27萬噸年丙烷資源化利用項(xiàng)目5-3附錄三 能量回收的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

石化27萬噸/年丙烷資源化利用項(xiàng)目能量回收的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)Onepiece團(tuán)隊(duì)能量回收的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一、概述在大型化工過程中，存在大量需要換熱的流股，一些物流需要被加熱，一些物流需要被冷卻。為提高能量利用率，節(jié)約能源與資源，需要進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，優(yōu)先考慮系統(tǒng)中各流股之間的換熱，各流股與不同公用工程之間的匹配，以實(shí)現(xiàn)最大限度的熱量回收，盡可能提高過程的熱力學(xué)效率，實(shí)現(xiàn)更好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目是為總廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)丙烯的分廠。本項(xiàng)目采用丙烷氧化二氧化碳制丙烯的工藝，由原料預(yù)處理工段、丙烷分離工段、丙烷氧化脫氫工段、二氧化碳回收工段、丙烯精制工段五個(gè)工段組成。原料預(yù)熱和產(chǎn)品分離等都是非常耗能的過程，流程中冷熱流股均較多，潛在熱量可供回收，通過對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，以盡可能地實(shí)現(xiàn)流程內(nèi)部熱量的集成和最大化利用，以減少公用工程的消耗，從而減少能耗。為此，我們運(yùn)用AspenEnergyAnalyzerV8.6來進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，并尋找可能節(jié)能的措施，以最大限度地降低成本。本項(xiàng)目需要的冷公用工程包括冷凍水和冷凍液，需要的熱公用工程包括低壓蒸汽和中壓蒸汽，可由園區(qū)提供。為充分集成過程中的能量，本項(xiàng)目采用了熱泵精餾和塔的中間換熱技術(shù)等節(jié)能措施。熱泵精餾充分利用了塔頂塔釜溫差小，具有較大熱平臺(tái)的精餾塔，通過改變流股溫位使原本不能換熱的流股存在換熱的可能，從而提高能量利用率。通過上述節(jié)能措施及熱集成技術(shù)，本項(xiàng)目節(jié)能431.27MW，共需要冷公用工程273.81MW，熱公用工程190.12MW，實(shí)現(xiàn)了較大程度的能量回收利用。二、工藝流股提取工藝流股提取如下：表2-1工藝過程物流信息表（不含熱泵精餾）工藝流股進(jìn)口溫度/℃出口溫度/℃熱負(fù)荷/kW0104_To_010594.472.32937.48650201_To_020272.360.01447.49190102_To_010391.040.06435.85890637_To_063869.8-40.012823.15330122_To_0123-46.5-74.23549.03050308_To_030910.040.05799.62800606_To_060728.2-35.014604.02680217_To_E205OUT130.5105.2195.79490305_To_0307315.410.0270717.44400408_To_050141.150.826484.44480135_To_013696.70.0951.63200133_To_013443.50.01477.10200314_To_03154.540.08329.74250300-1_To_0659-46.215.0415.75640110_To_011150.00.710637.05960633_To_063410.4-45.0940.38960126_To_012754.141.06037.03450112_To_01140.7-34.06995.25560405_To_040642.440.5503.71570616_To_0617-29.3-40.02496.29420137_To_0138-101.315.08893.96110622_To_0623-18.730.014006.40080605_To_0657-48.0-44.23648.07030611_To_0611-2-35.0-10.011755.07130644_To_0655-54.550.01287.94560615_To_0656-85.550.083624.58630602_To_0603-13.6-48.073672.50050301_To_030348.2530.0243711.34070107_To_0108124.650.010602.72010118_To_0120-16.22.01551.00190628_To_062941.835.0854.81980209_To_0210131.3120.0118.9109F0202_heat189.130.014542.6896F0603_heat-18.3