节能设计4换热网络说明书

1、换热网络设计说明书1.1 换热络设计1 1.1 热集成术概述在大型过中，大量需要换热的流股，一些物流需要被加热，一些物流需要被被冷却。大型过以提供的外部公用工程种类繁多，如不同等级的蒸汽，不同温度的冷冻剂、冷却水等。为提高能量利用率，节约资源与能源，就要优先考虑系统中各流股之间的换热、各流股与不同公用工程种类的搭配，以实现最大限度的热量回收，尽可能提高工艺过程的热力学效率。热集成网络的分析与，本质上是设计一个由热交换器组成的换热网络，使系统中所有需要加热和冷却的物流都达到工艺流程所规定的出口温度，使得基于热集成网络运行费用与换热投资费用的系统总费用最小。Aspen 能量分析器采用过最优化的进行

2、过程热集成的设计，其是夹点技术。它主要是对过的整体进行优化设计冷热物流之间的恰当匹配、冷热公用工程的类型和能级选择；加热器、冷却器及系统中的一些如分离器、蒸发器等在网络中的合适放置位置；节能、投资和可操作性的三衡；最终的优化目标是总年度运行费用与投资费用之和（总年度费用目标）最小，同时兼顾过的安全性、可操作性、对不同工况的适应性和对环境的非定量的过程目标。目前，换热网络主要有三种：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。因此，夹点技术不仅可以用于热回收换热网络的优化集成，而且可用于合理设置热机和热泵、确定公用工程的等级和用量，去除“瓶颈”、提高生

3、产能力，分离污染排放等的集成，减少生产用水消耗，减少气1.1.2 换热网络设计现通过对工艺流程流股进行换热网络设计，利用 Aspen Energy Analyzer V8.4 设计换热网络，其主要步骤如下：（1）工艺流程物流提取；（2）分析总成本费用与Tmin图确定最小传热温差；（3）利用提取出的物流数据绘制冷热物流合曲线图（Composite Curve）、总1换热网络设计说明书组合曲线（Grand Composite Curve）和应用物流（4）找出夹点及最小冷、热公用工程用量；合曲线（Utility Composite Curve）；（5）自动配导出优化换热网络，对非夹点配、换热面积小等

4、情手动调优，构建优化换热网络。1.1.2.1 物流提取（初始工艺流程）通过 Aspen Energ Analyzer V8.4自动导入功能物流进行提取，并手动检查物流示：，增删部分物流，选择公用工程的类型及温度。对物流提取提取见表 1-1 所表 1-1物流提取（初始工艺流程）2物流名物流符号进口温度/出口温度/热容流率/（kJ/C·h ）换热量/(kJ/h)0213_To_0214217.9180.018904371707550406_To_040759.630.0-_To_0212217.0180.018919270079450417_To_0418117.6113.0353361

5、625820423_To_042444.664.0124862417780412_To_041374.597.9-54943260317_To_031815.830.0326274633250209_To_0210294.4180.0-226696520312_To_0313-54.940.0-55957620109_To_011035.2-180.0-51651670404_To_040530.058.0250207005470215_To_0216218.0180.018880471717130219_To_0220197.055.5-31814438To CondenserT0402_T

6、O_0419100.299.9-14568299To CondenserT0406_TO_041472.572.00.00.0To ReboilerT0406_TO_0415114.7116.6-2613924换热网络设计说明书1.1.2.2 最小传热温差的确定（初始工艺流程）我们在 Aspen Energy Analyzer V8.4 中评估了最小传热对系统得系统总费用与最小传热温差的曲线如下图 1-1 所示。性的影响，获图 1-1 总成本费用与Tmin图3To ReboilerT0402_T _0420120.5120 6206003 18147 9722ToondenserT0401_T

7、O_040181.658.7-17457670Toonde serT0405_TO_0 06Duplicate65.059.6-3792485To ReboilerT0405_TO_0412Duplicate73.774.5-5412974To ReboilerT0401_TO_0417Duplicate116.3117.6-18233452To CondenserT0404_TO_042899.799.0-22021399To ReboilerT0201_TO_022462.680.2-357162993To CondenserT0201_TO_022148.9-63.6-375729604

8、To ReboilerT0404_TO_0429120.4120.5-22033816To CondenserT0403_TO_043164.039.9-34002To ReboilerT0403_TO_042697.399.7-502955F0401_heat31.932.010764813331F0302_heat22.2-35.0867144964350F0301_heat-63.530.04979465354F0201_heat17.9100.027853622881617R0205_heat207.3200.01764091290752换热网络设计说明书1-2 热回收网络公用工程成本

