換熱網(wǎng)絡(luò)分析與優(yōu)化

換熱網(wǎng)絡(luò)分析與優(yōu)化火點技術(shù)是英國l.innhonr教授萍A于70年代末提出的軼然網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化沒計介法.所來又逐步發(fā)展成為化「一過程綜合的〃法論u夾點技術(shù)是能鬲回收系統(tǒng)分析的m大突破,m年代以來夾電技術(shù)在歐洲.美國.日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家迅速得到推廣應(yīng)用.先已成功地應(yīng)用于各神匕業(yè)生產(chǎn)的連城和間歌工藝過程?咬用領(lǐng)域十分廣卸住世界答地產(chǎn)勺?一r巨大的經(jīng)濟(jì)效益，現(xiàn)如今，死點技術(shù)己廣泛用于實際生產(chǎn)裝置的用能分析以及對原有換熱網(wǎng)辯的改遣、重新設(shè)計等做L利用Asp知相關(guān)軟件，通過對實際生產(chǎn)架置的換熱流股數(shù)據(jù)詛行提取分析、再利用夾點技術(shù)，對換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，我尋出該換熱網(wǎng)絡(luò)的41瓶頸。采取相應(yīng)的新的換熱措施來解決這些"抽頸"向題’最終通過實際裝倒的運行操作驗證模擬結(jié)果的正確性神L對于新疆卜而言，可以降低操作成水3心娜，節(jié)10-20%：而避行老"改造時*可以降低操作成本"30%階叫夾點技木有三茶最基本的原姬上⑴史點之上不應(yīng)采用冷公用I程f火點之上子系統(tǒng)是個熱阱系healsink).熱公用.匚程向其輸入熱能?而沒有任何熱流流出:3)夾右之下小局采用熱公由1：程；爽點之卜『?系統(tǒng)是一-個熱源系統(tǒng)＜healsourceL由冷公用工牡'從系統(tǒng)中愕走熱能，而沒有任何熱流從外界流入：⑴不成穿過夾點讖虹左夾點處.兩手系統(tǒng)之間沒有熱流流血如果有熱流跨越夾點傳熱，則登加大公用工程浦u.夾點下方1J、夾點上方il111E7\IjiTL<L-J4MKRUNDOWNHRAT1HlIWPri-mf■、l1"1TEMP11I一也工藝翎流換熱1熱會用工程I.^B.」—L>J國幻夾點技術(shù)的溫格圖Fig.5.1Tcniptriiluruv*enthalpyofpinchtechnoIuii)圖5.1為夾點技術(shù)常用的溫靖圖＜T-H圖）圖中的紅線為熱復(fù)合曲穌籃維為冷復(fù)合曲線口將冷、熱欲合曲線之間的最小傳熱溫差稱為ATmin.Ifi]l/2ATmin處所對應(yīng)的溫度為死點溫度“冷熱曲線之間貢合的部分.即可以進(jìn)行內(nèi)部換熱的區(qū)間.也就是該換熱網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能潛力'夾點下方,沒有冷流股與之重合的熱流股需要用到冷公用工程.而夾點上方,沒有熱流股與之柬合的冷流股需要川到熱公用工程。在實際的工業(yè)流程中,并卅所有的換熱網(wǎng)絡(luò)均有夾點，只有那些既需要加熱公用工程、有需要冷卻公用「程的換熱網(wǎng)絡(luò)間題才存在夾點。而只需要…種公用工程的問題，稱為幽值問題,在構(gòu)建新的換熱網(wǎng)絡(luò)的時候，要秉承“高能高用、低能低用”的用能原則.輸入溫度最高的熱流般與輸出溫度散商的冷流股進(jìn)行換熱,輸入溫度最低的熱派股與輸出溫度最低的冷流股進(jìn)行換熱,這樣能夠達(dá)到能量的仃效利用,換熱網(wǎng)絡(luò)面積也可以達(dá)到這小tfl.這也是在進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)搭建的過程中要時刻謹(jǐn)記的原則之%運用全局的夾點分析,對整個流程的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行能吊現(xiàn)成.并充分考慮各個工段之間以及各個I：段與總的公用匚程之間的相互聯(lián)系C此方法可以更加明顯地減少操作費用和公用工程消耗，并已有實例對其進(jìn)行了驗證網(wǎng)°本文接卜來將通過運用AspenEnergyAnalyzer軟件來對流私，中涉及到的物流流股進(jìn)行換熱網(wǎng)站設(shè)計.構(gòu)建換熱網(wǎng)絡(luò)圖,3找沒有跨越夾點的物流內(nèi)部換熱，從而減少冷熱公用I擢的消耗，并對現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)中跨越夾點的傳熱方式進(jìn)行改進(jìn),從而達(dá)到節(jié)能的最終目標(biāo)㈣。