7-能量回收的换热网络设计

广西科技大学guangxiuniversityofscienceandtechnology2018“东华科技-陕西鼓杯”第十二届全国大学生化工设计竞赛中石化茂名石化分公司十万吨/年甲基丙烯酸甲酯分厂项目能量回收的换热网络设计设计小组： GKD战队队员：骆参升李纪良曾高康黄天烽郭哟萍指导老师：黄承都郭艳谢清若张昆明2018年8月中石化茂名石化分公司10万吨/年甲基丙烯酸甲酯项目能量回收的换热网络设计目录第一章换热网络概述11.1概要11.2换热网络设计方法11.3抓取技术11.4热交换网络步骤31.5流程分析31.5.1冷、热温焓图分析3第二章工艺流程株提取52.1流程股信息52.2塔设备流动股信息52.3掣点分析62.4流信息的再提取82.5优化组合曲线的绘制和抓地温度的确定9第三章换热网络设计123.1热交换网络的合成12第四章节能技术144.1单塔精馏过程144.2双塔工艺流程154.2.1顺流双效精馏1517第1章换热网络介绍1.1概要在化工生产中，物流需要加热，物流需要冷却，换热网络匹配冷热物流，用热物流加热冷热物流，用冷热物流冷却热物流，提高系统的热回收，减少公共工程加热和冷却负荷，达到节能目的。 实现该功能的是由多个热交换器、辅助加热器、辅助冷却器、多个配管等构成的热交换网络(Heat Exchanger Network )。本项目为中石化茂名石化分公司10万吨/年(MMA )甲基丙烯酸甲酯，运行操作成本是重要的评价参数。 原料的预热、精馏、加热反应在耗能过程中，消耗大量的公共工程。本项目利用工厂的MTBE分解生成异丁烯，再利用异丁烯甲基化法生产MMA。 整个生产工艺分为原料MTBE分解工序、MAL (甲基丙烯醛)合成工序、MMA (甲基丙烯酸甲酯)合成工序。 流程中冷热流股多，可回收潜能，通过换热网络的设计和优化，尽可能实现流程内部的热整合和最大化利用，减少公共工程的消耗，降低能耗。 因此，团队正在利用Aspen Energy Analyzer V8.4软件设计热交换网络，寻求节能措施以最大限度地降低成本。该项目所需的冷公共工程包括冷却水，热公共工程包括250低压蒸汽、400中压蒸汽和500高压蒸汽，由工厂公共工程处提供。为了充分整合工艺中的热量，本项目在MAL合成工艺中采用了顺流(并流)双效精馏节能技术。 双效精馏可以改变二次蒸汽的温度，使原本无法进行热交换的股票进行热交换，因此提高了可回收能源的比例，实现了大幅度的节能。1.2换热网络的设计方法热交换网络的优化设计关系到各热交换器以及热交换条件、热交换需求等各种因素的影响，且各热交换器之间的热交换量相互制约，是当今化工研究的热点之一。 热交换网络的优化设计需要建立经验知识和相应的优化方法。换热网络经过数十年的发展，主要设计方法有经验法、最优搜索法、数学规划法、夹层设计法、基于遗传学的设计方法等。1.3抓取技术夹点技术基于热力学原理在有效能图上提出了区域优化方法，在温熵图(T-Q图)上实现了换热器网络优化，说明了夹点的存在性，这是换热网络的新阶段。夹持技术是热交换网络的优化算法，在热交换网络中，将所有的热物流温度焓图适当地移动为一个曲线，将所有的冷物流温度焓图适当地移动为一个曲线，将两个曲线适当地移动为一个图，使最小热交换温度差成为规定值(图1-1 )，由此， 该热交换温度差最小的地方是把手点，把手点以上的热物流和把手点以上的冷物流交换，把手点以下的热物流和把手点以下的冷物流进行热交换，所需的冷热交换网络最小(从热交换的角度出发)。考虑冷热公共工程的价格，加入换热器投资，实现利润最大化的方案，计算出利润最大化的最小换热温差和相应的换热网络。图1-1夹点分析握手的选择对整个工程的费用起着决定性的作用。 由图1-2可知，相对于设备费用，Tmin有最佳值。 Tmin为零时，所需换热面积无限大，设备投资无限大，公共工程消耗达到最小值，两个成本的总和无限大。 Tmin增加时，握把上的换热器面积减少，设备投资费用也急速减少，但超过最低值时，外加热冷却机组数量增加，设备投资费用开始增加。 因此，在最佳Tmin下总成本也最小。 因此，理想的状况是以最佳Tmin进行热交换网络设计。图1-2最小温差与费用的关系本项目为中石化石化分公司设计生产MMA (甲基丙烯酸甲酯)的工厂，采用甲基化法生产MMA。 工艺流程包括原料MTBE分解工序、MAL合成工序、MMA合成工序。 工艺中冷热流株较多，潜热可以回收。 通过热交换网络的设计，尽可能实现过程内部的热整合和最大化利用，减少公共工程的消耗，减少能源消耗。 为此，本团队采用Aspen Energy Analyzer V8.4进行全厂换热网络设计，寻找节约能源的措施，将成本降至最低。1.4热交换网络步骤(一)确定全过程中的冷热物流信息；(2)根据上述信息，分别制作单一的温度焓图(T-H图，冷热各一张)。(3)冷热温度焓图结合在一张图上(冷热曲线h轴垂线不相交)。(4)Aspen Energy Analyzer计算最小传热温度差(5)根据最小传热温度差，对冷热温度焓曲线进行直线移动，以使两条曲线的某点的h轴垂线距离(即)与计算出的最小传热温度差相等，得到复合曲线(Composite Curves )。(6)根据组合曲线划分温带，确定夹点温度，合理规划换热网的结构(7)得到最终的优化结果1.5工艺分析1.5.1冷、热温焓图分析全过程换热网络温度焓图如图1-3所示。图1-3全流量换热网络温度焓图冷、热温焓曲线无交点，Aspen中流动相应：冷物流在冷公共工程中冷却，热物流在热公共工程中加热，此时冷、热温焓图无交点。 平移全过程换热网络温度焓图和最小传热温差如图1-4、1-5所示。图1-4平移全过程换热网络温度焓图图1-5最小传热温差平台区域的能量如图16所示。