（化学工程专业论文）聚氯乙烯和糊状树脂装置能效分析与优化.pdf

中文摘要 y9 04 7 7 8 随着世界经济的持续高速发展，能源的持续稳定供给日渐成为各国关注的焦 点。各国政府和科研机构在致力新能源的开发利用的同时，用可持续发展的新思 想、新知识、新技术，改变人们传统的不可持续的生产方式、消费方式和思维方 式，以期达到能源的高效、可持续运用。经过较长时间的经验积累和技术发展， 出现了一些颇有实际效果的方法，系统用能分析就是其中之一。国外常用的系统 用能分析的核心技术之一是英国u m i s t ( u n i v e r s i t yo fm a n c h e s t e r ，i n s t i t u t e o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 提出的“夹点分析”方法，该方法首先被大量地 使用在对换热网络合理配置的系统化分析上。夹点技术以热力学第二定律为理论 基础，分析各个温度水平上( 包括能源的供给、转换、利用、回收、生产和排放 等环节) 的能量流动情况：再在权衡操作费用和设备投资费用的基础上确定经济 合理的夹点传热温度差，确定全系统能量合理使用的夹点位置，以及热公用工程 和冷公用工程的理论最优配置方案；最终根据上述夹点分析的结果和目前装置用 能的实际情况，找出存在的差距、提出改进的措施。 本课题针对上海氯碱化工股份有限公司聚氯乙烯装置和糊状树脂装置的实 际需求和具体的工艺流程特点，运用u m i s t 夹点技术，并作了必要的补充和改进， 使之能用于对装置的热量使用情况理论结合实际的系统分析，继而提出了切实可 行的节能改造方案。成功地将换热网络的夹点技术应用于氯碱企业的用能综合分 析中，指出了企业在用能上不足和不规范的地方，并相应地提出了节能的建设性 意见，具有较高的社会效益和经济效益。 关键词：能源可持续发展换热网络夹点技术节能改造 a b s t r a c t a sp e r s i s t e n ta n dh i 【g hs p e e dd e v e l o p m e n to ft h ew o r l de c o n o m y ，p e r s i s t e n t s u p p l yo fe n e r g yb e c o m e sf o c u sw h i c ht h ew o r l dp a y sc l o s ea t t e n t i o nt o e v e r y n a t i o n a l g o v e r n m e n ta n ds c i e n t i f i c r e s e a r c h o r g a n i z a t i o n d e v o t et h e m s e l v e st o d e v e l o p m e n ta n du s a g eo fn e we n e r g y , w h i l ec h a n g et r a d i t i o n a la n dn o n - c o n t i n u a b l e m e a n so fp r o d u c t i o n ，c o n s u m p t i o na n dt h i n k i n gi no r d e rt oh i 【g he f f i c i e n ta n d c o n t i n u a b l eu s a g eo fe n e r g y t h r o u 曲l o n gt i m e e x p e r i e n c ea c c u m u l a t i o na n d t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tp r o d u c es o m em e t h o d st h a tt h e r ei sp r a c t i c a le f f e c t ，s y s t e m a n a l y s i sf o ru s i n ge n e r g yi so n eo ft h e s e p i n c ha n a l y s i sm e t h o d st h a tw a sp u t f o r w a r db ye n g l a n du m l s t ( u n i v e r s i t yo fm a n c h e s t e r , i n s t i t u t eo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ) ，w h i c hi so n eo f n u c l e a rt e c h n o l o g yf o rs y s t e mu s i n ge n e r g ya n a l y s i st h a t i si nc o m n l o no v e r s e a s t h em e t h o d sf i r s tw a su s e dl a r g e l yt os y s t