CN109801683A - 一种EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法。所述的集成方法包括以下步骤：(1)计算EIPs内作为内源所提供的内部原子流量；(2)计算EIPs中作为阱的第P个工厂所需原子流量；(3)基于内源和阱的原子流量，计算C、P、H、O原子的网络流量，即得内源数据；(4)确定所需外源量及环境排放量后，根据CPHOSYNs的原子平衡计算确定最小外源量和废物排放量，即得外源数据；(5)将外源数据与内源数据相结合，得到CPHOSYNs的总体化学计量方程。本发明将含C、P、H、O元素的物质收集分离、转化为有附加值的物质，具有最大限度的利用内源，尽量减少使用外源，同时满足各工厂需要的有益效果。

Description

一种EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法

技术领域

本发明涉及一种EIPs中的过程系统集成领域，特别是CPHOSYNs质量集成方法。

背景技术

可持续性工业过程可降低环境污染及节约自然资源，在提高过程性能的同时增加利润。而可持续性设计可通过过程集成实现。过程集成是一种用于设计和改进化工过程使其经济有效达到最好性能的全局方法。过程集成之前的多数工作是关于单个的过程或工厂。EIPs是一种具有吸引力的过程集成方法集成多个化工过程或工厂从中获利。EIPs是由多个工业工厂组成的共同体，它们位于相同的位置，相互临近，通过废物或副产品之间的交换、共用中央公用系统，以提高环境、经济及社会性能。工业过程将属于一个或更多的公司。因此EIPs通过所属成员间的质量及能量的交换使整个园区的原料、能量消耗及废物排出最小化，促进了可持续发展，而以前的质量集成优化工作主要关注工厂之间的基于化学物质(如水)尺度的集成。所以本发明针对EIPs中巨大的自然资源耗量及废物排放量不达标的问题，提出一套综合网络的集成设计方法。

发明内容

本发明的目的在于，本发明针对EIPs中巨大的自然资源耗量及废物排放量不达标的问题，提供一种EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法，将含C、P、H、O元素的物质收集分离、转化为有附加值的物质，目的是最大限度的利用内源，尽量减少使用外源，同时满足各工厂的需要的特点。

本发明的技术方案：一种EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法，EIPs中有N家工厂，已知每个工厂对化学物质S的摩尔流量，及离开第P个工厂的第i个内部来源化学物质S的摩尔流量，确定第e个外部来源中化学物质S的流量，d代表工厂的排放物限值，其中α、δ、β、γ分别是化学物质中C、P、H、O的原子个数；所述的集成方法包括以下步骤：

(1)计算EIPs内作为内源所提供的内部原子流量；

(2)计算EIPs中作为阱的第P个工厂所需原子流量；

(3)基于内源和阱的原子流量，计算C、P、H、O原子的网络流量，即得内源数据；

(4)确定所需外源量及环境排放量后，根据CPHOSYNs的原子平衡计算确定最小外源量和废物排放量，即得外源数据；

(5)将外源数据与内源数据相结合，得到CPHOSYNs的总体化学计量方程。

前述的EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法中，所述将CPHOSYNs的总体化学计量方程利用反应途径合成技术得到总体化学计量方程式的各个反应步骤，通过为每个反应配备未知的流量系数，得到截断网络的反应器模型。

前述的EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法中，所述步骤(1)中，计算EIPs内作为内源所提供的内部原子流量，是通过下式求取：

前述的EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法中，所述步骤(2)中，计算EIPs中作为阱的第P个工厂所需原子流量，通过下式求取：

前述的EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法中，所述步骤(3)中，基于内源和阱的原子流量，计算C、P、H、O原子的网络流量，通过下式求取：

前述的EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法中，所述步骤(3)中，计算C、P、H、O原子的网络流量，当计算求解后网络流量为正时，表示该原子有剩余，剩余量表示该原子可以使用的量；网络流量为负时，表示内源该原子量不足，须由外源提供该原子不足的量。

前述的EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法中，所述步骤(4)中，采用原子标定方法确定所需外源量及环境排放量。

前述的EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法中，所述步骤(4)中，确定所需外源量及环境排放量后，根据CPHOSYNs的原子平衡计算确定最小外源量和废物排放量，具体的C-P-H-O截断网络的原子平衡由下式计算：

前述的EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法中，所述EIPs中至少包括内源和阱。

前述的EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法中，所述具体是将CPHOSYNs的总体化学计量方程，利用反应途径合成技术得到独立反应，为每个独立反应配备未知的流量系数，后得到截断网络的反应器模型。

