5-3 附录三 较大能量回用的换热网络设计

扬子石化5.5104t/a高活性聚异丁烯项目 换热网络设计目 录第一章 换热网络理论基础11.1 概述11.2夹点技术2第二章 工艺流股提取5第三章 换热网络合成73.1Aspen Energy Analyzer 介绍73.2 换热网络合成过程8第四章 换热网络优化11第五章 节能措施155.1热泵精馏节能分析效果155.2双效精馏节能分析效果165.3其他方面节能措施18第六章 总结19 中国矿业大学（北京）Alpha团队 14第一章 换热网络理论基础1.1 概述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。图1-1 热集成的来源和辅助换热网络目前，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。本项目采用MTBE裂解生成高纯异丁烯和副产甲醇、异丁烯聚合生产高活性聚异丁烯组合工艺，该工艺由MTBE裂解精制异丁烯工段、异丁烯聚合生产聚异丁烯合成工段、聚异丁烯精制工段三个工段组成。流程中冷、热物流均比较多，潜在的热量可供回收，通过对换热网络的设计和优化，可以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。1.2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合曲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1-2 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1-3 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1-4 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。第二章 工艺流股提取在Aspen energy analyzer中导入流股信息，进行验证和校核，同时添加移出反应器热量的流股。具体实现过程如下：（1）选定Aspen Plus文件，将其流股通过Aspen energy analysis V9导入（2）对工艺物流的校核：值得注意的，自动导入的流股信息不一定正确，需要对照Aspen Plus一个个进行验证与校核。获得的导入流股信息修正后如图2-1所示：图2-1 流股导入数据（3）输入正确的公用工程信息具体实现过程如下：Aspen有默认一系列公用工程的温度和价格，但这可能与实际不匹配。Aspen默认的公用工程价格是基于国外情况的设置，许多信息不符合国内实际状况，同样需要注意和校核。公用工程情况输入如图2-2所示：图2-2 实际公用工程情况（4）输入的换热器价格函数在Aspen energy analyzer中可以输入换热器的价格函数，换热器价格的合理填入可以给换热网络的选择进行初步的筛选，具体换热器价格将在之后EDR中计算，因此在本次设计中，换热器的价格函数按默认的进行使用。如图2-3所示：图2-3 换热器价格函数设定第三章 换热网络合成3.1Aspen Energy Analyzer 介绍Aspen拥有自带的能量分析模块，能够轻松帮助用户实现热集成，换热网络的优化。在较早期的版本中，称为Aspen pinch，而近两年的版本中改名为Aspen energy analyzer。Aspen energy analyzer 换热网络的合成与优化上主要是基于夹点技术。在用户指定的夹点温度下，它能够自动合成多套换热网络备选方案。由于换热网络的合成要考虑到设备费用与操作费用等各种复杂的情况，如果是基于换热网络合成的准则进行人工合成，那将会是一个浩大的工程，并且可能只会考虑到局部的优化而忽略整体优化，在这方面，Aspen软件是一门有力的工具。但是我们也应该看到，在实际使用过程当中，Aspen并不能为我们生成最佳的换热网络。计算机模拟生成最优换热网络是近几年来热门的研究课题，目前有基于Grossmann的超结构模型的改进算法，神经网络算法，模拟退火算法等等各种智能算法，但没有一个算法能够确保对于任何换热工况都能模拟出最佳的网络。在另一方面我们也应该看到，Aspen模拟出的换热网络存在不符合实际的情况，如两股相隔较远的流股进行换热。这种情况下，虽然能够实现能量的回收，但是管道铺设费用将大大增加。因此， Aspen energy analyzer主要用于初步的换热网络合成。Aspen energy analyzer在使用上主要步骤为：Step1：提取Aspen或Hysys中模拟流程中的物流数据，或者是可以人工手动输入。