較大能量回用的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

1、年產(chǎn)55萬噸對二甲苯項目較大能量回用的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計 浙江大學(xué) 怦然心動 團隊李盛巧、喻虹羽、王挺、王嘯、藍佳龍揚子石化年產(chǎn)55萬噸對二甲苯項目較大能量回用的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計附錄三浙江大學(xué) 怦然心動目錄一、換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計概述- 1 -二、工藝流股提取- 2 -三、確定能量目標- 3 -四、較大能量回用的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計- 5 -五、分隔壁塔的節(jié)能效果分析- 8 -六、熱泵精餾的節(jié)能效果分析- 10 -6.1 利用熱泵精餾節(jié)約冷熱公用工程- 10 -6.2 利用熱泵精餾改變組合曲線以增大能量回收- 12 -七、總結(jié)- 13 -一、 換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計概述 本項目為揚子石化設(shè)計一生產(chǎn)對二甲苯（PX）的分廠，運行成本

2、是其中一個很重要的考核參數(shù)，其中很重要的一部分是公用工程的消耗。通過換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和優(yōu)化，可以盡可能地實現(xiàn)對內(nèi)部流股熱量的集成和最大化利用，減少公用工程的消耗。本項目采用甲苯甲醇烷基化制取對二甲苯工藝，該工藝由三苯分離工段、甲苯甲醇烷基化工段、甲苯歧化及烷基轉(zhuǎn)移工段、異構(gòu)化工段四個工段組成。從整個工藝流程來看，本項目需要較大量的公用工程，包括冷卻水、-25的制冷系統(tǒng)（冷凍鹽水）兩個等級，而熱公用工程主要用于流股的預(yù)熱及塔釜的再沸器加熱等過程，所使用的熱公用工程為1.4MPa、325的低壓蒸汽、4.3MPa、425的高壓蒸汽及加熱爐所燃燒的燃氣。冷公用工程使用本項目廠區(qū)內(nèi)的循環(huán)水站及冷凍站產(chǎn)生，

3、熱公用工程集成廠址所在地的南京市化學(xué)工業(yè)園區(qū)的蒸汽系統(tǒng)。為了充分集成過程中的熱量，本項目采用了分隔壁塔等設(shè)備及熱泵精餾等技術(shù)。分隔壁塔通過汽、液相的互逆流動接觸而直接進行物料輸出和能量傳遞，是一種經(jīng)典的內(nèi)部熱耦合精餾節(jié)能技術(shù)。它將兩座分離精餾塔結(jié)合為一座，在進行物料集成的同時減少了冷凝器與再沸器的數(shù)目，節(jié)約了冷熱公用工程的用量，減少了能耗；熱泵精餾充分利用了溫差小、跨夾點傳熱的精餾塔，通過改變蒸汽溫位使原本不能換熱的流股有換熱的可能，從而提高了可回收能量的比率，實現(xiàn)了較大程度的節(jié)能。二、 工藝流股提取過程流股的提取如下：表2.1工藝過程物流信息表中間過程流股流股過程進口溫度/出口溫度/加熱器名

4、稱Heat Duty/kW102 To 10348.97120H-1015164.19204 To 20594.88379.06H-20112113.5207 To 208379.0625H-20314546.4212 To 21325.4100H-2041266.68303 To 30496.4384.23H-30157563.5305 To 306384.2350H-30263372.5318 To 3193580H-303727.173308 To 30935100H-3046771.7314 To 315161.325H-3053003.34417 To PRO-PX167.4350E

5、-4041571.75409 To 41067.29373.54E-40116323.5412 To 413376.7625E-40218372.9415 To 4165140E-4032433.44418 To PRO-PX1146.3650E-4054569.14421 To 422144.71144.2E-40616899.31419 To 420218.72175.15E-40784615.56424 To 425167.46168E-40784615.56表2.2塔設(shè)備物流信息表塔設(shè)備流股過程名稱進口溫度/出口溫度/Heat Duty/kWT-102-TOP86.4386.24264

6、73.4T-102-BOTTOM165.07166.8328190.6T-101-TOP146.72146.3832577.5T-101-BOTTOM188.04188.9832105.5T-201-TOP73.55-42724.43T-201-BOTTOM135.41146.073130.92T-301-TOP69.65493160.78T-301-BOTTOM116.61116.973717.76T-302-TOP86.21202823.7T-302-BOTTOM135.62136.696127.39T-402-TOP89.14101477.07T-402-BOTTOM162.09162.

