7-能量回收的换热网络设计

廣西科技大学Guangxi University of science and technology2018“东华科技-陕鼓杯”第十二届全国大学生化工设计竞赛中石化茂名石化分公司10万吨/年甲基丙烯酸甲酯分厂项目能量回收的换热网络设计设计团队：GKD战队团队成员：骆参升 李纪良 曾高康 黄天烽 郭啊萍指导老师：黄承都 郭 艳 谢清若 张昆明2018年8月中石化茂名石化分公司10万吨/年甲基丙烯酸甲酯项目能量回收的换热网络设计 目 录第一章 换热网络简介11.1 概述11.2 换热网络设计方法11.3 夹点技术11.4 换热网络步骤31.5 过程解析3 1.5.1冷、热温焓图解析3第二章 工艺流股提取52.1 工艺流股信息52.2 塔设备流股信息52.3夹点分析62.4 重新提取流股信息82.5 绘制优化后组合曲线与确定夹点温度9第三章 换热网络设计123.1 换热网络的合成12第四章 节能技术144.1 单塔精馏流程144.2 双塔工艺流程154.2.1顺流双效精馏1517第一章 换热网络简介1.1 概述在化工生产中，有物流需要加热，有物流需要冷却，换热网络把冷热物流匹配在一起，利用热物流加热冷物流，冷物流冷却热物流，提高系统的热回收，减少公用工程加热与冷却的负荷从而达到节能目的。实现这个功能的就是由多个换热器、辅助加热器、辅助冷却器和多条管道等组成的换热网络（Heat Exchanger Network）。本项目为中石化茂名石化分公司10万吨/年（MMA）甲基丙烯酸甲酯，运行操作成本是重要评价参数。原料预热、精馏、加热反应都是非常耗能的过程，消耗大量的公用工程。本项目利用原厂的MTBE裂解生成异丁烯，进而利用异丁烯甲基化法生产MMA.整个生产流程分为原料MTBE裂解工段、MAL（甲基丙烯醛）合成工段、MMA（甲基丙烯酸甲酯）合成工段。流程中冷热流股均较多，潜在能量可供回收，通过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，减少公用工程的消耗，降低能耗。因此本团队利用Aspen Energy Analyzer V8.4软件来进行换热网络的设计，并且寻找可能节能的措施，以最大限度的降低成本。本项目需要的冷公用工程包括冷却水，热公用工程包括为250低压蒸汽、400的中压蒸汽和500的高压蒸汽，可由厂区公用工程站提供。为了充分集成过程中的热量，本项目在MAL合成工段采用了顺流（并流）双效精馏节能技术。双效精馏改变二次蒸汽温位使原本不能换热的流股有换热的可能，从而提高了可回收能量的比率，实现了较大程度的节能。1.2 换热网络设计方法换热网络优化设计涉及各个换热器以及换热条件、换热需求等多种因素影响，并且各个换热器之间的换热量相互制约，是当今化工研究热点之一。换热网络优化设计需要结合经验知识，以及建立相应的优化方法。换热网络经过几十年的发展，主要的设计方法有经验法、最优化搜索法、数学规划法、夹点设计法、基于遗传学的设计方法等等。1.3 夹点技术夹点技术是以热力学原理为基础提出在有效能图上分区优化法,并在温熵图（T-Q图）上实现换热器网络优化,说明了夹点的存在性，这是换热网络的一个新阶段。夹点技术是换热网络的优化算法，在换热网络中，将所有的热物流温焓图合成一条曲线，所有冷物流温焓图合成一条曲线，两条曲线在一张图上，通过适当移动曲线，使最小换热温差达到规定值（图1-1）在此换热温差最小处即为夹点，夹点以上的热物流和夹点以上的冷物流进行交换，夹点以下的热物流和夹点以下的冷物流进行换热，这样所需要的冷、热公用工程最小，是最优化的换热网络（从换热角度看）。把冷、热公用工程的价格考虑进去，把换热器投资放进去，可以实现效益最大化的方案，并算出效益最大化的最小换热温差和相应的换热网络。图1-1 夹点分析夹点的选取对于整个工程的费用有着决定性的作用。从图1-2可见，对于设备费用，Tmin存在一个最佳值。当Tmin等于零时，所需换热面积无限大，导致设备投资无限大，而公用工程消耗达到最小值，两项成本的总和趋于无穷大。当Tmin的增加时，夹点处换热器面积的减小，设备投资费用也迅速下降，但超过最低值后，由于外加热 、冷却单元数增加，设备投资费用又开始增加。相应地，在最佳Tmin处，总成本费也达到最小。因此理想的状况是，在最佳的Tmin下进行换热网络设计。图1-2 最小温差与费用关系本项目是为中石化茂名石化分公司设计生产MMA（甲基丙烯酸甲酯）的分厂，采用甲基化法制备MMA。工艺流程有原料MTBE裂解工段、MAL合成工段、MMA合成工段。