5.1VDF牛產(chǎn)1：藝流群的換熱網(wǎng)絡(luò)分析通ilAspenenergyanalyzer對粘儒沒和壓縮段的物流流股進(jìn)行了換熱網(wǎng)絡(luò)分析.之我們可以通過對其LH圖的觀察，可以人概了解其節(jié)能的潛力，從而為換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計提供依據(jù)。卜隋為壓縮段和料儒段的物流T-H圖：CompositeCurvestoco—?000gtomA3)Watm-OU000inwK*WW?WEnthalpy(kW>圖S.2壓縮段和精搐段的物流T-H圖Fig.5.2l-Hofcompressionanddistillationcolume

巾于實際生.產(chǎn)中.所有需要冷卻和加熱的物流流股均采用冷熱公用工程來提供能V.并沒有物流流股的內(nèi)部換熱.通過圖5.2可以看出.流程中涉及到的冷熱物流流股在T-H圖上還姑有部分重合的，這部分可以進(jìn)行物流的內(nèi)部換熱，即為節(jié)能的潛力，但足重合的部分所占的比例并不大,絕大部分的冷熱流股都需要公用工程來提供必需的能成圖5.3無內(nèi)部換熱的換熱網(wǎng)絡(luò)圖Fig.5.3Healexchangenetworkwithoutinnerheatexchange圖5.4有內(nèi)部換熱的換熱網(wǎng)絡(luò)圖Fig.5.4Heatexchangenetworkwithinnerheatexchange通過軟件的RecommendedNear-optimalDesignsJ/j能，W以根據(jù)現(xiàn)仃的換熱流股，對流朽'中可柔取的流般內(nèi)部換妙給予建議.還會指出是否“跨越火點的傳熱°通過軟件給出的10種換熱結(jié)構(gòu)圖?對it些換熱方法進(jìn)行分析.最終得到了上述的有內(nèi)部換熱的

換熱陽絡(luò)圖?該換熱方法可以愁到最大限度節(jié)能的H的。通過計算可知I.該方法可節(jié)省熱公川丁程25.88%,冷公用I程22.73%HotStreamCF1-OUTIo3oHtfInlet8967CHolOutlet1314CDuty2945kWArea1765m2MIX-102HtfInlet8967CHolOutlet1314CDuty2945kWArea1765m2MIX-102CoMOurte*3542CoColdSheamToRebo4er@2ToT0^28Coldlnle<426C理#.?E-110圖5.5利用一級壓縮氣體流股對VDF精饞塔塔釜進(jìn)行加熱Fig.5.5HeatexchangebetweenthebottomofVDFdistillationcolumnandfirststagecompressedgasHotStreamCP2-OUT.To.1HNHo<InletM03CDuty6%3kWHolOutlet-101CAcea197m2MIXHo<InletM03CDuty6%3kWHolOutlet-101CAcea197m2MIX」02ColdOuiJet3542CColdInlet426CColdSheamToReboder-@2T_TO.2B??■E112}“￡.5.6HeatexchangebetweenthebottomofVDFdistillationcolumnandsecondstagecompressedgas表5.1新?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)的能耗計算lable5.1Consumptioncalculationofthenewheatexchangenetwork熱負(fù)荷冷負(fù)荷熱公用內(nèi)部換熱冷公用內(nèi)部換熱能耗kW28.509.88833.729.888節(jié)能%25.8822.73

GrandCompositeCurveTemperature(C)i88?882:J888888<^'oooooS?K)1000ISCO?0002500X>cn35ocEnthalpy(kW)圖5.7換熱網(wǎng)絡(luò)的總組合曲線圖FigS.7Grandcompositecurveoftheheatexchangenetwork5.2城小伐熱湍#ATmE的選取RangeTargets3-456DeltaTmin(C)230c003(￡so。)WQra-xopu二SooraoH22%00372089032lie0232熾332050033200c00319SOO3I906S318Sc00318Co003Tdai3-456DeltaTmin(C)(￡so。)WQra-xopu二SooraoHFig.5.8RelationshipofthetotalcostsandA在對換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計算分析的時依2\T心選擇非常重要。