换热网络设计

161.1 概述本项目是为设计生产异丁烯转化为MMA的分厂，运行操作成本是一个重要评价参数。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。本项目有异丁烯水合提纯、氧化、氧化酯化、提纯四个工段。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 V8.4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。其主要步骤如下：1.确定流程中需要换热的冷流股和热流股；2.利用物流数据做出冷热流股的温焓图和总组合曲线图（GCC）；3.确定最小传热温差；4.找出夹点及最小冷、热公用工程用量；5.构建优化换热网络。本项目需要的冷公用工程，包括冷却水和冷冻液，而热公用工程主要用于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0.8MPa、170的低压蒸汽以及4MPa、250的中压蒸汽等三个等级的蒸汽，并可根据项目需要提供不同品味的蒸汽。为了充分集成过程中的热量，本项目采用了热泵精馏技术。热泵精馏充分利用了温差小、跨夹点传热的精馏塔，通过改变蒸汽温位使原本不能换热的流股有换热的可能，从而提高了可回收能量的比率，实现了较大程度的节能。通过热泵精馏及热集成技术，能量节省约44368.5KW，能量回收率约为62.63%，实现了较大能量的回收。1.2 夹点技术分析夹点技术（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。要形象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，即流股的温度焓的关系图，流股在换热过程中的焓变为：H= T0TiMCpdT其中M为质量流率，Cp为热容。以焓变为横坐标，温度为纵坐标作出的T-H图如下：图1-1 不同类型的T-H图T-H图上，焓在热力学意义上并不严格，其中线段可以水平的随意移动，并不影响焓变的绝对值，其斜率为1/Cp。对于多股流股，我们在T-H图上可以实现合并，热、冷流股经过简单的平移和重叠可以分别统一合并为一条。在对冷热流股都进行了合并后我们可以得到如下图：图1-2 冷热物流复合曲线图在夹点位置：冷热物流间的传热温差最小，刚好等于Tmin且该处过程系统的热流量为零。通过图我们可以很容易的发现夹点位置，并且直观的看出内部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三条准则：（1）无跨越夹点的传热。（2）夹点之上无公用工程冷却器。（3）夹点之下无公用工程加热器。夹点的选取对于整个工程的费用有着决定性的作用。从图中我们可以发现，当夹点选取越小时，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。因此，夹点温差与公用工程、设备投资、总费用的关系存在下图关系：图1-3 最小温差和费用关系图由此可见，存在一个最优值，使总费用最小。故我们的任务就是找到这个符合实际的最小值。1.3 工艺流股的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能耗。我们再将需要进行热交换的数据（考虑到反应器的热稳定性等问题，不将其列入换热网络中）进行了提取，列于下表（流股编号为 Aspen Plus 初始编号）：表1-1 工艺过程流股信息表（不含热泵）流股名称Tin/Tout/oC热负荷/（kW）1-2_To_1-327.085.01286.2D-C4_To_R-C485.066.0149.31-H2O_To_1-H2O130.784.0254.4P-C4_To_2-228.2350.0755.8R1-H2O_To_2-760.0110.6853.82-4_To_2-578.0350.01104.92-10_To_2-11350.060.03917.53-3_To_3-638.280.0838.83-10_To_3-1261.925.06255.33-9-1_To_3-9-480.059.0994.53-13_To_3-1527.370.01064.44-2_To_4-3112.525.0804.93-9-2_To_3-9-380.066.6163.84-4_To_4-625.070.0211.1MMA_To_MMA-293.725.0208.14-8_To_4-948.425.044.2表1-2 塔设备物流信息表（不含热泵）塔设备名称换热器类型Tin/Tout/热负荷/（kW）T102Condenser110.0109.82035.9T102Reboiler132.8133.62334.0T103Condenser50.828.2407.9T103Reboiler133.3133.51249.9T401Condenser95.240.221858.5T401Reboiler111.5112.521876.8T402Condenser55.048.41058.6T402Reboiler88.093.71110.41.4 确定能量目标将上述工艺流股信息输入到Aspen Energy Analyzer V8.4，在能量分析其中，对最小传热温差进行经济评估，获得总费用与最小温差关系曲线如图：图1-4 总费用与Tmin关系曲线（不含热泵）由图可知，当最小传热温差在2225左右时，总费用最少。