8-能量集成及换热网络设计

中石化齐鲁石化年产15万吨醋酸乙烯项目 可行性研究报告中石化齐鲁石化分厂年产15万吨醋酸乙烯项目2019 “东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛能量集成及换热网络设计燕山大学酯日可待队团队成员：郭石麟、龚淳铠、丰闪闪、刘 拴、王荟欣指导老师：何云华、郭丽杰、姜 洋、康建新、李红冠 燕山大学酯日可待队 1/50中石化齐鲁石化年产15万吨醋酸乙烯项目 能量集成及换热网络设计目录1概述12原始工艺流股提取13原始工艺流股的能耗分析34工艺流程的改进45改进工艺流股的提取及分析46换热网络设计77热泵技术分析108节能技术利用总结119总结12 燕山大学酯日可待队 2/4中石化齐鲁石化年产15万吨醋酸乙烯项目 能量集成及换热网络设计1.概述本项目是中石化齐鲁石化分厂年产15万吨醋酸乙烯项目，该项目采用气相乙烯法，利用高纯度乙烯和高纯度醋酸来生产15万吨/年的纯度为99.86%的醋酸乙烯。运行操作成本是一个重要评价参数，原料的预热、产品精馏等都是非常耗能的过程，会消耗大量的公用工程。本项目工艺由醋酸乙烯的合成、醋酸乙烯的精制、CO2的吸收三个工段组成。流程中冷热物流均比较多，潜在的热量可供回收，通过对换热网络的设计和优化，可以尽可能地实现流程内部热量的集成和最大化利用，以减少公用工程的消耗，降低能耗。为此，我们运用Aspen Energy Analyzer V8.4软件来进行换热网络的设计，并且寻找可能节能的措施，以最大限度的降低成本。通过对本项目工艺流股温位和换热要求的分析，为了尽可能降低系统能耗费用以及母厂可供公用工程的来源，本换热网络需要的冷公用工程包括循环冷却水、和冷冻剂，热公用工程包括为125的低压蒸汽、175的中压蒸汽和1000的加热炉燃气供热，均可由厂区公用工程站和冷冻站提供，形成与母厂的公用工程集成。通过对系统工艺流股的能耗分析，为了尽可能地利用组合曲线平台区潜热，在工艺流程中采用了热泵技术，并进一步进行了换热网络的集成和优化，可以回收热量152158.28kW，热泵技术的采用消耗了约1608.94kW，总计节约能量约150477.34kW。2.原始工艺流股提取根据所设计的工艺流程的Aspen模拟结果，由Aspen Energy Analyzer V8.4分析后提取的流股如下表1和表2所示（物流号及设备标号参照Aspen Energy Analyzer V8.4 源文件1-原始工艺流股（优化后不加热泵）.bkp）。表中并不包含反应器R0101所需的换热要求，其解决方案在下节工艺流股能耗分析中进一步说明。表1 工艺过程物流信息表（不含节能措施）过程流股加热器名称进口温度/出口温度/热负荷/KW109_To_110E010140.00 120.00 4245.87 112_To_113E0102126.37 165.00 2861.23 120_To_121E0103170.00 80.00 12198.30 121_To_123E010480.00 60.00 2942.72 123_To_124E020160.00 15.00 5172.76 205_To_206E020236.98 5.00 713.88 208_To_209E02035.00 90.00 1612.47 220_To_221E0204292.35 25.00 2323.60 235_To_236E0205135.10 40.00 164.68 237_To_238E0206135.10 40.00 1332.38 304_To_305E030165.77 80.00 27.93 307_To_308E030230.65 15.00 34.30 314_To_315E0303113.57 25.00 2630.95 316_To_317E030459.30 30.00 197.07 320_To_321E030524.52 30.00 9.44 323_To_324E030674.21 30.00 2080.18 表2 塔设备物流信息表（不含节能措施）塔位号换热器类型进口温度/出口温度/热负荷/（KW）ReboilerT0101135.63 137.11 6575.87CondenserT020197.60 36.98 24248.98 ReboilerT0201133.28 134.19 26647.46 CondenserT020262.62 56.25 2468.49ReboilerT0202110.42 130.84 2974.65CondenserT0203105.52 99.63 1223.04 ReboilerT0203291.99 292.35 2713.22 CondenserT020433.10 -10.48 2832.18 ReboilerT020475.30 75.36 2979.47 CondenserT020572.46 71.96 15986.3 ReboilerT020573.88 74.15 15956.42 CondenserT020617.00 1.37 236.74ReboilerT020655.12 56.13 265.64ReboilerT0303113.56 113.99 4041.723.