如果△Tmm選擇過大，則總的換熱而枳會減少，但是冷熱公用工程的川域會增大，此時設(shè)備費用少.操作費用則大：如果ATmin選擇過小，則冷熱公果工程的川火會減少，但是總的換熱而枳會增大,此時操作費用少,設(shè)備費川人。這樣就涉及到了ATmin的優(yōu)選問題，從而使徂操作贄用和設(shè)備賈用的總和jR小。從DTMIN處計算僉詁的最小溫差，計算了2°C到8%的，步差姑l°C0從圖5.8中可以看出，傳熱溫箜為6。。時的總費用最少.因此選擇ATin=6°C.總的來說，本堂節(jié)iffiilAspenPlus與AspenEnergyAnalyzer的接門，口幼實現(xiàn)了X寸AspenPlus的流程模擬姑果進(jìn)行相關(guān)流股數(shù)據(jù)抽捉，井逃行換熱網(wǎng)絡(luò)的自動生成，為本流程換熱網(wǎng)絡(luò)的分析頃尤化提供14及大的幫助。通過對流程的換熱網(wǎng)給分析.我們得知可以采取以下?lián)Q熱措施：可以利用級、.:級利用后的流股對精儒塔TII55再沸濟(jì)進(jìn)行加熱。該措施可節(jié)省熱公用I：程25.88%，冷公用工程22.73%。因此,此次換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化可以有效地節(jié)省冷熱公川工任的消此,達(dá)到了節(jié)能的H標(biāo)。本文主要運用AspenPlus流程模擬軟件，對某VDF單體生產(chǎn)裝置進(jìn)行模擬、分析與優(yōu)化，首次提出了對VDF裝置的改造方案，并利用AspenEnergyAnalyzer軟件對流程的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分析，提出了新的換熱網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到了節(jié)能減匏的目標(biāo)。通過對流程的模擬以及詳細(xì)分析，得到了以下結(jié)論：通過AspenPlus模擬軟件對VDF生產(chǎn)工藝的壓縮、冷脫以及梢饞工段進(jìn)行了模擬，并將模擬結(jié)果與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，兩者基本相符，有效地證明了模型的正確性及可參考性。還對模型所用的NRTL物性方法進(jìn)行了驗證，通過將Aspen模擬得到的一些主要組分的物性數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)果基本一致，證明了NRTL物性方法的正確性，并指出了使用其它物性方法(如SRK)的不合理性。通過對VDF工藝流程的壓縮段和精餡段的模擬計算，首次提出了針對此流程的改造方案。通過對流程的詳細(xì)分析，了解了C2H3F、C2H2CIF等雜質(zhì)在系統(tǒng)中的分布，分析了雜質(zhì)的累積對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和操作性的影響，首次提出“-?塔去除，兩塔臺并，側(cè)線除雜”的流程改造方案,即:去除VDF脫輕塔,中間槽的物料直接進(jìn)入VDF精饞塔：將142b脫輕塔和142b精循塔合并為一塔，塔頂采出VDF,塔上部側(cè)線采出C2H3F、C2H2CIF等雜質(zhì)，塔下部側(cè)線采出142b以用于原料的回收利用，塔底采出裂解過程產(chǎn)生的高沸物等。并根據(jù)模擬結(jié)果，去除了原有流程的塔頂物料回氣庫的I可路，減少不必要的循環(huán)。通過對VDF流程的分析，首次提出了第二種流程改造方案，即：塔粗分、兩塔分別精餛”的流程改造方案，即先通過一個精餡塔對中間槽的物料進(jìn)行粗分，將VDF和142b分離，塔頂采出VDF,塔釜采出142b,之后分別對塔頂和塔釜的物料進(jìn)行料俺，其中一塔的塔頂采出高純度的VDF產(chǎn)品，塔釜采出輕組分雜質(zhì)，另一塔的塔頂采出142b,塔釜采出高沸物。通過模擬分析，驗證了此方案的可行性。針對實際生產(chǎn)過程中，裂解氣的組成有時會處在波動的狀態(tài)，并不是穩(wěn)定不變的。在裂解過程中，142b裂解不完全，或者裂解過程產(chǎn)生了更多的副產(chǎn)物，這時就需要根據(jù)裂解氣的組成來調(diào)整后續(xù)過程尤其是精t留段的操作參數(shù)，從而保證產(chǎn)品的純度以及未反應(yīng)原料的回收率。本文就不同的裂解氣組成，根據(jù)產(chǎn)島要求，對精簡過程的部分操作參數(shù)進(jìn)行更改，使得產(chǎn)品的純度符合要求，從而證明了此精餡流程的通用性和靈活性。