选取公用工程，输入流股与换热器的费用参数。Step2：进行最佳夹点温度分析。Step3：自动生成多套换热网络也可以手动合成。Step4：通过调节分流比例与换热器热负荷自动优化换热网络或认为根据换热网络的欧拉公式、拓扑结构等判断不合理的地方手动调节。3.2 换热网络合成过程我们将所提取的工艺流股输入Aspen energy analyzer中，得到初始的还热网络，如图3-1所示，并对最小传热温差进行经济评估，获得图3-2，总费用和温差的关系曲线图。图3-1 初始换热网络图图3-2 总费用-最小温差关系图从上图观察可以发现，21左右，曲线总费用降至最低，因而我们选取最小温差为21进行下一步工作。设定最小温差后，我们获得冷热物流的总组合曲线如下图图3-3 冷热物流组合曲图以下为所得的总组合曲线图3-4 总组合曲线依据上图和所要换热的流股数据，我们选取了选取了热公用工程为：中压蒸汽，低压蒸汽。冷公用工程为：冷却水，及冷冻盐水（-25）。选取合理的公用工程可以降低公用总消耗量，从而减少能量浪费。但是由软件自动生成的网络可能过于复杂，对布管等均会带来一定的困难，考虑到后期建设的合理性和便利性，我们对于一些不适当的匹配进行禁止，同时也禁止了长工段之间的换热，如下所示图3-5 禁止流股间换热其中我们选取了总费用最少的一套方案为我们的初步换热网络设计，如下所示：图3-6 软件推荐换热网络此方案所需换热器为14台。本小组做过初步核算，若换热流股均采用公用工程，则共需热公用工程523.7kW，冷公用工程585kW，换热器数目为15台。我们可以发现进行初步的换热网络合成虽然增加了换热器的数目，但由于大量能量回收，最终使总费用大大下降，提高生产过程的经济效益。但我们从软件自动生成的方案中也发现了许多不合理和待优化之处，并且存在大量跨工段的长换热现象，下一步就要进行对换热网络的进一步优化。第四章 换热网络优化换热网络优化方法是在在采用夹点设计法得到的最大能量回收换热网络的基础上，经过调优，得到换热设备个数较少的系统结构，从而得到最优或接近最优的设计方案。上述所得的较优换热网络仍有很大优化空间。减少换热器的数目主要方法为流股分割和切断热量回路（能量松弛法）。但流股分割减少了操作的灵活性使过程操作复杂化。在可能的情况下，尽可能采用能量松弛法进行优化。能量松弛法是通过合并相同物流间的两个换热器，将两个换热器的热负荷转移到一个换热器上，两物流间交换的总负荷不变，传热温差发生变化。但这样常常会导致穿过夹点的热量流动，导致公用工程相应地增加，使得换热网络的合成偏离最大能量回收的目标，因而称之为能量松弛。通过观察我们发现上述换热网络中存在一些热负荷比较少的换热器，设置明显不合理。通过能量松弛，将其与相邻换热合并，减少换热器数目。在减少换热器的同时，去除了一些不必要的分流操作，可以使总费用有所下降，也使得换热网络更加便于布置。最终优化后的换热网络如下图所示：图4-1 优化后的换热网络最终我们所需热公用工程为422.8kW，冷公用工程为484.1kW，换热器数目为14台。表4-1 优化前公用工程消耗目标值UtilityCost Index(Cost/s)Load(kW)%of TargetAir000Refrigerant 11.60210-3585405.9Cooling Water000Refrigerant 2000LP Stream000MP Stream1.15210-3523.7INF（代表冷物流，代表热物流）表4-2 优化前网络成本指数Cost Index%of TargetHeating(Cost/s)1.15210-3732.3Cooling(Cost/s)1.60210-3405.9Operating(Cost/s)2.75410-3498.9Capital(Cost)3.18610538.81Total Cost(Cost/s)6.00810-367.24表4-3 优化前网络性能HEN%of TargetHeating(kW)523.7632.5Cooling(kW)585.0405.9Number of Units15100.0Number of Shells2012.34Total Area(m2)604.247.25表4-4 优化后公用工程消耗值UtilityCost Index(Cost/s)Load(kW)%of TargetAir000Cooling Water8.36110-5393.5INFRefrigerant 12.48210-490.6362.88Refrigerant 2000LP Stream9.27610-548.8258.96MP Stream8.22610-4374.0INF（代表冷物流，代表热物流）表4-5 