连续重整装置模拟与节能研究

therectifyingtowersandtheprocesssystemwascarriedout.SimilartothePart2,finallytwoenergy-savingschemeswereproposed.Inthethirdscheme,comparedwiththeorginalnetwork,theamountofhotandcoldutilitieshadreduced20.3%and33.2%respectively;theamountofhotandcoldutilitiesofthefourthschemehadreduced23.8%and38.9%.Bycomparingeconomicbenefitofthefourschemes,theschemewhichsavedthemostoperatingcostandtooktheshortestpaybackperiodwasthefourthone.Theoperatingcostsavedbythisschemewas19,630,000RMB／yearandwecouldexpectapaybackwithin0.61year.Thefourthschemewasintendedtobebestone.:CCR,processsimulation,heatexchangernetwork,pinchtechnology,energyintegration,energysaving 符号说 前 文献综 化工流程模拟技 稳态流程模 动态流程模 化工流程模拟技术的现状及发展趋 化工过程能量集成与优 数学规划 人工智能 夹点技 连续重整装置节能技术研究进 主要研究内 连续重整装置流程模 连续重整装置的流程简 预处 重整反 催化剂再 连续重整装置的流程模 原料油的虚拟组分切 物性方法的选 单元模块的选 断裂流股和收敛方法的选 模拟结果与分 本章小 连续重整装置换热网络节能研 夹点技术设计换热网 最大热回收网络的形 最大热回收网络的调 连续重整装置换热网络用能分 提取物流数 能量目标的确 现有换热网络的用能分 连续重整装置换热网络节能改 本章小 连续重整装置能量集成节能研 精馏单元与过程系统的能量集 精馏单元在过程系统中的合理放 调整精馏塔操作以改善系统热集 连续重整装置能量集成节能研 精馏塔的用能现 背景过程总组合曲 气提塔C102与背景过程的热集 预分馏塔C101与背景过程的热集 脱戊烷塔C201与背景过程的热集 C4/C5分离塔C202与背景过程的热集 连续重整装置过程改变后换热网络节能研 提取物流数 能量目标的确 过程改变后换热网络的用能分 本章小 各节能方案经济效益分 节能方案1经济效益分 节省的总操作费 设备投资费 投资回收年 节能方案2经济效益分 节省的总操作费 设备投资费 投资回收年 节能方案3经济效益计 节省的总操作费 设备投资费 投资回收年 节能方案4经济效益计 节省的总操作费 设备投资费 投资回收年 四个节能方案对比分 本章小 结 参考文 致 攻读期间的主要研究成 独创性..........................................................................................化工流程模拟技序贯模块法的基本思路是按照实际物流流动的顺序对各个操作单元模块依次进行计算当工艺流出现回路时需要对流股进行切割然后进行迭代计算，直至收敛[6]。序贯模块法的优势是通用化和便于使用，技术难度不大且计算50序贯模块法仍是稳态流程模拟使用的主要方法。2060年代，至今未能广泛应用。够完善，且流程Jacobian矩阵的计算比较费时[8]。随时间的变化。在实际的化工过，稳态是相对的、暂时的，而动态变化是必1-1。1-1动态模拟与稳态模拟的比较Table1-1Thecomparisonbetweendynamicsimulationandsteady-state动态模 稳态模 化工流程模拟技术是由20世纪50年代末开始，随着计算机在化工中的应用而逐步发展起来的。1958年，Kellogg公司成功开发了第一个流程模拟软件FlexibleFlowsheet，自此以后，人们对该领域的研究越来越深入，至今流程模拟205060KelloggFlexibleFlowsheetingSIMSCI公司的SP-05CHESSIBM2070相比于第一代流程模拟软件第二代软件的程序规模更大可提供的单元操作模块更为全面可靠的物性数据库和更成循环收敛法使用者还可以根据需要随意添加新模块，但是这一代软件仍无法模拟含有无机化合物和固体的过onntoFLT和SimulationSine公司的PESS。2080SIMSCIPRO/AspenTech公司的AspenPlusHyprotech公司的HYSIM为代表模拟对象第四个阶段为20世纪90年代以来，AspenTech公司和Hyprotech（2002HYSISDynamics软件。2060年代中期[1]，主要代表有青岛科技大学开发的ECSS化工模拟软件（国内唯一一套完整的通用过程模拟软件、设计院的催化裂化反应再生模拟软件CCSO以及兰州设计院和大化工流程模拟技术的发展趋势主要集中在以下几个方面物性的种类和组分的数目，以适应不同过程、不业对流程模拟技术的应用要了半连续操作或批处理操作，传统的稳态流程模拟已经不能满足实践需求，21世软件间的集成。人们完成一项工作，往往需要多种软件的多项功能，具有全部所需功能的软件目前是很少见的，但具有部分功能的多个软件集成起计算机技术也使软件间的集成成为可能。化工过程能量集成与优3个组成部分[19]（11成与优化主要是化工过程能量系统的集成与优化[20]。热公热公工冷公工水工艺过离器、混合及其他设备公用工程系电机、蒸 辅助设备换热网原蒸1-1化工过程系统Figure1-1ChemicalPocress（NLP线性规划（MINLP）问题[20]，解MINLP模型分为以下三个步骤[7]：构造系统的超结构模型，如模型和转运模型等将模型写成MINLPminZf(x,hj(xy0；式中x——n维连续变量xRn；y——m维离散变量y0,1m

