10 5-附录5-过程节能及降耗

中石化四川维尼纶厂年产33万吨醋酸乙烯工艺项目广东石油化工学院 酯为烯炔团队队员：陈洪派、刘培锋、柯焘友、庄卓铭、庄佳璇指导教师：陈辉、黄燕青过程节能及降耗2019“东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛中石化四川维尼纶厂年产33万吨醋酸乙烯工艺项目过程节能及降耗参赛学校： 广东石油化工学院 参赛团队： 酯为烯炔团队 参赛队员： 陈洪派、刘培锋、柯焘友 庄卓铭、庄佳璇 指导老师： 陈辉、黄燕青 完成时间： 2019.3-2019.7 中石化四川维尼纶厂33万吨/年醋酸乙烯工艺项目过程节能及降耗目录第1章过程节能及降耗11.1.概述11.1.1.项目综合能耗计算表11.1.2.每吨产品能耗计算表21.1.3.每吨产品能耗比较表31.1.4.万元产值综合能耗31.1.5.能源选择合理性分析41.1.6.绿色发展2025指标51.2.能源选择合理性分析过程61.2.1.换热网络61.2.2.换热网络的集成71.2.3.构建优化换热网络101.2.4.热泵精馏121.2.5.相变潜热利用分析141.2.6.节能措施16广东石油化工学院18酯为烯炔团队第1章 过程节能及降耗1.1. 概述1.1.1. 项目综合能耗计算表由换热网络全流程模拟计算公用工程用量可以得到项目综合能耗计算表，其中耗电量由所选设备的功率得到，仪表空气和吹扫氮气的用量由设备规格及查阅文献得到；根据 GB/T 50441-2016石油化工设计能耗计算标准，装置能耗计算采用统一能源折算值。燃料、电及耗能工质的统一能源的折算值如表 11所示。表 11 燃料、电及耗能工质的统一能源折算值序号名 称单位能耗指标（MJ）1标准油t41868.002新鲜水t6.283循环水t2.514工艺软水t8.375仪表空气Nm31.596工厂空气Nm31.177氮气Nm36.288低压蒸汽 0.35MPat2763.299低压蒸汽 0.8MPat3181.9711中压蒸汽4MPat3684.3812循环冷冻剂t151.3113导热油t389714电Kwh9.2115氧气Nm36.28耗能体系的能耗按下式计算：EP=(GiCi)+Qi式中，EP系的能耗（kg/h）；Gi 燃料、电及耗能工质 i 消耗量（t/h，kW，m3/h）；Ci 燃料、电及耗能工质、电及耗能工质 i 的能源折算值（kg/t，kg/kW*h，kg/m3）； Qi 耗能体系与外界交换热量所折成的一次能源量（hg/h），输入时计为正值，出时计为负值。 表 12项目综合能耗计算表序号名称及规格单位总产品消耗折算后的标准油量/t1低压蒸汽万吨93.2770885.242中压蒸汽万吨15.7213833.583循环冷却水万吨4175.82503.414循环冷冻剂万吨234.78482.005导热油吨132.6712.256工艺软水吨29703.685.947电kwh1.0910823977.508氮气万Nm36597.509仪表空气万Nm30.6360.00合计119857.42由上表可知该项目综合能耗：11.99万吨标准油/年。 项目年总能耗=项目年消耗标准油量单位质量标准油热值 由于标准油的热值为 41.868MJ/kg,，因此可得： 项目年总能耗能量为： 18.9141.86810000=5019973.2（GJ）1.1.2. 每吨产品能耗计算表本项目主要产品为醋酸乙烯酯，产品生产量为33.25万吨，把项目各项能源总能耗分担在每吨醋酸乙烯酯和乙醛上，可得出生产每吨产品各项能耗的消耗表，如表 13所示。