8-换热网络集成与节能设计说明书

2019“东华科技恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛 2019年“东华科技-恒逸杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛南京扬子石化分公司换热网络集成与节能设计说明书年产20万吨醋酸乙烯酯的项目 Hots团队任珈萱 杨钰芬 王凯 吴培丽 孙旺指导老师：常西亮 邵圣娟 李晓红 张云凤13目 录1.概述12.工艺流股提取23.原始工艺流股的能耗分析34.工艺流程的改进45.改进工艺流股的提取及分析56.换热网络设计87.热泵技术分析108.总结121. 概述本项目为扬子石化总厂设计的年产 20 万吨醋酸乙烯酯的分厂，在本项目的运行中，成本是需要重点考虑的指标之一。项目中，原料预热、中间产品的冷却、精馏过程的冷凝与再沸等，均属于耗能部分，且同时将耗费大量的公用工程。本项目利用扬子石化的所产的醋酸和乙烯，经醋酸乙烯酯的合成工段、气体吸收工段和醋酸乙烯酯精制工段三个工段，得到醋酸乙烯酯产品。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 V9 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、空气和冷冻剂，热公用工程包括为 125的低压蒸汽、175的中压蒸汽、250的高压蒸汽和热油。所用冷公用工程来自扬子石化循环水站，热公用工程来自扬子石化绿色供汽中心。为了充分集成过程中的能量，本项目在副产品醋酸甲酯精制工段中采用了热泵精馏技术。热泵精馏是通过热泵蒸发，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。通过以上热集成技术优化后，本项目实现节能25023.8 kW，能量回收率达 24.82%。 所需热公用工程为42154.8kW，所需冷公用工程50682.2kW，达到较大能量回收。此外，通过热泵精馏节约能耗301.145kW。2. 工艺流股提取表 2-1 工艺过程流股信息表（不含热泵精馏）过程流股进口温度/出口温度/热负荷/kWT0203D_To_E0204OUT25.18 40.00 179.33 M0302OUT_To_E0304OUT72.85 25.00 516.14 P0101OUT_To_E0104OUT180.00 30.00 10185.96 M0102OUT_To_E0103OUT197.58 180.00 534.86 P0202OUT_To_E0201OUT249.08 21.06 3480.45 P0201OUT_To_E0202OUT134.14 25.00 1495.33 T0305D_To_E0303OUT60.39 25.00 13.34 P0401OUT_To_C2H4O2100.77 20.00 2309.70 PPOUT_To_E0101OUT94.11 200.00 3951.35 T0306D_To_E0305OUT58.54 25.00 8.11 MFH2OOUT_To_FH2O325.01 45.79 6.11 M0202OUT_To_LEANIN300.14 25.00 4417.56 F0302B_To_FH2O220.00 33.13 13.34 T0304W_To_E0302OUT61.84 25.00 64.15 T0302D_To_FH2O99.64 85.91 215.73 CH2CH2_To_E0102OUT25.00 80.00 215.73 T0301D_To_E0301OUT65.85 38.33 3443.29 表 2-2 塔设备流股信息表（不含双效精馏）过程流股进口温度/出口温度/热负荷/kWTo CondenserT0304_TO_T0304D21.6119.971435.55To ReboilerT0303_TO_T0303W74.7874.936747.35To ReboilerT0204_TO_Reboiler OutletT0204127.94134.931785.86To CondenserT0303_TO_T0303D63.7154.845530.60To ReboilerT0302_TO_T0302W115.77116.4540710.93To ReboilerT0306_TO_T0306W75.9076.04205.08To CondenserT0306_TO_T0306DDuplicate59.2658.54174.32To CondenserT0302_TO_T0302DDuplicate99.6599.1540573.16To ReboilerT0301_TO_T0301W107.55108.7013009.17To CondenserT0305_TO_T0305DDuplicate61.1260.39620.87To CondenserT0301_TO_T0301DDuplicate66.3565.855319.973. 原始工艺流股的能耗分析通过 Aspen EnergyAnalyzerV9.0 软件，在能量分析之后，对最小传热温差 进行经济评估，获得总费用-最小传热温差之间的关系曲线如图 3-1 所示。