3-附录三 能量集成及换热网络设计

中海壳牌石化年产20万吨醋酸乙烯酯项目 较大能量回用的换热网络设计目录较大能量回用的换热网络设计1一、换热网络设计概述1二、较大能量回收的换热网络设计1原始工艺流股提取1三、确定能量目标33.1不含热泵换热网络优化设计33.2含热泵换热网络优化设计8四、换热网络设计11五、热泵精馏分析13六、总结15 贵州大学 飞跃：化工厂 2/1较大能量回用的换热网络设计一、 换热网络设计概述本项目为中海壳牌石油化工有限公司设计的年产20万吨醋酸乙烯酯装置，运行成本是该项目的一个很重要的考核参数，而公用工程的消耗又是其中很重要的一部分。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 V8.8 软件来进行换热网络的设计，并且寻找潜在的节能措施，以最大限度的降低成本。本项目采用甲醇低压羰基化制醋酸/乙烯氧化制醋酸乙烯酯组合工艺。其中冷公用工程包括冷却水、冷冻液，冷空气，主要用于冷凝器的冷凝和产品冷却；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，所使用的热公用工程包括低压蒸汽和高压蒸汽和电。冷公用工程集成厂址所在地的中海壳牌石化厂区内的循环水站及冷冻站，热公用工程同样集成中海壳牌石化厂区内蒸汽系统和电站。二、 较大能量回收的换热网络设计原始工艺流股提取根据所设计的工艺流程的Aspen模拟结果，由Aspen Energy Analyzer V8.8分析后提取的流股如下表所示2.1. 冷热流股提取表2-2 工艺过程物流信息表过程流股加热器名称进口温度/k出口温度/k 负荷/（Watt）C2H4O2.S0002_To_C2H4O2.S0003C2H4O2.E0103593.2333.25.769E+06S0306_To_S0310E0303333.2293.25.095E+05S0115_To_S0117E0103A522.2444.34.189E+05S0216_To_S0217E0205315.2308.21.887E+052.2. 塔设备流股提取：表2-3 塔设备物流信息表塔位号加热器名称进口温度/k出口温度/k 负荷/（Watt）T0305Reboiler362.1362.24.125E+06T0306Reboiler422.2351.22.688E+06T0307Reboiler422.2355.81.469E+06T0304Reboiler397.2328.75.487E+05T0103Reboiler447.2423.13.081E+04T0307Condenser327.0289.01.313E+06T0306Condenser351.0350.52.828E+062.3. 闪蒸罐流股提取表2-3 闪蒸罐物流信息表闪蒸罐名称进口温度/k出口温度/k 负荷/（Watt）V0301_heat_Exchanger397.2292.51.154E+04E0105_heat_Exchanger357.4313.22.528E+06E0203_heat_Exchanger293.2258.22.815E+05E0206_heat_Exchanger315.2283.22.901E+05E0202_heat_Exchanger313.9293.21.767E+05E0204_heat_Exchanger343.6315.21.929E+07E0302_heat_Exchanger333.2283.21.74E+05E0301_heat_Exchanger353.3333.22.911E+06E030X_heat_Exchanger312.8303.28571F1_heat_Exchanger312.1311.72.373E+042.4. 反应器流股提取表2-3 反应器物流信息表反应器名称进口温度/k出口温度/k 负荷/（Watt）C2H4O2.R0301_heat_Exchanger600.5593.21.383E+07REACTION.R0101B_heat_Exchanger451.2450.77.307E+05REACTION.R0101A_heat_Exchanger522.2444.53.49E+07三、 确定能量目标3.1不含热泵换热网络优化设计进入Aspen Energy Analyzer V8.8进行较大能量回收的换热网络设计。3.1. 1未优化前将上述工艺流股信息输入到Aspen Energy Analyzer V8.8，此时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。图3-1 总费用-最小传热温差曲线（未优化前）图3-2 组合曲线（未优化前）未优化前的方案表2-3 未优化前信息表序号方案Total Cost(Cost/s)% of TargetTotal Area(m2)1未优化前0.176154.921465.183.2. 2第一次优化图3-1 总费用-最小传热温差曲线（第一次优化）图3-2 组合曲线（第一次优化）第一次优化方案表2-3 第一次优化信息表序号TargetBase case%Area16396.2321788.71132.89Cost(Cost/s)0.15200.2196144.44Number of units343191.183.3. 