全工段换热网络分析

2018年“东华科技-陕鼓杯”第十二届全国大学生化工设计竞赛中国石化齐鲁石油化工公司分公司年产十六万吨异壬醇项目全工段换热网络分析团队名称： Gems Quest团队 团队成员： 王绍光 张萌 周鹏 宋震 吴郑欣 指导老师：夏力 孙晓岩 徐环斐 王政 田文德2018年7月全工段换热网络分析目录第一章 概述4第二章 工艺流股提取5第三章 夹点分析6第四章 换热网络设计8第五章 总结129第一章 概述本项目为齐鲁石化的分厂，制造成本是一个关键的考核参数，其中公用工程的消耗占了很大的一部分。运用夹点技术对流程进行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，从而减小公用工程的消耗。本项目具体可分为聚合工段、氢甲酰化工段、加氢工段、精制工段。从整个工艺流程来看，本项目需要大量的公用工程，冷公用工程包括冷却水、冷冻盐水，热公用工程包括175的中压蒸汽、250的高压蒸汽、300的导热油。冷公用工程来源于本项目厂区的循环水站和冷冻站，热公用工程来源于本项目厂区的蒸汽系统和厂区动力站为充分集成过程中的热量，本项目采用了双效精馏技术，充分利用能位较高塔的塔顶蒸汽向能位较低塔的再沸器供热同时自己也被冷凝，充分利用了能位较高塔塔顶蒸汽的相变热，从而提高了可回收能量的比率，减小公用工程用量，实现了较大程度的节能。第二章 工艺流股提取流股信息如下：(源文件“全工段数据提取”)表2-1 工艺过程流股信息表过程流股加热器名称进口温度/出口温度/能量 kJ/h1-07 To 1-12E0103185.8407.11103S5 To S6E02042585.61.861071-01 To 1-02E01013239.91.621063-18 To 4-01E030525.31004.621062-04 To 2-05E0202107403.941061-08 To 1-09E0102108.61502.331062-08 To 2-09E020325.095.23.941064-10 To PRODUCTE0401198.7401.081072-02 To 2-03E0201127.31071.621063-06 To 3-07E030215084.94.621063-04 To 3-05E0301270.31506.701053-10 To 3-11E0303265.8401.841053-14 To 3-15E0304272.3401.90105表2-2设备物流信息表塔名称加热器位置进口温度/出口温度/能量kJ/hT0402TOP198.948133198.711652.16107T0102TOP108.155441107.923311.02107T0402BOTTOM202.851318204.832211.67107T0401TOP261.297808217.32652.33105T0101TOP44.241748643.0542014.75107T0401BOTTOM267.920042268.4411.29107T0201BOTTOM181.45002181.929097.64106T0201TOP104.437979402.68106T0403TOP168.453242168.011073.56106T0403BOTTOM177.163986279.873833.04106第三章 夹点分析将上述流股数据输入到软件Aspen Energy Analyzer中，分析经济效益与最小传热温差的关系，拟合出投资费用、操作费用与最小传热温差的关系曲线如图3-1、3-2所示，图3-1 投资费用-最小传热温差关系曲线图3-2 操作费用-最小传热温差关系曲线再根据这两条曲线得到总费用与最小传热温差的关系曲线如图3-3所示，图3-3总费用-最小传热温差关系曲线由图3-3可知，最小传热温差为15。设定最小传热温差为15后，得到的冷热物流的组合曲线和总组合曲线如图3-4、图3-5所示：图3-4 组合曲线图3-5 总组合曲线需要的热公用工程为31.35MW，需要的冷公用工程为39.39MW。从图中可以看到，夹点附近存在平台，经分析，这个平台表示产品塔塔顶相变热，因此可以采用双效精馏的技术，充分利用平台上的能量，即利用塔顶蒸汽的能量，采用塔顶高能位蒸汽向能位较低塔的再沸器供热同时自己也被冷凝技术进行改进，增加系统内部的换热量，可以节省能耗。采用双效精馏技术后，公用工程耗量下降明显，达到了较好的节能效果，前后能耗对比情况如表3-1所示：表3-1普通精馏与双效精馏技术能耗对比普通精馏双效精馏技术节能率冷却能耗（MW）19.2913.3030.89%加热能耗（MW）19.4913.50总能耗（MW）38.7826.80通过分析可以看出，采用双效精馏技术可节能30.89%。第四章 换热网络设计换热网络的设计，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，同时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。将流股分流设置为12，得到12种合理的换热网络。在Aspen Energy Analyzer给出的design中以节能综合经济效益为目标选择最优的换热网络。选择原则如图4-1所示：图4-1 换热网络方案所选推荐设计方案A-Design6如图4-2所示：图4-2 优化前换热网络该换热网络的换热器数目为45台（包括精馏塔塔顶冷凝器、塔釜再沸器），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。当用多种公用工程换热时，可适当减少操作费，但会增加换热器数目和设备费。比如在使用冷却水和制冷剂冷却时，如果冷却水冷却的负荷较小，则可直接使用制冷剂，而不使用两种公用工程，以节省一台换热器的设备费，还有，换热距离太远，换热的话，管道和换热器费用太高，也可以直接使用公用工程而省去换热器。经过以上调节之后，最后获得换热网络如图4-3所示:图4-3 优化后换热网络优化后的换热网络所需换热器数目为26台，包含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。优化后的换热网络总费用更少，换热器数目更少，换热面积更小，所以此换热网络的设计达到了降低了节能综合效益的目的。将优化后的换热网络应用到aspen流程重新模拟，将模拟数据导入到软件Aspen Energy Analyzer中，得到优化后的组合曲线和总组合曲线，如图4-4、图4-5所示 ：图4-4 优化后的组合曲线图4-5 优化后的总组合曲线优化后需要热公用工程为22.55MW，冷公用工程为30.59MW。第五章 总结全工段的换热主要体现在两个方面：充分利用物流间的热量，实现了多股物流间的换热，减少了公用工程的使用量；利用双效精馏技术，充分利用能位较高塔的塔顶蒸汽向能位较低塔的再沸器供热，同时自己也被