6-附录三 换热网络设计

合肥工业大学酯争朝烯队团队成员：侯鑫 张宇 迟璐璐 刘权锋 艾雪竹指导老师：杨则恒 姚运金 王莉 杨庆春 张卫新换热网络设计 扬子石化年产13万吨PMMA项目酯争朝烯附录三 换热网络设计一、绪论本项目是利用抽余C4年产13万吨聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），属石油化工，生产中有大量的精馏塔。原料的预热，反应器的保温或冷却，精馏过程及产品的冷却储存均消耗大量能量。经济因素是建设项目中的决定性条件之一，因此更需要考虑运行成本等问题。公用工程消耗在运行成本中占有很大部分，因此需要进行换热网络的设计与优化从而降低相应不必要的经济损失。夹点分析是本项目优化换热网络的主要手段，通过对内部流股热量的集成和最大化利用，从而减少公用工程的消耗。二、工艺流股信息提取利用Aspen Energy Analyzer 的导入功能将模拟流程导入，删去部分流量过小或能量过小的流股，提取过程中可用于能量集成的工艺流股。表1 工艺过程物流信息表（含双效精馏）过程流股状态换热器名称进口流股温度/出口流股温度/热容流率 /KJ/( h)换热量/ kW1-3 TO 1-4E010131.65084152.41430.11231-6 TO 1-8E0102557581510.498452.83611-10 TO 1-11E0102135.89318802.883-452.83611-12 TO 2-2E0201104.2190.934257.63825.03792-4 TO 2-5E020121012033001.516-825.03792-2 TO 2-3E0202190.921038529.16204.41862-22 TO 2-23E020395.12525106-488.86852-25 TO 2-26E020495.1403049.775-52.18852-12 TO 2-13E020585.453.41333374.4-1185.55033-4 TO 3-5E030176.3230109403.1454670.90653-8 TO 3-9E0301380237.7118167.7-4670.90653-5 TO 3-6E0302230380117283.894886.82883-9 TO 3-10E0303237.7130112485.861-3365.20204-15 TO 4-16E0401144.477.683898.975-1556.79214-16 TO 4-17E040277.643162320.64-1560.08174-26 TO 4-28E04035746.3790563.432-2349.73021-9 TO 5-2E050150.14053057.2-148.85945-12 TO 5-13E050280.3100312398.4791709.51395-14 TO 5-15E0502143.7118.2241343.139-1709.51395-23 TO 5-17E050399.2102.719622663.919077.595-16 TO 5-20E0503123.4123.4-19077.595-25 TO 5-26E050466.925236937.42-2757.6883表2 塔设备物流信息表（含双效精馏）塔位号换热器类型进口流股温度/ 出口流股温度 /换热量/ kWT0101再沸器135.5443135.79562852.1522T0101冷凝器56.512850.0655-2588.5572T0102再沸器127.5963141.73472131.1995T0102冷凝器104.5527104.2413-736.0129T0203再沸器90.9058114.34671147.2603T0203冷凝器46.360845.6217-1196.3837T0204再沸器41.558141.6099568.4455T0204冷凝器38.771637.7843-579.6060T0303再沸器99.622599.645518377.1271T0303冷凝器67.646825.0000-13801.5591T0401再沸器113.2318114.4078131785.0496T0401冷凝器107.0562106.9523-128790.4421T0402再沸器33.741038.629539729.9801T0402冷凝器41.001440.8897-37980.8688T0403再沸器102.0524102.18005859.1746T0403冷凝器55.407444.6570-5177.2744T0502再沸器74.847475.42222555.5449T0502冷凝器64.158262.0948-349.7098T0503再沸器138.0519143.680622689.3694T0504冷凝器66.977266.9466-20549.6749三、确定能量目标将上述工艺流股信息输入到Aspen Energy Analyzer V8.4中，对最小传热温差进行经济评估，获得总费用最小传热温差关系曲线如图1所示。