6-节能减排与换热网络设计

洛化宏达年产10000吨甲基丙烯酸叔丁酯项目 归去来烯团队目录第一章 换热网络的设计31.1确定流股信息31.1.1工艺物流信息31.1.2公用工程规格41.2夹点分析51.2.1绘制组合曲线（优化前）51.2.2组合曲线平台区能量的利用61.2.3重新提取流股信息81.2.4绘制优化后组合曲线与确定夹点温度91.3换热网络的合成111.3.1换热方案的确定111.3.2换热网络的优化与评价121.4换热网络在工艺流程中的应用13第二章 节能技术172.1 吸附式高温热泵生成蒸汽系统172.2 双效精馏技术17第一章 换热网络的设计换热网络是化工工业过程能量回收的重要手段，对化工生产降低能耗有着重要的意义。合理的利用热物流去加热冷物流，减少公用工程辅助加热和冷却负荷，可以能提高整个过程系统的能量利用率和经济性。本项目以夹点技术为基础，利用Aspen Energy Analyzer 进行换热网络设计优化，最大化的利用装置的能量，减少公用工程用量，合理优化并确定出具有最小的设备投资和操作费用，且满足把每个过程物流由初温达到规定目标温度的换热网络。1.1确定流股信息1.1.1工艺物流信息利用Aspen Energy Analyzer 软件自动导入Aspen Plus 中模拟的总流程信息，之后开始过程流股的提取过程，其中注意的是需要将中间流股和塔设备的流股分来来看，其中排除的几个流股不输入，使得组合曲线便于分析。过程过程流股提取如表1-1所示。表1-1 过程流股物流信息表(不含节能技术)过程名称进口温度/出口温度/热负荷/kWM0101_To_R010112.5760134.982P0202_To_F020189.20120.46104.725R0201_To_E0204185100104.725E0203_To_R0201120.46180203.848E0203_To_T020210030468.561T0202_To_P020533.695037.981 续表1-1M0302_To_R0301141.9645122.6CondenserT010169.758552.872453.207ReboilerT0101108.832115.4598.8018CondenserT020124.138423.8925164.281ReboilerT020180.783388.9829125.285ReboilerT020352.971870.6637155.490CondenserT020312.071611.853450.182ReboilerT0301120.9121.6567.1CondenserT0302137.237136.624448.174ReboilerT0304146.613148.111345.4231.1.2公用工程规格公用工程规格如表1-2所示。表1-2 公用工程信息表公用工程进口温度()出口温度()热容(Kj/kg)低压蒸汽1251242132中压蒸汽1751741993高压蒸汽2502491703.1冷却水20254.183冷冻盐水CaCl28%wt-5103.79制冷剂（丙烯）-25-2441.2 夹点分析1.2.1绘制组合曲线（优化前）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1.1和1.2所示。图1-1 最小传热温差与装置成本、能耗成本的关系（优化前）图1-2 最小温差与总费用的关系（优化前）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21时，项目的总费用最低，设定最小传热温差为21后，得到优化前的组合曲线图和总组合曲线图，如图1-3和图1-4所示。图1-3 组合曲线（优化前） 图1-4 总组合曲线（优化前）1.2.2组合曲线平台区能量的利用从系统的组合曲线中可以看到，冷、热流体侧均存在温位较高的平台区，这表明该处流股处于相变过程。经过分析，这里的平台区为E0203的裂化出口换热器和F0201的锅炉以及异丁烯提纯塔T0203。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1-3所示。表1-3 针对组合曲线平台区的优化方案平台区优化方案说明裂解出口换热器高温吸附式蒸汽生成热泵系统使用一个吸附式热泵生成蒸汽系统，将预热回收直接生成高品位蒸汽供全厂使用。 补加换热器E0210补加换热器，将裂化反应器出口物流与异丁烯提纯塔塔底液体换热，从而使得异丁烯提纯塔再沸器热负荷降低，且裂化反应器出口产品得到进一步利用，温度降低，水洗塔入口冷凝器热负荷降低。锅炉余热锅炉使用煤加热水产生高品位蒸汽，供全厂使用，降低公用工程使用量。TBMA提纯塔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。1.2.3重新提取流股信息在确定平台区优化方案后，需要将Aspen Plus中流程重新模拟，然后提取新的流股信息，如表1-4所示。表1-4 重新模拟后的流股信息表过程名称进口温度/出口温度/热负荷/kWM0101_To_R010112.576053.207P0202_To_F020189.20120.46104.725R0201_To_E0204185100104.725E0203_To_R0201120.46180203.848E0203_To_T020281.9730310.362T0202_To_P020533.695037.981M0302_To_R0301141.9645122.6E0203_To_E020452.9770.6158.2E0203_To_T020410081.97158.2CondenserT010169.758552.872453.207ReboilerT0101108.832115.4598.8018CondenserT020124.138423.8925164.281ReboilerT020180.783388.9829125.285ReboilerT020352.971870.6637155.490CondenserT020312.071611.853450.182ReboilerT0301120.9121.6567.1CondenserT0302137.237136.624448.174ReboilerT0304146.613148.111300.51.2.4绘制优化后组合曲线与确定夹点温度 Aspen Plus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，并拟合出总费用与最小传热温差的关系曲线如图1-5和1-6所示。