3 换热网络设计

庆阳永欣石化年处理十万吨碳四综合利用分厂项目 换热网络设计庆阳永欣石化年处理十万吨碳四综合利用分厂项目能量集成和换热网络设计沈阳化工大学CE-FLAME团队参赛队员：韩英男 周柏康 李正宇 侯福鑫 江寒锋 指导老师：刘东斌 孙怀宇 樊丽辉 张 丽 申延明 目录第一章 概述1第二章 换热网络理论基础22.1 夹点技术3第三章 换热网络的合成6第四章 换热网的络优化74.1 最小传热温差的确定74.2优化后的换热网络94.3热泵精馏技术11第五章 其他节能措施13第六章 总结14CE-FLAME第一章 概述本项目是为总厂处理碳四的分厂，本厂的运行成本是一个极为重要的评价指标。在化工流程中，从原料到产品的整个生产过程，始终伴随着能量的供应、转换、利用、回收、生产、排弃等环节。例如，进料需要加热，产品需要冷却，冷、热流体之间换热构成了热回收换热系统。加热不足的部分就必须消耗热公用工程提供的燃料或蒸汽，冷却不足的部分就必须消耗冷公用工程提供的冷却水、冷却空气或冷量；泵和压缩机的运行需要消耗电力或由蒸汽透平直接驱动等。若能巧妙地安排流程中的冷热流体相互换热，则可减少外部公用工程的消耗，以降低操作成本。本项目所包含的原料净化、醚化反应制MTBE、高精密分离制丁烯-1、气相裂解、以及后续工段生产对叔丁基苯甲酸、对叔丁基苯甲酸甲酯等流程。冷热流股多，潜在的热量可供回收，通过对换热网络的设计和优化，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 V8.8能量分析软件进行换热网络设计和优化，寻找可能的节能措施，以最大限度降低成本。项目所需的冷公用工程为26度冷却水，热公用工程为170度，0.8Mpa低压蒸汽，310度8.0Mpa高压蒸汽。可由厂区的公用工程站提供。通过添加以及优化热集成技术，并且在不影响工艺需求的情况下优化操作参数，例如回流比、原料预热温度等，本项目节能热公用工程4667Kw，能量回收率为19.1%，冷公用工程4750Kw，能量回收率为20.0%，实现了能量的回收利用第二章 换热网络理论基础从系统工程的角度可把过程工业的生产系统分为三个子系统，即化学装置子系统、换热网络子系统和公用工程子系统。其中化学装置由反应、精馏、吸收、萃取等化工基本设备单元组成，物料在这些设备中发生特定的物理、化学变化。在这些化学装置的结构和操作条件确定后，进出各个设备的流股根据操作条件要求需要冷却和加热，这些流股构成了热回收系统，即换热网络。在工艺过程设计中节能是非常重要的，因此换热的目的不仅仅是为了使物流温度满足要求，而且也是为了回收过程余热，减少公用工程消耗，机遇这种思想进行的换热网络设计称为换热网络合成。换热网络合成的任图2.1 热集成的来源和辅助换热网络务，是确定换热物流的合理匹配方式，从而以最小的消耗代价，获得最大的能量利用效益。目前，换热网络集成主要有三种方法：试探法，夹点技术，数学规划法。其中，夹点技术以其使用简单，直观和灵活的优点被广泛的使用。但夹点技术也有其缺点，夹点在应用中的主要缺陷有两点：过于注重能量的节省，而在设备和经济上的考虑略显不足；有些夹点匹配技术（如利用分流技术来匹配物流）在工艺的难以实现。采用夹点技术进行换热网络的设计时，除了通过物流的信息计算相关的物理参数从而满足换热匹配要求外，还要求得最小公用工程，最小换热单元数和最小换热面积。事实上，对于实际生产装置，很难达到这一目标。通常，最小公用工程消耗意味着较多的换热单元数，而较少的换热单元数又需要较大的换热面积。同时换热网络的设计还需要考虑到设备布置，物流是否具有腐蚀性及对换热材料的要求，更要结合实际来确定合理的节能方案。因此，实际进行换热网络设计时，需要在某方面做出牺牲，以获得一个折中的方案。2.1 夹点技术夹点技术（Pinch technology）是以热力学为基础，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” （Bottleneck）所在，并给以“解瓶颈” （Debottleneck）的一种方法。主要通过构造冷、热物流组合曲线，总组合曲线和平衡组线来对工艺过程进行能量分析，制定节能设计和改造方案。