与现有技术相比基于以上集成设计方法，本发明的优点在于：

1、通过CPHOSYNs可达到一种更为有效的协同作用，CPHOSYNs定义为一组共享集中设施的工业群，集中设施用来处理和分配包含C-P-H-O元素化合物的物流。由于C-P-H-O单元存在于磷煤生态工业园内的工厂中，因此集成这些单元可提升EIPs概念。提出设计一套截断网络的集成设计方法，将包含C、P、H、O元素的物质收集分离、转化为有附加值的物质，可以使EIPs范围内原材料使用及废物排放最小化；

2、工艺组合先进，可以对EIPs内的废物和副产物进行合理分配，节约了新鲜原料的使用，促进了可持续发展，实现最大限度的利用内源，尽量减少使用外源及排放；

3、原子标定方法对在对截断网络进行详细设计之前，确定外源量和环境排放量；

4、得到截断网络的反应器模型，该网络会产生不同的替代方案，截断网络组合灵活，设计者可根据所需目标选择合适的方案，同时满足各工厂的需要。

综上所述，本发明针对EIPs中巨大的自然资源耗量及废物排放量不达标的问题，提供一种EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法，将含C、P、H、O元素的物质收集分离、转化为有附加值的物质，目的是最大限度的利用内源，尽量减少使用外源，同时满足各工厂需要的有益效果。

附图说明

图1是本发明实例中的一种CPHOSYNs质量集成方法的截断网络的反应器模型；

图2是本发明实例中的一种CPHOSYNs质量集成方法的截断网络的反应器模型。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1。一种EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法具体应用：一个磷煤工业园区EIPs内有四个工厂：分别为煤气化工厂、天然气制油工厂(G孔)、甲醇生产丙烯(MTP)、聚磷酸铵厂(APP)。

1、煤气化工厂，通过以下主反应生成合成气和甲烷：

2C+H₂O+O₂→CO+H₂+CO₂

C+2H₂→CH₄

2、天然气制油厂(GTL)，首先将甲烷改造成合成气，然后进行费托合成反应产生液体运输燃料。

3、甲醇生产丙烯(MTP)，该过程的主要反应是：

3CH₃OH→C₃H₆+H₂O

4、聚磷酸铵厂(APP)，该厂主要反应是：

表1 EIPs的内源

未进行集成设计前，甲醇生产丙烯厂(MTP)和聚磷酸铵厂(APP)需采购甲醇和磷酸二铵分别为4500kmol/h和130kmol/h，将其识别为阱。EIPs集成后，通过本发明方法，以内源代替外源甲醇和磷酸二铵。

(1)计算EIPs内作为内源所提供的内部原子流量，是通过下式求取：

(2)计算EIPs中作为阱的第P个工厂所需原子流量，通过下式求取：

(3)基于内源和阱的原子流量，计算C、P、H、O原子的网络流量，通过下式求取，即得内源数据；

(4)确定所需外源量及环境排放量后，根据CPHOSYNs的原子平衡计算确定最小外源量和废物排放量，具体的C-P-H一O截断网络的原子平衡由下式计算，即得外源数据；

首先使用原子标定的方法得到外部资源甲烷和磷酸的购买量分别为1282.5kmol/h，130kmol/h。向外排放废物为980.5kmol/h二氧化碳和水1005kmol/h。

(5)将外源数据与内源数据相结合，得到CPHOSYNs的总体化学计量方程如下：

930CO+(2910+358-980.5)CO₂+7830H₂+1282.5CH₄+130N₂

＝4500CH₃OH+130(NH₄)₂HPO₄

(6)将CPHOSYNs的总体化学计量方程利用反应途径合成技术得到总体化学计量方程式的各个反应步骤，通过为每个反应配备未知的流量系数，得到截断网络的反应器模型。

利用反应途径合成技术结合现有化工技术得到每一步反应，可以是如下反应：

(1)甲烷水蒸汽重整：

CH₄+H₂O＝3H₂+CO

(2)二氧化碳甲烷化：

4H₂+CO₂＝CH₄+2H₂O

(3)合成气合成甲醇：

CO+2H₂＝CH₃OH

(4)氮气和氢气合成氨：

N₂+3H₂＝2NH₃

(5)氨气和磷酸反应生成磷酸二铵：

2NH₃+H₃PO₄＝(NH₄)₂HPO₄

为每个反应配备未知的流量系数可得：

a1(CH₄+H₂O-3H₂-CO)+a2(4H₂+CO₂-CH₄-2H₂O)

