换热网络设计说明书

云南石化120万Nm3/h催化裂化烟气脱硫项目2017“东华科技——陕鼓杯”第十一届全国大学生化工设计竞赛云南石化120万Nm3/h催化裂化烟气脱硫项目换热网络设计说明书团队名称： 兰州理工大学鸿成团队 指导老师： 王东亮、朱照琪、张栋强、李宁、杨勇 团队成员： 史嘉桢、史娟利、张俊彦、朱文祥、罗正刚完成时间： 2017年8月 目录第一章 概述 3第二章 换热网络的设计 42.1工艺流股的提取 42.2夹点分析 52.3换热网络 8第三章 其他节能措施 16第一章 概述 本项目是云南石化设计生产硫磺的分厂，制造成本是一个关键的考核参数，其中公用工程的消耗占了很大的一部分在大型过程系统中，存在大量需要换热的流股，一些物流需要被加热，一些物流需要被冷却大型过程系统可以提供的外部公用工程种类繁多，如不同压力等级的蒸汽，不同温度的冷冻剂、冷却水等为提高能量利用率，节约资源与能源，就要优先考虑系统中各流股之间的换热、各流股与不同公用工程种类的搭配，以实现最大限度的热量回收，尽可能提高工艺过程的热力学效率。

Aspen 能量分析软件采用过程系统最优化的方法进行过程热集成的设计，其核心是夹点技术它主要是对过程系统的整体进行优化设计，包括冷热物流之间的恰当匹配、冷热公用工程的类型和能级选择；加热器、冷却器及系统中的一些设备如分离器、蒸发器等设备在网络中的合适放置位置；节能、投资和可操作性的三维权衡；最终的优化目标是总年度运行费用与设备投资费用之和（总年度费用目标）最小，同时兼顾过程系统的安全性、可操作性、对不同工况的适应性和对环境的影响等非定量的过程目标目前，换热网络合成主要有三种方法：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因此，夹点技术不仅可以用于热回收换热网络的优化集成，而且可用于合理设置热机和热泵、确定公用工程的等级和用量，去除“瓶颈”、提高生产能力，分离设备的集成，减少生产用水消耗，减少废气污染排放等热集成网络的分析与合成，本质上是设计一个由热交换器组成的换热网络，使系统中所有需要加热和冷却的物流都达到工艺流程所规定的出口温度，使得基于热集成网络运行费用与换热设备投资费用的系统总费用最小本项目具体可分为SO2的富集段工段、克劳斯反应工段从整个工艺流程来看，本项目需要冷公用工程包括冷却水、热公用工程包括117℃的低压蒸汽、175℃的中压蒸汽、250℃高压蒸汽。

冷公用工程来源于本项目厂区的循环水站及冷冻站，热公用工程来源于本项目厂区的蒸汽系统通过对流程流股的深入分析，利用Aspen Energy Analyzer 设计换热网络,其主要步骤如下：1、确定流程中需要换热的冷流股和热流股；2、利用物流数据做出冷热流股的温焓图和总组合曲线图（ GCC）；3、确定最小传热温差；4、找出夹点及最小冷、热公用工程用量；5、构建优化换热网络第二章 换热网络的设计2.1工艺流股的提取表2.1-1 工艺流股的提取过程流股进口温度/℃出口温度/℃能量/kWS22_To_S23234.097097125S10_To_S9150553583.643593S14_To_S15387.8219671502773.899171S30_To_S31235.202393125291.1968319S18_To_S2198.7163642220441.8619985S4_To_S359.06406355402.6111595RICH-1_To_RICH-266.2868844118.514957.77909S28_To_S29101.125826220257.8570588S1_To_S3680.8462263240392.8920553To Condenser@B1_TO_SI99.6966269.656815631797.83787B17_heat150136.972672160.0263077B18_heat136.97267298.7163642606.2640707B19_heat125108.404008101.5458438B20_heat108.40400892.72533871651.147862B21_heat125105.21752766.60263992B22_heat105.21752757.27559781539.462263B5_heat1508269351.31204B6_heat110.88869115071871.757732.2夹点分析将上述流股数据输入到软件Aspen Energy Analyzer中，分析经济效益与最小传热温差的关系，拟合出投资费用、操作费用与最小传热温差的关系曲线如图所示:图2.2-1投资费用-最小传热温差关系曲线 图2.2-2操作费用-最小传热温差关系曲线再根据这两条曲线得到总费用与最小传热温差的关系曲线如图所示:图2.2-3总费用-最小传热温差关系曲线由图2.2-3可知，最小传热温差为10-15℃时，总费用最小。

