换热网络分析与优化

换热网络分析与优化火点技术是英国l.innhonr教授萍A于70年代末提出的轶然网络优化没计介法.所来又逐步发展成为化「一过程综合的〃法论u夹点技术是能鬲回收系统分析的m大突破,m年代以来夹电技术在欧洲.美国.日本等工业发达国家迅速得到推广应用.先已成功地应用于各神匕业生产的连城和间歌工艺过程•咬用领域十分广卸住世界答地产勺•一r巨大的经济效益，现如今，死点技术己广泛用于实际生产装置的用能分析以及对原有换热网辩的改遣、重新设计等做L利用Asp知相关软件，通过对实际生产架置的换热流股数据诅行提取分析、再利用夹点技术，对换热网络进行分析，我寻出该换热网络的41瓶颈。采取相应的新的换热措施来解决这些"抽颈"向题’最终通过实际装倒的运行操作验证模拟结果的正确性神L对于新疆卜而言，可以降低操作成水3心娜，节10-20%：而避行老"改造时*可以降低操作成本"30%阶叫夹点技木有三茶最基本的原姬上⑴史点之上不应采用冷公用I程f火点之上子系统是个热阱系healsink).热公用.匚程向其输入热能・而没有任何热流流出:3)夹右之下小局采用热公由1：程；爽点之卜『•系统是一-个热源系统＜healsourceL由冷公用工牡'从系统中愕走热能，而没有任何热流从外界流入：⑴不成穿过夹点谶虹左夹点处.两手系统之间没有热流流血如果有热流跨越夹点传热，则登加大公用工程浦u.夹点下方1J、夹点上方il111E7\IjiTL<L-J4MKRUNDOWNHRAT1HlIWPri-mf■、l1"1TEMP11I一也工艺翎流换热1热会用工程I.^B.」—L>J国幻夹点技术的温格图Fig.5.1Tcniptriiluruv*enthalpyofpinchtechnoIuii)图5.1为夹点技术常用的温靖图＜T-H图）图中的红线为热复合曲稣篮维为冷复合曲线口将冷、热欲合曲线之间的最小传热温差称为ATmin.Ifi]l/2ATmin处所对应的温度为死点温度“冷热曲线之间贡合的部分.即可以进行内部换热的区间.也就是该换热网络的节能潜力'夹点下方,没有冷流股与之重合的热流股需要用到冷公用工程.而夹点上方,没有热流股与之柬合的冷流股需要川到热公用工程。在实际的工业流程中,并卅所有的换热网络均有夹点，只有那些既需要加热公用工程、有需要冷却公用「程的换热网络间题才存在夹点。而只需要…种公用工程的问题，称为幽值问题,在构建新的换热网络的时候，要秉承“高能高用、低能低用”的用能原则.输入温度最高的热流般与输出温度散商的冷流股进行换热,输入温度最低的热派股与输出温度最低的冷流股进行换热,这样能够达到能量的仃效利用,换热网络面积也可以达到这小tfl.这也是在进行换热网络搭建的过程中要时刻谨记的原则之%运用全局的夹点分析,对整个流程的换热网络进行能吊现成.并充分考虑各个工段之间以及各个I：段与总的公用匚程之间的相互联系C此方法可以更加明显地减少操作费用和公用工程消耗，并已有实例对其进行了验证网°本文接卜来将通过运用AspenEnergyAnalyzer软件来对流私，中涉及到的物流流股进行换热网站设计.构建换热网络图,3找没有跨越夹点的物流内部换热，从而减少冷热公用I擢的消耗，并对现有换热网络中跨越夹点的传热方式进行改进,从而达到节能的最终目标㈣。5.1VDF牛产1：艺流群的换热网络分析通ilAspenenergyanalyzer对粘儒没和压缩段的物流流股进行了换热网络分析.之我们可以通过对其LH图的观察，可以人概了解其节能的潜力，从而为换热网络的设计提供依据。卜隋为压缩段和料儒段的物流T-H图：CompositeCurvestoco—®000gtomA3)Watm-OU000inwK*WW«WEnthalpy(kW>图S.2压缩段和精搐段的物流T-H图Fig.5.2l-Hofcompressionanddistillationcolume

巾于实际生.产中.所有需要冷却和加热的物流流股均采用冷热公用工程来提供能V.并没有物流流股的内部换热.通过图5.2可以看出.流程中涉及到的冷热物流流股在T-H图上还姑有部分重合的，这部分可以进行物流的内部换热，即为节能的潜力，但足重合的部分所占的比例并不大,绝大部分的冷热流股都需要公用工程来提供必需的能成图5.3无内部换热的换热网络图Fig.5.3Healexchangenetworkwithoutinnerheatexchange图5.4有内部换热的换热网络图Fig.5.4Heatexchangenetworkwithinnerheatexchange通过软件的RecommendedNear-optimalDesignsJ/j能，W以根据现仃的换热流股，对流朽'中可柔取的流般内部换妙给予建议.还会指出是否“跨越火点的传热°通过软件给出的10种换热结构图•对it些换热方法进行分析.最终得到了上述的有内部换热的

