能量分析与换热网络

2019年“东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛兖矿国泰化工有限公司年产20万吨醋酸乙烯项目能量集成与换热网络设计TNT团队团队成员：张磊 高婷婷 徐希蒙 周国正 王健指导老师：于鲁汕 宋峰 孟秀霞 张津津 黄昊飞目录1.概述32.原始工艺流股提取43.原始工艺流股的能耗分析53.1脱气工段53.2醋酸乙烯和醋酸的精制工段64.换热网络的设计与优化74.1脱气工段74.2醋酸乙烯和醋酸精制工段115.总结141. 概述本项目是兖矿国泰化工有限公司年产20万吨醋酸乙烯项目。该项目采用乙炔法合成醋酸乙烯，后经提纯，精制得到主产品醋酸乙烯和副产品乙醛。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工段、脱气工段、乙醛精制工段、醋酸乙烯和醋酸精制工段四个工段组成。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 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。通过对本项目工艺流股温位和换热要求的分析，为了尽可能降低系统能耗费用以及工业园区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和冷冻剂，热公用工程包括为125的低压蒸汽、175的中压蒸汽和250的高压蒸汽，均可由厂区公用工程站和冷冻站提供。通过对系统工艺流股的能耗分析，我们进行了换热网络的集成和优化，可以节约热公用工程24950KW，占比31.23%，冷公用工程12480KW，占比35.56%。2. 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 V10分析后提取的流股如下表1和表2所示（物流号及设备标号参照第二工段-脱气（优化前）.bkp和第四工段-醋酸乙烯和醋酸精制（优化前）.bkp）。表1 工艺过程物流信息表（不含节能措施）过程流股加热器名称进口温度/出口温度/热负荷/KW11 TO E0201outE02012203511958.3F0401heatF040142.478292.5F0401D-TO-E0403OUTE04017838240.6T0402D-TO-E0401OUTE040368.433957.78表2 塔设备物流信息表（不含节能措施）塔位号换热器类型进口温 /出口温度/ 负荷/（KW）T0201Reboiler87.595.32100.3T0201Condenser28.32.367.64T0204Reboiler94105155.1T0204Condenser92.649.854.75T0401Reboiler123.11276591.7T0401Condenser76.272.86277.8T0402Reboiler81.681.84041.7T0403Condenser100.742.48083.3T0403Reboiler129.2129.68697.23. 原始工艺流股的能耗分析3.1 脱气工段在Aspen Energy Analyzer V10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所示.图 3-1 脱气工段费用-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3.6时总费用最小，因此选取最小传热温差为3.6。在此最小传热温差下的过程组合曲线见图3-2，总组合曲线如图3-3所示。图 3-2过程组合曲线图（不含节能技术）图 3-3 优化前的总组合曲线图（不含节能技术）3.2 醋酸乙烯和醋酸的精制工段图3-4醋酸乙烯和醋酸精制工段费用-最小传热温差关系曲线图（不含节能措施）由图3-4可以看出，传热温差为3.4时总费用最小，因此选取最小传热温差为3.4。在此最小传热温差下的过程组合曲线见图3-5，总组合曲线如图3-6所示。图 3-5过程组合曲线图（不含节能技术）图3-6 优化前的总组合曲线图（不含节能技术）4. 换热网络的设计与优化4.1 脱气工段换热网络的设计，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 V10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 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_DESIGN2作为最合理的初步设计方案，A_DESIGN2的经济系数为4.60810-3。图4-2ASPEN推荐设计的比较情况设计方案如图4-3所示：图4-3优化前的设计方案该换热网络的换热器数目为6台。在松弛和消融的过程中主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 V10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4-4 优化后的设计方案优化后的换热网络所需换热器数目为8台，符合换热网络的节能要求。图4-5优化前的花费图4-6优化后的花费图4-7优化前冷公用工程总量图4-8优化后冷公用工程总量图4-9优化前热公用工程总量图4-10优化后热公用工程总量优化前共需冷公用工程12.1MW，热公用工程2.26MW。优化后共需要冷公用工程9.84MW，热公用工程0MW。冷量节省18.7%，热量节省100%。所使用的冷公用工程为：冷却水（20）、冷冻盐水（-25）；所使用的热公用工程为：高压蒸汽（4MPa）。4.2 醋酸乙烯和醋酸精制工段图4-11 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_DESIGN3作为最合理的初步设计方案，A_DESIGN3的经济系数为3.88310-2。图4-12 ASPEN推荐设计的比较情况设计方案如图4-13所示：图4-13 优化前的设计方案该换热网络的换热器数目为10台。经过调节之后，得到优化之后的换热网络如下：图4-14 优化后的设计方案优化后的换热网络所需换热器数目为15台，符合换热网络的节能要求。图4-15优化前的花费图4-16优化后的花费图4-17优化前冷公用工程总量图4-18优化后冷公用工程总量图4-19优化前热公用工程总量图4-20优化后热公用工程总量优化前共需冷公用工程16.05MW，热公用工程19.7MW。优化后共需要冷公用工程11.7MW，热公用工程15.36MW。冷量节省27.1%，热量节省22%。所使用的冷公用工程为：冷却水（20）、冷冻盐水（-25）；所使用的热公用工程为：低压蒸汽（0.2MPa），中压蒸汽（0.8MPa）。5. 总结本项目使用了热集成节能技术，运用了Aspen Energy Analyzer V10软件，实现了较大能量回用的换热网络设计，节约了大量能量。本项目通过热集成技术，所需热公用工程为44.78MW，所需冷公用工程为35.08MW，实现了较大程度的能量回收利用。其中，冷公用工程包括副产1.842MW的低压蒸汽并入中压蒸汽管道，节省了公用工程和水量。本项目所使用的冷公用工程为：循环冷却水和冷冻盐水（-25）；所使用的热公用工程为：高压蒸汽（4.0MPa）、中压蒸汽（0.8MPa）和低压蒸汽（0.2MPa）。公用工程