e ma n a l y s i sf o r a d v i s a b l es c h e m eo fh e a te x c h a n g e rn e t w o r k s p i n c ht e c h n o l o g yi sb a s e do nt h e s e c o n dp r i n c i p l eo ft h e r m o d y n a m i c st h e o r e t i c a l l y , a n a l y z i n gt h es i t u a t i o no fe n e r g y f l o w i n gi n c l u d i n ge n e r g y ss u p p l y i n g , c h a n g i n g ，u s i n g ，r e c y c l i n g ，p r o d u c i n g ，l e t t i n g a n ds oo ni nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r el e v e l t h e nd e c i d i n ge c o n o m i ca n da d v i s a b l e d i f f e r e n c eo ft e m p e r a t u r ei nt h ep i n c hb a s e do nb a l a n c i n gc o s to fo p e r a t i o na n d e q u i p m e n t ，a n dd e c i d i n gp i n c hp o s i t i o no fs y s t e m se n e r g yb e i n gu s e de q u i t a b l y , a n d d e c i d i n go p t i m u ms c h e m ep r o j e c t st h e o r e t i c a l l yf o rh o ta n dc o l du t i l i t y l a t e l y f i n d i n go u te x i s t e n td i f f e r e n c e sa n dp u t t i n gf o r w a r di m p r o v i n gm e a s u r e sa c c o r d i n gt o t h er e s u l to f a b o v ep i n c ha n a l y s i sa n dt h ea c t u a ls i t u a t i o no f s e tu s i n ge n e r g yn o w t h ep a p e ra i m sf o rt h ea c t u a ld e m a n d sa n di n d e t a i lt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i co f s p v ca n dp p v cs e t si nt h es c a c c u s i n gu m i s t sp i n c ht e c h n o l o g yw h i c hc a n b ea p p l i e dt os e t s s y s t e ma n a l y s i si nu s i n ge n e r g ya f t e rb e i n ga d d e dn e c e s s a r y s u p p l e m e n ta n di m p r o v e m e n t ，t h e np u t t i n gf o r w a r dp r a c t i c a lp r o j c o t so fs a v i n g e n e r g y t h ep a p e ra p p l i e ss u c c e s s f u l l yp i n c ht e c h n o l o g yo f h e a te x c h a n g e rn e t w o r k s t os y n t h e t i ca n a l y s i so f c h l o r - a l k a l ie n t e r p r i s e su s i n ge n e r g y , p o i n t so u tl a c ko f t h e s e e n t e r p r i s e su s i n ge n e r g na n dp u t sf o r w a r dc o n s t r u c t i v ea d v i s e s t h e r ea r es u p e r i o r s o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s k e yw o r d s ：e n e r g ys a v i n g ，c o n t i n u a b l e d e v e l o p m e n t ，h e a te x c h a n g e r n e t w o r k s ，p i n c ht e c h n o l o g y 2 第一章前言 1 1 节约能源的战略分析 能源是现代社会赖以生存和发展的基础，能源的稳定供给不仅密切关系着国 民经济的可持续发展，也是国家战略安全保障的基础之一。