换热网络设计说明.docx

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换热网络设计说明

换热网络集成说明

一．概述

目前，换热网络集成主要有三种方法：

试探法，夹点技术，数学规划法。

其中，夹点技术以其使用简单，直观和灵活的优点被广泛的使用。

但夹点技术也有其缺点，夹点在应用中的主要缺陷有两点：

过于注重能量的节省，而在设备和经济上的考虑略显不足；有些夹点匹配技术（如利用分流技术来匹配物流）在工艺的难以实现。

本项目换热网络集成以夹点为基础，综合考虑多方面因素，寻找合适于本工艺的换热网络。

为了减少公用工程的消耗，实现节能降耗和降低运行成本，在初步设计阶段，利用AspenHX-net模块进行计算机辅助换热网络的集成和优化，由于本项目属于新建项目，运行成本将是一个重要的考核参数，其中公用工程的能耗是重点之一，同时考虑工艺需要和实际条件，找到设备投资与运行费用的平衡点达到经济利益的最优化。

根据本项目的工艺特点将整个生产过程分成三个工段：

MTO反应工段、预分离及催化裂化工段、深冷分离工段。

但综合考虑车间工段间的距离等因素，在进行换热网络集成时，分成四个工段：

MTO反应工段、预分离工段、催化裂化工段、深冷分离工段，先分工段进行夹点匹配、优化匹配，最后对全全流程的换热网络、公用工程进行整合与调优，达到能量的综合匹配与有效利用。

二．换热网络集成

1.分工段换热网络集成

（1）MTO反应工段

①物流信息提取

Aspenplus流程模拟提示“noerrorandwarning”，通过AspenHX-Net的自动导入功能对换热物流信息进行提取，手动检查物流信息，将提取有差异的信息输入至换热网络中，并补加部分物流，选择公用工程的类型及温度。

MTO反应工段物流提取信息见表5-1所示，热量回收及公用工程信息见表5-2所示。

表5-1MTO反应工段物流提取信息

物流名称

类型

入口温度（℃）

出口温度（℃）

热容流率（kJ/℃·h）

焓值（kJ/h）

流量

（kg/h）

MTO入口

↑

25.0

53.0

1.782×106

7.257×108

4.708×105

53.0

120.0

1.011×107

MTO出口急冷塔入口

↓

400.0

20.0

5.137×106

1.082×109

4.708×105

再生空气

↑

20.0

140.0

8898

1.068×106

8775

再生塔出口

↓

699.0

40.0

1.029×104

6.472×106

9490

注：

物流发生相变时出现分段，各段的物流密度由物流性质决定。

表5-2MTO反应工段热量回收及公用工程信息

物流名称

类型

入口温度（℃）

出口温度（℃）

费用（cost/kJ）

目标负荷（kJ/h）

目标流量

（kg/h）

废热锅炉换热

↑

20.00

150.0

2.125×107

3.318×108

610193.57

三元重冷剂

↑

-10.00

0.000

2.739×106

2.991×107

747663.29

②能量分析

设定最小传热温差为10℃，利用AspenHX-net对能量进行分析，温焓图如图5-1所示，总组合曲线如图5-2所示。

图5-1MTO反应工段温焓图

图5-2MTO反应工段总组合曲线

通过软件计算得到，系统的公用工程夹点温度为35-25℃，所需热公用工程用量为：

7.268×108KJ/h，冷公用工程用量为1.0888×109KJ/h。

③物流匹配

本工段MTO出口急冷塔入口的物流由于工艺需要，需要快速冷却，不适合长距离换热，所以先进入废热锅炉换热，再预热MTO入口原料，最后用三元重冷剂冷却到适宜温度，同时换热网络集成考虑了再生空气的换热，以及再生塔出口高温空气的余热回收。

综合考虑工艺可行性、匹配原则、热量回收等原则，设计出MTO反应工段换热网络，如图5-3所示。

图5-3MTO反应工段换热网络

（2）预分离工段

①物流提取

Aspenplus流程模拟提示“noerrorandwarning”，通过AspenHX-Net的自动导入功能对换热物流信息进行提取，手动检查物流信息，将提取有差异的信息输入至换热网络中，并补加部分物流，选择公用工程的类型及温度。

