6-4 附录四换热网络及节能设计

中石化独山子高纯异丁烯制6万吨/年丁基橡胶& 2.5万吨/年MMA项目 换热网络设计书中石化独山子蓝天分公司高纯异丁烯制6万吨/年丁基橡胶联产2.5万吨/年MMA项目换热网络设计书设计团队：三峡大学 一枝丁香队团队成员：孙佳静 蹇湘鄂 王慧敏 黄建建 向 源指导老师：罗华军 龚大春 刘祈星 范於菟 2018年7月目录1.换热网络设计概述11.1夹点技术11.2夹点技术设计换热网络31.2.1 流股数目准则41.2.2 热容流率准则42.换热网络的设计62.1 Aspen Energy Analyzer介绍62.2物流信息的提取72.3全流程模拟换热72.3.1 最小传热温差的确定72.3.2优化换热网络93.热泵精馏概述143.1热泵精馏的节能原理143.2热泵精馏的分类163.3热泵精馏流程模拟（T0303）164.隔壁塔概述174.1隔壁塔的结构特点与分离原理174.2隔壁塔节能的热力学分析174.3隔壁塔流程模拟（T0101）185.LNG冷能195.1 LNG冷能概述195.2丁基橡胶合成制冷工艺195.2.1工艺流程195.2.2模拟结果206.总结20三峡大学一枝丁香队1.换热网络设计概述在大型过程系统中，存在大量需要换热的流股，一些物流需要被加热，一些物流需要被被冷却。大型过程系统可以提供的外部公用工程种类繁多，如不同压力等级的蒸汽，不同温度的冷冻剂、冷却水等。为提高能量利用率，节约资源与能源，就要优先考虑系统中各流股之间的换热、各流股与不同公用工程种类的搭配，以实现最大限度的热量回收，尽可能提高工艺过程的热力学效率。热集成网络的分析与合成，本质上是设计一个由热交换器组成的换热网络，使系统中所有需要加热和冷却的物流都达到工艺流程所规定的出口温度，使得基于热集成网络运行费用与换热设备投资费用的系统总费用最小。Aspen能量分析器软件采用过程系统最优化的方法进行过程热集成的设计，其核心是夹点技术。它主要是对过程系统的整体进行优化设计，包括冷热物流之间的恰当匹配、冷热公用工程的类型和能级选择；加热器、冷却器及系统中的一些设备如分离器、蒸发器等设备在网络中的合适放置位置；节能、投资和可操作性的三维权衡；最终的优化目标是总年度运行费用与设备投资费用之和（总年度费用目标）最小，同时兼顾过程系统的安全性、可操作性、对不同工况的适应性和对环境的影响等非定量的过程目标。目前，换热网络合成主要有三种方法：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。因此，夹点技术不仅可以用于热回收换热网络的优化集成，而且可用于合理设置热机和热泵、确定公用工程的等级和用量，去除“瓶颈”、提高生产能力，分离设备的集成，减少生产用水消耗，减少废气污染排放等。1.1夹点技术夹点技术（Pinch technology）是以热力学为基础，以最小能耗为主要目标的换热网络综合方法。1978年，Linnhoff等提出了换热网络的夹点问题，指出夹点限制了换热网络可能达到的最大热回收。1983年，Linnhoff比较系统的提出了用于换热网络综合的夹点技术，并推广应用于整个过程的能量分析与调优。夹点技术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”（Debottleneck）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-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：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4-1 T-H示意图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/Cp。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4-2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流量为零。