9、与Tmin图由上图 1-2 可知，热公用工程和冷公用工程Tmin 的增大而增大，而且二者用量平行增加。对于费用而言，Tmin一个最佳值，当Tmin 增加时，夹点处换热器面积减少，投资费用也迅速下降，但是超过最低值后，由于外加热、冷却单元数增加，投资费用又开始增加。再分析图 1-1 总成本费用与Tmin图，当最小传热温差Tmin=11时，总成本费用达到最小。我初步选取小传热温差为 11 设置最小传热温差后，设置完成如下图 1-3 所示：图 1-3 设置最小传热温差图再通过绘出冷热物流合曲线图（Composite Curve）、总组合曲线（Grand合曲线（Utility Composite Cu

10、rve），如图 1-4、图 1-5、Composite Curve）和应用物流图 1-6 所示：4换热网络设计说明书1-4 冷热物流线图1-5 总组线图1-6 应用物流合曲线5换热网络设计说明书1.1 2.3 初始工艺程改进由图 1-4 冷热物流合曲线可以看出，夹点的两侧有因为物质汽化潜热所造成的较长“热平台”，导致整体工艺流程可回收的热量很小。分析夹点上方冷物流流股温焓组合曲线热平台性质后，我们对 T0404 醋酸回收塔、T0406 精 VAC 塔、T0401 醋酸塔分别进行了热泵技术、双效技术及中段换热技术改造，从而实现更大能量的回收利用， 降低冷热公用工程消耗量，节约生产成本。下面分别对

11、各技术改进及节约能耗说明。1. .2.3.1 T040 热泵技术改进本项目采用 Aspen Plus V8.4 对醋酸回收塔（T0404）进行了塔顶汽相压缩式热泵技术和塔底液相闪蒸式热泵技术改进，并将计算出的公用工程消耗量进行对比。三种分离方案流程图如图 1-6（图中中间方案为 顶汽相压 式改进方案，右侧为塔底液相闪蒸式改进 案）所示：图 1-6 醋酸回收塔（T0404）三种分离方案分别对上述三种精馏分离方案进行流程的模拟与运算，并将三种分离方案的运行计算结果进行汇总对比(公用工程成本按照设计任务书中所提供的价格数据：低压蒸汽（0.8MPa）：1.0 元/吨； 示：200 元/吨、中压蒸汽（4

12、MPa）：240/吨、电：0.75 元/千瓦、冷却水：对汇率为 1=6.8727)，计算结果如所表 1-3离方案能耗情况6项目案塔顶汽相压缩式热泵方案塔底液相闪蒸式热泵方案冷公用工程负荷/KW-4867.336-410.327-373.325冷公用工程用量/kg/h838437.22370682.13264308.225冷公用工程成本/元/h923.010577.812770.7957热公用工程负荷/KW4868.48800换热网络设计说明书由上表可以看出，使用热泵精馏的两种方案虽然相比于案增加了压缩机，产生了相应的费用，但是它们的热公用工程消耗量却为零，同时 CO2 的排放量大幅度降低，符合

13、绿色生产的发展要求。将压缩机所产生的费用与较，发现使用泵精馏方案的成本依旧大幅度降低，是的热公用工程消耗进行比案的 15%左右，取得了很好的效益，因此对该塔 T0404 使用热泵精馏方案利润可观。通过上述两种热泵精馏技术地改进，均取得了喜人的成果，将两种热泵精馏改进方案相比于案能耗节约情况汇总如表 1-4 所示：表 1-4 热泵精馏分离方案节能效果对比一览表从上述表格数据可以发现，两种分离改进方案均取得了非常节能效果。其中热公用工程的节约均达到了 100%。通过对比，塔顶汽相压缩式热泵方案可以减少的公用工程费用成本，以及具有更大的碳减排效果，故最终选择塔顶汽相压缩式热泵精馏分离方案进行方案改进

14、。1.1.2.3.2 T0406 双效技术改进本项目采用 Aspen Plus V8.4 对精 VAC 塔（T0406）进行了顺式和逆式双效精馏技术改进，并将计算出的公用工程消耗量进行对比。三种分离方案流程图如图 1-7（图中中间方案为顺式双效改进方案，右侧为逆式双效改进方案）所示：7项目塔顶汽相压缩式热泵方案塔底液相闪蒸式热泵方案冷公用工程节约百分比/%91.592.33热公用工节约百分比/%100100CO2 排放减少百分比/%87.5581.51公用工程成本降低百分比/%87.8883.41热公用/kg/h869800工程成本/元/h5.00电量/KW0413.595614.137压缩机

