8-换热网络与节能设计

换热网络与节能设计2018年“东华科技-陕鼓杯”第十二届全国大学生化工设计竞赛京博石化年产6万吨高纯MMA项目换热网络与节能设计团队名称：the Chosen Youth指导老师：周颖、关珺、何德民团队成员：刘伟旭、王悦琳、郑雨芩、覃渫兰、林佳豪目录1换热网络的设计11.1概述11.2确定流股信息11.2.1工艺物流信息11.2.2公用工程规格31.2.3确定能量目标31.3换热网络的优化41.3.1组合曲线平台区能量的利用41.3.2重新提取流股信息51.4绘制优化后组合曲线与确定夹点温度62换热网络方案82.1初始设计方案82.2优化方案的确定82.3优化方案的分析92.4换热网络在工艺流程中的应用102.4.1闭式热泵循环102.4.2工艺流股间的换热111 换热网络的设计1.1 概述本项目是京博石化年产6万吨高纯MMA，是山东省京博石油化工有限公司的分厂，运行操作成本是一个重要评价参数。在整个流程中，原料的预热、共沸精馏、精馏等都是非常耗能的过程，会消耗大量的公用工程。换热网络是化工工业过程能量回收的重要手段，对化工生产降低能耗有着重要的意义。合理的利用热物流去加热冷物流，减少公用工程辅助加热和冷却负荷，可以能提高整个过程系统的能量利用率和经济性。本项目中需要的热公用工程有中压蒸汽、低压蒸汽，需要的冷公用工程有循环冷却水和冷冻盐水，均可由总厂和工业园区获得。以夹点技术为基础，利用Aspen Energy Analyzer 进行换热网络设计优化，通过调节流股之间的热交换，减少公用工程用量，合理优化并确定出具有最小总费用，即设备费和操作费最小，且满足把每个过程物流由初温达到规定目标温度的换热网络。1.2 确定流股信息1.2.1 工艺物流信息利用Aspen Energy Analyzer 软件自动导入Aspen Plus 中模拟的总流程信息，并适当修改和补充部分物流信息，如表1-1所示。表1-1 流股信息提取表（不含热泵）NameInletT () OutletT ()Enthalpy (kJ/h)说明0401_To_041925664026666正己烷预热器0416_To_04111183520420170废水冷却器0413_To_0410256511034779甲醇回收预热器0402_To_041810035977578MMA冷凝器0101-1_To_0101-4623803639776原料换热器续表OUT_To_OUT299.940562882废水冷凝器0217_To_H2O-399.9204974551甲醇预热器0105_To_02023801006657551进料冷凝器CH4O_To_02162063208719甲醇预热器To CondenserT0402_TO_041283.26134059348甲醇塔顶冷凝器To ReboilerT0203_TO_021099.999.9241524504.5013514MAL精馏塔再沸器To CondenserT0203_TO_021869.861.540774365MAL塔顶冷凝塔To ReboilerT0402_TO_0416Duplicate115.911847976586甲醇再沸器To CondenserT0401_TO_04034948.9169035035.60275MMA冷凝器To ReboilerT0401_TO_0402Duplicate99.6100169989691MMA再沸器注：表示物流升温吸热，表示物流降温放热。1.2.2 公用工程规格公用工程循环冷却水入水温度为20，回水温度28；冷冻盐水进水温度7，回水温度15；加热蒸汽选0.2Mpa低压蒸汽，0.8Mpa低压蒸汽和2.5MPa中压蒸汽（压力均为表压）。表1-2 公用工程信息表NameInletT () OutletT()Cooling Water715water20.028MP175174LP125124HP2502491.2.3 确定能量目标将上述工艺流股信息输入到Aspen Energy Analyzer V8.6，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1-1所示。图1-1 总费用与Tmin关系曲线(优化前)图1-2 最小传热温差与装置成本、能耗成本的关系（优化前）由图1-2可知，最小传热温差为14时，总费用最小。选择最小传热温差为14，得到组合曲线如图1-3所示图1-3 组合曲线(优化前)1.3 换热网络的优化1.3.1 组合曲线平台区能量的利用从系统的组合曲线中可以看出，夹点附近存在较长的倾斜平台区，经分析可知，蓝色线的冷流体平台表示T0401再沸器的相变热，红色线的热流体平台表示T0401冷凝器的相变热，两者温差较小。为了降低相变过程（组合曲线上的平台区）对公用工程的需求，本项目运用热泵技术对平台区进行优化。热泵技术是指通过由外部输入的能量做功来提高排出热量的温位，再返回塔底以满足再沸器的用能需求，而不必改变塔的操作压力。由于T0401的塔顶和为正己烷和甲醇共沸物，不适于直接压缩，因此采用辅助介质氨进行热泵循环。优化方案是通过对T0401进行间接压缩式循环热泵，使用一个闭式热泵，热泵工质通过利用MMA共沸塔出料的热量加热，后经压缩后在塔低冷凝，从而充当再沸器的热源，实现工质循环，达到能量充分利用的目的。1.3.2 重新提取流股信息在确定平台优化方案后，需要将Aspen plus中流股重新模拟，重新提取新的流股信息。