8-能量集成和换热网络设计

2019“2019“东华科技东华科技- -恒逸石化恒逸石化杯杯” 第十三届全国大学生化工设计竞赛第十三届全国大学生化工设计竞赛 能量集成和换热网络设计 中石化镇海炼化分公司中石化镇海炼化分公司 - -年产年产 2626 万吨醋酸乙烯项目万吨醋酸乙烯项目 团队名称：全村的烯望团队名称：全村的烯望 指导老师：张定明指导老师：张定明 团队成员：徐青锋团队成员：徐青锋 陈帅陈帅 廖朝震廖朝震 陈丽琼陈丽琼 曹艺嘉曹艺嘉 镇海炼化年产 26 万吨醋酸乙烯项目 能量集成和换热网络设计 全村的烯望团队 目录目录 第一章 概述.1 第二章 换热网络理论基础.2 第三章 原始工艺流股提取.5 第四章 原始工艺流股的能耗分析.7 第五章 工艺流程的改进.9 第六章 改进工艺流股的提取及分析.10 第七章 换热网络设计.14 第八章 节能技术利用总结.18 8.1 热泵技术 .18 8.2 双效精馏 .19 第九章 总结.20 第十章 其他节能措施.21 镇海炼化年产 26 万吨醋酸乙烯项目 能量集成和换热网络设计 全村的烯望团队 1 第一章第一章 概述概述 中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司（以下称“镇海炼化”）乙烯 裂解装置产出的合格乙烯，利用部分乙烯采用乙烯气相法生产规模为 26 万吨/ 年醋酸乙烯（99.9%）。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。 本项目工艺由醋酸乙烯合成、醋酸精制、醋酸乙烯精制、甲醇合成四工段 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 V10 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、冷冻盐水和冷冻剂，热公用工程包括为 125的低压蒸汽、175 的低压蒸汽、250的中压蒸汽和 400的热油，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双效精馏技术和热泵技术，并进一步进行了换热网络的集 成和优化。最终，本项目经过优化后，可节省公用工程 64506.12kW，能量回收 率为 32.83%，其中，所需热公用工程为 69819.71kW，所需冷公用工程为 62127.50kW。总节约能量约 64506.69kW。 镇海炼化年产 26 万吨醋酸乙烯项目 能量集成和换热网络设计 全村的烯望团队 2 第第 2 章章 换热网络理论基础换热网络理论基础 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。它的设计过程可由如图所示的 “洋葱模型”来表达。 图图 2-2-1 1 洋葱模型洋葱模型 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。 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） 镇海炼化年产 26 万吨醋酸乙烯项目 能量集成和换热网络设计 全村的烯望团队 3 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。 要直观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，即流股的温度焓关系图，流股在换热过程中 的焓变为： = 水 初 其中 M 为质量流率，Cp 为热容。 以焓变为横坐标，温度为纵坐标做 T-H 如图 2-2 所示： 图图 2-2-2 2 不同类型的温焓图不同类型的温焓图 对冷热流体的温焓图进行合并，就可以得到下图 2-3。 图图 2-2-3 3 冷热流体组合温焓图冷热流体组合温焓图 由于焓是热力学状态函数，具有实际意义的是其增量而非绝对值。因此可 以将组合曲线水平移动。冷、热组合曲线在横坐标上的重叠部分代表两类流体 镇海炼化年产 26 万吨醋酸乙烯项目 能量集成和换热网络设计 全村的烯望团队 4 间可交换的热量，在纵坐标上的差值代表传热温差。温差最小处称为夹点。极 限情况是夹点温差为零。 通过图我们可以很容易的发现夹点位置，并且直观的看出工艺流股间换热 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大准则： （1）不要通过夹点传递能量。 （2）夹点以上不要冷公用工程，它是一个热阱（heat sink）。 （3）夹点以下不要热公用工程，它是一个热源（heat source）。 夹点的选取对于整个工程的费用有着决定性的作用。根据能量目标和设备 投资费用目标可以做出Tmin和总费用的曲线。从图中我们可以发现，当夹点 温度选取越小时，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。 图图 2-2-4 4 最小温差和费用关系图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。我们以此理论建立合理的换热网 络。 镇海炼化年产 26 万吨醋酸乙烯项目 能量集成和换热网络设计 全村的烯望团队 5 第三章第三章 原始工艺流股提取原始工艺流股提取 选择相变点进行物流分段，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。为避免热物流长距离输送，增加投资费用，分别对工艺物流提取信 息提取见表 3-1 所示。 