f(x,y——gi(xy不等式约束，超结构模型必须满足的设计规定、热力学约束等hj(x,y)——数学规划法可以得到严格的最优解。但实际上化工能量系统的模型是十分复杂MINLP问题复杂且规模较大，目前已有模拟退火法、遗传算法和神经网MINLP模型，之后运用改进模拟退火算法对模MINLP确定了优化的分流比率和最小温差，并建立ILP模型以确定最小的成本，使用遗传算法求解模型；JaneStamp等（2011）[30]提出在某间歇装置减少能量消耗的热考虑直接和间接的热集成，建立了MINLP模型，实例表明采用优化后的储热量33%的热公用工程用量。经验、知识以某种合适的格式在机器中构成知识库，并且能够利用类似于专owki（1981）[33]建立了换热网络综合的专家系统，先产生一个多种网络[34]提出了采用人工智能法来实现热集成精馏流程（HIDF，以作者已开发的换管理系统采用算法与知识相结合的方法完成了HIDF的合成等(1998)[35]提出了一种以专家系统为基础的无分流换热网络超结构模型的方法，2000年[37][38]，以此来使系统总的能耗达到最低1978年，Linnhoff[39]Umeda[40]各自提出了换热网络中温度夹点的问题，指出了换热网络可能达到的最大热回到夹点的限制；1979年，Linnhoff和1983Linnhoff[42]将夹点技术推广应用于过程系统的全局能量分析与调优，并对夹点技术作了总结性的评述；1986年以前，在夹点的研究工作中，夹点温差Tmin都是给定的，1986年，LinhoffAdmad[43]Floudas[44]等两组研究者分别独立地提出了求解换热网络的优化夹点温差TminOPT的不同方法；1992年，尹等[45]论证了流动有效能的损失、匹配单元的优化以及传热强化对于TminOPT的影响，同时考虑匹配单元优化和流动有效能损失，求出了真正意义上的TminOPT；同年，FraserGillespie46夹点夹点下夹点上B夹QPACDH1-2温-1-2中，AB为热组合曲线，CD为冷组合曲线。ABCD的垂直最小距离PQ即为最小传热温差Tmin，此处即为该换热网络在夹点温差为Tmin时的夹CD的上端，没有热组合曲线可与之换热，要想Tmin时的最小热公用工程量QH,minAB的下端，没有冷组合曲线可为夹点温差为Tmin时的最小冷公用工程量QC,min[50]。夹点将整个换热网络分成热力学上相互分离的两个子系统，夹点上方为热只有换热和冷公用工程[50]。如果有值为P的热量穿越了夹点（P0，即夹点P用工变为H,inP)，同时夹点下方输入热量P，所需的冷公用工变为C,nQp)31-1可知，在温-焓图上绘制冷、热物流的组合曲线，可以得到当夹点温差为TminQC,min和最小热公用工程QH,min统现有的冷公用工程为QC,0QH,0QC,0QC,min、QH,0QH,min那么系统的换热网络必有违背夹点设计原则的地方，因此而造成的能量惩罚QPQC,0QC,minQH,0QH,min。理论上该系统的节能潜力为QPA1-1的基础上，所有冷物流温度增加Tmin/2Tmin/21-3夹点夹点下夹点上B夹ACDH1-3Figure1-3ShiftedComposite夹 1-4Figure1-4GrandComposite总组合曲线中顶部和底部的热量值即为最小热公用工程和最小冷共用工程公用工程在温位的选择上是否合理[51]。1-5所示。11C11C223H331241-5Figure1-5Thegriddiagramofthe连续重整装置节能技术研究进强吸热反应，反应苛刻度越高，吸热量就越大，所消耗的量也越大；同时重气压缩机对装置的能耗影响较大[52]。装置的主要能耗是来自气的消耗，其次观察文献中多套连续重整装置的能耗分析，其中加热炉的能量消耗是最高的，占装置总能耗的60%~90%90%以上[53]炉的燃烧状况，提高加热炉热效率，是整个装置节能降耗的重点。会存在燃烧不完全的情况同样会增加加热炉的消耗扬子的周（2006[53]（4%~5%）放宽至3.8%，这样既可以保证完全燃烧，又可以降低排烟温度；中国齐鲁的刘传勤（2007）[54]4.0%提高加热炉热效率的普遍做法扬子1.39t/a连续重整装（2009[55]现了空气烟气和水三者之间的热交换降低了排烟温度和消耗量提高了加热炉热效率和高压蒸汽的产量。为开2备1）的电耗占到了总电耗的60％以上，是节电的主攻方向。中国齐鲁0.6Mt/a连续重整装置（2006）[56]对增压机（K202A）进行改造，增设了油站及一套管路系统并改造更换了吸气阀的执行机构实现了K202A的558200655~60t/h的情况，采用了优化装置处理量的方法[54]，即在处理量低的上半月单机运转，处理量高的下半月双机运转的方案，取得了较好的节能效果；高桥分公司0.8Mt/a连续重整装置(2011)[57]在装置的改造过，增压机(K202C)新上了 消连续重整传统流的石脑油分馏系统和拔头油汽提塔，通过规模化生产来降汽提塔顶的含硫气和含硫C5馏分送至焦化装置脱硫，不再设置拔头油汽提低能耗2011[59]使用AspenPlus软件镇海炼化1.2Mt/a727万元的经济效益。1.4主要研究内1；利用夹点技术设计装置的最大热回2。34。连续重整装置的流程简101108F再经进料加热炉（F-101）加热后依次进入加氢反应器（R-101、脱氯反应器102（R-103F，空冷102102101103，水冷冷凝回流罐（D-104，H2S，NH3随罐顶气体排出，罐顶气体进入装置气，101103101，回流罐的液物经泵（P-103）一部分用重沸炉（F-102）201201201204，204201202一级出口气体经水冷（E-202）冷却后缩机中间分液罐（D-203）分液后进入压缩机二级，压缩后的含氢气体与来自产物分离罐（D-201）罐底并经203204205202202206205202戊烷油馏分与C4/C5分离塔（C-202）塔底产物换热（E-207）后进塔，塔顶2082072-3。该部分包括催化剂再生回路和循环回热（E-101）后，与第二股气体混合经水冷（E-303）（D-305302305有缓冲罐（301，下部也设有下部料斗（-304）和提升器（D335。各反应器之间的催化剂通过含氢气体输送，再生器和反应器之间的催化剂通过氮气输送，在各反应器和再生器内催化剂的流动是通过重力进行的。待生催化剂从第四反应器底部经N2提升进入上部缓冲罐D-301，通过重力由D-301D-302R-301进行再生；再生后的新鲜催化剂从再生器底部用N2提升至一反上部料斗D-310，催化剂通过重力流经一反顶部的还原罐D-311，用高纯度的H2在一定温度下对催化剂进行还原；还原后的催化剂通过重力流至一反R-201，从而完成催化剂待生、再生、还原的1H2重整9去火1H2重整9去火E-去1E-R-加氢反应R-脱氯反应冷却9E-9A-6A-E-107去C-去火D-回流124冷却冷却E-F-注4气塔液化气出装2R-脱氯反应3至P-至预馏P-轻石脑油出装33.5MPa蒸5H2自PSAH2自D-207F-102E—104A-凝结8H重整去火2 D-分液7E-重整进D-进料缓冲5E-781全馏分石脑P-K-HC石脑A-E-D-产物分离D-回流6自E-至E-2-1Figure2-1FlowsheetofpretreatmentH自-312来 H自-313来 H自D-314来1F-R-F-R- R-重整第一反应 重整第二反应F-202 F-203R-重整第三反应F-R-重整第四反应提D-回流循P-D-E- 出装P-H自E-304/E-307D-分液D-分液A-E-A-冷却水冷却E-冷却至E-C-C4/C5分离冷却E-至预处表面蒸发空冷D-E-D-产物分离含污含油污水析再接触C-14脱戊塔F-E-戊烷油出装3.5MPa蒸K-1MPa蒸D-液化吸收16P-背压透平离心压缩K-两级增压压缩P-重整原料自C-101底P-自E- 至D-E-E-206E-D-回流E-2-2Figure2-2FlowsheetofreformingreactionE-