人类的文明进步和社 会生产力的发展使得人类对能源的需求越来越大，而地球上亿万年积累的化石能 源( 石油、天然气、煤等) ，仅能支撑3 0 0 年的大规模开采，即将面临枯竭的险 境。严峻的能源形势日益成为全世界关注的焦点。 经过长期的实践和探索，人类终于认识到化石能源的使用不是无限的。随着 人口的迅速增长、经济的高速发展、加上不可持续的消费方式和意识，对有限的 能源、资源已构成巨大的压力，尤其是低效、高耗的生产和不合理的生活消费极 大地破坏了生态环境，由此危及到人类自身生活条件的改善和生活水平的提高。 面对困局，全人类应正确认识和对待人与自然的关系，用可持续发展的新思想、 新观点、新知识，改变人们传统的不可持续的生产方式、消费方式和思维方式， 实现人类和自然的和谐、可持续发展。 我国是能源消耗大国，2 0 0 0 年一次能源的消费量为7 5 亿吨油当量，仅次 于美国成为世界第二大能源消费国，到本世纪中叶我国全面达到小康水平时，一 次能源的消费量将达到3 0 多亿吨油当量。然而目前我国人均一次能源的拥有量 不到美国的1 1 8 ，仅为世界平均水平的 3 ；与世界一次能源构成不同的是我国 以煤为主，煤占一次能源的比例为6 3 6 。一方面由于煤的高效、洁净利用难度 大，使用过程中会对人类的生存环境带来严重的污染；另一方面我国人均能源资 源严重不足，人均石油储量不到世界平均水平的1 1 0 ，人均煤炭储量仅为世界 平均值的1 2 。预计到2 0 1 0 年，我国石油供需缺1 3 为1 亿吨，天然气缺口为4 0 0 亿立方米。 多年以来，我国的经济发展战略采取的是靠大量的资源和资金的投入发展 生产的粗放型经营模式。这种经济发展模式或许会在一定时间段内出现经济暂时 的繁荣，但当人们清醒过来的时候，会看到自己的生存空间已被破坏，资源的人 均占有量将大大低于世界平均水平，要治理被破坏的环境所需的花费远比当时防 止污染所需的投入要高出几倍、甚至几十倍。这种通过高投入、高消耗来支撑的 国民经济生产总值高速增长的发展道路，造成投入多、消耗高、产出少、质量差、 浪费大、污染重、效益低的局面，已经成为我国长期以来经济发展中一切矛盾的 焦点。特别是近两年来，随着国民经济持续快速发展，工业经济增长的速度明显 加快，一些能源消耗行业生产呈现快速增长的势头，使能源的总体需求明显扩大， 价格不断上升，局部出现了能源供应紧张的情况。在能源供应总体趋紧的条件下， 对已建成的工厂，采取系统用能分析，即将成为提高企业效益的一种常见的技术 措施。随着行业间竞争的日趋激烈，各生产单位也日渐把节能降耗作为降低生产 成本、提高市场竞争力的主要手段之一 1 2 氯碱行业节能的现实分析 近几年，氯碱行业在国内得到了快速迅猛的发展一2 0 年的增长速度，氯碱 行业发展在提供大量廉价化工原材料的同时，也占用了大量的能源一盐资源、煤 炭资源、电力资源和水资源等。氯碱行业的一个重要特点就是能源占用量大、综 合能耗高。以上海氯碱化工股份有限公司为例，该公司生产所用原材料和能源的 消耗占总生产成本的8 5 9 6 。这一特点使氯碱企业中的节能工作有着极重要的战略 意义和现实意义，节能工作的好坏直接关系到整个行业的市场竞争和长远发展。 在氯碱行业的整个工艺流程中，特别是在聚氯乙烯从原料到成品的整个工艺 流程中，伴随着一系列的化学反应，有的放热反应在反应前需要吸热来加热反应 物，反应过程中又需要冷介质( 循环水或冷冻水等) 移走反应所产生的热量；有 的吸热反应在反应过程中需要加热维持反应的正常进行，反应后又需要传热来冷 却产物，由此就伴随着大量的热量和冷量的的传递和浪费。比如氯乙烯聚合反应 放出大量的热( 循环水或冷冻水通入夹套或釜顶回流冷凝器移走热量) ，而反应 之前又要吸收热量( 蒸汽通入夹套) 使反应物升温来引发聚合反应：又比如e d c 裂解反应需要吸收热量，而出炉的产物又必须通过急冷移走大量的热量。同时产 物生成后的精馏、干燥、汽提等分离操作也要消耗大量的热能和电能；被加热了 的物料往往还要进行冷却，需要大量的冷却水，因而氯碱企业既是耗能大户也是 用水大户。聚氯乙烯生产流程中能量消耗的复杂性，使得工艺与动力系统的紧密 结合成为现代氯碱企业的一个显著特点。因此，抓住节能这个重要环节，也就抓 住了氯碱企业降本增效的一个关键。 上海氯碱化工股份有限公司的生产技术虽然在国内处于领先地位( 代表十九 6 世纪8 0 年代末的国际水平) ，但十多年来，该公司把更多的精力放在了对引进技 术的消化吸收和产能提升上，而对生产技术的改造( 特别是在能源的现状分析和 综合利用等方面) 方面的关注相对较少。由此造成和国外同类型生产产装置的能 耗相比存在着较大的差距( 见表1 一l 、1 - 2 ) ，通过改造，还有较大的节能潜力 可以挖掘。 