ECHO 换热网络设计

中石油西南油气田分公司18万吨/年高硫天然气净化尾气脱硫及深度开发项目华东理工大学 ECHO 团队李天越，沈迪，崔海峰，蔡颖，闫瀚钊换热网络设计目录第一章 换热网络理论基础11.1 概述11.2 夹点技术2第二章 工艺流股提取5第三章 换热网络合成73.1 Aspen Energy Analyzer 介绍73.2 换热网络合成过程8第四章 换热网络优化13第五章 其他节能措施155.1 热泵精馏塔155.2 预分离工艺175.3 低压蒸汽再生1818万吨/年高硫天然气净化尾气脱硫及深度开发项目-换热网络设计 第一章 换热网络理论基础1.1 概述从系统工程的角度可把过程工业的生产系统分为三个子系统，即化学装置子系统、换热网络子系统和公用工程子系统。其中化学装置由反应、精馏、吸收、萃取等化工基本设备单元组成，物料在这些设备中发生特定的物理、化学变化。在这些化学装置的结构和操作条件确定后，进出各个设备的流股根据操作条件要求需要冷却和加热，这些流股构成了热回收系统，即换热网络。在工艺过程设计中节能是非常重要的，因此换热的目的不仅仅是为了使物流温度满足要求，而且也是为了回收过程余热，减少公用工程消耗，机遇这种思想进行的换热网络设计称为换热网络合成。换热网络合成的任务，是确定换热物流的合理匹配方式，从而以最小的消耗代价，获得最大的能量利用效益。图1.1 热集成的来源和辅助换热网络目前，换热网络集成主要有三种方法：试探法，夹点技术，数学规划法。其中，夹点技术以其使用简单，直观和灵活的优点被广泛的使用。但夹点技术也有其缺点，夹点在应用中的主要缺陷有两点：过于注重能量的节省，而在设备和经济上的考虑略显不足；有些夹点匹配技术（如利用分流技术来匹配物流）在工艺的难以实现。采用夹点技术进行换热网络的设计时，除了通过物流的信息计算相关的物理参数从而满足换热匹配要求外，还要求得最小公用工程，最小换热单元数和最小换热面积。事实上，对于实际生产装置，很难达到这一目标。通常，最小公用工程消耗意味着较多的换热单元数，而较少的换热单元数又需要较大的换热面积。同时换热网络的设计还需要考虑到设备布置，物流是否具有腐蚀性及对换热材料的要求，更要结合实际来确定合理的节能方案。因此，实际进行换热网络设计时，需要在某方面做出牺牲，以获得一个折中的方案。本项目采取克劳斯工艺回收硫磺，并熔融聚合。纵观整个流程，大量能量被消耗在MDEA再生与硫磺精制过程中。因而需要对能量进行回收利用，并采取一定的节能措施来降低能量消耗，提高过程的经济性。1.2 夹点技术夹点技术（Pinch technology）是以热力学为基础，从宏观角度分析过程系统中能量沿温度曲线的分布，从中发现系统用能的“瓶颈” （Bottleneck）所在，并给以“解瓶颈” （Debottleneck）的一种方法。主要通过构造冷、热物流组合曲线，总组合曲线和平衡组合曲线来对工艺过程进行能量分析，制定节能设计和改造方案。要形象的判断工艺流股的夹点位置，首先就要做出 T -H 复合图。 T -H 图是用来表示工艺流股的热特性，即流股的温度焓的关系图，流股在换热过程中的焓变为：其中M为质量流率，Cp为热容。以焓变为横坐标，温度为纵坐标作出的T-H图如下：图1.2 不同类型的T-H图T -H 图上，焓在热力学意义上并不严格，其中线段可以水平的随意移动，并不影响焓变的绝对值，其斜率为 1/Cp。对于多股流股，我们在 T -H 图上可以实现合并，热、冷流股经过简单的平移和重叠可以分别统一合并为一条。在对冷热流股都进行了合并后我们可以得到如下图：图1.3 冷热流体的组合曲线图在夹点位置：冷热物流间的传热温差最小，刚好等于Tmin且该处过程系统的热流量为零。