7、571901.4T-303-TOP87.6986.7546205.6T-303-BOTTOM161.14161.345359.8三、 確定能量目標將上述工藝流股信息輸入到Aspen Energy Analyzer V8.0，其中排除的幾個流股不輸入，使得組合曲線便于分析。在能量分析器中，對最小傳熱溫差進行經(jīng)濟評估，獲得總費用-溫差關(guān)系曲線如圖2.1所示。圖3.1 總費用與Tmin關(guān)系曲線在圖中選取總費用最小且變化趨勢相對平穩(wěn)部分的溫度作為最小傳熱溫差進行后續(xù)計算。此處選取最小傳熱溫差為17。在設(shè)定最小傳熱溫差后，獲得的組合曲線如圖3.2所示：圖3.2 組合曲線從組合曲線上我們可以得到我們熱集成

8、所的能量目標；需要的熱公用工程能量為4.479*108kJ/h，即124.42MW；需要冷公用工程能量為5.014*108kJ/h，即139.28MW；最小換熱器數(shù)目為36個；夾點溫度178.1、161.1。得到的總組合曲線如圖3.3所示：圖3.3 總組合曲線通過對總組合曲線進行判斷，可以看到，需要達到的最高溫度為400，因此需要燃氣爐進行加熱，同時為了節(jié)約公用工程用量應(yīng)該使用多種蒸汽以降低蒸汽消耗。需要達到的最低溫度為-5，因此需要用到冷凍鹽水進行降溫。同時，冷公用工程還使用循環(huán)冷卻水進行換熱。四、 較大能量回用的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，自由度較大，所獲得的方案數(shù)目眾多，但是合理的換熱網(wǎng)

9、絡(luò)需要經(jīng)過篩選與優(yōu)化。在設(shè)計換熱網(wǎng)絡(luò)時，需要考慮工藝流股換熱的可能性，最好還要將設(shè)備費用等因素也考慮進去，以便獲得最為合理的換熱網(wǎng)絡(luò)。我們選取其中最為經(jīng)濟且換熱面積較小的設(shè)計方案進行后續(xù)優(yōu)化過程。設(shè)計方案如圖所示：圖4.1 優(yōu)化前的設(shè)計方案首先，我們以換熱量和公用工程分流比率為變量，對該方案進行優(yōu)化，使得其總的操作費用最小，優(yōu)化后的設(shè)計方案如下圖所示：圖4.2 優(yōu)化后的設(shè)計方案該換熱網(wǎng)絡(luò)的換熱器數(shù)目為66臺，按照最小換熱器臺數(shù)原則，還可以撤去若干臺換熱器，從換熱網(wǎng)中可以看到，有些換熱器能量很小，甚至接近0MW，這些換熱器的設(shè)置并不合理，可以撤除。對于在換熱過程中發(fā)生相變化或組成變化的物流，其熱

10、容流率CP值并非一個常數(shù)，但是能量分析器中默認為常數(shù)處理。當牽涉到多公用工程換熱時，冷卻水與制冷劑的負荷分配與能量分析器計算是有出入的，因為CP不應(yīng)作為常數(shù)處理。比如分離反應(yīng)產(chǎn)物時，需要將產(chǎn)物與未反應(yīng)的氣體分離，需用冷凝器來實現(xiàn)該過程，由于物料組成的變化，CP也不斷變化，實際上兩種公用工程的負荷分配與能量分析器給的結(jié)果不同。如果冷卻水冷卻的負荷較小，則可直接使用制冷劑，不使用兩種公用工程，以節(jié)省一臺換熱器的設(shè)備費。在換熱網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的換熱器Loop回路也是使得操作費用增加的原因，在實際操作中，一般不能有Loop回路的存在，故應(yīng)該合并Loop內(nèi)的兩臺或多臺換熱器，使得回路被打破，系統(tǒng)自由度降低。以

