5-换热网络设计说明书

换热网络设计说明书 1 目录 第一章换热网络理论基础.2 1.1概述.2 1.2夹点技术.2 第二章工艺流股提取.5 2.1工艺流股提取.5 第三章换热网络合成.6 3.1ASPEN ENERGY ANALYZER介绍.6 3.2利用组合平台曲线的能量热泵精馏.6 3.2.1热泵精馏简述.6 3.2.2热泵精馏适用场合.9 3.3换热网络合成过程 .10 换热网络设计说明书 2 第一章第一章换热网络理论基础换热网络理论基础 1.1 概述 从系统工程的角度可把过程工业的生产系统分为三个子系统，即化学装置子系 统、换热网络子系统和公用工程子系统。其中化学装置由反应、精馏、吸收、萃取 等化工基本设备单元组成，物料在这些设备中发生特定的物理、化学变化。在这些 化学装置的结构和操作条件确定后，进出各个设备的流股根据操作条件要求需要冷 却和加热，这些流股构成了热回收系统，即换热网络。 在工艺过程设计中节能是非常重要的，因此换热的目的不仅仅是为了使物流温 度满足要求，而且也是为了回收过程余热，减少公用工程消耗，机遇这种思想进行 的换热网络设计称为换热网络合成。换热网络合成的任务，是确定换热物流的合理 匹配方式，从而以最小的消耗代价，获得最大的能量利用效益。 图 1.1.1热集成的来源和辅助换热网络 目前，换热网络集成主要有三种方法：试探法，夹点技术，数学规划法。其中 ，夹点技术以其使用简单，直观和灵活的优点被广泛的使用。但夹点技术也有其缺 点，夹点在应用中的主要缺陷有两点：过于注重能量的节省，而在设备和经济上的 考虑略显不足；有些夹点匹配技术（如利用分流技术来匹配物流）在工艺的难以实 现。 采用夹点技术进行换热网络的设计时，除了通过物流的信息计算相关的物理参 数从而满足换热匹配要求外，还要求得最小公用工程，最小换热单元数和最小换热 面积。事实上，对于实际生产装置，很难达到这一目标。通常，最小公用工程消耗 意味着较多的换热单元数，而较少的换热单元数又需要较大的换热面积。同时换热 网络的设计还需要考虑到设备布置，物流是否具有腐蚀性及对换热材料的要求，更 要结合实际来确定合理的节能方案。因此，实际进行换热网络设计时，需要在某方 面做出牺牲，以获得一个折中的方案。 1.2 夹点技术 夹点技术（Pinch technology）是以热力学为基础，从宏观角度分析过程系统中能量沿温度曲线的分布 ，从中发现系统用能的“瓶颈”（Bottleneck）所在，并给以“解瓶颈”（Debottlen eck）的一种方法。主要通过构造冷、热物流组合曲线，总组合曲线和平衡组合曲线 来对工艺过程进行能量分析，制定节能设计和改造方案。 要形象的判断工艺流股的夹点位置，首先就要做出T-H复合图。T- 换热网络设计说明书 3 H图是用来表示工艺流股的热特性，即流股的温度焓的关系图，流股在换热过程中 的焓变为： = 末 初MC 其中M为质量流率，Cp为热容。 以焓变为横坐标，温度为纵坐标作出的T-H图如下： 图 1.2.1不同类型的T-H图 T- H图上，焓在热力学意义上并不严格，其中线段可以水平的随意移动，并不影响焓变的绝 对值，其斜率为。 1 对于多股流股，我们在T- H图上可以实现合并，热、冷流股经过简单的平移和重叠可以分别统一合并为一条。 在对冷热流股都进行了合并后我们可以得到如下图： 图 1.2.2冷热流体的组合曲线图 在夹点位置：冷热物流间的传热温差最小，刚好等于且该处过程系统的热 T 流量为零。 通过图我们可以很容易的发现夹点位置，并且直观的看出内部换热量与冷公用 工程及热公用工程的大小比例关系。对于夹点的设计与优化存在三条准则： 一、无跨越夹点的传热 二、夹点之上无公用工程冷却器 三、夹点之下无公用工程加热器 夹点的选取对于整个工程的费用有着决定性的作用。