碱液自P-103

N2自D-350N2自D-350

D-洗涤

E-

F-F-电加热M-M-再生气干 系 M-M-置压缩 置过滤

脱盐

R-再生P-1MPa蒸F-F-K-E-K-

电加热M-空M-空气干燥

D-净化风

二氯乙

P-2-3Figure2-3Flowsheetofcatalystreactivation连续重整装置的流程模50051]虚拟组分的处理方法[60]虚拟组分。以窄馏分的物理性质（平均馏设备不同，数据也不同。本装置原料油的馏程分析数据是（ASTM）蒸馏数据。蒸馏是一种简单蒸馏，在规定的试验条件下，以规格化的仪器进行，2-1所示。2-1Table2-1Distillationrangedataoftheraw 原料石脑AspenPlus10个虚拟组分，全馏分石112-2。2-2Table2-2Thedividingresultsofpseudo本原理和所处理体系有着深刻的理解，才有可能做出有效的选择。Aspen公司开发了一种用来选择热力学模型的工具[61]2-4所示。2-4Figure2-4Decisiontreeofthethermodynamic2-4所示的热力学模对于含有氢气的系统，AspenPlusGRAYSON法。因此，确定该流GAYSON作为物性方法。Heater模块，当规定出口条件时，Heater可确定一股或多股物流的热和相状况。装置中的换热器大多为两股物流换热的管壳式换热器，AspenPlusHeatX模型用来模拟两物流换热器，可完成有何尺寸，HeatX可完成简单的核算，如：能量和物流平衡计算。对于严格的压降Flash2和Flash3模型。Flash2用来模拟闪蒸罐、蒸发器和分液罐等单级分离器，由用户规定出口条件，Flash2完成严格的汽-液或气-液-液平衡计算，把一股或多股进料分成两股出口物料。Flash3用来模出口条件后，Flash3完成气-液-液平衡计算，确定一股或多股进料的热和相态情装置所涉及的塔设备共有四个，包括气提塔、初馏塔、脱戊烷塔和C4/C5分RadFrac模型进行模拟。RadFrac是一个严格模型，Pump模块，该模块主要是处理单液相物流的压力变化，由用户规定物流的出口条件，Pump可计算出改变物流压力所需要的在连续重整装置的流程模拟中，有多条循环物流出现。AspenPlus软件采用机K101的出口物流重整反应部分压缩机K201的物流以及四个塔的塔顶回AspenPlus提供了WEGSTEIN法DIRECT法SQP法割BROYDEN法、NEWTON法、COMPLEX法等多种收敛方法。其中的WEGSTEIN法通常是最快速和最可靠的方法，可同时运用于任何数目的流股。最终确定WEGSTEIN0.000l。模拟结果与分氢进料换热器E104A~F、重整进料换热器E201、气提塔C102、初馏塔C101、脱戊烷塔C201和C4/C5C2022-3~2-5。表2-3换热器温度实际值与模拟值对Table2-3Comparisonbetweenactualdataandsimulationdataofheatexchangers’热 冷 E-E-2-4Table2-4Comparisonbetweenactualdataandsimulationdataofthe2-5Table2-5ComparisonbetweenactualdataandsimulationdataofDistillationrangeof23255%以内；产品质量和产量均符合要求。本章小[52]大量能量分析装置能耗加热炉产生的消耗占总能耗的80%以上很大对装置的换热网络进行优化，对于整个装置的节能降耗，有重大意义。夹点技术设计换热夹点以上，热物流的热容流率CPH不大于冷物流的热容流率CPC夹点以下，热物流的热容流率CPH不小于冷物流的热容流率CPCANHNCNHNCBNHNCNHNCAB170℃

150℃

1

3-1Figure3-1Aheatexchangernetworkwitha3-1223342170℃

1

150℃

H125℃

3

1

3-2

Figure3-2Aheatexchangernetworkwithanopened3-24230C热负荷也增30。计算换热网络温度，判断传热温差是否小于夹点温差Tmin网络夹点温差Tmin103-2210恢复Tmin170℃150℃

1 2

3

1

120- 3-3

Figure3-3Aheatexchangernetworkwithan路径，设加热器H增加热负荷为X，则换热器2热负荷减小X，冷却器增加热负X22后的温度T2可按如下公式计算：T150120 3-4所示。170℃