表 13 每吨能耗计算表序号名称及规格单位总产品消耗吨醋酸乙烯酯产品消耗1低压蒸汽吨93.271042.812中压蒸汽吨15.721040.473导热油吨132.673.9910-44工艺软水吨2.97104893.3410-45循环冷却水吨4.2107125.596循环冷冻剂吨2.34.71067.067电kwh1.09108327.828氮气Nm36.51051.969仪表空气Nm363004.75折算为标准油吨119857.420.3605耗能GJ5018190.4615.21由项目每吨产品消耗能耗= 该产品年总能耗量该产品年产量可得：每吨醋酸乙烯消耗能耗：5018190.46330000=15.21(GJ/t)即每生产每吨醋酸乙烯酯消耗能耗 15.21(GJ/t)1.1.3. 每吨产品能耗比较表表 14 每吨产品能耗比较表项目单位优化前优化后节能标准油吨/年0.530.3632.1%1.1.4. 万元产值综合能耗根据 GB/T 50441-2016石油化工设计能耗计算标准，装置能耗计算采用统一能源折算值。燃料、电及耗能工质的统一能源的折算值如表 15所示。表 15 燃料、电及耗能工质的统一能源折算值序号名 称单位能耗指标（MJ）1标准油t41868.002新鲜水t6.283循环水t2.514工艺软水t8.375仪表空气Nm31.596工厂空气Nm31.177氮气Nm36.288低压蒸汽 0.35MPat2763.299低压蒸汽 0.8MPat3181.9711中压蒸汽4MPat3684.3812循环冷冻剂t151.3113导热油t389714电Kwh9.2115氧气Nm36.28万元产值综合能耗是指企业每万元工业产值所消耗的能源量（吨标准油），计算公式如下： 万元产值综合能耗 = 年能源消费总量年生产总值本项目醋酸乙烯酯年生产总值为239325万元，故： 万元产值综合能耗=119857.42239325=0.5 吨标油/万元1.1.5. 能源选择合理性分析根据我国节能减排的政策要求，本项目所使用的能源（蒸汽、冷却水、电、燃料气等）均符合低能耗的标准。 重庆长寿化工园区，现有完善的基础设施和公用工程。目前厂内园区配套设施齐全主要包括供水（工业水、生活水）、供电、供汽（高、中、低压蒸汽）、供气（天然气、各种工业气体）、排水（雨水、污水）、道路、铁路、水运（固体、液体和大件运输）、区内公共交通、邮政通信。本项目公用工程和配套设施中，供电配电系统、蒸汽供应系统等，均由园区内或相应外部配套设施提供，供应方便，来源合理。 1.1.6. 绿色发展2025指标绿色发展指标要求如表 16所示；表 16 绿色发展指标要求一览表绿色发展指标2020年指标规模以上单位工业增加能耗下降幅度（比2015年）下降18%单位工业增加值二氧化碳下降幅度（比2015年）下降22%单位工业增加值用水量下降幅度（比2015年）下降23%工业固体废物综合利利用率73%以上本项目优化前后绿色发展指标如表 17所示；表 17 优化前后绿色发展指标一览表项目优化前优化后效果对比热公用工程（kJ/hr）3.1321083.132108-31.09%冷公用工程（kJ/hr）5.7641084.372108-24.27%总能耗（kJ/hr）1.02951097.494108-27.21%标油用量（kg/hr）245.89178.23-27.54%每吨产品碳排放减少量（kg/hr）0.1250.089-28.83%碳排放量（kg/hr）4124029470-28.54%用水量（kg/hr）51676840-24.46%工业废固综合利用（kg/hr）0催化剂等基本得到全部回收+100%1.2. 能源选择合理性分析过程1.2.1. 换热网络在大型过程系统中，存在大量需要换热的流股，一些物流需要被加热，一些物流需要被被冷却。