5、能量集成及换热网络设计

年产15万吨醋酸乙烯酯项目-能量集成及换热网络设计1年产15万吨醋酸乙烯酯项目-能量集成及换热网络设计目录第一章 概述1第二章 原始工艺流股提取1第三章 原始工艺流股的能耗分析2第四章 工艺流程的改进4第五章 热网络设计8第六章 热泵技术分析11第七章 节能技术利用总结12第八章 总结141第1章 概述本项目是天津石化炼油厂分公司产生的炼厂干气为原料，经分离提纯得到高纯度的乙烯，将其通过与氧气、醋酸反应转化成附加值高、需求量大的产品醋酸乙烯酯。该项目采用国外先进的乙烯气相氧化法路线，传统的乙烯法路线主要有Bayer法和USI法，两者都采用气相固定床工艺，技术流程也很相似，它们的区别在Bayer法催化剂以Pd-Au为主体，硅胶为催化剂载体，反应压力为0.51.1MPa；而USI法催化剂以Pd-Pt为主体，采用-Al2O3为载体，反应压力为常压。由于Bayer法具有醋酸单程转化率高、催化剂活性高、选择性好等优点，目前工业生产中大部分采用Bayer法。目前，乙烯法由于具有副产物少，设备腐蚀性小，催化剂活性高，产品质量好等优点而占主导地位。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。本项目工艺由干气除杂、乙烯精制、醋酸乙烯酯合成、醋酸乙烯酯精制四个工段组成。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 V9.0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。通过对本项目工艺流股温位和换热要求的分析，为了尽可能降低系统能耗费用以及母厂可供公用工程的来源，本换热网络需要的冷公用工程包括循环冷却水、空气和冷冻剂，热公用工程包括为125的低压蒸汽、175的中压蒸汽均可由厂区公用工程站和冷冻站提供，形成与母厂的公用工程集成。通过对系统工艺流股的能耗分析，为了尽可能地利用组合曲线平台区潜热，在工艺流程中采用了流股间换热和热泵技术，并进一步进行了换热网络的集成和优化。第2章 原始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 V9.0分析后提取的流股如下表2-1和表2-2所示。表中并不包含反应器R0301、R0302以所需的换热要求，其解决方案在下节工艺流股能耗分析中进一步说明。表2-1 工艺过程物流信息表（不含节能措施）过程流股加热器名称进口温度/出口温度/热负荷/KW0105 To 0106E010138.151002487.20209 To 0210E020112.81-205172.550307 To 0308E030224.7516519456.970312 To 0313E0303170.001026062.060316 To 0317E0304201.14151657.380329 To 0330E030517.25120398.840402 To 0404E0401149.6059037.89表2-2 塔设备物流信息表（不含节能措施）塔位号换热器类型进口温 /出口温度/负荷/（KW）T0201Condenser-24.88-44.532635.21T0401Condenser167.03149.598463.84T0403Condenser225.89-51.2724664.93T0405Condenser58.22-2.05711.92T0406Reboiler71.89175.4030739.44第3章 原始工艺流股的能耗分析在Aspen Energy Analyzer V10中评估了最小传热温差对系统经济性的影响，获得系统总费用与最小传热温差的关系曲线如图3-1所示。图3-1 总费用-最小传热温差关系曲线图（不含节能措施）由图3-1可以看出，传热温差为17时总费用最小，因此选取最小传热温差为17。在此最小传热温差下的过程组合曲线见图3-2，总组合曲线如图3-2所示。图3-2 过程组合曲线图（不含节能技术）图3-3 优化前的总组合曲线图（不含节能技术）由图3-2所示的组合曲线表明工艺流股中所有热流股和冷流股的换热量及温位要求。除了上述工艺流股的换热任务外，本系统中还有反应器R0301、R0302有换热要求，可以选用公用工程或工艺流股来实现。其中，平推流反应器R0301反应放热，反应温度为160-180，由图3-3的总组合曲线可知，系统中没有合适的热工艺流股可以利用，所以使用冷公用工程冷却水对R0301进行换热。对反应器R0302的放热可进一步利用，以减少热公用工程用量。第4章 工艺流程的改进由图3-2的组合曲线可以看出，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一部分表示乙烯精制精馏塔T0203塔底再沸液体蒸发过程的相变热，红色线的热流体平台一部分表示醋酸乙烯酯脱重塔T0406塔顶蒸汽冷凝过程的相变热，若增加T0203塔压后，T0406塔顶气体温度升高，可作为T0203塔底再沸器的热源进行换热，实现相变潜热的多效利用。平台区一部分是溶剂回收塔T0404塔顶及塔底的相变热，而且T0406塔顶、塔釜温度差为3.6，该塔可以通过热泵技术提高塔顶流股温位，用以加热塔釜流股，增加系统内部换热量，减少公用工程的消耗量。