8-能量集成及換熱網絡設計

目錄1概述32工藝流股提取33確定能量目標44換熱網絡設計85熱泵利用分析96總結111概述本項目為南京塞拉尼斯化工有限責任公司設計一座年產10萬噸醋酸乙烯的分廠。該項目采用乙烯氣相法，以揚子石化生產的純度為99.99%的高純乙烯，以及周圍廠區(qū)供應的氧氣，氮氣（保護氣），醋酸反應生成附加值更高的醋酸乙烯。運行操作成本是一個重要評價參數。原料的預熱、精餾等都是非常耗能的過程，會消耗大量的公用工程。該工藝由醋酸乙烯合成、提純循環(huán)、產品精制三個工段組成。流程中冷熱物流均比較多，潛在的熱量可供回收，通過對換熱網絡的設計和優(yōu)化，可以盡可能地實現(xiàn)流程內部熱量的集成和最大化利用，以減少公用工程的消耗，降低能耗。為此，我們運用Aspen Energy Analyzer V8.4軟件來進行換熱網絡的設計，并且尋找可能節(jié)能的措施，以最大限度的降低成本。本項目需要的冷公用工程包括循環(huán)冷卻水和冷凍劑，熱公用工程包括為175的中蒸汽、125的低壓蒸汽和400的熱油，可由廠區(qū)公用工程站和冷凍站提供，均與母廠集成。通過對換熱網絡的集成和優(yōu)化，我們可以回收熱量10280kW，占比30.64%。2工藝流股提取我們提取過程中可用于能量集成的工藝流股，如下表所示。其中，不包含反應器R0101以及相關流股。但在反應器設計過程中，我們對R0101使用了熱公用工程進行換熱以穩(wěn)定反應溫度，不在之后的Aspen Energy Analyzer進行分析，但本項目公用工程統(tǒng)計時依然會考慮這部分公用工程，這一點在后續(xù)會有進一步說明。Aspen中的流股信息導入Aspen Energy Analyzer中，過程流股的提取如下：圖 2-1 流股信息圖（優(yōu)化前）3確定能量目標將上述工藝流股信息輸入到Aspen Energy Analyzer V8.4，在能量分析器中，對最小傳熱溫差進行經濟評估，獲得總費用-最小傳熱溫差關系曲線如圖3-1所示。圖 3-1 總費用-最小傳熱溫差關系曲線圖當最小傳熱溫差為15時，總費用達到最小值。最后選擇總費用相對小且可實現(xiàn)的最小傳熱溫差：15。將最小傳熱溫差設為15.00，得到未優(yōu)化的過程組合曲線圖：圖 3-2 優(yōu)化前的過程組合曲線圖圖 3-3 優(yōu)化前的總組合曲線圖通過對組合曲線進行分析，可以得出流程內部換熱后，需要達到的最高溫度在287，由圖可以看出，夾點附近存在較長的平臺區(qū)，經分析可知，藍色線的冷流體平臺表示T0302塔底再沸液體蒸發(fā)過程的相變熱，紅色線的熱流體平臺較少。本項目利用反應器R0101出料作為熱源給自己的進料進行加熱及來自T0203的循環(huán)醋酸給循環(huán)氣加熱，在Aspen中重新模擬全流程，得到新的流股信息，如下表所示：表 3-1 流股信息圖（優(yōu)化后）對最小傳熱溫差進行經濟評估，總費用-最小傳熱溫差關系曲線圖：圖 3-4 總費用-最小傳熱溫差關系曲線圖可以看出，隨著最小傳熱溫差的增大，總費用先減小后增大。選擇總費用最小時的最小傳熱溫差：19.5。將最小傳熱溫差設為19.5，我們可以得到熱集成過程的能量目標：圖 3-5 過程的能量目標由上圖可以看出，需要熱公用工程能量為：5.696107kJ/h=15822.2kW需要冷公用工程能量為:2.916107kJ/h=8100kW夾點溫度為：熱流股121.8；冷流股102.3得到優(yōu)化后的過程組合曲線圖及總組合曲線圖：圖3-6 優(yōu)化后的過程組合曲線圖圖3-7 優(yōu)化后的總組合曲線圖通過對組合曲線進行分析，可以得出流程內部換熱后，需要達到的最高溫度在287，由保持反應器溫度的熱公用工程熱油進行加熱，其他使用蒸汽進行加熱，同時為了節(jié)約成本，應該使用多種品味蒸汽以降低高品位蒸汽消耗，因此我們熱公用工程采用400的熱油、125的低壓蒸汽、和175的中壓蒸汽。