8-能量集成及换热网络设计

吉林化工学院-Top Way团队12目 录一、概述1二、原始工艺流股提取2三、原始工艺流股的能耗分析3四、工艺流程的改进6五、改进工艺流股的提取及分析7六、换热网络的设计10七、总结12第一章 概述本项目是中国石油天然气股份有限公司吉林石化分公司年产19万吨醋酸乙烯项目，采用乙烯法合成路线，直接以吉林石化总厂所产的乙烯、醋酸为原料，和氧气混合，在PdAu负载型催化剂的催化下生产醋酸乙烯。在生产过程中运行操作成本是一个重要评价参数。原料的预热、精馏等都是非常耗能的过程，会消耗大量的公用工程。本项目工艺由醋酸乙烯合成、气体处理、醋酸乙烯精制三个工段组成。流程中冷热物流较多，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 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。 通过对本项目工艺流股温度和换热要求的分析，为了尽可能降低系统能耗费用以及总厂可供公用工程的来源，本换热网络需要的冷公用工程包括循环冷却水、除盐水，热公用工程包括为125的低压蒸汽、175的中压蒸汽、250的高压蒸汽，均可由厂区公用工程中转站提供，形成与总厂的公用工程集成。通过对系统工艺流股的能耗分析，为了尽可能地利用组合曲线平台区潜热，在工艺流程中，进一步进行了换热网络的集成和优化，总计节约能量4004.17Kw。第二章 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 V9分析后提取的流股如表1所示。表1工艺过程流股信息表设备名称换热器类型进口温度/出口温度/热负荷/kwE0101Heater131.5180.04385E0102Cooler180.067.121810E0103Cooler67.140.07428E0104Cooler42.725.087.41E0201Heater25.940.031.52T0101Reboiler138.3138.42.575T0103Reboiler90.0105.19722T0104Condenser86.866.8551.9T0105Reboiler116.0118.129090T0201Condenser90.094.025690T0201Reboiler117.4119.734490T0202Condenser57.244.11908T0202Reboiler77.978.22586T0203Condenser40.640.3187.3T0203Reboiler66.474.7256.9第三章 原始工艺流股的能耗分析在Aspen Energy Analyzer V9中评估了最小传热温差对系统经济性的影响，获得系统总费用与最小传热温差的关系曲线如图1所示。图1最小传热温差关系曲线图（不含节能措施）由图1可以看出，传热温差为10时总费用最小，因此选取最小传热温差为10。因此最小传热温差下的过程组合曲线见图2，过程总组合曲线如图3所示。图2过程组合曲线图（不含节能技术）图3优化前的总组合曲线图（不含节能技术）图3所示的组合曲线表明工艺流股中所有热流股和冷流股的换热量及温位要求。除了上述工艺流股的换热任务外，本系统中还有反应器R0101有换热要求，可以选用公用工程来实现。其中，乙烯、醋酸和氧气在催化剂的作用下反应生成醋酸乙烯。反应器R0101反应放热，反应温度为165-185，可以使用循环冷却水对R0101进行换热。第四章 工艺流程的改进本工艺的反应工段要求反应温度为165-185，反应器R0101出口温度为180，所以反应后的粗产品可以对进入反应器前的原料和来自储罐的乙烯原料进行两次预加热，能够更加充分的利用反应后粗产品的热能。来自醋酸蒸发器T0101的原料与来自反应器R0101的反应粗产品在换热器E0103中进行换热，经过反应器R0101换热一次的反应粗产品继续与来自储罐V0102的乙烯在换热器E0101中进行换热。具体的工艺过程流股信息见表2。表2工艺过程流股信息表换热器名称流股类型进口温度/出口温度/热负荷/kwE0101冷流股1091392021热流股160139E0103冷流股1311541983热流股180160第五章 改进工艺流股的提取及分析表3工艺过程流股信息表（含节能措施）设备名称换热器类型进口温度/出口温度/热负荷/kwE0101ProcessExchanger159.4138.42021E0101ProcessExchanger108.8138.52021E0102Cooler180.067.121810E0103ProcessExchanger180.0159.41983E0103ProcessExchanger131.2153.11983E0104Heater153.1180.02447E0105Cooler64.940.07642E0106Cooler42.725.086.02E0107Cooler138.464.917630T0101Heater138.1138.22.579T0103Heater90.2105.69779T0104Cooler85.865.8614.1T0105Heater117.5119.212030T0201Cooler90.253.725840T0201Heater116.4118.634260T0202Cooler90.253.725840T0202Heater75.475.52479T0203Cooler40.640.2181.4T0203Heater64.973.6277.8对最小传热温差进行经济评估，得到新的总费用-最小传热温差关系曲线，见图4。图4总费用-最小传热温差关系曲线图（含节能技术）可以看出，随着最小传热温差的增大，总费用先减小后增大。选择总费用最小时的最小传热温差：10。得到优化后的过程组合曲线图及总组合曲线图：图5过程组合曲线图（含节能技术）图6总组合曲线图（含节能技术）第六章 换热网络的设计图7未优化的换热网络在此换热网络下的公用工程数据以及能耗如下：图8公用工程数据以及能耗换热网络的设计，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，另外，相距较远的物流间换热会使管路成本增大，增加设备投资成本，且操作不稳定，此类换热器也需要删除。以便获得最为合理的换热网络。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。优化后的换热网络如图9所示。图9优化后的换热网络图10优化后反应器出口换热优化后的换热网络所需要的换热器数目为21台，包括2台热量回收利用换热器（E0101,E0103），可回收热量4004.17KW。第七章 总结在该换热网络中，公用工程使用情况如表4所示。表4换热网络公用工程信息表项目热公用工程/kW冷公用工程/kW总计/kW直接公用工程（优化前）124000110600234600换热网络设计103600108200211800能耗减少量/%16.452.179.72因此，本项目经过优化后，可节省公用工程22800kW，能量回收率为9.72%，其中，所需热公用工程为103600kW，所需冷公用工程为108200kW。本项目所使用的冷公用工程为：循环冷却水，除盐水；所使用的热公用工程为：125的低压蒸汽、175的中压蒸汽和250的高压蒸汽。公用工