要形象的判断工艺流股的夹点位置，首先就要做出 T -H 复合图。 T -H 图是用来表示工艺流股的热特性，即流股的温度焓的关系图，流股在换热过程中的焓变为：其中M为质量流率，Cp为热容。以焓变为横坐标，温度为纵坐标作出的T-H图如下：图2.2 不同类型的T-H图T -H 图上，焓在热力学意义上并不严格，其中线段可以水平的随意移动，并不影响焓变的绝对值，其斜率为 1/Cp。对于多股流股，我们在 T -H 图上可以实现合并，热、冷流股经过简单的平移和重叠可以分别统一合并为一条。在对冷热流股都进行了合并后我们可以得到如下图：图2.3 冷热流体的组合曲线图在夹点位置：冷热物流间的传热温差最小，刚好等于Tmin且该处过程系统的热流量为零。通过图我们可以很容易的发现夹点位置，并且直观的看出内部换热量与冷公用工程及热公用工程的大小比例关系。对于夹点的设计与优化存在三条准则：一、无跨越夹点的传热二、夹点之上无公用工程冷却器三、夹点之下无公用工程加热器夹点的选取对于整个工程的费用有着决定性的作用。从图中我们可以发现，当夹点选取越小时，内部换热量增加，公用工程费用减少，但是随着夹点温度的减小，换热器的面积增加，当夹点温度设置为零时，换热器面积达到无限大。因此，夹点温差与公用工程、设备投资、总费用的关系存在下图关系：图2.4 最小温差和费用关系图可见，存在一个最优值，使总费用最小。第三章 换热网络的合成我们利用Aspen Energy Analyzer V8.8对全流程的换热网络进行了分析优化，成功提取工艺物流导入能量分析软件中对换热网络拟合。得到优化前的换热网络如图 图3.1 优化前的换热网络在优化前的换热网络中，所有工艺物流的换热均由公用工程提供，不包含工艺物流间的换热，能量利用率低，可回收的能量潜力大。第四章 换热网的络优化4.1 最小传热温差的确定在理解了夹点理论的基础上我们可以很容易知道传热温差越小，回收的热量越多，所需的冷热公用工程量越少，也即操作成本越低，随之带来的问题是换热器的换热面积越大，也即设备成本约高，而年度总成本由二者共同决定，也就是说传热温差小，年度总成本并不一定小。但是我们可以猜测，一定存在某一个温差，使年度总成本最小。在Aspen Energy Analyzer软件中可以大致确定这一数值。因此我们采用Aspen Energy Analyzer以最小传热温差Tmin为横坐标，年度操作费用为纵坐标，利用Aspen Energy Analyzer自带的经济衡算数据库对得最小传热温差进行经济评估。图4.1 传热温差和操作费用关系在考虑最小传热温差以及年操作费用，综合考虑换热面积，确定了最小传热温差为7。在确定最小传热温差之后，得到优化前的温焓图如下：图4.2 T-H图（优化前）换热网络优化前的冷、热公用工程消耗量如下表：热公用工程冷公用工程换热器台数7.733e+07KJ/H8.518e+07KJ/H64表4.1公用工程用量（优化前）以上的工艺物流中无冷热流股之间换热，所有的能量交换均为冷公用工程和热公用工程提供，利用Aspen Energy Analyzer V8.8软件查找可能存在的换热方案，实现能量的回收最大化，并且资金消耗最少。图4.3推荐的优化方案系统推荐的换热网络如图：图4.4 系统推荐的换热网络Aspen方案提供如图所示，通过增加工艺流股间换热和增加换热器，实现能量回收利用，节省公用工程用量。因换热网络复杂，自动设计出的换热网络仅在一定程度上具有参考价值，因此我们对换热网络手动改造。改造方案为：脱轻塔（T-0101）塔底物流（0125）和进料物（0113）流换热；醚化反应器出口物流分别和脱碳五塔（T-0105）塔底物流(0166)和催化精馏下塔（T-0102B）塔底物流（0138）换热，萃取塔(T-0103)塔底物流(0142)和甲醇回收塔(T-0104)塔底循环水(0161)互相换热。图4.5 换热方案的应用4.2优化后的换热网络根据夹点技术设计原则，我们设计出最大能量利用率的换热网络如下图图4.6 优化方案（优化后）添加工艺物流换热的总组合曲线，可以明显看出在夹点附近存在热平台，该部分能量有待回收利用。