流程中冷热流股较多，潜在热量可供回收，通过对换热网络的设计，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，从而减少能耗。为此，本团队运用Aspen Energy Analyzer V8.4对全厂进行换热网络设计，并寻找可能节能的措施，以最大限度地降低成本。1.4 换热网络步骤（1）确定全流程中冷热物流信息。（2）根据上述信息分别做出单一温焓图（T-H图，冷热各一张）。（3）冷热温焓图耦合于一张图中（冷热曲线H轴垂线不相交）。（4）Aspen Energy Analyzer 计算最小传热温差（5）根据最小传热温差，将冷、热温焓图曲线平移，使两条曲线中某个点的H轴垂线距离（也就是）等于计算所得的最小传热温差，得到组合曲线（Composite Curves）。（6）根据组合曲线，划分温区，确定夹点温度，合理规划换热网结构（7）得到最终优化结果1.5 过程解析1.5.1冷、热温焓图解析全流程换热网络温焓图，如图1-3所示。图1-3 全流程换热网络温焓图冷、热温焓曲线无交点，于Aspen中流程相呼应：冷物流用冷公用工程冷却、热物流用热公用工程加热，此时冷、热温焓图无交点。平移全流程换热网络温焓图和最小传热温差如图1-4、1-5所示。图1-4 平移全流程换热网络温焓图图1-5 最小传热温差平台区能量如图1-6所示。图1-6 平台区能量示意图对应平台区能量为此最小传热温差下Composite Curves的阴影部分，平台区积分面积为换热网络优化后所能达到的极限值，其利用方法是通过冷、热物流间的换热实现，以此为依据，以确定换热网络的最佳优化条件。第二章 工艺流股提取2.1 工艺流股信息利用Aspen Energy Analyzer V8.4软件自动导入Aspen Plus 中模拟的总流程信息，并适当修改和补充部分物流信息，见表2-1。表2-1 工艺物流信息表（不含双效精馏）过程流股加热器名称进口温度/出口温度/能量/kw1-2 TO 1-3E010125.40 215.00 3106.63 1-6 TO 1-7E0102215.00 43.30 -1966.87 1-10 TO 1-12E0103132.10 35.00 -2484.27 1-14 TO 1-16E0104143.70 25.00 -114.20 1-15 TO 1-18E010562.10 24.10 -747.99 2-1 TO 2-2E0201-7.40 25.00 1031.19 2-8 TO 2-9E020220.00 380.00 25035.6 2-10 TO 2-11E0203380.00 70.00 -16824.30 2-12 TO 2-15E0204278.80 30.00 -22533.50 S26 TO 2-21E020593.90 60.00 -2231.34 2-27 TO 2-28E020699.70 99.00 -203.23 2-30 TO 2-31E0207129.50 25.00 -1973.87 2-26 TO 3-1E030170.2025.00 -1671.63 1-28 TO 3-2E030263.60 25.00 -187.62 3-7 TO 3-8E030325.30 80.00 2270.553-12 TO 3-13E0304175.60 80.00 -1630.373-20 TO 3-21E030580.50 50.00 -5816.01 3-24 TO 3-25E0306221.60 25.00 -20772.60 3-33 TO 3-35E030799.60 50.00 -1571.69 2.2 塔设备流股信息塔设备流股信息详见表2-2。表2-2 流股信息表（不含双效精馏）塔位号换热器类型进口温度/出口温度/热负荷/kWT0102Condenser99.1063.60-2586.11T0202Condenser98.6091.90-15.69T0303Condenser91.7082.20-8583.33T0301Condenser40.9024.30-24027.78T0104Condenser25.5024.80-2383.33T0105Condenser22.7063.6-4044.34T0202Reboiler138.00138.903038.33T0301Reboiler126.60123.3027790.78T0104Reboiler101.00102.401255.56T0303Reboiler99.60100.1012555.56T0203Reboiler99.6099.809913.86T0105Reboiler98.8099.504790.102.3夹点分析2.3.1 绘制组合线将上述流股数据输入到热集成软件Aspen Energy Analyzer中，分析最小传热温差与装置投资成本、能耗成本的关系，并拟合出总费用与最小传热温差的关系曲线，如图2-1所示。