原始工艺流股的能耗分析在Aspen Energy Analyzer V8.4中评估了最小传热温差对系统经济性的影响，获得系统总费用与最小传热温差的关系曲线如图1所示。图 1 总费用-最小传热温差关系曲线图（不含节能措施）由图1可以看出，传热温差为15时总费用最小，因此选取最小传热温差为15。在此最小传热温差下的过程组合曲线见图2，总组合曲线如图3所示。图 2优化前的过程组合曲线图（不含节能技术）图 3 优化前的总组合曲线图（不含节能技术）图2所示的组合曲线表明工艺流股中所有热流股和冷流股的换热量及温位要求。除了上述工艺流股的换热任务外，本系统中还有反应器R0101有换热要求，可以选用公用工程或工艺流股来实现。其中，反应器R0101反应放热，反应温度为160-170，由图3的总组合曲线可知，系统中同工段没有合适的冷工艺流股可以利用，所以使用冷公用工程152工业软水对反应器进行换热。之后的分析都在Aspen模拟中加入反应器所需利用的152的工业软水进行分析。4.工艺流程的改进由图2的组合曲线可以看出，夹点附近存在较长的平台区，经分析可知，蓝色线的冷流体平台一部分表示醋酸乙烯精制精馏塔T0205塔底及塔顶的相变热，而且T0205塔顶、塔釜温度差为1.7，该塔可以通过热泵技术提高塔顶流股温位，用以加热塔釜流股，增加系统内部换热量，减少公用工程的消耗量。5.改进工艺流股的提取及分析加入热泵精馏后，在ASPEN中重新模拟全流程，得到新的流股信息（物流号及设备位号参考Aspen Energy Analyzer V8.4 源文件3-改进工艺流股（加上热泵节能技术）.bkp）见表3和表4.表3 工艺过程物流信息表（含节能措施）过程流股加热器名称进口温度/出口温度/热负荷/KW109_To_110E010140.00 120.00 4245.87 112_To_113E0102126.37 165.00 2861.23 120_To_121E0103170.00 80.00 12198.30 121_To_123E010480.00 60.00 2942.72 123_To_124E020160.00 15.00 5172.76 205_To_206E020236.98 5.00 713.88 208_To_209E02035.00 90.00 1612.47 220_To_221E0204292.35 25.00 2323.60 232_To_233E0205103.72 91.79 15956.36 240_To_241E020574.22 80.00 15956.36 234_To_235E020672.45 71.95 1638.84 244_To_245E0207135.10 40.00 164.68 246_To_247E0208135.10 40.00 1332.38 304_To_305E030165.77 80.00 27.93 307_To_308E030230.65 15.00 34.30 314_To_315E0303113.57 25.00 2630.95 316_To_317E030459.30 30.00 197.07 320_To_321E030524.52 30.00 9.44 323_To_324E030674.21 30.00 2080.10 表4 塔设备物流信息表（含节能措施）塔位号换热器类型进口温度/出口温度/热负荷/（KW）ReboilerT0101135.63 137.11 6575.87 CondenserT020197.60 36.98 24248.98ReboilerT0201133.28 134.19 26647.46 CondenserT020262.62 56.25 2468.49ReboilerT0202110.42 130.84 2974.65 CondenserT0203105.52 99.63 1223.04 ReboilerT0203291.99 292.35 2713.22CondenserT020433.10 -10.48 2831.18 ReboilerT020475.30 75.36 2979.47 CondenserT020617.00 1.37 236.74 ReboilerT020655.12 56.13 265.64 ReboilerT0303113.56 113.99 4041.72对最小传热温差进行经济评估，得到新的总费用-最小传热温差关系曲线，见图4。图 4 总费用-最小传热温差关系曲线图（含节能技术）可以看出，随着最小传热温差的增大，总费用先减小后基本不变。