魏 江　馮李立　鄭小青　鄭 松

1.杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院　2.杭州坤天自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司

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用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)丙烷脫氫制丙烯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化分析①

魏 江1馮李立2鄭小青1鄭 松1

1.杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2.杭州坤天自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司

丙烷脫氫制丙烯是一種較新的丙烯生產(chǎn)工藝，目前國內(nèi)已有多套丙烷脫氫裝置。為了有效地降低裝置能耗，采用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)丙烷脫氫制丙烯工藝的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分析及流程優(yōu)化。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)操作參數(shù),建立了裝置全流程模型，并從該模擬結(jié)果中提取參與換熱的冷、熱物流數(shù)據(jù)。利用夾點(diǎn)分析技術(shù)，找出原有換熱網(wǎng)絡(luò)存在的問題，并提出了節(jié)能優(yōu)化方案，對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行模擬計(jì)算，證明方案的合理性及節(jié)能效益。

丙烷脫氫換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)技術(shù)流程模擬節(jié)能

丙烷脫氫(Propane Dehydrogenation,PDH)制丙烯是丙烷在催化劑作用下脫氫生成丙烯的工藝，是一種以丙烷替代各種餾分油為原料來集中生產(chǎn)丙烯的新型工藝。該工藝具有原料單一、產(chǎn)品質(zhì)量好、轉(zhuǎn)化率高、副產(chǎn)物少等優(yōu)點(diǎn)，其越來越為市場(chǎng)所關(guān)注。節(jié)能挖潛和技術(shù)改造是提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑之一，其中換熱網(wǎng)絡(luò)是化工過程中能量回收利用的一個(gè)重要子系統(tǒng)。PDH工藝設(shè)備眾多，流程復(fù)雜，本文應(yīng)用換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)現(xiàn)有PDH工藝中的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，以期從理論上探討其進(jìn)一步節(jié)能降耗的可能性。

1　PDH工藝流程模擬

利用HYSYS軟件，建立實(shí)際裝置的全流程穩(wěn)態(tài)模型，得到換熱過程所涉及的各物流數(shù)據(jù)，以進(jìn)行夾點(diǎn)分析。選取部分模擬結(jié)果與裝置運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表1。由表1可見，模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)高度吻合，較好地反映了裝置的實(shí)際運(yùn)行狀況，模擬結(jié)果可用于之后的優(yōu)化工作。

表1　裝置穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果Table1　Steady-statesimulationresultsofplant項(xiàng)目進(jìn)料脫丙烷塔脫乙烷塔丙烷丙烯分離塔模擬結(jié)果實(shí)際數(shù)據(jù)模擬結(jié)果實(shí)際數(shù)據(jù)模擬結(jié)果實(shí)際數(shù)據(jù)塔頂溫度/℃50.5149.5062.8862.2310.2910.50進(jìn)料溫度/℃30.0030.0339.0039.0020.3721.00塔底溫度/℃52.7852.5091.4293.0022.1822.00塔頂壓力/MPa16.5916.593.303.300.690.69塔頂采出量/(t·h-1)21.8921.361.181.8115.0415.00塔底采出量/(t·h-1)4.634.4595.1594.5256.0755.50

2　換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點(diǎn)分析

夾點(diǎn)技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的熱集成技術(shù)之一，它將熱力學(xué)原理和系統(tǒng)工程相結(jié)合，對(duì)過程系統(tǒng)的能量進(jìn)行優(yōu)化配置，提高系統(tǒng)的能量利用率，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。利用夾點(diǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)時(shí)應(yīng)遵循3個(gè)基本原則[1-5]：①不應(yīng)有跨越夾點(diǎn)的傳熱；②夾點(diǎn)之上不應(yīng)設(shè)置任何公用工程冷卻器；③夾點(diǎn)之下不應(yīng)設(shè)置任何公用工程加熱器。Aspen Energy Analyzer是Aspen公司推出的基于過程綜合與集成的夾點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用軟件，本文利用Aspen Energy Analyzer軟件，結(jié)合優(yōu)化后的操作參數(shù)，對(duì)現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行夾點(diǎn)分析，并提出改造目標(biāo)和方向。

