能量回收地換熱網(wǎng)絡設計

1、年產24萬噸丙烯睛項目一一附錄天津南港渤?；ぜ瘓F公司年產24萬噸丙烯睛項目附錄常州大學 Promising E&C 團隊胡蘭妹、張玲、馮飛揚、唐澤偉、笆濤實用文檔“東華科技一陜鼓杯”第十屆全國大學生化工設計大賽渤海化工集團24萬噸/年丙烯睛項目附錄設計單位常州大學石油化工學院設計團隊Promising E&C成員姓名胡蘭妹張玲馮飛揚唐澤偉指導教師黎珊 周永生 高曉新2016年7月20日標準文案目錄能量回收的換熱網(wǎng)絡設計34.1 概述34.2 工藝流股提取44.3 確定能量目標64.4 換熱網(wǎng)絡設計 74.5 熱泵精儲分析114.6 其他節(jié)能措施134.7 總結16能量回收的換

2、熱網(wǎng)絡設計4.1概述本項目是為母廠設計生產丙烯月青的分廠，運行操作成本是一個重要評價參數(shù)。原料的預 熱、產品精儲等都是非常耗能的過程，會消耗大量的公用工程。本項目采用丙烷一步氨氧化生產丙烯月青工藝， 該工藝由氨氧化合成工段、急冷吸收工段、 丙烯月青精制工段、乙月青精制工段、丙烷回收工段以及四效蒸發(fā)工段六個工段組成。流程中冷 熱物流均比較多，潛在的熱量可供回收，通過對換熱網(wǎng)絡的設計和優(yōu)化，可以盡可能地實現(xiàn) 流程內部熱量的集成和最大化利用，以減少公用工程的消耗，降低能耗。為此，我們運用Aspen Energy Analyzer V8.4 軟件來進行換熱網(wǎng)絡的設計，并且尋找可能節(jié)能的措施，以最大限度

3、 的降低成本。其主要步驟如下：1 .確定流程中需要換熱的冷流股和熱流股；2 .利用物流數(shù)據(jù)做出冷熱流股的溫始圖和總組合曲線圖（GCC;3 .確定最小傳熱溫差；4 .找出夾點及最小冷、熱公用工程用量；5 .構建優(yōu)化換熱網(wǎng)絡。本項目需要的冷公用工程，包括冷卻水和冷凍液，而熱公用工程主要用于流股的預熱及塔釜的再沸器加熱等過程。化工園區(qū)現(xiàn)有熱公用工程為0.23MP3 125c的低壓蒸汽蒸汽、0.9MP3 175c的中壓蒸汽以及4MPa 250c的高壓蒸汽三個等級的蒸汽，并可根據(jù)項目需要 提供不同品味的蒸汽。為了充分集成過程中的熱量，本項目采用了熱泵精儲技術。熱泵精儲充分利用了溫差小、 跨火點傳熱的精儲

4、塔，通過改變蒸汽溫位使原本不能換熱的流股有換熱的可能，從而提高了 可回收能量的比率，實現(xiàn)了較大程度的節(jié)能。通過熱泵精儲及熱集成技術，本項目節(jié)能128.55MW共需要冷公用工程129.4MW熱公用工程100.6MW實現(xiàn)了較大能量的回收利用。4.2 工藝流股提取部分可熱集成的過程流股的提取如下（加熱器名稱為原Aspen Plus初始編號）：表4-1工藝過程物流信息表（不含熱泵精儲）加熱器名稱進口溫度/ C出口溫度/C能量/kWE-0107525220-36690.04E-030116.307321953.51E-030250.00733569.06E-0303109.3320-30366.05E-

5、0304109.335-39536.70E-030571.7720-9396.88E-030668.5720-780.80E-040158.1865856.03E-040265.001051446.53E-0403105.0075-1401.06E-0501112.1155-810.38表4-2塔設備物流信息表（不含熱泵精儲）塔名稱加熱器位置進口溫度/c出口溫度/c能量/kWT0301BOTTOM109.32109.3367141.60T0302TOP89.0758.18-10818.43T0303TOP25.0212.21-15218.90T0303BOTTOM76.9476.9416959

6、.81T0401TOP25.4125.41-7393.42T0401BOTTOM99.6399.738120.21T0402TOP81.2681.22-1310.55T0402BOTTOM112.50151.263356.38T0403TOP69.7859.40-1481.53T0403BOTTOM163.74164.631615.034.3 確定能量目標將上述工藝流股信息輸入到 Aspen Energy Analyzer V8.4,選擇公用工程的類型及溫度, 對最小傳熱溫差進行經(jīng)濟評估，獲得總費用-最小傳熱溫差關系曲線如圖4-1所示。8匕 335 4D*ltlTtT.ln(CJrt-d. C