换热阳络图•该换热方法可以愁到最大限度节能的H的。通过计算可知I.该方法可节省热公川丁程25.88%,冷公用I程22.73%HotStreamCF1-OUTIo3oHtfInlet8967CHolOutlet1314CDuty2945kWArea1765m2MIX-102HtfInlet8967CHolOutlet1314CDuty2945kWArea1765m2MIX-102CoMOurte*3542CoColdSheamToRebo4er@2ToT0^28Coldlnle<426C理#.・E-110图5.5利用一级压缩气体流股对VDF精馋塔塔釜进行加热Fig.5.5HeatexchangebetweenthebottomofVDFdistillationcolumnandfirststagecompressedgasHotStreamCP2-OUT.To.1HNHo<InletM03CDuty6%3kWHolOutlet-101CAcea197m2MIXHo<InletM03CDuty6%3kWHolOutlet-101CAcea197m2MIX」02ColdOuiJet3542CColdInlet426CColdSheamToReboder-@2T_TO.2B•♦■E112}“£.5.6HeatexchangebetweenthebottomofVDFdistillationcolumnandsecondstagecompressedgas表5.1新换热网络的能耗计算lable5.1Consumptioncalculationofthenewheatexchangenetwork热负荷冷负荷热公用内部换热冷公用内部换热能耗kW28.509.88833.729.888节能%25.8822.73

GrandCompositeCurveTemperature(C)i88«882:J888888<^'oooooS«K)1000ISCO?0002500X>cn35ocEnthalpy(kW)图5.7换热网络的总组合曲线图FigS.7Grandcompositecurveoftheheatexchangenetwork5.2城小伐热湍#ATmE的选取RangeTargets3-456DeltaTmin(C)230c003(£so。)WQra-xopu二SooraoH22%00372089032lie0232炽332050033200c00319SOO3I906S318Sc00318Co003Tdai3-456DeltaTmin(C)(£so。)WQra-xopu二SooraoHFig.5.8RelationshipofthetotalcostsandA在对换热网络进行计算分析的时依2\T心选择非常重要。如果△Tmm选择过大，则总的换热而枳会减少，但是冷热公用工程的川域会增大，此时设备费用少.操作费用则大：如果ATmin选择过小，则冷热公果工程的川火会减少，但是总的换热而枳会增大,此时操作费用少,设备费川人。这样就涉及到了ATmin的优选问题，从而使徂操作贽用和设备贾用的总和jR小。从DTMIN处计算佥诂的最小温差，计算了2°C到8%的，步差姑l°C0从图5.8中可以看出，传热温箜为6。。时的总费用最少.因此选择ATin=6°C.总的来说，本堂节iffiilAspenPlus与AspenEnergyAnalyzer的接门，口幼实现了X寸AspenPlus的流程模拟姑果进行相关流股数据抽捉，井逃行换热网络的自动生成，为本流程换热网络的分析顷尤化提供14及大的帮助。通过对流程的换热网给分析.我们得知可以采取以下换热措施：可以利用级、.:级利用后的流股对精儒塔TII55再沸济进行加热。该措施可节省热公用I：程25.88%，冷公用工程22.73%。因此,此次换热网络的优化可以有效地节省冷热公川工任的消此,达到了节能的H标。本文主要运用AspenPlus流程模拟软件，对某VDF单体生产装置进行模拟、分析与优化，首次提出了对VDF装置的改造方案，并利用AspenEnergyAnalyzer软件对流程的换热网络进行了分析，提出了新的换热网络，达到了节能减匏的目标。通过对流程的模拟以及详细分析，得到了以下结论：通过AspenPlus模拟软件对VDF生产工艺的压缩、冷脱以及梢馋工段进行了模拟，并将模拟结果与实际生产数据进行了对比，两者基本相符，有效地证明了模型的正确性及可参考性。