-18.7296.5850表2-2塔設(shè)備物流信息表（不含熱泵精餾）塔位號(hào)換熱器類型進(jìn)口溫度/℃出口溫度/℃熱負(fù)荷/kWT0102Condenser-34.2508-46.53615402.0996T0102Reboiler42.772249.587711177.0922T0103Condenser58.844654.06946136.0947T0103Reboiler127.9010133.320112383.9722T0104Condenser26.900026.60005165.5818T0104Reboiler71.900072.00008710.7058T0301Condenser-56.6339-57.083284387.5015T0301Reboiler2.04552.227626184.6380T0302Reboiler67.914568.89834347.9655T0501Condenser42.685142.6582182279.0940T0502Reboiler53.070053.0700185227.2900三、確定能量目標(biāo)將上述工藝流股信息導(dǎo)入AspenEnergyAnalyzerV8.6中，選擇適宜的公用工程，在能量分析器中，對(duì)最小傳熱溫差進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)估，獲得總費(fèi)用—最小傳熱溫差曲線如圖3-1所示：圖3-1總費(fèi)用-最小傳熱溫差曲線（不含熱泵精餾）選擇最小傳熱溫差為13℃，得到組合曲線如圖3-2所示：圖3-2組合曲線（不含熱泵精餾）圖中存在較大平臺(tái)區(qū)，一部分是精餾塔塔頂塔底的相變熱，可以通過熱泵精餾技術(shù)提高塔底溫位，增加系統(tǒng)內(nèi)部的換熱量，減少公用工程的使用。其中丙丙分離塔T0501、T0502塔頂塔底溫差為10℃，且存在較大的相變熱，可以采用熱泵精餾。在Aspen中重新模擬流程，導(dǎo)入AspenEnergyAnalyzerV8.6中，得到新的流股信息，如表3-1以及表3-2所示：表3-1工藝過程物流信息表工藝流股進(jìn)口溫度/℃出口溫度/℃熱負(fù)荷/kW0104_To_010594.472.32937.48650201_To_020272.360.01447.49190102_To_010391.040.06435.85890637_To_063869.8-40.012823.15330122_To_0123-46.5-74.23549.03050308_To_030910.040.05799.62800606_To_060728.2-35.014604.02680217_To_E205OUT130.5105.2195.79490305_To_0307315.410.0270717.44400408_To_050141.150.826484.44480135_To_013696.70.0951.63200133_To_013443.50.01477.10200314_To_03154.540.08329.74250300-1_To_0659-46.215.0415.75640110_To_011150.00.710637.05960633_To_063410.4-45.0940.38960126_To_012754.141.06037.03450112_To_01140.7-34.06995.25560405_To_040642.440.5503.71570616_To_0617-29.3-40.02496.29420137_To_0138-101.315.08893.96110622_To_0623-18.730.014006.40080605_To_0657-48.0-44.23648.07030611_To_0611-2-35.0-10.011755.07130644_To_0655-54.550.01287.94560615_To_0656-85.550.083624.58630602_To_0603-13.6-48.073672.50050301_To_030348.2530.0243711.34070107_To_0108124.650.010602.72010118_To_0120-16.22.01551.00190628_To_062941.835.0854.81980209_To_0210131.3120.0118.9109b2_To_b315.418.2184975.8060d2_To_d342.742.4184975.8060F0202_heat189.130.014542.6896F0605_heat30.210.03372.1265F0603_heat-18.3-18.7296.5850表3-2塔設(shè)備物流信息表塔位號(hào)換熱器類型進(jìn)口溫度/℃出口溫度/℃熱負(fù)荷/kWT0102Condenser-34.2508-46.53615402.0996T0102Reboiler42.772249.587711177.0922T0103Condenser58.844654.06946136.0947T0103Reboiler127.9010133.320112383.9722T0104Condenser26.900026.60005165