应用中质量交换网络(MEN)的离职系统概念。在随后的应用中，SriniVaS和厄尔尼诺-Ha1Wagi7分析了有质量交换网络的歌剧院温度效应。后来，agajewicz和范8指出，这是人们在不同的操作不统一的情况可能设计的温度。索林和萨乌莱斯9采用启发式交换网路和质量交换网路的设计方法介绍了间接（国际先驱论坛报）和直接传热的概念传热（双氢睾酮）。在这区域的一个非常广泛的文献回顾本已经出现。不幸的是，有以上所示，这些方法的应用可能会导致某些复杂的结构，如果应用到实际问题难以操作和控制。一个以设计见解为基础简单的方法

4、如下。2、热回收型问题在开发过程设计的第一个阶段是正在处理的热回收问题的类型。有两个基本类型的问题：一扣板问题。扣板问题需要使用双机热冷效用。一个阈值的问题涉及到只有单一类型实用工具的用途。热回收扣板可发生在许多方面。在过程中，水被蒸发是平常的，并发现蒸发阶段的支配热量需求，远远超过其他进程所需的热量，多余的热量必须通过冷却器消除。该热回收问题有一个被一个或更多蒸发器的固定的夹点。紧要关头时，过程本身正在加热（无论是机械或通过化学反应）可能会出现问题。在这种情况下，箍缩可能会发生在其中产生的热量操作中。第二个淡水来源被使用可能造成箍缩，这个来源是在温度大于最大值温度下，水可以从工厂排出。一个这

5、类问题的一个例子是由萨乌莱斯介绍的。上述每个问题都需要自己的方式来加热回收系统的设计。最后，热回收，扣板产生的资本成本之间的换热设备运行和成本的权衡比从事设计温差有利于提高最大热回收。这将是如下所示，处理过程中过程流都是水是很少见的情况。本文将集中在阈值类型问题的解决方案，因为在文献中出现的问题是同时对水和能量最小化。这些标准的问题也有个特点进入系统的淡水量等同于作为污水的量。这在工业案例中是很少的，流出系统的污水量通常小于流入系统的水量（如水被过程流保留）和流出系统水的温度低于进入系统的（由于运行中的热损失和的热平衡）。这样的实际问题在下面讨论。本文所述的方法能处理这些实际问题，鉴于热回收的

6、最大化，对能源的需求是水流量的函数关系和流出供给温度的区别并可以被计算：QhmCpTdATSD（1）其中Qh是过程外部热负荷的要求，m_是水的质量流量，CP为热容量，TD是排水温度和Ts是供水温度。由方程看到（1）,如果水流量最小化，则对能源的需求是最小，。因此，热回收问题和水的保护问题是没关系的。因此，第一个阶段是实现网络有最低用水需求的系换热器采用有一浮头的多管12。这样的安排是必要的，以纾缓热运作过程中生成器的压力，并让工厂操作员对管束的清洗和维修。使用多管传递能限制温度在一个获得单一的热量换热器变化。涉及密切工作温度的方法安排在多个贝壳系列是必需的，这可表现为如下。热换热器的热性能是由

7、它的热效率（3）,传热单元数（NTU）和在比C（CPmin/cpMax的决定的；其中CP是热容量质量流量。图所示为在换热器的热效率。1可表示为：Th1ATh2Th1ATc（2）两对于有两个管程，单壳的表达式有关这三个由公式给定（3）参数：2“QCIPCP1iC2必“喈XPmi巴锢:,（3）IAEXPANTUO1K2,考虑一种换热器在换热器的每一个方面处理同数量的水给C价值的统一。换热器的最大热效能达到一个值达3马克斯加.585（这可以通过计算发现当诺丁汉特伦特大学/N的限制在方程（3）。314j3qih-13inA3i1j（4）为一个典型的n贝壳系列,C%价值1给出了整体热效果:211A3(5

8、)中三是整体的热效应，3i是壳体的效益和n是壳体的数量。贝壳系列的数量必须达到要求的整体热效果那也申请条件C1,可以从下面的表达式发现其中X是一个参数,表示的成效有多接近每个到最大效益C%1。回收网络呈现在图8的单位提出的设计需要热效果值为0.667,31%320.714条、第三十三条次）.833。性能都不能满足于单一。换热器如图所示。选择的X%0.914的值，需要数个壳体对个别单位被发现分别有2,3和5。结论是框架板换热器是对于大多数应用最受青睐的换热器。唯一的例外可能会出现正在处理的数据流包含纤维。在这种情况下螺旋换热器可能是更好的选择15。换热器的成本并不是唯一需要考虑的资本。管道的成本

9、也很重要。所以一个重要问题怎样处理两个成本的关系。HaS1egO和PoIIey换热器成本报告表明，框架板11换热器费用应预算大约在170美元/平方米（2002的价格）。同年使用成本数据16表明在一个新的工厂一个典型的采购、安装管道300毫米的二氧化碳不锈钢成本将在240美元/米（不锈钢管会更昂贵的）。这些比较表明，整个管道系统的成本将会成为最重要的,而不像单一热交换器那样成本不是最重要。4、示例问题萨乌莱斯1提出了一个问题有四个组成，运行中有不同的限制和污染6不同的工作温度。放电前供水温度为20C和废水必须冷却至30C（或低于）。整个情况的详情载于表Io问题是基于一个最小化问题，最初是由水和史

