8-能量集成及换热网络设计

广州石化黄埔分厂年产8万吨MMA项目能量集成及换热网络设计2018年“东华科技-陕鼓杯”第十二届全国大学生化工设计大赛广州石化黄埔分厂年产8万吨MMA项目能量集成及换热网络设计江南大学H I Ge 团队成员：赵克凡、章正强、熊贤娟、刘芷汀、徐丽丽指导老师：倪邦庆、钮腾飞、葛新、刘冰、杜立永能量集成及换热网络设计1一、概述1二、工艺流股数据提取1三、夹点法手动设计换热网络(以能量最优为目标）2四、aspen energy analysis 设计换热网络（以总费用最优为目标）41.运用 aspen energy analysis提供设计方案42.优化aspen energy analysis设计方案5五、最终换热网络方案结果6能量集成及换热网络设计一、概述本项目为广州石化黄埔分厂年产8万吨MMA项目，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。本项目具体可分为异丁烯精制工段、MAL合成工段、MMA合成工段。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、冷冻剂，热公用工程包括125的低压蒸汽、175的中压蒸汽和500高压蒸汽。冷公用工程来源于本项目厂区的循环水站及冷冻站，热公用工程来源于本项目厂区的蒸汽系统。二、工艺流股数据提取采用aspen energy analysis将Aspen plus数据导入，得到如下图所示的流股信息：图1 冷热物流信息根据导入的流股信息，aspen 自动推荐冷热用工程信息如下图：图2 冷热用工程信息将aspen模拟的数据导入aspen energy analysis得到原始换热网络图，（图3）图3 原始换热网络图期费用指数和冷热工程费用指数和换热器数量如图4所示:图4 原始换热网络消耗表因为其使流股和冷热工程直接换热，导致其总费用指数和冷热工程费用指数非常高。三、夹点法手动设计换热网络(以能量最优为目标）将aspen模拟的数据导入aspen energy analysis 得到关于最小传热温差和总费用指数的关系图，在大致温度区间选择最小总费用指数的区域，在此区域再次减小步长得到图5，精确得出总费用指数最低时候的最小传热温差7.9。图5 最小传热温差估算图6 组合曲线图根据最小传热温差得出冷热流体夹点为90.3（热）、82.4（冷），根据夹点法手动设计换热网络（1.夹点以上无冷用工程、且冷物流热容流率大于热物流2.夹点以下无热用工程、且热物流热容流率大于冷物流3.进入夹点物流数量大于流出夹点的物流数量）得到能量最优的换热网络如图7图7 夹点法设计的换热网络得到其各项费用指数如图8图8 夹点法设计的换热网络费用信息可见其冷热用工程消耗小于原始换热网络(能耗与原换热网络相比减少48.36MW)，且总费用指数低于原换热网络。根据换热器数量原则U=N-S+L得到Umin=N-1（换热网络中无loop，S=1）得到此换热网络（夹点法）中换热器最少数量Umin=N-1=28-1=27个（根据图8知满足要求），但其未考虑公用工程品型的问题，导致过多运用了费用较高的公用工程，使其费用变大。四、aspen energy analysis 设计换热网络（以总费用最优为目标）1.运用 aspen energy analysis提供设计方案将aspen数据导入aspen energy analysis，利用软件自动设计换热网络得到以下10个换热网络参数图图9 电脑设计的换热网络方案以总费用指数最小为目标选取最优换热网络选取A_Design8为模板。得到其原本换热网络图和费用信息如下图所示：图10 A_Design8换热网络设计方案图 11 A_Design8换热网络费用信息可见其虽然流股和公用工程换热能量加大，但因为其能更好的利用各种公用工程和流股间换热而使其总费用指数变低，但其仍有许多不合理的换热导致其费用的增加。2.优化aspen energy analysis设计方案该换热网络的换热器数目为43台，按照最小换热器台数原则，还可以撤去若干台换热器。该换热网络中存在同一流股和同一公用工程两次换热情况，则可删去能量交换较小的换热器将交换的能量加到另一边而减少换热器的数量。图12 有同一流股和同一公用工程两次换热的换热网络图该换热网络中存在loop，在实际操作中，一般不能有loop回路的存在，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path通路来调节换热量，使换热器的热负荷得到松弛，甚至减少换热器的数目。图13 带有loop和热量穿过夹点的换热网络图上述换热网络有些物流换热穿越夹点，致使所需公用工程能耗变大，对于此种情况要调节换热流股，使其尽可能在总费用减少情况下遵循夹点法则。经上述调节后得到如下换热网络：图14 优化后的换热网络图15 优化后换热网络费用信息优化之后，换热网络相对于未优化换热网络，其换热器数量减少8台，总费用指数减少0.87%。五、最终换热网络方案结果以总费用未目标根据电脑设计、人工优化得到最终换热网络，优化后的换热网络公用工程消耗分别为67.19M