低温甲醇洗装置低温段系统能效优化

第40卷第10期2012年10月化学工程CHEMICAL ENGINEERING （CHINA ）Vol40No10Oct2012低温甲醇洗装置低温段系统能效优化郭1，22，31，2欣，李士雨，李金来（1河北工业大学化工学院，天津；2廊坊新奥科技发展有限公司，河北廊坊；3天津大学化工学院，天津）摘要：采用夹点技术对某60万t /a煤气制甲醇项目低温甲醇洗装置低温段换热网络进行节能潜力分析，明确了该单元公用工程消耗的目标值和设计值，找出了用能不合理的环节和原因，揭示了工艺优化方向和节能潜力。基于提出了几种换热网络改造方案，并确定了最终方案，优化结果可节在较小的经济投入下获得更大的改造经济效益，为需要制冷剂作为冷公用工程的低温系统换热网络优化提供参考依据。约冷公用工程液氨制冷剂73538kW ，关键词：低温甲醇洗；热集成；夹点中图分类号：TQ 0218文献标识码：A9954（2012）10-0010-03文章编号：1005-DOI ：103969/jissn1005-9954201210003Optimization of system energy efficiency for lowtemperature section in Rectisol process232GUO Xin 1，LI Shi-yu 2，LI Jin-lai 1，（1School of Chemical Engineering ，Hebei University of Technology ，Tianjin ，China ；2ENN Research and Development Co，Ltd，Langfang ，Hebei Province ，China ；3School of Chemical Engineering ，Tianjin University ，Tianjin ，China ）Abstract ：The potential of energy saving was analyzed by pinch technology for the heat exchanger network （HEN ）of the low temperature section in the Rectisol plant of a t /acoal-to-methanol installationOn that basis ，the target value and design value of utilities consumption in that unit were determined ，and the segment and causes for unreasonable utilization of energy were discussedThe direction of process optimization and the potential of energy saving were revealedBased on the profit maximization of investment on retrofit ，several schemes were presentedThe optimized result of the obtained final scheme is that 73538kW liquid ammonia refrigerant of cold utility is saved ，thus providing a reference for the optimization of the HEN in low temperature system with refrigerant as cold utilityKey words ：Rectisol ；heat integration ；pinch低温甲醇洗是一种典型的酸性气体净化工艺，COS ，RSH ，CO 2，可以同时脱除原料气中的H 2S ，HCN ，NH 3，NO 以及石蜡烃、芳香烃、粗汽油等组分，并且可以脱水使气体彻底干燥，目前已经应用在国内百余套合成氨和甲醇合成工艺中。由于低温甲醇洗的操作温度低，需要使用低温制冷剂，操作费用昂贵，所以对该单元进行能量优化，有着重要的意义。换热网络是能量回收利用的一个重要组成部分，在众多换热网络优化技术中，夹点技术以其物理意义直观、简便易行在工程上得到了广泛的应用。夹点技术自1978年发明以来，经过三十多年的不断发展和深化，已发展成为系统、科学、成熟的技术。夹点概念的提出，基于严格的热力学目标，使工程技术人员可以清楚地看到过程哪些地方浪费了能量、1浪费的原因以及如何改善来实现目标。使用夹点技术分析网络能够较好地确定系统的用能“瓶，颈”从而有效地指导优化换热网络配置。