化工设计竞赛5能量集成及换热网络设计Word格式文档下载.docx
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12.81
-20
5172.55
0307To0308
E0302
24.75
165
19456.97
0312To0313
E0303
170.00
10
26062.06
0316To0317
E0304
201.14
15
1657.38
0329To0330
E0305
17.25
120
398.84
0402To0404
E0401
149.60
5
9037.89
表2-2塔设备物流信息表（不含节能措施）
塔位号
换热器类型
进口温/℃
负荷/（KW）
T0201
Condenser
-24.88
-44.53
2635.21
T0401
167.03
149.59
8463.84
T0403
225.89
-51.27
24664.93
T0405
58.22
-2.05
711.92
T0406
Reboiler
71.89
175.40
30739.44
第三章原始工艺流股的能耗分析
在AspenEnergyAnalyzerV10中评估了最小传热温差对系统经济性的影响，获得系统总费用与最小传热温差的关系曲线如图3-1所示。
图3-1总费用-最小传热温差关系曲线图（不含节能措施）
由图3-1可以看出，传热温差为17℃时总费用最小，因此选取最小传热温差为17℃。
在此最小传热温差下的过程组合曲线见图3-2，总组合曲线如图3-2所示。
图3-2过程组合曲线图（不含节能技术）
图3-3优化前的总组合曲线图（不含节能技术）
由图3-2所示的组合曲线表明工艺流股中所有热流股和冷流股的换热量及温位要求。
除了上述工艺流股的换热任务外，本系统中还有反应器R0301、R0302有换热要求，可以选用公用工程或工艺流股来实现。
其中，平推流反应器R0301反应放热，反应温度为160℃-180℃，由图3-3的总组合曲线可知，系统中没有合适的热工艺流股可以利用，所以使用冷公用工程冷却水对R0301进行换热。
对反应器R0302的放热可进一步利用，以减少热公用工程用量。
第四章工艺流程的改进
由图3-2的组合曲线可以看出，夹点附近存在较长的平台区，经分析可知，蓝色线的冷流体平台一部分表示乙烯精制精馏塔T0203塔底再沸液体蒸发过程的相变热，红色线的热流体平台一部分表示醋酸乙烯酯脱重塔T0406塔顶蒸汽冷凝过程的相变热，若增加T0203塔压后，T0406塔顶气体温度升高，可作为T0203塔底再沸器的热源进行换热，实现相变潜热的多效利用。
平台区一部分是溶剂回收塔T0404塔顶及塔底的相变热，而且T0406塔顶、塔釜温度差为3.6℃，该塔可以通过热泵技术提高塔顶流股温位，用以加热塔釜流股，增加系统内部换热量，减少公用工程的消耗量。
加入热泵精馏后，在ASPEN中重新模拟全流程，得到新的流股信息（物流号及设备位号参考见表4-1和表4-2
表4-1工艺过程物流信息表（含节能措施）
加热器/换热器名称
0105To0107
2634.47
0109To0110
162.30
93.66
2634.471
0206To0209
-93.84
7.32
2737.09
0207To0210
E0202
5173.86
0304To0305
62.25
13968.84
0309To0310
170
26061.89
19.09
70
4452.62
0324To0326
E0308
17.24
398.83
0336To0337
66.63
721.27
0403To0406
E0402
9037.78
0408To0409
21
364.84
表4-2塔设备物流信息表（含节能措施）
热负荷/（KW）
T0102
159.86
6047.28
27.12
39.43
1092.77
T0202
-88.16
2222.66
8463.59
247.90
-49.63
26336.17
53.19
-13.16
706.91
81.06
229.78
27503.54
对最小传热温差进行经济评估，得到新的总费用-最小传热温差关系曲线，见图4-1。
图4-1总费用-最小传热温差关系曲线图（含节能技术）
可以看出，随着最小传热温差的增大，总费用先减小后增大。
选择总费用最小时的最小传热温差：
14℃。
将最小传热温差设为14℃，可以得到热集成过程的能量目标：
图4-2过程的能量目标
由上图可以看出，
理论上最少需要热公用工程能量为：
3.973×
107kJ/h=11036.1kW
理论上最少需要冷公用工程能量为:
1.193×
108kJ/h=33138.8kW
夹点温度为：
热流股27.5℃；
冷流股17.5℃
得到优化后的过程组合曲线图及总组合曲线图：
图4-3过程组合曲线图（含节能技术）
图4-4总组合曲线图（含节能技术）
通过对组合曲线进行分析，可以得出流程内部换热后，需要达到的最高温度在180℃，由保持反应器温度的热公用工程中压蒸汽进行加热，其他使用蒸汽进行加热，同时为了节约成本，应该使用多种品味蒸汽以降低高品位蒸汽消耗，因此我们热公用工程125℃的低压蒸汽、175℃的中压蒸汽。
需要达到的最低温度为-60℃，因此需要采用低温冷冻剂，其他使用循环冷却水及空气冷却即可。
