年產(chǎn)6萬噸超高分子量PMMA項(xiàng)目設(shè)計(jì)
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年產(chǎn)6萬噸超高分子量PMMA項(xiàng)目 能量回收的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
目錄
能量回收的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 3
一、概述 3
二、工藝流股提取 5
三、確定能量目標(biāo) 5
四、換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 9
五、HIDIC熱耦合塔 11
六、總結(jié) 13
能量回收的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
一、概述
在大型化工過程中，存在大量需要換熱的流股，一些物流需要被加熱，一些物流需要被冷卻。為提高能量利用率，節(jié)約能源與資源，需要進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，優(yōu)先考慮系統(tǒng)中各流股之間的換熱，各流股與不同公用工程之間的匹配，以實(shí)現(xiàn)最大限度的熱量回收，盡可能提高過程的熱力學(xué)效率，實(shí)現(xiàn)更好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
本項(xiàng)目是為總廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)PMMA的分廠。本項(xiàng)目采用異丁烯直接甲基化法的工藝，由MAL合成精制工段、MMA合成精制工段、MMA本體聚合工段三個工段組成。原料預(yù)熱和產(chǎn)品分離等都是非常耗能的過程，流程中冷熱流股均較多，潛在熱量可供回收，通過對換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，以盡可能地實(shí)現(xiàn)流程內(nèi)部熱量的集成和最大化利用，以減少公用工程的消耗，從而減少能耗。為此，我們運(yùn)用Aspen Energy Analyzer V7.2來進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，并尋找可能節(jié)能的措施，以最大限度地降低成本。
本項(xiàng)目需要的冷公用工程包括冷卻水、冷凍鹽水和脫鹽水，需要的熱公用工程包括低壓蒸汽和高壓蒸汽，可由園區(qū)提供。
為充分集成過程中的能量，本項(xiàng)目采用了內(nèi)部熱集成精餾塔的節(jié)能措施。熱耦合精餾充分利用了精餾段塔壁，具有較大熱平臺的精餾塔，通過改變流股溫位使原本不能換熱的流股存在換熱的可能，從而提高能量利用率。
在分離方案對比中，我們將HIDiC與普通精餾塔的能耗進(jìn)行了對比，結(jié)果如下：
圖1-1甲醇水普通精餾塔熱負(fù)荷
圖1-2采用HIDIC熱耦合塔熱負(fù)荷
圖1-3 HIDIC板間耦合熱量
如圖所示通過上述節(jié)能措施及熱集成技術(shù)，本項(xiàng)目中HIDIC節(jié)能6.526Gcal/h，采用熱耦合后的能耗為普通精餾能耗的60.2%，綜合節(jié)能39.8%。共需要冷公用工程11.6MW，熱公用工程10MW，實(shí)現(xiàn)了較大程度的能量回收利用。
二、工藝流股提取
工藝流股提取如下：
表2-1 工藝過程物流信息表（不含HIDiC精餾塔）
物流
進(jìn)口溫度℃
出口溫度℃
熱負(fù)荷KJ/h
103_To_109
86.2
277.0
3924370.0
102_To_111
389.0
80.0
6713700.1
112_To_113
120.0
40.0
6338432.3
To Reboiler@T0203_TO_208
99.5
100.0
7942691.4
To Condenser@T0203_TO_207
62.8
50.2
7023243.6
To Reboiler@T0102_TO_125
91.1
97.0
969035.9
To Reboiler@T0205_TO_221
114.3
114.8
7215901.0
To Condenser@T0205_TO_222
54.5
54.0