表1-3 流股信息提取表（含热泵）NameInletT ()OutletT ()Enthalpy(kJ/h)说明NH3-3_To_NH3-4214.106.8169974446MMA再沸器NH3-2_To_NH3-138838.559031596辅助冷凝器NH3-1_To_NH3-238.538.9169034584MMA再沸器NH3-8_To_NH3-1138.838.96118864辅助加热器0401_To_041920664490422正己烷预热器CON-IN_To_CON-OUT53.948.9169034584MMA冷凝器0402_To_0418100359777190101-1_To_0101-461.63803639775原料换热器0416_To_0411118.53520420025废水冷却器0105_To_0202380.1006657550进料冷凝器EB-IN_To_REB-OUT99.6100170024294MMA再沸器OUT_To_OUT299.940562807废水冷凝器续表0217_To_H2O-399.9204973887循环废水冷凝器0413_To_0410256511034763甲醇回收预热器CH4O_To_02162063208719甲醇预热器To CondenserT0402_TO_04128361.534059105甲醇塔顶冷凝器To ReboilerT0203_TO_021099.899.941519168.6200099MAL精馏塔再沸器To CondenserT0203_TO_021869.861.540774167MAL塔顶冷凝塔To ReboilerT0402_TO_0416Duplicate115.9118.547976269甲醇再沸器注：表示物流升温吸热，表示物流降温放热。表1-4 公用工程信息表NameInletT () OutletT()Cooling Water715water20.028LP1251241.4 绘制优化后组合曲线与确定夹点温度将Aspen Plus重新模拟后得到的流股数据输入到Aspen Energy Analyzer中，分析最小传热温差与装置投资成本、能耗成本的关系，并拟合出总费用与最小传热温差的关系曲线，如图1-4所示图1-4 最小传热温差与总费用的关系（优化后）由最小传热温差与总费用之间的关系图可以发现，当温差为10时，项目的总费用最低，设定最小传热温差为10后，得到优化后的组合曲线图如图1-5图1-5组合曲线图（优化后）通过组合曲线图（温焓图）可以看出，系统有较大的能量可以通过冷热物流的匹配换热达到回收的目的。2 换热网络方案2.1 初始设计方案换热网络的设计，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。初始的设计方案如图2-1所示：图2-1 优化前的设计方案该设计方案中，没有能量的集成，所有的工艺物流都是公用工程进行加热或者冷却，操作费较大，需要进行进一步优化。2.2 优化方案的确定通过夹点原理进行物流之间的换热匹配，在设计过程中不仅要考虑最大能量回收，还要考虑由于换热面积所产生的设备费用。针对Aspen Energy Analyzer推荐的换热方案进行进行手动调整，为了保证最小换热器台数原则，应该断裂loop回路，故应该删去负荷或者换热面积较小的换热器，将其合并到换热器，打破回路，减少换热器数目。再通过能量松弛，使换热器的数目进一步减少。但是，也要注意对于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，此类换热器需要删除。在调整优化的过程中主要遵循以下几个原则： （1）采用合并换热器等方法打破回路（Loop）；（2）减少换热设备数量，去掉较小的换热器。（3）避免因距离太远而管路成本过高的换热关系。（4）避免流股大量分割；经过以上调节之后，最后获得换热网络如图2-2所示。图2-2 优化后的设计方案优化后的换热网络所需换热器数目为18台，包含5个流股热量回收利用的换热器，数目减少且结构更为精简，回收热量。其中，需要的冷公用工程包括冷冻盐水和循环冷却水，需要的热公用工程包括0.2MPA低压蒸汽和0.8MPa低压蒸，可由园区公用工程站和总厂提供。2.3 优化方案的分析优化后的换热网络，运用了热集成方法，对工艺物流之间进行换热，减少了公用工程的用量。而且Aspen Energy Analyzer推荐的换热方案的基础上，断裂了换热回路，减少了换热器的数目，从而使设备费减少，最终使总费用降低。设计换热网络后，由于引入的热泵技术中压缩机消耗电能，电是比蒸汽品质更高的能源，两者之间的转换系数为3，将电耗折算成蒸汽负荷。表2-1 换热网络设计前后经济指标项目热负荷/KW优化前优化后循环冷却水7569847193冷冻盐水138113230.2MPa低压蒸汽62993136280.8MPa低压蒸汽1358813328.72.5MPa中压蒸汽2150电转化成蒸汽热负荷048053在未进行换热网络的优化设计前，装置的加热、冷却公用工程的量较大，操作费用大，因此总费用偏高。而在设计换热网络之后，冷热公用工程需求量减少，操作费用也相应减少。由此可知换热网络设计有着显著效果，有助于热量的多级高效利用，降低运行成本，更加经济合理。但是由于使用了热泵节能技术，使得设备费用增加，但是总费用仍然比设计换热网络之前大大下降。由上述可知，通过集成换热网络设计，经济效益显著，热公用工程能耗