本文以低温甲醇洗单元工艺包数据为基础，使06-28收稿日期：2012-E-mail ：作者简介：郭欣（1987），女，硕士研究生，研究方向为化工过程模拟优化和化工能量系统分析与集成，电话：，guoxinaibeijing126com ；李士雨，E-mail ：shyli126126com 。通信联系人，电话：，郭欣等低温甲醇洗装置低温段系统能效优化表1低温甲醇洗装置低温段物流数据Table 1编号H1H2H3H4H5H6H7C1C2C3C4C5物流变换气富甲醇贫甲醇富甲醇富甲醇富甲醇酸气体CO 2尾气净化气富甲醇富甲醇Stream data in Rectisol 进口温度/3792167540951964205414004611480562344524630043492875C6C7富甲醇酸性气28923305出口温度/20153165549332053377316533052651285330532892287540002509428011用夹点技术对该单元低温部分进行换热网络分析，得到了一套适用于低温甲醇洗换热网络的优化方案。1装置简介热负荷/kW7896886190本文以某厂60万t /a煤制甲醇工艺中的低温甲醇洗装置为背景展开研究。该低温甲醇洗装置属于六塔流程，依次是甲醇洗涤塔（T3001）、二氧化碳解析塔（T3002）、硫化氢浓缩塔（T3003）、甲醇再生甲醇与水分离塔（T3005）、尾气洗涤塔塔（T3004）、（T3006）。来自前工序变换工段的原料气经水分离器（V3001）干燥后，通入甲醇洗涤塔，经过低温甲醇的洗涤，出口净化气中二氧化碳的体积分数小于3%，总硫量小于01mg /L。吸收了二氧化碳和硫化氢的甲醇富液经过二氧化碳解析塔、硫化氢浓缩塔、甲醇再生塔解析出二氧化碳、硫化氢和甲醇。硫二氧化碳解析塔与硫化氢浓化氢去往硫回收工段，缩塔出口气去往尾气洗涤塔经洗涤后排放。甲醇液经过甲醇与水分离塔分离出甲醇循环使用。该装置包含一个复杂的换热网络体系，有19台换热器，其3台为水冷器，2台为再沸器，2中有4台为氨冷器，台为多流股换热器。图1为低温甲醇洗的流程简图 。3组合曲线考虑到热回收能量、换热面积、换热网络改造费用和工况稳定操作等因素，在分析现行换热网络时取最小换热温差为5 。根据计算得热组合曲线夹点位置在3375 ，冷组合曲线夹点位置在2875 。所需最小冷公用工程用量为544542kW ，设计值中冷公用工程用量为793435kW ，节能潜力为248865kW 。图2为低温甲醇洗单元冷热组合曲线。图中夹点之下冷热流股的焓差代表制冷剂的用图1Fig1低温甲醇洗流程图Flowsheet of Rectisol量，夹点之上冷热流股焓差代表热公用工程的需要量。与以往分析不同的是这里所说的热公用工程实际上是该装置中的其他热流股 。2物流数据经过对该装置换热网络温位的分析，以低于47 为基准，提取低温甲醇洗装置低温段流股数列于表1，共有7股热物流数据和7股冷物流据，数据。该单元冷公用工程采用冷却水与40 液氨制冷剂。由于在甲醇厂，冷却水的操作费用远不及液氨制冷剂，所以以下换热网络主要针对液氨的用量来进行优化。图2Fig2低温甲醇洗单元低温段的组合曲线Low temperature section composite curve of Rectisol4多流股换热器的处理在乙烯装置、空分、低温甲醇洗等低温过程工业中广泛应用的多流股换热器具有效率高、结果紧凑及投资低等优势。多流股换热器的使用可以减少换热设备的台数，从而降低总投资费用、简化设备操作、减少占地面积，但同时多流股换热器通常结构复杂，维修清洗难度大，因此适用于清洁的介质。为了减少设备投资，该流程用了2台多流股换热器（E3001，E3006）。然而，目前为止夹点技术只能处理双流股的换热，因此需要将其简化处理成一股热流股与多条冷流股换热（几台换热器并联操作）。换热器E3001处理方式是将原料气分流成3股流股，即分别与净化气、二氧化碳解析气、硫化氢浓缩塔出口气换热，3台换热器并联操作（如图3中换热器1113所示）。换热器E3006处理方式是将34流股分流成2条流股，即分别与30，31流股换热，2台换热器并联操作（如图3中换热器14，15所示） 。图3现行换热网络Fig3Heat-exchanger network before retrofit5现行换热网络夹点技术的3条基本原则：夹点之上不应设置任何公用工程冷却器；夹点之下不应设置任何公用工程加热器；不应跨越夹点传热。如果违背其中的任意一条原则都会导致能量惩罚。该体系主要是由于违背了第3条原则导致了能量惩罚即发生跨越夹点的热量传递，夹点之上得热物流与夹点之下的冷物流进行了换热匹配，根据能量守恒可知，夹点之上的加热公用工程与夹点之下的冷却公用工程都会增加。如图3所示，换热器2，6，9，11，12，13穿越了33752875 这个系统夹点。其中换热器1113实际是一台多流股换热器（E3001）。各个换热器穿越夹点的换热量如表2所示。其中换热量最大的是换热器9。换热器9是T3003浓缩塔塔底富甲醇与去往T3001吸收塔塔顶的贫甲醇2条工艺流股之间的换热。