附录1换热网络与节能设计

四川达州石化年产10万吨醋酸乙烯项目河北农业大学渤海校区参赛队员：刘 曼 赵紫光 王炎江 王庆一 范雨航 指导老师：刘祺凤 石旭柳 高建平 王洪东 张 凯目 录第一章 换热网络的设计11.1 概述11.2 确定流股信息11.2.1 工艺物流信息11.2.2 公用工程规格21.2.3 绘制组合曲线（优化前）31.2.4 组合曲线平台区能量的利用51.2.5 重新提取流股信息61.2.6 绘制优化后组合曲线与夹点温度确定71.3 换热网络的合成91.3.1 换热方案的确定91.3.2 换热网络的优化与评价91.3.3 换热网络在工艺流程中的应用111.3.4 热集成后的Aspen模拟流程图14第二章 节能技术152.1 隔壁精馏技术15四川达州石化年产10万吨醋酸乙烯项目 换热网络与节能设计第一章 换热网络的设计1.1 概述换热网络是化工工业过程能量回收的重要手段，对化工生产降低能耗有着重要的意义。合理的利用热物流去加热冷物流，减少公用工程辅助加热和冷却负荷，可以提高整个过程系统的能量利用率和经济性。本项目以夹点技术为基础，利用Aspen Energy Analyzer 进行换热网络设计优化，最大化的利用装置的能量，减少公用工程用量，合理优化并确定出具有最少的设备投资和操作费用，且满足把每个过程物流由初温达到规定目标温度的换热网络。1.2 确定流股信息1.2.1 工艺物流信息利用Aspen Energy Analyzer 软件自动导入Aspen Plus 中模拟的总流程信息，并适当修改和补充部分物流信息，如表1-1所示。表1-1 流股信息提取表（不含节能技术）Name进口温度（）出口温度（）焓（KJ/h)流量（kg/h)To ReboilerT0310_TO_112130.41137.22138680430.36343431.14To ReboilerT0203_TO_25184.14184.645749737162.002877638.68To CondenserT0501_TO_18104.42102.791365068.583048.49To ReboilerT0501_TO_124118.21118.761386763.635047.93To CondenserT0310_TO_10374.3371.07139228708.09299292.16To ReboilerT0307_TO_11175.8288.57128028239.83241111.32To CondenserT0405_TO_13941.4830.316048298.6010351.73To CondenserT0502_TO_126117.58117.0832325.5417175.89续表1-1To ReboilerT0502_TO_128136.61143.416694298.4817601.45To ReboilerT0405_TO_11367.6573.446091230.0714488.00To ReboilerT0409_TO_12347.8955.24671617.541504.56To CondenserT0307_TO_100-40.41-72.45154593474.71244073.08To CondenserT0410_TO_12956.0143.00178802.11237.78To CondenserT0408_TO_14845.5132.098422854.2714177.81To ReboilerT0205_TO_33211.07211.5719.566669902.05To ReboilerB39_TO_140166.93280.601403113.241936.11To CondenserT0205_TO_32207.7887.611833509105.872578693.30To ReboilerT0410_TO_13771.1674.68394065.391613.54To ReboilerT0408_TO_149108.55109.3317848.654943.15To ReboilerT0206_TO_37107.74141.38201105425.86122772.12To CondenserB39_TO_13872.3071.801239339.053331.58注：表示物流升温吸热，表示物流降温放热。1.2.2 公用工程规格根据达州当地年最高水温，公用工程循环冷却水入水温度为25，回水温度25；冷却气进口温度7，回水温度10；加热蒸汽选0.4MPa低压蒸汽，1.1MPa中压蒸汽，4MPa高压蒸汽（压力均为表压）。