分析此图可以看出，最高效的传热温差为22，因此这里的最小传热温差选择22。在设定最小传热温差后，获得的组合曲线如下图所示。图1-5 冷热物流复合曲线图（不含热泵）得到总组合曲线如图1-6所示：图Error! No text of specified style in document.6 总组合曲线图（不含热泵）从组合曲线上我们可以得到我们热集成的能量目标：需要最小热公用工程能量为 25254.2kW；需要最小冷公用工程能量为 30721.0kW；夹点温度为97。从图中可以看出存在平台区，这里一部分是相变热，可以通过热泵技术来提升蒸发所产生二次蒸汽的温位，将其用于蒸发过程的加热，从而增加系统内部的换热量。T401此塔存在较大相变热，且适合热泵技术，故采用热泵技术改造 T401。增加热泵之后，在Aspen中重新模拟全流程，得到新的流股信息，如表1-3、1-4所示表1-3 工艺过程流股信息表（含热泵）流股名称Tin/Tout/oC热负荷/（kW）1-2_To_1-327.085.01286.2D-C4_To_R-C485.066.0149.31-H2O_To_1-H2O130.784.0254.4P-C4_To_2-228.2350.0755.8R1-H2O_To_2-760.0110.6853.82-4_To_2-578.0350.01104.92-10_To_2-11350.060.03917.53-3_To_3-638.280.0838.83-10_To_3-1261.925.06255.33-9-1_To_3-9-480.059.0994.53-13_To_3-1527.370.01064.44-2_To_4-3112.525.0804.93-9-2_To_3-9-380.066.6163.84-4_To_4-625.070.0211.1MMA_To_MMA-293.725.0208.14-8_To_4-948.425.044.2S61_To_S67120.295.02286.8S56_To_S62114.6118.323163.1S60_To_S61152.6120.223163.1表1-4 塔设备物流信息表（含热泵）塔设备名称换热器类型Tin/Tout/热负荷/（kW）T102Condenser110.0109.82035.9T102Reboiler132.8133.62334.0T103Condenser50.828.2407.9T103Reboiler133.3133.51249.9T402Condenser55.048.41058.6T402Reboiler88.093.71110.4将以上流股信息再次输入Aspen Energy Analyzer V8.4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1-7所示：图1-7 总费用与Tmin关系曲线（含热泵）在图中选取总费用最小且变化趋势相对平稳的部分的温度作为最小传热温差进行后续计算。在温度相差不大的情况下，温度越大，设备费用越小。再结合工业实际，确定最小传热温差为10。在设定最小温差后，获得的加热泵的组合曲线如图1-8所示：图1-8 冷热物流复合曲线图（含热泵） 从图中可以看出较大的平台区，发现平台区主要的物流正好是热泵精馏换热的物流，符合预期。从组合曲线上还可以得出热集成所需要的目标：需要的最小热公用工程量为5160.5kW, 需要的最小冷公用工程量为12932.4kW，最终得到的总组合曲线如图1-9所示：图1-9 总组合曲线（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为350，因此需要用燃烧热进行加热，同时为了节约成本，应该使用蒸汽以降低高品位热公用工程消耗，因此我们热公用工程采用170的低压蒸汽和燃烧热。需要达到的最低温度为25，因此采用冷却水进行换热。1.5 换热网络的设计与优化换热网络设计，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。