换热器2，6分别是热再生塔塔顶气与冷公用工程和去往硫回收的酸性气体之间的换热。表2穿越夹点热量Table 2Heat cross pinch 换热器269111213换热量/kW35261513892511682518094对于现行换热网络改造方案有很多，主要差别在于可行性与改造投资。由于改造方案并不像设计方案那样具有灵活性，所以由现有方案中得到的最大热量回收的换热网络（MER ），往往具有很高的改造费用，在实际改造中一般不予采纳。对于换热器6穿越夹点的换热量较小，并且由于现场装置距离等因素在改造中也不是考察的重点。E3001（11，12，13）是一台多流股换热器，涉及到3条流股的换热问题，如果改动，设计比较复杂。权衡改造方案的可实施性与改造投资，现仅将换热器9作为改造优化的研究对象，改造方案较为简单，节能效果较为显著。6最终方案确定图4只显示了主要改造的部分。改造之前换热器35与冷公用工程换热量分别是9195，21789，236499kW ，即冷公用工程总的需要量为546351kW 。改造之后换热器35由工艺流股与公用工程换热改为工艺流股之间的换热，其中换热器3，5换热量不变，换热器4换热量变为133557kW 。换热器9，10换热量分别变为1382119，391622kW 。增加了16，172台工艺流股与公用工程之间换热的换热器，换热量分别为388472，84341kW ，即需要制冷剂总量为472813kW 。改造后的换热网络比现有换热网络节约液氨为73538kW 。体系中最小换热温差为5 ，发生在换热器9，流股H3与C5换热。【下转第24页】米氧化铝时赤藻糖醇的相变材料则仅有290kJ /kg的潜热。DSC 测试的结果表明，纳米氧化铝的添加导致赤藻糖醇的相变潜热变小；相比较而言添加质量分数为025%纳米氧化铝后对纯赤藻糖醇相变潜热值的影响较小。32导热系数测试2500S 热物性行业领瑞典Hot Disk 生产的TPS-先仪器，测得添加025%纳米氧化铝时赤藻糖醇的导2热系数为：07648W /（m ）。与文献中提供的赤2有了显著藻糖醇导热系数0326W /（m ）相比，降低了赤藻糖醇的过冷度，材料的导热系数也由原22来的0326W/（m ）提高到07648W/（m ），极大地提高了材料的传热性能。参考文献：1KAKUICHI H ，YAMAZAKI M ，YABE M ，et alA studyof erythriol as phase change material C /Proceedings of the 2nd workshop IEA annex 10，phase change materi-als and chemical reactions for thermal energy storageSo-fia ：International Energy Agency ，1998：11-132AGYENIM F ，EAMES P ，SMYTH MA comparison ofheat transfer enhancement in a medium temperature ther-mal energy storage heat exchanger using fins J Solar Energy ，2009，83（9）：1509-15203CHEN C R ，ATUL S ，TYAGI S K ，et alNumerical heattransfer studies of PCMs used in a box-type solar cooker J Renewable Energy ，2008（33）：1121-11294TAKAHIRO N ，NORIYUKI O ，TOMOHIRO AImpreg-nation of porous material with phase change material for thermal energy storage J Materials Chemistry and Physics ，2009，115（2/3）：846-8505唐刚志整体针翅管式相变蓄热换热器性能实验D 2009重庆：重庆大学，6张雪梅，钟英杰，黄立维超声波缓和赤藻糖醇（PCM120）过冷的实验研究J 浙江工业大学学报，2005，33（2）：144-147的提高，弥补了赤藻糖醇热导率太小的缺陷。4结论添加纳米材料可明显减小赤藻糖醇的过冷度，当添加质量分数为03%的纳米氧化铝时，过冷度由13 降低至4 。在添加的材料中，纳米氧化铝能均匀分散于赤藻糖醇体系中，形成较为稳定的二元混合体系。通过DSC 测试显示纳米氧化铝的添加使材料的相变潜热发生变化；且随着纳米氧化铝的质量分数的增加材料的相变潜热相应地减少；当添加质量分数为025%纳米氧化铝时复合材料的相变潜热为325kJ /kg ，此时复合材料仍具有较高的相变潜热值。导热系数测定结果表明纳米氧化铝的添加不仅櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