2.1數(shù)據(jù)提取

在建立好的穩(wěn)態(tài)模型中提取換熱網(wǎng)絡(luò)所涉及的冷熱物流的溫度、熱負(fù)荷、熱容流量等數(shù)據(jù)，見表2。

2.2換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)分析

將提取的冷熱物流數(shù)據(jù)導(dǎo)入Aspen Energy Analyzer軟件，進(jìn)行能量分析與用能診斷。通過分析夾點(diǎn)溫差及操作費(fèi)用關(guān)系，選取最優(yōu)夾點(diǎn)溫差。最優(yōu)夾點(diǎn)溫差是指換熱設(shè)備中冷、熱物流在逆流條件下冷端和熱端之間的最小溫差，它反映了投資與能耗的權(quán)衡關(guān)系。最優(yōu)夾點(diǎn)溫差的確定需要綜合考慮設(shè)備投資和操作費(fèi)用的關(guān)系。一般取最小年總費(fèi)用對(duì)應(yīng)的溫差為最優(yōu)夾點(diǎn)溫差。通過對(duì)夾點(diǎn)溫差和操作費(fèi)用及同類裝置的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)選取最優(yōu)夾點(diǎn)溫差為10 ℃，得出夾點(diǎn)溫度為90 ℃，即夾點(diǎn)處熱物流的溫度為100 ℃，冷物流的溫度為80 ℃。冷熱物流復(fù)合曲線如圖1所示?？偟膹?fù)合曲線如圖2所示。由圖2可以得出，最小加熱公用工程為17 279.43 kW，最小冷卻公用工程為40 508.04 kW。裝置實(shí)際公用工程用量與所需最小公用工程用量對(duì)比見表3。由表3可知，目前還有較大節(jié)能空間。

表2　換熱網(wǎng)絡(luò)物流數(shù)據(jù)Table2　Streamdataofheatexchangernetwork物流起始溫度/℃終點(diǎn)溫度/℃熱負(fù)荷/kW熱容流量/(kW·℃-1)產(chǎn)品氣壓縮機(jī)一段出口116.8045.004639.7864.62產(chǎn)品氣壓縮機(jī)二段出口128.0045.005532.4366.66熱泵壓縮機(jī)一段出口36.0023.0039088.073006.78熱泵壓縮機(jī)二段出口75.0041.008828.11259.65

2.3原始換熱網(wǎng)絡(luò)分析

表3中所示的實(shí)際冷卻公用工程用量為91 424.62 kW，高于計(jì)算出的最小冷卻公用工程用量40 508.04 kW。通過對(duì)流程進(jìn)行分析，當(dāng)前流程中產(chǎn)品氣壓縮機(jī)一段C101A出口溫度116 ℃，通過空冷器AE101降溫至45 ℃；產(chǎn)品氣二段出口C101B溫度128 ℃，通過空冷器AE102降溫至45 ℃，這違背了夾點(diǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)時(shí)夾點(diǎn)之上不應(yīng)設(shè)置任何冷卻器的基本原則。即產(chǎn)品氣壓縮機(jī)一段C101A和二段C101B出口氣降溫應(yīng)該首先采用內(nèi)部取熱的方式，而不是直接通過空冷器降溫。

2.4改造方案

換熱網(wǎng)絡(luò)改造需要結(jié)合工業(yè)實(shí)際進(jìn)行。制定換熱網(wǎng)絡(luò)改造方案時(shí)，一方面需要對(duì)工藝過程及用能情況進(jìn)行分析，以獲得最大的能量回收和最小的年費(fèi)用；另一方面需要對(duì)裝置的設(shè)備及管線布局進(jìn)行分析，充分利用原有設(shè)備，減少設(shè)備投資，同時(shí)需要考慮改造后流程的配管問題及可操作性，盡可能使換熱流程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于操作、維修和管理。本文根據(jù)裝置用能情況，結(jié)合工業(yè)實(shí)際，選取脫乙烷塔、丙烷丙烯精餾塔用能進(jìn)行分析，并提出如下改造方案。

2.4.1脫乙烷塔的用能優(yōu)化

利用HYSYS軟件中的靈敏度分析工具，在保證塔底產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，對(duì)脫乙烷塔進(jìn)料溫度、塔底熱公用工程用量的關(guān)系進(jìn)行模擬分析，見表4。由表4可見，在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的情況下，可以提高進(jìn)料溫度，以減少塔釜蒸汽用量。通過分析獲取最佳的操作參數(shù)。

表4　脫乙烷塔參數(shù)優(yōu)化對(duì)比Table4　Parametersoptimizationandcomparisonofthedeethanizercolumn進(jìn)料溫度/℃塔底熱公用工程用量/kW39.0014086.4749.0013119.4059.0012064.0869.0010890.8579.009531.6989.006921.66

