5-3附录三热集成换热网络设计

京博石化13.5万吨/年甲基丙烯酸甲酯项目热集成换热网络设计团队名称：烯科卓越指导老师：汪广恒 李建伟 杨宝华团队人员：黄洪 许争杰 张晓璐 刘枳均 王一飞京博石化13.5万吨/年甲基丙烯酸甲酯项目目录1.概述32.工艺流股提取（无热泵精馏）43.夹点分析（无热泵精馏）54.工艺流股提取（热泵精馏）74.夹点分析（热泵精馏）86.换热网络设计107.总结12一、概述本项目为山东京博石化设计一甲基丙烯酸甲酯（MMA）的分厂，制造成本是一个关键的考核参数，原料的预热、产品精馏等都是非常耗能的过程，其中公用工程的消耗占了很大的一部分。运用夹点技术对流程进行换热网络的设计和优化，可以尽可能地实现对内部流股热量的集成和最大化利用，从而减小公用工程的消耗。本项目具体可分为甲基丙烯醛合成工段、甲基丙烯酸甲酯合成工段、甲基丙烯酸甲酯精制工段。从整个工艺流程来看，本项目需要大量的公用工程，冷公用工程包括冷却水、-25和-40的冷冻盐水，热公用工程包括125的低压蒸汽、1000的加热炉。冷公用工程来源于母厂的循环水站及冷冻站，热公用工程来源于母厂的蒸汽系统和本厂设计的加热炉。为充分集成过程中的热量，本项目采用了热泵精馏技术，充分利用了温差小的精馏塔，使原本不能换热的流股有换热的可能，从而提高了可回收能量的比率，实现了一定程度的节能。本项目通过对网络的设计和改进，实现了较大能量的回收利用，本项目节能2.503108kJh,节能28.5%，共需要冷公用工程3.947108kJh，热公用工程23.339108kJh。二、工艺流股提取（无热泵精馏）流股信息如下：(源文件“不带热泵精馏无热集成的换热网络”)表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/能量/（KJ/h）0103_To_010520.00380.0011132735.860113_To_011896.4150.007242335.680119_To_012020.00-20.003945006.000104_To_010620.00380.0039144986.110108_To_0109380.00300.0010043749.520219_To_022063.5020.0010294792.140303_To_030457.5720.008180572.980206_To_020780.0030.0012611934.050204_To_0205164.5880.0047928913.630122_To_020141.1580.0054283528.930212_To_0213163.4320.0065818411.83T0304_TO_033261.6162.809695883.61T0304_TO_032853.7239.47-9590154.28T0303_TO_031399.5599.572669114.19T0303_TO_031461.9461.52-2659205.13T0201_TO_022272.8979.53143203904.55T0201_TO_022164.2663.50-125506051.94T0302_TO_031161.5947.60-47189246.07T0301_TO_030998.4199.1417290769.78T0305_TO_033155.4155.70503076.33T0202_TO_022799.0599.517750058.59T0202_TO_022679.1772.74-7564186.40T0305_TO_03303.18-26.26-493202.91T0301_TO_030860.6551.34-9309204.58V030947.6025.93-271641.30三、夹点分析（无热泵精馏）从Aspen Plus V10将物流数据导入到软件Aspen Energy Analyzer中，分析经济效益与最小传热温差的关系，拟合出投资费用、操作费用、总费用分别与最小传热温差的关系曲线如图1、图2、图3所示：图1投资费用-最小传热温差关系曲线（不含热泵精馏）图2操作费用-最小传热温差关系曲线（不含热泵精馏）再根据这两条曲线得到总费用与最小传热温差的关系曲线如图3所示，图3总费用-最小传热温差关系曲线（不含热泵精馏）由图3可知，最小传热温差为12-14时，总费用最小。温差越高，传热推动力越大；另一方面，结合实际，为节省设备费，大型石化工厂一般在塔设备选用虹吸式再沸器，温差越大，两段的液体密度差越大，传热效果越好。因此确定最小传热温差为14。设定最小传热温差为14后，得到的冷热物流的组合曲线如图4所示：图4组合曲线（不含热泵精馏）需要的热公用工程为3.834108kJh，需要的冷公用工程为4.955108kJh。从图中可以看到，夹点附近存在温位相近的平台，经分析，这两个平台表示T0303 MMA精制塔的塔顶、塔釜相变潜热，塔顶和塔底温差为38，温差不大，因此可以采用热泵技术，增加系统内部的换热量。