7、at t lader Tarstf圖4-1總費用與A Tmin關系曲線（不含熱泵精儲）選擇最小傳熱溫差為8C,得到組合曲線如圖4-2所示圖4-2組合曲線（不含熱泵精儲）由T-H圖可以看出，系統(tǒng)在較大的始值區(qū)間有較好的換熱潛力，通過軟件確定出火點溫 度，之后可進行物流之間的換熱匹配，根據(jù)火點原理，系統(tǒng)可以實現(xiàn)最大程度的熱量集成。 綜合考慮系統(tǒng)中物流換熱潛力、物流性質、以及物流輸送，即可進行物流之間的換熱匹配， 在物流間的換熱設計過程中，還需要考慮設備個數(shù)，以及由于換熱面積所產生的設備投資費 用。在設計完所有的物流間換熱后，其余的物流換熱則通過冷熱公用工程實現(xiàn)，進而完成整 個系統(tǒng)的全部換熱。從組合

8、曲線上我們可以得到我們熱集成所的能量目標；需要熱公用工程能量為42016.07kW需要冷公用工程能量為70835.34kW夾點溫度26.4 C、18.4 C。得到總組合曲線如圖4-3所示。Grand Composite Curvellnrhilpv (bfl.l圖4-3總組合曲線（不含熱泵精儲）依據(jù)上圖和所要換熱的流股數(shù)據(jù)，我們選取了選取了熱公用工程為： 4.0MPa的中壓蒸汽 和0.8MPa的低壓蒸汽。冷公用工程為：冷卻水和冷凍鹽水（-25 C）。選取合理的公用工程可 以降低公用總消耗量，從而減少能量浪費。4.4 換熱網(wǎng)絡設計換熱網(wǎng)絡的設計，自由度較大，所獲得的方案數(shù)目眾多，但是合理的換熱網(wǎng)

9、絡需要經(jīng)過 篩選與優(yōu)化。在設計換熱網(wǎng)絡時，需要考慮工藝流股換熱的可能性，最好還要將設備費用等 因素也考慮進去，以便獲得最為合理的換熱網(wǎng)絡。由軟件自動生成的網(wǎng)絡可能過于復雜，對 布管等均會帶來一定的困難，考慮到后期建設的合理性和便利性，我們對于一些不適當?shù)钠?配進行禁止，同時也禁止了長工段之間的換熱，如下所示：團由*西畫”1也讓!_拜 E-MHI± MEimIipRIhO-注注 10. tS n/WWOKCT L1XE引尸22 in E I £ PbUm? " ITME J O_n Q小 t?Trst.x仃 trtrrstlxIIATTrv 一.圖4-4禁止流股換熱

10、（不含熱泵精儲）為簡化換熱網(wǎng)絡，將從flow sheet中得到的流股分流設置為1或2。在Aspen EnergyAnalyzer V8.4給出的Design中選取其中最為經(jīng)濟且換熱面積較小的設計方案進行后續(xù)優(yōu)化 過程。設計方案如圖4-5所示：圖4-5優(yōu)化前的設計方案該換熱網(wǎng)絡的換熱器數(shù)目為35臺，按照最小換熱器臺數(shù)原則，還可以撤去若干臺換熱器。 該換熱網(wǎng)絡中有部分換熱器換熱面積很小，熱負荷也很小，可以刪去。當用多種公用工程換 熱時，可適當減少操作費，但會增加換熱器數(shù)目和設備費。比如在使用冷卻水和制冷劑冷卻 時，如果冷卻水冷卻的負荷較小，則可直接使用制冷劑，而不使用兩種公用工程，以節(jié)省一 臺換熱

11、器的設備費。換熱網(wǎng)絡中存在一個loop回路，在實際操作中，一般不能有l(wèi)oop回路的存在，故應該 刪去負荷或者換熱面積較小的換熱器，將其合并到換熱器，打破回路，減少換熱器數(shù)目。再 通過path通路來調節(jié)換熱量，使換熱器的熱負荷得到松弛，甚至減少換熱器的數(shù)目。另外， 相距較遠的物流間換熱會使管路成本增大，增加設備投資成本，且操作不穩(wěn)定，此類換熱器 需要刪除。經(jīng)過以上調節(jié)之后，最后獲得換熱網(wǎng)絡如圖 4-6所示。圖4-6優(yōu)化后的設計方案優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡所需換熱器數(shù)目為 29臺，包含6個流股熱量回收利用的換熱器，數(shù)目 減少且結構更為精簡，可回收熱量 95.5MW回收能量達29.3%。表4-3公用工程信息

12、表冷公用工程/MW熱公用工程/MW總計/MW直接公用工程176.9148324.9換熱網(wǎng)絡設計129.4100.6229.4能耗減少量/%26.832.029.3經(jīng)過優(yōu)化后，節(jié)能95.5MW共需要冷公用工程100.6MW熱公用工程129.4MW公用工程 均可由化工園區(qū)提供。根據(jù)優(yōu)化結果，參考實際情況，對流程進行了換熱的優(yōu)化，示例如下磔蹣!m收棍4。2。并用Prwn" *8。|聲“立專品空圖4-7更改換熱器E-0305的熱源4.5 熱泵精微分析在無熱泵精儲的情況下，組合曲線如下圖所示圖4-8無熱泵精儲條件下的組合曲線在12c左右存在平臺，通過分析知該平臺處為 T0503丙烷提純塔，塔頂

