8-节能优化和换热网络

四川天华30万吨/年天然气乙炔法制醋酸乙烯（VAC）项目 节能优化和换热网络节能优化和换热网络团队成员：赵帅帅 闫天晴 刘鑫婷 邹倩 郭勇金指导教师：羡小超 申威峰 陈红梅 李泽全 魏顺安克拉玛依石化30万吨/年天然气乙炔法制醋酸乙烯（VAc）项目 节能优化和换热网络目录第一章 换热网络设计概述1第二章 换热流股与公用工程的确定12.1换热流股信息汇总12.2公用工程的选取2第三章 换热网络方案设计33.1确定能量目标33.1.1夹点温度与节能综合效益关系33.1.2过程组合曲线图43.2含热泵的换热网络(未优化)53.2.1夹点温度与节能综合效益关系63.2.2过程组合曲线图73.2.3设计方案83.3含热泵的换热网络(优化)10第四章 总结1112第一章 换热网络设计概述本项目为克拉玛依石化30万吨/年天然气乙炔法制醋酸乙烯（VAc）项目，因原料的预热、产品的降温、精馏塔都是非常耗能的过程，故运行成本是其中一个很重要的考核参数，其中很重要的一部分是公用工程的消耗，通过换热网络的设计和优化，合理的把冷热物流匹配在一起，充分地利用热物流去加热冷物流，提高系统的热回收能力，可以尽可能地实现对内部流股热量的集成和最大化利用，（如蒸汽、冷却水等）辅助加热和冷却负荷，无疑将提高整个过程系统的能量利用率和经济性，这对化工生产降低能耗有着重要的意义。为尽可能地实现流程内部热量的集成和最大化利用，以减少公用工程的消耗，降低能耗。我们运用Aspen Energy Analyzer V8.4软件来进行换热网络的设计，并且寻找可能节能的措施，以最大限度的降低成本。本项目组节能降耗主要体现在以下几个方面：（1）基于夹点技术及Aspen Energy Analyzer V8.4设计换热网络，从而最大化利用厂区能量，减小公用工程耗量，设备投资及操作费用。（2）在合成工段，利用反应器出口的高温气体预热反应器进口的冷液体反应温度附近，减小了冷热公用工程的用量。（3）为了充分利用集成过程中的热量，本项目在VAC合成工段和醋酸精制工段采用了热泵精馏技术。热泵精馏充分利用了温差小的蒸发器，通过改变二次蒸汽温位使原本不能换热的流股有换热的可能，从而提高了可回收能量的比率，实现了较大程度的节能。本项目采用热泵技术、热耦合技术、夹点分析技术，与完全用冷热公用工程给工艺流股换热的方案相比可节能14820kW，能量回收率为53.91%。其中，所需热公用工程为43450kW，所需冷公用工程为83310kW。第二章 换热流股与公用工程的确定2.1换热流股信息汇总利用Aspen Energy Analyzer 软件，自动导入Aspen Plus中模拟的流程信息，并适当修改和补充部分物流信息，修改流股名称以便读取，确认无误后，再进行换热网络设计。我们提取过程中可用于能量集成的工艺流股，如下图所示。图2-1 工艺过程物流信息表（不含热泵精馏）图2-2 工艺过程物流信息表（含热泵精馏）其中117_To_114、118_To_115、116_To_113及R101-4_heat均为导热油为维持反应温度所需移除的热量，可视为一个热流股。2.2公用工程的选取公用工程主要为循环冷却水和加热蒸汽。图2-3 公用工程信息表第三章 换热网络方案设计3.1确定能量目标3.1.1夹点温度与节能综合效益关系最小传热温差Tmin设计要同时兼顾生产实际、公用工程用量、换热器个数以及管程数目等众多因素。理论上换热网络的平均温差越小，装置回收的热量越多，能耗越小，但需要的传热面积将越大，设备投资费用越高。将上述工艺流股信息输入到Aspen Energy Analyzer V8.4，在能量分析器中，对最小传热温差进行经济评估，获得操作费用和设备费用以及总费用-最小传热温差关系曲线，如下图所示。图3-1 操作费用和设备费用与Tmin关系曲线（不含热泵精馏）图3-2 总费用与Tmin关系曲线（不含热泵精馏）在换热网络的设计中，Tmin的取值对能量的回收和系统的投资运行费用有直接影响。Tmin取值较小，系统回收热量多，冷、热公用工程费用小，但换热面积较大，系统造价高；Tmin取值较大，系统回收热量小，冷、热公用工程的费用大，但换热面积小，系统设备投资小。根据项目总投资最小原则，由图3-2可知，最小传热温差为10-12时，总费用最小。系统选择的最小传热温差为11.5。得到复合曲线如下图所示。3.1.2过程组合曲线图图3-3 复合曲线（不含热泵精馏）图3-4 总复合曲线（不含热泵精馏）下面是完全用冷热公用工程给工艺流股换热的方案图3-5 无工艺流股匹配的换热方案（不含热泵精馏）图3-6 无工艺流股匹配的换热方案结果（不含热泵精馏）由图3-6我们可以得到我们热集成所的能量目标：需要热公用工程能量为130500kW；需要冷公用工程能量为144500kW；3.2含热泵的换热网络(未优化)由图3-3可以看出，夹点附近存在较长的倾斜平台区，经分析可知，蓝色线的冷流体平台表示T402再沸器蒸发过程的相变热，红色线的热流体表示T402冷凝器二次蒸汽冷凝过程的相变热，两者温差接近10。