考慮將產(chǎn)品氣一段二段出口氣的兩處能量加以回收，用來對(duì)脫乙烷塔進(jìn)料進(jìn)行預(yù)熱。一方面可以減少產(chǎn)品氣出口空冷器的負(fù)荷，節(jié)省電能；另一方面可以減少脫乙烷塔底部蒸汽的用量。改進(jìn)后的換熱流程如圖3所示。

2.4.2丙烷丙烯精餾塔的用能優(yōu)化

丙烷丙烯塔T205采用熱泵精餾流程，根據(jù)穩(wěn)態(tài)模擬可見熱泵壓縮機(jī)一段C201A出口物料溫度38 ℃，用來對(duì)T205底部物料加熱；熱泵壓縮機(jī)二段C201B出口物料溫度76 ℃通過空冷器AE205降溫至40 ℃，通過FV1201閥進(jìn)入V205對(duì)塔頂氣進(jìn)行噴淋降溫。考慮將熱泵壓縮機(jī)二段出口物料熱量加以回收，用作進(jìn)料脫丙烷塔再沸器的熱源，以減少AE205的負(fù)荷，從而節(jié)省電能和降低進(jìn)料脫丙烷塔蒸汽用量。改進(jìn)后的換熱流程如圖4所示。

2.5經(jīng)濟(jì)分析

采用上述方案對(duì)換熱流程進(jìn)行改造后，需要新增3組換熱器，整個(gè)改造費(fèi)用預(yù)計(jì)214萬元。對(duì)改進(jìn)后的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，空冷器AE101入口溫度從116 ℃降至69.63 ℃，空冷器AE102入口溫度從128 ℃降至87.75 ℃，兩臺(tái)空冷器所節(jié)省電量為224 kW；脫乙烷塔進(jìn)料溫度從40 ℃提高至85 ℃，塔底熱公用工程用量從14 086.47 kW降至8 214.23 kW，節(jié)省熱公用工程用量為5 872.24 kW；熱泵壓縮機(jī)二段空冷器入口溫度從76 ℃降至53 ℃，節(jié)省電量80 kW；進(jìn)料脫丙烷塔底部熱公用工程用量從3 615.66 kW降至2 632.34 kW，節(jié)省熱公用工程用量為983.32 kW?？偟墓?jié)能效益為443.52萬元[6-7]。

3　結(jié) 語

利用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)該P(yáng)DH工藝原換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析后，確定出最優(yōu)夾點(diǎn)溫差，進(jìn)一步提出了改造方案。經(jīng)過模擬計(jì)算，預(yù)期可節(jié)省能量約占熱公用工程的11%。換熱網(wǎng)絡(luò)改造后，半年就可以回收成本。該技術(shù)使換熱網(wǎng)絡(luò)能耗最大回收，節(jié)能效益可觀，為后續(xù)的技術(shù)改造提供了可靠的技術(shù)依據(jù)。

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Optimization and analysis for heat exchanger network of propane dehydrogenation plant by using pinch technology

Wei Jiang1, Feng Lili2， Zheng Xiaoqing1， Zheng Song1

(1.AutomationAcademy,HangzhouDianziUniversity，Hangzhou311100,China) (2.HangzhouKuntianAutomationSystemCo.,Ltd，Hangzhou311100,China)

The propane dehydrogenation (PDH) to propylene is a new process for the production of propylene. In order to reduce the energy consumption of PHD plant, the heat exchanger network of propane dehydrogenation plant is analyzed and optimized by using pinch technology. The whole process model of PDH plant is established based on the actual operation parameters, from which the properties of hot and cold streams involved in the heat exchange are obtained. The problems of the old heat exchanger network are found out and the energy saving optimization scheme is proposed using pinch technology. And the optimization scheme is simulated and calculated. The simulation results show that the optimization scheme is reasonable and may save energy.

propane dehydrogenation, heat exchanger network, pinch technology, process simulation, energy saving

國家自然科學(xué)基金“基于時(shí)空域模型分解策略的流程企業(yè)級(jí)協(xié)同優(yōu)化方法研究”(61304211)。

魏江(1979-)，男，浙江杭州人，杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院講師，主要研究領(lǐng)域?yàn)閮?yōu)化控制算法、計(jì)算機(jī)仿真模擬。E-mail:lili.feng@ktcontrol.com

TE09

ADOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2016.05.009

2016-05-24；編輯：康莉