6-换热网络设计说明书

广西广维化工醋酸乙烯酯10万吨生产分厂项目 换热网络设计说明书2019“东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛合肥工业大学（宣城校区）键酯未来广西广维化工醋酸乙烯酯10万吨生产分厂项目换热网络设计说明书2019年“东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛广西广维化工醋酸乙烯酯10万吨生产分厂项目 参赛学校： 合肥工业大学（宣城校区） 团队名称： 键酯未来 指导老师： 姚运金、姚鑫、杨则恒、徐超、曹付虎 团队成员：李云云、吴城瑜、邢腾、夏星星、刘耀斌完成时间： 2019年8月16日 目 录一、概述1二、夹点技术1三、工艺流股提取2四、换热网络合成3五、换热网络设计5一、概述在大型过程系统中，存在这大量需要换热的流股，一些物流需要被加热，一些物流需要被冷却。大型过程系统可以提供的外部公用工程种类繁多，如不同压力等级的蒸汽，不同温度的冷冻剂、冷却水等。为提高能量的利用率，节约资源与能源，就要有限考虑系统中的各流股之间的换热、各流股与不同公用工程种类的搭配，以实现最大限度的回收能量，尽可能提高工艺过程的热力学效率。本项目为醋酸乙烯项目。纵观整个流程，大量能量被消耗在分离过程中。因而需要对能量进行回收利用，并采取一定的节能措施来降低能量消耗，提高过程的经济性。二、夹点技术20世纪70年代末，史密斯和林霍夫首次提出了将夹点技术应用在过程中能量流的分析中，英国化学公司率先在工程设计中采用这种实际方法，对新建工厂的每个工程项目进行优化，最终比常规设计平均节能30%，取得了令人瞩目的节能效果。夹点分析是将一个必须优化的换热器网络的冷、热流体的复合曲线表示在温焓图上，而冷、热流体的复合曲线最短处，就是该换热网络的夹点，此时的温度差即为夹点温差（Tmin），如图1-1所示。通过夹点将整个换热网络分为两部分：上部为热端，须从公用工程吸收冷量被冷却；下部为冷端，须从公用工程得到热量被升温。当夹点的能量为零是，该系统的能量得到了充分的利用，从公用工程得到的能量最小。这个状态是换热网络优化的终极目标，但实际上，由于达到该状态时须付出的代价较大，因此须选择合适的夹点温度，以得到最经济的换热网络。图1-1 T-H示意图夹点分析的基本原则夹点分析一般遵循的3个原则：避免冷、热流体穿越夹点；夹点上部尽量不从公用工程得到冷量；夹点下部尽量不从公用工程得到热量。夹点物流匹配的原则1、夹点热端，热物流的总物流数（原有热流数和热流分配的数目之和）小于等于冷端物流数（原有冷流数分配的数目之和）；夹点冷端热流总物流数大于冷锻的总物流数。2、夹点热端，每一热流夹点匹配的比热容（CP,H包括原有热流数和热流分配）小于每一冷流夹点匹配的比热容（CP,H包括原有冷流数和冷流分配）；夹点冷端，每一热流夹点匹配的比热容大于等于每一冷流夹点匹配的比热容。3、每一换热器的热负荷要等于匹配的冷、热物流的热负荷较小者，如何让可以是该物流一次达到所需的温度，从而减少换热器的数量，降低优化带来的设备投资；在以上的前提下，尽量选择比热容数值接近的冷、热物流进行匹配，如此可使所选择的换热器结构相对简单，设备投资费用较低。三、工艺流股提取在使用Aspen Energy Analyzer进行换热网络设计之前，我们已经使用Aspen plus对所有的塔器进行优化，减少的不必要的能量消耗，而后将需要能量交换的流股进行提取列于下表1-1、1-2中。表1-1 中间过程流股数据流股名称进口温度（）出口温度（）热负荷（kW）S7_To_S898.150284402-10_To_2-14126.656453LS2_To_SC2158.9158.910151-12_To_152-10_To_2-14130.4126.6239.72-10_To_2-14140130.4376.6M_To_1-763.351.2365.50227 To 3-12055677.8表1-2 塔设备流股数据塔设备名称设备位置进口温度（）出口温度（）热负荷（kW）T0101Condenser7164.4141400T0101Reboiler125124150800T0301Condenser76.639.718740T0301Reboiler12512419050T0302Condenser54.3-110.16584T0302Reboiler100977049T0401Condenser60.434.39932T0401Reboiler1009711060T0402Condenser77.977.716300T0402Reboiler12512415970T0403Condenser97.175.5548.6T0403Reboiler250249868.4四、换热网络合成我们将所提取的工艺物流导入Aspen Energy Analyzer中，并对最小传热温差进行比较，获得总费用与最小传热温差的关系曲线，如图1-2所示。图1-2 总费用与最小传热温差的关系曲线由上图可以看出，在11与5左右，总费用降都很低，由于在换热网络设计中，如果最小传热温差越小，系统回收的热量越多，冷、热公用工程的费用增大，但是当最小传热温差过小时，换热面积与换热设备造价会大幅度提高。综上所述，我们选择11为最终的最小传热温差。设置好最小温差之后，可得到冷、热物流的组合曲线，如下图1-3所示。图1-3 冷、热物流的组合曲线从而得到换热网络合成的目标，如图1-4所示。图1-4 换热网络合成能量目标由上图可以看出，理论上最少需要热公用工程能量为：7.154108kJ/h理论上最少需要冷公用工程能量为：7.092108kJ/h夹点温度为：热流股82.7；冷流股71.7由能量目标可得总组合曲线，如图1-5。图1-5 总组合曲线依据上图和需要换热的流股数据，我们确定了冷公用工程和热公用工程。五、换热网络设计换热网络的设计，自由度较大，所获得的方案数目众多，但是合理的换热网络需要经过筛选与优化。在设计换热网络时，需要考虑工艺流股换热的可能性，最好还要将设备费用等因素也考虑进去，以便获得最为合理的换热网络。在Aspen Energy Analyzer给出的Design中选取其中最为经济且换热面积较小的设计方案进行后续优化过程。设计方案如图1-6所示：图 1-6 设计方案图分析比较4种Design的Total Cost，综合考虑所需费用以及换热面积，选用总费用最低进行后续的优化过程。年度总费用最低换热网络按照最小换热器台数原则，还可以去若干台换热器。当用多种公用工程换热时，可适当减少操作费，但会增加换热器数目和设备费。比如在使用冷却水和制冷剂冷却时，如果冷却水冷却的负荷较小，则可直接使用制冷剂，而不使用两种公用工程，以节省设备费。换热网络中存在loop回路。 图1-7（1） loop回路图 图1-7（2） loop回路图在实际操作中，一般不能有loop回路的存在，故应该删去负荷或者换热面积较小的换热器，将其合并到其他换热器，打破回路，减少换热器数目。经过以上调整，将换热网络优化为：图1-8 手动优化后的换热网络该换热网络的性能参数如图1-9。 图1-9 优化后的换热网络各项性能参数换热网络优化前后的各项性能指标对比见下表1-3：表1-3 优化前后部分参数对比项目热公用工程负荷/（kJ/h）冷公用工程负荷/（kJ/h）换热器总换热面积（m2）优化前7.9871087.92510827560优化后6.9821086.920108