11-能量集成及换热网络设计

长春化工年产14万吨醋酸乙烯酯项目 能量集成及换热网络设计能量集成及换热网络设计目录第1章项目概述1第2章换热网络理论基础22.1 概述22.2 夹点技术3第3章工艺流股提取6第4章换热网络合成84.1 Aspen Energy Analyzer 介绍84.2 换热网络合成过程9第5章换热网络设计14第6章热泵技术分析17第7章总结19宁波工程学院KSF团队I第1章 项目概述本项目为江苏长春化工公司，以乙烯、醋酸、氧气、醋酸甲酯、合成气原料设立的年产14万吨醋酸乙烯酯分厂，运行操作成本是一个重要的评价参数。原料的预热，产品的精馏是非常耗能的过程，它们会消耗大量的公用工程。通过换热网络的设计和优化，可以尽可能地实现对内部流股热量集成最大化利用，减少公用工程的消耗。为此，我们运用Aspen Energy Analyzer V10软件来进行换热网络的设计，并优化换热网络，以最大限度的降低成本。本项目采用乙烯气相法和羰基化法结合的工艺生产醋酸乙烯。本工艺由醋酸乙烯合成工段、醋酸乙烯精制工段、二氧化碳分离工段、二醋酸亚乙酯合成工段和二醋酸亚乙酯裂解工段，共五个工段组成。纵观整个流程，大量能量被消耗在反应和分离过程中。这需要大量的冷热公用工程，其中冷公用工程包括冷却水和冷却剂，主要用于冷凝器的冷凝和冷却产品；热公用工程主要包括175的中压蒸汽、250的高压蒸汽、燃料气。热公用工程主要用于流股的预热及塔釜再沸器加热等过程。公用工程由厂区公用工程站和冷冻站提供。为了充分集成过程中的热量，我们运用软件自动设计换热网络并手动优化，通过股间换热和热泵精馏技术节省了公用工程的用量，从而实现节能的目的。第2章 换热网络理论基础2.1 概述从系统工程的角度可把过程工业的生产系统分为三个子系统，即化学装置子系统、换热网络子系统和公用工程子系统。它的设计过程可由“洋葱模型”来表达。 图 21 洋葱模型其中化学装置由反应、精馏、吸收、萃取等化工基本设备单元组成，物料在这些设备中发生特定的物理、化学变化。在这些化学装置的结构和操作条件确定后，进出各个设备的流股根据操作条件要求需要加热和冷却，这些流股构成了冷热回收系统，即换热网络。在工艺过程设计中节能是非常重要的，因此换热的目的不仅仅是为了使物流温度满足要求，而且也是为了回收过程余热，减少公用工程消耗，积于这种思想进行的换热网络设计称为换热网络合成。换热网络合成的任务，是确定换热物流的合理匹配方式，从而以最小的消耗代价，获得最大的能量利用效益。图 22 热集成的来源和辅助换热网络目前，换热网络集成主要有三种方法：试探法，夹点技术，数学规划法。其中，夹点技术以其使用简单，直观和灵活的优点被广泛的使用。但夹点技术也有其缺点，夹点在应用中的主要缺陷有两点：过于注重能量的节省，而在设备和经济上的考虑略显不足；有些夹点匹配技术（如利用分流技术来匹配物流）在工艺的难以实现。采用夹点技术进行换热网络的设计时，除了通过物流的信息计算相关的物理参数从而满足换热匹配要求外，还要求得最小公用工程，最小换热单元数和最小换热面积。事实上，对于实际生产装置，很难达到这一目标。通常，最小公用工程消耗意味着较多的换热单元数，而较少的换热单元数又需要较大的换热面积。同时换热网络的设计还需要考虑到设备布置，物流是否具有腐蚀性及对换热材料的要求，更要结合实际来确定合理的节能方案。因此，实际进行换热网络设计时，需要在某方面做出牺牲，以获得一个折中的方案。2.2 夹点技术夹点技术（Pinch technology）是以热力学为基础，从宏观角度分析过程系统中能量沿温度曲线的分布，从中发现系统用能的“瓶颈”（Bottleneck）所在，并给以“解瓶颈”（Debottleneck）的一种方法。主要通过构造冷、热物流组合曲线，总组合曲线和平衡组合曲线来对工艺过程进行能量分析，制定节能设计和改造方案。要直观的判断工艺流股的夹点位置，首先就要做出 T -H 复合图。 T -H 图是用来表示工艺流股的热特性，即流股的温度-焓关系图，流股在换热过程中的焓变为：其中M为质量流率，Cp为热容。以焓变为横坐标，温度为纵坐标做T-H图如下：图 23 不同类型的温焓图对冷热流体的温焓图进行合并，我们可以得到下图：图 24 冷热流体组合温焓图由于焓是热力学状态函数，具有实际意义的是其增量而非绝对值。因此可以将组合曲线水平移动。冷、热组合曲线在横坐标上的重叠部分代表两类流体间可交换的热量，在纵坐标上的差值代表传热温差。温差最小处称为夹点。极限情况是夹点温差为零。通过图我们可以很容易的发现夹点位置，并且直观的看出工艺流股间换热量与冷公用工程及热公用工程的大小比例关系。对于夹点的设计与优化存在大准则：一、不要通过夹点传递能量。二、夹点以上不要冷公用工程，它是一个热阱（heat sink）。三、夹点以下不要热公用工程，它是一个热源（heat source）。