还对模型所用的NRTL物性方法进行了验证，通过将Aspen模拟得到的一些主要组分的物性数据与文献数据进行了比较，结果基本一致，证明了NRTL物性方法的正确性，并指出了使用其它物性方法(如SRK)的不合理性。通过对VDF工艺流程的压缩段和精馅段的模拟计算，首次提出了针对此流程的改造方案。通过对流程的详细分析，了解了C2H3F、C2H2CIF等杂质在系统中的分布，分析了杂质的累积对系统的稳定性和操作性的影响，首次提出“-•塔去除，两塔台并，侧线除杂”的流程改造方案,即:去除VDF脱轻塔,中间槽的物料直接进入VDF精馋塔：将142b脱轻塔和142b精循塔合并为一塔，塔顶采出VDF,塔上部侧线采出C2H3F、C2H2CIF等杂质，塔下部侧线采出142b以用于原料的回收利用，塔底采出裂解过程产生的高沸物等。并根据模拟结果，去除了原有流程的塔顶物料回气库的I可路，减少不必要的循环。通过对VDF流程的分析，首次提出了第二种流程改造方案，即：塔粗分、两塔分别精馄”的流程改造方案，即先通过一个精馅塔对中间槽的物料进行粗分，将VDF和142b分离，塔顶采出VDF,塔釜采出142b,之后分别对塔顶和塔釜的物料进行料俺，其中一塔的塔顶采出高纯度的VDF产品，塔釜采出轻组分杂质，另一塔的塔顶采出142b,塔釜采出高沸物。通过模拟分析，验证了此方案的可行性。针对实际生产过程中，裂解气的组成有时会处在波动的状态，并不是稳定不变的。在裂解过程中，142b裂解不完全，或者裂解过程产生了更多的副产物，这时就需要根据裂解气的组成来调整后续过程尤其是精t留段的操作参数，从而保证产品的纯度以及未反应原料的回收率。本文就不同的裂解气组成，根据产岛要求，对精简过程的部分操作参数进行更改，使得产品的纯度符合要求，从而证明了此精馅流程的通用性和灵活性。对改造后的流程进行了操作参数优化，通过灵敏度分析，对精懈塔塔顶采出量、进料位置以及操作回流比等参数迸行模拟分析，结果发现：对于精简塔T1I55,塔顶采出量可由I00kg/hr增至H2kg/hr,从而避免了12%的VDF-直在流程中循坏而损耗不必要的能缺；TII55的进料板位置由第95块板调整为第40块板，可以在不增加能耗的情况下进一步提高产品VDF的纯度。通过对T1I55回流比的分析，发现TI155的摩尔回流比大于2以后，塔顶采出的VDF产品的纯度己经符合要求。对于精儒塔TI157(侧线除柴塔)：进料位置由第50块板改为第70块板，可以更好地将C2H2CIF与VDF和142b分离，侧线除杂效果更显著;当例线采出量超过l.4kg/hr时，杂质的脱除率可以达到95%以上：通过对合并后的侧线除杂塔与原先两个精饵塔的能耗进行比较，可节省冷公用工程66.5%,热公用工程66.9%；另外，还通过增加压力，使得塔顶冷凝温度不至于太低，解决了塔顶冷凝温度过低的问题。(6)通过AspenPlus与AspenEnergyAnalyzer的接I」，可以自动实现对AspenPlus的流程模拟结果进行相关流股数据抽提，并进行换热网络的自动生成，为本流程换热网络的分析与优化提供了极大的吊助。迪过对流程的换热网络分析，得知可以采取以下换热措施：可以利用一级、二坂压缩后的流股对精情塔T1155再沸器进行加热。该措施可节省热公用工程25.88%,冷公用工程22.73%。附录附录I：改造前后的VDF生产工艺流程图原VDF生产工艺流程图改造方案2的VDF生产工艺流程图

附录II:设备一览表华东理工大学化丁学院工程名称VDI设备一览表序号流衿图位号名称温好C压力/MPa回流比备注1.V1I51原料大槽•0.4出料压力为0.4MP&2.EI150142b汽化器•一将液化后的142b汽化3.VI152142h缓冲器■■汽化后的142b入缓冲器4.FII5I裂解炉70050。■空管裂解5.EI170立式急冷器-*将裂解气温度降至7(TC以下6.EI171冷却器■7.SI151过滤器■•滤除裂解气中的同体颗粒，如成黑等8.SH52降焕吸收器■•去除大部分的HCI9.TI152水洗塔■去除剩余的HCI10.T1153诚洗塔■•去除残留的酸性物质II.SII53气液分离器•一将气体中夹帝的域液回流以循环使用12.VI157常压气摩250.10贮存处理后的裂解气13.C1152-)一级压缩-0.35-将处理后的裂解气如压，准备进入加压精惘段14.E1I52一爆冷脱00.35脱除裂解气中的大部分水分15.EII53一级冷脱-200.35脱除部分未参与反应的142b16.C1152-2一•级压缩一1.38进一步对•物料流股加低17.EII54中冷器-161