15、耗电成本/元/h0309.7938459.9967CO2 排放/kg/h1152.421143.477213.046成本总计/元/h3198.7951387.6065530.7924换热网络设计说明书1-7 精 VAC 塔（T0406）三种 离方案分别对上述三种精馏分离方案进行流程的模拟与运算，并将三种分离方案的运行计算结果进行汇总对比(公用工程成本按照设计任务书中所提供的价格数据：低压蒸汽（0.8MPa）：1.0 元/吨； 示：200 元/吨、中压蒸汽（4MPa）：240 元/吨、电：0.75 元/千瓦时、冷却水：汇率为 1=6 8727进行计算)，计算结果如表 1-5 所元对表 1-5三种

16、分离方案能耗情况一览表由上表可以看出，使效精馏的两种方案虽然相比于案增加了离心泵，产生了相应的费用，但是它们的冷、热公用工程用量却大为下降，并且公用工程成本也降低了很多，同时 CO2 的排放量也得到了一定的降低，符合绿色生产的发展要求。将离心泵所产生的费用与案的冷、热公用工程消耗进行比较，双效精馏的生产成本也远小于普通精馏，依旧取得了很效益，因此对该塔 T0406 使效精馏方案相当可行。通过上述两种双效精馏技术地改进，均取得了喜人的成果，将两种双效精馏改进方8项目案顺式双效方案逆式双效方案冷公用工程负荷/KW-2603.476-1234.375-923.447冷公用工程用量/kg/h44846

17、9.472212630.981159071.091冷公用工程成本/元/h493.7073234.0773175.1164热公用工程负荷/KW2607.6371693.3051706.443热公用工程用量/kg/h4613.5762995.8893019.133热公用工程成本/元/h1218.9489791.5426797.6799离心泵耗电量/KW05.4711.630离心泵耗电成本/元/h04.09611.2233CO2 排放/kg/h617.255402.721404.499成本总计/元/h1712.65621029.716974.0197换热网络设计说明书案相比于案能耗节约情况汇总如表

18、1-6示：表 1-6 双效精馏分离方案节 效果对比一览表从上述表格数据可以发现，两种分离改进方案均取得了较节能效果。通过对，可以发现逆式双效方案以减的公用工程费用成本，以及具有更大的碳减排效果为优选改进方案，故最终选择逆式双效精馏分离改进方案。1. .2.3 3 T0401 中段换热技术改本项目采用 Aspen Plus V8.4 对醋酸塔（T0401）进行了中段换热技术改进，并将计算出的公用工程消耗量进行对比。分离方案流程图如图 1-8 所示：图 1-8 醋酸塔（T0401）分离方案分别对上述两种精馏分离方案进行流程的模拟与运算，并将它们的运行计算结果进行汇总对比(公用工程成本按照设计务书中

19、所提供的价格数据：低蒸汽（0.8MPa）：200 元/吨、中压蒸汽（4MPa）：240 元/吨、电：0.75 元/千瓦时、冷却水：1.0 元/吨；美元对汇率为 1=6.8727进行计算)，计算结果如表 3-5 所示，并将两种方案的节能效果进行对比，如表 1-7 所示：表 1-7 两种分离方案能耗情况一览表9项目塔顶冷凝器预热器 E1塔间再沸器 E2塔底再沸器成本总计普通精馏塔分介质类型冷却水中压蒸汽热负荷/KW-4980.9384966.872用量/kg/h858006.2508787.664项目顺式双效方案逆式双效方案冷公用工程节约百分比/%52.5964.53热公用工程节约百分比/%35.

20、0634.56CO2 排放减少百分比/%34.7634.47成本降低百分比/%39.6343.13换热网络设计说明书表 1-8 中段换热分离方案节能效果一览表由上述表格可以看出，普通精馏所使用的再沸器介质中压蒸汽消耗较大，碳排放况严重！在当前倡绿色协调可持续发展的背景下，绿色化工、节能化工成为一种趋势。节能需求日益增长，本项目对该塔设预热器 1 及塔间再沸器 E2 将一大部分中压蒸汽用低压蒸汽替代，有效降低了高品味的公用工程的消耗量，减少了生产成本。符合绿色生产的发展要求。因此对该塔 T0401 使用中段换热方案可行。1.1.2.4 物流提取（改进工艺流程）在进行了热泵技术、双效技术等技术改进

21、后，再次使用 Aspen Energy Analyzer V8.4对改进工艺流程进行换热网络的设计，改进工艺流程的冷热物流所提取的如下表1-9 所示:表 1-9物流提取（改进工艺流程）10物流名物流符号进口温度/出口温度/热容流率/（kJ/C·h ）换热量/(kJ/h)SX-WL7_To_SX-WL8109.7109.2677485033874250213_To_0214217.9180.01890447170783RB-WL2_To_RB-WL4200.999.6187679190009190405_To_040659.630.0-_To_0212217.0180.01891927