从图中我们可以发现，当 夹点选取越小时，内部换热量增加，公用工程费用减少，但是随着夹点温度的减小 换热网络设计说明书 4 ，换热器的面积增加，当夹点温度设置为零时，换热器面积达到无限大。因此，夹 点温差与公用工程、设备投资、总费用的关系存在下图关系： 图 1.2.3最小温差和费用关系图 可见，存在一个最优值，使总费用最小。 换热网络设计说明书 5 第二章第二章工艺流股提取工艺流股提取 2.1 工艺流股提取 在换热网络设计前，我们已经对主要塔设备进行了优化，减少了许多不必要的 能量能耗。我们再将可以需要热交换的数据（考虑到反应器的热稳定性等问题，不 将其列入换热网络中）进行了提取，列于表 2.1.1（流股编号为Aspen Plus初始编号）： 表 2.1.1优化前的物流数据表 物流名称 进口温度/ 出口温度/ 焓值/kJ/h 流量/kg/ h AIRCOOL_To_02203401729732352450.02 10_To_1134055.328342133279761977.89 12_To_13328.6372303709973961977.89 21_To_2299.648583028463609458.585 WATERCO_To_032034068610412233.895 27_To_2869.85152127076768089.49 24_To_25131.194869.853755420139239.09 ISOCOOL_To_012034049812847293.978 To CondenserT501_TO_3949.1140448.730856535.9622347.01 To CondenserT502_TO_4172.078871.77769600045416791.35 To CondenserT401_TO_3363.5695362.918742130038229587.83 To ReboilerT103_TO_21Dupli cate 99.64679100.14681997188818296.66 To ReboilerT501_TO_4098.3385699.808171475251451413.57 To CondenserT103_TO_2069.9594669.149841168280025362.15 To ReboilerT502_TO_42102.1257125.2483553530913002.6 To ReboilerT401_TO_3680.1093480.60934296905752406.909 R301-A_heat69.8569.351848028 R101-A_heat340339.570645268 R102_heat340339.514695292 R101_heat340339.514695292 R201_heat69.8569.357607527 换热网络设计说明书 6 图 2.1.1优化前的冷热物流组合曲线 换热网络设计说明书 7 第三章第三章换热网络合成换热网络合成 3.1 Aspen Energy Analyzer介绍 Aspen拥有自带的能量分析模块能够轻松帮助用户实现热集成，换热网络的优化 。在较早期的版本中，称为Aspen pinch，而近两年的版本中改名为Aspen Energy Analyzer。 Aspen Energy Analyzer换热网络的合成与优化上主要是基于夹点技术。在用户指定的夹点温度下， 它能够自动合成多套换热网络备选方案。由于换热网络的合成要考虑到设备费用与 操作费用等各种复杂的情况，如果是基于换热网络合成的准则进行人工合成，那将 会是一个浩大的工程，并且可能只会考虑到局部的优化而忽略整体优化，在这方面 ，Aspen软件是一门有力的工具。但是我们也应该看到，在实际使用过程当中，Aspe n并不能为我们生成最佳的换热网络。