表卜l 氯乙烯装置与g e o n 公司产品能耗对照表( 2 0 0 0 年) 能源中压蒸汽低压蒸汽 电 碳四生产水 名称m p b sl pd s已p w 单位t t y c mt t v c mk w h t v c m t t v c mm 3 t v c m 氯乙烯装置 0 9 4 50 6 0 21 2 50 0 9 57 7 8 g e o n 公司 0 4 3 5 7 50 0 9 3 t 表1 - 2 聚氯乙烯装置与g e o n 公司产品能耗对照表( 2 0 0 0 年) 能源名称低压蒸汽l p d s电 单位t t p v ck w h t p v c 氯乙烯装置1 3 8 72 9 7 g e o n 公司o 92 0 5 随着国际国内能源供应形势的日趋紧张，以及国内低成本电石法路线聚氯乙 烯对石油路线聚氯乙烯产品成本和产品销售价格上的挤压，走石油路线的聚氯乙 烯产品要想在市场上立足，唯一的出路在于企业内部的降本增效、节能降耗。要 使节能降耗工作做得深入并有明显成效，就要从整个装置乃至全厂、全公司的角 度系统地考虑能量的综合利用，注重用热设备和放热设备的匹配。通过这种集成 和匹配后，系统的能耗可望明显减少，为此系统地进行企业的节能优化是一项迫 切需要解决的重要课题。 i 3 系统用能分析技术的概况“2 删”删 目前，国外常用的系统用能分析的核心技术之是英国u m i s t ( u n i v e r s i t y o f m a n c h e s t e li n s t i t u t eo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 提出的“夹点分析”方法，该 方法首先被大量地使用在对换热网络合理配置的系统化分析上。夹点技术以热力 学第二定律为理论基础，从宏观角度分析过程系统中各个温度水平上( 包括能源 的供给、转换、利用、回收、生产、排放等环节) 的能量流动情况，从中发现系 统用能的“瓶颈”所在。再在权衡操作费用和设备投资费用的基础上确定经济合 理的夹点传热温度差，确定全系统能量合理使用的夹点位置，以及热公用工程和 冷公用工程的理论最优配置方案。最终根据上述夹点分析的结果和目前装置用能 的实际情况，找出差距和改进的措施。 夹点技术最初源于热回收换热网络的优化设计，进入二十世纪9 0 年代，夹 点技术的应用范围扩展到蒸汽动力公用工程系统，并进一步发展成为包括热回收 换热网络子系统和蒸汽动力公用工程子系统的总能系统。二十世纪9 0 年代末， 夹点技术在工艺过程予系统中的分离设备的节能取得了初步的成功，实现了分离 设备在工艺过程中的热集成。国际上堆新的研究是，将过程系统的安全性、可操 作性、对不同工况的适应性、对环境的影响等非定量因素作为系统用能优化的工 程目标。因此，夹点技术现在已经不仅可以用于热回收换热网络的优化集成，而 且可以用于合理设置热机和热泵、确定公用工程的能级和用量、提高生产能力， 优化分离设备配置、减少生产用水用汽、减少废气污染排放等等。 夹点技术的特点：简单灵活，易学实用，可发挥工程技术人员的实践经验： 可得出换热网络的最大热回收量和最小公用工程消耗量，减少公用工程的投入； 夹点技术所得方案即使不是最优解，也接近最优。 借鉴国际上许多著名化工公司( 如拜尔、u c c 、i c i 、杜邦和联碳等) 的经 验，通过工艺流程优化、单元设备的更新、控制手段的改进、以及工艺操作条件 的优化、都有可能实现提高能源的利用效率。包括公用工程在内，经过全面用能 分析后、再作出合理安排的节能方案，能收到最明显的效果。统计表明，对新装 置设计而言，经过整体系统用能分析后，可以节能1 5 一2 5 ，节省投资1 0 左 右；对老装置改造，通常可以节能2 0 3 5 。改造所需资金的回收年限一般只 需0 5 3 年。 表1 - 3i c i 公司的应用情况 工艺装置节能( 万美元侔)投资( 万美元) 石油化工改造2 4 01 8 0 常压原油塔改造1 2 0 节省 无机产品新设计3 2节省 精细化工新设计 1 6 0 节省 表l - 4联碳公司的应用情况 工艺 节能( 万美元年) 投资( 万美元) 回收期( 月) 石油化工 1 0 55 06 有机产品 1 0 06 07 无机产品 1 2 41 8 31 8 精细化工 1 3 ，95 75 1 4 本课题研究的背景 上海氯碱化工股份公司作为一家国内生产规模最大、历史悠久的氯碱企业 ( 8 0 年的成长历史) ，在生产规模、产品种类、产品质量和技术贮备等方面有着 国内一般企业不可比拟的优势。但由于缺乏相应的节能技术和资金投入，在生产 装置的节能降耗和能量综合利用等方面存在着明显不足，这也是国内氯碱企业普 遍存在的软肋。为此，该公司自2 0 0 3 年开始委托浙江大学联合化学反应工程研 究所和化工研究所承担了利用现代技术提升企业用能水平课题，借助高校的 技术手段和技术力量对全公司进行一次彻底用能情况分析。