表1-2 公用工程信息表公用工程名称进口温度（）出口温度（）公用工程花费（COST/KJ)热容（KJ/KG）Low pressure steam Generation4445-1.89E-062398.67Refrigerant 4-103-1028.53E-061.34续表1-2Cooling Water20252.12E-074.18Refrigerant 1-25-242.74E-064.00Very Low Temperature-270-2698.90E-061.34AIR30351.00E-101.00Medium pressure Stream1751742.20E-062034.75High pressure Stream2502492.50E-061719.32Fired Heater10004004.25E-061.00Medium pressure steam Generation174175-2.19E-062034.75注：表示物流升温吸热，表示物流降温放热。1.2.3 绘制组合曲线（优化前）将上述流股数据输入到热集成软件Aspen Energy Analyzer中，分析最小传热温差与装置投资成本、能耗成本的关系，并拟合出总费用与最小传热温差的关系曲线，如图1-1和图1-2所示。图1-1 最小传热温差与装置成本、能耗成本的关系（优化前）图1-2 最小传热温差与总费用的关系（优化前）由最小传热温差与总费用之间的关系图可以发现，当温差为9时，项目的总费用最低，设定最小传热温差为9后，得到优化前的组合曲线图和总组合曲线图，如图1-3和图1-4所示。图1-3 组合曲线（优化前）图1-4 总组合曲线（优化前）1.2.4 组合曲线平台区能量的利用从系统的组合曲线中可以看到，热流体一侧存在温位较高的平台区，这表明该处流股处于相变过程。经过分析，这里的平台区为天然气部分氧化制取乙炔后的反应不凝气需要迅速降温，从而进入后面的提浓工段为了降低相变过程（组合曲线上的平台区）对公用工程的需求，本项目运用先进节能技术对平台区进行优化，优化方案如表1-3所示。表1-3 针对组合曲线平台区的优化方案平台区优化方案说明天然气氧化乙炔反应器余热锅炉将废热利用天然气部分氧化制取乙炔需要在1450 进行，从而在反应器出口得到温度较高的不凝气，需要降温进入乙炔的提浓工段，在这里，利用余热锅炉对不凝气进行降温的同时加热的水蒸气进入CO2解吸塔和和汽提脱水塔进行下一部分的操作。 醋酸乙烯双塔分离隔壁塔分离由于丙酮和醋酸乙烯在塔的操作条件下形成共沸，增加了分离塔的占地面积，以及分离的能耗。我团队决定利用隔壁精馏塔来分离醋酸乙烯。1.2.5 重新提取流股信息在确定平台区优化方案后，需要将Aspen Plus中流程重新模拟，然后提取新的流股信息，如表1-4所示。表1-4 流股信息提取表 (含节能技术)公用工程名称进口温度（出口温度（）公用工程花费（COST/KJ)热容（KJ/KG）To ReboilerT0310_TO_112130.41137.22138678324.74343426.02ToCondenserB28_TO_181104.42102.791365068.453048.49ToCondenserB18_TO_32207.7787.561833781466.172578567.96To CondenserT0310_TO_10374.3371.06139226609.10299298.83To CondenserT0405_TO_13939.8829.125955402.8110242.76ToReboilerB28_TO_124118.21118.761386763.275047.93ToReboilerB18_TO_33211.07211.5719.576671496.10To ReboilerT0405_TO_11366.5971.545983564.3213352.93To CondenserT0408_TO_14844.3231.018240099.2814047.80ToReboilerB31_TO_13770.9774.60387902.181600.42ToReboilerB39_TO_140274.93285.051463528.572732.66ToReboilerB21_TO_37107.73141.30199975761.33121976.02To ReboilerT0408_TO_149108.55109.3317756.664917.67To CondenserB31_TO_12942.5330.31139698.47217.71To CondenserB39_TO_13872.3071.801239259.933331.58注：表示物流升温吸热，表示物流降温放热。1.2.6 绘制优化后组合曲线与夹点温度确定将Aspen Plus重新模拟后得到的流股数据输入到Aspen Energy Analyzer中，分析最小传热温差与装置投资成本、能耗成本的关系，并拟合出总费用与最小传热温差的关系曲线，如图1-5和图1-6所示。图1-5 最小传热温差与装置成本、能耗成本的关系（优化后）图1-6 最小传热温差与总费用的关系（优化后）由最小传热温差与总费用之间的关系图可以发现，当温差为10.5时，项目的总费用最低，设定最小传热温差为17后，得到优化后的组合曲线图和总组合曲线图，如图1-7和图1-8所示。