+a3(CO+2H₂-CH₃OH)+a4(N₂+3H₂-2NH₃)

+a5(2NH₃+H₃PO₄-(NH₄)₂HPO₄)＝0

化简并结合总化学计量方程式可得：

a1＝1282.5

-a1+a3＝930

a2＝2910+358-980.5

-3a1+4a2+2a3+3a4＝7830

a3＝4500

a5＝130

求解该方程，可得到不同的截断网络方案。实例求解得到的其中两种截断网络的方案，如图1、2所示。这两种方案所购买和排放的废物相同，不同的是截断网络所采用的截断单元不同。图1采用的截断单元分别为甲烷水蒸汽重整、二氧化碳甲烷化、合成气合成甲醇、氮气和氢气合成氨、氨气和磷酸反应生成磷酸二铵。图2采用的截断单元分别为甲烷干重整、二氧化碳甲烷化、合成气合成甲醇、氮气和氢气合成氨、氨气和磷酸反应生成磷酸二铵。集成后此工业园CO₂总排放量980.5kmol/h与未集成时GTL工厂和煤气化工厂的CO₂总排放量3268kmol/h相比，降低为原来的30％，通过购买CH₄1282.5kmol/h、H₃PO₄130kmol/h、N₂130kmol/h与内源的集成，满足了阱原料甲醇4500kmol/h和磷酸二铵130kmol/h的需求，证明了此方法的有效性。

这种方法产生了概念设计方案，可实现外源使用、废物排放最小的目标证明了此方法的有效性，显示了外部来源最小使用目标，废物的最小排放量，待采用的反应技术以及不同工厂之间的物质和物流的分布，具有最大限度的利用内源，尽量减少使用外源，同时满足各工厂需要的有益效果。

Claims (10)

1.一种EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法，其特征在于：EIPs中有N家工厂，已知每个工厂对化学物质S的摩尔流量，及离开第P个工厂的第i个内部来源化学物质S的摩尔流量，确定第e个外部来源中化学物质S的流量，d代表工厂的排放物限值，其中α、δ、β、γ分别是化学物质中C、P、H、O的原子个数；所述的集成方法包括以下步骤：

(1)计算EIPs内作为内源所提供的内部原子流量；

(2)计算EIPs中作为阱的第P个工厂所需原子流量；

(3)基于内源和阱的原子流量，计算C、P、H、O原子的网络流量，即得内源数据；

(4)确定所需外源量及环境排放量后，根据CPHOSYNs的原子平衡计算确定最小外源量和废物排放量，即得外源数据；

(5)将外源数据与内源数据相结合，得到CPHOSYNs的总体化学计量方程。

2.根据权利要求1所述的EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法，其特征在于：所述将CPHOSYNs的总体化学计量方程利用反应途径合成技术得到总体化学计量方程式的各个反应步骤，通过为每个反应配备未知的流量系数，得到截断网络的反应器模型。

3.根据权利要求1所述的EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，计算EIPs内作为内源所提供的内部原子流量，是通过下式求取：

。

4.根据权利要求1所述的EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中，计算EIPs中作为阱的第P个工厂所需原子流量，通过下式求取：

。

5.根据权利要求1所述的EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中，基于内源和阱的原子流量，计算C、P、H、O原子的网络流量，通过下式求取：

。

6.根据权利要求1所述的EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中，计算C、P、H、O原子的网络流量，当计算求解后网络流量为正时，表示该原子有剩余，剩余量表示该原子可以使用的量；网络流量为负时，表示内源该原子量不足，须由外源提供该原子不足的量。

7.根据权利要求1所述的EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中，采用原子标定方法确定所需外源量及环境排放量。

8.根据权利要求1所述的EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中，确定所需外源量及环境排放量后，根据CPHOSYNs的原子平衡计算确定最小外源量和废物排放量，具体的C-P-H-O截断网络的原子平衡由下式计算：

。

9.根据权利要求1所述的EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法，其特征在于：所述EIPs中至少包括内源和阱。

10.根据权利要求2所述的EIPs的CPHO综合网络质量集成设计方法，其特征在于：所述具体是将CPHOSYNs的总体化学计量方程，利用反应途径合成技术得到独立反应，为每个独立反应配备未知的流量系数，后得到截断网络的反应器模型。