5-3 附录三 较大能量回用的换热网络设计

乙炔法制备六十万吨/年醋酸乙烯酯项目较大能量回用换热网络设计较大能量回用的换热网络设计目录第一章 较大能量回用的换热网络设计31.1换热网络设计概述31.2较大能量回收的换热网络的设计41.3确定能量目标51.4换热网络设计9第二章 其他节能措施15第一章 较大能量回用的换热网络设计1.1换热网络设计概述图3-1 项目厂址所在地本项目针对内蒙古省呼和浩特市苏里格第二天然气处理厂处理过后的管输天然气进行再次加工，制备得到高附加值的醋酸乙烯产品。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特别重要的一部分。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 Anslyzer V10 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。从整个工艺流程来看，本项目需要较大量的公用工程。其中冷公用工程包括冷却水，液氮等，主要用于冷凝器的冷凝和冷却产品；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含低压蒸汽、中压蒸汽和高压蒸汽。冷公用工程集成厂址所在地的鄂尔多斯天然气厂内的循环水站及冷冻站，热公用工程同样集成鄂尔多斯天然气厂内蒸汽系统。1.2较大能量回收的换热网络的设计针对于本工艺流程，采用背景系统和分离系统进行分别设计换热网络，实现能量的稳定交换。背景系统物流流股提取：图2-1 背景系统物流信息表分离系统物流流股提取：图2-2 分离系统物流信息表1.3确定能量目标将上述工艺流股信息分别输入到Aspen Energy Analyzer V10,在能量分析器中，对最小传热温差进行经济评估，分析操作费用指标、设备费用指标与最小传热温差关系。图3-1 背景系统操作费用指标，设备费用指标与最小传热温差关系曲线图图3-2 分离系统操作费用指标，设备费用指标与最小传热温差关系曲线图如图3-1所示，随着最小传热温差的增加，操作费用指标逐渐增加，设备费用指标逐渐减少。通过 Aspen Energy Analyzer V10分析总投资费用指标与最小传热温差关系，结果如下图所示。图3-3 背景系统项目总投资目标曲线图3-4 分离系统项目总投资目标曲线在换热网络的设计中，Tmin的取值对能量的回收和系统的投资运行费用有直接影响。Tmin 取值较小，系统回收热量多，冷、热公用工程费用小，但换热面较大，系统造价高； Tmin 取值较大，系统回收热量小，冷、热公用工程的费用大，但换热面积小，系统设备投资小。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对平稳部分的温度作为最小传热温差进行后续计算。此处背景系统选取最小传热温差为15，分离系统选取最小换热温差为10。在设定最小传热温差后，获得的组合曲线如图3-3，图3-4所示：图3-5 背景系统换热物流温焓图图3-6 分离系统换热物流温焓图从组合曲线上，我们可以得到我们热集成的能量目标：对于背景系统来说，需要热公用工程能量1* 109 kJ/h，即277.78MW，对于分离系统来说，需要热公用工程能量9.9* 107 kJ/h，即27.5MW；需要冷公用工程能量1.9*108 kJ/h，即52.78MW。夹点温度分别为139.4，124,4；128.4，118.4。得到总组合曲线如图3-5，图3-6所示。图3-7 背景系统总组合曲线图3-8 分离系统总组合曲线 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分别为1016和270，理论上可能需要大量锅炉燃气。但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分别为-192.7，因此需要低温冷冻液进行降温。根据软件推荐的公用工程并结合实际化工过程，定义公用工程：空冷、常温水冷、低温水冷、常压液氮，0.8MPa中压蒸汽、0.4MPa低压蒸汽。可由园区公用工程站和原厂废热锅炉提供。选用公用工程如图3-7所示。图3-9 公用工程选用表1.4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。