通过图我们可以很容易的发现夹点位置，并且直观的看出内部换热量与冷公用工程及热公用工程的大小比例关系。对于夹点的设计与优化存在三条准则：一、无跨越夹点的传热二、夹点之上无公用工程冷却器三、夹点之下无公用工程加热器夹点的选取对于整个工程的费用有着决定性的作用。从图中我们可以发现，当夹点选取越小时，内部换热量增加，公用工程费用减少，但是随着夹点温度的减小，换热器的面积增加，当夹点温度设置为零时，换热器面积达到无限大。因此，夹点温差与公用工程、设备投资、总费用的关系存在下图关系：图1.4 最小温差和费用关系图可见，存在一个最优值，使总费用最小。第二章 工艺流股提取在换热网络设计前，我们已经对主要塔设备进行了优化，减少了许多不必要的能量能耗。我们再将可以需要热交换的数据（考虑到反应器的热稳定性等问题，不将其列入换热网络中）进行了提取，列于下表（流股编号为Aspen Plus初始编号，不包括聚合工段）：表2.1.1 预处理工段中间过程流股数据流股名称进口温度/出口温度/热负荷/kJ/h4_To_8-7.79137-7.934081144802110_To_7-10.6703-8.8545711448008S6_To_284.59117538.74508151283215_To_1835.49496.87533716220577表2.1.2 克劳斯工段中间过程流股数据流股名称进口温度/出口温度/热负荷/kJ/hS210_To_S211324.44971359277483S222_To_S223319.15681357703480S227_To_S229263.60844026352038S224_To_S2261352605094005S220_To_S221133.16732705602894S212_To_S2141352103041280S205_To_S206300.398913512418788S201_To_4-46.788729.376323226S207_To_S2091352605265558S216_To_S217242.53211354767610表2.1.3 尾气处理工段中间过程流股数据流股名称进口温度/出口温度/热负荷/kJ/hS303_To_148.79197901038584S315_To_S316167.57630.11842093S310_To_S311113.5273409270683S1_To_S30551.57969996428094表2.2 尾气处理工段塔设备流股数据塔设备名称位置进口温度/出口温度/热负荷/kJ/hT302BOTTOM110.7408111.451312066699T302TOP100.934388.097548785475第三章 换热网络合成3.1 Aspen Energy Analyzer 介绍Aspen 拥有自带的能量分析模块，能够轻松帮助用户实现热集成，换热网络的优化。在较早期的版本中，称为 Aspen pinch，而近两年的版本中改名为Aspen energy analyzer。Aspen energy analyzer 换热网络的合成与优化上主要是基于夹点技术。在用户指定的夹点温度下，它能够自动合成多套换热网络备选方案。由于换热网络的合成要考虑到设备费用与操作费用等各种复杂的情况，如果是基于换热网络合成的准则进行人工合成，那将会是一个浩大的工程，并且可能只会考虑到局部的优化而忽略整体优化，在这方面，Aspen 软件是一门有力的工具。但是我们也应该看到，在实际使用过程当中，Aspen 并不能为我们生成最佳的换热网络。