夹点技术在苯乙烯装置节能上的应用

1、节能技术夹点技术在苯乙烯装置节能上的应用高峰 杨雪梅 (中国石油兰州石化公司合成橡胶厂 甘肃兰州730060赖桂兰 (中国石油兰州石化公司聚烯烃事业部 甘肃兰州730060摘要 利用夹点技术对苯乙烯装置进行分析。对整个苯乙烯装置的34种物流,划分了45个温区。得出了苯乙烯装置理论上可以节约热质用量52.9%,节约冷质用量66.9%。在装置的实际改造中可使苯乙烯装置的总能耗从4.77×104kW下降到4.2×104kW,下降了12%。关键词 夹点技术 苯乙烯装置 节能夹点技术(PinchTechnology是英国曼彻斯特大学BodoLinnhoff教授及其同事于20世纪70年

2、代末在前人研究成果的基础上提出的换热网络优化设计方法,并逐步发展成为化工过程能量综合技术的方法论。夹点技术是能量回收系统分析的重大突破,80年代以来夹点技术在欧洲、美国、日本等国家得到推广应用,并产生了经济效益。我国李有润、陈清林、张济民等对夹点技术在节能方面的应用也提出了相关的换热网络。在国内的巴陵石化、上海石化、茂名石化的芳烃、甲醛、聚酯、催化重整等装置上利用夹点技术实现了装置的节能。1 夹点技术对苯乙烯装置的分析1.1 苯乙烯装置简介苯乙烯用途极为广泛,是合成橡胶及塑料工业的重要原料之一,可以生产PS、AS、不饱和聚醋、ABS等,也是生产涂料、树脂、合成医药的重要工业原料。随着苯乙烯装置

3、的技术不断成熟,解决了装置的设备腐蚀和环境污染等问题,特别是催化剂的国产化,使苯乙烯装置的改造成本大幅下降。但苯乙烯装置的能耗居高不下,成为目前苯乙烯行业急需解决的问题。本文以中国石油兰州石化公司60kt/a苯乙烯装置为例,用夹点技术对该装置的物流进行全面分析,找出节能点,并提出改造方案。1.2 用能元素该装置的用能元素有高压蒸汽、中压蒸汽、低压蒸汽、电、燃料气、循环水、空气、氮气、生活水、过滤水、净化水、软化水、冷媒。其所用的能量均来自装置外,蒸汽和电来自兰州西固热电厂,水来自兰州市第二自来水厂,其它来自本单位的公用工程动力装置。电通过兰州电网送至苯乙烯装置,其它的能量元素均通过管道输入。通

4、过计量设备和调节系统由数字集成系统(DCS系统进行计量和控制。1.3 夹点技术的原理给出生产过程系统中各物流的质量流量、初始温度、目标温度以及选定的最小允许传热温差T min后,即可确定夹点。确定夹点常用的方法有3种:作图法、问题表格算法、数学规划法。夹点具有两个特征:一是该处热、冷物流间的传热温差最小,等于T min;二是该处过程系统的热流量为零。夹点之上为热段,只需公用工程加热,称为热阱;夹点下方,为冷端,只需公用工程冷却,称为热源。为使过程系统能量回收最大化,应遵守3条基本原则:(1夹点处不能有热流量穿过;(2夹点上方不设冷公用工程;(3夹点下方不设热公用工程。1.4 夹点计算对整个苯乙

5、烯装置的物流进行分析,共确认苯乙烯装置的物流为34种,根据公式计算出每个物流的热负荷,计算结果见表1。Q=C P dT式中:Q热量,kW;C P热容流率,kJ/;dT目标温度与初始温度的差值,。表1 装置物流信息编号 描述 物流名称 物流类型 初始温度/ 目标温度/ 热负荷/kW1 E-103 苯 冷物流 32 168 619.252 E-101 苯 冷物流 168 200 507.113 E-101-1 乙烯 冷物流 20 200 141.004 E-104 二乙苯 冷物流 32 200 1670.605 E-104 苯 冷物流139185468.006 E-108 非芳烃 冷物流 70 1