整个项目分为如下5 个子课题进行： ( 1 ) 公用工程节能设计 ( 2 ) 用水网络优化集成 ( 3 ) 精馏单元的节能优化 ( 4 ) 碱蒸发单元节能改造 ( 5 ) 工艺运行仿真预演平台 本文以上海氯碱化工股份有限公司聚氯乙烯装置和糊状树脂装置为研究对 象，收集聚氯乙烯装置和糊状树脂装置的工艺技术参数以及相关的原始数据，运 用“换热网络的夹点分析”技术，对各单元热量使用的有效程度进行全面核查， 并通过系统的技术分析，提出包括公用工程能级合理分配在内的节能方案，形成 的节能方案有着技术含量高、可操作性强、经济效益显著等特点，部分方案已在 生产实际中得到成功应用。随着该课题的不断深入和推进，必将极大地推动该公 司对节能降耗工作的重视，必将极大地提高该公司能源的综合利用水平。 第二章换热网络的夹点分析 2 1 换热网络的夹点及意义咖旧嘲 2 1 1 冷热物流的温焓图和复合曲线 物流的特性可以用温一焓图( t h 图) 很好地表示。温一焓图以物料温度t 为纵坐标，以物料热焓h 为横坐标。物流的温差用纵坐标两点之间的距离( 即温 差t ) 表示，物流的热量变化用横坐标两点之间的距离( 即焓差h ) 表示，因 此平移物流线并不影响其物流的温位和热量。将t h 图中物流线上任一点切线的 斜率即等定义为热容流率c p ，单位为k w 。c 。若c p 可作常数，则物流线都为 口 直线。显然c p 值越大，t h 图上的线越平缓。 为了全面、定量地表示系统的物流特性，可以将多股热物流合并成一条热复 合曲线，将多股冷物流合并成一条冷复合曲线。图2 1 表示了热复合曲线的合 并过程。 l f r j l h ( a ) 3 股热物流被冷却的t - h 线 图2 1 h ( b ) 3 股热物流的复合曲线 复合温一焓线 2 1 2 系统用能的夹点 当冷热物流复合曲线同时出现在t h 图上时，两条曲线的相对位置有三种不 同的情况，如图2 2 所示。 如图2 2 ( a ) 所示，曲线1 为热物流复合曲线，曲线2 为冷物流复合曲线， 在此状态下，全部冷物流由加热公用工程加热，全部热物流由冷却公用： 程冷却， 过程中的热量全部没有得到综合利用。此时，加热公用工程所提供的热量q l i 和 冷却公用工程所提供的冷量q c 为最大。在图2 2 ( b ) 中，冷复合曲线向左平移， 1 0 l 八 ， l 彳 。i ： l q rq h 图2 - 2 换热系统的集成 h ( a ) h ( b ) h ( c ) 则热物流所放出的一部分热量可以用来加热冷物流，所以加热公用工程所提供的 热量q h 和冷却公用工程所提供的冷量q 。均相应地减少，由此产生了综合回收利 用的热量q 。但此时由于是以最高温度的热物流加热最低温度的冷物流，传热温 差很大，可回收利用的余热q r 也有限。如果继续移动冷复合曲线至2 2 ( c ) 所 示位置，使两条复合曲线几乎在某点重合，此时，加热公用工程所提供的热量 q ，。和冷却公用工程所提供的冷却量q 。均达到最小，所回收的热量q r 达到最大。 冷热复合曲线在某点重合是该系统内部换热的极限，重合即该点的传热温差为 零，该点在“夹点技术”中定义为夹点( 理论上的) 。 但是，在夹点温差为零时，理论上需要无限大的传热面积，在实际工程中既 不现实也不经济。在实际的工程核算过程中，可以通过技术经济评价而确定一个 系统最小的传热温差：夹点温差t 。因此，夹点可定义为冷热复合温焓线上 传热温差最小的点( 实际上的) 。 当确定了夹点温差t 。后，整个系统的最小加热公用工程量、最小冷却公 用工程量和综合回收热能，亦即能量目标也随之确定，即为图2 - 2 ( c ) 中的 q 。和q r 。 2 1 3 夹点的意义 夹点的出现将整个换热网络分成了两个部分：夹点之上和夹点之下。夹点之 上是热端，只有换热和加热公用工程，没有任何热量流出，可看成是一个热阱系 统；夹点之下是冷端，只有换热和冷却公用工程，没有任何热量流入，可看成是 一个热源系统：在夹点处，两个系统间的热流量为零。 如果发生跨越夹点的热量传递n ，即夹点之上热物流与夹点之下冷物流进行 换热匹配，则根据夹点上下子系统的热平衡可知，夹点之上的加热公用工程量和 夹点之下的冷却公用工程量均相应的增加n 。因此，为达到最小公用工程用量， 有必要对夹点的设计方法制定几条原则，设计原则为： ( 1 ) 夹点之上子系统不应设置任何公用工程冷却器； ( 2 ) 夹点之下子系统不应设置任何公用工程加热器； ( 3 ) 不应有跨越夹点的传热。 2 2 形成最大的能量综合利用网络 在最大的能量综合利用网络设计中，应将整个能量网络系统分解成夹点之上 和夹点之下两个独立的子系统进行设计。此时，可以得到冷热公用工程用量均为 最小的网络。 2 2 1 冷热物流的匹配 冷热物流的匹配是以温度的可行性为基础的，不同的热物流与冷物流之间的 温差不同，最小的温度差为事先规定的at ，一般可通过各种匹配来满足冷热 1 2 物流之间的温度差。但在夹点处，传热温差为t 。，这使物流的匹配受到限制。 为保证夹点处的传热温差，要首先满足夹点处的物流换热。 2 2 2 冷热物流匹配的准则 将系统在夹点处分解，由夹点起向两边再进行匹配。在夹点设计中，物流的 匹配应遵循以下的准则： ( 1 ) 物流数目准则 由于在夹点之上不应有任何冷却器，这就意味着所有的热物流均要靠与冷物 流换热来达到相应温度，而冷物流可以用公用工程加热器加热到目标温度，因此 每股热物流均要有冷物流与之匹配，即夹点以上的热流数目n 。