夾點(diǎn)技術(shù)在丙烯酸（酯）裝置換熱網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

陳浩

上海華誼集團(tuán)技術(shù)研究院上海煤基多聯(lián)產(chǎn)工程技術(shù)研究中心(上?！?00241）

工作研究

夾點(diǎn)技術(shù)在丙烯酸（酯）裝置換熱網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

陳浩

上海華誼集團(tuán)技術(shù)研究院上海煤基多聯(lián)產(chǎn)工程技術(shù)研究中心(上海200241）

利用夾點(diǎn)技術(shù)，采用溫度-焓（T-H）圖解法分析某丙烯酸（酯）裝置換熱系統(tǒng)用能現(xiàn)狀和換熱網(wǎng)絡(luò)情況，確定了現(xiàn)有裝置換熱網(wǎng)絡(luò)中用能不合理的情況，提出了優(yōu)化改進(jìn)措施，并成功進(jìn)行了裝置改造，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

夾點(diǎn)T-H圖解法丙烯酸（酯）裝置換熱網(wǎng)絡(luò)節(jié)能

0　前言

夾點(diǎn)技術(shù)是20世紀(jì)70年代，由以Linnhoff等為首的英國帝國化學(xué)工業(yè)有限公司（ICI）的系統(tǒng)綜合小組，在前人的研究成果基礎(chǔ)上開發(fā)的一門過程能量綜和技術(shù)方法學(xué)[1]，是一種對過程能量系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和改造以降低能耗的技術(shù)；其以嚴(yán)格的熱力學(xué)知識和數(shù)學(xué)理論作為基礎(chǔ)，方法簡單、靈活、實(shí)用，概念清晰，易于理解和掌握[2]，國內(nèi)外許多著名的大型化工公司和工程公司均采用這一先進(jìn)技術(shù)，對過程工業(yè)的整個系統(tǒng)進(jìn)行集成優(yōu)化。經(jīng)過30多年的不斷進(jìn)步，夾點(diǎn)技術(shù)現(xiàn)已成為過程工業(yè)應(yīng)用最廣泛、發(fā)展較為成熟的方法，特別是在進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方面，取得了顯著的效果和經(jīng)濟(jì)效益。

本文利用夾點(diǎn)技術(shù)原理，采用溫度-焓（T-H）圖解法，通過收集整理裝置中各換熱器的運(yùn)行參數(shù)，繪制出了國內(nèi)某丙烯酸（酯）生產(chǎn)裝置換熱網(wǎng)絡(luò)的冷熱組合曲線，確定了冷、熱夾點(diǎn)溫度；根據(jù)夾點(diǎn)設(shè)計原則找出了用能不合理的設(shè)備，提出了改造方案，并成功完成裝置改造，降低了裝置能耗。

1　概述

1.1T-H圖

冷熱物流的熱特性可以用T-H圖表示，換熱物流的能量傳遞可以用式（1）進(jìn)行描述。

式中，dQ為物流的熱量改變，kJ；W為物流的質(zhì)量流量，kg/h；Cp為物流比熱，kJ/(kg·℃)；dT為溫度的改變，℃。

對于一般物流，Cp隨溫度的變化不明顯，因此，可將W·Cp看作常數(shù)，定義為熱容流率CP，則式（1）可以表示為式（2）。

這樣就可以將該物流的換熱過程以H為橫坐標(biāo)、T為縱坐標(biāo)的T-H圖表示出來，見圖1。

圖1　T-H圖

T-H圖的特征為：

（1）其斜率為熱容流率CP的倒數(shù)；

（2）沿H軸平行移動但是效果不變：熱物流（需要被冷卻的介質(zhì)）線的走向是從高溫到低溫，冷物流（需要被加熱的介質(zhì)）線的走向是從低溫到高溫，物流的熱量是用橫坐標(biāo)兩點(diǎn)之間的距離ΔH表示，因此，物流線的左右平移并不會影響到物流的溫位和熱量[3]。

1.2組合曲線

在多股物流存在的情況下，根據(jù)T-H圖的特征，可以將多個T-H圖合并為一根組合曲線。組合曲線分為熱物流組合曲線和冷物流組合曲線，熱物流組合曲線位于冷物流組合曲線的上方。

1.3夾點(diǎn)

將冷熱組合曲線表示在一張圖（如文中圖4所示）上時，熱組合曲線位于左上方，冷組合曲線位于右下方。由于物流之間的熱量交換需要一定的溫差，當(dāng)冷物流組合曲線沿H軸向左平移靠近熱物流組合曲線時，各部分的傳熱溫差ΔT逐漸減小，冷熱物流之間的換熱量逐漸增大，冷熱公用工程負(fù)荷逐漸減小，最后某一部位的傳熱溫差首先達(dá)到設(shè)定的最小傳熱溫差ΔTmin（這是可能會達(dá)到的實(shí)際極限位置，即冷熱物流間的換熱量達(dá)到最大，而冷熱公用工程的熱負(fù)荷達(dá)到最?。?，此時冷熱負(fù)荷曲線之間距離最小的位置稱為“夾點(diǎn)”[4]。

