王真貝,呂燈生,錢 赟,顧森榮
(江蘇揚農(nóng)化工集團有限公司,江蘇 揚州 225001)
隨著社會的發(fā)展、科技的進步,人們對能源使用的要求也越來越高。中國在制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展五年規(guī)劃綱要時明確提出了“強化能源節(jié)約和高效利用的政策導向,加大節(jié)能力度,通過優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構特別是降低高耗能產(chǎn)業(yè)比重,實現(xiàn)結構節(jié)能;通過開發(fā)推廣節(jié)能技術,實現(xiàn)技術節(jié)能”等要求。作為傳統(tǒng)重工業(yè),化工企業(yè)的優(yōu)化裝置,節(jié)約能源已經(jīng)成為生產(chǎn)中必不可少的一個環(huán)節(jié)。因此有效優(yōu)化化工裝置的換熱網(wǎng)絡,最大限度的回收熱量是每個化工企業(yè)所必須分析的問題[1,2]。目前已經(jīng)開發(fā)出多種成熟的換熱網(wǎng)絡最優(yōu)化綜合方法,其中最有影響力的是夾點分析法和數(shù)學規(guī)劃法。夾點分析技術方法簡單、思路獨特、靈活、實用、易于理解和掌握、經(jīng)濟效益顯著。本文通過采集揚農(nóng)化工集團苯氯化系統(tǒng)裝置的工藝參數(shù),利用夾點分析法對裝置能耗分析、提出優(yōu)化改造方案。
江蘇揚農(nóng)化工集團有限公司苯氯化裝置主要流程如下:苯經(jīng)預熱器預熱(物流1:溫度30℃升至70℃)進入反應器與氯氣反應,反應后氯化液經(jīng)冷卻器冷卻(物流2:溫度80℃降至40℃)送入中間槽存儲,中間槽物料經(jīng)脫氫預熱器預熱(物流3:溫度40℃升至100℃)送入脫氫塔脫氫,脫氫塔物料送入苯精餾塔分餾,塔頂物料經(jīng)冷卻器冷卻(物流4:溫度80℃降至50℃)后送入回收苯庫,塔釜物料經(jīng)冷卻器冷卻后(物流5:溫度140℃降至70℃)送入氯化苯精餾塔生產(chǎn)氯化苯成品,由于成品精餾塔涉及成品質量,因此不考慮采用熱交換器,相關工藝流程方框圖見圖1。
圖1 苯氯化方框圖
針對以上工藝流程的五股熱流,通過查理化常數(shù)手冊、物料、能量衡算等方法對所需數(shù)據(jù)進行采集,采集數(shù)據(jù)見表1。
表1 苯氯化裝置物流參數(shù)
夾點分析法通常采用溫-焓圖和問題表法確定夾點的位置。
采用溫-焓圖法,首先確定一個系統(tǒng)最小的傳熱溫差—夾點溫差。夾點是冷熱負荷溫焓線上傳熱溫差最小的地方。
當物流較多時,采用溫-焓圖法比較繁瑣,不夠準確,問題表法簡潔易用,所以,本文采用問題表法。
夾點是系統(tǒng)的用能“瓶頸”的地方,它將換熱網(wǎng)絡分成兩部分,即夾點之上和夾點之下。為了使公用工程消耗最小,需遵循以下三個基本原則:
(1)不應有跨越夾點的傳熱;(2)在夾點之上,應盡量避免使用冷卻器;(3)在夾點之下,應盡量避免使用加熱器。
(1)物流數(shù)目準則
夾點物流,夾點之上,冷物流數(shù)要多于熱物流數(shù),夾點之下,冷物流數(shù)要少于熱物流數(shù)。若生產(chǎn)過程中夾點處物流不滿足此準則,可以通過分流解決。
(2)熱容流率準則
根據(jù)經(jīng)驗,熱容流率相近的冷、熱物流匹配換熱,有效能損失小。夾點處物流,夾點上方,熱物流熱容流率小于或等于冷物流熱容流率,夾點下方,熱物流熱容流率大于或等于冷物流熱容流率。同樣不滿足此準則時,可以通過分流來遵守該準則。
(3)最大換熱負荷準則
為保證換熱設備投資費用和換熱單元數(shù),每一次換熱應該達到完成至少一股物流的目標溫度。
(1)經(jīng)驗規(guī)則一,選擇換熱匹配的熱負荷等于該匹配的冷、熱流體中的熱負荷較小者,使熱負荷較小物流通過一次換熱達到目標溫度。這樣可以減少換熱設備數(shù),減少換熱設備投資費用。
