全工段换热网络分析

全工段换热网络分析2019年“东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛中海壳牌石油化工有限公司年产二十三万吨醋酸乙烯项目全工段换热网络分析团队名称： We Win团队 团队成员： 秦丹倪 刘 娜 王甜甜 苏振宁 杨学琳 指导老师： 孙晓岩 夏 力 陶少辉 王 政 秦洪庆全工段换热网络分析目录第一章 概述1第二章 工艺流股提取2第三章 夹点分析3第四章 换热网络设计6第五章 热泵精馏节能效果分析8第六章 总结1010第一章 概述本项目为中海壳牌石油化工公司的分厂，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。本项目具体可分为合成工段、吸收工段精制工段。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、冷冻剂，热公用工程为180的低压蒸汽。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，本项目采用了热泵精馏技术，使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/h303_To_304E030375.733714025468535105_To_106E0102-30304306260317_To_318E0307133.5446102.405117058998315_To_316E0306260.8394138.87721.36E+08112_To_113E0104119.670516034736419211_To_212E020545.30773801297994210_To_209E020146.255311103577337202_To_204E0202126.4605408342766122_To_123E0101126.39754014907258320_To_321E0306125.9924127.50041.36E+08118_To_121E01051604074258597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/hT0304Reboiler67.7119171.236523876069T0203Reboiler120.0839130.994320751907T0203Condenser110.1889108.66849353332T0302Reboiler104.7246105.12451295730T0306Reboiler62.1796363.49081275464T0306Condenser21.3423520.97934216869.5T0302Condenser89.1219571.07264155261.2T0301Reboiler115.4806117.201963680428T0301Condenser95.50679.080442891338T0305Condenser62.9544857.520155799518T0305Reboiler77.8025878.172766056055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，获得总费用-温差关系曲线如图所示：图3-1总费用-最小传热温差关系曲线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，此处取最小传热温差为12。设定最小传热温差为12后，得到的冷热物流的组合曲线和总组合曲线如图3-2、图3-3所示：图3-2 组合曲线图3-3 总组合曲线需要的热公用工程为46.42MW，需要的冷公用工程为52.89MW。以上是利用平台热后的进一步换热网络分析，未利用平台热时的组合曲线及总组合曲线如下：图3-4 未利用平台热时的组合曲线图3-6 未利用平台热时的总组合曲线需要的热公用工程为94.94MW，需要的冷公用工程为97.19MW。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，且该塔顶底温差较小，因此可以采用热泵精馏的技术，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。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。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。所推荐换热方案如图所示：图4-1 优化前换热网络该换热网络的换热器数目为46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4-2所示:图4-2 优化后换热网络优化后的换热网络所需换热器数目为36台，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。下表为节能效果对比表。表4-1节能效果对比项目热公用工程/MW冷公用工程/MW匹配前94.9497.19匹配后65.9816.14节能30.49%83.39%第五章 热泵精馏节能效果分析精制工段中醋酸精制塔（T0303），该塔用于分离水和醋酸，能耗较高，且经模拟可得塔顶温度为102,塔底温度为126，温差在30以内，满足使用热泵精馏的条件，因此该塔宜采用热泵精馏技术进行节能。下图为无热泵精馏时，组合曲线情况，可以看到组合曲线存在平台。图5-1无热泵精馏时组合曲线图5-2热泵精馏流程图上图为热泵精馏流程图，将塔顶冷凝器取消，直接引出塔顶气相，通过压缩机加压后，塔顶气相的温度提高一个等级，从而可以跨过夹点，给塔底物料气化提供能量。在对醋酸精制塔T0303的模拟中，塔顶冷却能耗为38.92MW，塔底加热能耗为39.36 MW。热泵精馏中压缩机电耗为5213.53kW，辅助冷却器冷却能耗为4.74 MW。机械能和电能是比热能更高价值的能量形式，电热转换系数约为3.29，因此热泵精馏加热能耗为17.15MW。普通精馏与热泵精馏能耗对比如图24-8所示，总能耗节约了72%。节能对比见下表。表5-1热泵精馏效果对比常规精馏/MW热泵精馏/MW节能效果/%冷却能耗38.924.7487.82加热能耗39.3617.1556.42总能耗78.2821.8972.03第六章 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；利用热泵精馏技术，充分利用能位较