8-换热网络及热集成

长安大学 风与天幕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宁夏长城能化年产10万吨高纯VAM项目换热网络及热集成设计单位长安大学设计团队风与天幕队成员姓名周慧、吴雪雪、穆原冰、王艺凡、卢凯彬指导教师叶林静、罗钰、邢建宇、周昭辉、谈震2019年7月18日目 录1换热网络的设计41.1概述41.2确定流股信息41.2.1工艺物流信息4表1-1 流股信息提取表（不含换热）61.2.2公用工程规格61.2.3确定能量目标61.3换热网络的优化71.3.1夹点分析技术71.3.2优化方案的确定111 换热网络的设计1.1 概述本项目是宁夏长城能化年产10万吨高纯VAM项目，是中国石化长城能源化工（宁夏）有限公司的分厂，运行操作成本是一个重要评价参数。在整个流程中，原料的预热、共沸精馏、精馏等都是非常耗能的过程，会消耗大量的公用工程。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。本项目中需要的热公用工程有中压蒸汽、低压蒸汽，需要的冷公用工程有循环冷却水和冷冻盐水，均可由总厂和工业园区获得。以夹点技术为基础，利用Aspen Energy Analyzer 进行换热网络设计优化，通过调节流股之间的热交换，减少公用工程用量，合理优化并确定出具有最小总费用，即设备费和操作费最小，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。1.2 确定流股信息1.2.1 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，并适当修改和补充部分物流信息，如表1-1所示。换热器信息换热器类型Base热进口热出口冷进口冷出口Recoverable热侧流体冷侧流体Duty温度温度温度温度DutyGcal/hrCCCCGcal/hrReboilerT105Heater2.0481251248086.62.048LP SteamTo ReboilerT105_TO_T105-WH103Cooler1.9811705030350.9375R102OUT_To_H103-OUTAirH102Heater191500.3802MP SteamM102OUT_To_H102OUTH101Heater1.83917517420117.50.3293MP SteamM101OUT_To_H101OUTReboilerT107Heater0.258212512445.890.30.2511LP SteamTo ReboilerT107_TO_T107-WH106Cooler0.5301123.620-25-240.1262T106-W_To_H106OUTRefrigerant 1H104Heater0.06512512410200.065LP SteamM103OUT_To_H104OUTH105Heater0.0402312512413200.04023LP SteamF103VAP_To_H105OUTCondenserT106Cooler6.36999.999.530350To CondenserT106_TO_T106-DAirCondenserT105Cooler2.07672.572.230350To CondenserT105_TO_T105-DAirCondenserT104Cooler2.08172.872.230350To CondenserT104_TO_T104-DAirCondenserT103Cooler0.184542-0.3-25-240To CondenserT103_TO_T103-DRefrigerant 1CondenserT107Cooler0.165121.120.6-25-240To CondenserT107_TO_T107-DRefrigerant 1ReboilerT104Heater3.403175174123.1123.50MP SteamTo ReboilerT104_TO_T104-WReboilerT103Heater1696.70LP SteamTo ReboilerT103_TO_T103-WReboilerT106Heater9.671175174123.4123.60MP SteamTo ReboilerT106_TO_T106-WDuplicate表1-1 流股信息提取表（不含换热）1.2.2 公用工程规格公用工程循环冷却水入水温度为20，回水温度25；冷冻盐水进水温度-25，回水温度-24；加热蒸汽选择进口温度125的低压蒸汽和进口温度为175中压蒸汽（压力均为表压）。表1-2 公用工程信息表NameInletT () OutletT()Cooling Water-25-24water2520MP175174LP1251241.2.3 确定能量目标将上述工艺流股信息输入到Aspen Energy Analyzer V9.0，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1-1所示。图1-1 总费用与Tmin关系曲线(优化前)图1-2 最小传热温差与装置成本、能耗成本的关系（优化前）由图1-2可知，最小传热温差为10时，总费用最小。选择最小传热温差为10，得到组合曲线如图1-3所示图1-3 冷热温晗曲线(优化前)1.3 换热网络的优化1.3.1夹点分析技术图1-4 最小传热温差与总费用的关系（优化前）图1-5 组合曲线(优化前)从上图可知夹点温度为91.8。将最小温差15填入，系统推荐了十种换热方案，分别如下：图1未优化前换热方案图2 推荐方案1图3推荐方案2图4推荐方案3图5推荐方案4图6推荐方案5图7推荐方案6图8推荐方案7图9推荐方案8图10推荐方案9图11推荐方案101.3.2优化方案的确定通过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。针对Aspen Energy Analyzer推荐的换热方案进行进行手动调整，为了保证最小换热器台数原则，应该断裂loop回路，故应该删去负荷或者换热面积较小的换热器，将其合并到换热器，打破回路，减少换热器数目。再通过能量松弛，使换热器的数目进一步减少。但是，也要注意对于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。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路（Loop）；（2）减少换热设备数量，去