计算机模拟生成最优换热网络是近几年来热门 的研究课题，目前有基于Grossmann的超结构模型的改进算法，神经网络算法，模拟 退火算法等等各种智能算法，但没有一个算法能够确保对于任何换热工况都能模拟 出最佳的网络。在另一方面我们也应该看到，Aspen模拟出的换热网络存在不符合实 际的情况，如两股相隔较远的流股进行换热。这种情况下，虽然能够实现能量的回 收，但是管道铺设费用将大大增加。因此，Aspen Energy Analyzer主要用于初步的换热网络合成。 Aspen Energy Analyzer 在使用上主要步骤为： Step1：提取Aspen或Hysys中模拟流程中的物流数据，或者是可以人工手动输入 。选取公用工程，输入流股与换热器的费用参数。 Step2：进行最佳夹点温度分析。 Step3：自动生成多套换热网络也可以手动合成。 Step4：通过调节分流比例与换热器热负荷自动优化换热网络或认为根据换热网 络的欧拉公式、拓扑结构等判断不合理的地方手动调节。 3.2 利用组合平台曲线的能量热泵精馏 热泵是一种将低位热能，经过电能做功，提供可被人们所用的高位热能的装置 。而在实际精馏塔的操作中，塔顶采出物料往往还具有一定的温度，通过热泵技术 使该部分热能用于塔底再沸器的加热，对于精馏过程的节能具有重要意义。根据热 泵所消耗外界能量的不同,热泵精馏可分为吸收式和蒸汽压缩机方式两种类型。 3.2.1 热泵精馏简述 蒸汽压缩机方式又可分为间接式、塔顶气体直接压缩式、分割式和塔釜液体闪 蒸再沸式流程。 3.2.1.1间接式热泵精馏 间接式热泵精馏利用单独封闭循环的工质吸收塔顶的能量，通过热泵做功，进 一步提高其温度，用于加热塔底物料。如图 3.2.1所示。 换热网络设计说明书 8 图 3.2.1间接式热泵精馏流程图 间接式热泵精馏具有对标准精馏系统改造少,易于设计和控制的优点，主要适用 于精馏介质具有腐蚀性、热敏性的情况,或者是塔顶压力低，需要大型蒸汽再压缩设 备的精馏塔。 3.2.1.2塔顶气体直接压缩式热泵精馏 塔顶气体直接压缩式热泵精馏是以塔顶气体作为工质的热泵,利用塔顶蒸汽经压 缩机达到较高的温度,在再沸器中冷凝将热量传给塔底物料。如图 3.2.2所示。 图 3.2.2塔顶气体直接压缩式热泵精馏流程图 塔顶气体直接压缩式热泵精馏系统简单、稳定可靠、无需外加载热介质,适用于 塔顶与塔底温差小，回流比较大,消耗大量加热蒸汽或塔顶冷凝物需低温冷却的精馏 系统。但对于物料的性质有严格要求。 3.2.1.3分割式热泵精馏 分割式热泵精馏流程分为上、下两塔,上塔类似于直接式热泵精馏,只不过多了一 个进料口；下塔则类似于常规精馏的提馏段即蒸出塔,进料来自上塔的釜液,蒸汽则进 入上塔塔底。如图 3.2.3所示。 换热网络设计说明书 9 图 3.2.3分割式热泵精馏流程图 分割式热泵精馏特点是通过控制分割点浓度来调节上塔温差从而选择合适的压 缩机。该形式适用于分离低组分区相对挥发度大,而高组分区相对挥发度很小（或有 可能存在恒沸点）的物系,如乙醇水溶液、异丙醇水溶液等。 3.2.1.4闪蒸再沸式热泵精馏 闪蒸再沸式热泵精馏以釜液为工质,与塔顶气体直接压缩式相似,它也比间接式少 1个换热器,适用场合也基本相同。相比较而言,闪蒸再沸在塔压高时有利,而塔顶气体 直接压缩式在塔压低时更有利。蒸汽喷射式热泵精馏形式是专门提高低压蒸汽压力, 塔顶蒸汽是稍含低沸点组成的水蒸气,其一部分用蒸汽喷射泵加压升温,随驱动蒸汽一 起进入塔底作为加热蒸汽,低压蒸汽的压力和温度都提高到工艺能使用的指标,从而达 到节能的目的。该形式设备费用低、易维修、主要用于利用蒸汽的企业。 3.2.1.5吸收式热泵精馏系统 吸收式热泵由吸收器、再生器、冷却器和再沸器等设备组成,常用溴化锂水溶液 或氯化钙水溶液为工质。由再生器送来的浓溴化锂溶液在吸收器中遇到从再沸器送 来的蒸汽,发生了强烈的吸收作用,不但升温而且放出热量Q吸,该热量即可用于精馏塔 蒸发器,实际上热泵的吸收器即为精馏塔的蒸发器。