夹点的选取对于整个工程的费用有着决定性的作用。根据能量目标和设备投资费用目标可以做出DTmin和总费用的曲线。从图中我们可以发现，当夹点温度选取越小时，内部换热量增加，公用工程费用减少，但是随着夹点温度的减小，换热器的面积增加，当夹点温度设置为零时，换热器面积达到无限大。图 25 最小温差和费用关系图可见，存在一个最优值，使总费用最小。我们以此理论建立合理的换热网络。宁波工程学院KSF团队 21 / 20第3章 工艺流股提取在换热网络设计前，我们已经对主要塔设备进行了优化，减少了许多不必要的能量消耗。在此基础上提取了过程中可用于能量集成的工艺流股（考虑到R0101、R0401和R0501反应器的热稳定性等问题，不将其列入换热网络中，但会将这部分公用工程用量计算到最后的明细表中）。流股列于表 31表 32（流股编号参照（全流程模拟（不含热泵）.bkp）：表 31 工艺流股提取（不含热泵）流股名称进口温度/出口温度/热负荷/kJh-10330_To_0331224.9 80.0 23276059.2 0411_To_041325.9 180.0 3774210.4 0115_To_0106112.7 80.0 3254170.1 0108_To_010980.1 198.3 21880693.0 0416_To_0418169.2 50.0 4241896.6 0505_To_0506147.5 180.0 34992358.3 0207_To_020860.5 30.0 255016.2 0122_To_012311.0 85.0 6661967.1 0113_To_0114133.4 150.0 2952903.9 0116_To_01191502048501169.60313_To_03141012037060.40212_To_0213142.7403179973.8表 32 塔设备物流信息表（不含热泵）塔设备名称换热器类型进口温度/出口温度/热负荷/ kJh-1T0101Reboiler102.5 156.7 15679494.3 T0203Reboiler134.3 143.6 2861990.7 T0301Reboiler128.0 129.2 36946341.5 T0301Condenser90.0 61.8 23347150.2 T0302Reboiler76.9 101.0 1273016.4 T0303Reboiler67.9 71.4 3505407.1 T0303Condenser32.5 21.1 2026998.1 T0304Reboiler224.6 284.7 42152830.0 T0304Condenser118.2 72.1 7100630.7 T0305Reboiler224.1 224.8 1000158.2 T0305Condenser159.7 41.1 12827627.8T0401Condenser56.7 20.0 6682237.2 T0401Reboiler110.8 128.4 9340925.0 T0501Condenser124.2 113.3 10676806.3 T0501Reboiler174.6 174.9 10952833.5 T0502Condenser122.1 99.5 49071688.4 T0502Reboiler145.0 146.0 40411735.4 T0503Condenser72.9 72.5 3740700.7T0503Reboiler129.2 131.0 4136925.6 T0504Condenser122.3 119.9 9350852.3 T0504Reboiler143.5 143.8 9337755.3 T0505Condenser93.7 85.9 30373600.8 T0505Reboiler111.5 112.6 29901804.9 第4章 换热网络合成4.1 Aspen Energy Analyzer 介绍Aspen 拥有自带的能量分析模块，能够轻松帮助用户实现热集成与换热网络的优化。在较早期的版本中，称为 Aspen pinch，而近两年的版本中改名为Aspen energy analyzer。Aspen energy analyzer 换热网络的合成与优化上主要是基于夹点技术。在用户指定的夹点温度下，它能够自动合成多套换热网络备选方案。由于换热网络的合成要考虑到设备费用与操作费用等各种复杂的情况，如果是基于换热网络合成的准则进行人工合成，那将会是一个浩大的工程，并且可能只会考虑到局部的优化而忽略整体优化，在这方面，Aspen软件是一款有力的工具。但是我们也应该看到，在实际使用过程当中，Aspen并不能为我们生成最佳的换热网络。