大型过程系统可以提供的外部公用工程种类繁多，如不同压力等级的蒸汽，不同温度的冷冻剂、冷却水等。为提高能量利用率，节约资源与能源，就要优先考虑系统中各流股之间的换热、各流股与不同公用工程种类的搭配，以实现最大限度的热量回收，尽可能提高工艺过程的热力学效率。热集成网络的分析与合成，本质上是设计一个由热交换器组成的换热网络，使系统中所有需要加热和冷却的物流都达到工艺流程所规定的出口温度，使得基于热集成网络运行费用与换热设备投资费用的系统总费用最小。Aspen 能量分析器软件采用过程系统最优化的方法进行过程热集成的设计，其核心是夹点技术。它主要是对过程系统的整体进行优化设计，包括冷热物流之间的恰当匹配、冷热公用工程的类型和能级选择；加热器、冷却器及系统中的一些设备如分离器、蒸发器等设备在网络中的合适放置位置；节能、投资和可操作性的三维权衡；最终的优化目标是总年度运行费用与设备投资费用之和（总年度费用目标）最小，同时兼顾过程系统的安全性、可操作性、对不同工况的适应性和对环境的影响等非定量的过程目标。因此，夹点技术不仅可以用于热回收换热网络的优化集成，而且可用于合理设置热机和热泵、确定公用工程的等级和用量，去除“瓶颈”、提高生产能力，分离设备的集成，减少生产用水消耗，减少废气污染排放等。1.2.2. 换热网络的集成（1） 在此我们将全流程的换热网络集成过程（无节能技术）详述于下。将工艺流股信息输入到Aspen Energy Analyzer V9.0，此时在能量分析器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 11所示。图 11 总费用-最小传热温差关系曲线图图中显示最小传热温差为9时最为经济，对于化工生产中的实际传热情况，9的最小传热温差合适。该温度下可以达到节能的目的，故选择最小温差为9，另外可得到组合曲线如图 12所示。图 12 过程组合曲线图图中可得夹点附近存在平台区，主要是醋酸乙烯精馏塔T0208和醋酸精馏塔T0209塔顶和塔底的相变热，其中醋酸精馏塔T0209塔顶塔底温差小于30，存在较大相变热，可通过热泵技术的方法提高塔顶温位，增加系统内部换热量，减少公用工程的消耗量。另外，对醋酸乙烯精馏塔T0208通过双效精馏技术，将单塔换成双塔（即高压塔和低压塔），充分利用其热能。通过Aspen Energy Analyzer V9.0，可得到总组合曲线如图 13所示。图 13 总组合曲线通过对总组合曲线进行判断，可以看到需要达到的最高温度为180，需要用中压蒸汽进行加热，其他大部分物流使用低压蒸汽进行加热；另外，需要达到的最低温度为2.5，因此需要用冷冻液进行降温，其他绝大部分物流使用循环冷却水进行降温，反应器用导热油进行换热维持恒温。（2） 在此我们将全流程的换热网络集成过程（含节能技术）详述于下。对最小传热温差进行经济评估，得到新的总费用-最小传热温差关系曲线如图 14所示。图 14 总费用-最小传热温差关系曲线图中显示最小传热温差在2035达到最低水平，说明在此温度范围内最小温差的改变，对所需的总费用不会产生很大的波动，有较大的操作弹性，且对于化工生产中的实际传热情况，温差太小和太大都会导致设备费用得增加，一般在1020的最小传热温差较为合适。故最终选择最小温差为20。将最小传热温差设为20，可以得到热集成过程的能量目标如图 15所示。图 15 热集成过程的能量目标从上图可得：理论上至少需要热公用工程能量为：3.364108kJ/h；理论上至少需要冷公用工程能量为：4.608108kJ/h；夹点温度为：热流股111.1；热流股91.1；另外可得到过程组合曲线及总组合曲线图如图 16和图 17所示。