热集成大作业.doc

化工过程分析与合成大作业(甲醇制丙烯过程换热网络设计)
贾锦波 3120102367
1、 提取流股
根据所给的流程图和aspen plus源文件，将原有换热网络打破，提取生产过程中需要换热的冷热物流。
在提取前，需先在流程图中为必要的流股进行编号，编号结果如下图绿色数字所示：
之后将过程流股与塔设备物流分别提取。制表如下：
（注：过程流股由“MTP流程详图-换热网络.jpg”得到，塔设备流股由“DZY.bkp”得到）
流股编号（始-末）
初始温度/℃
目标温度/℃
流股类型
Heat Duty/kW
2-3
51.3
275
冷流股
82019
4-5
480
190
热流股
-55256
6-7
72.8
50
热流股
-5947
8-9
83.5
50
热流股
-14172
10-11
87.5
50
热流股
-13526
12-13
96.2
30
热流股
-12552
14-15
387.8
155
热流股
-34913
16-17
44
20
热流股
-6130
18-19
146
30
热流股
-19740.2
20-21
103.9
30
热流股
-4961.2
22-23
88
203
冷流股
20429.8
24-25
30.4
-35
热流股
-11570
26-27
-40
30
冷流股
3546
28-29
37
-40
热流股
-3851
30-31
106.2
285
冷流股
23667
32-33
36.2
106.6
冷流股
4260.7
34-35
26.1
96.1
冷流股
18384
36-37
167.1
60
热流股
-1055
38-39
166.2
60.3
热流股
-600.8
40-41
60.1
40
热流股
-262.7
42-43
53.6
40
热流股
-746
44-45
73.6
163.4
冷流股
17092
46-47
88
50
热流股
-77712.3
48-49
50
30
热流股
-8263
过程名称
初始温度/℃
目标温度/℃
流股类型
Heat Duty/kW
T1-TOP
109
101
热流股
-29762
T1-BOTTOM
145.9
146
冷流股
32542
T2-TOP
78
67.1
热流股
-14723
T2-BOTTOM
158.2
169
冷流股
28249
T3-TOP
33.9
20.8
热流股
-14967
T3-BOTTOM
103.6
105.3
冷流股
13841
T4-TOP
-36.5
-40.3
热流股
-6440.3
T4-BOTTOM
46.9
47
冷流股
9014
T5-TOP
53.3
52.8
热流股
-70859
T5-BOTTOM
62.4
62.7
冷流股
71145
T6-TOP
-70.5
-92.4
热流股
-272.6
T6-BOTTOM
-9
-8.6
冷流股
278
T7-TOP
-33.6
-33.7
热流股
-1595.2
T7-BOTTOM
-10.8
-9.6
冷流股
1517
T8-TOP
90.2
74
热流股
-22106
T8-BOTTOM
154.2
166.8
冷流股
8732
T9-TOP
110.4
108.9
热流股
-1086.5
T9-BOTTOM
165.2
169.8
冷流股
1729

2、 确定能量目标
将换热流股输入ASPEN ENERGY ANALYZER V8.6 软件，选用的公用工程如下图所示：

图2.1 公用工程选用

确定最小夹点温差：最小温差对于换热网络是至关重要的，温差选择较大，则会使得高品质的能量损耗，温差选择较小，则会使得传热面积无限大，使得设备的投资费直线上升。不断改变夹点温差，计算换热网络的总投资，得到趋势图。

图2.2 总投资随最小传热温差变化曲线图
如图所示，在最小传热温差为6摄氏度时总投资达到最低，故选用6度作为后续设计的最小传热温差，并作出组合曲线和总组合曲线图分别如下。

图2.3 冷热物流的组合曲线图和总组合曲线图
由此可见，全工艺过程中有较大能量可以回用，另外，可选用多级公用工程，以更好的实现能量目标。
图2.4 自动匹配多级公用工程的总组合曲线图

同时，可从中得到夹点温度为：
热流股125℃，冷流股119℃。
此外，能量回用目标也可由软件自动计算得出：

图2.5 能量回用换热网络设计的Targets

3、 换热网络设计
3.1 初选换热网络
利用Aspen Energy Analyzer V8.6 软件可推荐数十个换热网络，将计算得到的一系列换热网络与能量回用目标进行比较，计算结果如下表所示：