7850092.9
To Condenser@T0103_TO_130
55.7
44.9
680129.6
To Reboiler@T0103_TO_132
62.6
65.1
1022687.7
Q-Decanter from Stage 2@T0103
55.7
56.2
0.0
R0201A_heat
21.1
50.0
7327874.9
S0101_heat
40.0
40.5
68983.0
三、確定能量目標(biāo)
將上述工藝流股信息導(dǎo)入Aspen Energy Analyzer V7.2中，選擇適宜的公用工程，在能量分析器中，對最小傳熱溫差進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評估，獲得總費(fèi)用—最小傳熱溫差曲線如圖3-1所示：
圖3-1 總費(fèi)用-最小傳熱溫差曲線（不含HIDiC精餾塔）
選擇最小傳熱溫差為15℃，得到組合曲線如圖3-2所示：
圖3-2 組合曲線（不含HIDiC精餾塔）
圖中存在較大平臺區(qū)，一部分是精餾塔塔頂塔底的相變熱，可以通過HIDiC精餾技術(shù)提高精餾段溫位，增加系統(tǒng)內(nèi)部的換熱量，減少公用工程的使用。其中甲醇水精餾塔T0205塔頂塔底溫差為7℃，且存在較大的相變熱，可以采用HIDiC精餾。在Aspen中重新模擬流程，導(dǎo)入Aspen Energy Analyzer V7.2中，得到新的流股信息，如表3-1以及表3-2所示：
表3-1 工藝過程物流信息表
物流
進(jìn)口溫度℃
出口溫度℃
熱負(fù)荷KJ/h
103_To_109
86.2
277.0
3924370.0
102_To_111
389.0
80.0
6713700.1
112_To_113
120.0
40.0
6338432.3
To Reboiler@T0203_TO_208
99.5
100.0
7942691.4
To Condenser@T0203_TO_207
62.8
50.2
7023243.6
To Reboiler@T0102_TO_125
91.1
97.0
969035.9
To Reboiler@T0204A_TO_214
97.7
98.9
22542811.3
To Condenser@T0204B_TO_215
89.5
87.4
28216253.9
To Reboiler@T0205_TO_221
114.3
114.8
7215901.0
To Condenser@T0205_TO_222
54.5
54.0
7850092.9
To Condenser@T0103_TO_130
55.7
44.9
680129.6
To Reboiler@T0103_TO_132
62.6
65.1
1022687.7
Q-Decanter from Stage 2@T0103
55.7
56.2
0.0
R0201A_heat
21.1
50.0
7327874.9
S0101_heat
40.0
40.5
68983.0
在Aspen Energy Analyzer V7.2的能量分析器中，對最小傳熱溫差進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評估，獲得總費(fèi)用—最小傳熱溫差曲線如圖3-3所示：
圖3-3 總費(fèi)用—最小傳熱溫差曲線（含HIDiC）
為保證換熱面積不會過大，最小傳熱溫差取15℃，組合曲線如圖3-4所示：
圖3-4組合曲線（含HIDiC）
分析組合曲線我們可以得到系統(tǒng)熱集成的能量目標(biāo)：
? 冷公用工程11.6MW
? 熱公用工程10MW
? 系統(tǒng)的冷公用工程能耗較大
? 夾點(diǎn)溫度為106.12℃、91.12℃
? 得到總組合曲線如圖3-5所示：
圖3-5 總組合曲線（含HIDiC）
對曲線以及工藝流股的溫位進(jìn)行分析，選用公用工程如表3-3所示：
表3-3 公用工程選用表
公用工程
進(jìn)口溫度/℃
出口溫度/℃
LP Steam
125
124
HP Steam
300
299
Air
30
35
Cooling Water
20
30
Refrigerant 1
-25
-24
HP Steam
250
249