表表 3-13-1 工段物流提取信息工段物流提取信息 过程流股物流符号进口温度/出口温度/热负荷/(KJ/h) 0126_To_0109 90.66 126.54 4378367.95 0406_To_0407 21.01 15.00 13644502.05 0445_To_0447 34.88 89.00 1590308.76 0424_To_0425 61.52 0.00 74444.69 0428_To_0429 50.57 0.00 254234.15 0452_To_0455 232.85 81.00 1175000.59 0449_To_0450 93.55 110.00 786377.74 0432_To_0434 -16.13 300.00 1410313.91 0116_To_0117 152.26 180.00 8544038.64 0402_To_0403 29.98 15.00 923049.32 0107_To_0110 35.62 149.54 17617111.33 0413_To_0414 180.00 35.00 14970007.87 0119_To_0201 175.00 30.00 97066920.78 0410_To_0411 26.86 100.00 54155695.51 0436_To_0437 300.00 146.29 701335.75 0437_To_0438 146.29 180.00 290994.98 0420_To_0421 40.00 -10.00 72266.71 ToReboilerT0101_TO_0111 159.94 160.09 23304.79 ToCondenserT0403_TO_0451 55.98 54.84 1159655.89 镇海炼化年产 26 万吨醋酸乙烯项目 能量集成和换热网络设计 全村的烯望团队 6 过程流股物流符号进口温度/出口温度/热负荷/(KJ/h) 0330_To_0337 125.17 120.51 287497.64 0314_To_0315 5.00 62.01 5449101.31 0313_To_0317 84.43 50.00 2208550.29 0213_To_0215 70.87 5.00 13093773.46 0302_To_0303 26.74 -3.00 2433872.94 0332_To_0333 113.47 -20.00 274418.23 0219_To_0220 70.87 15.00 12328814.21 0347_To_0348 70.87 120.00 287497.65 0228_To_0218 5.04 40.22 5934332.46 0305_To_0310 -0.10 25.00 223600.60 0224_To_0226 65.22 30.00 5934331.46 0328_To_0323 209.85 30.00 34560050.58 ToReboilerT0304_TO_0346 206.21 209.68 14624568.97 To ReboilerT0203_TO_0214 128.10 129.49 83688125.01 ToCondenserT0203_TO_0213Du plicate 72.79 70.87 75647251.33 To CondenserT0304_TO_0329 75.42 72.29 22907604.03 To ReboilerT0303_TO_0324 166.35 200.11 45713845.86 To ReboilerT0204_TO_0222 81.16 81.81 25990540.78 ToCondenserT0204_TO_0219Du plicate 71.73 70.87 9010224.15 ToCondenserT0303_TO_0330Du plicate 148.89 125.17 667738.25 To CondenserT0306_TO_0349 54.22 52.13 280684.48 ToReboilerT0301_TO_0313Dup licate 83.89 84.43 8380228.00 To ReboilerT0305_TO_0336 52.90 54.59 189979.73 To ReboilerT0202_TO_0210 124.99 126.48 47772172.88 To CondenserT0202_TO_0301 59.00 26.74 28044270.90 To CondenserT0305_TO_0331 4.08 -12.16 379937.17 To CondenserT0301_TO_0311 54.71 24.56 9869279.95 镇海炼化年产 26 万吨醋酸乙烯项目 能量集成和换热网络设计 全村的烯望团队 7 第四章第四章 原始工艺流股的能耗原始工艺流股的能耗分析分析 图图 4-14-1 热回收网图络公用工程成本与热回收网图络公用工程成本与TminTmin 的关系图的关系图 在设计换热网络时，Tmin 的选择与换热网络的操作及设备成本有直接关 系。由图 1，我们可以看到，热公用工程和冷公用工程都随Tmin 的增大而增 大，而且二者用量平行增加。对于设备费用而言，Tmin 存在一个最佳值，当 Tmin 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。 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 4-2 所示。 镇海炼化年产 26 万吨醋酸乙烯项目 能量集成和换热网络设计 全村的烯望团队 8 图图 4-24-2 总费用总费用- -最小传热温差关系曲线图最小传热温差关系曲线图 由图 4-2 可以看出，传热温差为 15时总费用最小，因此选取最小传热温 差为 15。