11、上三個原因增加了換熱器臺數(shù)，用Aspen Plus V8.0的HeatX模塊模擬工藝物流的換熱，獲得準確的換熱量，剔除掉換熱量較小的換熱器。此外還可以通過冷熱公用工程之間的“通路”Path來調(diào)節(jié)各Path上的換熱量，從而達到松弛換熱器熱負荷，甚至減少換熱器數(shù)的目的。經(jīng)過以上調(diào)節(jié)之后，最后獲得換熱網(wǎng)絡(luò)如圖4.3所示。圖4.3 實施的設(shè)計方案優(yōu)化后最終實施的換熱網(wǎng)絡(luò)所需換熱器臺數(shù)為33臺，數(shù)目減少且結(jié)構(gòu)更為精簡。設(shè)計中包含8個流股熱量回用的換熱器，可回收熱量6.482*108kJ/h，即180.06MW，回收能量達40.51%。經(jīng)過優(yōu)化后，節(jié)能180.06MW。共需要冷公用工程139.28MW，熱

12、公用工程124.42MW。所使用的冷公用工程為：冷卻水（20）、冷凍鹽水（-25）；所使用的熱公用工程為：中壓蒸汽（4.1MPa）、低壓蒸汽（1.4MPa）、燃氣（1000）。五、 分隔壁塔的節(jié)能效果分析 熱偶精餾是通過汽、液相的互逆流動接觸而直接進行物料輸送和能量傳遞的流動結(jié)構(gòu)，即從某一個塔內(nèi)引出一股液相物流直接作為另一個塔的塔頂回流，或引出汽相物流直接作為另一塔的塔底汽相回流，從而實現(xiàn)直接熱偶合。熱偶精餾通常用于三組分物系的分離。分隔壁塔即是利用熱偶精餾技術(shù)的一種經(jīng)典的內(nèi)部熱耦合精餾節(jié)能設(shè)備，它由一個主塔和一個副塔組成，副塔起預(yù)分離作用無冷凝器和再沸器。由于分隔壁結(jié)構(gòu)節(jié)省了1個冷凝器和1個

13、換熱器而使設(shè)備投資減少，而且由于塔內(nèi)返混程度減少，分離過程的熱力學(xué)效率提高而節(jié)能。分壁塔與常規(guī)精餾塔相比，降低能耗和節(jié)省投資均在10-30左右。本項目中共使用了兩處分隔壁塔，分別為三苯分離工段的第一三苯分離工段分隔壁塔T-102與甲苯甲醇烷基化工段的第二三本分離分隔壁塔T-303。與普通的雙塔分離相比分隔壁塔的節(jié)能效果如以下兩表所示。表5.1 DWC-101分隔壁塔與雙塔分離節(jié)能效果比較表雙塔分離隔壁塔T-102節(jié)能比率苯塔甲苯塔塔頂冷負荷/kW13594.118856.227594.315.0%塔釜熱負荷/kW15249.118748.929311.713.8%總的熱負荷/kW28843.2

14、37605.156906.014.4%表5.1 DWC-301分隔壁塔與雙塔分離節(jié)能效果比較表雙塔分離隔壁塔T-303節(jié)能比率二甲苯塔苯塔塔頂冷負荷/kW53319.8416684.343627.737.68%塔釜熱負荷/kW52480.117948.843222.038.63%總的熱負荷/kW105799.9434633.186849.738.16綜合以上兩表，我們可以看到分隔壁塔有顯著的節(jié)能效果。相較于不使用分隔壁塔的兩塔精餾，使用分隔壁塔共節(jié)約能源30.51%。同時，由于減少了一個冷凝器與再沸器，還減少了設(shè)備投資。六、 熱泵精餾的節(jié)能效果分析本項目工藝過程中異構(gòu)化工段的鄰二甲苯塔T401