温差越高，传热推动力越大；另一方面，为节省设备费，温差越大，两段的液体密度差越大，传热效果越好因此确定最小传热温差为11℃设定最小传热温差为11℃后，得到的冷热物流的组合曲线如图2.2-4和GCC图如图2.2-5所示图2.2-4冷热流股温焓图图2.2-5冷热流股总组合曲线从图可知需要的热公用工程为39833.67KW，需要的冷公用工程为64718.47KW另外，夹点附近不存在温位相近的平台，根据塔顶和塔底温差较小 ,因为压缩机的功耗主要取决于温差，温差越大,压缩机的功耗越大据国外文献报导，只要塔顶和塔底温差小于 36℃, 就可以获得较好的经济效果；一般蒸馏塔塔顶温度在38～138℃之间 , 如果用热泵流程对缩短投资回收期有利就可以采用 ,但是如果有较便宜的低压蒸汽和冷却介质来源,用热泵流程就不一定有利 ；蒸馏塔底再沸器温度在 300 ℃以上 ,采用热泵流程往往是不合适的 因此此流程不适合采用热泵精馏技术2.3换热网络换热网络的设计，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，同时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。

利用Asppen Energy Analyzer 导出换热网络如图所示：图2.3-1原始换热网络在Design中的导出推荐方案如图所示：图2.3-2 推荐换热网络在Aspen Energy Analyzer给出的design中选取其中比较经济且所需换热器较少的设计方案进行后续优化过程所选推荐设计方案如图所示：图2.3-3所选设计方案该换热网络的换热器数目为24台，按照最小换热器台数原则，还可以撤去若干台换热器该换热网络中有部分换热器换热面积很小，热负荷也很小，可以删去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，以节省一台换热器的设备费自动优化后如图所示：图2.3-4后续优化前换热网络 经过比较发现：本例中的 E124和E120、 E115和E135，这两组换热器冷热流股相同找到可以合并的物流后，在网格图中将热负荷较小的换热器删掉，记得记下其数值（负荷、换热面积），然后加到保留下来的换热器的热负荷上换热网络中存在loop，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，甚至减少换热器的数目另外，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，此类换热器需要删除经过以上调节之后，最后获得换热网络如图所示:图2.3-5优化后换热网络优化后的换热网络所需换热器数目为20台，数目减少且结构更为精简，所需热公用工程为49452.72KW，所需冷公用工程为74337.53KW 综上所述，进行换热网络优化后，可节约19238.11KW的能量实现了较大能量的回收利用图2.3-6 换热网络详细说明第三章 其他节能措施本项目属于高耗能产业的，在项目的建设和管理方面都要注意采取高效节能措施，措施主要包括：1、优化全厂总工艺流程，设计好需用公用工程最少的热交换网络，节省蒸汽量与冷却水量并且尽量使其他技术的选择在总体上满足全厂流程最优化的要求2、装置采用联合布置和装置间热进料，减少中间罐的数量及热量3、合理安排全厂蒸汽平衡和热交换网络，利用装置剩余热量对需热物流加热同时对全厂各系统用汽加以优化，使全厂用汽与产汽之间基本达到平衡4、大型转动设备采用蒸汽驱动，减少能量转化过程的效率损失5、动力供应和工艺过程相结合，高中压蒸汽尽量先用作动力，驱动工艺透平设备，产生的蒸汽用于工艺过程，以提高能量利用效率。

6、对装置及系统产生的凝结水、锅炉排污和生产污水进行深度利用，处理后的回收水用作循环水补水；对于能够进行一水多用的设备及工艺尽量做到一水多用，从而节省水耗量，降低能耗7、减少新鲜水用量，减少排污，清污分流污水处理场进水分为高浓度污水和低浓度污水，高浓度污水处理后排放，低浓度污水处理后回用8、换热器采用高效、低压降换热器提高效率，减少能耗；在机泵的选用上选用高效机泵和高效节能电机，提高设备效率9、选用高效变压器和电器设备，合理选则机泵和驱动电机的容量10、采用先进的自动控制系统，使得各系统在优化条件下操作，提高全厂的用能水平11、加强设备及管道的隔热和保温等措施，对所有高温设备及管线均选用优质保温材料，减少散热，提高装置及系统的热回收率。