在此最小传热温差下的过程组合曲线见图 4-3，总组合曲线如图 4- 4 所示。 图图 4-34-3 过程组合曲线图过程组合曲线图 图图 4-44-4 总组合曲线图总组合曲线图 图 3-4 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 R0101 有换热 要求，可以选用公用工程或工艺流股来实现。其中，醋酸乙烯合成反应器反应 器 R0101 反应放热，反应温度为 175左右，未了保证反应阶段能都对温度进 行灵敏的控制，没有选用系统中的物流进行换热，所以使用冷公用工程热油对 R0101 进行换热。 镇海炼化年产 26 万吨醋酸乙烯项目 能量集成和换热网络设计 全村的烯望团队 9 第五章第五章 工艺流程的改进工艺流程的改进 由图可以看出，在 75左右存在平台区且热量较大，经分析可知，该平台 处有一部分为甲醇精馏塔（T0403），塔顶塔底温差为 26，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，从而达到节能的目的。 镇海炼化年产 26 万吨醋酸乙烯项目 能量集成和换热网络设计 全村的烯望团队 10 第六章第六章 改进工艺流股的提取及分析改进工艺流股的提取及分析 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（见表 6-1。） 表表 6-16-1 工艺过程物流信息表（含节能措施）工艺过程物流信息表（含节能措施） 过程流股物流符号进口温度/出口温度/热负荷/(KJ/h) 0126_To_0109 90.66 126.54 4378367.95 0406_To_0407 21.01 15.00 13644502.05 0445_To_0447 34.88 89.00 1590308.76 0424_To_0425 61.52 0.00 74444.69 0428_To_0429 50.57 0.00 254234.15 0452_To_0455 232.85 81.00 1175000.59 0449_To_0450 93.55 110.00 786377.74 0432_To_0434 -16.13 300.00 1410313.91 0116_To_0117 152.26 180.00 8544038.64 0402_To_0403 29.98 15.00 923049.32 0107_To_0110 35.62 149.54 17617111.33 0413_To_0414 180.00 35.00 14970007.87 0119_To_0201 175.00 30.00 97066920.78 0410_To_0411 26.86 100.00 54155695.51 0436_To_0437 300.00 146.29 701335.75 0437_To_0438 146.29 180.00 290994.98 0420_To_0421 40.00 -10.00 72266.71 ToReboilerT0101_TO_0111 159.94 160.09 23304.79 ToCondenserT0403_TO_0451 55.98 54.84 1159655.89 0330_To_0337 125.17 120.51 287497.64 0314_To_0315 5.00 62.01 5449101.31 0313_To_0317 84.43 50.00 2208550.29 0213_To_0215 70.87 5.00 13093773.46 镇海炼化年产 26 万吨醋酸乙烯项目 能量集成和换热网络设计 全村的烯望团队 11 0302_To_0303 26.74 -3.00 2433872.94 0332_To_0333 113.47 -20.00 274418.23 0219_To_0220 70.87 15.00 12328814.21 0347_To_0348 70.87 120.00 287497.65 0228_To_0218 5.04 40.22 5934332.46 0305_To_0310 -0.10 25.00 223600.60 0224_To_0226 65.22 30.00 5934331.46 0328_To_0323 209.85 30.00 34560050.58 ToReboilerT0304_TO_0346 206.21 209.68 14624568.97 To ReboilerT0203_TO_0214 128.10 129.49 83688125.01 ToCondenserT0203_TO_0213 Duplicate 72.79 70.87 75647251.33 To CondenserT0304_TO_0329 75.42 72.29 22907604.03 To ReboilerT0303_TO_0324 166.35 200.11 45713845.86 To ReboilerT0204_TO_0222 81.16 81.81 25990540.78 ToCondenserT0204_TO_0219 Duplicate 71.73 70.87 9010224.15 ToCondenserT0303_TO_0330 Duplicate 148.89 125.17 667738.25 To CondenserT0306_TO_0349 54.22 52.13 280684.48 ToReboilerT0301_TO_0313D uplicate 83.89 84.43 8380228.00 To ReboilerT0305_TO_0336 52.90 54.59 189979.73 To ReboilerT0202_TO_0210 124.99 126.48 47772172.88 To CondenserT0202_TO_0301 59.00 26.74 28044270.90 To CondenserT0305_TO_0331 4.08 -12.16 379937.17 To CondenserT0301_TO_0311 54.71 24.56 9869279.95 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 6-1。 