预分离工段物流提取信息见表5-3所示，能量回收及公用工程信息见表5-4所示。

表5-3预分离工段物流提取信息

物流名称

类型

入口温度（℃）

出口温度（℃）

热容流率（kJ/℃·h）

焓值（kJ/h）

流量

（kg/h）

压缩后干燥前

↓

103.0

40.0

2.684×105

1.691×107

1.320×105

一级压缩后

↓

42.8

40.0

3.081×105

8.776×105

1.896×105

二级压缩后

↓

98.9

50.0

5.233×105

2.553×107

2.927×105

三级压缩后

↓

109.7

30.0

6.451×105

5.116×107

2.927×105

干燥后加氢前

↑

40.0

70.0

2.688×105

8.063×106

1.318×105

水洗塔后分离前

↓

50.8

9.9

5.297×105

6.138×107

2.512×105

9.9

-10.0

1.997×106

注：

物流发生相变时出现分段，各段的物流密度由物流性质决定。

表5-4预分离工段能量回收及公用工程信息

物流名称

类型

入口温度（℃）

出口温度（℃）

费用（cost/kJ）

目标负荷（kJ/h）

目标流量

（kg/h）

低压蒸汽

↓

125.0

124.0

1.900×106

8.063×104

36.71

冷却水

↑

20.0

30.0

2.125×107

8.468×107

2024441.53

三元重冷剂

↑

-25.0

-15.0

2.739×106

6.319×107

1579825.32

②能量分析

设定最小传热温差为10℃，利用AspenHX-net对能量进行分析，温焓图见图5-4所示，总组合曲线见图5-5所示。

图5-4预分离工段温焓图

图5-5预分离工段总组合曲线

通过软件计算得到，系统的公用工程夹点温度有三个，温度为124.0-114.0℃、109.7-99.7℃、30.0-20.0℃，所需热公用工程用量为：

7.268×108KJ/h，冷公用工程用量为8.063×106KJ/h。

③物流匹配

本工段只有物流与公用工程的换热，而没有物流间的换热，原因在于，压缩后的气体不适合与物流进行换热，所以用冷却水进行冷却，综合考虑工艺可行性、匹配原则以及换热距离，设计出预分离工段换热网络见图5-6所示。

图5-6预分离工段换热网络

（3）催化裂化工段

①物流提取

Aspenplus流程模拟提示“noerrorandwarning”，通过AspenHX-Net的自动导入功能对换热物流信息进行提取，手动检查物流信息，将提取有差异的信息输入至换热网络中，并补加部分物流，选择公用工程的类型及温度。