13、塔釜溫度差較小 且跨越火點，可以采用熱泵精儲技術。同時，從組合曲線上我們可以看到，夾點的兩側有因為物質汽化潛熱所造成的“熱平臺”， 使得過程可以回收的熱量很小。如果通過改變物質的汽化溫位，使得熱平臺的溫位發(fā)生變化， 就可以使兩平臺錯開，從而回收更大部分的熱量。結合以上兩點原因，我們設計了熱泵精儲的方式來進行有效的能量回收。當精儲塔的塔頂塔底溫度跨越火點的時候，如果進行熱泵精儲可以有效回收一部分能量， 從而使得冷熱公用工程用量均可以明顯減小，從而節(jié)約能量。其節(jié)能原理如圖。圖4-9熱泵在過程中的作用通過熱泵精儲，將功轉化為熱能，提升流股的溫度品味，使原本不能換熱的流股可以進行換熱，從而使得冷熱公用

14、工程的用量均有所減少。這樣，消耗少量電能（用于做功），節(jié)省大量的熱量與冷量，便可以有效節(jié)約能量。將T0503丙烷粗分塔塔底再沸器取消，直接引出塔底液相，通過減壓閥減壓降溫后進入 塔頂冷凝器吸熱蒸發(fā)，形成低壓氣態(tài)工質進入壓縮機壓縮升溫后，在返回塔釜做再沸熱源, 為了平衡丙烷壓縮機產生的多余的功，采用輔助冷卻器對壓縮機出口處的部分丙烷先進行冷卻，再返回塔底，從而維持塔的熱量平衡。其結構如下圖所示圖4-10塔釜液體閃蒸式熱泵精儲流程若不使用熱泵精儲，具塔頂冷卻能耗為 21.67MW塔底加熱能耗為21.00MW總能耗為 42.67MW使用熱泵精儲時，壓縮機電耗為 6.08MW輔助冷卻器冷卻能耗為6.3

15、3MW機械能 和電能是比熱能更高價值的能量形式，電熱轉換系數(shù)約為 3.29 ,故熱泵精儲總能為9.62MW 節(jié)省33.05MW總能耗節(jié)約77.4%。4.6 其他節(jié)能措施在急冷吸收工段中氨精儲塔設置了中間再沸器。中間再沸器是在塔釜和進料板之間，即在提儲段適當位置外設再沸器，將塔內下降液體 引出，加熱成氣相后再返回塔內；這樣中間再沸器就無須采用如同塔釜再沸器那樣高品位的 加熱介質，從而有可能使用品位和價格較低的熱源，節(jié)省了操作費用。此外，由于中間換熱 器的設置使得操作線更靠近平衡線，減小了蒸儲過程的可逆性，提高了熱力學效率。氨精儲塔的塔內溫度分布如下圖所示：圖4-11氨精儲塔溫度分布圖可見氨精儲塔

16、的塔頂溫度為25C,塔釜溫度為180C,兩段溫差較大，可采用中間再沸 器技術。在17-20塊板間有溫度梯度，可以在17-20之間設置中間再沸器，使用低壓蒸汽作 為熱源。為維持塔內正常操作，側線采出量定為800Kmol/h,采出位置通過設置多個塔進行比較， 得出結果如下表：表4-4各工況對比工藝參數(shù)基本工況工況1工況2工況3熱負荷/MW塔頂22.4123.4123.1922.91中間再沸器015.0015.0415.07塔釜23.009.028.768.44合計45.4147.4346.9946.42注：基本工況一不設置中間再沸器；工況 1第17塊板抽出，返回18塊板;工況2第18塊板抽出，返回

17、19塊板；工況3第19板抽出，返回20塊板；從表上數(shù)據(jù)可以看出3種中間再沸器工況的塔頂熱負荷均比基本工況要大，說明在板數(shù) 和分離要求相同情況下，中間再沸器的添加會導致回流比增加，或者在回流比不變的條件下， 必須增加板數(shù)才能達到同樣的分離要求。而且中間再沸器的位置愈靠近進料板，所需的回流 比就愈大，故在可能條件下，中間再沸器位置應當盡可能靠近塔釜。則采用在19塊板液相采出經(jīng)中間再沸器汽化后返回 20塊板的方案。得出前后蒸汽消耗 量與蒸汽成本比較如下：表4-5前后蒸汽消耗量與蒸汽成本項目普通氨精儲塔含中間冉沸器的氨精儲塔熱負荷/MW蒸汽用量/ （噸/小時）蒸汽單價（元/噸）蒸汽成本（元/小時）熱負荷/MW蒸汽用量/（噸/小時）蒸汽單價（元/噸）蒸汽成本（元/小時）中間再沸器-15.0726.041503906塔底再沸器23.0045.811758016.758.4416.811752941.75合計23.0045.818016.7546.4242.856847.75由表可知，蒸汽成本降低（8016.75-6847.75 ） 78016.75=14.6% 0圖4