图2-1 总费用-最小传热温差曲线（不含双效精馏）选择最小传热温差为22，得到冷热流股温焓图，如图2-2所示。图2-2 冷热流股温焓图（不含双效精馏）图2-3 公用工程物流组合曲线图图2-4 总组合曲线图图2-5 换热网络网格图由图可以看出，夹点附近存在较长的倾斜平台区，经分析可知，蓝色线的冷流体平台表示精馏塔T0105曲线。冷流体一侧存在温位较高的平台区，这表明该处流股处于相变过程。经分析，平台区为T0105甲醇精制塔冷凝器负荷。为了降低相变过程（组合曲线上的平台区）对公用工程的需求，本项目运用先进节能技术对平台区进行优化，优化方案如表2-3所示。表2-3 针对组合曲线平台区的优化方案平台区优化方案说明甲醇回收塔再沸器双效精馏将单塔拆分为高压塔和低压塔，将前塔蒸汽作为后塔再沸的热源，达到重复使用精馏塔能量的目的。2.4 重新提取流股信息表2-4 重新模拟后的流股信息表（含双效精馏）过程流股加热器名称进口温度/出口温度/能量/kw2-12 TO 2-15B16 B17 B18278.8030.00-22532.222-10 TO 2-11B15 B14 B13380.0070.00-16843.061-34 TO 1-32E010789.2098.301475.001-26 TO 1-27B822.9022.70-2.621-2 T0 S11B4 B3 B525.40215.003105.561-38 TO 3-2B2169.8025.00-483.333-20 TO 3-21B2780.0050.00-6211.113-24 TO 3-25B28 B23224.2025.00-20922.221-6 TO 1-7E0102215.0043.30-1975.832-26 TO 3-1B2470.2025.00-1689.172-8 TO 2-9B12 B7 B1120.00380.0025036.113-12 TO 3-13B25175.6080.00-1640.831-28 TO 1-29E0107121.00115.40-1476.11S19 TO S24B11450.00224.00-6608.33S4 TO S5B2250.00180.00-1031.11S7 TO S12B3 B4 B5250.00219.40-3106.671-14 TO 1-16B10143.7025.00-114.14S17 TO S18B7250.00180.00-1501.94S28 T0 S55B12 B26500.00310.90-5665.28S35 TO S40B15 B175.0093.002591.94S45 TO S54B225.0030.005544.441-15 TO 1-18B962.1024.10-748.061-10 TO 1-12B6 E0103132.1035.00-2484.44S26 TO 2-21B22 B1993.9060.00-2231.39表2-5 塔设备重新模拟后的流股信息表(含双效精馏)塔位号换热器类型进口温度/出口温度/热负荷/kWT0102Condenser99.1063.60-2586.11T0202Condenser94.0085.90-15.03T0203Condenser76.7070.20-7611.11T0106Condenser127.4067.30-1904.45T0301Condenser41.0024.40-24055.56T0303Condenser28.165.1-22517.40T0104Condenser24.8024.602333.33T0104Reboiler143.70144.201094.44T0202Reboiler138.00138.803083.33T0106Reboiler135.40135.705972.22T0301Reboiler123.00123.3027777.78T0104Reboiler101.30102.601316.67T0303Reboiler99.60100.104000.00T0203Reboiler99.6099.8013222.22T0106Reboiler22.70127.402877.242.5 绘制优化后组合曲线与确定夹点温度将Aspen Plus V8.4重新模拟后得到的流股数据输入到Aspen Energy Analyzer中，分析最小传热温差与装置投资成本、能耗成本的关系图，并拟合出总费用与最小传热温差的关系曲线图，如图2-6所示。