选择总费用最小时的最小传热温差：16.5。将最小传热温差设为16.5，可以得到热集成过程的能量目标：图 5 过程的能量目标由上图可以看出，理论上最少需要热公用工程能量为：1.305108kJ/h=36250kW理论上最少需要冷公用工程能量为:1.652108kJ/h=45888.9kW夹点温度为：热流股126.9；冷流股110.4得到优化后的过程组合曲线图及总组合曲线图：图6过程组合曲线图（含节能技术）图7 总组合曲线图（含节能技术）通过对组合曲线进行分析，可以得出流程内部换热后，需要达到的最高温度接近292.3，由于有相变，需用加热炉对其加热，其他使用蒸汽进行加热，同时为了节约成本，应该使用多种品味蒸汽以降低高品位蒸汽消耗，因此我们热公用工程采用125的低压蒸汽、175的中压蒸汽。需要达到的最低温度为-10.5，因此需要采用-25的冷冻剂，其他使用循环冷却水冷却即可。6.换热网络设计换热网络的设计，自由度较大，所获得的方案数目众多，但是合理的换热网络需要经过筛选与优化。在设计换热网络时，需要考虑工艺流股换热的可能性，最好还要将设备费用等因素也考虑进去，以便获得最为合理的换热网络。在Aspen Energy Analyzer V8.4给出的Design中选取其中最为经济且换热面积较小的设计方案进行后续优化过程。设计方案如图8所示：图 8 设计方案图分析比较10种Design的Total Cost，综合考虑所需费用以及换热面积，选用Design 9进行后续的优化过程。未优化前的换热网络：图 9 未优化前的换热网络换热网络中存在的loop回路:图 10（1） loop回路图图 10（2） loop回路图图 10（3） loop回路图在实际操作中，一般不能有loop回路的存在，故应该删去负荷或者换热面积较小的换热器，将其合并到其他换热器，打破回路，减少换热器数目。另外，相距较远的物流间换热会使管路成本增大，增加设备投资成本，且操作不稳定，此类换热器也需要删除。在考虑设备费用和操作费用的同时，对换热网络进行优化：图11 优化后的换热网络图优化后的换热网络所需要的换热器为31台，其中，包括7台热量回收利用的换热器，分别为E0101，E0206A，E0206B，E0207，E0210A，E0215，E0301可回收热量113105.40kW。7.热泵技术分析由图2可以看出，在50左右存在平台区且热量较大，经分析可知，该平台处有一部分为醋酸乙烯精制精馏塔T0205塔底及塔顶的相变热，而且T0205塔顶、塔釜温度差为1.7，可以采用热泵技术。如果通过改变物质的汽化温度，使两平台“错开”，从而回收更多的能量。结合以上两点原因，我们设计了热泵蒸发的方式来进行有效的能量回收。通过热泵蒸发，将功转化成热能，提高流股的温位，使原本不能换热的流股可以进行换热，从而减少公用工程的用量。这样，消耗少量电能（用以做功）便可以节省大量的冷量与热量，从而节能。将醋酸乙烯精馏塔T0205的冷凝器取消，直接引出塔顶气相，通过压缩机加压，使得塔顶气相的温度提高一个等级，作为热源至塔釜再沸器换热，放出热量冷凝部分气体，再经节流阀减压降温，由于醋酸乙烯产品纯度要求，故在节流后继续通过较为经济的二次冷凝，用公用工程降温至72.45，从而得到符合产品纯度要求的醋酸乙烯，一部分液体回流至塔内进行再次分离。塔釜则在换热过程中已经达到再沸负荷的要求，其结构如图所示（截图来自Aspen Energy Analyzer V8.4 源文件5-全流程模拟（含热泵技术，含换热网络）.bkp）：图 12 塔顶气体压缩式热泵精馏流程图表5 有无热泵技术对比表项目无热泵技术有热泵技术塔顶冷凝能耗（kW）15986.31638.84塔底再沸能耗（kW）15956.40压缩机功率（kW）01609总能耗（kW）31942.73247.84由上表可知，考虑压缩机做功和冷却器能耗，热泵技术比无热泵技术节省能耗28694.86kW，节省幅度达89.8%。热泵技术节省冷耗89.7%，节省热耗100%。8.节能技术利用总结使用热泵技术前后的组合曲线如下所示:图13 组合曲线（不含节能措施）图14 组合曲线（含节能措施）比较两图可知，在未使用热泵技术时，理论上最少需要热公用工程154536.14kW，冷公用工程97326.93kW；在使用热泵技术后，理论上最少需要热公用工程138579.4419kW，冷公用工程74230.74kW。理论减少热公用工程10.33%，冷公用工程23.73%。可见利用热泵技术可以通过改变组合曲线的温位，改变组合曲线热平台，实现更大程度的热回收，实现节能。9.总结在该换热网络中，公用工程使用情况如表6所示：表6 该换热网络公用工程信息表项目热公用工程/kW冷公用工程/kW总计/kW直接公用工程（加热泵，优化前）138579.4474230.74212810.19换热网络设计45034.2554670.54