22、006679SX-WL3_To_SX-WL477.9105.0-3387425项目中压蒸汽减少百分比/%CO2 减排百分比/%成本降低百分比/%段换热方案4 .8714.735.99离方案成本/元/h749.55042654.6491中段换热改进方案介 类型冷却水低压蒸汽低压蒸中压蒸汽热负荷/KW-6188.4882268.7591415.7822489.892用量/kg/h1066016.2503726.2612325.3124405.255成本/元/h931.2646577.6504360.47311330.7746换热网络设计说明书1.1.2.5 最小传热温差的确定（改进工艺流程）我们在

23、 Aspen Energy Analyzer V8.4 中对改进后的工艺流程进行分析，获得系统总费用与最小传热温差的曲线如下图 1-9 所示：110317_To_031815.830 03261846313602 9_To_021294 4180.0-226696330312_To_0313-54.940.0-5595608RB-WL8_To_RB-WL9120.0120.367801897175179080109_To_011035.2-180.0-51651690215_To_0216218.0180.018880571717120219_To_0220197.055.5-31814506

24、To CondenserT0402_TO_0416100.199.64223434021117170To ReboilerT0402_TO_0424120.4120.610719065821176586To CondenserT0405_TO_0405Duplicate65.059.6-3745459To ReboilerT0405_TO_041073.674.5-6111776To CondenserT0406-3A_TO_SX-WL172.872.588435863324353To CondenserT0403_TO_041954.832.9-40661To ReboilerT0406-3

25、B_TO_0413158.1158.8-6131751To ReboilerT0403_TO_0420100.1100.25126025734349F0401_heat30.232.044158133F0302_heat22.2-35.0867174964411F0301_heat-63.530.04987466235F0201_heat17.9100.027855022878975R0205_heat207.3200.01764101290733换热网络设计说明书图 1-9 总成本费用与Tm n图分析图 1-1 总成本费用与Tmin图，当最小传热温差Tmin=28时，总成本费用达到最小。我们

26、最终选取最小传热温差为 28，设置最小传热温差后，通过绘出合曲线图（Composite C rve）、组合曲线（Grandomposite Curve）冷热物流和应用物流合曲线（Utility Composite Curve），如图 1-10、图 1-11、图 1-12 所示：图 1-10 冷热物流合曲线图12换热网络设计说明书1-11 总曲线图1-12 应用物流温 组合曲线并得到本流程既定的换热目标参数汇总数据，如图 1-1所示：1-13热目标参数汇总数据13换热网络设计说明书从图 1-13 可以得到本项目热夹点温度为 22.2°C，冷夹点温度-5.8。从可以看本项目可以通过工艺物

27、流间的内部换热来减少较多的公用工程消耗，降低生能耗，节约生成本。1.1.2.6 换热网络设计在夹点温度和公用工程确定的情况下，可进行物流之间的换热匹配。利用夹点技术对换热网络进行设计，在各种条件的情况下，尽可能进行工艺物流间的内部换热，以回收过程余热和减少公用工程消耗，降低投资花费。换热网络优化设计目标主要来自三个方面：换热单元（）数、传热面积、公用工程消耗。而最低年总费用可同时考虑所有投资费用因素（换热面积、单元数及结构材料等）和所有运行费用因素（公用工程耗量等），是换热网络设计中常用的优化设目标。下图 1 14 为初始换热网络：图 1-14 初始换热网络由上图可看出，原始流程中只有用冷公用

28、工程向流程中的高温工艺物流降温和热公用工程向流程中的低温工艺物流供热，冷、热工艺物流之间并无相互换热，因此冷、热公用工程耗量较大。本项目用 Aspen Energy Analyzer V8.4 对上述换热网络进行分流以及换热设计，自动匹配生成十种换热网络方案可供选择，如表 1-10 所示。14换热网络设计说明书1-10自动匹配生成的十种换热网络据对比表15DesignTotalCost/Cost.s-1Area/m2UnitsShellsCap.CostIndexHeating/KJ.h-1Cooling/KJ.h-1Operating Cost Index/Cost.s-1方案一4.722e

29、-0027067.174938622257814.928132.7654855831.252.416e-002方案二4.687e-0026909.470241552223842.998132.7654855831.252.415e-002方案三4.730e-0027088.743138622265449.078132.7654855831.252.416e-002方案四4.652e-0026899.103939532190242.468132.7654855831.252.415e-002方案五4.640e-0026875.992338532176922.848132.7654855831.2