图1-6平台区域的能量图平台区的能量在这个最小传热温差下与Composite Curves的影子部分相对应，平台区的积分面积是热交换网络优化后能够达到的极限值，其利用方法是以冷热物流之间的热交换为依据，决定热交换网络的优化条件。第二章工艺流程股提取2.1流程股信息利用Aspen Energy Analyzer V8.4软件，自动导入Aspen Plus模拟的流程信息，并适当修改部分物流信息进行补充。表2-1流程物流信息表(双效精馏除外)工艺流程股票加热器名称进口温度/出口温度/能源/kw1-2 TO 1-3E0101战斗机25.40215.003106.631-6 TO 1-7E0102战斗机215.0043.30-1966.871-10 TO 1-12E0103战斗机132.1035.00-2484.271-14 TO 1-16E0104战斗机143.7025.00-114.201-15 TO 1-18E0105战斗机62.1024.10-747.992-1 TO 2-2E0201战斗机-7.4025.001031.192-8 TO 2-9E0202战斗机20.00380.0025035.62-10 TO 2-11E0203战斗机380.0070.00-16824.302-12 TO 2-15E0204战斗机278.8030.00-22533.50S26 TO 2-21战斗机E0205战斗机93.9060.00-2231.342-27 TO 2-28E0206战斗机99.7099.00-203.232-30 TO 2-31战斗机E0207战斗机129.5025.00-1973.872-26 TO 3-1E0301战斗机70.2025.00-1671.631-28 TO 3-2E0302战斗机63.6025.00-187.623-7 TO 3-8E0303战斗机25.3080.002270.553-12 TO 3-13E0304战斗机175.6080.00-1630.373-20 TO 3-21战斗机E0305战斗机80.5050.00-5816.013-24 TO 3-25战斗机E0306战斗机221.6025.00-20772.603-33 TO 3-35E0307战斗机99.6050.00-1571.692.2塔设备流动股信息塔设备的流动股信息详见表2-2。表2-2流动股信息表(双效精馏除外)塔台热交换器型进口温度/出口温度/热负荷/kWT0102战斗机Condenser99.1063.60-2586.11T0202战斗机Condenser98.6091.90-15.69T0303Condenser91.7082.20-8583.33T0301Condenser40.9024.30-24027.78T0104战斗机Condenser25.5024.80-2383.33T0105战斗机Condenser22.7063.6-4044.34T0202战斗机Reboiler138.00138.903038.33T0301Reboiler126.60123.30277790.78T0104战斗机Reboiler101.00102.401255.56T0303Reboiler99.60100.1012555.56T0203战斗机Reboiler99.6099.809913.86T0105战斗机Reboiler98.8099.504790.102.3掣点分析2.3.1复合线的描绘将上述流程数据输入热整合软件Aspen Energy Analyzer，分析了最小传热温度差与装置投资成本、能源成本的关系，拟合了总成本与最小传热温度差的关系曲线.图2-1总成本-最小传热温差曲线(双效精馏除外)最小传热温度差选择为22，如图2-2所示，得到冷热流股温度焓图。图2-2冷热流股温焓图(不含双效精馏)图2-3通用工程物流组合图表图2-4的综合组合图表图2-5换热网络网格图由图可知，把手附近存在较长的倾斜平台区，蓝色线的冷流体平台表示精馏塔T0105曲线。 冷流体方面存在着温度高的平台区域，这表明这里流动的植株处于相变过程中。 分析表明，平台区是T0105甲醇精制塔冷凝器的负荷。为了降低相变过程(组合曲线上的平台区)对公共工程的需求，本项目采用先进节能技术优化平台区，优化方案见表2-3。表2-3复合曲线平台区域优化方案平台区域优化提案说明甲醇回收塔重沸器双重效率精馏将单塔分为高压塔和低压塔，以前塔的蒸汽作为后塔再沸的热源，达到了精馏塔能量再利用的目的。2.4流信息的再提取表2-4再模拟后的流动股信息表(包括双效精馏)工艺流程股票加热器名称进口温度/出口温度/能源/kw2-12 TO 2-15B16 B17 B18278.8030.00-22532.222-10 TO 2-11B15 B14 B13380.0070.00-16843.061-34 TO 1-32E0107战斗机89.2098.301475.001-26 TO 1-27战斗机B822.9022.70-2.621-2 T0 S11B4 B3 B525.40215.003105.561-38 TO 3-2B21战斗机69.8025.00-483.333-20 TO 3-21战斗机B27战斗机80.0050.00-6211.113-24 TO 3-25战斗机B28 B23战斗机224.2025.00-20922.221-6 TO 1-7E0102战斗机215.0043.30-1975.832-26 TO 3-1B24系列70.2025.00-1689.172-8 TO 2-9B12 B7 B1120.00380.0025036.113-12 TO 3-13B25战斗机175.6080.00-1640.831-28 TO 1-29战斗机E0107战斗机121.00115.40-1476.11S19 T