首先通过Aspen Energy Analysis V8.4 得到优化方案，得到的10个初步设计如下图所示，而系统比较的是操作和节省能量方面，选取其中最为经济且换热面积相对合理的设计方案进行后续优化过程，如图所示，A_Design8作为最合理的初步设计方案：图1-10 ASPEN推荐设计的比较方案选取其中最为经济且换热面积相对合理的方案进行后续优化过程，以换热量为变量对该方案进行优化，使得其总的操作费用最小，优化前的设计方案如下图所示：图1-11 换热网络初步设计图该换热网络的换热器台数为32台，按照最小换热器台数原则，还可以撤去若干台换热器，我们去除不经济的小换热器，并且还要对以下几个方面进行改进：1. 在换热网络的工程中存在着一些多次换热的情况，正常来说，能量较高的流股多次换热符合节省能量的原则，但是多次换热不仅存在着换热设备的负担，同时不同工段之间的整合更是大大加剧了管道布置和配管配置的障碍，因此需要将这些频繁的流股进行简化，此时可以通过夹点换热，已达到消融和松弛的目的。2. 当某一流股与多种公用工程进行换热时，我们要考虑到这样虽然减少了公用工程消耗量，但是会增加设备费用，比如某一热物流先后与冷却水和冷冻盐水换热，如果冷却水热负荷很小的话，应全部采用冷冻盐水以减少设备费用。3. 相距太远的换热单元虽然节省了公用工程的消耗量，但是大大增加了设备费用，而且由于热损失会导致换热效果远远达不到预期，故应撤去此类换热。所以结合以上三点对原有的换热网络进行改进。改进方法如下所示：首先对于该方案中的三个回路我们进行调整，如图1-12所示的回路，我们进行时删除并调整。图1-12 初步方案中的回路其次我们去除换热网络中所有相距太远的换热单元，如图1-13中的换热，S61_To_S67是第四工段（MMA提纯工段）的物流，1-2_To_1-3是第一工段（异丁烯提纯工段）的物流，相距过远故我们删除并进行调整：图1-13 初步方案中相距过远的换热单元最后我们确定本换热网络中有5个换热单元，并添加上公用工程，最终得到优化后的换热网络图如下所示：图1-14 换热网络优化设计图优化后的换热网络所需要的换热器台数为25（体现为22个换热器、2个加热炉以及1个急冷塔，如下表所示），数目减少且结构更为精简。设计中包含5个物流间的换热器，而且符合最小传热温差要求。表1-5 换热网络优化后的设备在实际流程中的名称表序号设备位号设备名称设备类型1E101原料C4加热器换热器2E102余C4冷却器换热器3E103叔丁醇精馏塔冷凝器1换热器4E104叔丁醇精馏塔冷凝器2换热器5E105叔丁醇精馏塔再沸器换热器6E106叔丁醇反应精馏塔冷凝器换热器7E107叔丁醇反应精馏塔再沸器换热器8E201循环水蒸发器换热器9E202循环水流股换热器换热器10E301合成MMA原料预热器换热器11E302粗品MMA物料冷却器1换热器12E303MMA流股换热冷却器换热器13E401粗品MMA预热器换热器14E402热泵换热器换热器15E403MMA热泵精馏塔冷却器换热器16E404MMA物流冷却器换热器17E405萃取相流股换热器换热器18E406萃取相预热器换热器19E407循环氯仿冷却器换热器20E408MMA精馏塔冷凝器换热器21E409MMA精馏塔再沸器换热器22E410MMA冷却器换热器23T201急冷塔塔设备24F201异丁烯加热炉工业炉25F202循环水加热炉工业炉经过优化后进行比较如下图所示，优化后共需要冷公用工程17121.2kW，热公用工程 9349.3kW。不含流股间换热共需要冷公用工程 38152.9kW，热公用工程 32686.1kW。冷量节省55.12%，热量节省71.40%，回收能量 44368.5kW。图1-15 换热网络优化后公用工程数据图图1-16 换热网络优化前换热公用工程数据所用的冷公用工程为：冷却水（15）；所用热公用工程为：燃烧热（1000）、低压蒸汽（170）。1.6 热泵精馏精馏又是能耗极高的单元操作，而传统的精馏方式热力学效率很低，能量浪费很大。如何降低精馏塔的能耗，充分利用低温热源，已成为人们普遍关注的问题。对此人们提出了许多节能措施，通过大量的理论分析、实验研究以及工业应用表明其中节能效果比较显著的是热泵精馏技术。热泵精馏是把精馏塔塔顶蒸汽加压升温，使其用作塔底再沸器的热源，回收塔顶蒸汽的冷凝潜热。通过热泵精馏，将功转化为热能，提升流股的温度品味，使原本不能换热的流股可以进行换热，从而使得冷热公用工程的用量均有所减少。这样，消耗少量电能（用于做功），节省大量的热量与冷量，便可以有效节约能量。热泵精馏在下述场合应用，有望取得良好效果：(1)塔顶和塔底温差较小，因为压缩机的功耗主要取决于温差，温差越大，压缩机的功耗越大。据国外文献报导，只要塔顶和塔底温差小于36，就可以获得较好的经济效果。(2)沸点相近组分的分离，按常规方法，蒸馏塔需要较多的塔盘及较大的回流比，才能得到合格的产品，而且加热用的蒸汽或冷却用的循环水都比较多。若采用热