夾點(diǎn)位置熱物流的溫度稱為熱夾點(diǎn)溫度，冷物流的溫度稱為冷夾點(diǎn)溫度，當(dāng)最小傳熱溫差ΔTmin＝0時，系統(tǒng)內(nèi)部的熱量利用可以達(dá)到極限，冷熱夾點(diǎn)溫度重合。

在利用T-H圖解法設(shè)計換熱網(wǎng)絡(luò)時，要先給定一個ΔTmin，這是進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的前提。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，ΔTmin通常取10～20℃，本文丙烯酸（酯）裝置夾點(diǎn)處的ΔTmin取10℃。

1.4夾點(diǎn)設(shè)計原則

冷熱物流夾點(diǎn)的確定將整個換熱網(wǎng)絡(luò)分成了兩個子系統(tǒng)：夾點(diǎn)之上的子系統(tǒng)和夾點(diǎn)之下的子系統(tǒng)。夾點(diǎn)之上的子系統(tǒng)只有外部加熱和內(nèi)部換熱，沒有任何熱量流出，為“熱阱”系統(tǒng)；夾點(diǎn)之下的子系統(tǒng)只有外部冷卻和內(nèi)部換熱，沒有任何熱量流入，為“熱源”系統(tǒng)，參見圖4。

為使公用工程消耗最小，應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)設(shè)計換熱網(wǎng)絡(luò)的原則包括以下幾點(diǎn)[5]：

（1）不存在跨越夾點(diǎn)的傳熱，即夾點(diǎn)處不能有熱量穿過。

（2）不在夾點(diǎn)之上設(shè)置任何公用工程冷卻器。如果在夾點(diǎn)之上的系統(tǒng)中設(shè)置冷卻器，那么用冷公用工程移走的那部分熱量，必然要由加熱公用工程額外輸入。

（3）不在夾點(diǎn)之下設(shè)置任何公用工程加熱器。如果在夾點(diǎn)之下的系統(tǒng)中設(shè)置加熱器，那么用熱公用工程移走的那部分熱量，必然要由冷卻公用工程額外輸入。

2　夾點(diǎn)技術(shù)在丙烯酸（酯）裝置換熱網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

2.1某丙烯酸（酯）裝置的熱、冷組合曲線

某丙烯酸（酯）生產(chǎn)裝置中熱、冷物流換熱器操作參數(shù)分別如表1、表2所示。

表1　裝置熱物流換熱器操作參數(shù)

根據(jù)該丙烯酸（酯）生產(chǎn)裝置換熱器操作參數(shù)，分別完成該裝置熱、冷組合曲線的繪制，見圖2、3。2.2組合曲線和夾點(diǎn)溫度分析

在ΔTmin取10℃的情況下，將圖2和圖3中的冷、熱組合曲線沿H軸平移，得出冷、熱組合曲線及夾點(diǎn)溫度圖，如圖4所示。

表2　裝置冷物流換熱器操作參數(shù)

圖2　裝置熱組合曲線

根據(jù)夾點(diǎn)理論，從圖4可以看出：該系統(tǒng)熱夾點(diǎn)溫度為55℃，冷夾點(diǎn)溫度為45℃，溫度高于55℃的熱物流的熱量可全部被回收，并用于加熱溫度高于45℃、低于55℃的冷物料；溫度低于45℃的冷物流可全部用于冷卻溫度低于55℃、高于45℃的熱物料。

圖3　裝置冷組合曲線

圖4　冷熱組合曲線及夾點(diǎn)溫度圖

該換熱網(wǎng)絡(luò)包含43臺換熱器，根據(jù)表1、表2和圖4，結(jié)合該裝置實(shí)際運(yùn)行情況可得出：最大可利用熱負(fù)荷為11522 kW，共包含13臺可以考慮利用冷熱物流進(jìn)行互相換熱的換熱器（表1、表2中*部分），6臺為熱物流換熱器（E001、E004、E008、E018、E020、E024），7臺為冷物流換熱器（E030、E033、E034、E038、E039、E041、E043）；在其余的30臺換熱器中，有18臺熱物流換熱器需利用冷公用工程進(jìn)行撤熱，最少消耗冷公用工程負(fù)荷10510 kW，有12臺冷物流換熱器需利用熱公用工程進(jìn)行加熱，最少消耗熱公用工程負(fù)荷11577 kW。

2.3不合理用能換熱器分析

根據(jù)該裝置實(shí)際運(yùn)行情況，在理論上可應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)的6臺熱物流換熱器和7臺冷物流換熱器中：對于E004、E018、E038、E039，已經(jīng)考慮到了冷、熱物流相互換熱時熱量回收的情況；對于E001、E008、E020、E030、E034、E039、E041，考慮到物料特性和裝置操作穩(wěn)定性等的要求，不適合應(yīng)用夾點(diǎn)理論對上述換熱器進(jìn)行改造。