图1-7 组合曲线图（优化后）图1-8 总组合曲线图（优化后）通过组合曲线图（温焓图）可以看出，系统有较大的能量可以通过冷热物流的匹配换热达到回收的目的。通过Aspen Energy Analyzer确定夹点温度，并确定最小冷热公用工程用量目标，如表1-5所示。表1-5 夹点温度及能量目标夹点1温度（oC）夹点2温度（oC）最小公用工程消耗量(KJ/h)热端冷端热端冷端热公用工程冷公用工程182.517574.366.8276446557.66153591398.54续表1-5夹点3温度（oC）夹点4温度（oC） 最小公用工程消耗量(KJ/h)热端冷端热端冷端热公用工程冷公用工程27.522.0-17.5-25.0276446557.66153591398.541.3 换热网络的合成1.3.1 换热方案的确定在确定夹点温度和能量目标后，便可根据夹点原理进行物流之间的换热匹配。在设计过程中不仅要考虑最大能量回收，还要考虑由于换热面积所产生的设备费用。本项目使用Aspen Energy Analyzer自动合成若干最大能量回收的换热网络，然后再根据打破回路（Loop）等原则，结合工艺流程的实际情况进行能量松弛。通过Aspen Energy Analyzer生成了若干种最大能量回收的换热网络，在其中选择总操作费用最小且换热器数量较少的设计方案进行后续优化过程。所选择的推荐设计方案如图1-9所示。图1-9 优化前的换热方案1.3.2 换热网络的优化与评价针对推荐的换热方案进行手动调整，在调整优化的过程中主要遵循以下几个原则： （1）采用合并换热器等方法打破回路（Loop）；（2）减少换热设备数量，去掉较小的换热器。（3）避免因距离太远而管路成本过高的换热关系。（4）避免流股大量分割.在遵循上述原则的同时，本团队根据工艺流程的实际情况，对推荐的换热方案进行优化设计，得到最终的换热网络，如图1-10所示。图1-10 优化后的换热网络将换热网络集成前后的操作费用与公用工程负荷列于表1-6中。表1-6 换热网络设计前后经济指标项目经济指数单位合成换热网络之前设计换热网络之后热公用工程费用0.370.21Cost/s冷公用工程费用0.640,13Cost/s操作费用0.140.17Cost/s设备投资80346408154000加热负荷691.21494.82MW冷却负荷1044.89678.94MW设计换热网络后，由于引入的压缩机在天然气氧化乙炔部分的两级压缩中压缩机消耗电能，电是比蒸汽品质更高的能源，两者之间的转换系数为3.29，将电耗折算的蒸汽负荷补充到表1-6设计换热网络之后的加热负荷中。由表1-6可看出，在未进行换热网络的优化设计前，装置的加热、冷却公用工程的量较大，操作费用大，因此总费用偏高。而在设计换热网络之后，冷热公用工程需求量减少，操作费用也相应减少。由此可知换热网络设计有显著效果，有助于热量的多级高效利用，降低运行成本，更加经济合理。但是由于使用了废热锅炉等节能技术，使得设备费用增加，但是总费用仍然比设计换热网络之前大大下降。由上述可知，通过集成换热网络设计，经济效益显著，加热蒸汽用量降低了12.0%，冷却公用工程降低了22.4%，换热网络设计有效。1.3.3 换热网络在工艺流程中的应用（1）自天然气合成乙炔反应器流出的反应产物中含有大量不凝气，由于我们采用在反应器的进口进行了两级压缩，而在两级压缩后使得产物具有很高的温度，因此在高温产物进入乙炔的提浓工段之前，通过余热锅炉产生0.9兆帕的蒸汽，供给第二工段的CO2解吸塔和第四工段副产物的汽提脱水塔的使用。如图1-11所示。图1-11高温物流产生蒸汽（2）吸收液与反应气热交换系统。CO2解吸塔中进入的中压蒸汽对CO2的吸收液进行蒸汽汽提，减压汽提的过程中，CO2进行解吸，发生2KHCO3=K2CO3+CO2+H2O反应，塔釜中带有余热的吸收液与补加的吸收液与之前脱气塔之后的反应气压缩系统进行换热，达到达到了节能的目的。如图1-12所示。图1-12 蒸汽压缩式热泵系统（3）脱水塔中利用余热锅炉产生的蒸汽提供热源，脱去原料液中的废水，塔釜流出带有余热的废水。一部分进污水处理系统一部分降温后作为萃取剂进入冷水塔萃取丙酮，塔釜的丙酮废水进入丙酮降解系统。塔顶的少量醋酸乙烯与来自余热废水的热流换热后再循环。流程如图1-13所示。图1-13 萃取剂回收塔釜液换热 11 / 16年产9.6万吨醋酸乙烯项目 换热网络与节能设计1.3.4 热集成后的Aspen模拟流程图在换热网络设计后，本项目利用Aspen Plus对换热网络进行模拟，并将优化后的换热网络全部添加到总流程当中，全流程模拟如图1-16所示：图1-16 Aspen模拟示意图四川达州石化年产10万吨醋酸乙烯项目 换热网络与节能设计第二章 节能技术122.12.1 隔壁精馏技术隔壁精馏塔，在精馏塔中添加