.38冷却物料18.VI160中间槽-161.38储存即埒进入精朔塔的液体物料19.T1I54VDF脱气塔T-2411.15010脱险比VDF轻的组分B-211.15320.TI155VDF精靖塔T-31.20.9405塔顶得到产品B40.90.94221.TI156142b脱轻塔T-41.50.65025脱除沸点介于VDF4142b之间的组分BF.70.65022.TI157142b精5T0.40.20010俐线采出142b,回到原料槽B13.90.20423TII55*VDF精烟塔7-31.20.9405塔顶得到产品VDI-B35.40.94224TII57*侧攻除杂塔T-32.60.90060塔顶回收VDF;侧线采出杂质流股；侧线回收142b:塔釜采出有沸物余质4.30.903142b61.60.905B78.50.906aa：tii55\Til”•为很代改也而的粘帝埠

华东理工化工学浣工程名称VDF物流一览表（温度、压力、组成）物流号温度°C压力bar流量kg/hr质房组成VDF142b152aH2OCH3FCPMN20.01.011350.8430.136SOOppm2.00E-3200ppmCP1-0UT|89.73.501350.8430.136500ppm2.00E-3200ppmFI.HI-IN03.50135O.R430.1365fl0ppm2.00E-3200ppmFLHI-L03.501.750.1440.347707ppm0.1373.7OE-5FFLHI-V03.501330.8530.134497ppm223ppm2O2ppmFLII2-1N-20.03.501330.8530.134497ppm223ppm2O2ppmFLH2-L-20.03.50l.l10.1780.5531.OOt-32.50E-24.90E-5FLH2-V-20.03.501320.8580.130492ppmI.20E-52O3ppmCP2-0UT54.013.81320.8580.130492叩m1.20E-52O3ppmTl155-IN-16.013.81320.8580.130492ppm1.20E-52O3ppmVDF-31.29.401120.9998TraceTraceTrace214ppmTU55-B35.49.4219.85.60E-23.0OE-30.8677.90E-5I43ppmTII57-T-32.69.000.9910.9995TraceTraceTrace420ppmIMPURITY4JO9.03L408.80E-24.60E-20.106Irace2.00E-3I42B6169.0517.0Trace6.60E-50.9R9I.90E-5TraceTl157-B78.59.060.430TraceJrace0.5283.00E-3Trace物流一览表・2（方案1）华东理工化工学院工程名称VDF物流一览表（温度、压力、组成）物流号温度°C压力bar流量kg/hr质量组成C2H3FC2H2CIFC2H2CIjFC2H3CI2FCPI-IN20.01.011352.00E-37.00E-36.00E-33.OOE-3CP1-OUT89.73.501352.00E-37.00E-36.00E-33.00E.3FLH1-IN03.501352.00E-37.00E-36.OOE-33.OOE-3FLHI-L03.501.75505ppm1.00E-20.3273.50E-2FLHI-V03.501332.00E-37.00E-32.00E-33.00&3FLH2-1N-20.03.501332.00E-37.00E-32.OOE-33.OOE-3FLH2-L-20.03.501.11646pprnI.5OE-20.1715.6OE-2FLH2-V-20.03.501322.00E-36.00E-3359ppm2.00E-3CP2-OUT54.013.81322.00E-36.00E-3359ppm2.00E-3Tl155-IN-16.013.81322.00E-36.00E-3359ppm2.OOE-3VDF-31.29.40112TraceTraceTraceTraceTl155-B35.49.4219,81.40E-24.30E-22.00E-31.40E-2T1157-T-32.69.000.991IO2ppmTraceTraceTraceIMPURITY4.309.031.400.1920.567TraceTraceI42B61.69.0517.0Trace4.00E-3581ppm7