1

150℃

2265℃

3

1

3-4

Figure3-4Aheatexchangernetworkafterbeing连续重整装置换热网络用能分3-1Table3-1Streamdata物 初始温描 （kW·℃-1原料 2 8 重整原 重整原 C4/C5分离塔进 加热炉F202物 加热炉F203物 加热炉F204物 C4/C5分离塔塔底再沸器物 - 4 6 7 9 重整产 重整产 压缩机K201一级压缩后物 C4/C5分离塔塔顶物 C4/C5分离塔塔底出 投资费用越高。对于石油炼制装置Tmin20~40℃。本文选取夹点温差Tmin20℃。6005004003002001000060000HeatFlow(kW)80000100000120000ActualTemperature(℃）利用表3-1的物流数据，可作出冷热组合曲线图（图3-5。可得热流的夹点132℃112℃，同时可以得到最小加热公用工程量为36716kW，最小冷却公用工程为18762kW该连续重整装置实际共6005004003002001000060000HeatFlow(kW)80000100000120000ActualTemperature(℃）3-5Figure3-5Composite273-6517517℃4H81℃33-6Figure3-6Theexistingheatexchangernetworkgrid3-2Table3-2Operatingparametersofheat热流温度冷流温度1E-2E-3E-4E-5E-6E-7E-8E-3-3Table3-3Operatingparametersof温度出口温度E-E-3-4Table3-4Operatingparametersof温度出口温度A-E-3-4ContinuedfromTable3-4Operatingparametersof温度出口温度E-E-E-E-注A-101~A-205为空冷器，E-103~E-210点设计原则，对于冷、热公用工程各造成了9794kW的能量惩罚。连续重整装置换热网络节能改改造现有换热网络（原换热网络中，物流16与物流14通过换热器6进行换热，有2748kW的热与物流21换热，换热量为2748kW，再通过换热器6将物流14由夹点温度加热至目物流10与物流8通过换热器3进行换热，有268kW的热量穿越了夹点。对量为268kW，物流 再通过换热器将物流由夹点温度加热至 物流3B与物流2通过换热器1进行换热，有2651kW的热量穿越了夹点。物流7与物流5通过换热器2进行换热，有2131kW的热量穿越了夹点。但换热，有42kW的热量穿越了夹点，由于能量惩罚较小，此处忽略。此时冷却器C4直接将物流12换热至目标温度55℃，使夹点之上有1515kW的热量流出造成了能量损失修改换热网络将物流与物流的换热量增大 517517℃260℃161℃3-7Figure3-7Thetheoreticalremodifiedheatexchanger1热容流率CPH/T。实际上装置中大部分的物流都存在相变，其热容流率是13-8，3-5。3-51yticaldataoftheproductsofScheme脱戊烷 戊烷 拔头1是可行的。1节能方案1实施后，流各换热器、加热器和冷却器的实际操作参数见3-61Table3-6OperatingparametersoftheheatexchangersforScheme热流 冷流热流温度出口冷流温度出口1E-2E-3E-4E-56E-78E-物流 物流9物流 物流物 物流物流 物流物流 物流3-71Table3-7OperatingparametersoftheheatersforScheme温度出口温度E-E-3-81Table3-8OperatingparametersofthecoolersforScheme温度出口温度A-E-E-E-E-3-7~3-8（11kWkW25.1%（2）39352kW，原流程的热公用工46510kW17158kW15.4%。334679101C225312131516181927411 1296C71148℃ ℃85112 5328 428℃ 11614H389H6H74428H917202122232425263-81Figure3-8ThepracticalheatexchangernetworkofScheme已知该换热网络热物流夹点温度为132℃，冷物流夹点温度为112℃，由此夹点之上最大热回收网络设3-9Table3-9Conditionofthestreamsnearthepinch物流种 物流编（kW·℃-7热物 2冷物 8A夹点处物流匹配准则是要求在夹点以上NHNC，在该换热网络中热物流数NH=6，冷物流数NC=4，在进行物流匹配时，需对某一冷物流分流。观察表3-9发现热物流13、15、19的热容流率较小，冷物流中热容流率最553股，通1、2313、1519匹配。每个换热器的热负荷都等于355kW，83.7kW41.5kW。B1614热容流率相近，根据物流匹配的经验准414的热负荷——3345kW。C12A2的热容流率最大且2的热负荷——11708kW。D78CPHCPC6120kW3-9

物流CP值 热负荷

7

512197℃135513553

6

3

6

4

图3-9Figure3-9Thematchingofthestreamsnearpinch101082678388kW2026kW（215℃~144℃），剩余冷物流中除物流11A外，没有能与这两条物流匹配的物11A3B1011A5693kW；711A92521kW。C3(215℃~20℃)此时有两种方案：a受夹点温差n201611B换热，物3A，3B21换热；b允许小的n162133B11B3A11A的一股分流换3A11A11A11B11，物3A3B3ab

违背是可以允许的[49]。因选择方案b3B1111B1445kW；3A1211B3351kW16与21132749kW。2351413690kW。图3-10Figure3-10Themaxiumenergyrecover图3-10夹点之下最大热回收网络设3-103-10Table3-10Conditionofthestreamsnearthepinch物流种 物流编（kW·℃-2587A161415143397kWB夹点处的物流匹配准则要求在夹点以下CPHCPC3-10，冷物流之匹配（CPH=136.2kW·℃-1），但如果物流212BCPH=46.3+19.7+12.0+1.8=79.8，CPC=42.5+67.1=109.6，CPHCPC无法完成剩余物流的匹配，所以此处将物流12B分流。物流212B的一条分流1622651kW5与物流12B172252kW12B与两股物流换96℃。C8热容流率CPC=67.1kW·℃-17、13、15的热容流率之和CPH=46.3+19.7+12=78kW·℃-183股与这18、19、20185kW，79kW，4kW。3-11图3-11Figure3-11ThematchingofthestreamsnearpinchA通过换热器21物流9与物流11的热负荷1926kW；物流热器23换热，换热器负荷为物流5的热负荷806kW。图3-12Figure3-12Themaxiumenergyrecovernetworkbelowpinch最大热回收网络完整设图3-13Figure3-13Themaxiumenergyrecover冷公用工程用量为18762kW。荷为7837kW。消除物流5的分流，删除小换热器2和3，消除物流8的分流，删除小换热器19和207与物流517的57927k23热负荷增加至2131k；删除换热器18，物流8暂时放入一个热负荷为268k6kW。换热器17的热负荷变为927+120=1047kW。物流5上加热器的热负荷就变为了155-120=35kW，将这个小的加热炉删除，热负荷加到换热器1上。 =6742kW。小于夹点温差Tmin。图3-14Figure3-14Networkwithoutsplit153-152Figure3-15ThetheoreticalheatexchangernetworkofScheme222实际的3-163-11。3-112脱戊烷 戊烷 拔头2是可行的。2节能方案2实施后，流各换热器、加热器和冷却器的操作参数见表3-122Table3-12OperatingparametersoftheheatexchangersforScheme热流 冷流热流温度出口冷流温度出口1E-234E-56E-7E-3-122ContinuedfromTable3-12OperatingparametersoftheheatexchangersforScheme换热流 热流温度（℃）冷流温度 热负图中编 设备位