加入热泵精馏后，在ASPEN中重新模拟全流程，得到新的流股信息（物流号及设备位号参考见表4-1和表4-2表4-1 工艺过程物流信息表（含节能措施）过程流股加热器/换热器名称进口温度/出口温度/热负荷/KW0105 To 0107E010138.151002634.470109 To 0110E0101162.3093.662634.4710206 To 0209E0201-93.847.322737.090207 To 0210E020212.81-205173.860304 To 0305E030462.2516513968.840309 To 0310E03051701026061.890316 To 0317E030219.09704452.620324 To 0326E030817.24120398.830336 To 0337E030366.63120721.270403 To 0406E0402149.6059037.780408 To 0409E0401521364.84表4-2 塔设备物流信息表（含节能措施）塔位号换热器类型进口温度/出口温度/热负荷/（KW）T0102Reboiler159.86162.306047.28T0201Condenser-24.88-44.532635.21T0201Reboiler27.1239.431092.77T0202Condenser-88.16-93.842222.66T0401Condenser167.03149.608463.59T0403Condenser247.90-49.6326336.17T0405Condenser53.19-13.16706.91T0406Reboiler81.06229.7827503.54对最小传热温差进行经济评估，得到新的总费用-最小传热温差关系曲线，见图4-1。图4-1 总费用-最小传热温差关系曲线图（含节能技术）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：14。将最小传热温差设为14，可以得到热集成过程的能量目标：图4-2 过程的能量目标由上图可以看出，理论上最少需要热公用工程能量为：3.973107kJ/h=11036.1kW理论上最少需要冷公用工程能量为:1.193108kJ/h=33138.8kW夹点温度为：热流股27.5；冷流股17.5得到优化后的过程组合曲线图及总组合曲线图：图4-3 过程组合曲线图（含节能技术）图4-4 总组合曲线图（含节能技术）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180，由保持反应器温度的热公用工程中压蒸汽进行加热，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125的低压蒸汽、175的中压蒸汽。需要达到的最低温度为-60，因此需要采用低温冷冻剂，其他使用循环冷却水及空气冷却即可。第5章 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 V9.0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。设计方案如图5-1所示：图5-1 设计方案图分析比较10种Design的Total Cost，综合考虑所需费用以及换热面积，选用Design 6进行后续的优化过程。未优化前的换热网络：图5-2 未优化前的换热网络按照最小换热器台数原则，还可以去若干台换热器。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，以节省设备费。换热网络中存在loop回路。图5-3 loop回路图图5-4 loop回路图在实际操作中，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，将其合并到其他换热器，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，另外，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，此类换热器也需要删除。经过以上调整，将换热网络优化为：图5-5 优化后的换热网络图第6章 热泵技术分析在无热泵技术的情况下时，组合曲线如图6-1所示。图6-1 组合曲线（不含节能措施）由图可以看出，在0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酯常压分离塔（T0406），塔顶塔底温差为3.6，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。将醋酸乙烯酯常压分离塔T0406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，由于醋酸乙烯酯产品纯度要求，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73.2，从而得到符合产品的要求的醋酸乙烯酯，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，其结构如图所示：图6-2 塔顶气体压缩式热泵精馏流程图表6-1 有无热泵技术对比表项目无热泵技术热泵技术塔顶冷凝能耗（kW）28285.431913.22塔底再沸能耗（kW）30529.69336.32总能耗（kW）58815.12166.551由上表可知，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热泵技术节省冷耗98.8%，节省热耗93.7%，总的节约能耗为96.17%。第7章 节能技术利用总结使用优化前后、热泵技术前后的组合曲线如下所示:图7-1 组合曲线（不含节能措施）图7-2 组合曲线（含节能措施）比较两图可知，在未优化换热网络、未使用热泵技术时，理论上最少需要热公用工程11036.1kW，冷公用工程33138.9；在优化换热网络、使用热泵技术后，理论上最少需要热公用工程9019.4kW，冷公用工程25570.3kW。理论减少热公用工程18.27%，冷公用工程22.83%。可见优化换热网络、使用热泵技术可以通过改变组合曲线的温位，改变组合曲线热平台，实现更大程度的热回收，实现节能。第8章 总结在该换热网络中，公用工程使用情况如表8-1所示：表8-1 该换热网络公用工程信息表项目热公用工程/kW冷公用工程/kW总计/kW直接公用工程（优化前）11036.133138.944175换热网络设计9019.425570.334589.7能耗减少量/%18.2722.8321.69本项目所使用的冷公用工程为：空气、循环冷却水、-25冷却剂（液态丙烯）、-40冷冻剂（液氨）和-65冷冻剂（乙烷）；所使用的热公用工程为：400的热油、125的低压蒸汽、175的中压蒸汽0的高压蒸汽。公用工程均可由厂区公用工程站和冷冻站提供。综合考虑R0301、R0302使用的公用工程，本项目公用工程明细如