3第二次优化图3-1 总费用-最小传热温差曲线（第二次优化）图中显示最小传热温差为17时最为经济，对于化工生产中的实际传热情况，17的最小传热温差较为合适。本厂流程对于换热器的材质也没有过高的要求，设备基本选用不锈钢材质，少部分使用碳钢材质，较小传热温差较为适宜，此时17的最小传热温差回收能量较多，可以达到节能的目的，同时也不过分小而导致设备投资偏大。故选择最小温差为17，回收较多能量的同时具有较好操作弹性，得到组合曲线如图3-2所示。图3-2 组合曲线从组合曲线上我们可以得到:需要热公用工程能量为4.419E+07Watt；需要冷公用工程能量为6.844E+07Watt；夹点温度178、168。第二次优化方案表2-3 第二次优化信息表序号TargetBase case%Area14423.6021465.18148.82Cost(Cost/s)0.11330.1756154.9Number of units323293.75得到总组合曲线如图3-3所示。图3-3 总组合曲线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为321，理论上可能需要大量锅炉燃气。但大部分高温位的流股可以相互之间进行换热，故锅炉燃气量大大减少，同样为了节约公用工程量应该使用多种蒸汽以降低蒸汽的消耗。需要达到的最低温度为-22，因此需要用低温冷冻剂进行降温，其他使用循环冷却水及空气降温。选用公用工程如表3-1所示：表3-1公用工程选用表公用工程进口温度/出口温度/LS150150149HPS250249MPS1751747-12712AIR3035CW32-403240LWT-25-24CCW-10-0-1003.2含热泵换热网络优化设计不含热泵组合曲线中夹点附近存在平台区，其中一部分为VAC成品塔T0306塔顶塔底的相变热，该塔可以通过热泵技术提高塔顶温位，增加系统内部换热量，减少公用工程的消耗量。其中VAC成品塔T0306 塔顶塔底温度差仅为1左右，且存在较大的相变热，可以采用热泵技术，将该塔改为热泵精馏塔，在Aspen 中重新模拟全流程，得到新的流股信息。根据工业生产实际可直接删除部分流股，简化换热网络设计1. 删除热负荷明显较小的流股，表2-1 0201_To_0202流股匹配分析表流股信息进口温度/出口温度/E0308_heatS0322_To_S0324S0329_To_S0330To ReboilerT0307_TO_S0316To ReboilerT0305_TO_S0304To ReboilerC2H4O2.T0101_TO_C2H4O2.S0007Duplicate表3-1 工艺过程物流信息表（含热泵精馏）过程流股进口温度/出口温度/kJ/hC2H4O2.S0004_To_C2H4O2.S000560.00101.721532267.47S0306_To_S031060.0020.001834115.36S0332_To_S033378.3760.0018831.81S0329_To_S033077.9877.990.00S0115_To_S0117147.97176.857515608.33PRODUCT_To_S0101178.0060.0078917283.82S0216_To_S021742.0035.00678769.19C2H4O2.S0007_To_C2H4O2.S0008117.4970.001532267.93S0326_To_S032878.0260.00888969.99S0322_To_S032497.8877.850.00C2H4O2.S0002_To_C2H4O2.S0003320.0060.0021454412.86S0112_To_S012079.87145.859602403.64To ReboilerT0304_TO_S0302X54.9789.221912159.593To ReboilerT0307_TO_S031682.5982.690To ReboilerT0303_TO_S0203125.15126.6581594861.83To CondenserT0307_TO_S031553.7915.384730417.585To ReboilerT0201_TO_S0213149.95150.71111039.702To ReboilerT0305_TO_S030488.9589.030To CondenserC2H4O2.T0101_TO_C2H4O2.S000698.4876.8313066719.07To ReboilerC2H4O2.T0101_TO_C2H4O2.S0007117.45117.490通过上述操作后，得到新的流股信息如表3-1所示将以上流股信息输入Aspen Energy Analyzer V8.8 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 总费用最小传热温差曲线（含热泵）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趋势相平稳部分的温度作为最小传热温差进行后续计算。此时图表显示，最小传热温差在8-14均较为合适，但是传热温差过小会导致换热面积偏大，投资费用增加；而传热温差过高会使得总回收能量偏少，公用工程消耗量增加；同时本厂流程对于换热器的材质也没有过高的要求，设备基本选用普通碳钢材质，少部分使用不锈钢材质，传热温差也不宜偏大，以达到节能的目的。