图1-5 最小传热温差与装置成本、能耗成本的关系（优化后）图1-6 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12时，项目的总费用最低，设定最小传热温差为12后，得到优化后的组合曲线图和总组合曲线图。如图1-7和图1-8所示。图1-7 组合曲线图图1-8总组合曲线图（优化后）通过组合曲线图（温焓图）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1-5所示。表1-5 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120.7108.7610378921.3换热网络的合成1.3.1换热方案的确定确定夹点温度和能量目标后，便可根据夹点原理进行物流之间的换热匹配。在设计过程中不仅要考虑最大能量回收，还要考虑由于换热面积所产生的设备费用。本项目使用Aspen Energy Analyzer自动合成若干最大能量回收的换热网络，然后再根据打破回路（Loop）等原则，结合工艺流程的实际情况进行能量松弛。通过Aspen Energy Analyzer生成了若干种最大能量回收的换热网络，在其中选择总操作费用最小且换热器数量较少的设计方案进行后续优化过程。所选择的推荐设计方案如图1-9所示。图1-9 优化前换热方案1.3.2换热网络的优化与评价针对推荐的换热方案进行进行手动调整，在调整优化的过程中主要遵循以下几个原则： （1）采用合并换热器等方法打破回（Loop）；（2）减少换热设备数量，去掉较小的换热器。（3）避免因距离太远而管路成本过高的换热关系。（4）避免流股大量分割；首先先通过Aspen Energy Analyzer V8.8得到优化方案，其中为了工程的合理性和计算方便，初设最多10个推荐方案，每个流股最大数不超过2，这里主要因为精馏塔的热虹吸式再沸器分支流股数超过2将不符合工程实际条件。在遵循上述原则的同时，本团队根据工艺流程的实际情况，对推荐的换热方案进行优化设计，之后得到10个初步设计如下图所示，而系统比较的是换热面积和节省能量方面，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过程， A_DESIGN9作为最合理的初步设计方案。得到最终的换热网络，如图1-10所示。图1-10 优化后的换热网络将换热网络集成前后的操作费用与公用工程负荷列于表1-6中。表1-6 换热网络设计前后经济指标项目经济指数单位合成换热网络之前设计换热网络之后热公用工程费用126.059.65Cost/hr冷公用工程费用19.1413.13Cost/hr操作费用145.272.78Cost/hr设备投资15310001589000Cost/hr总费用201.5163.0Cost/hr加热负荷17.4511.93MW冷却负荷17.159.386MW设计换热网络后，由于引入的热泵技术中压缩机消耗电能，电是比蒸汽品质更高的能源，两者之间的转换系数为3.29，将电耗折算的蒸汽负荷补充到表1-6设计换热网络之后的加热负荷中。由表1-6可看出 ，在未进行换热网络的优化设计前，装置的加热、冷却公用工程的量较大，操作费用大，因此总费用偏高。而在设计换热网络之后，冷热公用工程需求量减少，操作费用也相应减少。由此可知换热网络设计有着显著效果，有助于热量的多级高效利用，降低运行成本，更加经济合理。但是由于双效精馏等节能技术，使得设备费用增加，但是总费用仍然比设计换热网络之前大大下降。1.4换热网络在工艺流程中的应用(1) 添加高温吸附式蒸汽生成热泵系统高温吸附式蒸汽生成热泵系统如图1-11所示。图1-11 高温吸附式蒸汽生成热泵系统示意图在本项目中存在大量废水和废气等低品位废热，在厂区范围内不可被直接利用，这些低品位热量可以用余热回收装置进行回收并转化为可直接利用的高品位蒸汽（低压）用以供厂区的热源。（2）补加换热器E0210 图1-12 反应产物换热、冷却系统自裂化反应器釜底流出产品与进口原料进行换热后，再与T0203的虚拟物流换热，最后进入冷凝器冷凝，形成三级冷却，同时预热反应原料，大大减少冷公用工程用量。（3）余热锅炉利用各种工业过程中的废气、废料或废液中的余热后产生的热量把水加热到一定温度产生低压蒸汽，供全厂使用。大大地提高了燃料燃烧释放的热量的利用率和公用工程的使用量，所以十分节能。（4）双效精馏双效精馏如图1-13所示。图1-13 双效精馏示意图高压塔塔底出料加热低压塔塔底出料。在换热网络设计后，本项目利用Aspen Plus对换热网络进行模拟，并将优化后的换热网络全部添加到总流程当中，全流程模拟如图1-14所示：图1-14 带换热网络的全流程模拟图第二章 节能技术2.1 双效精馏技术双效精馏是化学工业中较为常见的一种精馏节能措施，其基本原理是重复使用精馏塔的能量，以提高热力学效率。其节能的关键是要选择适宜的各塔操作压力，其中应用最普遍的是两塔流程。具体做法是以多塔代替单塔，即将一个分离任务分解为由若干操作压力不同的塔来完成，将前几塔顶蒸汽作为次级塔底再沸器的加热蒸汽，以此类推直至最后一个塔。2.2 吸附式高温热泵生成蒸汽系统在化工、炼钢等行业中存在大量废水和废气等低品位废热。这些低品位热量可以用余热回收装置进行回收并转化为可直接利用的高品位热量。但普通的低品位余热回收装置效率较低，吸附式蒸汽生成热泵系统来强化高温吸附热泵蒸汽生成过程，以提高转化效率，符合“节能减排”的社会需求。沸石在与水直接接触时放出大量吸附热, 使水相变成蒸汽。国际规定：发热量为29308 kJ/kg的燃料为标准燃料（标