热流 冷流 出口 出口 89E-E-3-132Table3-13OperatingparametersoftheheatersforScheme温度出口温度E-E-3-142Table3-14OperatingparametersofthecoolersforScheme温度出口温度A-E-E-E-E-E-由表3-13~3-14可知（1节能方案2的流程模拟所得的冷公用工程量为kWkW32.0%（246510kW29141kW19.7%。3-162Figure3-16ThepracticalheatexchangernetworkofScheme本章小20℃，利用提取的物流数据，做出冷热组合曲36716kW18762kW。现有换热46510kW28556kW。热公用工程21.1%34.3%。由此，确定了节能目标。在现有换热网络的基础上，提出了节能方案1。利用夹点分析法，找需热公用工程量为39352kW，相对换热网络可节能15.4%；所需冷公用工程21398kW25.1%。在最大热回收网络的基础上，提出了节能方案2。从夹点处开始，分程量为37369kW，相对换热网络可节能19.7%；冷公用工程量为19415kW32.0%。精馏单元与过程系统的能量集4-1（a,b,c）QH,T=QH,MIN+(QBQH,T=QH,MIN+(QB-QH,TT 4-1(ab,c)Figure4-1(a,b,c)Positionofdistillationcompartmentin精馏单元的过程，QC,MIN和QH,MINQB取自夹点上方的过程物流或热统所需的热公用工程QH,TQH,MINQBQC，而冷公用工程量QC,TQC,MIN。图b再沸器热量QB取自夹点下方的过程物流，冷凝器的热量QC由夹点下方的某较低温度的冷物流或冷公用工程来提供，因此，整个系统所需的热公用工程QH,TQH,MIN，而冷公用工程量QC,TQC,MINQCQB。上为热阱，再沸器在夹点之上吸热QB，则系统的加热公用工程量就要增加QB，即QH,TQH,MINQB；夹点之下为热源，冷凝器放出热量QC，冷公用工程量就要增加QC，即QC,TQC,MINQC。或是冷却来实现节能目的是由精馏塔在过的位置决定的在图4（图41（c）中，系统的热公用工程用量分别为HTB,NBC和QH,TQB,MINQB此时进料预热，可减少再沸器热负荷QB，从而使总的热公用工系统的冷公用工程量QC,TQC,MINQCQB，此时通过进料冷却来适当的增大再1）只有在精馏塔内温度分布有突变的场合才可取：精馏塔进料板以上温度2）有相应温位的热源可供使用：增设中间再沸器，过要有低再沸连续重整装置能量集成节能研C101和汽4-14-2。4-1Table4-1Operatingparametersofrectifying塔顶温度塔顶压力塔底温度塔底压力进料量进料温度44-2Table4-2Theenergyconsumptionoftherectifying塔位塔位 设备及位初始温度目标温度热负荷964-3Table4-3Coldstreamdataofthe（kW·℃-128C4/C5F202F203F2044-4Table4-4Hotstreamdataofthe（kW·℃-47K201C4/C5最小最小冷公用工程℃度℃ 5000图4-2Figure4-2GroundCompositeCurveⅠofthe由上图可知，背景过程的夹点温度为240℃，最小热公用工程为24126kW，最小冷公用工程为15223kW。气提塔C102域表示C102，右侧为背景过程的总组合曲线，其中QB=3562kW，为C102塔底的QC=625kW，为C102塔顶的冷凝器热负荷。最小最小热公用Q最小冷公工程W程温℃度℃ 500010000150002000025000热流率4-3Figure4-3SepratedGroundCompositeC102在不26906kW14066kW。现对该塔进行节能优化，使最小冷热4-3，背景过程的总组合曲线中，料预热，背景过位移温度130℃至180℃的区间内，有较多能量可与塔集成（图4-3的阴影部分）。参考图4-3，将进料的温度设定为155℃，经模拟计算，1241551460kW的能量，这部分能量可完全由背0塔板0塔板对Figure4-4Temperaturedistributionof12再沸器热负优化塔的操作条件使塔自身所需能量降低：通常采用的方法是降低塔1024015512再沸器热负4-5Figure4-5Relationshipbetweenthepositionoffeedplateandtheheatloadof4-5C102Table4-5Energy-savingmeasuresof进料板位 进料温度 回流4-6C102Table4-6Energy-savingeffectafterchangingtheoperatingparametersof 4-7C1020----0----将改变操作条件后的气提塔C102加入到背景过，作为新的背景过程来4-612226118kW13304最小最小热最小冷公用工程用工程温℃度℃500010000150002000025000热流率4-6Figure4-6GroundCompositeCurveⅡofthe预分馏塔C101观察C101发现其进料为C102塔底物流和加氢裂化（HC）石脑油混合进料。耗的增加[63]。C102HC石脑油的馏程数据对比如下。4-8Table4-8Distillationrangeofthetwofeed020块板进料，初步确定将C102塔底物流改为从C10117块板进料，HC23块板进示C101，右侧为背景过程的总组合曲线，其中QB=5172kW，为C101塔底的再沸QC=3954kW，为C101塔顶冷凝器热负荷。温℃度℃ 50001000015000200004-7

30000Figure4-7SepratedGroundComposite改变塔在过的位置，使之合理：最常用的方法是改变压力。但是4-9C101Table4-9Energy-savingmeasuresof进料板位 回流

优化 优化 优化后优化后优化前优化后优化前优化HC

HCC102塔底物流混合第20

28块板进料，C102塔24

对改变操作条件的预分馏塔进行模拟，节能效果见表4-10，产品情况见表4-10C101Table4-10Energy-savingeffectafterchangingtheoperatingparametersof优化 优化优化 优化 yticaldataoftheproductsafterchangingtheoperatingparametesrsofC101塔底产品（重整原料油）馏程（℃）C101塔顶（轻石脑油）馏程0------将改变操作条件后的气体塔C101加入到背景过，作为新的背景过程来研究下一个塔与背景过程的热集成。新的背景组合曲线如图4-8。背景过程夹点最小最小热公用工程最小冷公用工程温℃度℃0 100001500020000热流率

4-8Figure4-8GroundCompositeCurveⅢofthe脱戊烷塔C201其中QB=4962kW，为C201QC=1184kW，为C201塔顶冷小热小热公用工程最小冷公用工程最温℃度℃0 100001500020000热流率