(2)經(jīng)驗規(guī)則二,選擇熱容流率相近的冷、熱流體進行匹配換熱,使換熱器結構簡單、費用低[3,4]。
根據(jù)冷熱流體數(shù)據(jù)可以繪制出溫-焓圖,根據(jù)溫-焓圖找出夾點位置,由于步驟繁瑣此處僅列出ASPEN PLUS模擬出的溫-焓圖,本文采用問題表格法計算找出夾點位置。模擬溫-焓圖見圖2。
圖2 模擬溫-焓圖
采用問題表格法計算夾點溫度,首先根據(jù)經(jīng)驗,確定裝置夾點溫差Δ Tmin=5~15℃,首先將所有冷、熱物流按進、出口溫度大小排列起來,即,冷流體:30℃、40℃、70℃、100℃,熱流體:40℃、50℃、70℃、80℃、140℃。取夾點溫差Δ Tmin=10℃時,計算它們的平均溫度。冷流體:35℃、45℃、75℃、105℃,熱流體:35℃、45℃、75℃、135℃。將冷流體和熱流體平均溫度按大小排列并劃分溫區(qū),即,35℃、45℃、75℃、105℃、135℃。5個溫度可以劃分4個溫區(qū),劃分結果見圖3。
圖3 Δ T min=10℃時溫區(qū)分析圖
根據(jù)溫區(qū)收集數(shù)據(jù)以及3.4所述,計算每個溫區(qū)的熱平衡,確定各溫區(qū)輸出和輸入的能量,當ΔHi為負值時表示該溫區(qū)有剩余能量。計算累計熱量和熱通量,計算結果見表2。
表2 Δ T min=10℃時問題表格
由表2可知,根據(jù)熱力學定律,當外界無熱量輸入時,輸出熱量為負值是不合理的,所以外界必須提供熱量,所以,最小加熱公用工程量為81993 kJ/h。當外界輸入81993 kJ/h時,最后溫區(qū)輸出的熱量即最小冷卻公用工程量為18909 kJ/h。溫區(qū)三和溫區(qū)四的熱通量為0,所以,此處就是夾點。夾點位置在熱物流溫度50℃,冷物流溫度40℃處。
根據(jù)ASPEN PLUS模擬熱集合網(wǎng)路中冷熱流體的總組合曲線也可以看出夾點位置為在熱物流溫度50℃,冷物流溫度40℃處。
目前揚農(nóng)集團苯氯化裝置無換熱網(wǎng)絡,熱源全部采用低壓蒸汽,冷源采用系統(tǒng)冷卻水,能耗較高,按照氯化苯成品4 t/h計算,用熱公用工程能耗為1014364 kJ/h,用冷公用工程能耗為951280 kJ/h,總能耗約為1965644 kJ/h,折約16元/t。
本文根據(jù)夾點原則以及分流原則,利用ASPEN PLUS工具,對氯化苯裝置換熱網(wǎng)絡進行優(yōu)化設計,設計換熱網(wǎng)絡見圖4。
圖4 ASPEN PLUS模擬苯氯化換熱網(wǎng)絡
可以看出,優(yōu)化方案采用5個熱交換器進行冷熱物流換熱,回收能量,達到降低生產(chǎn)能好的作用。
此方案熱公用工程能耗為81993 kJ/h,冷公用工程能耗為18909 kJ/h,總能耗為100902 kJ/h。
針對苯氯化裝置能耗,采用夾點分析法,利用ASPEN PLUS軟件模擬,確定了換熱網(wǎng)絡的改造方案并實施。共計增加換熱器5臺,折合約40萬元,總改造費用約為67萬元。改造完成后,設備運行穩(wěn)定,年節(jié)約能耗14768756 MJ,折約50.1萬元,投資回收期約為1.3年,能耗降低效益明顯。
本文在采集揚農(nóng)化工集團苯氯化裝置工藝參數(shù)的基礎上,采用夾點分析法,結合ASPEN PLUS軟件模擬,對苯氯化裝置的換熱網(wǎng)絡進行分析并提出改造方案,改造方案可行性高,效益明顯,投資回收期僅約為1.3年。
同時,對于現(xiàn)用工業(yè)裝置,在滿足正常操作的前提下,采用夾點分析法等過程集成技術,可以從宏觀角度發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)用能網(wǎng)絡的不足并幫助確定最佳方案,為企業(yè)的節(jié)能增效提供有力支持。