计算机模拟生成最优换热网络是近几年来热门的研究课题，目前有基于Grossmann的超结构模型的改进算法，神经网络算法，模拟退火算法等等各种智能算法，但没有一个算法能够确保对于任何换热工况都能模拟出最佳的网络。在另一方面我们也应该看到，Aspen模拟出的换热网络存在不符合实际的情况，如两股相隔较远的流股进行换热。这种情况下，虽然能够实现能量的回收，但是管道铺设费用将大大增加。因此，Aspen energy analyzer主要用于初步的换热网络合成。Aspen energy analyzer 在使用上主要步骤为：Step1：提取 Aspen模拟流程中的物流数据，或者是可以人工手动输入。选取公用工程，输入流股与换热器的费用参数。Step2：进行最佳夹点温度分析。Step3：自动生成多套换热网络也可以手动合成。Step4：通过调节分流比例与换热器热负荷自动优化换热网络或根据换热网络的欧拉公式、拓扑结构等来判断不合理的地方进行手动调节。4.2 换热网络合成过程我们将所提取的工艺流股输入Aspen energy analyzer V10中,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图。图 41 总费用-最小温差关系图从图 41可知，随着温差的增加总费用逐渐降低，在最小温差在7时，总费用趋于最低，根据工程实际，此处选择最小传热温差为7进行下一步工作。设定最小传热温差为7，得到组合曲线如下图 42：图 42 冷热物流组合曲线图从图中可看出夹点附近存在平台区，经分析可知，平台区一部分是T0504脱醋酐塔塔顶及塔底的相变热，而且该塔的塔顶、塔釜温差为23.9，适合热泵技术，可以通过热泵技术提高塔顶流股温位，增加系统内部换热量，减少公用工程的消耗量，故采用热泵技术改造T0504。在Aspen中对流程调整后，重新提取工艺流股（参照全流程模拟（含热泵）.bkp）如下表4-1和表4-2所示：表 41 工艺流股提取（含热泵）流股名称进口温度/出口温度/热负荷/kJh-10526_To_0527120.2 119.9 1558556.5 0524_To_0525168.2 150.6 9264293.20330_To_0332224.9 80.0 23276059.2 0411_To_041325.9 180.0 3774210.4 0115_To_0106112.7 80.0 3254170.1 0108_To_010980.1 198.3 21880693.0 0530_To_0531143.7 143.8 9264293.2 0416_To_0418169.2 50.0 4241896.6 0505_To_0506147.5 180.0 34992358.3 0207_To_020860.5 30.0 255016.2 0122_To_012311.0 85.0 6661967.1 0113_To_0114133.4 150.0 2952903.9 0116_To_0119150.0 20.0 48501169.6 0313_To_0314101.0 20.0 37060.4 0212_To_0213142.7 40.0 3179973.8 表 42 塔设备物流信息表（含热泵）塔设备名称换热器类型进口温度/出口温度/热负荷/kJ/hT0101Reboiler102.5 156.7 15679494.3 T0203Reboiler134.3 143.6 2861990.7 T0301Reboiler128.0 129.2 36946341.5 T0301Condenser90.0 61.8 23347150.2 T0302Reboiler76.9 101.0 1273016.4 T0303Reboiler67.9 71.4 3505407.1 T0303Condenser32.5 21.1 2026998.1 T0304Reboiler224.6 284.7 42152830.0 T0304Condenser118.2 72.1 7100630.7 T0305Reboiler224.1 224.8 1000158.2 T0305Condenser159.7 41.1 12827627.8T0401Condenser56.7 20.0 6682237.2 T0401Reboiler110.8 128.4 9340925.0 T0501Condenser124.2 113.3 10676806.3 T0501Reboiler174.6 174.9 10952833.5 T0502Condenser122.1 99.5 49071688.4 T0502Reboiler145.0 146.0 40411735.4 T0503Condenser72.9 72.5 3740700.7T0503Reboiler129.2 131.0 4136925.6 T0505Condenser93.7 85.9 30373600.8 T0505Reboiler111.5 112.6 29901804.9 将上述工艺流股信息输入到Aspen Energy Analyzer V10，在能量分析器中再次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下图所示。