预分离工段物流提取信息见表5-5所示，能量回收及公用工程信息见表5-6所示。

表5-5催化裂化工段物流提取信息

物流名称

类型

入口温度（℃）

出口温度（℃）

热容流率（kJ/℃·h）

焓值（kJ/h）

流量

（kg/h）

裂解后二级压缩前

↓

625.0

430.0

3.187×105

1.549×108

1.031×105

430.0

235.0

2.693×105

235.0

40.0

2.063×105

水分离后混合器前

↑

-20.4

60.0

3.394×105

2.730×107

9.162×104

混合器后裂解前

↑

53.9

180.8

2.044×105

1.536×108

1.031×105

180.8

371.2

2.572×105

371.2

624.7

3.103×105

丙烯塔后混合器前

↑

9.5

17.4

3.232×105

2.554×106

8132

注：

物流发生相变时出现分段，各段的物流密度由物流性质决定。

表5-6催化裂化工段能量回收及公用工程信息

物流名称

类型

入口温度（℃）

出口温度（℃）

费用（cost/kJ）

目标负荷（kJ/h）

目标流量

（kg/h）

烟道气

↓

900.0

700.0

0.0000

5.798×107

289913.38

②能量分析

设定最小传热温差为10℃，利用AspenHX-net对能量进行分析，温焓图见图5-7所示，总组合曲线见图5-8所示。

图5-7催化裂化工段温焓图

图5-8催化裂化工段总组合曲线

通过软件计算得到，本工段没有夹点，需最少热公用工程用量为：

1.835×108KJ/h，最少冷公用工程用量为1.549×108KJ/h。

③物流匹配

本工段要保证催化裂化反应器内的温度维持在624.7℃，需要大量的热量，本设计拟先用催化裂化出口的高温气体预热，再用深冷工段经分离、冷量回收后的常温甲烷燃烧而产生大量高温烟道气提供足够的热量。

综合考虑工艺可行性、匹配原则、能量的综合回收利用等原则，设计出催化裂化工段换热网络见图5-9所示。

图5-9催化裂化工段换热网络

（4）深冷分离工段

①物流提取

Aspenplus流程模拟提示“noerrorandwarning”，通过AspenHX-Net的自动导入功能对换热物流信息进行提取，手动检查物流信息，将提取有差异的信息输入至换热网络中，并补加部分物流，选择公用工程的类型及温度。

深冷分离工段物流提取信息见表5-7所示，能量回收及公用工程信息见表5-8所示。

表5-7深冷分离工段物流提取信息

物流名称

类型

入口温度（℃）

出口温度（℃）

热容流率（kJ/℃·h）

焓值（kJ/h）

流量

（kg/h）

压缩后甲烷塔前

↓

-8.3

-17.8

2.349×105

1.951×107

9.328×104

-17.8

-21.5

2.432×106

-21.5

-27.0

1.485×106

加氢后脱乙烷塔前

↓

73.1

8.8

2.665×105

6.188×107

1.318×105

8.8

-30.0

1.154×106

甲烷塔再沸器

↑

-7.5

-7.0

9.034×107

4.517×107

2.803×105

丙烯塔2冷凝器

↓

26.6

26.1

3.450×108

1.752×108

5.167×105

脱乙烷塔冷凝器

↓

-21.2

-22.8

1.244×107

4.445×107

2.382×105

-22.8

-24.1

9.322×106

-24.1

-26.0

6.581×106

甲烷塔冷凝器

↓

-43.1

-51.2

1.688×106

4.795×107

1.283×105

-51.2

-62.3

1.269×106

-62.3

-76.7

9.937×105

-76.7

-84.7

7.379×105

乙烯塔冷凝器

↓

-67.0

-67.5

2.457×108

1.229×108

2.911×105

脱乙烷塔再沸器

↑

64.9

65.1

1.540×108

7.768×107

3.699×105

65.1

65.2

1.174×108

65.2

65.4

9.633×107

65.4

65.7

6.625×107

丙烯塔1冷凝器

↓

27.0

26.5

3.180×108

1.590×108

4.773×105

丙烯塔2再沸器

↑

31.5

32.4

7.188×107

1.725×108

5.235×105

32.4

33.4

4.537×107

33.4

34.4

3.054×107

34.4

35.9

2.156×107

丙烯塔1再沸器

↑

30.4

31.0

9.572×107

1.546×108

4.751×105

31.0

31.5

6.030×107

31.5

32.3

4.148×107

32.3

33.5

2.685×107

乙烯塔再沸器

↑

-47.4

-47.2

2.893×108

1.070×108

2.536×105

-47.2

-47.1

1.946×108

-47.1

-46.8

9.811×107

甲烷

↑

-105.7

30.0

2.976×104

3.414×106

1057

注：

物流发生相变时出现分段，各段的物流密度由物流性质决定。

表5-8深冷分离工段能量回收及公用工程信息

物流名称

类型

入口温度（℃）

出口温度（℃）

费用（cost/kJ）

目标负荷（kJ/h）

目标流量

（kg/h）

三元轻冷剂

↑

-103.0

-80.0

8.531×106

4.614×108

14959524.8

低压蒸汽

↓

125.0

124.0

1.900×106

3.961×108

180343.67

冷却水

↑

20.00

30.00

2.125×107

2.473×106

59111.03

②能量分析

设定最小传热温差为10℃，利用AspenHX-net对能量进行分析，温焓图见图5-10所示，总组合曲线见图5-11所示。

图5-10深冷分离工段温焓图

图5-11深冷分离工段总组合曲线

通过软件计算得到，本工段的夹点有两个，温度为40.4-30.4℃、-43.1--53.1℃，热公用工程用量为5.604×108KJ/h，公用工程用量为6.309×108KJ/h。

