8-3附录三 能量回收的换热网络设计

能量回收的换热网络设计 附录三 塞拉尼斯（南京）分厂15万t/a醋酸乙烯生产项目 能量回收的换热网络设计目 录3.1 换热网络设计概述13.2 工艺流股提取13.3 确定能量目标23.4 换热网络设计73.5 热泵蒸发分析93.6 总结12 太原理工大学 脂難而上团队 13/133.1 换热网络设计概述本项目为塞拉尼斯（南京）分厂设计的15万t/a的醋酸乙烯生产项目，运行操作成本是该项目的一个很重要的评价参数，而公用工程的消耗又是其中很重要的一部分。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。本生产项目主要以醋酸、乙烯、氧气为原料，塞拉尼斯化学公司开发的Vantage工艺合成醋酸乙烯。该工艺由原料预处理、醋酸乙烯合成、醋酸乙烯粗分离、醋酸乙烯精制和气体处理五个工段组成。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 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。本项目需要的冷公用工程包括124低压蒸汽冷凝水、20冷却水和-10冷冻剂，热公用工程包括为1.4MPa的低压蒸汽和燃料气燃烧供热，可由南京化学工业园区内公用工程站和冷冻站提供。为了充分集成过程中的热量，本项目在原料预处理工段采用了热泵蒸发技术。热泵蒸发充分利用了温差小、跨夹点传热的蒸发器，通过改变二次蒸汽温位使原本不能换热的流股有换热的可能，从而提高了可回收能量的比率，实现了较大程度的节能。3.2 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 分析后提取流股，得到的冷热流股信息如表3-1、表3-2和表3-3所示。过程流股的提取：表3-1 工艺过程物流信息表（不含热泵蒸发）工艺流股进口温度/出口温度/热负荷/kW0104_To_010514.3118.01892.710106_To_010720.0114.804020.9续表3-10108_To_0201117.1160.01190.620210_To_0301160.010.0-10651.50312_To_0313112.920.0-884.70406_To_040744.920.0-247.50409_To_041055.630.0-90.90411_To_0412295.020.0-30072.70504_To_050632.425-189.10511_To_0512101.040-832.50513_To_0514104.040-1304.6塔设备流股的提取：表3-2 塔设备物流信息表（不含热泵蒸发）塔位号换热器类型进口温度/出口温度/热负荷/kWT0303Condenser75.146.4-5582.37 T0303Reboiler110.0112.97344.55T0401Condenser103.644.9-2767.56 T0401Reboiler124.8234.125698.80T0402Condenser201.655.6-4056.45 T0402Reboiler294.4295.011152.60 反应器流股的提取：表3-3 反应器物流信息表（不含热泵蒸发）工艺流股进口温度/出口温度/热负荷/kWR0201160159.5-2803.22R0202160159.5-2803.22R0303160159.5-2803.22R0404160159.5-2803.223.3 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（不含热泵蒸发）由图3-1可知，最小传热温差为10时，总费用最小。最小传热温差为10时回收能量较多，可以达到节能的目的，同时也不过分小而导致设备投资偏大。故选取最小传热温差为10，回收较多能量的同时具有较好操作弹性。在此最小传热温差下得到组合曲线如图3-2 所示。图3-2 组合曲线（不含热泵蒸发）图3-2中存在三个平台区，经分析可知，蓝色线的110附近的冷流体低温平台主要表示醋酸蒸发过程的相变热，290附近的冷流体低温平台表示T0402再沸器加热的相变热，红色线的热流体平台表示E0202反应后的气体冷凝过程的相变热。因此可以采用热泵技术，提升蒸发所产生二次蒸汽的温位，将其用于蒸发过程的加热，从而增加系统内部的换热量。增加热泵之后，在Aspen V9中重新模拟全流程，得到新的流股信息，如表3-4、3-5和3-6所示：表3-4 工艺过程物流信息表（含热泵蒸发）工艺流股进口温度/出口温度/热负荷/kW0104_To_010514.3118.01892.730106_To_010720.0114.804020.900109_To_0110313.3186.2-4020.900110_To_0201186.2160.0-760.40210_To_0301160.010.0-10651.60312_To_0313112.920.0-884.70406_To_040744.920.0-247.50409_To_041055.630.0-90.90411_To_0412295.020.0-30072.70504_To_050632.425-189.10511_To_0512101.040-832.50513_To_0514104.040-1304.6表3-5 塔设备物流信息表（含热泵蒸发）塔位号换热器类型进口温度/出口温度/热负荷/kWT0303Condenser75.146.4-5582.37 T0303Reboiler110.0112.97344.55T0401Condenser103.644.9-2767.56 T0401Reboiler124.8234.125698.80T0402Condenser201.655.6-4056.45 T0402Reboiler294.4295.011152.60 T0303Condenser75.146.4-5582.37 表3-6 反应器物流信息表（含热泵蒸发）反应器位号进口温度/出口温度/热负荷/kWR0201160159.5-2803.22R0202160159.5-2803.22R0303160159.5-2803.22R0404160159.5-2803.22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，获得总费用-温差关系曲线如图3-3所示。