图 43 总费用-最小温差关系图兼顾公用工程传热温差的可行性，在图中选取总费用最小且变化较为稳定的温度作为最小传热温差进行后续计算。此处选取最小传热温差为5，我们可以得到热集成的能量目标：图 4-4 过程的能量目标由上图可以看出，需要热公用工程能量：1.873108kJ/h=52022.5kW；需要冷公用工程能量：1.490108kJ/h=41390.8kW；夹点温度131.5，126.5。得到优化后的过程组合曲线图及总组合曲线图：图 44 冷热物流组合曲线图（含热泵）图 45 总组合曲线图（含热泵）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约为285，由锅炉燃气来供热，其他使用蒸汽进行加热，同时为了节约成本，应该使用多种品味蒸汽以降低高品位蒸汽消耗，需要达到的最低温度为5左右，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降温。我们选取的热公用工程为：锅炉燃气，高压蒸汽，中压蒸汽。冷公用工程为：循环冷却水和冷冻盐水（-25）。选取合理的公用工程可以降低公用总消耗量。第5章 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，需要考虑工艺流股间换热的可能性，同时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，将流股分流设置为1。在Aspen Energy Analyzer给出的design中选取其中比较经济且合理，所需换热器较少的设计方案进行后续优化过程。图 5-1 设计方案图分析比较10种Design的Total Cost，综合考虑所需费用以及换热面积，选用Design 9进行后续的优化过程。未优化前的换热网络：图 5-2 未优化前的换热网络图依据最小换热器原则，可以撤去若干台换热器，该设计方案中有部分换热器换热面积很小，热负荷也很小，这些换热器的设置并不合理，可以删除。当一流股与多种公用工程进行换热时，可适当减少操作费，但会增加换热器数目和设备费。比如一流股先后使用冷却水和冷剂制冷时，如果冷却水冷却的负荷较小，则可直接使用冷剂制冷，以节省一台换热器的设备费。 图 5-3 loop回路图换热网络中存在8个loop回路，在实际操作中，一般不能有loop回路的存在，可以删去负荷或换热负荷较小的换热器，将其合并到回路中其他的换热器，打破回路，减少换热器数目，再通过path通路来调节换热量，进行网络松弛。 另外，相距较远的物流间换热会使管路成本增加，增加设备投资，且操作不稳定，此类换热匹配需删除。由于这些问题的存在，我们需要对自动设计出的换热网络进行优化。优化后的方案如下图所示：图 5-4 优化后的换热网络图图 5-5 优化后的换热网络数据优化后的换热网络所需换热器台数为38台，包括8台热量回收利用换热器，换热器数目减少而且结构更加合理，回收热量27.85MW，并减少了大量换热面积，节省了总费用。表5-1 热网优化前后能耗对比项目冷公用工程/MW热公用工程/MW总计/MW直接公用工程63.9374.56138.49换热网络设计50.0460.6110.64能量减少量%21.7318.7320.11第6章 热泵技术分析无热泵时，组合曲线如下图：图 61 冷热物流组合曲线（无热泵）由图可以看出，在125左右存在平台区且热量较大，经分析可知，该平台处有一部分为脱醋酐塔（T0504）的相变热，塔顶塔底温差为23.9，可以采用热泵技术。通过改变物质的汽化温度，使两平台“错开”，从而回收更多的能量。结合以上两点原因，我们设计了热泵蒸发的方式来进行有效的能量回收。通过热泵蒸发，将功转化成热能，提高流股的温位，使原本不能换热的流股可以进行换热，从而减少公用工程的用量。这样，消耗少量电能（用以做功）便可以节省大量的冷量与热量，从而节能。T0504普通精馏：图 62 脱醋酐塔普通精馏Aspen Plus流程将精制塔T0504的冷凝器取消，直接引出塔顶气相，通过压缩机加压，使得塔顶气相的温度提高一个等级，作为热源与塔底流出物进行热交换，将塔底液体加热至气相，而热源冷却通过节流阀降温，然后通过较为经济的二次冷凝，达到所需要求后，部分回流，部分出料。如下图 63所示：图 63 脱醋酐塔热泵精馏Aspen Plus流程使用热泵技术后，组合曲线如下图 64：图 64 冷热物流组合曲线（含热泵）经过对热泵精馏和常规精馏的模拟，我