应小于或等于冷 物流数目n 。： 夹点之上n 。n 。 同理，在夹点之下，为保证每股冷流都被匹配，应 夹点之下n h n 。 如果实际物流数目不能满足上述准则，则应通过分流来增加物流数目。 ( 2 ) 热容流率准则 本准则适用于夹点处的匹配。夹点处的温差l 。是网络中最小的温差，为 保证各换热匹配的温差始终不小于l 。要求夹点处匹配的物流的热容流率满 足以下准则： 夹点之上c p ，c p c 夹点之下c p 。c r 如果夹点处的实际物流不能满足该准则，就应通过分流来减少夹点之上所需 匹配的热物流的热客流率或夹点之下所需匹配的冷物流的热容流率。 离开夹点后，由于物流间的传热温差都增大了，就不一定遵循该准则，但仍 应保证匹配中温差均不小于t 。 ( 3 ) 最大换热负荷准则： 换热网络夹点技术分析的目的是用最少的资金投入( 主要用于换热设备的设 计、制作和安装以及相应的换热管线的布置) 实现最大的能量综合利用。为保证 换热单元的数目最小、资金投入最少，在每一次的冷热物流匹配中，应将其中一 股物流热量或冷量全部综合利用。 2 3 换热网络的调优 在实际的换热网络优化设计中，为获得最大的经济效益，不仅要考虑综合利 用的能量为最大，而且也应考虑使设备费和操作费之和为最小，这就涉及到一个 平衡、综合和调优的问题。 2 3 1 设备费与换热网络总费用的关系 2 3 1 1 最优夹点温差t 。 对于夹点问题，不管t 。为何值，为了综合利用能量，总是既需增加加热 器又需增加冷却器，图2 3 用图示方式表达了夹点温差t 。与费用的关系。从 图中可知，当t 增大时，综合利用的能量减少，使能量费用( 用于冷热公用 工程实施的添加或扩容等) 增加；但t 。增大时，传热温差增大从而传热面积 减小，使设备费用( 用于换热设备和相关管线的制作安装等) 降低。在两个因素 的综合影响下，总费用将会出现一个最小值，该点的夹点温差即为最优夹点温差 t 最优夹点温差的确定大致有三种方法： ( 1 ) 根据经验确定。此时需要考虑公用工程和换热器等设备的价格、换热 介质和传热系数等因素的影响。 ( 2 ) 在不同的夹点温差下，综合不同的换热网络，然后比较各网络的总费 用，选取总费用最低的网络所对应的夹点温差。 ( 3 ) 在网络综合之前，依据冷热复合温焓线，通过数学优化估计最优夹点 温差。 费用 a t 。 图2 3 夹点温差与费用的关系 1 4 2 3 1 2 公用工程与换热单元数目的关系。 一个换热网络的最小换热单元数目可由欧拉通用网络定理来描述： u 。= n + l s( 2 1 ) 式( 2 - 1 ) 中u 为换热单元数目，包括加热器和冷却器：n 为流股数目，包括加 热和冷却公用工程；l 为独立的热负荷回来数目；s 为可能分离成不相关子系统 的数目。通常，系统往往没有可能分离成不相关子系统，故s = i ：一般希望避免 多余单元，因此尽量消除回路，使l = o ，于是，式( 2 - 1 ) 变成： u = l 一1 ( 2 2 ) 在夹点温差一定的情况下，为了使换热单元数目最小，往往需要跨越夹点传 热。这会使公用工程费用增加，此时可找出一个跨越夹点的最优换热量，从而使 总费用达到最小。 2 3 2 断开热负荷回路 热负荷回路的定义是：在网络中从一股物流出发，沿与其匹配的物流往下找， 又回到此物流，则称在这些匹配的单元之间构成热负荷回路，如图2 4 ( a ) 所 示。这里所说的物流也包括公用工程物流，如图2 4 ( b ) 所示。 热负荷回路的一个重要特点是，回路中各单元的热负荷可以相互转移，而不 影响回路之外其他单元的热负荷。根据回路的这特点，可以通过热负荷转移而 使回路中一个换热单元的负荷为零( 即该换热单元合并) ，从而达到合并换热器 的目的。 1234 图2 4 热负荷回路 h 一般可以选择回路中具有最小的热负荷的单元作为合并目标，并且把它放 在回路线上的第一个位置，回路线上其它元素按顺序排列。合并时只要将回路线 上原有的每一偶数位元素的热负荷加上合并目标的热负荷，奇数位元素的热负 荷减去合并目标的热负荷，使合并目标的热负荷为零，最后消失。不是这一回路 上的单元，其热负荷不变。然后检验温差的可行性，如不满足则改变目标重新设 计计算，如最后确定不能合并，应放弃，搜寻和合并网络中的其它回路。 利用上述方法对夹点之上和夹点之下两个子系统分别进行调优，可有效地 减少网络的换热设备数，使之接近最少换热设备数，既节省投资又可保持总网 络仍有最大限度的能量回收。但若想要打开温差不满足的回路，就要用能量松弛 法来恢复最小传热温差，此时，需增加用于公用工程费用，使经常性的操作费 用提高。 2 3 3 换热网络的能量松弛法 所谓“能量松弛法”就是将换热网络从最大能量回收的紧张状态下“松弛” 下来。相应地增加公用工程费用，添置公用工程设备，以满足用能网络的最小传 热温差。其具体方法为：对于某一打开的回路，计算网络的温度，识别是否有违 背最小温差t 。之处。对于不满足t 。之处，寻找一条松弛途径，并且找出要 满足a t 。所需要的热负荷的改变量x ，按x 值调整热负荷，重新恢复t 。这 样做的结果是减少了换热设备的数目。 