西安科技大学-烯科卓越团队6京博石化13.5万吨/年甲基丙烯酸甲酯项目四、工艺流股提取（热泵精馏）将T0303改造成热泵精馏塔，在Aspen中重新模拟全流程，得到新的流股信息，如表3所示：(源文件“带热泵精馏无热集成的换热网络”)过程流股进口温度/出口温度/能量/（kJ/h）0103_To_010520.00380.0011132735.860113_To_011896.4150.00-7242335.680119_To_012020.00-20.00-3945006.000104_To_010620.00380.0039144986.110108_To_0109380.00300.00-10043749.520219_To_022063.5020.00-10294792.140313_To_032099.5699.582680662.490303_To_030457.5720.00-8180572.980206_To_020780.0030.00-12611934.050318_To_031961.9461.83-528668.160315_To_0317131.85105.66-2601853.350204_To_0205164.5880.00-47928913.630122_To_020141.1580.0054283528.930212_To_0213163.4320.00-65818411.83T0304_TO_032853.7239.47-9590154.28T0201_TO_022272.8979.53143203904.55T0201_TO_022164.2663.50-125506051.94T0302_TO_031161.5947.60-47189246.07T0301_TO_030998.4199.1417290769.78T0305_TO_033155.4155.70503076.33T0202_TO_022799.0599.517750058.59T0202_TO_022679.1772.74-7564186.40T0305_TO_03303.18-26.26-493202.91T0301_TO_030860.6551.34-9309204.58V030947.625.9-271641.30表3工艺过程流股信息表（含热泵精馏）西安科技大学-烯科卓越团队12五、夹点分析（热泵精馏）从Aspen Plus V10将物流数据导入到软件Aspen Energy Analyzer中，分析经济效益与最小传热温差的关系，拟合出投资费用、操作费用、总费用与最小传热温差的关系曲线分别如图5、图6、图7所示：图5投资费用-最小传热温差关系曲线（含热泵精馏）图6操作费用-最小传热温差关系曲线（含热泵精馏）再根据这两条曲线得到总费用与最小传热温差的关系曲线如图7所示：图7操作费用-最小传热温差关系曲线（含热泵精馏）由图7可知，最小传热温差为12-14时，总费用最小。温差越高，传热推动力越大；另一方面，结合实际，为节省设备费，大型石化工厂一般在塔设备选用虹吸式再沸器，温差越大，两段的液体密度差越大，传热效果越好。因此确定最小传热温差为14。选择最小温差为14，得到的冷热物流的组合曲线如图8所示：图8组合曲线（含热泵精馏）从组合曲线可知，相比不加热泵精馏操作，热泵精馏使组合曲线平台缩短，并且热组合曲线温位上升，可以集成系统内部更多的能量，减少公用工程的消耗。若不使用热泵技术，其塔顶冷却能耗为738.7KW，其塔底再沸能耗为741.4KW，总能耗为1480.1KW；使用热泵技术时，设定压缩机效率为85%，则压缩机负荷为134.4KW，二次冷凝能耗为146.9KW，辅助换热器能耗为21.9KW，由于热泵处压缩机由电机驱动，蒸汽由废热锅炉产生，故热泵技术总能耗为303.2KW，节省1176.9KW，该单元总能耗节约79.5%。六、换热网络设计换热网络的设计，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，同时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给出的design中选取其中比较经济且所需换热器较少的设计方案进行后续优化过程。综合考虑总费用与换热器数目：所选推荐设计方案为A_Design 9，如图9所示：图9优化前换热网络该换热网络的换热器数目为54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。如：0206_To_0207物流的换热器面积仅为0.01327平方米，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，以节省一台换热器的设备费。换热网络中存在loop，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，将其合并到换热器，打破回路，减少换热器数目。如：T0202_To_0226与0122_To_0201两股工艺物流之间有两个换热器组成的回路。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。如：0103_To_0105与0219_To_0220两股工艺物流之间相距太远，如果要换热所需管道费用太大。经过以上调节之后，最后获得换热网络如图10所示：图10优化后换热网络优化后的换热网络所需换热器数目为32台，包含3个流股热量回收利用的换热器，数目减少且结构更为精