9-节能优化与换热网络

年产10万吨MMA副产1万吨MAA异丁烯资源化利用项目 节能优化和换热网络2年产10万吨MMA副产1万吨MAA异丁烯资源化利用项目 节能优化和换热网络目录第一章 概述3第二章 换热流股和公用工程的确定4第三章 确定能量目标6第四章 换热网络的设计与优化11第五章 热泵精馏及双效精馏热耦合节能分析效果14第六章 节能综合效益分析18第七章 总结19第一章 概述本项目为天津石化分厂年产10万吨MMA副产1万吨MAA异丁烯资源化利用项目，因原料的预热、产品的降温、精馏塔都是非常耗能的过程，故运行成本是其中一个很重要的考核参数，其中很重要的一部分是公用工程的消耗，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的集成和最大化利用，减少公用工程的消耗。本项目采用异丁烯催化精馏制叔丁醇，经氧化为甲基丙烯醛再氧化酯化制甲基丙烯酸甲酯的工艺，该工艺由异丁烯水合氧化工段、甲基丙烯酸甲酯合成精制工段、变压提酸工段共三个工段组成。为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。我们运用Aspen Energy Analyzer V9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冷公用工程，包括冷却水、-5的制冷系统（冷冻盐水）两个等级，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，所使用的热公用工程为0.5MPa、150的低压蒸汽、1.0MPa、180的中压蒸汽。所用公用工程来源均来自天津石化的资料和数据分析。冷公用工程使用本项目厂区内的循环水站及冷冻站产生，热公用工程由本项目厂区公用工程站提供。为了充分集成过程中的热量，本项目采用了热耦合精馏在变压提酸工段上节省能量，同时设计全厂换热网络来提高能量集成的效果。本项目采用热泵技术、热耦合技术、夹点分析技术，节省冷公用工程15.85%，热公用工程22.71%。第二章 换热流股和公用工程的确定之后开始过程流股的提取过程，其中注意的是需要将中间流股和塔设备的流股分来来看，其中排除几个流股不输入，如R0101使用冷公用工程进行换热产生低压蒸汽，在本项目公用工程统计时依然会考虑这部分冷公用工程。过程过程流股提取如下：表 2-1 过程流股物流信息表（不含热泵、热耦合精馏）过程名称进口温度/出口温度/热负荷/kWS26_To_S8399.4942.001474.25S38_To_S1077.525.424153.30S5_To_S6229.58130.00986.82S29_To_S6370.8468.1311899.21S55_To_S2104.5696.409650.02S58_To_S10380.0010.007364.67S84_To_S16355.0042.0025860.30S99_To_S74151.3645.002104.4104_To_S7134.92166.551956.76S72_To_S102132.5430.00216.55表 2-2 塔设备物流信息表（不含热泵、热耦合精馏）塔位号换热器类型进口温度/出口温度/热负荷/kWT0101Condenser52.1151.584257.52T0101Reboiler62.1964.161147.21T0101Reboiler133.40134.923007.65T0102Condenser119.21118.32208.21T0102Reboiler156.89157.363184.61T0103Condenser69.3346.737756.14T0103Reboiler79.6491.177291.38T0201Condenser71.5470.847088.04T0201Reboiler85.44101.3824059.73T0202Condenser103.02102.3018660.26T0202Reboiler151.36155.6631091.98T0203Condenser64.5955.795297.77T0203Reboiler95.4998.785329.93T0301Condenser156.17150.849841.55T0301Reboiler158.79158.8710830.97T0302Condenser74.6765.5810793.53T0302Reboiler132.54148.089841.56由于设计的异丁烯资源化装置建立在天津石化，因此所需要的公用工程需要确定，根据调查，得到可以使用的公用工程情况如下：表2-3 公用工程物流信息表过程名称进口温度/出口温度/冷却水3242中压蒸汽180179高压蒸汽242.6241.6低压蒸汽151.9150.9冷冻盐水-50第三章 确定能量目标将上述工艺流股信息输入到Aspen Energy Analyzer V9，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 总费用与Tmin关系曲线（不含热泵、热耦合精馏）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。分析此图可以看出，最高效的传热温差为5，但是鉴于最小传热温差增大可以减少公用工程的耗费，就经验来说选取最小传热温差为8比较合理。在设定最小传热温差后，获得的组合曲线如下图所示。