15、，其塔頂溫度為144.75，塔底溫度為167.46，溫差僅22.71。同時在無熱泵精餾的情況下，組合曲線如下圖所示，夾點溫度為156.7、139.7。圖6.1 無熱泵條件下的組合曲線因此，該精餾塔塔頂塔底溫度跨越夾點。同時，從組合曲線上我們可以看到，夾點的兩側(cè)有因為物質(zhì)汽化潛熱所造成的“熱平臺”，使得過程可以回收的熱量很小。如果通過改變物質(zhì)的汽化溫位，使得熱平臺的溫位發(fā)生變化，就可以使兩平臺錯開，從而回收更大部分的熱量。結(jié)合以上兩點原因，我們設(shè)計了熱泵精餾的方式來進行有效的能量回收。6.1 利用熱泵精餾節(jié)約冷熱公用工程當精餾塔的塔頂塔底溫度跨越夾點的時候，如果進行熱泵精餾可以有效回收一部分能量

16、，從而使得冷熱公用工程用量均可以明顯減小，從而節(jié)約能量。其節(jié)能原理如圖。圖6.2 熱泵在過程中的作用通過熱泵精餾，將功轉(zhuǎn)化為熱能，提升流股的溫度品味，使原本不能換熱的流股可以進行換熱，從而使得冷熱公用工程的用量均有所減少。這樣，消耗少量電能（用于做功），節(jié)省大量的熱量與冷量，便可以有效節(jié)約能量。本過程中，將塔T401塔頂冷凝器取消，直接引出塔頂氣相，通過壓縮機加壓，使得塔頂氣相的溫度提高一個等級，從而可以跨過夾點，給塔底的物料的汽化提供能量。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。1- 精餾塔；2-壓縮機；3-節(jié)流閥；4-輔助冷卻器；5-塔底再沸器圖6.3 塔頂氣相壓縮式熱本精餾流程若不使用熱泵精餾，其塔頂冷卻能耗

17、為84678.06kW，塔底加熱能耗為85004.07kW；使用熱泵精餾時，壓縮機電耗為17231.85kW，輔助冷卻器冷卻能耗為16905.36kW。機械能和電能是比熱能更高價值的能量形式，電熱轉(zhuǎn)換系數(shù)約為3.29，因此熱泵精餾加熱能耗為56692.79kW。普通精餾與熱泵精餾能耗對比如下表所示，總能耗節(jié)約了56.62%。表 6.1 普通精餾與熱泵精餾能耗對比表普通精餾熱泵精餾節(jié)能率/%冷卻能耗/kW84678.0616905.3680.04加熱能耗/kW85004.0756692.7933.31總能耗/kW169682.173598.1556.626.2 利用熱泵精餾改變組合曲線以增大能量

18、回收在無熱泵精餾時，從組合曲線上我們可以看到，夾點的兩側(cè)有因為物質(zhì)汽化潛熱所造成的“熱平臺”，使得過程可以回收的熱量很小。在引入熱泵精餾之后，由于流股的溫位提升，使得熱平臺中熱流股的一部分提高，可以和冷流股進行更多的換熱，于是提高了能量回收率。在未使用熱泵精餾技術(shù)時，換熱過程的組合曲線如圖6.1所示。理論可回收能量為104.58MW，能量回收率為20.69%。在使用熱泵精餾后，換熱過程的組合曲線如下圖所示。理論可回收能量為186.305MW，能量回收率達40.61%，為之前的一倍左右。圖6.4 帶熱泵精餾時的組合曲線可見，利用熱泵精餾技術(shù)可以通過改變組合曲線熱平臺的方式實現(xiàn)有效的能量回收，實現(xiàn)節(jié)能。七、 總結(jié)本項目使用了熱集成節(jié)能技術(shù)，運用了Aspen Energy Analyzer軟件，實現(xiàn)了較大能量回用的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。過程中還使用了分隔壁塔、熱泵精餾等新型節(jié)能技術(shù)，節(jié)約了大量能量。我們設(shè)計的優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡(luò)圖如下：圖7.1 換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案本過程，由于采用了熱集成技術(shù)，節(jié)能180.06MW。共需要冷公用工程139.28MW，熱公用工程124.42MW。所使用的冷公用