4-9Figure4-9SepratedGroundCompositeCurve观察图49，201与101的情况是类似的，都是塔夹点放置，不适合采景过程无法为进料预热提供热源，如提高进料温度，再沸器热负荷减小的同时，k。在此基础上，调整进料板位置及回流比，使产品符合生产要求，最终确定201的节能措施见表412。4-12C201Table4-12Energy-savingmeasuresof进料板位 进料温度 回流对改变操作条件的脱戊烷塔进行模拟，节能效果见表4-13，产品情况见表4-13C201Table4-13Energy-savingeffectafterchangingtheoperatingparametersof -4-14C2010------0------将改变操作条件后的脱戊烷塔C201加入到背景过，作为新的背景过程来研究下一个塔与背景过程的热集成。新的背景组合曲线如图4-10。背景过程夹kW最小最小热公用工程最小冷公用工程℃度温℃度 100001500020000热流率4-10

Figure4-10GroundCompositeCurveⅣoftheC4/C5分离塔C202其中QB=388kW，为C202QC=271kW，为C202塔顶冷凝最小最小公用工最小公用℃度温℃度 100001500020000热流率

30000

4-11Figure4-11SepratedGroundComposite观察图4114/5分离塔202夹点放置同102201该塔不适75125202415。4-15C202Table4-15Energy-savingmeasuresof进料板位 进料温度 回流4-16C202Table4-16Energy-savingeffectafterchangingtheoperatingparametersof -4-17C202Table4-17Distillationrangeoftheproductsafterchangingtheoperatingparametesrsof041212235188kk。最小最小公用工最小公用程℃度温℃度 1500020000热流率

4-12Figure4-12NewGroundComposite连续重整装置过程改变后换热网络节能研4-18Table4-18Streamdataaftertheprocess物物 物 初始温（kW·℃-12D1085C1028C101进料(HC石脑油C201C202C102C101F202F203F204C201C20246C1027C1029C101C101K2024-18ContinuedfromTable4-18StreamdataaftertheprocessC201C201C202C202对于石油炼制装置Tmin20~40Tmin为20℃。图4-12是连续重整装置过程改变后装置的总组合曲线图，由图中我们可以看出过程改变后，过程夹点温度为122℃。最小热公用工程量为35188W，最小冷量27535kW。进行换热网络改造的节能潜力为：热公用工程22.7%，冷公用工程274-13中。网络图描绘了流4-19~4-21所4-19Table4-19Operatingparametersoftheheatexchangeraftertheprocess热流温度冷流温度1E-2E-3E-4E-5E-6E-7E-8E-4-20Table4-20Operatingparametersoftheheateraftertheprocess温度出口温度---E-E- 4-21Table4-21Operatingparametersofthecooleraftertheprocess温度出口温度A-E-E-E-E- 517517℃260℃161℃4-13Figure4-13Theexchangernetworkaftertheprocess依据夹点设计三原则分析图4-13，可看出原流有明显的不合理的地方：夹点设计原则，共造成了10348kW的能量惩罚。对换热网络进行改造（原换热网络中，物流3与物流2通过换热器1进行换热，夹点之上的物流3加热了夹点之下的物流2，造成了夹点之上的热量输出和夹点之下的热量输入，有2651k的热量穿越了夹点。对换热网络进行改进：在夹点之上，仍通过换热器13将物流2由夹点温度加热至209物流12将物流2加热至夹点温度，这样此处不再有热量穿越夹点。物流7与物流5通过换热器2进行换热，有2143kW的热量穿越了夹点，同时物流5在夹点之下设置了1005kW10，物流4将物流5加热至89℃，换热量为2141kW；之后仍由物流7加热物流5，通过下降至1007kW。之下的物流14，有2722kW的热量穿越了夹点。对换热网络进行改进：在夹点之上，新加入换热器11，物流16先与物流21换热，换热量为2276kW，再通过换热合理的地方，造成了1915kW的能量惩罚。如继续进行改造，会使换热网络有较517517℃260℃161℃4-14Figure4-14Thetheoreticalremodifiedheatexchanger34-21。4-213脱戊烷 戊烷 拔头3是可行的。3节能方案3实施后，流各换热器、加热器和冷却器的操作参数见表4-213Table4-21OperatingparametersoftheheatexchangersforScheme热流 冷流热流温度出口冷流温度出口1E-2E-3E-4E-56E-7E-4-213ContinuedfromTable4-21OperatingparametersoftheheatexchangersforScheme热流温度冷流温度8E-94-223Table4-22OperatingparametersoftheheatersforScheme温度出口温度--E-E-4-233Table4-23OperatingparametersofthecoolersforScheme温度出口温度A-E-E-E-4-22~4-23可知（127535kW，319081kW3节约冷公30.7%（2kW337074kW8456kW18.6%214-153Figure4-15ThepracticalheatexchangernetworkofScheme132℃112℃，由此夹点之上最大热回收网络设4-244-24Table4-24Conditionofthestreamsnearthepinch℃℃（kW·℃-25A1614热容流率相近，根据物流匹配的经验准4-161143785kW。B夹点处物流匹配准则是要求在夹点以上NHNCCPHCPC。该装置NHNC12的热容流率最大，没有冷物流可与之匹配，需要将其分流。这NHNC5分流。将物流12分为ab两股，热容流率分别为73.6kW·℃-12.2kW·℃-1，物5分为c和d两股，热容流率分别为31.8kW·℃-111.9kW·℃-1。流股a与物211708kW，流股b与流股c350kW，流股d15129kW。C1319817138355kW191741kW4-16

