8-能量集成及换热网络设计

目录1概述32工艺流股提取33确定能量目标44换热网络设计85热泵利用分析96总结111概述本项目为南京塞拉尼斯化工有限责任公司设计一座年产10万吨醋酸乙烯的分厂。该项目采用乙烯气相法，以扬子石化生产的纯度为99.99%的高纯乙烯，以及周围厂区供应的氧气，氮气（保护气），醋酸反应生成附加值更高的醋酸乙烯。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。该工艺由醋酸乙烯合成、提纯循环、产品精制三个工段组成。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 V8.4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。本项目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175的中蒸汽、125的低压蒸汽和400的热油，可由厂区公用工程站和冷冻站提供，均与母厂集成。通过对换热网络的集成和优化，我们可以回收热量10280kW，占比30.64%。2工艺流股提取我们提取过程中可用于能量集成的工艺流股，如下表所示。其中，不包含反应器R0101以及相关流股。但在反应器设计过程中，我们对R0101使用了热公用工程进行换热以稳定反应温度，不在之后的Aspen Energy Analyzer进行分析，但本项目公用工程统计时依然会考虑这部分公用工程，这一点在后续会有进一步说明。Aspen中的流股信息导入Aspen Energy Analyzer中，过程流股的提取如下：图 2-1 流股信息图（优化前）3确定能量目标将上述工艺流股信息输入到Aspen Energy Analyzer V8.4，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-最小传热温差关系曲线图当最小传热温差为15时，总费用达到最小值。最后选择总费用相对小且可实现的最小传热温差：15。将最小传热温差设为15.00，得到未优化的过程组合曲线图：图 3-2 优化前的过程组合曲线图图 3-3 优化前的总组合曲线图通过对组合曲线进行分析，可以得出流程内部换热后，需要达到的最高温度在287，由图可以看出，夹点附近存在较长的平台区，经分析可知，蓝色线的冷流体平台表示T0302塔底再沸液体蒸发过程的相变热，红色线的热流体平台较少。本项目利用反应器R0101出料作为热源给自己的进料进行加热及来自T0203的循环醋酸给循环气加热，在Aspen中重新模拟全流程，得到新的流股信息，如下表所示：表 3-1 流股信息图（优化后）对最小传热温差进行经济评估，总费用-最小传热温差关系曲线图：图 3-4 总费用-最小传热温差关系曲线图可以看出，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：19.5。将最小传热温差设为19.5，我们可以得到热集成过程的能量目标：图 3-5 过程的能量目标由上图可以看出，需要热公用工程能量为：5.696107kJ/h=15822.2kW需要冷公用工程能量为:2.916107kJ/h=8100kW夹点温度为：热流股121.8；冷流股102.3得到优化后的过程组合曲线图及总组合曲线图：图3-6 优化后的过程组合曲线图图3-7 优化后的总组合曲线图通过对组合曲线进行分析，可以得出流程内部换热后，需要达到的最高温度在287，由保持反应器温度的热公用工程热油进行加热，其他使用蒸汽进行加热，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400的热油、125的低压蒸汽、和175的中压蒸汽。需要达到的最低温度为20，因此需要采用低温冷冻剂，其他使用循环冷却水冷却即可。4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，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。在Aspen Energy Analyzer V8.4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。设计方案如下图所示：图 4-1 设计方案图分析比较3种Design的Total Cost，综合考虑所需费用以及换热面积，选用Design 3进行后续的优化过程。未优化前的换热网络：图 4-2 未优化前的换热网络经过以上调整，将换热网络优化为：图4-3 优化后的换热网络图优化后的换热网络所需要的换热器数目为23台，包括3台热量回收利用换热器，换热器数目改变使得结构更加合理，能够满足生产要求。可回收热量10280kW。5热泵利用分析在无热泵技术的情况下时，组合曲线如图5-1所示。图5-1 组合曲线（不含节能措施）由图可以看出，在65左右存在平台区且热量较大，经分析可知，该平台处有一部分为醋酸乙烯精制精馏塔（T0304），塔顶塔底温差为47.4，且存在较大的相变热，可以采用热泵技术。如果通过改变物质的汽化温度，使两平台“错开”，从而回收更多的能量。结合以上两点原因，我们设计了热泵蒸发的方式来进行有效的能量回收。通过热泵蒸发，将功转化成热能，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。将醋酸乙烯精制精馏塔T0304的冷凝器取消，直接引出塔顶气相，通过压缩机加压，使得塔顶气相的温度提高一个等级，作为热源至塔釜再沸器换热，放出热量冷凝部分气体，再经节流阀减压降温，由于醋酸乙烯产品纯度要求，故在节流后继续通过较为经济的二次冷凝，用公用工程降温至21，从而得到符合产品要求的醋酸乙烯，一部分液体回流至塔内进行再次分离。塔釜则在换热过程中已经达到再沸负荷的要求，考虑压缩机做功和冷却器能耗，热泵技术比无热泵技术节省能耗58.5985kW，节省幅度达39.04%。热泵技术节省冷耗22.42%，节省热耗100%。其结构如图所示：图5-2 塔顶气体压缩式热泵精馏流程图6总结本项目使用了夹点分析和热集成节能技术，运用了Aspen Energy Analyzer V8.4软件，得到适用于本系统的换热网络方案。使厂区内的冷热物流在合理范围内换热，从而达到节省能量的目的，最终获得一个能量较大回用的换热网络，相较于热集成技术直接用公用工程进行换热的换热网络，运用热集成前后能耗对比如下：表6-1公用工程对比表项目冷公用工程/MW热公用工程/MW总计/MW直接公用工程9.1125.0934.2 换热网络设计8.115.8223.92能量减少量/%11.0936.9530.64可以发现产生了节能效果，加强了生产过程的经济性，能量回收率（节能率）达到30.64%，本项目所使用的冷公用工程为：空气、循环冷却水、-25冷却剂（冷冻盐水）；所使用的热公用工程为：400的热油、125的低压蒸汽和175的中压蒸汽。公用工程均可由厂区公用工程站和冷冻站提供。表6-2 本项目公用工