计算机模拟生成最优换热网络是近几年来热门的研究课题，目前有基于Grossmann 的超结构模型的改进算法，神经网络算法，模拟退火算法等等各种智能算法，但没有一个算法能够确保对于任何换热工况都能模拟出最佳的网络。在另一方面我们也应该看到， Aspen 模拟出的换热网络存在不符合实际的情况，如两股相隔较远的流股进行换热。这种情况下，虽然能够实现能量的回收，但是管道铺设费用将大大增加。因此， Aspen energy analyzer 主要用于初步的换热网络合成。Aspen energy analyzer 在使用上主要步骤为：Step1：提取 Aspen 或 Hysys 中模拟流程中的物流数据，或者是可以人工手动输入。选取公用工程，输入流股与换热器的费用参数。Step2：进行最佳夹点温度分析。Step3：自动生成多套换热网络也可以手动合成。Step4：通过调节分流比例与换热器热负荷自动优化换热网络或认为根据换热网络的欧拉公式、拓扑结构等判断不合理的地方手动调节。3.2 换热网络合成过程我们将所提取的工艺流股输入Aspen energy analyzer中,并对最小传热温差进行经济评估，获得总费用和温差的关系曲线图。图3.1 总费用-最小温差关系图从上图观察可以发现，20左右，曲线总费用降至最低，因而我们选取最小温差为20进行下一步工作。设定最小温差后，我们获得冷热物流的总组合曲线如下图图3.2 冷热物流组合曲图发现可能存在阈值问题，由我们换热网络合成的能量目标：图3.3 能量回收目标发现确实存在阈值问题，且为热端阈值问题中的non-utility型，其阈值温差在53。为了进一步减少冷公用工程消耗量，最终取最小换热温差为10。 以下为所得的总组合曲线图3.4 总组合曲线依据上图和所要换热的流股数据，我们选取了选取了热公用工程为：中压蒸汽，低压蒸汽。冷公用工程为：冷却水，及低压蒸汽再生。选取合理的公用工程可以降低公用总消耗量，从而减少能量浪费。同时考虑到在300150内有大量低品位热能可以回收，用以产生低压蒸汽。由于阈值问题没有较为成熟的解决方案。经过深思熟虑以后决定，不采用三温差法或者数学规划法进行设计。采用Aspen Energy Analyzer设计，并进行手动优化。但是由软件自动生成的网络可能过于复杂，对布管等均会带来一定的困难，考虑到后期建设的合理性和便利性，我们对于一些不适当的匹配进行禁止，同时也禁止了长工段之间的换热，如下所示图3.5 禁止流股间换热之后再使用Aspen energy analyzer的换热网络自动生成功能，所生成的几套方案如下所示：图3.6 自动优化结果一栏其中我们选取了总费用最少的一套方案为我们的初步换热网络设计，如下所示：图3.7 自动优化结果细节此方案共需热公用工程1.89107 kJ/h ，冷公用工程6.28107kJ/h，所需换热器为33台。本小组做过初步核算，若换热流股均采用公用工程，则共需热公用工程4.13107 kJ/h ，冷公用工程8.52107kJ/h，换热器数目为21台。我们可以发现进行初步的换热网络合成虽然增加了换热器的数目，但由于大量能量回收，最终使总费用大大下降，提高生产过程的经济效益。但我们从软件自动生成的方案中也发现了许多不合理和待优化之处，并且存在大量跨工段的长换热现象，下一步就要进行对换热网络的进一步优化。第四章 换热网络优化换热网络优化方法是在在采用夹点设计法得到的最大能量回收换热网络的基础上，经过调优，得到换热设备个数较少的系统结构，从而得到最优或接近最优的设计方案。上述所得的较优换热网络仍有很大优化空间。减少换热器的数目主要方法为流股分割和切断热量回路（能量松弛法）。但流股分割减少了操作的灵活性使过程操作复杂化。在可能的情况下，尽可能采用能量松弛法进行优化。