需要達到的最低溫度為20，因此需要采用低溫冷凍劑，其他使用循環(huán)冷卻水冷卻即可。4換熱網絡設計換熱網絡的設計，自由度較大，所獲得的方案數目眾多，但是合理的換熱網絡需要經過篩選與優(yōu)化。在設計換熱網絡時，需要考慮工藝流股換熱的可能性，最好還要將設備費用等因素也考慮進去，以便獲得最為合理的換熱網絡。在Aspen Energy Analyzer V8.4給出的Design中選取其中最為經濟且換熱面積較小的設計方案進行后續(xù)優(yōu)化過程。設計方案如下圖所示：圖 4-1 設計方案圖分析比較3種Design的Total Cost，綜合考慮所需費用以及換熱面積，選用Design 3進行后續(xù)的優(yōu)化過程。未優(yōu)化前的換熱網絡：圖 4-2 未優(yōu)化前的換熱網絡經過以上調整，將換熱網絡優(yōu)化為：圖4-3 優(yōu)化后的換熱網絡圖優(yōu)化后的換熱網絡所需要的換熱器數目為23臺，包括3臺熱量回收利用換熱器，換熱器數目改變使得結構更加合理，能夠滿足生產要求。可回收熱量10280kW。5熱泵利用分析在無熱泵技術的情況下時，組合曲線如圖5-1所示。圖5-1 組合曲線（不含節(jié)能措施）由圖可以看出，在65左右存在平臺區(qū)且熱量較大，經分析可知，該平臺處有一部分為醋酸乙烯精制精餾塔（T0304），塔頂塔底溫差為47.4，且存在較大的相變熱，可以采用熱泵技術。如果通過改變物質的汽化溫度，使兩平臺“錯開”，從而回收更多的能量。結合以上兩點原因，我們設計了熱泵蒸發(fā)的方式來進行有效的能量回收。通過熱泵蒸發(fā)，將功轉化成熱能，提高流股的溫位，使原本不能換熱的流股可以進行換熱，從而減少公用工程的用量。這樣，消耗少量電能（用以做功）便可以節(jié)省大量的冷量與熱量，從而節(jié)能。將醋酸乙烯精制精餾塔T0304的冷凝器取消，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，作為熱源至塔釜再沸器換熱，放出熱量冷凝部分氣體，再經節(jié)流閥減壓降溫，由于醋酸乙烯產品純度要求，故在節(jié)流后繼續(xù)通過較為經濟的二次冷凝，用公用工程降溫至21，從而得到符合產品要求的醋酸乙烯，一部分液體回流至塔內進行再次分離。塔釜則在換熱過程中已經達到再沸負荷的要求，考慮壓縮機做功和冷卻器能耗，熱泵技術比無熱泵技術節(jié)省能耗58.5985kW，節(jié)省幅度達39.04%。熱泵技術節(jié)省冷耗22.42%，節(jié)省熱耗100%。其結構如圖所示：圖5-2 塔頂氣體壓縮式熱泵精餾流程圖6總結本項目使用了夾點分析和熱集成節(jié)能技術，運用了Aspen Energy Analyzer V8.4軟件，得到適用于本系統(tǒng)的換熱網絡方案。使廠區(qū)內的冷熱物流在合理范圍內換熱，從而達到節(jié)省能量的目的，最終獲得一個能量較大回用的換熱網絡，相較于熱集成技術直接用公用工程進行換熱的換熱網絡，運用熱集成前后能耗對比如下：表6-1公用工程對比表項目冷公用工程/MW熱公用工程/MW總計/MW直接公用工程9.1125.0934.2 換熱網絡設計8.115.8223.92能量減少量/%11.0936.9530.64可以發(fā)現(xiàn)產生了節(jié)能效果，加強了生產過程的經濟性，能量回收率（節(jié)能率）達到30.64%，本項目所使用的冷公用工程為：空氣、循環(huán)冷卻水、-25冷卻劑（冷凍鹽水）；所使用的熱公用工程為：400的熱油、125的低壓蒸汽和175的中壓蒸汽。公用工程均可由廠區(qū)公用工程站和冷凍站提供。表6-2 本項目公用工