6、07 42.007 E-106 烃化液 冷物流 192 196 3732.008 E-27 乙苯 冷物流 192 227 570.509 E-123 多乙苯 冷物流 70 190 591.0010 E-35 乙苯 冷物流 229 229 922.0011 E-54a/b 炉油进料 冷物流 32 115 895.0012 E-55水 15D换热 冷物流 80 92 705.3013 E-55乙苯 15D换热 冷物流 80 92 350.6014 EA-324/323 乙苯15A来 冷物流 20 134 895.0015 EA-301 乙苯和水 冷物流 92 92 3475.0016 BA-301

7、 A低压蒸汽 冷物流 141 890 1205.0017 BA-301-1 B低压蒸汽 冷物流 649 815 283.0018 EA-304 乙苯 冷物流 93 542 6037.0019 E-77 苯乙烯 冷物流 85 90 1424.0020 E-8 乙苯 冷物流 82 138 186.3021 E-103 烃化液 热物流 245 214 -1213.8022 E-102 乙烯 热物流 85 40 -62.6023 E-107 苯 热物流 166 164 -1067.0024 E-31 苯26塔出口 热物流 148 122 -320.5025 E-36 乙苯 热物流 162 116 -4

8、71.5026 E-38 乙苯 热物流 93 20 -211.4027 E-124/125 乙苯二乙苯 热物流 102 20 -405.8028 E-304307 炉油 热物流 587 57 -23381.0029 E-309 尾气 热物流 58 38 -2642.0030 EA-312 尾气 热物流 83 38 -690.8031 E-55 塔顶出料 热物流 97 62 -1058.3032 E-56、57 乙苯 热物流 94 62 -38.3033 E-78、79 苯乙烯 热物流 84 20 -1043.0034 E-14、15 回收乙苯 热物流 95 20 -278.30 注:E-103

9、第一反应器顶换热器;E-101进料换热器;E-101乙烯旁路冷却器;E-104烷基转移进料加热器;E-108非芳烃塔顶换热器;E-106预分流塔顶换热器;E-27苯塔塔顶换热器;E-123多乙苯换热器;E-35乙苯塔再沸器;E-54炉油进料加热器;E-55粗苯乙烯塔顶换热器;EA-324/323乙苯进料加热器;EA-301乙苯水进料加热器;BA-301蒸汽加热炉;BA-301-1蒸汽加热炉-1;EA-304乙苯出料换热器;E-77苯乙烯塔顶换热器;E-8乙苯回收塔换热器E-103烃化液加热器;E-102乙烯加热器;E-107原料苯加热器;E-31苯塔塔顶冷凝器;E-36乙苯塔顶冷凝器;E-38

10、乙苯塔顶再冷器;E-124/125多乙苯塔顶冷凝器;E-304307三联换热器;E-309尾气冷却器;E-312尾气再冷器;E-5657乙苯冷却器;E-7879苯乙烯冷却器;E-1415回收乙苯冷却器将苯乙烯装置的34种物流中的热物流温度下降T min/2,冷物流的温度上升T min/2,然后对所有的冷热物流按平均温度从大到小进行排序,共划分为45个温区,见表2。表2 温区分布 温区 温度 温区 温度 温区 温度 温区 温度 第1温区 896821 第2温区 821655 第3温区 655581 第4温区 581548 第5温区 548239 第6温区 239235 第7温区 235233 第

11、8温区 233220 第9温区 220206 第10温区 206202 第11温区 202198 第12温区 198196 第13温区 196191 第14温区 191174 第15温区 174170 第16温区 170160 第17温区 160156 第18温区 156147 第19温区 147145 第20温区 145144 第21温区 144142 第22温区 142140 第23温区 140128 第24温区 128122 第25温区 122121 第26温区 121113 第27温区 11399 第28温区 9998 第29温区 9896 第30温区 9691 第31温区 9189

12、第32温区 8988 第33温区 8887 第34温区 8786 第35温区 8679 第36温区 7978 第37温区 7877 第38温区 7776 第39温区 7668 第40温区 6863 第41温区 6352 第42温区 5246 第43温区 4644 第44温区 4438 第45温区 3826计算每个温区内的热平衡,以确定各温区所需的加热量和冷却量,计算式为:H i=(C PCi-C PHi(T i-T i+1式中:H i第i区间所需外加热量,kW;C PCi,C PHi分别为该温区内冷、热物流热容流率之和,kW/;T i,T i+1分别为该温区的进、出口温度,。通过计算可以得出装