图2-6 最小传热温差与总费用的关系（优化后）由最小传热温差与总费用之间的关系图可以发现，当温差为19.50时，项目的总费用最低，设定最小传热温差为19.50后，得到优化后的冷热流股温焓图和总负荷曲线图和公用工程物流组合曲线图，如图2-7和图2-8所示。图2-7 冷热流股温焓图（优化后）图2-8 公用工程物流组合曲线图图2-9 总负荷合曲线图（优化后）图2-10 换热后换热网络网格图通过组合曲线图（温冷热流股焓图）可以看出，系统有较大的能量可以通过冷热物流的匹配换热达到回收的目的。通过Aspen Energy Analyzer确定夹点温度，并确定最小冷热公用工程用量目标，如表2-6所示。表2-6 夹点温度及能量目标夹点温度/最小公用工程消耗量/kW热端冷端热公用工程冷公用工程24.0012.502606588769对曲线以及工艺流股的温位进行分析，选用公用工程如表2-7所示。表2-7 公用工程选用表公用工程进口温度/出口温度/MP Steam500380HP Steam450220LP Steam250180Cooling Water525第三章 换热网络设计3.1 换热网络的合成换热网络的设计自由度较大，获得的方案也较多，但合理的换热网络需要经过筛选与优化。在设计换热网络时，需要考虑流股换热的合理性，以节能综合经济效益为目标进行换热网络的优化。在Aspen Energy Analyzer V8.4给出的design中选取其中最为经济且换热面积较小的设计方案进行后续优化，设计方案如图3-1所示。图3-1 优化前的设计方案换热网络优化前与优化后进行比较，其优化前所需要的换热器台数大，其操作单元也多，设计方案中部分换热器换热面积小，负荷小，可直接删去。换热网络不予许回路的存在可以删去负荷或者换热负荷较小的换热器，将其合并到回路的其他换热器，打破回路，减少换热器项目。经以上调节优化后，优化后换热网络图，如图3-2所示。图3-2 优化后换热网络图优化前设计方案与优化后设计方案费用对比详见表3-1、3-2。表3-1 优化前设计方案与优化后设计方案费用对比表Network Cost Indexes优化前设计方案Cost Index优化后设计方案Cost IndexHeatingCost/s0.14790.003415CoolingCost/s0.075480.00003346OperatingCost/s0.22330.003449CaptitalCost77040006911000TotalCost/s0.30200.07404Network Performance优化前设计方案 HEN优化后设计方案 HENNumber of Units2246Number of Shells5595Total Aream1814026310表3-2 优化前设计方案与优化后设计公用工程费用对比表优化后设计方案/KW优化前设计方案/KW冷公用工程4572237975热公用工程9022265570优化前与优化后的公用工程费用对比如表4-2所示。表4-2 优化前与优化后公用工程费用对比冷公用工程热公用工程优化前设计方案/MW101149优化后设计方案/MW89138节能效果/%40.220.3 第四章 节能技术本项目所需冷公用工程为5冷却水，需要的热公用工程包括低压蒸汽、中压蒸汽和高压蒸汽，均由园区提供。为充分集成过程中的能量，本项目采用顺流（并流）双效精馏技术节能措施。顺流双效精馏是将精馏塔分成压力不同的两个塔，压力较高的塔塔顶蒸汽向压力较低的再沸器供热，同时塔顶蒸汽被冷凝。因此在双效精馏中只是第一个塔的塔釜需要加入热量，最后一个塔的塔顶蒸汽需要冷却介质进行冷凝，具有非常明显的节能效果。充分利用了双塔的压力差塔顶塔釜温差小，提高能量利用率。在工业上，甲醇精馏技术的节能效果至关重要，它直接决定着整个甲醇生产的过程中最终得到的精制甲醇的质量是否达标，并决定着整个生产装备的投资费用和操作过程中的能量和能源的消耗。甲醇精馏按照塔的数量可分为单塔精馏流程、双塔精馏流程、三塔精馏流程以及后来改进的四塔精馏流程，甚至是五塔精馏。4.1 单塔精馏流程单塔精馏是最简单的甲醇精馏过程，粗甲醇只经过一个精馏塔就可以得到精制甲醇成品，其流程图见图4-1。甲醇精馏过程的单塔精馈的优点在于很大程度上节约一次性投资成本，并可以减少热能的消耗和损失，但是单塔精馈的缺点也很明显，单塔精馏流程可以获得一般性甲醇产品，但是经精馏的甲醇的产品质量不高，所以，在对产品的