③物流匹配

深冷工段温位较低，对冷量的需求量很大，是能量集成的重点工段之一，除了考虑在空间布置和工艺等方面的匹配可行性外，合适的公用工程的选择对与能量和费用的降低很重要。

本工段换热网络集成时，考虑了甲烷塔出口-105.7℃甲烷的冷量的回收，此工段低温甲烷换热后升温至常温，送至催化裂化工段燃烧产生高温烟道气。

另外针对不同温位的公用工程进行选择与优化，使用多品味公用工程（三元轻冷剂、三元中冷剂、三元重冷剂、冷却水）的深冷工段换热网络方案1见图5-12所示，使用单一品味公用工程（乙烯冷剂、冷却水）的深冷工段换热网络方案2见图5-13所示。

图5-12深冷分离工段换热网络方案1

图5-13深冷分离工段换热网络方案2

通过换热网络计算结果的比较，方案1比方案2的总换热面积大43.6%，设备费高46.2%，操作费低91.8%，总费用低88.6%，综合考虑多方面，选择深冷工段换热网络方案1，即使用多品味公用工程。

2.全流程换热网络集成

①物流信息提取

Aspenplus流程模拟提示“noerrorandwarning”，通过AspenHX-Net的自动导入功能对全流程模拟的物流信息进行提取，手动检查物流信息，将提取有差异的信息输入至换热网络中，并补加部分物流，依据各工段的换热网络，整合全流程的换热网络，重新调整公用工程的类型及温度。