綜上所述，除了已經(jīng)應(yīng)用了夾點(diǎn)技術(shù)和不適宜進(jìn)行改造的換熱器外，最終篩選出可以應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行改造的換熱器：E024（蒸汽凝水罐放空冷卻器）和E043（熱水加熱器）。這兩臺換熱器相互緊鄰且改造后不影響裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，符合利用夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行流程改造的條件。

3　夾點(diǎn)技術(shù)實(shí)施方案

3.1E024和E043用能分析

E024和E043為獨(dú)立運(yùn)行的兩臺換熱器，E024為蒸汽冷凝器，用于冷凝蒸汽凝水罐的放空蒸汽，將放空蒸汽由100℃冷凝到90℃；E043為熱水加熱器，將熱水進(jìn)水由48℃加熱到70℃。這兩臺換熱器均位于熱阱系統(tǒng)，不存在跨越夾點(diǎn)的傳熱，其基礎(chǔ)參數(shù)見表3，改造前流程見圖5。

表3　E024和E043基礎(chǔ)參數(shù)表

圖5　E024和E043改造前流程

根據(jù)夾點(diǎn)理論，E024放空蒸汽進(jìn)口溫度為100℃（在55℃以上），需全部應(yīng)用裝置中的冷物料而不是冷公用工程進(jìn)行冷凝；E043為熱水加熱器，可與熱物料進(jìn)行換熱，實(shí)現(xiàn)熱水加熱，剩余所需熱量可由熱公用工程提供。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，E024和E043卻都用公用工程（低壓蒸汽和循環(huán)水）進(jìn)行了換熱，造成了能量的過多損耗。

若對E024和E043的流程進(jìn)行改造，使二者互相換熱，則可以有效解決原流程用能不合理的問題：保留E043，取消E024，直接將蒸汽凝水罐的放空蒸汽與E043的熱水進(jìn)行換熱，使E043殼程走放空蒸汽、管程走熱水，兩種物流互相換熱，達(dá)到既節(jié)約蒸汽消耗量又節(jié)省循環(huán)水用量的目的。改造后的流程如圖6所示。

圖6　E024和E043改造后流程

3.2E024、E043改造后的經(jīng)濟(jì)核算

改造以后，E024的熱量（Q=1550 kW）可以全部被回收，用于加熱E043的熱水，全年運(yùn)行時間按t= 8 000 h、低壓蒸汽潛熱按ΔvapH=2 200 kJ/kg、低壓蒸汽價格按照150元/噸計，根據(jù)式（1）進(jìn)行計算，全年可節(jié)省E043低壓蒸汽用量為：

節(jié)省蒸汽費(fèi)用為：20291×150/10000=304萬元；

若考慮節(jié)省下來的原E024的循環(huán)水成本，則還可節(jié)約更多費(fèi)用，可見改造效益非?？捎^。

4　結(jié)語

利用夾點(diǎn)技術(shù)原理，結(jié)合某丙烯酸（酯）裝置實(shí)際運(yùn)行情況，采用T-H圖解法，通過繪制該裝置的冷、熱組合曲線，得出該裝置的冷夾點(diǎn)溫度為45℃，熱夾點(diǎn)溫度為55℃；找出了裝置實(shí)際運(yùn)行中用能不合理的換熱器E024和E043，并成功完成了換熱網(wǎng)絡(luò)技術(shù)改造，改造后僅蒸汽成本每年就可節(jié)省304萬元。本研究充分說明，對于現(xiàn)有工業(yè)裝置，在滿足正常操作的條件下，利用夾點(diǎn)等過程集成技術(shù)，可從宏觀的角度發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)用能的“瓶頸”，并能夠根據(jù)一定的原則進(jìn)行“解瓶頸”，從而給企業(yè)帶來較好的節(jié)能降耗效益。

[1]BODO Linnhoff,JOHN R Flower.Synthesis of heat exchanger networks：I.Systematic generation of energy optimal networks[J].American Institute of Chemical Journal Engineers 1978,24(4)：633-642.

[2]張飛龍,申玲,李貴賢,等.基于熱損失的換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)設(shè)計法[J].化學(xué)工程,2012,40(6)：5-8,22.

[3]馮宵.化工節(jié)能原理與技術(shù)[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2003：150-154.

[4]馬可,孫鐵,張素香.夾點(diǎn)技術(shù)在換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的應(yīng)用[J].化學(xué)工程師,2013(9)：44-47.

[5]劉智勇,李志偉,霍磊.夾點(diǎn)理論及其在換熱網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)化分析[J].節(jié)能技術(shù),2012,30(3)：273-277,285.

Application of Pinch Technology in the Heat Exchange Network of Acrylic Acid and Acrylate Plant

Chen Hao

The present operation and heat exchange network situations of an acrylic acid and acrylate plant were analyzed with T-H graphic method according to pinch technology,and the unreasonable energy consumption points in the plant were confirmed．Besides,the optimization and improvement methods were proposed,and the plant modification was implemented successfully,the purpose of energy saving and consumption reducing was achieved．

Pinch point;T-H graphic method;Acrylic acid and acrylate plant;Heat exchange network;Energy saving

TK123

陳浩男1982年生本科工程師主要從事化工設(shè)計及科研管理工作

2016年4月