30、52.417e-002方案.642e-0026902.775938522180215.718132.7654855831.252.415e-002方案七4.624e-0026862.697837512160783.468132.7654855831.252.417e-002方案八4.615e-0026863.419036502153769.048132.7654855831.252.415e-002方案九4.726e-0027060.210339622261578.218132.7654855831.252.416e-002方案十4.726e-0027060.067039622261502.8

31、18132.7654855831.252.416e-002初始方案5.904e-0014887.9228341556281.6467801059.79122648758.285.745e-001换热网络设计说明书根据表 1-10 各自动匹配方案对比分析，可以发现方案八换热方案总花费最小，且更加简洁，便于建设和调控。因此综合考虑总花费以及冷热公用工程耗量，方案八为本项目所自动匹配提供的最优换热网络系统，热网络如图 -15 所示。图 1-15自动匹配生成的平 年换热成本最优换热网络方案在分析生成的平均年换热成本最优网络中，按照最小换热器台数原则，还可以去掉若干台换热器。同时非夹点匹配的换热器的情况

32、出现，导致热量的浪费，下面将此方案进行换热网络动调优改造。1.1 2.7 换热网络手动调优改造与原始流程相比，自动生成的方案八冷、热公用工程负荷均大大降低，但方案中仍然一些不合理的地方，所以需要进行网络改造。改造如下：（1）删除环形路径（Loops）环形路径是由换热网络中的工艺物流、换热器所的封闭。根据夹点理论产生的以总年度费用成本最小为综合目标的换热网络设计中，常常产生一些闭合的环形路径，这些环形路径会产生多于 Euler 通用网络理论计算出的最小换热器数目，即增加多余的换热器匹配单元，使投资增加。换热网络中出现环形路径，也说明网络中着多余的系统规定参数，当被控参量产生波动时，会在定运行，增

33、加调控难度。中产生震荡，影响换热网络的稳本项目中 E130 与 E146 出现环形中；同样 E141 与 E147 形成环形，其中 E130 可以删去，将热负荷合并至 E146，删除 E147，将热负荷合并到 E141；同样 E118与 E148 形成环形，删除 E148，将热负荷合并到 E118；E131 与 E119 也形成环形回路，删除 E131，将热负荷合并到 E119，将所有（2）删除小面积的换热器剔除后，检查后续情况。16换热网络设计说明书对于自动匹配出的换热网络方案中，有些换热器能量很小，这些换热器的设置并不合理，可以撤除。（3）删除直通路径直通路径是以热公用工程为起点，经换热器

34、、工艺物流到冷公用工程的一条路径。在直通路径上，任意一个换热器的热负荷变化都会影响其他换热器的工作，可能出现加热器的热负荷从热公用工程传递到冷公用工程，从而引起公用工程的多余消耗。由换热网络中未发现直通路径，在此不再详述对应的改造（4）调整冷热公用工程。在该换热网络方案中，发现有些换热器换热面积过大，使用原公用工程负荷较小，则更换负荷更大的公用工程，以减少换热面积。经过上述改造，换热网络手动优改造方案 下图 1-16示。图 1-16 手动调优方案优化前原流程热网指数和目标百分率数据、生成平均年换热成本最优网络的热网指数和目标百分率数据及手动调优后热网指数和目标百分率数据汇总至热网指数和目标百分

35、率对比表中，如下表 1-11 所示。17换热网络设计说明书1-11各换热方案热网指数和目标百率对比表18Designotal Cost/Cost.s-1Total Cost/% of TargetArea/m2UnitsShellsCap CostIndexCap Cost/% of TargetHeating/KJ.h-1Cooling/KJ.h-1Operating CostIndex/Cost.s-1Operating Cost/% of Target初始方案5.904e-001951.9854887.9228341505523.0735.3263576416.20118432247.4

36、55.745e-0013375.17方案八4.615e-00274.4126863.4236502153769.0448.898132.7654855831.252.415e-002141.89手动调优4.595e-00274.2687166.5229442134509.2648.608132.7654855831.252.415e-002141.89换热网络设计说明书可见通过自动设计的热网优化方案降低了较多的冷热公用工程消耗，在自动设计年换热成本最优方案的基础上，经过进一步手动调优，共降低了本装置原设计方案 92.2%的换热运行成本，节能效果著。1.1. .8 换热网络的验证将 Aspen Energy Analyzer V8.4 手动设计的最优方案应用到最终的工艺流程设计中，进行验证，最终可证明手动设计方案可行。具体设计内容参照源文件中换热网络的验证。源文件已附文件中，文件名为“产 10 万吨醋酸乙烯