1.2夹点技术设计换热网络在网络的设计中，的取值对能量的回收和系统的投资运行费用有直接影响。取值较小，系统回收热量多，冷、热公用工程费用小，但换热面较大，系统造价高；取值较大，系统回收热量小，冷、热公用工程的费用大，但换热面积小，系统设备投资小。图4-3最小传热温差对费用的影响1.2.1 流股数目准则夹点以上只能用热公用工程进行加热，所有的热流股都要用冷流股冷却到热夹点温度，夹点以下只能用冷公用工程进行冷却，所有的冷流股都要用热流股加热到冷夹点温度。因此流股数目准则为：（1）对于靠近夹点处的夹点上方，热物流(包括其分支物流)的数目要小于或等于冷物流(包括其分支物流数目），即：（2）对于靠近夹点处的夹点下方，热物流(包括其分支物流)的数目要大于或等于冷物流(包括其分支物流数目），即： 在夹点处，如果实际系统中股流数目不能满足上述准则，则应通过对股流的分流来满足该准则，而在远离夹点处可不必遵守该准则。1.2.2 热容流率准则夹点处的温差是网络中的最小温差，为保证各换热匹配的温差始终不小于，要求夹点处匹配的股流的热容流率满足以下准则：（1） 对于夹点上方，每一夹点匹配中热物流(或其分支)的热容流率要小于或等于冷物流的热容流率，即：（2）对于夹点下方，则：如果夹点处的实际股流不能满足该准则，就应通过分流来减少夹点之上所需匹配的热流的热容流率或夹点之下所需匹配的冷流的热容流率。离开夹点后，由于物流间的传热温差都增大了，所以不必一定要遵循该规则。三峡大学一枝丁香队 222.换热网络的设计2.1 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，Aspen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。2.2物流信息的提取在做流程热集成的时候，我们选择了甲硫醇生产与精制工段进行热集成优化。通过Aspen Energy Analyzer 的自动导入功能物流信息进行提取，并手动检查物流信息，增删部分物流，选择公用工程的类型及温度。2.3全流程模拟换热2.3.1 最小传热温差的确定在设计换热网络时，的选择与换热网络的操作及设备成本有直接关系。热公用工程和冷公用工程都随的增大而增大，而且二者用量平行增加。对于设备费用而言，存在一个最佳值，当增加时，夹点处换热器面积减少，设备投资费用也迅速下降，但是超过最低值后，由于外加热、冷却单元数增加，设备投资费用又开始增加。Aspen模拟得=12.84，与设备费用、操作费用和总费用的关系如下： 图4-4与设备费用的关系图4-5 与操作费用的关系图4-6与总费用的关系图4-7总组合曲线图图4-8温焓图图4-9优化前换热网络图图4-10换热网络性能表2.3.2优化换热网络换热网络的设计自由度较大，获得的方案也较多，但合理的换热网络需要经过筛选与优化。在设计换热网络时，需要考虑流股换热的合理性，以节能综合经济效益为目标进行换热网络的优化。在Aspen Energy Analyzer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，设计方案如下所示：图4-11优化方案一换热网络图图4-12优化方案一换热网络性能表图4-13优化方案二换热网络图4-14优化方案二换热网络性能表图4-15优化方案三换热网络图4-16优化方案三换热网络性能表图4-17优化方案四换热网络图4-18优化方案四换热网络性能表在设计完所有的物流间换热后，其余的物流换热则通过冷热公用工程实现，进而完成整个系统的全部换热。针对相同的换热目标，可以设计出不同的换热方案，在设计合理的前提下，为了减少有效能的损失，合成最大热回收量，以最小设备数、最小换热面积、最小操作费用为目标，进行不同方案的筛选和优化。从而确定出最后的换热方案。