热负荷可以这样沿路径转移：给加热器中增加热负荷x ，则该加热器所在的 物流的另一换热器中减少热负荷x ，以维持该物流的总热负荷不变；而在负荷减 少的换热器中与该物流匹配的另一股物流同时减少了热负荷x ，必须在这股物流 的另一个换热器或冷却器中再加上热负荷x ；当冷却器增加了热负荷x 后，热负 荷的转移结束，整个路径的热负荷平衡。 虽然合并换热器使得换热单元数目减小，进一步降低了换热网络的投资费 用，但要付出相应的代价一或者是由于换热温差减小，使换热面积增加；或者是 增加公用工程用量，使能量费用增加；再或者是采用分支等方法，使网络结构复 杂化。在具体的工程设计或用能网络优化过程中，要以总费用最低为目标全面考 虑实际情况，来确定如何调优、合并换热器。 1 6 2 4 小结 换热网络夹点技术的核心是根据总的能量目标构造一个具有昂大能量回收 特性的换热初始网络，其基本点是找出整个换热网络的夹点，不允许有跨跃夹点 的传热：再以换热设备数最少为目标，对初始网络进行调优，以减少换热设备数及 设备投资费用，从而获得个最优或接近最优的换热网络。夹点技术以热力学理 论为基础，从宏观角度分析过程系统中能量沿温度曲线的分布，从中发现系统用 能的“瓶颈”( b o t t l e n e c k ) 所在并给以“解瓶颈”( d e b o t t l e n e c k ) 的一种方 式。近四十年的发展和完善，形成了较为系统的理论基础。使用实践证明，凌技 术对换热器网络的最优综合简单有效，很有应用前景。 参考文献 1 姚平经全过程系统能量优化综合大连理工大学出版社，1 9 9 5 2 冯霄，李勤凌化工节能原理与技术，化学工业出版社，t 9 9 8 3 詹世平换热网络的夹点设计法化学工业与工程技术，1 9 9 9 ，2 0 ( 2 ) ：4 8 4 r s m i t h 化工过程设计北京化学工业出版社，2 0 0 2 5 肖云汉换热网络设计方法的研究进展化工进展，1 9 9 4 ，1 ：卜9 6 尹洪超，袁一过程系统能量集成同步优化综合法，化工学报，1 9 9 7 ( 2 ) ：3 5 4 0 7 m u b a r a ke b r a h i m p i n c ht e c h n o l o g y ：a ne f f i c i e n tt o o lf o rc h e m i c m p a i n te n e r g y a n dc a p i t a l - c o s ts a v i n g a p p l i e de n e r g y , 2 0 0 0 ( 6 5 ) ：4 5 - 4 9 【b i d m f r a s e r r e t r o f i t o fm a s se x c h a n g en e t w o r k su s i n gp i n c ht e c h n o l o g y a l c h e ，2 0 0 0 ( 4 6 ) ：2 1 1 2 2 1 1 7 【9 j u t t ag e l d e r m a n n ，e t c i n t e g r a d et e c h n i q u ea s s e s s m e n tb a s e do nt h ep i n c ha n a l y s i s a p p r o a c h f o rt h ed e s i g no f p r o d u c t i o n n e t w o r k s j o u r n a lo f o p e r e t i o n a l r e s e a r c h ，i np r e s s ，2 0 0 5 第三章聚氯乙烯装置能量集成优化方案 3 1 聚氯乙烯装置概况“”1 上海氯碱化工股份有限公司聚氯乙烯装置二十世纪8 0 年代末引进日本信越 的氯乙烯悬浮聚合工艺技术，代表着当时的国际先进水平，有着自动化水平高、 单釜生产能力大( 1 2 7 m 3 ) 和产品质量稳定等特点，。该工艺以氯乙烯为原料，脱 盐水为介质，加入配方量的分散剂、引发剂和其它生产助剂，以氯乙烯悬浮聚合 工艺生产聚合度为6 5 0 - 1 3 5 0 的聚氯乙烯树脂。该装置目前主要生产w s 8 0 0 、 w s 一1 0 0 0 、w s 一1 3 0 0 和m - 1 0 0 0 、r - 1 0 0 0 五种牌号的树脂，产品广泛引用于硬管 硬板、薄膜、人造革、电缆、绿色建材、医药和机械配件等领域。该装置引进时 的设计能力为2 0 万吨年，由八台聚合釜，四条汽提、干燥、包装、码垛线以及 v c m 回收、化学品配置和公用工程等单元组成。后来通过技术改造缩短聚合时问、 挖掘聚合潜力，又增加了一条汽提、干燥、包装、码垛线( 即5 # 线) ，使生产能 力达到了2 8 万吨年。2 0 0 3 年，经过聚台工艺再次改造( 主要通过热水投料、 引发剂优化和防粘釜剂改良等实现) ，使聚合釜的聚合强度得到了进一步的提高， 为此，再增加了一条汽提、干燥、包装、码垛线( 即6 # 线) ，使生产能力提高到 3 5 万吨年。图3 一l 是聚氯乙烯装置工艺流程简图。 