.5818T0104Reboiler71.900072.00008710.7058T0301Condenser-56.6339-57.083284387.5015T0301Reboiler2.04552.227626184.6380T0302Reboiler67.914568.89834347.9655在AspenEnergyAnalyzerV8.6的能量分析器中，對(duì)最小傳熱溫差進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)估，獲得總費(fèi)用—最小傳熱溫差曲線如圖3-3所示：圖3-3總費(fèi)用—最小傳熱溫差曲線（含熱泵）得到最小傳熱溫差為13℃，組合曲線如圖3-4所示：圖3-4組合曲線（含熱泵精餾）分析組合曲線我們可以得到系統(tǒng)熱集成的能量目標(biāo)：需要熱公用工程190.12MW需要冷公用工程273.81MW由于一氧化碳、二氧化碳的分離特殊性，系統(tǒng)的冷公用工程能耗較大。夾點(diǎn)溫度為315.4℃、302.4℃得到總組合曲線如圖3-5所示：圖3-5總組合曲線（含熱泵精餾）對(duì)曲線以及工藝流股的溫位進(jìn)行分析，選用公用工程如表3-3所示：表3-3公用工程選用表公用工程進(jìn)口溫度/℃出口溫度/℃FiredHeat(1000)8001000LPSteam125124MPSteam8001000Air3035CoolingWater2030Refrigerant1-25-24Refrigerant3-65-64Refrigerant4-103-102四、換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)自由度較大，獲得的方案也較多，但合理的換熱網(wǎng)絡(luò)需要經(jīng)過篩選與優(yōu)化。在設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要考慮流股換熱的合理性，以節(jié)能綜合經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。在AspenEnergyAnalyzerV8.6給出的design中選取其中最為經(jīng)濟(jì)且換熱面積較小的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化，設(shè)計(jì)方案如圖4-1所示：圖4-1優(yōu)化前的設(shè)計(jì)方案該換熱網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)的較為繁瑣，換熱器數(shù)目也較多，有80臺(tái)。依據(jù)最小換熱器原則，可以撤去若干臺(tái)換熱器，該設(shè)計(jì)方案中有部分換熱器換熱面積很小，熱負(fù)荷也很小，可以刪去。當(dāng)一流股與多種公用工程進(jìn)行換熱時(shí)，可適當(dāng)減少操作費(fèi)，但會(huì)增加換熱器數(shù)目和設(shè)備費(fèi)。比如一流股先后使用冷卻水和冷劑制冷時(shí)，如果冷卻水冷卻的負(fù)荷較小，則可直接使用冷劑制冷，以節(jié)省一臺(tái)換熱器的設(shè)備費(fèi)。換熱網(wǎng)絡(luò)中存在較多回路，換熱網(wǎng)絡(luò)中一般不允許回路的存在，可以刪去負(fù)荷或換熱負(fù)荷較小的換熱器，將其合并到回路中其他的換熱器，打破回路，減少換熱器數(shù)目，再通過路徑進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)松弛。另外，相距較遠(yuǎn)的物流間換熱會(huì)使管路成本增加，增加設(shè)備投資，且操作不穩(wěn)定，此類換熱匹配需刪除。經(jīng)以上調(diào)節(jié)優(yōu)化后，最終的優(yōu)化方案如圖4-2所示：圖4-2優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)所需換熱器臺(tái)數(shù)為47臺(tái)，包括12個(gè)流股熱量回收利用的換熱器，數(shù)目減少且結(jié)構(gòu)更為精簡(jiǎn)，公用工程負(fù)荷如表4-1所示：表4-1公用工程對(duì)比表項(xiàng)目冷公用工程/MW熱公用工程/MW總計(jì)/MW直接公用工程520.60416.70937.30換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)273.81190.12463.93能量減少量/%47.4054.3850.50經(jīng)過優(yōu)化后，節(jié)能473.37MW，需要冷公用工程273.81MW，熱公用工程190.12MW。需要的冷公用工程包括冷凍水和冷凍液，需要的熱公用工程包括低壓蒸汽和中壓蒸汽，可由園區(qū)公用工程站和本廠廢熱鍋爐提供。五、熱泵精餾分析在無熱泵精餾時(shí)，組合曲線如圖5-1所示：圖5-1組合曲線（不含熱泵精餾）在50℃左右存在較大平臺(tái)且能量較大，通過分析知道該平臺(tái)處為丙丙分離塔T0501、T0502塔頂塔底溫差為10℃,且存在較大的相變熱，可以采用熱泵精餾技術(shù)。