第五章热网络设计
换热网络的设计，自由度较大，所获得的方案数目众多，但是合理的换热网络需要经过筛选与优化。
在设计换热网络时，需要考虑工艺流股换热的可能性，最好还要将设备费用等因素也考虑进去，以便获得最为合理的换热网络。
在AspenEnergyAnalyzerV9.0给出的Design中选取其中最为经济且换热面积较小的设计方案进行后续优化过程。
设计方案如图5-1所示：
图5-1设计方案图
分析比较10种Design的TotalCost，综合考虑所需费用以及换热面积，选用Design6进行后续的优化过程。
未优化前的换热网络：
图5-2未优化前的换热网络
按照最小换热器台数原则，还可以去若干台换热器。
当用多种公用工程换热时，可适当减少操作费，但会增加换热器数目和设备费。
比如在使用冷却水和制冷剂冷却时，如果冷却水冷却的负荷较小，则可直接使用制冷剂，而不使用两种公用工程，以节省设备费。
换热网络中存在loop回路。
图5-3loop回路图
图5-4loop回路图
在实际操作中，一般不能有loop回路的存在，故应该删去负荷或者换热面积较小的换热器，将其合并到其他换热器，打破回路，减少换热器数目。
再通过path通路来调节换热量，使换热器的热负荷得到松弛，另外，相距较远的物流间换热会使管路成本增大，增加设备投资成本，且操作不稳定，此类换热器也需要删除。
经过以上调整，将换热网络优化为：
图5-5优化后的换热网络图
第六章热泵技术分析
在无热泵技术的情况下时，组合曲线如图6-1所示。
图6-1组合曲线（不含节能措施）
由图可以看出，在0℃左右存在平台区且热量较大，经分析可知，该平台处有一部分为醋酸乙烯酯常压分离塔（T0406），塔顶塔底温差为3.6℃，且存在较大的相变热，可以采用热泵技术。
如果通过改变物质的汽化温度，使两平台“错开”，从而回收更多的能量。
结合以上两点原因，我们设计了热泵蒸发的方式来进行有效的能量回收。
通过热泵蒸发，将功转化成热能，提高流股的温位，使原本不能换热的流股可以进行换热，从而减少公用工程的用量。
这样，消耗少量电能（用以做功）便可以节省大量的冷量与热量，从而节能。
将醋酸乙烯酯常压分离塔T0406的冷凝器取消，直接引出塔顶气相，通过压缩机加压，使得塔顶气相的温度提高一个等级，作为热源至塔釜再沸器换热，放出热量冷凝部分气体，再经节流阀减压降温，由于醋酸乙烯酯产品纯度要求，故在节流后继续通过较为经济的二次冷凝，用公用工程降温至73.2℃，从而得到符合产品的要求的醋酸乙烯酯，一部分液体回流至塔内进行再次分离。
塔釜则在换热过程中已经达到再沸负荷的要求，其结构如图所示：
图6-2塔顶气体压缩式热泵精馏流程图
表6-1有无热泵技术对比表
项目
无热泵技术
热泵技术
塔顶冷凝能耗（kW）
28285.43
1913.22
塔底再沸能耗（kW）
30529.69
336.32
总能耗（kW）
58815.12
166.551
由上表可知，考虑压缩机做功和冷却器能耗，热泵技术比无热泵技术节省热泵技术节省冷耗98.8%，节省热耗93.7%，总的节约能耗为96.17%。
第七章节能技术利用总结
使用优化前后、热泵技术前后的组合曲线如下所示:
图7-1组合曲线（不含节能措施）
图7-2组合曲线（含节能措施）
比较两图可知，在未优化换热网络、未使用热泵技术时，理论上最少需要热公用工程11036.1kW，冷公用工程33138.9；
在优化换热网络、使用热泵技术后，理论上最少需要热公用工程9019.4kW，冷公用工程25570.3kW。
理论减少热公用工程18.27%，冷公用工程22.83%。
可见优化换热网络、使用热泵技术可以通过改变组合曲线的温位，改变组合曲线热平台，实现更大程度的热回收，实现节能。
第八章总结
在该换热网络中，公用工程使用情况如表8-1所示：
表8-1该换热网络公用工程信息表
热公用工程/kW
冷公用工程/kW
总计/kW
直接公用工程
（优化前）
11036.1
33138.9
44175
换热网络设计
9019.4
25570.3
34589.7
能耗减少量/%
18.27
22.83
21.69
本项目所使用的冷公用工程为：
空气、循环冷却水、-25℃冷却剂（液态丙烯）、-40℃冷冻剂（液氨）和-65℃冷冻剂（乙烷）；
所使用的热公用工程为：
400℃的热油、125℃的低压蒸汽、175℃的中压蒸汽0℃的高压蒸汽。
公用工程均可由厂区公用工程站和冷冻站提供。
综合考虑R0301、R0302使用的公用工程，本项目公用工程明细如表8-2所示：
表8-2本项目公用工程明细表
公用工程
出口温度/℃
介质
负荷/kW
Hotoil
400
280
热油
980.85
MPSteam
175
174
中压蒸汽
9117.3644
LPSteam
125
124
低压蒸汽
3127.345
HPSteam
250
249
高压蒸汽
CoolingWater
20
25
冷却水
5301.733
Air
30
35
空气
187.7087
Refrigerant1
-25
液态丙烯
770.8333
Refrigerant2
-40
-39
液氨
306.3056
Refrigerant3
-65
-60
乙烷
8070.222
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