图3 1 聚氯乙烯装置工艺流程简图 3 2 聚氯乙烯装置能耗状况”“” 根据2 0 0 3 年1 1 月该装置统计的能源消耗月报：当月低压蒸汽l p d s 的消耗 量为3 2 7 9 1 吨( 时均消耗低压蒸汽4 6 吨) ， 占西区总量的5 2 7 ；当月循环水 c w 的消耗量为6 5 4 万吨( 时均消耗循环水9 0 8 4 吨) ，占西区总量的3 6 o 。由此 可见，聚氯乙烯装置占了全厂近5 0 的综合能耗，在该装置开展能量集成优化具 有非常积极的现实意义。由于2 0 0 3 年1 1 月份聚合工艺的再次改造已完成，新增 的6 # 线( 即汽提、干燥、包装和码垛线) 也已投产，装置的生产能力已接近3 5 万吨年，故我们本次的研究对象是经两次扩产后的装置。但由于装鼹刚刚上马， 一些基础数据还没有测定和收集，比如新增换热器h e 一2 0 4 2 0 5 的能耗，6 # 干燥 线排放废气的温度等都没有现成的数据( 现场没有测温仪表) 。2 0 0 0 年，聚氯乙 烯厂曾对聚氯乙烯装置做过一次热平衡测试，对聚合、汽提、干燥、精馏四个体 系的能耗做了比较详细标定。本次装置能量集成优化所需的数据主要来自这次平 衡测试汇集的数据以及扩产后的一些现场数据和技术统计数据。 此外，在历次的扩产改造中，已经采用了一些热集成方案，比如新增的干燥 系统运用蒸汽冷凝水来预热进料空气；汽提系统开始用塔底的浆料来预热汽提进 料，这些措施已经产生了显著的经济效益。但系统的综合用能现状如何? 节能潜 力究竟还有多大? 这正是本课题要探讨和解决的问题，我们还将在此基础上提出 一些实际可行的节能措施( 在权衡操作费用和设各费用的基础上) ，以提高该装 置的整体用能水平。 3 3 物流数据的提取 在聚氯乙烯装嚣相关技术人员的配合和帮助下，从装置所有的冷热物流中， 我们提取出参与了热量交换的冷热物流，现将各冷热物流的初始温度、末端温度、 平均流量、焓差的平均值和正常运转状况等进行了罗列，并列表于表3 一l ( 聚氯 乙烯装置冷热物流数据表) 。 单纯从统计的数据分析，表3 一l 中的冷热物流之间存在着多种相互换热的可 能，即：只要冷热物流的焓差相近，初始温度和末断温度匹配，就可实现冷热物 流的换热；但从实际生产情况看，这些参与热交换的物流中只有聚合釜通过夹套 和冷凝器放热是间歇过程，其它操作都是连续过程。但考虑到聚合放热反应的温 度不高并控制严格，且反应放热量随时间的变化很大，因而我们认为聚合反应放 热很难与别的装置进行热集成。剩下的物流中还有8 股热物流和6 股冷物流。8 股 热物流中，3 0 0 单元的5 股物流温位都不高，其中最高的一股其温度也不过5 5 c ， 与6 股冷物流的目标温度相去甚远，几乎没有利用价值。可供选择的热物流仅剩 4 0 0 单元汽提塔塔顶出料。 表3 - 1 聚氯乙烯装置冷热物流数据表 表3 2 聚氯乙烯装置余热资源表 因而要进行系统的热集成，需要寻找别的热源。经过现场调查发现，目前装 置还有些可以利用的余热资源，如表3 2 ( 聚氯乙烯装置余热资源表) 所示： 这些余热资源中的第2 ( 3 0 0 单元蒸汽冷凝水) 、3 ( 4 0 0 单元蒸汽冷凝水) 、 6 ( 干燥系统尾气) 项的热量并未得到利用或充分利用，而其综合热能高且综合 回收利用相对比较容易。其热值高达( 以年作业时间8 0 0 0 d 、时计) ： h = 3 1 2 8 + 3 8 9 6 2 x 4 + 7 1 6 6 8 0 0 0 = 1 3 3 x 1 0 ”k c a l h 因而，在绘制冷热物流组合曲线时，将该三股物流也看作热物流绘入组合曲 线中，使组合曲线更能真实地反映该装置的实际用能情况，使节能改造有更多的 备选方案。 3 4 系统的能量目标“” 取系统的传热温差为2 0 。c ，可以作出冷热物流组合曲线( 如图3 2 聚氯乙烯 装置系统冷热物流组合曲线所示) ，在此基础上确定出聚氯乙烯装置整个系统的 能量目标为： 最 j g j n 热公用工程用量为1 3 8 3 1 ( 1 0 3 k c a l h ) ， 壤小冷却公用工程用量为1 4 7 1 ( 1 0 3 k c a l h ) ， 可综合回收的热能为 7 2 8 1 ( 1 0 3 k c a l h ) 。 图3 2 聚氯乙烯装置系统冷热物流组合曲线 此外，我们也采集和统计出了与这些冷热物流配套的冷热公用工程用量，主 要包括用于加热的中压蒸汽m p d s 、低压蒸汽l p d s 和用于冷却的循环水c w 和冷冻水 等，相应的数据如下表( 表3 3 聚氯乙烯装置公用工程统计表) 所示： 表3 3 聚氯乙烯装置公用工程统计表 换热器 h e - 2 0 4h e 一2 0 5 h e - 3 0 1 h e 一3 0 2 h e - 3 0 3h e 一3 0 4h e 一3 0 5 编号 公用工程 s t ms t mc w c w 冷冻水 c w s t m 负荷 1 0 3 k c a l h 3 4 3 07 01 9 82 6 4 | 5 2 1 65 3 5 3 换热器 h e - 4 0 1t k - 4 0 1 h e 一4 0 1h e 4 0 1h e 一4 5 1h e 4 5 4 h e 一3 0 6 编号 l 41 4 56 l qh e 4 5 l 5 公用工程 s t ms t ms t ms t mc