物77b3a213151654119155℃22c3123℃45128℃16

热负1291298

图4-16Figure4-16ThematchingofthestreamsnearpinchA4-163B（215℃~144℃）（172℃~144℃）5（123℃~155℃）和11A（123℃~167℃）。受夹点温差Tmin=2011A分流与两11Ae61.8kW·℃-1f100.5kW·℃-17与流股e742kW3B与流股fB3B（125℃~156℃）10（172℃~155℃）及物流19（159℃~155℃）温位最低，可与之匹配的为物流11A（135℃~167℃）和8（128℃~144℃）。考虑到夹点温差Tmin=20198换热，8kW11Ag、hg1058.9kW·℃-1h3B103.4kW·℃-110匹配完全，物流11A换热至152℃。之后，3B依次与物流11A、11B换热，直至11B192℃。C3A11B3351kW3A匹配完全，物流11B2401211B换热，物流12匹配完全11B429℃。21176℃。11℃图4-17Figure4-17Themaxiumenergyrecovernetworkabovepinch夹点之下最大热回收网络设4-25Table4-25Conditionofthestreamsnearthepinch（kW·℃-258A161418143422kWB夹点处的物流匹配准则要求在夹点以下CPHCPC4-25，冷物流之匹配（CPH=136.2kW·℃-1），但如果物流212BCPH=19.7+11.7+1.8=33.2CPC=43.7+21.8+3.1=68.6CPHCPC法完成剩余物流的匹配，所以此处将物流12B分为h，i，jTmin=2012B962与12Bj192651kW5与流股h换热，201005kW17与流股i100kW。12B105℃。C根据夹点处的物流匹配准则CPHCPC8分为两股，分别与1315换热。受夹点温差Tmin=20131511813与流股j276kW与流股k29kW图4-18Figure4-18ThematchingofthestreamsnearpinchA剩余冷物流中，物流5温位最高（40℃~89℃），9与之匹配，换热量为2143kWB物流1与物流4匹配，换热量为1926kW；物流17与物流15匹配，换热量为137kW。图4-19Figure4-19Themaxiumenergyrecovernetworkbelowpinch最大热回收网络完整设61℃图4-20Figure4-20Themaxiumenergyrecover冷公用工程用量为17229kW。个换热器，换热量为14359kW，冷却器C的负荷由 ，换热器22的热负荷变为了305kW；删除热负荷仅为8kW的换热器10，热量加至换热器5，换热器5的热负荷变为343kW；此时换热器22和换热器5可合并为一个换热器，换热量为668kW，物流8被加热至129℃。步骤（1）中换热器3和21的删除，给物流5造成了共计1355kW的能量空缺为了减少小的换热器以及降低整个换热网络的复杂性此处允许小的Tmin违背，最终确定了换热器、和 kW，350kW和2360kW，161℃图4-21Figure4-21Networkwithoutsplit104-22图4-22换热网络改造前物流10Figure4-22TheConditionofStream10beforethereconstructionoftheheatexchanger88图4-23换热网络改造后物流10Figure4-23TheConditionofStream10afterthereconstructionoftheheatexchanger同时在对换热器进行核算及设计时，发现物流kW时，需要的换热器换热面积过大，因此，将换热量减小至13709kW161℃4-244Figure4-24ThetheoreticalheatexchangernetworkofScheme44对流程进行模拟，并对换热器重新编号，实际的换热网络栅4-254-25。4-254脱戊烷 戊烷 拔头可见改造后的换热网络产品馏程数据及产量与改造前相同，达到了产品要4是可行的。4节能方案4实施后，流各换热器、加热器和冷却器的操作参数见表4-264Table4-26OperatingparametersoftheheatexchangersforScheme图中编 设备位热流 冷流热流温度出口冷流温度热负荷出口1E-2E-3E-4E-56E-74-264ContinuedfromTable4-26OperatingparametersoftheheatexchangersforScheme热流 冷流热流温度出口冷流温度出口热负荷89E-E-4-274Table4-27OperatingparametersoftheheatersforScheme温度出口温度-E-E-4-284Table4-28OperatingparametersofthecoolersforScheme温度出口温度A-E-E-E-E-4-284ContinuedfromTable4-28OperatingparametersofthecoolersforScheme温度出口温度E-（1）kW36.6%（2kW10081kW22.1%。161℃4-254Figure4-25ThepracticalheatexchangernetworkofScheme本章小4-294-30。Table4-29Thesummaryoftheoptimizationtotheoperatingconditionsoftherectifyingtowers进料板位 回流 塔顶压力C102C102--

Table4-30Thesummaryoftheenergy-savingeffectoftherectifying 35188kW17229kW（精利用夹点分析法，对过程改变后（精馏塔集成后）的换热网络进行了337074k（精馏塔集成后18.6%1908130.7%。在最大热回收网络的基础上，提出了节能方案4。从夹点处开始，分别的最大热回收网络；对最大热回收网络进行调优处理，并在此基础上对物流10和物流11这两条特殊物流进行了修改，最终提出了节能方案4。该方案的热公用工程量为35449kW，相对于过程改变后（精馏塔集成后）的换热网络可节能23.6%17449kW36.6%。装置的原换热网络（精馏塔集成前46510kW，冷公用工程28556kW。相对换热网络，节能方案3热公用工程节能20.3%，冷公用工程节能33.2%；节能方案4热公用工程节能23.8%，冷公用工程节能节能方案1经济效益分相比原来的换热网络，节能方案1节省了7158kW的热公用工程和7158kW的冷公用工程，主要是节省了气，热蒸汽和冷却水用量，从而节省了操作费（1）气节约1后的加热炉F101和F201的F1013869kW1219kW，2650kW的能量。已知加热炉F10189.4%，节约的气热量=2650÷0.894=2964已知该气的低发热值为43411则节约的气质量=2964×3600÷43411=245.88400小时/每年节省的气质量=245.8×8400÷1000=2065吨节能方案1气节约情况，见表5-1表5-1方案1气节约情Table5-1TheconditionoffuelgasinScheme设 原流热负荷热负荷热负荷%热能

节约

节约节能方案1每年可节约气5372吨原换热网络中有两台使用热蒸汽为热源的加热器其中E-108热源为3.5MPa蒸汽，E-2091MPa1E-209的热负荷由388kW变成了120kW，减少了268kW，由模拟可知185℃的1.0MPa2002kJ/kg，2803.5MPa1860kJ/kg，1.0MPa蒸汽质量=268×3600÷2002=4828400小时/1.0MPa蒸汽质量=482×8400÷1000=4048吨15-2。5-21TableTable5-2TheconditionofinScheme热负荷热负荷热负荷 E-1.0MPa

11.0MPa404891中E-206的热负荷发生了变化，由3071kW变成了1148kW，热负荷减小了1923kW。模拟可知，68kJ/kg，节省的循环水质量=1923×3600÷68=1018068400小时/每年节省的循环水质量=101806×8400÷1000÷10000=85.5万吨15-3。5-31Table5-3TheconditionofcoolingwaterinScheme热负荷热负荷热负荷热负荷E-