全流程物流提取信息见表5-9所示，优化后的公用工程信息见表5-10所示。

表5-9全流程物流提取信息

物流名称

类型

入口温度（℃）

出口温度（℃）

热容流率（kJ/℃·h）

焓值（kJ/h）

流量

（kg/h）

MTO出口急冷塔入口

↓

400.0

20.0

5.137×106

7.214×108

3.139×105

MTO再生塔出口

↓

678.0

40.0

1.029×104

9.223×107

1.333×105

压缩后干燥前

↓

90.0

40.0

2.684×105

1.378×107

1.345×105

一级压缩后

↓

42.8

40.0

3.081×105

5.851×105

1.264×105

二级压缩后

↓

99.1

50.0

5.233×105

1.536×107

1.749×105

三级压缩后

↓

110.0

30.0

6.451×105

3.139×107

1.750×105

C4后碱洗前

↓

-12.9

30.0

2.997×105

9.821×106

1.349×105

C4冷凝器

↓

0.6

-12.9

3.623×105

6.897×108

3.034×105

催化裂化再生气出口

↓

669.0

40.0

1.029×104

3.387×105

4.973103

裂解后二级压缩前

↓

625.0

430.0

3.187×105

7.296×107

4.858×104

430.0

235.0

2.693×105

235.0

40.0

2.063×105

压缩后甲烷塔前

↓

-6.7

-17.8

2.349×105

1.780×107

7.438×104

-17.8

-21.5

2.432×106

-21.5

-27.0

1.485×106

加氢后脱乙烷塔前

↓

71.6

8.8

2.665×105

6.694×107

1.343×105

8.8

-30.0

1.154×106

丙烯塔2冷凝器

↓

26.6

26.1

3.450×108

2.716×108

8.135×105

脱乙烷塔冷凝器

↓

-19.6

-22.8

1.244×107

4.180×107

2.119×105

-22.8

-24.1

9.322×106

-24.1

-24.4

6.581×106

甲烷塔冷凝器

↓

-93.04

-51.2

1.688×106

2.468×107

8.721×104

-51.2

-62.3

1.269×106

-62.3

-76.7

9.937×105

-76.7

-105.7

7.379×105

乙烯塔冷凝器

↓

-67.0

-67.5

2.457×108

1.009×109

2.390×105

丙烯塔1冷凝器

↓

27.0

26.5

3.180×108

2.504×108

7.516×105

MTO入口

↑

25.0

53.0

1.782×106

4.838×108

3.139×105

53.0

120.0

1.011×107

MTO再生空气

↑

25.0

140.0

8.898×103

1.416×107

1.226×105

干燥后加氢前

↑

40.0

70.0

2.688×105

8.373×106

1.343×105

C4再沸器

↑

78.6

79.1

3.990×105

5.286×107

1.994×105

催化裂化再生空气

↑

25.0

140.0

8.898×103

5.282×105

4.572×103

C4后混合器前

↑

57.5

73.4

3.394×105

1.081×108

3.317×104

混合器后裂解前

↑

78.7

180.8

2.044×105

7.143×107

4.858×104

180.8

371.2

2.572×105

371.2

624.7

3.103×105

乙烯塔后混合前

↑

-49.2

-46.1

3.008×105

1.406×106

3.266×103

丙烯塔2后混合器前

↑

3.0

121.1

3.232×105

6.253×106

1.214×104

甲烷塔再沸器

↑

-7.4

-6.9

9.034×107

2.402×107

1.730×105

脱乙烷塔再沸器

↑

64.1

64.6

1.540×108

7.872×107

3.989×105

丙烯塔2再沸器

↑

29.1

29.6

5.188×107

2.716×108

8.412×105

丙烯塔1再沸器

↑

28.8

29.4

9.572×107

2.435×108

7.593×105

乙烯塔再沸器

↑

-52.0

-49.2

2.893×108

8.783×108

2.076×105

甲烷

↑

-105.7

30.0

2.976×104

4.452×106

6.200×103

表5-10全流程公用工程信息

物流名称

类型

入口温度（℃）

出口温度（℃）

费用（cost/kJ）

目标负荷（kJ/h）

目标流量

（kg/h）

烟道气

↓

900.0

700.0

0.0000

4.693×107

2.347×105

低压蒸汽

↓

125.0

124.0

2.125×107

3.320×108

1.512×105

废热锅炉换热

↑

30.0

125.0

2.125×107

3.318×108

6.102×105

循环冷却水

↑

30.0

45.0

2.125×107

2.473×106

5.910×104

冷却水

↑

20.0

30.0

2.125×107

1.060×109

2.534×107

三元重冷剂

↑

-10.0

0.0

2.739×106

5.770×107

1.444×107

三元中冷剂

↑

-55.0

-45.0

3.364×106

5.445×107

4.060×106

三元轻冷剂

↑

-116.0

-106.0

8.531×106

1.250×108

9.294×106

②能量分析

设定最小传热温差为10℃，利用AspenHX-net对能量进行分析，温焓图见图5-14所示，总组合曲线见图5-15所示。

图5-14全流程温焓图

图5-15全流程总组合曲线

通过软件计算得到，系统的夹点有五个，温度为700.0-690.0℃、678.0-668.0℃、38.9-28.9℃、0.0--10.0℃、-67.0--77.0℃，所需热公用工程用量为：

2.247×109KJ/h，最少冷公用工程用量为3.237×109KJ/h。

③物流匹配

以分工段的换热匹配为基础，重新选择合适的多品味公用工程后进行物流匹配的整合。

由于分流处理而工艺上难以实现，所以本项目的物流没有进行分流。

考虑到设备投资等原因，换热量较小的物流间不进行匹配。

综合考虑工艺可行性以及匹配原则，设计出全流程换热网络见图5-16所示。

图5-16全流程换热网络

三．换热网络可行性的验证

Aspenplus全流程换热网络模拟验证流程图如图5-17所示，最终由换热网络模拟验证换热网络的可行性，并确定公用工程用量。