图1 总费用与t min关系曲线（含双效精馏）选取最小传热温差为11，得到的组合曲线如图2所示。图2 温焓图（优化前含双效精馏）从上得出结论：夹点温度为96.1 和107.1 ，需要冷公用工程298889 kW，热公用工程294445 kW。得到总组合曲线如下所示：图3 总组合曲线图（优化前 含双效精馏）通过对总组合曲线进行判断，可以得出流程内部换热后，需要达到的最高温度在380 以下，因此需要使用导热油进行加热。同时使用蒸汽作为热公用工程，本项目中使用0.8 MPa的过热水蒸气加热，温度为175 。需要达到的最低温度为25 ，因此冷公用工程使用冷却水。四、换热网络设计换热网络设计方案众多，不同的换热方案对应的公用工程消耗量，换热器投资也不同，并且Aspen Energy Analysis 给出的换热方案中并未考虑到长距离跨工段换热的合理性，因此，在Aspen Energy Analysis 中导入流股信息后，我们按如下步骤进行换热网络设计：1、Aspen Energy Analysis在多方案中选取总费用（设备投资费+操作费）最低的方案，并在此基础上进一步优化。图4 总费用最低换热网络设计方案示意图2、查找出所有的换热回路，换热回路的存在会增加换热的设备投资，因此我们将换热回路中热负荷较小的换热器删去，并将其合并到其他的换热器中，打破回路并通过路径实现松弛，从而实现优化。图5 删去换热回路1图6 删去换热回路23、若同一流股经不同的流股/公用工程加热，虽然其操作费降低，但是设备投资增加，由此带来的换热器清洗、维修及占地面积增加带来的影响往往弊大于利，因此删去换热量少的公用工程，实现优化。4、删去换热面积过小的换热器，如下图所示。图7 面积过小的换热器5、优化前后换热网络对比：优化前换热网络如图8所示：图8 优化前换热网络优化后换热网络如图9所示：图9 优化后换热网络优化后的换热网络需换热器46台，相比于优化前的55台，换热器数目减少，更加精简，减少了设备投资。并且结合模拟数据，设计了复合式空冷器，进一步节省了能量。详见附录五创新点概述。6、优化后温焓图与总组合曲线图如下所示：图10 温焓图（优化后）图11 总组合曲线图(优化后)7、在该换热网络中，公用工程使用如下表所示：表3 公用工程使用情况表项目冷公用工程/ kW热公用工程/ kW总计/ kW公用工程294445204861499306换热网络设计171661.435120560.7292222能耗减少量/%41.741.1541.47因此经换热网络优化后，可节能207062 kW，能量可节省41.47 %，其中热公用工程消耗量为120560.7 kW，冷公用工程消耗量为171661.435 kW。8、甲醇双效精馏分析（在甲醇精制再生工段）图12 甲醇普通精馏组合曲线图由组合曲线可以看出，冷热物流均存在平台区，因此可以通过适当增加甲醇再生工段第三个塔T0503的压力，使其塔顶蒸汽的能够满足T0504再沸的热量需求。通过改变第四个塔的回流比，使得T0503冷凝器与T0504再沸器总能量为0。并在Aspen中添加设计规定。设计步骤如下截图所示：步骤1：定义T0503冷凝器与T0504再沸器热负荷；图13 定义T0503冷凝器与T0504再沸器热负荷步骤2：借助Fortran语句定义变量Q为T0503冷凝器与T0504再沸器热负荷之和；图14 定义变量Q步骤3：借定义变量Q目标值为0，容差0.01；图15 定义变量Q目标值与容差步骤4：定义T0504回流比为操纵变量；图16 定义操纵变量重新模拟，流程图如下所示。图17 甲醇三塔双效精馏流程示意图表4 普通精馏与双效精馏能耗对比项目冷公用工程/ kW热公用工程/ kW总计/ kW普通精馏4148845752.4787240.47双效精馏20900.6425230.9746131.61能耗减少量/ %49.6244.85347.12通过对比可以发现，通过双效精馏，可以实现冷公用工程用量减少49.62 %，热公用工程用量减少44.853 %，并且T0503冷凝器与T0504再沸器实际上为同一台换热器，减少了一台换热器的投资，节能效果显著，经济价值巨大。9.朗肯循环通过分析温焓图的平台区，物流5-24 To 5-25及3-9 To 3-10均有能量可以回收，因此设计朗肯循环，将中温热源能量转化为机械能加以利用。朗肯循环分为以下四步：（1）工质从高温热源处吸热汽化；（2）蒸汽推动透平机做功；（3）工质向低温冷源放热；（4）工质经泵加压循环。图18 工质R600朗肯循环图19 工质R290朗肯循环其中，透平机C0302可提供机械能495kW，C0501可提供机械能67kW。五、总结使用Aspen Energy Analysis对本项目进行热集成，实现了能量大量回收利用，并且利用双效精馏与朗肯循环技进一步节能。满足了T0504塔釜再沸器的热负荷，实现了能量的有效利用，节能效果显著。最终优化的换热网络如下：图20 最终优化的换热网络本项目通过双效精馏及热集成技术，节能207062 kW，能量回收率41.47 %，所需热公用工程为120560.7 kW，所需冷公用工程为171611.435 kW，实现了较大程度的能量回收利用。本项目所使用的冷