因此可以采用热泵精馏技术，提升蒸发所产生二次蒸汽的温位，将其用于蒸发过程的加热，从而增加系统内部的换热量。增加热泵精馏之后，在Aspen中重新模拟全流程，得到新的流股信息。将流股信息输入到Aspen Energy Analyzer V8.4，在能量分析器中，对最小传热温差进行经济评估，获得操作费用和设备费用以及总费用-最小传热温差关系曲线，如下图所示。3.2.1夹点温度与节能综合效益关系图3-7 操作费用和设备费用与Tmin关系曲线（含热泵精馏）图3-8 总费用与Tmin关系曲线（含热泵精馏）根据项目总投资最小原则，由图3-8可知，最小传热温差约为10时，总费用最小。系统选择最小传热温差为9.88。得到复合曲线如下图所示。3.2.2过程组合曲线图图3-9 复合曲线（含热泵精馏）图3-10 总复合曲线（含热泵精馏）从复合曲线上我们可以看出，添加热泵精馏后，冷热流股的复合曲线契合的比较好，平台处也可以很好的进行换热，大大减小了平台处相变潜热对冷热公用工程的需求。图3-11 仅含热泵精馏的换热网络图3-12 VAc精制工段热泵精馏图3-13 醋酸精制工段热泵精馏图3-14 仅含热泵精馏的换热网络结果由图3-14我们可以看出，添加热泵精馏后需要热公用工程能量为64770kW；需要冷公用工程能量为77160kW；采用热泵精馏技术后，可节省冷公用工程50.37%，热公用工程46.60%。3.2.3设计方案本项目中，换热网络针对VAC合成工段、VAC精制工段、醋酸精制工段进行换热匹配设计。分析公用工程及总投资费用的消耗，并对这几个工段进行了换热匹配和没有进行换热匹配的工况进行比较，选择出最优的能量优化方案及换热系统。本项目利用Aspen Energy Analyzer V8.4软件为计算机辅助工具，对夹点上方的热物流及夹点下方的冷物流进行匹配，避免夹点异侧的物流进行换热。通过Aspen Energy Analyzer的推荐设计功能，系统自动推荐的方案换热网络，如图3-15所示。 图3-15 未进行优化的推荐方案（含热泵精馏）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 V8.4给出的Design中选取其中VAC合成工段、VAC精制工段、醋酸精制工段需进行换热匹配的设计方案中分流较少且总费用最少的方案进行后续优化过程。设计方案7如图3-16所示：图3-16 优化前的设计方案（含热泵精馏）图3-17 优化前的设计方案结果（含热泵精馏）优化前的换热网络所需换热器数目为39台，包含18个流股热量回收利用的换热器。所需冷公用工程为42620KW，热公用工程为55010KW。采用热泵精馏技术，将功转化成热能，提高流股的温位，使原本不能换热的流股可以进行换热，从而减少公用工程的用量。这样，消耗少量电能（用以做功）便可以节省大量的冷量与热量，从而节能。通过对塔顶气体进行加压升温，提高蒸汽的温位，将其用于塔底再沸器蒸发过程的加热，部分蒸汽则在换热过程中放出热量凝成液体，进一步冷却分流，塔底气液两相分开，分别回流和采出，其结构如下图所示。图3-18热泵精馏流程图以T402(VAc精制塔)为例，若不使用热泵精馏，其总能耗为2711kW；使用热泵精馏时，压缩机电耗为110.33kW，机械能和电能是比热能更高价值的能量形式，电热转换系数约为3.29，故热泵精馏总能耗为362.99kW，节省2348.01kW，过程总能耗节约86.61%。3.3含热泵的换热网络(优化)Aspen Energy Analyzer生成的换热网络方案未考虑部分换热器换热面积不合理、设备之间长距离输送换热，导致设备费用巨大等实际生产问题，本团队在项目设计阶段对换热网络进行手动调整。设计过程中主要本着以下原则：（1）避免流股大量分割；（2）避免出现较大的温差。（3）与蒸发器关联的流股不分流；（4）避免长距离换热流股输送。（5）消除loop回路经过以上调节之后，获得换热网络如图3-19所示。图3-19 优化后的设计方案（含热泵精馏）图3-20 优化后的设计方案结果（含热泵精馏）优化后的换热网络所需换热器数目为31台，包含9个流股热量回收利用的换热器，数目减少且结构更为精简。本项目经过优化后与完全用冷热公用工程给工艺流股换热的方案相比可节能14820kW，能量回收率为53.91%。其中，所需热公用工程为43450kW，所需冷公用工程为83310kW。分析可知，该换热网络中，换热器数目更少，回路减少，回收热量冷量更多，更适合实际建设生产过程。第四章 总结本项目使用了热集成节能技术，运用了Aspen Energy Analyzer V8.4软件，实现了较大能量回用的换热网络设计，过程中还使用了热泵精馏、热耦合精馏等新型节能技术，节约了大量能量。我们设计的优化的换热网络图如下： 图4-1 优化的换热网络图本项目所使用的冷公用工程为：循