镇海炼化年产 26 万吨醋酸乙烯项目 能量集成和换热网络设计 全村的烯望团队 12 图图 6-16-1 总费用总费用- -最小传热温差关系曲线图最小传热温差关系曲线图 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：15。 将最小传热温差设为 15，可以得到热集成过程的能量目标： 图图 6-26-2 过程的能量目标过程的能量目标 由上图可以看出， 理论上最少需要热公用工程能量为 3.021108kJ/h 理论上最少需要冷公用工程能量为:2.352108kJ/h 夹点温度为：125 得到优化后的过程组合曲线图及总组合曲线图： 镇海炼化年产 26 万吨醋酸乙烯项目 能量集成和换热网络设计 全村的烯望团队 13 图图 6-36-3 过程组合曲线图（含节能技术）过程组合曲线图（含节能技术） 图图 6-46-4 总组合曲线图（含节能技术）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 300，由保持反应器温度的热公用工程热油进行加热，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采用 400的热油、125的低压蒸汽、175的低压蒸汽 和 250的中压蒸汽。 需要达到的最低温度为-20，因此需要采用液态丙烯冷冻剂，其他使用循 环冷却水、冷冻盐水即可。 镇海炼化年产 26 万吨醋酸乙烯项目 能量集成和换热网络设计 全村的烯望团队 14 第七章第七章 换热网络设计换热网络设计 本项目中，换热网络针对醋酸乙烯合成、甲醇合成工段进行换热匹配设计。 分析公用工程及总投资费用的消耗，并对这几个工段进行了换热匹配和没有进 行换热匹配的工况进行比较，选择出最优的能量优化方案及换热系统。 本项目利用 Aspen Energy Analyzer V10 软件为计算机辅助工具，对夹点 上方的热物流及夹点下方的冷物流进行匹配，避免夹点异侧的物流进行换热。 通过 Aspen Energy Analyzer 的推荐设计功能，系统自动推荐的方案换热网络， 如图 8 所示。 图图 7-17-1 设计方案图设计方案图 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 V10 给出的 Design 中选取全流程需进行换热匹配的 设计方案中分流最少的方案进行后续优化过程。设计方案 A_Design4（选择方 案）如图 7-2 所示 未优化前的推荐换热网络： 镇海炼化年产 26 万吨醋酸乙烯项目 能量集成和换热网络设计 全村的烯望团队 15 图图 7-27-2 未优化前的换热网络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。 图图 7-37-3 looploop 回路图回路图 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 镇海炼化年产 26 万吨醋酸乙烯项目 能量集成和换热网络设计 全村的烯望团队 16 也需要删除。换热面积较小的换热器会增加换热单元数，导致设备投资费用增 加，故删除该类换热器。 删除长距离输送的换热器： 图图 7-47-4 长距离输送的换热器长距离输送的换热器 删除换热面积较小的换热器： 图图 7-57-5 换热面积小的换热器换热面积小的换热器 镇海炼化年产 26 万吨醋酸乙烯项目 能量集成和换热网络设计 全村的烯望团队 17 经过以上调整，将换热网络优化为： 图图 7-67-6 优化后的换热网络图优化后的换热网络图 优化后的换热网络所需要的换热器数目为 44 台，包括 10 台热量回收利用 换热器，可回收热量 64506.54kW。 镇海炼化年产 26 万吨醋酸乙烯项目 能量集成和换热网络设计 全村的烯望团队 18 第八章第八章 节能技术利用总结节能技术利用总结 与未使用节能技术相比，利用双效精馏、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。 8.1 热泵技术热泵技术 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。 图图 8-18-1 塔顶气体压缩式热泵精馏流程图塔顶气体压缩式热泵精馏流程图 表表 8-18-1 热泵技术总能耗表热泵技术总能耗表 项目无热泵技术热泵技术 塔顶冷凝能耗（kW） 574.72118.14 塔底再沸能耗（kW） 519.710.00 压缩机功率（kW） 0.0094.59 总能耗（kW） 1094.43212.73 镇海炼化年产 26 万吨醋酸乙烯项目 能量集成和换热网络设计 全村的烯望团队 19 8.2 双效精馏双效精馏 双效精馏系统由不同操作压强的塔组成。利用较高压力的塔顶蒸汽作为压 力较低的精馏塔再沸器的热源。此较低压力精馏塔的再沸器即为较高压力精馏 塔的冷凝器。塔顶蒸汽的汽化潜热被系统本身回收利用。因此在较大程度节约 了精馏装置的能耗。 图图 8-28-2 双效精馏流程图双效精馏流程图 表表 8-28-2 双效精馏总能耗表双效精馏总能耗表 项目普通