11-能量回收的换热网络

淄博齐翔腾达化工分厂年产6.4万吨MMA项目能量回收的换热网络淄博齐翔腾达化工分厂6.4万吨/年MMA项目2018“东华科技-陕鼓杯”第十二届全国化工设计大赛指导老师：张定明 团队成员：陈成、王文、张晓惠、黄家凤、梁思琪四川理工学院-Phoenix能量回收的换热网络 目录一、概述- 3 -二、工艺流股提取- 3 -三、确定能量目标- 4 -3.1 一二工段能量目标- 5 -3.1 第三工段能量目标- 6 -四、换热网络设计- 7 -4.1第一二工段换热网络优化- 7 -4.2第三工段换热网络优化- 9 -五、总结- 10 -一、概述在大型化工过程中，存在大量需要换热的流股，一些物流需要被加热，一些物流需要被冷却。为提高能量利用率，节约能源与资源，需要进行换热网络设计，优先考虑系统中各流股之间的换热，各流股与不同公用工程之间的匹配，以实现最大限度的热量回收，尽可能提高过程的热力学效率，实现更好的系统设计。本项目是为总厂设计生产甲基丙烯酸甲酯MMA的分厂。本项目采用异丁烯氧化制甲基丙烯醛MAL，甲基丙烯醛合成甲基丙烯酸甲酯MMA的工艺，由MAL制备，MAA精制，MMA合成三个工段组成。原料预热和产品分离等都是非常耗能的过程，流程中冷热流股均较多，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，我们运用Aspen Energy Analyzer V8.4来进行换热网络设计，并寻找可能节能的措施，以最大限度地降低成本。本项目需要的冷公用工程包括冷冻水和冷冻液，需要的热公用工程包括低压蒸汽和中压蒸汽，可由园区提供。二、工艺流股提取工艺流股提取如下：表2-1 工艺过程物流信息表流股进口温度/出口温度/热负荷1-7_To_1-8143.83803795.251-11_To_1-1287.8205812.152-4_To_2-587.6202573.2032-16_To_2-17156.9254.816083-9_To_3-1080103649.67573-21_To_3-22149.8254.86083-26_To_3-2781.125250.34963-35_To_3-36141.1254041.399表2-2 塔设备物流信息表塔设备换热器类型进口温度/出口温度/热负荷/KWT0102Condenser93.643-19.4457399.648T0102Reboiler126.045126.1257999.17T0201Condenser102.462102.21524845.704T0201Reboiler106.998107.15924138.593T0202Condenser61.76552.45128912.516T0202Reboiler115.875122.70528724.517T0203Condenser98.82798.16756.811T0203Reboiler156.264156.90055.431T0302Condenser57.307-1.93346549.080T0302Reboiler78.45388.06144593.679T0303Condenser82.81978.9711079.623T0303Reboiler149.018149.7691040.252T0304Condenser45.17740.0394032.985T0304Reboiler80.99881.0924028.599T0305Condenser68.03820.0001373.025T0305Reboiler86.34789.0297755.992T0306Condenser107.729105.43623558.927T0306Reboiler143.269143.28925917.706T0307Condenser95.61895.26922406.529T0307Reboiler125.205132.17722271.153三、确定能量目标考虑到车间面积,各个设备摆放位置, 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，在做换热网络优化是,分为两阶段换热网络分析,分别是第一二工段为一阶段,第三工段为一阶段。3.1 一二工段能量目标将上述工艺流股信息导入Aspen Energy Analyzer V8.6中，选择适宜的公用工程，在能量分析器中，对最小传热温差进行经济评估，分别获得一二阶段的总费用最小传热温差曲线如图3-1所示：图3-1 总费用-最小传热温差曲线选择最小传热温差为6，得到组合曲线如图3-2所示：图3-2 组合曲线分析组合曲线我们可以得到系统热集成的能量目标：需要热公用工程48.2725MW需要冷公用工程62.6389MW系统的冷公用工程能耗较大。得到总组合曲线如图3-3所示：图3-3总组合曲线3.1 第三工段能量目标将上述工艺流股信息导入Aspen Energy Analyzer V8.6中，选择适宜的公用工程，在能量分析器中，对最小传热温差进行经济评估，分别获得一二阶段的总费用最小传热温差曲线如图3-4所示：图3-4 总费用-最小传热温差曲线选择最小传热温差为13，得到组合曲线如图3-5所示：图3-5 组合曲线分析组合曲线我们可以得到系统热集成的能量目标：需要热公用工程61.753MW需要冷公用工程63.097MW得到总组合曲线如图3-6所示：图3-6总组合曲线四、换热网络设计4.1第一二工段换热网络优化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 V8.6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4-1所示：图4-1 优化前的设计方案该换热网络方案设计的较为繁琐，换热器数目也较多，有16台。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，可以删去。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。换热网络中存在较多回路，换热网络中一般不允许回路的存在，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，再通过路径进行网络松弛。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。经以上调节优化后，最终的优化方案如图4-2所示：图4-2 优化后的设计方案优化后的换热网络所需换热器台数为13台，数目减少且结构更为精简，公用工程负荷如表4-1所示：表4-1 公用工程对比表公用工程冷用工程/MW热用工程/MW总工程/MW直接公用工程86.77120.11206.88换热网络设计66.6796.606163.276能量减少量/%45.3719.521.08经过优化后，节能43.604MW，需要冷公用工程66.67MW，热公用工程96.606MW。需要的冷公用工程包括冷冻水和冷冻液，需要的热公用工程包括低压蒸汽和中压蒸汽，可由园区公用工程站和本厂废热锅炉提供。4.2第三工段换热网络优化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 V8.6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4-3所示：图4-3 优化前的设计方案该换热网络方案设计的较为繁琐，换热器数目也较多，有26台。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，可以删去。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。换热网络中存在较多回路，换热网络中一般不允许回路的存在，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，再通过路径进行网络松弛。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。经以上调节优化后，最终的优化方案如图4-4所示：图4-4 优化后的设计方案优化后的换热网络所需换热器台数为18台，数目减少且结构更为精简，公用工程负荷如表4-2所示：表4-2 公用工程对比表公用工程冷用工程/MW热用工程/MW总工程/MW直接公用工程99.87140.55240.42换热网络设计66.65102.34168.99能量减少量/%33.2627.1929.91经过优化后，节能71.43