以下分别为导入Aspen Energy Analyzer V10 后，系统自动推荐的换热网络方案。图4-1 背景系统推荐换热网络方案对比图4-2 分离系统推荐换热网络方案对比在给出的Design中分别选取其中最为经济且换热面积较小，换热器数目较少的设计方案Design 9和Design 2 进行后续优化，设计方案如图4-3所示：图4-3 背景系统优化前方案图4-4 背景系统仅使用公用工程方案图4-5 分离系统优化前方案图4-6 分离系统仅使用公用工程方案该换热网络方案设计的较为繁琐，换热器数目分别为50台和29台，按照最小换热器台数原则，从原则上讲，还可以撤去若干台换热器。除此之外还可看出，初始的换热网络中从换热网中，还存在许多换热器Loop回路与Path通路。Loop回路表明换热网络中存在多余的换热器匹配单元，增加设备投资，同时也表示换热网络中存在着比换热可控稳定操作多余的系统规定参数，当被控参量产生波动的时，会在回路中产生震荡，影响换热网络的稳定运行，增加控制难度。优化前换热网络中存在明显回路，首先将一些简单的回路，通过合并换热器来消除掉。对于直接合并换热器，导致传热温差过小的回路考虑采取适当增加公用工程的消耗来消除。此外还可以通过冷热公用工程之间的“通路”Path来调节各Path上的换热量，从而达到松弛换热器热负荷，甚至减少换热器数的目的。除此之外有些换热器能量很小，换热面积也很小。根据换热器所在流股，根据Aspen流程模拟中的结果，确定是否有必要进行热量的回收与利用。若该流股进行换热是工艺要求，则不能删除，若该流股不进行换热不影响工艺流程，为了节省设备费用应该考虑删除掉该换热器，不对这股能量回收利用。最终删除了换热面积较小的换热器，达到了节省设备费的目的。Aspen Energy Analyzer生成的换热网络方案未考虑部分换热器换热面积不合理、设备之间长距离输送换热导致设备费用巨大等实际生产问题，本团队在项目设计阶段对换热网络进行手动调整。设计过程中主要本着以下原则：（1）与精馏塔冷凝器、再沸器关联的换热流股不分流；（2）避免长距离换热流股输送；（3）避免流股大量分割；（4）减少换热设备数量。经过以上调节之后，最后获得以下优化后方案。图4-7 背景系统优化后的设计方案图4-8 分离系统优化后的设计方案图4-9 背景系统优化后换热物流温焓图图4-10 分离系统优化后换热物流温焓图图4-11 背景系统优化后总组合曲线图4-12 分离系统优化后总组合曲线优化后的换热网络所需换热器台数分别为42台和24台，包括3个流股热量回收利用的换热器，数目减少且结构更为精简。仅使用公用工程的换热方案，优化完成的换热方案设计结果对比见表4-1。表4-1 换热网络优化对比仅公用工程手动优化节约百分比加热量kJ/hr6.19x108 2.69x108 56.5%冷却量kJ/hr1.52x109 1.03x109 32.2%热回收量kJ/hr0.0 4.45x107 -总费用指数Cost/s0.56470.2840 49.7%通过表格中的数据可以看出，最终优化完成的换热网络，与全部用公用工程换热相比，在节省公用工程的用量上，节能效果明显，且在利用系统内部热量时进行的物流间换热并未增加过多换热器，综上所述，本项目换热网络设计满足厂区建设要求。第二章 其他节能措施本项目为苏里格天然气处理厂合成醋酸乙烯酯60万吨/年项目，对能量的消耗量较大，在项目运行管理和日常操作的时候都应该注意节约能量。除了对项目车间进行全场换热网络热集成设计之外，还有以下值得注意的节能措施：（1）本项目氧化反应器设计为列管式固定床反应器，能量的回收利用环节，采用发生增压水副产蒸汽回收氧化反应器放出的大量热能，提高用能效率，同时保持反应器处于相对恒温的状态。（2）预平衡反应器的设置，可以一定程度上减少反应精馏塔的能量消耗。（3）本项目在空气分离单元，采用变压双效精馏技术，实现两塔之间的热联合，降低了塔顶冷凝和塔底再沸的负荷。（4）合理安排全厂蒸汽平衡和热交换网络，利用装置剩余热量对需热物流加热。同时对全厂各系统用汽加以优化，使全厂用汽与产汽之间基本达到平衡。（5）动力供应和工艺过程相结合，选择性氧化反应器用于生产低压蒸汽，以提高能量利用效率。（6）对装置及系统产生的水进行深度利用，处理后的回收水用作循环水补水；对于能够进行一水多用的设备及工艺尽量做到一水多用，从而节省水耗量，降低能耗。（7）换热器采用高效、低压降换热