图3-1 总费用-最小传热温差关系曲线图（不含节能措施）由图3-1可以看出，传热温差为5时总费用最小，因此选取最小传热温差为5。在此最小传热温差下的过程组合曲线见图3-2，总组合曲线如图3-3所示。图3-2过程组合曲线图（不含节能技术）图3-3优化前的总组合曲线图（不含节能技术）图3-2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、R0102、F0101、F0102、F0205以及有换热要求，可以选用公用工程或工艺流股来实现。由图3-3的总组合曲线可知，系统中没有合适的热工艺流股可以利用，所以使用400的热油对F0205进行换热。4. 工艺流程的改进由图3-2的组合曲线可以看出，夹点附近存在较长的平台区，经分析可知， 平台区一部分是副产品醋酸甲酯精制精馏塔T0306塔顶及塔底的相变热，而且 T0306塔顶、塔釜温度差为14.5，该塔可以通过热泵技术提高塔顶流股温位，用以加热塔釜流股，增加系统内部换热量，减少公用工程的消耗量。5. 改进工艺流股的提取及分析加入热泵精馏后，在 Aspen V9中重新模拟全流程，得到新的流股信息（物流号及设备位号参考3-全流程模拟（含热泵、含公用工程、含换热网络、含塔优化参数代入）见表5-1和表5-2。表5-1工艺过程物流信息表（含节能措施）过程流股进口温度/出口温度/热负荷/kWT0203D_To_E0204OUT25.18 40.00 179.33 M0302OUT_To_E0304OUT72.85 25.00 516.17 T0306W_To_ERB01C76.04 76.54 204.89 P0101OUT_To_E0104OUT180.00 30.00 10185.96 M0102OUT_To_E0103OUT197.58 180.00 534.86 P0202OUT_To_E0201OUT249.08 21.06 3480.45 P0201OUT_To_E0202OUT134.14 25.00 1495.33 T0305D_To_E0303OUT60.39 25.00 13.34 P0401OUT_To_C2H4O2100.77 20.00 2309.70 PPOUT_To_E0101OUT94.11 200.00 3951.35 JRB01OUT_To_ERBO3OUT82.23 58.54 21.56 C3H6O2_To_E0305OUT58.54 25.00 8.11 PRB01OUT_To_ERB01H92.63 82.23 186.37 MH2OOUT_To_FH2O325.01 45.79 6.11 M0202OUT_To_LEANIN300.14 25.00 4417.56 F0302B_To_FH2O220.00 33.13 13.34 T0304W_To_E0302OUT61.84 25.00 64.15 T0302D_To_FH2O99.64 85.91 215.73 CH2CH2_To_E0102OUT25.00 80.00 215.73 T0301D_To_E0301OUT65.85 38.33 3443.29 表5-2塔设备物流信息表（含节能措施）过程流股进口温度/出口温度/热负荷/kWTo CondenserT0304_TO_T0304D21.6119.971435.55To ReboilerT0303_TO_T0303W74.7874.936747.35ToReboilerT0204_TO_Reboiler OutletT0204127.94134.931799.99To CondenserT0303_TO_T0303D63.7154.845530.60To ReboilerT0302_TO_T0302W115.77116.4540710.93To CondenserT0302_TO_T0302DDuplicate99.6599.1540573.16To ReboilerT0301_TO_T0301W107.55108.7013009.17To CondenserT0305_TO_T0305DDuplicate61.1260.39620.87To CondenserT0301_TO_T0301DDuplicate66.3565.855319.97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5-1。图5-1总费用-最小传热温差关系曲线图（含节能技术）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：5。 将最小传热温差设为5，可以得到热集成过程的能量目标：图5-2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：1.824108kJ/h=50666.7kW 理论上最少需要冷公用工程能量为:2.311108kJ/h=64194.1kW 夹点温度为：热流股37.5；冷流股32.5 得到优化后的过程组合曲线图及总组合曲线图：图5-3过程组合曲线图（含节能技术）图5-4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 296，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的中压蒸汽、250的高压蒸汽。