2015元/吨，3.5MPa172元/吨，1.0MPa蒸汽价格162元/0.3元/吨。CS=11741在原换热网络的基础上增加了四台换热器，设备投资费用主要是5-45-55%Table5-4Thereferencepriceofmaterialsofequipmentin U U U U5-5Table5-5Thefabricatingcostofheatexchange12台25台310台换热 台530台640台750台1换热网络改造后的换热要求，需要换新换热器。节能方案1在原换热网络的基础上增加了四台换热器，编号为、、、，编号为9的换热器可以使用之前在换热网络改造过拆除的换热器E101A，编号为10的换热器可使4台换热器加入换热网络。5-61Table5-6ThedesignresultsofthenewheatexchangersinScheme图中编号设备位号

壳径换热面积

122622-321-2

5-71Table5-7ThecheckingresultsofthenewheatexchangersinScheme

(h·m2·℃

%16169----5-81Table5-8ThecostofthenewequipmentinScheme编号台（万元（万元（万元U11U69---1----1--15-81ContinuedfromTable5-8ThecostofthenewequipmentinScheme

编位 号

数量设备费用 （万元

（万元

（万元

1，可节省的总操作费用CS=1174万元设备的总投资费用CT=785万元I

0.67节能方案2经济效益分29141kW91415-9~5-10。表5-9方案2气节约情Table5-9TheconditionoffuelgasinScheme设 原流热负荷热负荷%0

节能方案

节约

节 5-102Table5-10TheconditionofcoolingwaterinScheme热负荷热负荷热负荷热负荷E-E-E-E-

2015元/0.3元/节省的总操作费用CS=（2015×7123+0.3×234.3×10000）÷10000=1506元节能方案2在原换热网络的基础上增加了五台换热器，编号为2、3、8、9、软件对节能方案2的换热器进行核算，发现在原有的换热器中，E104A，E204B10以使用之前在换热网络改造过拆除的换热器E101A编号为9的换热器可使用换热器E204B25台换热器加入换热网络。5-112122122222-223-118-22壳径换热面积管长管 折流板间5-122Table5-12ThecheckingresultsofthenewheatexchangersinScheme图中编号换热器位号

(h·m2·℃

%12-3-8-9--25-13。5-132Table5-13ThecostofthenewequipmentinScheme编号（台（万元（万元（万元U11U2-13-18-25-132ContinuedfromTable5-13ThecostofthenewequipmentinScheme

(元/吨

（台

（万元

（万元

（万元 2，可节省的总操作费用CS=1506万元设备的总投资费用CT=1208万元I

12080.80节能方案3经济效益计（1）气节约相比于最初的换热网络，节能方案3主要是节省了气、蒸气和冷却水用量，从而节省了操作费用。气的节约情况见表5-14。表5-14方案3气节约情Table5-14TheconditionoffuelgasinScheme设 原流位 热负荷

热负荷

%

节约原换热网络中有两台使用热蒸汽为热源的加热器其中E-108热源为3.5MPa蒸汽，E-2091MPa3的换热网络中，又新加了两台加1MPa蒸汽为热源。31MPa5-15。3.5MPa5-165-1531MPaTable5-15Theconsumeof inScheme热负荷热负荷-0-1.0MPa--0-1.0MPa-1.0MPa-

5-1633.5MPaTable5-16Theconsumeof inScheme原流 节能方案 能量变 蒸汽热值蒸汽变化热负荷热负荷3.5MPa5-173Table5-17TheconditionofcoolingwaterinScheme节约冷 节省水图中编 设备位(万吨/年E-E---E-03.5MPa元/吨，1.0MPa162元/节能方案3在原换热网络的基础上增加了三台换热器，编号为9、10和11。3的换热器进行核算，发现在原有的换热器中，E104A/B，E204B和E207换热网络改造后的换热要求，需要换新换热器。编号为10的换热器可以使用之前在换热网络改造过拆除的换热器E104A/B，编号为11的换热器可使用换热器E204B2台换热器变动4台换热器。5-183Table5-18ThedesignresultsofthenewheatexchangersinScheme图中编号设备位号

壳径换热面积

12262226429-11

5-193Table5-19ThecheckingresultsofthenewheatexchangersinScheme(h·m2·℃/壳 管余量12E-69---35-20。5-203Table5-20ThecostofthenewequipmentinScheme（台（万元（万元（万元U12U6U219-1 3，可节省的总操作费用CS=1681万元设备的总投资费用CT=1224万元I

12240.73节能方案4经济效益计（1）气节约相比最初的换热网络节能方案4主要是节省了气蒸气和冷却水用量，从而节省了操作费用。气的节约情况见表5-21。表5-21方案4气节约情Table5-21TheconditionoffuelgasinScheme设 原流位 热负荷

热负荷

%

节约(吨/年F--原换热网络中有两台使用热蒸汽为热源的加热器其中E-108热源为3.5MPa蒸汽，E-2091MPa4的换热网络中，又新加了一台加1MPa蒸汽为热源。31MPa5-22。3.5MPa5-235-2241MPaTable5-22Theconsumeof inScheme热负荷热负荷-0-1.0MPa-1.0MPa-

5-2343.5MPaTable5-23Theconsumeof inScheme热负荷热负荷3.5MPa

5-244Table5-24TheconditionofcoolingwaterinScheme节约冷 节省水图中编 设备位E-E-E---E---3.5MPa元/吨，1.0MPa162元/吨。CS=（2015×7167+172×24810-47、8、9、1011。设备投资费用主要是新增换热器的价格、换热器安装费用和管道费用。利2的换热器进行核算，发现在原有的换热器中，E102A/B余E102B9的换热器；E101、E101AE204B无法1011的换热器，E101AE1013台换热器变动位置，需要新5台换热器加入换热网络。5-254Table5-25ThedesignresultsofthenewheatexchangersinScheme图中编号设备位号

壳径换热面积管长

管程数壳程数

264256627-228-225-264Table5-26ThecheckingresultsofthenewheatexchangersinScheme

(h·m2·℃/

%257-8-9---45-27。5-274Table5-27ThecostofthenewequipmentinScheme（台（万元（万元（万元U21517-28-19---U 4，可节省的总