對改造后的流程進(jìn)行了操作參數(shù)優(yōu)化，通過靈敏度分析，對精懈塔塔頂采出量、進(jìn)料位置以及操作回流比等參數(shù)迸行模擬分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：對于精簡塔T1I55,塔頂采出量可由I00kg/hr增至H2kg/hr,從而避免了12%的VDF-直在流程中循壞而損耗不必要的能缺；TII55的進(jìn)料板位置由第95塊板調(diào)整為第40塊板，可以在不增加能耗的情況下進(jìn)一步提高產(chǎn)品VDF的純度。通過對T1I55回流比的分析，發(fā)現(xiàn)TI155的摩爾回流比大于2以后，塔頂采出的VDF產(chǎn)品的純度己經(jīng)符合要求。對于精儒塔TI157(側(cè)線除柴塔)：進(jìn)料位置由第50塊板改為第70塊板，可以更好地將C2H2CIF與VDF和142b分離，側(cè)線除雜效果更顯著;當(dāng)例線采出量超過l.4kg/hr時，雜質(zhì)的脫除率可以達(dá)到95%以上：通過對合并后的側(cè)線除雜塔與原先兩個精餌塔的能耗進(jìn)行比較，可節(jié)省冷公用工程66.5%,熱公用工程66.9%；另外，還通過增加壓力，使得塔頂冷凝溫度不至于太低，解決了塔頂冷凝溫度過低的問題。(6)通過AspenPlus與AspenEnergyAnalyzer的接I」，可以自動實現(xiàn)對AspenPlus的流程模擬結(jié)果進(jìn)行相關(guān)流股數(shù)據(jù)抽提，并進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)的自動生成，為本流程換熱網(wǎng)絡(luò)的分析與優(yōu)化提供了極大的吊助。迪過對流程的換熱網(wǎng)絡(luò)分析，得知可以采取以下?lián)Q熱措施：可以利用一級、二坂壓縮后的流股對精情塔T1155再沸器進(jìn)行加熱。該措施可節(jié)省熱公用工程25.88%,冷公用工程22.73%。附錄附錄I：改造前后的VDF生產(chǎn)工藝流程圖原VDF生產(chǎn)工藝流程圖改造方案2的VDF生產(chǎn)工藝流程圖

附錄II:設(shè)備一覽表華東理工大學(xué)化丁學(xué)院工程名稱VDI設(shè)備一覽表序號流衿圖位號名稱溫好C壓力/MPa回流比備注1.V1I51原料大槽?0.4出料壓力為0.4MP&2.EI150142b汽化器?一將液化后的142b汽化3.VI152142h緩沖器■■汽化后的142b入緩沖器4.FII5I裂解爐70050?！隹展芰呀?.EI170立式急冷器-*將裂解氣溫度降至7(TC以下6.EI171冷卻器■7.SI151過濾器■?濾除裂解氣中的同體顆粒，如成黑等8.SH52降煥吸收器■?去除大部分的HCI9.TI152水洗塔■去除剩余的HCI10.T1153誠洗塔■?去除殘留的酸性物質(zhì)II.SII53氣液分離器?一將氣體中夾帝的域液回流以循環(huán)使用12.VI157常壓氣摩250.10貯存處理后的裂解氣13.C1152-)一級壓縮-0.35-將處理后的裂解氣如壓，準(zhǔn)備進(jìn)入加壓精惘段14.E1I52一爆冷脫00.35脫除裂解氣中的大部分水分15.EII53一級冷脫-200.35脫除部分未參與反應(yīng)的142b16.C1152-2一?級壓縮一1.38進(jìn)一步對?物料流股加低17.EII54中冷器-161.38冷卻物料18.VI160中間槽-161.38儲存即埒進(jìn)入精朔塔的液體物料19.T1I54VDF脫氣塔T-2411.15010脫險比VDF輕的組分B-211.15320.TI155VDF精靖塔T-31.20.9405塔頂?shù)玫疆a(chǎn)品B40.90.94221.TI156142b脫輕塔T-41.50.65025脫除沸點介于VDF4142b之間的組分BF.70.65022.TI157142b精5T0.40.20010俐線采出142b,回到原料槽B13.90.20423TII55*VDF精煙塔7-31.20.9405塔頂?shù)玫疆a(chǎn)品VDI-B35.40.94224TII57*側(cè)攻除雜塔T-32.60.90060塔頂回收VDF;側(cè)線采出雜質(zhì)流股；側(cè)線回收142b:塔釜采出有沸物余質(zhì)4.30.903142b61.60.905B78.50.906aa：tii55\Til”?為很代改也而的粘帝埠

華東理工化工學(xué)浣工程名稱VDF物流一覽表（溫度、壓力、組成）物流號溫度°C壓力bar流量kg/hr質(zhì)房組成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物流一覽表?2（方案1）華東理工化工學(xué)院工程名稱VDF物流一覽表（溫度、壓力、組成）物流號溫度°C壓力bar流量kg/hr質(zhì)量組成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