5-3附录三热集成换热网络设计

扬子石化2000万Nm3/a酸性废气处理项目扬子石化2000万Nm3/a酸性废气处理项目热集成换热网络设计团队名称：点化蔚蓝指导老师：汪广恒 郭晓滨 李建伟 潘晶莹 周探伟团队人员：宋长磊 李 成 吕冠忱 张小芳 段玉娥目录一 概述1二 工艺流股提取2三 确定能量目标3四 换热网络设计6五 节能效果对比12六 总结16I一 概述本项目是为扬子石化炼油厂设计的酸性废气脱硫并加以资源化利用的分厂，废气的脱硫效果哦和硫的利用是重要评价参数。 原料的预热、产品精馏等都是非常耗能的过程，会消耗大量的公用工程。 本项目采用MDEA法对酸性废气中的硫化氢进行提纯，采用甲醇硫化氢气相合成法生产甲硫醇。该工艺由硫化氢分离提纯工段、甲硫醇合成工段、甲硫醇分离纯化工段等三个工段组成。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。为此，我们运用 Aspen Energy Analyzer V9 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，包括冷却水和冷冻盐水，而热公用工程主要用于冷流股的预热及塔釜的再沸器加热等过程。化工园区现有热公用工程0.232MPa、125的低压蒸汽，并可根据项目需要提供不同品味的蒸汽。 本项目采用MDEA法分离提纯硫化氢，实现了吸收剂的循环利用，在吸收剂循环过程中可以回收一部分热量作为热源；同时，甲醇硫化氢气相反应是放热过程，过程中会产生大量的反应热，由于原料甲醇需要进行预热和蒸发，所以本项目设计采用反应后的产物作为甲醇预热、甲醇蒸发器和原料混合气的热源，一方面，节约了热公用工程的用量；另一方面，产品混合物在过程中被冷却，减少了冷却水的用量。本项目通过对网络的设计和改进，实现了较大能量的回收利用，本项目节能 64300000kJ/h,共需要冷公用工程221125891kJ/h，热公用工程 234098903 kJ/h。西安科技大学-点化蔚蓝团队17二 工艺流股提取 表2-1 工艺过程物流信息表（不含换热网络）三 确定能量目标 将上述工艺流股信息输入到 Aspen Energy Analyzer V9 ，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 3-1 所示。 将以上流股信息输入 Aspen Energy Analyzer V9 中。对最小传热温差进行经济评估，获得总费用-温差关系曲线如图 3-1 所示。图3-1 总费用与Tmin关系曲线（不含换热网络）由关系曲线可以得到，最小温差为20，得到组合曲线如图3-2所示。图3-2 组合曲线（不含换热网络）图中有较长的平台，是由于甲醇蒸发汽化所需要的汽化潜热，所以无法通过热泵精馏、多效精馏等技术完成节能效果。本设计为了达到热集成和节能的目的，可以将反应产生的热量加以回收利用，减少公用工程的用量。因此，我们将反应器出来的混合气用来预热甲醇，加热原料气以及作为甲醇蒸发器的热源，同时产品混合气得以冷却，减少了冷公用工程的用量，本设计通过这种方式来进行有效的能量回收利用。四 换热网络设计 换热网络的设计，自由度较大，所获得的方案数目众多，但是合理的换热网络需要经过筛选与优化。在设计换热网络时，需要考虑工艺流股换热的可能性，最好还要将设备费用等因素也考虑进去，以便获得最为合理的换热网络。为简化换热网络，将Aspen Energy Analyzer V9 中得到自行设计的方案进行分析比较。Aspen Energy Analyzer V9给出的方案如下表所示：在 Aspen Energy Analyzer V9 给出的 design 中以节能综合经济效益为目标我们初步选定以下几种可行的方案：Design10图4-1 Design10Design5图4-2 Design5Design1图4-3 Design1Design7图4-4 Design3Design6图4-5 Design6Design3图4-6 Design3在换热网络中，如果换热器的换热面积过小，换热器无法选型；同时回路过多的网络应当弃弃；若距离太远管路，则换热的成本过高，我们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。我们最后选定的设计方案（Design10）如下： 最终选定的设计方案：图4-7 选定的设计方案按照换热网络优化原则，应去除具有回路、不经济的小换热器、距离太远管路成本过高的换热关系，这样就可以撤去若干台换热器。该换热网络中有部分换热器换热面积很小，热负荷也很小，可以删去。当用多种公用工程换热时，可适当减少操作费，但会增加换热器数目和设备费。比如在使用加热炉和制冷剂冷却时，如果冷却水冷却的负荷较小，则可直接使用制冷剂。另外相距较远的物流间换热会使管路成本增大，增加设备投资成本，且操作不稳定，此类换热器需要删除。例如：软件推荐的换热网络中换热流股0209_TO_0213与冷流股0203_TO_0203之间有回路，应该去除此类型回路形成的换热器。热流股0123_TO_0121和冷流股0210_TO_0202之间形成的换热器换热面积为0.1m2，面积过小，不经济，此类型换热器应当删除。热流股To CondenserT0102_TO_0111Duplicate与冷流股ToReboilerT0203_TO_0229之间形成了换热，这两个流股一个是第一工段的塔顶冷凝器，另一个是第二工段脱硫塔的再沸器，两个流股之间距离过远，这样形成的换热器所需要的管路费用较高，不够经济，此类型的换热器应当去除。最终优化后的换热网络如图4-8所示：图4-8优化后的设计方案该换热网络的换热器数目为27 台，数目减少且结构更为精简，同时能够实现热量的回收利用。五 节能效果对比最优化的换热网络确定后，本设计将优化后的换热网络加入到原流程，第二次生成的换热网络。表3-1 工艺过程物流信息表（含换热网络）将以上流股信息输入 Aspen Energy Analyzer V9 中。对最小传热温差进行经济评估，获得总费用-温差关系曲线如图 3-3 所示。 图3-3 总费用与Tmin关系曲线（含换热网络）由总费用-温差关系曲线可以得到，最小温差为7，即夹点为7，在设定最小传热温差后，得到组合曲线如图3-4所示： 图3-4 组合曲线（含换热网络）从组合曲线上我们可以得到我们添加换热网络后的能量目标；通过对总组合曲线进行判断，可以看到，系统的夹点为7。流程内部换热后，需要达到的最高温度在 300以下，因此只需要蒸汽进行加热即可，同时为了节约成本应该使用多种品位蒸汽以降低高品位蒸汽消耗。需要达到的最低温度为-15，采用低温冷冻盐水，其他使用循环冷却水降温。比较优化前的换热网络和优化后的换热网络，我们得到，优化后，网络节约的热公用工程的能量为32200000KJ/h,节约的冷公用工程的能量为32200000KJ/h。六 总结 本项目运用了 Aspen Energy Analyzer V9 软件，实现了较大能量回用的换热网络设计。过程中将反应热作为热源，充分利用了反应热，同时达到了对反应产物的冷却的效果，节约了大量能量。 最终设计的优化后的换热