故选择仍最小传热温差为10较为合适。在设定最小传热温差后，获得的组合曲线如图3-4所示：图3-4 组合曲线（含热泵精馏）从组合曲线上我们可以得到我们热集成所需的能量目标；需要热公用工程能量为1.273108kJ/h，即35.36MW；需要冷公用工程能量为1.567108kJ/h，即43.53MW；夹点温度 135.1、125.1。得到总组合曲线如图3-5 所示。图3-5 总组合曲线（含热泵精馏）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为320需要达到的最低温度为-25，因此需要用冷冻剂进行降温，其他绝大部分物流使用循环冷却水降温。选用公用工程如表3-3 所示：表3-3 公用工程选用表公用工程进口温度/出口温度/LS150150149HPS250249MPS1751747-12712CW32-403240LWT-25-24CCW-10-0-100四、 换热网络设计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。以下为外加换热器后导入Aspen Energy Analyzer V8.8 后系统推荐的换热网络方案。表4-1 换热网络设计方案表序号方案Total Cost(Cost/s)% of TargetTotal Area(m2)选择1A_Design30.116015 78.76 8996.84 2A_Design40.117016 79.44 9379.51 3A_Design50.117198 79.56 9501.88 4A_Design60.115231 78.23 8855.96 5A_Design70.115043 78.10 8680.96 6A_Design80.117608 79.84 9507.48 7A_Design90.114863 77.98 8694.01 8A_Design100.117288 79.62 9480.92 9A_Design110.116389 79.01 9150.30 10A_Design120.117039 79.46 9332.15 11A_Design130.117152 79.53 9473.66 12A_Design140.115928 78.70 8923.74 13A_Design150.115245 78.24 8734.49 14A_Design160.115123 78.15 8828.55 15A_Design170.115975 78.73 8832.04 16A_Design180.115250 78.24 8527.16 17A_Design190.116749 79.26 9210.32 18A_Design200.114752 77.90 8628.66 在软件给出设计方案中，A_Design18方案的总费用最少，换热面积较小，故选择该方案进行进一步优化。该换热网络方案设计的较为繁琐，换热器数目有34台。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，可以撤除。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。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。经以上调节优化后，最终的优化方案如图4-1 所示：图4-1 优化后的设计方案（含热泵）优化后的换热网络所需换热器台数为33台，数目减少且结构更为精简。节能情况如下图所示经过优化后，节能62.06MW，需要冷公用工程42.44MW，热公用工程34.28MW。需要的冷公用工程包括冷冻水、冷空气及冷冻液，需要的热公用工程包括低压蒸汽、中压蒸汽和高压蒸汽，可由园区公用工程站和本厂废热锅炉提供。五、 热泵精馏分析在普通精馏的情况下，组合曲线如图5-1所示:图5-1 组合曲线（不含热泵精馏）通过分析知道平台处为醋酸乙烯酯成品塔T0306塔顶塔底温差为1左右，且存在较大的相变热，可以采用热泵精馏。由组合曲线可知热平台能量较大但温差较小不足以达到最小传热温差，使过程中可供回收的热量很少，如果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，我们采用热泵精馏的技术进行能量的回收利用。通过热泵精馏，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。将醋酸乙烯酯成品塔T0306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，作为热源至塔釜再沸器换热。通过较为经济的二次冷凝，气体用冷却水降温至60，从而得到符合后续生产要求的醋酸乙烯酯溶液，一部分液体回流至塔内进行再次分离，塔釜则在换热过程中已经达到再沸负荷的要求，其结构如图5-2所示：图5-2热泵精馏模拟流程图表5-1 节能技术对比项目普通精馏热泵精馏冷公用工程能耗（Watt）2827951599792热公用工程能耗（Watt）26880690压缩机功耗（Watt）0181692泵功耗（Watt）03721总能耗（Watt）5516020785205由表5-1可知，考虑压缩机做功和冷却器能耗，热泵精馏比普通精馏节省能耗4730815Watt，节省幅度