图3-2 组合曲线（不含热泵、热耦合精馏）由图可以看出，夹点附近存在较长的倾斜平台区，经分析可知，蓝色线的冷流体平台表示T0101中间再沸器沸腾过程的相变热和T0302再沸器沸腾过程的相变热，红色线的热流体平台表示T0101和T0301塔顶冷凝器冷凝过程的相变热，T0101中间再沸器和T0101塔顶冷凝器温差很小，因此T0101可以采用热泵精馏技术，利用热泵精馏技术可以提升热组合曲线的温位，改变组合曲线热平台；T0301和T0302可以采用变压精馏和热耦合精馏技术结合的方法，增加系统内部的换热量。增加热泵和热耦合精馏之后，在Aspen中重新模拟全流程，得到新的流股信息，如表3-3、3-4所示：表 3-3 过程流股物流信息表（含热泵、热耦合精馏）过程名称进口温度/出口温度/热负荷/kWS26_To_S8399.4942.001474.25S38_To_S1077.525.424153.30S5_To_S6229.58130.00986.82S29_To_S6370.8468.1311899.21S55_To_S2104.5696.409650.02S58_To_S10380.0010.007364.67S84_To_S16355.0042.0025860.30S99_To_S74151.3645.002104.4104_To_S7134.92166.551956.76S72_To_S102132.5430.00216.55表 3-4 塔设备物流信息表（含热泵、热耦合精馏）塔位号换热器类型进口温度/出口温度/热负荷/kWT0101Condenser52.1151.583186.16T0101Reboiler133.40134.923007.65T0102Condenser119.21118.32208.21T0102Reboiler156.89157.363184.61T0103Condenser69.3346.737756.14T0103Reboiler79.6491.177291.38T0201Condenser71.5470.847088.04T0201Reboiler85.44101.3824059.73T0202Condenser103.02102.3018660.26T0202Reboiler151.36155.6631091.98T0203Condenser64.5955.795297.77T0203Reboiler95.4998.785329.93T0301Reboiler158.79158.8710830.97T0302Condenser74.6765.5810793.53将以上流股信息输入Aspen Energy Analyzer V9中。对最小传热温差进行经济评估，获得固定费用-温差、操作成本费用-温差、总费用-温差关系曲线如图3-3、图3-4、图3-5所示。图3-3 固定费用与Tmin关系曲线（含热泵、热耦合精馏）图3-4 操作费用与Tmin关系曲线（含热泵、热耦合精馏）图3-5 总费用与Tmin关系曲线（含热泵、热耦合精馏）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。分析此图可以看出，最高效的传热温差为5，但是鉴于最小传热温差增大可以减少公用工程的耗费，就经验来说选取最小传热温差为8比较合理。在设定最小传热温差后，获得的组合曲线如下图所示：图3-6 组合曲线（含热泵、热耦合精馏）从组合曲线上得到热集成的能量目标：需要热公用工程能量为57900kw；需要冷公用工程能量为86665kw；夹点温度为103.4，95.4。得到总组合曲线如图3-7所示。图3-7 总组合曲线（含热泵、热耦合精馏）通过对总组合曲线进行判断，可以得出流程内部换热后，需要达到的最高温度在250以下，因此只需要蒸汽进行加热即可，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，因此我们热公用工程采用150的低压蒸汽、180的中压蒸汽。需要达到的最低温度为5，由于天津石化的冷公用工程最低温度32，因此需要用到冷冻盐水进行降温。同时，冷公用工程还使用循环冷却水进行换热。第四章 换热网络的设计与优化换热网络的设计，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。为简化换热网络，将从flow sheet中得到的流股分流设置为1。充分考虑股间换热的可能性，在Aspen Energy Analyzer V9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过程，如下图所示：图4-1 preview forbidden分析图4-2 推荐设计的自由度分析之后得到10个初步设计如下图所示，而系统比较的是换热面积和节省能量方面，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过程，如图所示，A_DESIGN8作为最合理的初步设计方案。图4-3 ASPEN推荐设计的比较情况设计方案如图4-4所示：图4-4 优化前的设计方案该换热网络的换热器数目为42台，按照最小换热器台数原则，还可以撤去若干台换热器。该换热网络中有部分换热器换热面积很小，热负荷也很小，可以删去。在松弛和消融的过程中主要要注意一下几个方面：第一，对于在换热过程中发生相变化或组成变化的物流，其热容流率CP值并非一个常数，但是能量分析器中默认为常数处理。当牵涉到多公用工程换热时，冷却水与制冷剂的负荷分配与能量分析器计算是有出入的，因为CP不应作为常数处理。比如分离反应产物时，需要将产物与未反应的气体分离，需用冷凝器来实现该过程，由于物料组成的变化，CP也不断变化，实际上两种公用工程的负荷分配与能量分析器给的结果不同。