需要的冷公用工程包括循环冷却水、空气和冷冻剂。6. 换热网络设计换热网络的设计以自由度大为特点，因此所获得的换热网络方案数目众多且复杂。通常，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，应避免远距离流股间换热，同时还要将设备费用等因素也考虑进去，从而获得最为合理的换热网络。为简化换热网络，将流股分流设 置为 1。在 Aspen EnergyAnalyzerV9.0 推荐的 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过程。此处，由软件推荐的10个设计方案如图6-1所示：图6-1软件推荐的设计方案比较 从上图可知，A_Design-2 中所需换热面积最小，且公用工程耗量最少，同时换热设备数目较少，因此选择最为经济的 A_Design-6 来进行换热网络优化。 A_Design-6 优化前如图6-2所示：图6-2优化前的设计方案该换热网络的换热器数目为43台，按照最小换热器台数原则，还可以撤去若干台换热器。该换热网络中有部分换热器换热面积很小，热负荷也很小，可以删去。换热网络的最优合成就是满足生产的前提下设计出具有最佳的热回收效果和设备投资费用的换热器网络。得到的初始网络是在夹点上下分别进行匹配，有些物流在夹点上下重复计算，存在热负荷回路，这就不可避免地使网络换热单元总数大于将整个系统作为一体对待时的最小换热单元数目，影响设备投资费用，因此非常有必要通过合并换热单元进行调优。在调优的过程中还给以适当的能量松弛，即将换热网络从最大能量回收的紧张状态下“松弛”下来，适当增加公用共程费用，以满足最小传热温差或减少换热器数目。或者适当减少换热温差，减少换热器数目。在进行换热网络优化时，应遵循以下几点：1.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，在使用循环冷却水和冷冻水冷却时，如果循环冷却水冷却的负荷较小，则可直接使用冷冻水，而不同时使用两种公用工程，以节省一台换热器的设备费。 2.换热网络中出现 Loop 回路也是使操作费用增加的原因。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 其合并到负荷大的换热器，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，甚至减少换热器的数目。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，此类换热器需要删除。 3.在换热网络中存在多次换热的情况。通常，能量较高的流股多次换热是符合节约能量的原则的，但是多次换热不仅存在着换热设备的负担，还会使不同工段之间的整合难度大大增加。因此，需要将某些换热频繁的流股进行简化，此时可通过跨夹点换热，以达到消融和松弛的目的。此外，还可以通过冷热公用工程 之间的 Path 通路，来调节各 Path 上的换热量，从而达到松弛换热器负荷，甚至减少换热器数目的目的。 经过上述方法优化后，最终获得的换热网络如图6-3所示：图6-3优化后的设计方案优化后的换热网络所需换热器数目为28台，包含4台内部能量回收的换热器，数目大大减少且换热网络更为精简。 内部能量回收的换热器信息如表6-1所示；公用工程对比如表6-2所示。表6-1内部能量回收的换热器信息表位号冷流股热流股节约能耗/KWE0102CH2CH2_TO_E0102OUTT0302D_TO_FH20179.325E0303F0302B_TO_FH2O2T0305D_TO_E0303OUT220.573ERB01T0306W_TO_ERB01CPRB01OUT_TO_ERB01OUT301.145E0305MFH2OOUT_To_FH2O3C3H6O2_TO_E0305OUT310.877表6-2公用工程对比信息表项目冷公用工程/kW热公用工程/kW总计/kW直接公用工程64194.150666.7114860.8换热网络设计50682.242154.897837.0能耗减少量/%23.26%26.80%24.82%经过优化后，可回收能量25023.8 kW，能量回收率达 24.82%。 所需热公用工程为42154.8kW，所需冷公用工程50682.2kW。7. 热泵技术分析在无热泵技术的情况下时，组合曲线如图7-1所示。图7-1组合曲线（不含节能措施）由图可以看出，在106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副产品醋酸甲酯精制精馏塔T0306，塔顶塔底温差为14.5，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，从而节能。 将副产品醋酸甲酯精制精馏塔T0306的冷凝器取消，直接引出塔顶气相，通过压缩机加压，使得塔顶气相的温度提高一个等级，作为热源至塔釜再沸器换热，放出热量冷凝部分气体，再经节流阀减压降温，由于醋酸甲酯纯度要求，故在节流后继续通过较为经济的二次冷凝，用公用工程降温至25，从而得到符合副产品的要求的醋酸甲酯，一部分液体回流至塔内进行再次分离。塔釜液体经过流股间换热后经