四、換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)自由度較大，獲得的方案也較多，但合理的換熱網(wǎng)絡(luò)需要經(jīng)過篩選與優(yōu)化。在設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要考慮流股換熱的合理性，以節(jié)能綜合經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。在Aspen Energy Analyzer V7.2給出的design中選取其中最為經(jīng)濟(jì)且換熱面積較小的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化，設(shè)計(jì)方案如圖4-1所示：
圖4-1 優(yōu)化前的設(shè)計(jì)方案
該換熱網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)的較為繁瑣，公用工程換熱器有16臺。依據(jù)最小換熱器原則，可以撤去若干臺換熱器，該設(shè)計(jì)方案中有部分換熱器換熱面積很小，熱負(fù)荷也很小，可以刪去。當(dāng)一流股與多種公用工程進(jìn)行換熱時(shí)，可適當(dāng)減少操作費(fèi)，但會增加換熱器數(shù)目和設(shè)備費(fèi)。比如一流股先后使用冷卻水和冷劑制冷時(shí)，如果冷卻水冷卻的負(fù)荷較小，則可直接使用冷劑制冷，以節(jié)省一臺換熱器的設(shè)備費(fèi)。
換熱網(wǎng)絡(luò)中存在較多回路，換熱網(wǎng)絡(luò)中一般不允許回路的存在，可以刪去負(fù)荷或換熱負(fù)荷較小的換熱器，將其合并到回路中其他的換熱器，打破回路，減少換熱器數(shù)目，再通過路徑進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)松弛。
另外，相距較遠(yuǎn)的物流間換熱會使管路成本增加，增加設(shè)備投資，且操作不穩(wěn)定，此類換熱匹配需刪除。
經(jīng)以上調(diào)節(jié)優(yōu)化后，最終的優(yōu)化方案如圖4-2所示：
圖4-2 優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案
優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)所需換熱器臺數(shù)為17臺，包括5個流股熱量回收利用的換熱器，數(shù)目減少且結(jié)構(gòu)更為精簡，公用工程負(fù)荷如表4-1所示：
表4-1 公用工程對比表
項(xiàng)目
冷公用工程/MW
熱公用工程/MW
總計(jì)/MW
直接公用工程
15.07
13.45
28.52
換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
11.6
10.0
21.6
能量減少量/%
23.1
25.7
24.3
經(jīng)過優(yōu)化后，節(jié)能6.92MW，需要冷公用工程11.6MW，熱公用工程10MW。需要的冷公用工程包括冷凍水和冷凍鹽水，需要的熱公用工程包括低壓蒸汽和高壓蒸汽，可由園區(qū)公用工程站和本廠廢熱鍋爐提供。
五、HIDIC熱耦合塔
在常規(guī)精餾塔中熱量由再沸器引入再由冷凝器排出，大部分的能量損失在諸
如塔的壓降以及通過換熱器的溫差上，只有少部分能量用于減小產(chǎn)品的熵。而HIDiC由于應(yīng)用了內(nèi)部熱耦合技術(shù)將這些熱量提高等級并使之足以用于再沸過
程，去除了常規(guī)精餾塔中的再沸器和冷凝器，并且令精餾段的熱量向提餾段傳遞，
這樣就減小了塔頂和塔底較大溫差造成的熱量流失，大大提高了精餾操作的熱力
學(xué)效率。其基本的工作原理如圖a所示，精餾段放出熱量，其內(nèi)部產(chǎn)生液相流;而提餾段吸收熱量，其內(nèi)部產(chǎn)生氣相流，從而保證了分離所必需的氣相流和液相流，也因此得以節(jié)省一套冷凝器和再沸器。
圖6-1 內(nèi)部熱耦合精餾塔原理圖（a） 圖6-1 內(nèi)部熱耦合精餾塔原理圖（b）
而從圖6-1（b）中可以看到，HIDiC的操作線形狀與走向上都和平衡線非常類似。這樣HIDiC中傳質(zhì)推動力的分布就比常規(guī)精餾塔的分布均勻的多，系統(tǒng)的不可逆性得到了有效的降低，完成相同的傳質(zhì)任務(wù)所需的推動力較最小回流比下的常規(guī)精餾塔也更小，所以HIDiC比常規(guī)精餾塔更加節(jié)能，具有很高的節(jié)能潛力。