13、置的热通量。采用夹点技术设计时,该系统的夹点温度是78,整个苯乙烯装置生产所消耗的最小加热公用工程的用量是8395.45kW,所消耗的最小冷却公用工程的用量是1588.34kW。原苯乙烯装置的实际生产消耗能耗所需加热量H hot=17826.76kW所需冷却量H cold=4800.7kW通过以上计算可得出,装置采用夹点技术理论相对节约的公用工程的加热量和冷却量如下: 相对节约加热量=2 改造方案2.1 系统不合理匹配(1夹点之上的不合理。物流22、23、24、25、26、27、28、32、33、34在夹点之上都存在或部分存在公用工程冷却器,违反了夹点方法的设计原则,即夹点之上不应设置任何公用

14、工程冷却器。(2夹点之下的不合理。物流1、3、4、6、9、11、14在夹点之下都存在或部分存在公用工程加热器,违反了夹点方法的设计原则,即夹点之下不应设置任何公用工程加热器。(3跨越夹点的传热。换热器H12、H13和C11存在跨越夹点的传热。换热器H12将物流12从80加热到92,换热器H13将物流13从80加热到92。冷却器C11将物流从91冷却到62。2.2 装置的改造(1热物流25、26、34的原流程为3种物流冷却后,进入装置的中间罐区13号(乙苯罐,储存后送到下一个单元进行脱氢反应。冷物流14为中间罐区13号的出料量,将其用热质加热后进入脱氢反应器。将热物流25、26的冷却装置去除,全

15、物料通过新配管线直接进入脱氢单元,热物流34的冷却装置和原流程保留,使一部分热物流进脱氢单元,一部分热物流经冷却后按照原流程进中间罐区13号。(2改变物流27的原流程。物流27为多乙苯塔顶的出料,主要的成分是二乙苯和三乙苯,使物流27从多乙苯塔顶直接到烷基转移单元的烷基转移反应器入口。现场的流程改造较简单,将原储存单元的2台高速泵移到多乙苯塔,塔顶采出物料通过高速泵直接进入反应系统,这样节省了多乙苯的冷却质用量,避免长流程的物料输送和罐区储存。(4冷物流11来自中间物料储存罐区的乙苯和苯乙烯的混合物。混合物是脱氢单元的产品经冷却后泵送到中间罐区的储罐中。改造方案:将冷却器前的物料直接送入粗苯乙

16、烯塔顶塔,可节省加热量和冷却量合计1790kW。(5冷物流1需要从32加热到168,与烷基化反应器出口的热物流21进行换热,换热后再进入烷基化反应器的入口,使烷基化反应器出口的物流可以从245降到229.7,可节省冷却量619.25kW,增加1台换热面积为15m2的换热器和约50m的DN80管线。2.3 节能计算通过计算,改造后苯乙烯装置共节约能量0.57×104kW。原苯乙烯装置的实际能耗为4.7×104kW,改造后的能耗为4.2×104kW,节约能耗12%。3 结语(1夹点技术适合应用到苯乙烯装置进行能量衡算,且计算简单,适合广大工程技术人员。(2通过夹点计算

17、,将苯乙烯装置分成34种物流,划分了45个温区,可以节约加热量52.9%节省冷却量66.9%。(3夹点技术还可以应用到其它的石油化工等生产装置进行节能等方面的计算。参考文献1LinnhoffB,VredeveldDR. Pinch Technolygy HasComofAgeJ.ChemEngProg,1984, (7:33-442李有润,陈丙珍.化工能量系统集成J.化工进展1996(3:8-163陈清林,华贲.能量系统热力学分析优化方法发展趋势J.自然杂志,1999,21(6:322-3244张济民,夹点技术及其应用J.化学工程师,20010,5(6:45-465王瑾,张凤美,李明林.苯和乙烯液相烷基化生产乙苯技术的工业应用,石油炼制与化工, 2002,33(913-176冯霄.化工节能原理与技术M.北京:化学工业出版社,2004(上接第48页节能减排“扮靓”双桃精化青岛双桃精细化工有限公司把节能减排作为调结构、转方式的法宝,千方百计促降耗。“十一五”期间,双桃精化能源费用在生产成本中所占比重由“十五”末的14.4%下降到8.93%。在销售收入、产品量比“十五”末分别增长57.72%和43.9%的情况下,企业实现节能1.11万吨标准煤,是“十一五”节能责任按照削减总量淘汰落后的节能减排思路,