优化后网络成本指数Cost Index%of TargetHeating(Cost/s)9.15510-4582Cooling(Cost/s)3.31810-484.05Operating(Cost/s)1.24710-3225.9Capital(Cost)4.58910555.91Total Cost(Cost/s)5.93410-366.42表4-6 优化后网络性能HEN%of TargetHeating(kW)422.8510.6Cooling(kW)484.1335.9Number of Units1493.33Number of Shells1711.04Total Area(m2)117091.51表4-7 冷、热公用工程用量优化前后对比Heating（kW）Cooling(kW)Number of Units优化前523.7585.015优化后422.8484.114节省19.27%17.25%1从以上计算可知，年节约热公用工程量为19.27%，节约冷公用工程量为17.25%。经过优化后，节能201.8kW。共需要冷公用工程484.1KW，热公用工程422.8KW。所使用的冷公用工程为：循环冷却水、冷冻剂，热公用工程为低压蒸汽、中压蒸汽。公用工程均可由化工园区提供。扬子石化5.5104t/a高活性聚异丁烯项目 换热网络设计第五章 节能措施5.1热泵精馏节能分析效果热能消耗在全球的能源消耗中，所占比例最大。在能量的不断转化过程中，约有58.5%的能量是以排气、蒸汽、热水（低温）等热量形式损失的，其中，100以下的热损失能占很大的比重。在化学工业、石油化工生产中，精馏是一个主要的耗能领域。大工业精馏装置能源利用率虽然不到10%，但是常规精馏塔具有设备简单、初期投资低等优点，至今仍被人们广泛采用。当精馏塔的塔顶塔底温度跨越夹点的时候，如果进行热泵精馏可以有效回收，一部分能量，从而使得冷热公用工程用量均可以明显减小，从而节约能量。热泵精馏以工质的来源可分为两大类：一类是直接式热泵精馏,以塔中的物质为工质;另一类是间接式热泵精馏,以额外的循环物质（如制冷剂、水等）为工质。热泵精馏的流程选择要密切结合具体条件(如当地的燃料价格,所利用余热的品位及数量,高品位能的用途等),以便充分发挥各热泵精馏流程的优势,取得最大的节能效果和经济效益。热泵是一种将能量由低温处(低温热库)传送到高温处(高温热库)的装置。且它提供给温度高的地方的能量要大于它运行所需要的能量。对于精馏生产而言，如果能把塔顶气相的热量充分用于加热塔底物料，就能节省大量的外供热和供冷。节能原理如图所示：1-解吸塔 2-热泵换热器 3-辅助加热器 4-MDEA贫液分离罐 5-压缩机 6-节流阀 7-冷却器 8-深度冷却器 9-回流气液分离罐 10-回流泵图5-1 塔顶气相压缩式热泵流程 异丁烯精制热泵精馏塔Aspen模拟流程如图5-2所示：图5-2 异丁烯精制热泵精馏Aspen Plus模拟经过对热泵精馏和常规精馏的模拟，我们将热泵精馏流程与常规精馏能耗的对比如下：表5-1 热泵精馏与普通精馏能耗对比能耗/kW热泵精馏659.53常规精馏1159.504节能效果43.12%热泵精馏流程与常规精馏流程的能耗对比如表5-1所示，热泵精馏节约能耗为43.12%。从表中可以看出，使用热泵精馏虽然将增加部分设备投资费用，但是同时也将大大节约能耗，费用大大降低，综合考虑，使用热泵精馏技术可以使本流程更为经济节能。5.2双效精馏节能分析效果双效精馏的原理是重复利用给定数量的能量来提高精馏设备的热力效率。精馏系统由不同操作压强的塔组成。利用较高压力的塔顶蒸汽作为相邻压力较低的精馏塔再沸器的热源。此较低压力精馏塔的再沸器即为较高压力精馏塔的冷凝器。塔顶蒸汽的汽化潜热被系统本身回收利用。因此在较大程度节约了精馏装置的能耗。双效精馏按照加热蒸汽与物流的流向,分为顺流法、平流法和逆流法等工艺流程。流程如图5-3、5-4、5-5所示。 图5-3 双级顺流精馏操作流程 图5-4 双级平流精馏操作流程图5-5 双效逆流精馏操作流程甲醇回收双效精馏塔Aspen模拟流程如图5-6所示：图5-6甲醇回收双效精馏Aspen Plus流程经过对双效精馏和常规精馏的模拟，我们将双效精馏流程与常规精馏能耗的对比如下：表5-2 双效精馏与普通精馏能耗对比能耗/kW双效精馏5708常规精馏8183.16节能效果30.23%双效精馏流程与常规精馏流程的能耗对比如表5-2所示，双效精馏节约能耗为30.23%。5.3其他方面节能措施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。（4）大型转动设备采用蒸