图 16 过程组合曲线图图 17 总组合曲线通过对总组合曲线进行判断，可以看到需要达到的最高温度为180，需要用中压蒸汽进行加热，其他大部分物流使用低压蒸汽进行加热；另外，需要达到的最低温度为2.5，因此需要用冷冻液进行降温，其他绝大部分物流使用循环冷却水进行降温，反应器用导热油进行换热维持恒温。1.2.3. 构建优化换热网络通过对以上数据图表的深入分析，我们建立并优化了热交换网络，根据Aspen Energy Analyzer的计算,所有参与换热的流股形成的换热网络如图 18所示。图 18 优化前换热网络图经过调节之后，最后获得换热网络如图 19所示。图 19 优化后的换热网络优化后的换热网络所需的换热器数目台数为30台，包括5台热量回收利用换热器，我们对优化前后冷热公用工程系统进行了数据对比，如表 18所示。 表 18 节能效果项目优化前优化后节省能耗热公用系统/KJ/h4.5321083.125108-31.05%冷公用系统/ KJ/h5.7641084.365108-24.27%换热器单元2330+7由表中数据可知，换热网络优化后，节能效果显著。虽然换热单元数增加，但是减少的公用工程总费远大于增加的设备总费，因此该换热网络优化达到了节能降耗目的。1.2.4. 热泵精馏 泵精馏是将塔顶的气相物料经压缩机加压升温后进入塔底再沸器，精馏塔塔顶气体与塔底采出的釜液换热，冷凝放热使釜液再沸，冷凝液经节流阀减压降温后，一部分作为产品出料，另一部分作为精馏塔塔顶的回流。热泵精馏取消了塔顶冷凝器，以塔底再沸器代替，这实际上是用一个换热器兼作塔顶冷凝器和塔底再沸器。通过分析可得醋酸精馏塔塔顶和塔顶温差，塔底温度129.64，塔顶温度为101.74，温差在30以内，两者温差小于36，采用热泵精馏的节能优势便体现了出来。改进前常规精馏工艺流程图如图 110所示，改进后热泵精馏工艺流程图如图 111所示。图 110 常规精馏工艺流程图图 111热泵精馏工艺流程图常规精馏与热泵精馏模拟结果对比如表 19所示。表 19 常规精馏与热泵精馏模拟结果对比序号项目常规精馏塔热泵精馏塔1塔顶冷凝器热负荷/KW-5573.90-2塔底再沸器热负荷/KW5911.33-3辅助压缩机功率/KW-729.464辅助加热器热负荷/KW-567.095辅助冷凝器负荷/KW-923.31小结：与常规精馏相比，塔顶蒸汽直接压缩式热泵精馏可节省热耗为：1-729.463.29+567.095911.33=49.81%与单塔精馏相比，可节省冷耗： 1-923.315573.90=83.44%优化后换热网络大大减小了冷耗，减小生产成本的同时达到了节能环保的目的。1.2.5. 相变潜热利用分析双效精馏系统由不同操作系统压强塔组成，利用较高压力得塔顶蒸汽压力作为压力较低得精馏塔再沸器得热源。此较低压力精馏塔得再沸器即为较高压力精馏塔得冷凝器，塔顶蒸汽得汽化潜热被系统本身吸收，故可较大程度节约了精馏装置得能耗。本项目将工艺中将醋酸乙烯精馏塔T0208进行分析后，将该塔T0208-A先进行加压，塔顶热源为高品位热源，在对低压塔T0208-B塔顶进行换热。本项目采用了顺流双效精馏方法进行分析设计，故改进前和改进后的流程图如图 112和图 113所示。图 112 改进前单塔精馏示意图图 113 改进后双效精馏示意图单塔精馏和顺流双效精馏改进效果如表 110所示。表 110 单塔精馏和顺流双效精馏改进效果一览表项目单位单塔精馏顺流双效精馏参数对比T0208T0208-AT0208-B精馏塔个数个111+1精馏塔塔板数块212216+17再沸器个数块110-冷凝器个数个101-再沸器热负荷KW11534.58047.4-3487.