由組合曲線可知熱平臺(tái)能量較大但溫差較小不足以達(dá)到最小傳熱溫差，使過程中可供回收的熱量很少，如果通過改變物質(zhì)的汽化溫度，使兩平臺(tái)“錯(cuò)開”，從而回收更多的能量。結(jié)合以上兩點(diǎn)，我們采用熱泵精餾的技術(shù)進(jìn)行能量的回收利用。通過熱泵精餾，將功轉(zhuǎn)化成熱能，提高流股的溫位，使原本不能換熱的流股可以進(jìn)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。將丙烯、丙烷分離塔T0502的再沸器取消，直接以塔釜液體出料為工作介質(zhì),經(jīng)節(jié)流閃蒸降壓、降溫后作為冷劑送至塔頂冷凝/再沸器換熱,吸收熱量蒸發(fā)氣體,再經(jīng)壓縮機(jī)加壓升溫返回塔釜作為熱源,塔頂蒸氣則在換熱過程中放出熱量凝成液體，其結(jié)構(gòu)如圖5-2所示：圖5-2塔釜液閃蒸再沸式熱泵精餾流程圖若不使用熱泵精餾，其塔頂冷卻能耗為182MW，其塔底再沸能耗為185MW，總能耗為367MW；使用熱泵精餾時(shí)，壓縮機(jī)負(fù)荷為45MW，輔助換熱器能耗為45MW，由于熱泵處壓縮機(jī)由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，蒸汽由廢熱鍋爐產(chǎn)生，故熱泵精餾總能耗為90MW，節(jié)省277MW，總能耗節(jié)約75.5%。在無熱泵精餾時(shí)，從組合曲線上我們可以看到，由于物質(zhì)汽化潛熱所產(chǎn)生的“熱平臺(tái)”溫度接近，使得過程中可回收的熱量很少。在引人熱泵精餾后，由于流股溫位的改變，使得冷平臺(tái)中冷流股的一部分降溫，可以和熱流股進(jìn)行更多的換熱，從而提高能量利用率。在未使用熱泵精餾技術(shù)時(shí)，組合曲線如圖5-1所示，理論可回收能量為422MW，能量回收率達(dá)45.2%；在使用熱泵精餾技術(shù)后，組合曲線如圖5-3所示，理論可回收能量為520MW，能量回收率達(dá)62.1%。圖5-3組合曲線（含熱泵精餾）可見利用熱泵精餾技術(shù)可以通過改變組合曲線的溫位，改變組合曲線熱平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)更大程度的熱回收，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。六、中間換熱器常規(guī)精餾塔具有一股進(jìn)料，一個(gè)塔頂冷凝器和一個(gè)塔頂再沸器。冷凝器的溫度最低而再沸器的溫度最高。中間冷凝器是在塔頂和進(jìn)料板之間，即在精餾段適當(dāng)位置外設(shè)冷凝器，將塔內(nèi)上升氣體引出，冷凝成液體后在返回塔內(nèi)；中間再沸器是在塔釜和進(jìn)料板之間，即在提餾段適當(dāng)位置外設(shè)再沸器，將塔內(nèi)下降液體引出，加熱成氣相后在返回塔內(nèi)。這樣中間冷凝器和中間再沸器就無須采用如同塔頂冷凝器和塔釜再沸器那樣高品位的冷劑和加熱介質(zhì)，從而可以使用溫位和價(jià)格較低的冷劑和熱源，節(jié)省了操作費(fèi)用。此外由于中間換熱器的設(shè)置是操作線更靠近平衡線，減少了蒸餾過程的可逆性，提高了熱力學(xué)效率，如圖6-1所示。圖6-1具有中間換熱器的精餾塔McCabe-Thiele圖脫丁烷塔T0203未使用中間換熱器技術(shù)時(shí)，塔頂冷凝器溫度為54℃，塔釜再沸器為132℃，加熱塔釜所需溫度較高，且第二車間內(nèi)有可供回收的廢熱，結(jié)合這兩點(diǎn)在脫丁烷塔處采用中間再沸器技術(shù)，將再沸器的一部分熱量移往溫度級(jí)別較低的提餾段以利用系統(tǒng)中的廢熱達(dá)到更大程度上的節(jié)能。脫丁烷塔T0203操作壓力為11.2bar（再沸器），理論板數(shù)51塊，進(jìn)料壓力為11bar，進(jìn)料溫度為44℃，進(jìn)料板為第25塊，進(jìn)料流量為1426.2kmol/h，進(jìn)料組成摩爾分?jǐn)?shù)為乙烷486PPM，丙烷0.552，異丁烷0.193，正丁烷0.161，異戊烷0.043，正戊烷0.035，己烷0.008，庚烷0.005，辛烷0.003，壬烷567PPM，癸烷252PPM。工藝要求為塔頂正丁烷回收率為0.991，塔釜異戊烷回收率0.997。對(duì)該塔按照兩種工況進(jìn)行逐板計(jì)算，基本工況是未添加中間再沸器工況，工況1是中間再沸器的抽出板為48塊，返回板為49塊。兩種工況塔頂、塔底分離要求均相同。對(duì)兩種工況進(jìn)行模擬，結(jié)果如表6-1所示：表6-1脫丁烷塔兩種工況工藝參數(shù)比較表工藝參數(shù)基本工況工況1理論塔板數(shù)5152回流摩爾比0.730.48溫度/℃冷凝器54.054.7塔頂54.054.7進(jìn)料板64.162.148板120.8119.549板123.4121.7底板132.4130.9塔釜132.4130.9熱負(fù)荷/kW冷凝器-4385.8-2904.6再沸器10940.79278.9中間再沸器0.0237.4總能耗/kW15326.512420.9使用中間再沸器技術(shù)后，冷