表4-1换热网络优化方案对比表DesignBaseCaseA_Design1A_Design2A_Design3A_Design4Total Cost Index(Cost/s)0.30610.23360.23470.23440.2337Area(m2)130847711802979137781Units2838383838Shells4855585551Cap.Cost Index(Cost)41970122623130272531826968952634128Op.Cost Index(Cost/s)0.26320.20680.20680.20680.2068Heating(kJ/h)0.12980.0950.095270.095270.09527Cooling(kJ/h)0.13340.11160.11160.11160.1116以总费用最小为经济指标，则优化方案一为较佳方案，总费用为0.2336Cost/s。是优化前总费用0.3061的76.3%，节省费用23.7%。表4-2公用工程对比表项目冷公用工程/KW热公用工程/KW总计/KW直接公用工程273610703314013684587624387换热网络设计126733318167136299293869617能量减少量/%53.6846.7750经过优化后，节能50%，需要的冷公用工程包括冷冻盐水，需要的热公用工程包括低压蒸汽，可由园区公用工程站提供。表4-3总费用对比表项目费用cost/s原始费用0.3061换热网络设计0.2336费用减少量/%23.73.热泵精馏概述在化工单元流程中，精馏是公认的能耗大户，它所消的能量差不多是整个国家的百分之三。因此，对精馏过程的节能分析显得尤为重要。传统的精馏方式热力学效率较低，能耗较大。热泵精馏是以消耗机械功为代价，把低温热能温度提高到可以被利用的程度。由于其所获得的可以被利用的热量超过系统输入的机械功，因此，其节能的效果也较好。当精馏塔的塔顶塔底温度跨越夹点的时候，如果进行热泵精馏可以有效回收一部分能量，从而使得冷热公用工程用量均可以明显减小，从而节约能量。通过热泵精馏，将功转化为热能，提升流股的温度品味，使原本不能换热的流股可以进行换热，从而使得冷热公用工程的用量均有所减少。这样，消耗少量电能（用于做功），节省大量的热量与冷量，便可以有效节约能量。3.1热泵精馏的节能原理热泵主要由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器4大部件构成。热量的传递由一定的工质完成，在蒸发器中工质在较低的温度界下蒸发，吸收热量，本身由液态变为气态，而被冷却的物料温度降低；然后气相工质进入压缩机，压缩到较高压力，压缩后工质的温度升高到，遂进入冷凝器，在冷凝器中工质放出热量，本身变成液体；液态工质经膨胀伐膨胀到低压后温度降低到，再次进入蒸发器，这样就完成了一个热力循环。图4-19 热泵系统主要部件及流程热泵循环中的冷凝器和蒸发器均是相对工质而言的。工质在冷凝器中冷凝，于是放出热量，故对物料而言冷凝器实际是相当于加热器的作用；工质在蒸发器中蒸发，本身吸收热量，故对物料而言蒸发器实际是相当于冷却器的作用。热泵应用于精馏塔，塔顶冷凝器对于热泵而言就是蒸发器；塔釜再沸器对于热泵来说就是冷凝器。一台比较完善的热泵，只需消耗少量的逆循环净功，就可能获得较大的供热量。这不是能量不平衡问题，它仍然遵循着能量守恒定律。这是因为伴随着低温热源（冷源）把一部分热量传递给高温热源的同时，热泵所消费的逆循环净功也转化为热量而一同流向（传递）给高温热源。通俗点说，热泵节能的原理就是把还没有完全做完功（有潜能）的低温位热能“泵”回到高温位热能中，使其与其他高温位热能一起做功；在完成这一轮功的同时，还会有低温位热能产生，热泵再次将其“泵”回到高温位热能中，使其再做功，如此反复。热泵是利用了低温位热能，而不是增加能量。热泵精馏是一种靠消耗外部功将低能级的热源提高到高能级来使用的装置。基于热泵的原理，对于这种在低温下放热，在高温下吸收能量的分离装置，如能将冷凝器中的低温热源提高到再沸器可以使用的能级，则可减少外部加热和冷却的公用工程消耗。热泵精馏就是基于这一原理而产生的节能型的精馏塔流程。3.2热泵精馏的分类热泵精馏以工质的来源可分为两大类:一类是直接式热泵精馏, 以塔中的物质为工质;另一类是间接式热泵精馏, 以额外的循环物质(如制冷剂、水等)为工质。