能量松弛法是通过合并相同物流间的两个换热器，将两个换热器的热负荷转移到一个换热器上，两物流间交换的总负荷不变，传热温差发生变化。但这样常常会导致穿过夹点的热量流动，导致公用工程相应地增加，使得换热网络的合成偏离最大能量回收的目标，因而称之为能量松弛。通过观察我们发现上述换热网络中存在一些热负荷比较少的换热器，设置明显不合理。通过能量松弛，将其与相邻换热合并，减少换热器数目。在减少换热器的同时，去除了一些不必要的分流操作，可以使总费用有所下降，也使得换热网络更加便于布置。同时经过分析我们发现，在硫精制工段中，如果液硫间进行换热，将产生巨大的流动阻力，其动力成本将巨大，因此在考虑到事实的合理性以后我们对第4，5工段采取强制公用工程换热，以减小阻力造成的动力损失。同时对软件设计的换热网络进行分析后我们还发现，软件将第三工段精馏塔的塔底需要再沸的液体送至第二工段进行多次换热，以达到能量回收的目的，从能量利用的角度考虑这是合理的，但是这样的设计明显不符合工业实际情况的。同时在考察周边两个工段的工艺流股情况后，选择通过上一工段产生的低压蒸汽作为热公用工程。这样即实现了能量集成的目的又避免了不切实际的设计。最终优化后的换热网络如下图所示：经过分析可用发现虽然其换热器总台数以及总成本有所上升，但年操作费用有大幅度的下降，同时由于目前硫磺市场对于产品成本十分敏感，因此，控制年操作费用的目的是正确的。14第五章 其他节能措施5.1 热泵精馏塔热泵是在精馏过程中通常采用的一种有效的节能技术。采用热泵工艺，不仅可使生产能耗大幅降低，而且可使冷却介质的温度在生产操作中不再具有决定性的作用。因此，该工艺非常适合硫化氢-二氧化碳这种沸点非常接近的精馏系统。常用热泵流程有2种类型，即塔顶蒸汽直接压缩式(以下简称为A型热泵流程)和塔釜液闪蒸再沸式(以下简称为B型热泵流程)。A型热泵精馏是以塔顶二氧化碳气体作为工质。塔顶二氧化碳经压缩升温后进入塔底再沸器，在此冷凝放热使塔釜液硫化氢再沸腾，二氧化碳冷凝液则经节流阀减压后，一部分作为产品采出，另一部分作为回流。为了使回流温度能够满足塔顶温度控制的要求，增设辅助冷却器以对回流液进一步冷却。A型热泵精馏流程如图5.5所示。B型热泵精馏是以塔釜液硫化氢为工质。塔釜液硫化氢一部分作为产品直接采出，剩余部分则经节流闪蒸，吸收塔顶气相二氧化碳的热量后转化为气相，气相硫化氢经压缩机压缩后用作塔釜的热源。B型热泵精馏流程如图5.6所示。在本流程中，由于塔釜硫化氢再沸量大，若采用A型热泵精馏流程可能无法达到所需热量，因此采用B型热泵精馏流程。 图5.5 A型热泵精馏流程 图5.6 B型热泵精馏流程H2S-CO2分离热泵精馏塔Aspen模拟流程如图5.7所示，塔顶CO2与节流膨胀后的H2S进行换热，随后CO2部分回流，部分采出。节流膨胀后的H2S经第一次换热后，为达到充分换热的目的，进行第一次气液分离；气相经压缩后升温。由于该塔塔顶为气相出料，塔釜为液相出料，因此塔顶塔釜处均加设闪蒸罐分离回流物流与产物。图5.7 预处理塔“B型热泵”Aspen Plus流程经过对热泵精馏和常规精馏的模拟，我们将热泵精馏流程与常规精馏能耗的对比如下：表5.1 热泵精馏与普通精馏能耗对比冷却能耗/kw加热能耗/kw热泵精馏-17163437常规精馏-40314175节能效果57.42%21.47%热泵精馏流程与常规精馏流程的能耗对比如表5.1所示，其中热泵精馏中的压缩机电耗为1044.77kW，电能是比热能更高价值的能量形式，电热转换系数为3.29，故热泵精馏加热能耗为3437kW。从表中可以看出，使用热泵精馏虽然将增加部分设备投资费用，但是同时也将大大节约能耗，同时冷公用工程也由原来的冷冻盐水转变为冷却水，费用大大降低，综合考虑