10、密斯王17提出。用他们的“目标”手术发现浓度短缺发生在一个水100的浓度和最低水流90公斤/秒。注意,这是一个问题,使淡水及阈值废水流有相同的值,那么对热量的需求过程能够判断出方程（1）到3780kW富18定义了这种类型的问题作为一个“固定负载问题”的主要关心的是给定的去除数量的杂质。另一种类型的问题涉及到使用固定数量的水,一直被称为“固定流量任何问题。P。IIey和P。IIey（19）使用术语“质量控制”和“质量控制”为这些问题类型。下面的原理开发适用于两种类型的问题。所有发生变化的是技术用于系统的网络设计最小的水量。图3用水网络设计方案1下一步就是确定可能的水网络结构。（换句话说,几种方法

11、。3）,17个,20所提供的这些网络的设计,他们不是修改这里。我们有以上,证明热回收和节约用水问题可以载流子方程。因此,最近的方法哪找来处理热回收、节水吗同时如MartineZ-PatinO吴昱。21和李-WOngtanaWit和金5的结果将会考虑进行了讨论。因为，据文献史密斯17王第一次解决基于水最小化的问题。给出了三个选项。从水和浓度的需求,每一个解决方案由两个独立的子系统。对于固定流问题波莱（19）提出的设计方法能够只用。5、热力学原理对水和能量系统设计人们看到，对于在只有水源的使用和水排出的应用等于供水，最低要求是能给予的水流速率乘以供给与回水之间的温差。但是,这种理解可以扩展,它适用

12、于所有的可以分为独立的元素的网络，系统的每一个子系统的需求超过热发现现有的电子废弃物。每个子问题本身是一个阈值问题。这种情况也适用于在每一个操作存在热损失事件中，这儿过程中水被保留。污水可以在较低流量和低温度流出，在子系统中水进入到系统,除了所有的可利用热能从废水中提取。设计师获得能量最小的设计只需确保所有可用的余热在子系统被利用。6、热回收系统的设计FreshwaterdOkg/s图4水网络设计方案2设计这样的简单热回收系统的独立组件是简单而不需要一个特别的方法。进出水的流动的系统有两个重要的特性。首先，根据特殊的最低温度方法,整体75JQ图5水网设计方案3热量的输入,等同于热容的给水流量增

13、大一些（例如等同于区别淡水的饲料温度和最大允许废水排放的脾气-基因表达、10Oo第二,每一个热回收换热器在这个温度运行的方法。这些属性中的第一个我们可以识别一个特定的网络需要加热器的数量。我们也2可以识别公用事业需要每一个加热器的类型，（如蒸汽或热水）。选择使用加热器或热I7*1-26FreshwaterQOkgZs.图6解决方案示例问题e选项一E子系统1回收装置不会影响最小的单位数目所需热回收网络。该规定大大简化了电热水器厂控制和操作。因此,在第一步详细的设计换热器网络是单一加热器的位置。让我们考虑设计需要水网络的换热器网络1（图3）。每一个结果合并举一个整体设计之前该子系统依次检查。计算表

14、明,该子系统所需的热1（含操作1和3）是1680千瓦，热量是用来从废水中操作1至3条规定的操作温度，因此，加热器放在旁边操作具有最高工作温度。现在让我们考虑在这个操作回收的热量。从回水的温度可知污水热能流动可以用来提高供水的温度。热平衡的要求，该热能提取到的温度为50度，这件水的需要进一步减少到30度,才能脱离工厂。然而,有一个余热的需求。提高供水的温度被执行。所以这是个工程子系统的设计被给出了图6.图7解决方案示例问题e选项一E子系统2一个类似的方法用于设计2（包含业务子系统2和4）。在这个子系统的操作需要较低浓度的水污染物。子系统的热平衡表明，热量的输入子系75C.4O*0图8整体水和能源

15、的设计方案1个网络统2100kW0所以，一个加热器有这个位置就在负荷的操作越热。废水的热是用来结束这个操作将煽的淡水。这条小溪的温度降低操作运行温度40这部分是美联储作业废水4其余去污水排放。从4处的出水在相同温度下,这个不用混合污水排放前。在这些部分的余热废水是用来进行最后对淡水加热。子系统的设计被给出在图7。两个子系统都降低使用热交换器的温度到30C,同时提高出水温度到40C,那么，这些义务融合成一个单一的热回收的设备。我们观察到该系统需要两个加热器和三个热回收换热器。整个网络被表示在图8为了完整，我们开发的结构和其他水网，这些都显示在图9和10。一个解决方案将采取类似的热量外表面因为所有的换热器操作相同温度下动力图9整体水和能源的设计方案2的网络（10中）和所有的选择不仅消耗相同的热量（3780千瓦）和涉及同量的热回收网络架构图。8（选项D需要：5热交换器,选项2（图9）需要7换热器和选择3（图10）需要6换热器。热交换器的数量可以计算出设计根据前面的表达：让我们考虑应用该方程到每一个水网络中。图3中我们强调单一的传热的职能（开放的圆取暖需求,充满了圈对水热拒绝）网络Io我们观察六传热的职能。我们有一个热的效用。有两个独立的子系统。所以,我们还需要五个热交换器，图4中我们表现