浓溴化锂溶液吸收了蒸汽之后,浓 度变稀,即送再生器蒸浓。再生器所耗用的热能Q生是热泵的原动力。从再生器中蒸 发出来的水蒸气,在冷却器中冷却、冷凝,而后送入精馏塔冷凝器,在此冷凝器中,塔顶馏 出物被冷凝,而水又重新蒸发进入吸收器。由此可见,精馏塔的冷凝器也是热泵的再沸 器,详见图 3.2.4。 换热网络设计说明书 10 图 3.2.4吸收式热泵精馏流程图 3.2.2 热泵精馏适用场合 从能量角度来说，热泵精馏就是通过补充电能的方式将塔底多余的热能利用到 塔底再沸器加热过程中，进而节省塔底加热蒸汽的热能。因此当所消耗的电能较少 或原工艺塔底蒸汽需求量巨大的情况下，热泵精馏具有明显的优势。具体的有以下 几种常见情形： 1. 塔顶和塔底温差较小时，热泵精馏优势明显。因为压缩机的功耗主要取决于 温差,温差越小,压缩机的功耗越小。据相关文献报道,当塔顶和塔底温差小于 36时 ,采用热泵精馏可以获得较好的经济效果。 2. 沸点相近组分的分离也适合采用热泵精馏。按常规方法,由于沸点相近，分离 难度大，精馏塔往往采用较多的塔板和较大的回流比,才能得到合格的产品 。因此加热用的蒸汽或冷却用的循环水都比较多。若采用热泵技术,往往可 取得较明显的经济效益。 3. 工厂蒸汽供应不足或价格偏高时，热泵精馏的成本也就相对下降了。这种情 况适合采用热泵精馏减少蒸汽用量或取消再沸器。 4. 相应的，如果工厂冷却水不足或者冷却价格偏贵、水温偏高,塔顶冷凝成本高 时，也适合采用热泵精馏。 但应当注意的是，蒸馏塔底再沸器温度过高时（一般在300以上），采用热泵 流程往往是不合适的。因为此时压缩机做功过多，耗能较大，投资回报周期过长甚 至可能得不偿失。 本项目中，四个并联的甲醇回收塔塔顶与塔底温差小于20，且流量分布合理 ，适合采用热泵精馏。其Aspen Plus模拟流程图如图 3.2.5所示。 换热网络设计说明书 11 图 3.2.5热泵流程的Aspen模拟示意图 通过Aspen Plus对普通精馏和热泵精馏的模拟，得到以下数据： 表 3.2.1普通精馏与差压双效精馏能耗对比表 公用工程能耗对比（kW）操作方式 冷凝器再沸器 普通精馏5777.418087.2 热泵精馏410.8351806.68 热泵压缩机功率为897.886kW，考虑到电能的品味较高，因此乘以3.2的转换系 数，得到采用热泵精馏后全塔外加功率为1806.68+410.835+897.8863.2=5090.75k W，原塔外加功率为8087.2+5777.41=13865.61kW，总共节省功率消耗63.28%，节 能效果明显，经济效果好。 3.3 换热网络合成过程 首先将流股信息进行筛选运行热集成技术有话该工艺流程，降低相变过程（组 合曲线上的平台区）的公用工程需求，并以节能综合经济效益为目标，去除了回路 、不经济的小换热器，避免距离太远管路成本过高的换热关系。 表 3.3.1优化后的物流数据表 物流名称进口温度/ 出口温度/焓值/kJ/h流量/kg/h WATERCO_To_032034068610412233.895 ISOCOOL_To_012034049812847293.978 08_To_0934055.328342133279761977.89 10_To_11345.9359303872047161977.89 014_To_0002130.242569.853807852539980.32 018_To_02169.85152142163568830.72 AIRCOOL_To_02203401729732352450.02 To CondenserT501_TO_02649.4227148.9330371858.922185.83 To CondenserT502_TO_02871.9491371.22216179