如果冷却水冷却的负荷较小，则可直接使用制冷剂，不使用两种公用工程，以节省一台换热器的设备费。第二，在换热网络中出现的换热器回路也是使得操作费用增加的原因，在实际操作中，一般不能有回路的存在，故应该合并内的两台或多台换热器，使得回路被打破，系统自由度降低。所谓回路，主要在换热比较频繁的位置。第三，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，但是多次换热中不仅存在这换热设备的负担，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设置的障碍，因此需要将某些换热频繁的流股进行简化，此时可以通过夹点换热，以达到消融和松弛的目的。以上三个原因增加了换热器台数，用 Aspen Plus V9的 HeatX 模块模拟工艺物流的换热，获得准确的换热量，剔除掉换热量较小的换热器。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。经过以上调节之后，得到优化之后的换热网络如下：图4-5 优化后的设计方案优化后的换热网络所需换热器数目为26台，数目减少且结构更为精简，符合换热网络的节能要求。其中包含2个流股热量回收利用的换热器，而且符合最小传热温差的要求，可回收热量10.48MW。优化后共需要冷公用工程112.87MW，热公用工程80.83MW。不含股间换热的情况共需要冷公用工程123.35MW，热公用工程93.60MW。冷量节省8.5%，热量节省13.6%。所使用的冷公用工程为：冷却水（32）、冷冻盐水（-5）；所使用的热公用工程为：中压蒸汽（1.0MPa）、低压蒸汽（0.5MPa）。第五章 热泵精馏及双效精馏热耦合节能分析效果在无热泵、热耦合精馏时，组合曲线如图5-1所示。图5-1 组合曲线（不含热泵精馏、热耦合精馏）一、热泵精馏节能分析T0101如采用普通精馏，塔顶温度为52，塔底温度为135，塔顶塔底温度差较大，因此为获得更大经济效益，采用增加中间再沸器来降低温度的品位，中间再沸器温度为64。由图可以看出，在60左右存在较长的倾斜平台区，经分析可以，蓝色线的冷流体平台表示T0101中间再沸器沸腾过程的相变热，红色线的热流体平台表示T0101塔顶冷凝器冷凝过程的相变热，两者温差10左右，不足以达到最小传热温差，使过程中可供回收的热量减少，通过改变物质的汽化温度，使两平台“错开”，从而回收更多的热量。结合以上原因，我们设计了中间再沸器热泵精馏的方式进行有效的能量回收。通过热泵，将功转化为热能，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。通过对T0101塔顶蒸气进行加压升温，提高蒸气的温位，将其用于中间再沸器的加热，其结构如图5-2所示。B21-塔顶冷凝器 B51、B2-中间再沸器 B60-压缩机若不使用热泵精馏，所需冷公用工程为4.26MW，热公用工程为4.15MW，总能耗8.41MW；使用热泵精馏时，所需冷公用工程为3.11MW，热公用工程为3.01MW，压缩机电耗为0.12MW，机械能和电能是比热能更高价值的能量形式，电热转换系数约为3.29，故热泵精馏总能耗为6.51MW，总能耗节约22.5%。通过对比前后组合曲线，可以发现，使用热泵精馏技术，理论可以减少冷公用工程26.9%，热公用工程27.6%，经济效益如下表所示：表 5-1 普通精馏和热泵精馏经济效益对比普通精馏热泵精馏对比冷却水/tonneh-136726899低压蒸汽/ tonneh-1752电/kwh0115-115年操作费用/万：冷却水单价 1元/吨；低压蒸汽单价200元/吨；电能0.7元/度；年操作费用以330天（7920h）计二、双效精馏热耦合节能分析由图可以看出，在150左右存在较长的倾斜平台区，经分析可知，蓝色线的冷流体平台表示T0302再沸器沸腾过程的相变热，红色线的热流体平台表示T0301塔顶冷凝器冷凝过程的相变热，且跨过了窄点。同时，该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，如果通过改变塔的操作压力，使两平台“错开”，从而回收更多的能量。结合以上两点原因，我们设计了变压热耦合精馏的方式来进行有效的能量回收。通过热耦合精馏，无需外界能量即能提高流股的温位，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，可以节省大量的冷量与热量，从而节能。通过对两个塔的操作压力进行调整，提高高压塔塔顶气体的温位，将其用于低压塔塔底液体的加热，从而达到热耦合的效果，其结构如图5-3所示。图5-3 热耦合精馏流程图B063-加压共沸塔 B070-减压产品塔 B32-产品冷凝器若不使用热耦合精馏，双塔精馏所需冷公用工程为20.59MW，热公用工程为20.63MW；使用双效精馏热耦合时，所需冷公用工程为10.76MW，热公用工程为10.80MW，计算可得冷公用工程节省47.7%,热公用工程节省47.8%。可见，利用热耦合技术可以改变组合曲线热平台，以此实现有效的能量回收，实现节能，同时节省一台换热器，降低总生产成本。同时，在热耦合精馏时，从组合曲线上我们可以看到，夹点的两侧有因为物质汽化潜热所造成的“热平台”，使得过程可以回收的热量很小。在引入热耦合之后，由于流股的温位提升,使得热平台中热流股的一部分提高，可以和冷流股进行更多的换热，于是提高了能量回收率。第六章 节能综合效益分析在该换热网络中，公用工程使用情况如表6-1所示：表 6-1 换热网络公用工程信息表项目冷公用工程/MW热公用工程/MW总计/MW直接公用工程