优化后的温焓图如下：图4.7 T-H图（优化后）对部分热量进行了回收，由温焓图可见，在夹点附近，冷、仍公用工程存在因物质的潜热所造成的热平台，部分热平台是由于塔顶冷凝器、塔釜再沸器所造成的，该部分能量可通过热泵精馏技术回收利用。优化后的总组和曲线如图：图4.8 总组和曲线图通过添加以及优化热集成技术，并且在不影响工艺需求的情况下优化操作参数，例如回流比、原料预热温度等，本项目节能热公用工程4667Kw，能量回收率为19.1%，冷公用工程4750Kw，能量回收率为20.0%，实现了能量的回收利用。起始工艺流程优化后工艺流程回收效率热公用工程kW21480KW17369.4KW19.1%冷公用工程kW23661KW18911.1KW20.0%换热器个数6468换热面积m 2 780788.6表4.2数据汇总4.3热泵精馏技术从组合曲线上我们可以看到，夹点的两侧有因为物质汽化潜热所造成的“热平台”，使得过程可以回收的热量很小。如果通过改变物质的汽化温位，使得热平台的温位发生变化，就可以使两平台错开，从而回收更大部分的热量。利用热泵精馏技术可以通过改变组合曲线热平台的方式实现有效的能量回收，实现节能。通过分析可知，部分热平台是由1-丁烯精馏塔（T-0202）塔顶冷凝器和塔底再沸器造成的，并且该塔耗能较大。1-丁烯常规精馏塔（T-0202）塔顶温度43.1C，塔底温度54.7C，塔顶塔底温差较小，符合热泵精馏使用要求，故建议安装热泵精馏技术回收能量，以解决该塔能耗较大问题。图4.9 常规精馏设计结果利用压缩机使塔顶气体的温度提高一个能级，从而能够给塔底物料的气化提供能量，Aspen全流程模拟如图（4-8）所示图4.10 热泵精馏模拟对比节能效果，在常规精馏塔（T-0202）中，塔顶冷凝器热负荷-6700.65KW，塔底再沸器热负荷6666.46KW；热泵精馏塔顶压缩机电耗为486.2KW，辅助再沸器热负荷336.85KW，冷凝器热负荷-887.941KW。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3.2，因此热泵精馏热耗为888.01KW，冷耗-335.389KW。节约热工用工程86.7%，节约冷公用工程95.1%。常规精馏热泵精馏节能效率%热公用工程（KW）6666.46888.0186.7冷公用工程（KW）6786.5335.38995.1表4.3热泵精馏节能一览表第五章 其他节能措施本项目属于高耗能产业，在项目的建设和管理方面都要注意采取高效节能措施，措施主要包括：（1）优化全厂总工艺流程，设计好需用公用工程最少的热交换网络，节省蒸汽量与冷却水量。并且尽量使其他技术的选择在总体上满足全厂流程最优化的要求。（2）装置采用联合布置和装置间热进料，减少中间罐的数量及热量损失。（3）合理安排全厂蒸汽平衡和热交换网络，利用装置剩余热量对需热物流加热。同时对全厂各系统用汽加以优化，使全厂用汽与产汽之间基本达到平衡。同时，对蒸汽进行梯级利用，以减少较低品味蒸汽的用量。（4）动力供应和工艺过程相结合，高中压蒸汽尽量先用作动力，驱动工艺透平设备，产生的蒸汽用于工艺过程，以提高能量利用效率。（5）对装置及系统产生的凝结水、锅炉排污和生产污水进行深度利用，处理后的回收水用作循环水补水；对于能够进行一水多用的设备及工艺尽量做到一水多用，从而节省水耗量，降低能耗。（6）减少新鲜水用量，减少排污，清污分流。污水处理场进水分为高浓度污水和低浓度污水，高浓度污水处理后排放，低浓度污水处理后回用。（7）换热器采用高效、低压降换热器提高效率，减少能耗；在机泵的选用上选用高效机泵和高效节能电机，提高设备效率；并根据情况选用液力透平回收高压液体的能量。（8）选用高效变压器和电器设备，合理选则机泵和驱动电机的容量。（9）采用先进的自动控制系统，使得各系统在优化条件下操作，提高全厂的用能水平。（10）加强设备及管道的隔热和保温等措施，对所有高温设备及管线均选用优质保温材料，减少散热，提高装置及系统的热回收率。第六章 总结本项目使用了热集成节能技术，运用了 Aspen Energy Analyzer V8.8软件，实现了较大能量回用的换热网络设计。我们设计的优化的换热网络图如下： 图6.1最终换热方案（无热泵精馏）我们通过设计裂解后的流程换热网络，结合前面的换