图3-3 总费用与Tmin关系曲线（含热泵蒸发）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。由图可以看出，传热温差为13时总费用最小，因此此处选取最小传热温差为13。在设定最小传热温差后，获得的组合曲线如图3-4所示：图3-4 组合曲线（含热泵蒸发）从组合曲线上我们可以得到我们热集成所的能量目标；需要热公用工程能量为1.66108kJ/h，即46.1MW；需要冷公用工程能量为3.32108kJ/h，即92.3MW；夹点温度295.1、282.1。得到总组合曲线如图3-5所示。图3-5 总组合曲线（含热泵蒸发）通过对总组合曲线进行判断，可以看到需要达到的最高温度为310，理论上可能需要大量锅炉燃气。但大部分高温位的流股可以相互之间进行换热，故锅炉燃气量大大减少，同样为了节约公用工程量应该使用多种蒸汽以降低蒸汽的消耗。同时我们也将这股高温物流用于生产低压蒸汽，来回收绝大部分热量。需要达到的最低温度为10，因此需要用低温冷冻液进行降温，其他则使用循环冷却水降温。选用公用工程如表3-7所示：表3-7 公用工程选用表公用工程进口温度/出口温度/LP Steam(1.4MPa)195.0194.0Fired Heat(1000)1000500LP Steam Generation124125Cooling Water2025Refrigerant -10-33.4 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。以下为导入Aspen Energy Analyzer V9后系统推荐的换热网络方案。表3-8 换热网络方案优化对比序号方案Total Cost(Cost/s)Total Q(kJ/h)Total Area(m2)选取1SimulationBaseCase0.28154.983E+008142102A_Design2（总能耗最低）0.11082.753E+00896123A_Design30.11612.753E+008100404A_Design40.11322.759E+008105005A_Design50.11202.759E+00895296A_Design60.11072.761E+00894717A_Design70.11282.759E+008107608A_Design80.11002.767E+00890759A_Design90.10982.759E+0089092续表3-810A_Design10（总花费最少）0.10802.789E+0089300（较优）11A_Design11（总换热面积最小）0.11102.771E+0088862在Aspen Energy Analyzer V9给出的Design中，A_Design10方案的总费用最小，换热面积也相对较小，故选择该方案进行后续优化过程。设计方案如图3-6所示：图3-6 优化前的设计方案该换热网络方案设计的较为繁琐，换热器数目有50台。依据最小换热器原则，可以撤去若干台换热器，该设计方案中有部分换热器换热面积很小，热负荷也很小，这些换热器的设置并不合理，可以撤除。当一流股与多种公用工程进行换热时，可适当减少操作费，但会增加换热器数目和设备费。比如一流股先后使用冷却水和冷剂制冷时，如果冷却水冷却的负荷较小，则可直接使用冷剂制冷，以节省一台换热器的设备费。换热网络中存在较多回路，换热网络中一般不允许回路的存在，可以删去负荷或换热负荷较小的换热器，将其合并到回路中其他的换热器，打破回路，减少换热器数目，再通过路径进行网络松弛。另外，相距较远的物流间换热会使管路成本增加，增加设备投资，且操作不稳定，此类换热匹配需删除。经以上调节优化后，最终的优化方案如图3-7所示：图3-7 优化后的设计方案优化后的换热网络所需换热器台数为24台，包括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，公用工程负荷如表3-9所示：表3-9 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93.651.9145.5换热网络设计72.444.2116.6能量减少量/%22.6513.3019.86经过优化后，节能28.9MW，需要冷公用工程72.4MW，热公用工程44.2MW。需要的冷公用工程包括124低压蒸汽冷凝水、冷却水和冷冻液，需要的热公用工程包括低压蒸汽和加热炉，可由园区公用工程站和本厂提供。3.5 热泵蒸发分析在无热泵蒸发时，组合曲线如图3-8所示。图3-8 组合曲线（不含热泵蒸发）由图可以看出，在110左右存在较长的蓝色冷流体平台区，经分析可知，该平台表示醋酸蒸发过程的相变热。同时，热平台能量较大但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。通过对原料混合气进行加压升温，提高混合气的温位，将其用于蒸发过程的加热，其结构如图3-9所示。图3-9 热泵蒸发流程图若不使用热泵蒸发，醋酸蒸发过程能耗为9993.4kW；使用热泵蒸发时，压缩机能耗为4300.19kW，机械能和电能是比热能更高价值的能量形式，压缩机效率为0.72，故热泵蒸发总能耗为5972.49kW，节省4020.91kW，蒸发过程总能耗节约40.24%。在无热泵蒸发时，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。在引入热泵蒸发之后，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。在未使用热泵蒸发技术时，换热过程的组合曲线如图3-8所示，理论可回收能量为77.1MW，能量回收率为52.92%，理论所需冷公用工程55.09MW，热公用工程13.4MW。在使用热泵蒸发后，换热过程的组合曲线如图3-10所示，理论可回收能量为70.5MW，能量回收率50.94%，理论所需冷公用工程57.00MW，热公用工程10.86MW。图3-10 组合曲线（含热泵蒸发）通过对比前后组合曲线，可以发现，使用热泵蒸发技术，理论可以增加冷公用工程3.47%，减少热公用工程18.96%。可见