甲醇水精餾塔T0205操作壓力為0.1MPa（再沸器），理論板數(shù)20塊，進(jìn)料壓力為0.1MPa，進(jìn)料溫度為46℃，進(jìn)料板為第10塊，進(jìn)料流量為1937.556kmol/h，進(jìn)料組成摩爾分?jǐn)?shù)為甲醇0.148，甲基丙烯酸甲酯734PPM，正己烷96PPM，甲基丙烯酸621PPM，氮?dú)?5PPM，水0.851，異丁烷839PPM，甲基丙烯醛72PPM，氧氣6PPM。工藝要求為塔頂甲醇回收率為99.99%，塔釜水回收率98%。
對該塔按照兩種工況進(jìn)行逐板計(jì)算，基本工況是未添加內(nèi)部熱耦合工況，工況1熱耦合的分段塔板為第10塊，即精餾段10塊塔板，提餾段10塊塔板。兩種工況塔頂、塔底分離要求均相同。對兩種工況進(jìn)行模擬，結(jié)果如表6-1所示：
表6-1 脫甲醇塔兩種工況工藝參數(shù)比較表
工藝參數(shù)
基本工況
HIDiC工況
理論塔板數(shù)
20
20
回流摩爾比
2
2
溫度/℃
冷凝器
61.4
87.78
塔頂
64.4
90.1
進(jìn)料板
81.3
85.1
18板
96.8
98.7
19板
98.6
98.9
底板
99.3
99.1
塔釜
99.3
99.1
熱負(fù)荷/kW
冷凝器
--8444.4
-8063.5
再沸器
10659.5
662.5
中間再沸器
0.0
0.0
總能耗/kW
19103.9
8726
使用內(nèi)部耦合技術(shù)后，冷凝器負(fù)荷為8063.5kW，再沸器負(fù)荷為662.5kW，比不使用HIDiC技術(shù)節(jié)能10377.9kW。
添加熱耦合技術(shù)后，提餾段的操作線更加靠近平衡線，即塔內(nèi)分離過程的推動力減小，提高了分離過程的可逆性，使能量利用的效率更高；也由于操作線更加靠近平衡線，完成相同的分離任務(wù)，操作費(fèi)用的節(jié)省遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)備費(fèi)用的增加。
可見內(nèi)部熱耦合技術(shù)在甲醇水精餾塔回收甲醇時(shí)的應(yīng)用減少了公用工程的使用量，取得了良好的節(jié)能效果以及經(jīng)濟(jì)效益。
如圖所示通過上述節(jié)能措施及熱集成技術(shù)，本項(xiàng)目中HIDIC節(jié)能10.38MW，采用熱耦合后的能耗為普通精餾能耗的60.2%，節(jié)能39.8%.共需要冷公用工程11.6MW，熱公用工程10MW，實(shí)現(xiàn)了較大程度的能量回收利用。
六、總結(jié)
本項(xiàng)目使用了熱集成節(jié)能技術(shù)，運(yùn)用Aspen Energy Analyzer V7.2軟件，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中較大能量的回收。過程中還使用了HIDiC等新型節(jié)能技術(shù)，節(jié)約了大量能量。
我們設(shè)計(jì)的優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)圖如下：
圖7-1 換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案
本項(xiàng)目通過熱泵精餾、中間再沸器技術(shù)及熱集成技術(shù)，換算后節(jié)能6.92MW，需要冷公用工程11.6MW，熱公用工程10MW，實(shí)現(xiàn)了較大程度的能量回收。冷公用工程包括冷凍水和冷凍鹽水，需要的熱公用工程包括低壓蒸汽和高壓蒸汽，可由園區(qū)公用工程站和本廠廢熱鍋爐提供。公用工程明細(xì)如表7-1所示：
表7-1 公用工程明細(xì)表
公用工程
進(jìn)口溫度
/℃
出口溫度
/℃
介質(zhì)
用量
噸/小時(shí)
負(fù)荷
/KW
LP Steam
125
124
低壓蒸汽
14
9000
Cooling Water
20
30
冷卻水
2409
13973
Refrigerant 1
-25
-24
氯化鈣溶液
61
1840
HP Steam
250
249
高壓蒸汽
3.4
1639
HP Steam
300
299
高壓蒸汽
1
367.2
12
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