根据工作介质的不同，热泵系统可分为闭式热泵及开式热泵两类:塔和压缩机没有介质交换，只有能量交换的热泵系统，称之为闭式热泵系统；塔和压缩机既有介质交换又有能量交换的热泵系统，称之为开式热泵系统。3.3热泵精馏流程模拟（T0303）图4-20热泵精馏工艺流程图以循环水为工质，在塔顶吸收产品冷凝热并采用辅助加热器后汽化，气相工质经过压缩机加压升温后作为塔釜热源使塔釜液再沸腾而变为液相；液相工质经过膨胀阀减压降温，再次与塔顶馏出液进行热交换，进而形成循环。4.隔壁塔概述精馏是化学工业中使用范围最广的、高能耗、大余热量的单元操作。据统计精馏能耗大概能占到整个分离过程能耗的 50%70%，因而精馏节能技术的开发和推广具有重大意义。隔壁塔（dividing wall column，DWC）技术就是一种经典的内部热耦合精馏节能技术。4.1隔壁塔的结构特点与分离原理隔壁塔是一种特殊构造的完全热耦合精馏塔，在热力学上等同于Petlyuk 塔。隔壁塔是在传统精馏塔的内部安置一块竖直隔板，将精馏塔分为了四个部分：隔板进料一侧为预分馏区，侧线采出一侧为侧线精馏区，隔板之上为公共精馏区，隔板之下为公共提馏区。其中，公共精馏区、侧线精馏区和公共提馏区构成了主塔区。隔壁塔以单塔结构实现三元物系的高效分离。混合组分 ABC 首先在预分馏区分离为 AB 和 BC 两种混合组分；之后 AB 进入公共精馏区和侧线精馏区，同时 BC 进入公共提馏区和侧线精馏区；最终轻组分 A由塔顶采出，重组分C由塔釜采出，中间组分 B 在侧线精馏区中部增浓富集并于最大浓度处采出。图4-21隔壁塔的结构示意图4.2隔壁塔节能的热力学分析从本质上，精馏过程是物理有效能转化为扩散有效能的过程，同时伴随物理有效能的降价损失。热力学第二定律分析显示，精馏过程的高耗能主要表现为再沸器输入热量使用效率的低下，再沸器输入的能量大部分转移给塔顶冷凝器的冷凝剂，而真正提供给物流有效能的部分很少。可以用下式简单的表述精馏过程的热力学效率，一般的，精馏塔的热力学效率在 5%15%，最多能达到 30%。式中，mi 表示组分 i 的质量流量，体系输出的取正值，输入的取负值；Bi表示组分 i 的有效能；Q 表示热能，热能均取正值；T 表示温度；角标 R表示再沸器，C 表示冷凝器，0表示环境。精馏过程的节能可通过减少过程热损失、余热充分回收、减少本身对能量的需求和提高热力学效率等方法实现。通过传热传质的同时耦合，隔壁塔的过程热力学效率得到提高，从而实现能耗的减少。4.3隔壁塔流程模拟（T0101）图4-22隔壁塔流程模拟利用隔壁塔替代双塔精馏；混合物从预分馏塔塔中进入，最后从主塔塔中收集到精制后的MTBE。5.LNG冷能5.1 LNG冷能概述LNG 是天然气经过脱酸、脱水处理，通过低温工艺冷冻液化而成的低温（-162）液体混合物，其生产过程是个高能耗过程，每生产1.0t LNG 的动力耗电量约为 850 kWh，而在 LNG 接收站汽化送管网时又释放出很大的冷量，大约为 830 kJ/kg，即1.0t LNG 汽化约释放出 230 kWh 的冷量。然而往往这一部分 LNG 冷能通常在天然气汽化器中随海水或燃料加热被舍弃了，造成了能源的浪费。若能将该部分冷能有效回收用于某些特定工艺领域，则可以达到节省能源、减少 LNG 汽化过程的环境污染、降低下游市场的天然气供气价格，提高经济效益的目的。发达国家很早就开始研究 LNG 的冷能利用，如发电，空分，干冰制造，冷库等工业通过回收部分冷能，就可以替代用于制冷而消耗的大量电能。丁基橡胶( IIR) 是异丁烯和异戊二烯在催化剂作用下进行阳离子聚合反应生成的。目前国际上丁基橡胶的生产大都采用淤浆聚合工艺，聚合温度严格控制在-95 -102，是典型的低温反应。生产过程所需冷量通过丙烯、乙烯复迭制冷系统获得，制冷系统庞大复杂，需要消耗大量的电能。将 LNG具有大量高品位冷能通过冷媒置换出来用于丁基橡胶聚合工艺，替代原工艺中电压缩制冷功耗，将有助于克服目前丁基橡胶合成装置制冷系统动力消耗过高的问题，可有效降低生产成本，提高了丁基橡胶产品的市场竞争力，同时也减少 LNG 汽化过程造成的环境污染，