表3.1 推荐换热方案比较

最终依据总花费最小原则，选定换热网络，并进行自动优化，如图4.2所示：

图3.1 初选换热网络

3.2 换热网络能量分析
初选的换热网络虽可行，但显示夹点后可发现，存在不少能量利用不合理的地方，如：

图3.2 显示夹点和回路的初选换热网络

1、 有冷流股在夹点以下使用了热公用工程（如换热器E-147、E-166）.
2、 还存在有冷热流股跨夹点换热的情况，如换热器E-179等。
以上两种情况都会增加公用工程的用量，应尽量避免。
3、 在该网络中，有大量的回路存在，如换热器E-121与换热器E-179所构成的回路（图中黄线所示），这将徒然增添换热器数量，在经济上并不合理。

3.3 换热网络优化
以最小公用工程用量为目标，并尽可能减少换热器数量
1、尽可能将跨夹点的换热情形去除
2、将夹点以上的冷公用工程移至夹点以下，同样，将夹点以下的热公用工程移至夹点以上。
3、尽量避免高品位热量给低品位流股换热，即以温度相近为原则合理进行冷热匹配。
4、网络中存在一股物流多次使用同一公用工程的几个匹配，可将其合并以减少换热器数量。
5、找出换热网络中的回路，将其打断，并进行热负荷集成分担，以减少换热器数量。
另外，在设计时可通过连接冷热公用工程的通路，进行网络松弛，以改变换热器匹配使换热满足要求。也应当时刻注意尽量避免跨夹点换热、用高品位的公用工程为低品位流股换热。
经过以上各换热网络的优化手段，最终得到的换热网络如图3.3所示
公用工程能耗有所减少，冷、热公用工程用量分别减少到了目标用量的110.4%和123.8%。换热器数量由原来的69台减少到58台。

图3.3优化后的换热网络

以下列出58台换热器换热情况：
Heat Exchanger
Load/(kJ/h)
Cost Index
Aera/m2
Shells
Hot Stream
Cold Stream
E-134
E-134
1823657
34662.44
72.64113
1
12-13
26-27
E-189
E-189
931186
28135.54
49.46531
1
16-17
T6-BOTTOM
E-126
E-126
51019200
445155.1
1857.495
4
8-9
Cooling Water
E-132
E-132
2.3E+08
2727194
11714.82
24
T5-TOP
Cooling Water
E-185
E-185
12127526
35086.49
74.20571
1
28-29
Very Low Temperature
E-187
E-187
5720140
26816.67
45.01036
1
T7-TOP
Very Low Temperature
E-198
E-198
21644707
1090342
4603.51
10
18-19
34-35
E-176
E-176
2.48E+08
1836418
7890.56
16
46-47
Cooling Water
E-194
E-194
33081852
415645
1701.395
4
18-19
Cooling Water
E-190
E-190
412560.7
66799.9
173.3064
2
38-39
T1-BOTTOM
E-150
E-150
30167227
270203.5
1049.539
3
14-15
2-3
E-152
E-152
1736075
87010.93
301.5282
1
28-29
26-27
E-156
E-156
2907899
110243.5
352.5332
2
36-37
T5-BOTTOM
E-147
E-147
12879323
194374.5
755.103
2
20-21
Cooling Water
E-149
E-149
21409200
210349.6
837.7525
2
6-7
Cooling Water
E-137
E-137
28957244
98382.71
358.1761
1
14-15
T3-BOTTOM
E-143
E-143
2956585
116678.7
453.1425
1
T8-TOP
34-35
E-203
E-203
712789.9
98088.46
299.9361
2
36-37
T1-BOTTOM
E-186
E-186
32953545
66189.53
203.3325
1
24-25
Very Low Temperature
E-131
E-131
29746800
776129.6
3275.222
7
48-49
Cooling Water
E-171
E-171
17493530
611309.3
2514.619
6
12-13
2-3
E-217
E-217
21136814
46392.7
118.1423
1
16-17
Very Low Temperature
E-213
E-213
177310.9
13585.07
6.520189
1
36-37
Cooling Water
E-215
E-215
14480554
113346.8
435.5208
1
T2-TOP
Cooling Water
E-151
E-151
21012867
1109767
4707.208
10
T2-TOP
34-35
E-138
E-138
58581098
538278.8
2138.842
6
MP Steam
44-45
E-179
E-179
28401984
623432.8
2578.151
6
T8-TOP
T4-BOTTOM
E-128
E-128
2685600
60984.84
180.0689
1
42-43
Cooling Water
E-130
E-130
945720
30222.28
56.67938
1
40-41
Cooling Water
E-200
E-200
10719534
451128.2
1889.42
4
46-47
32-33
E-117
E-117
4980997
119011.1
465.5604
1
20-21
T5-BOTTOM
E-170
E-170
3390710
20020.87
23.56509
1
T4-TOP
Very Low Temperature
E-115
E-115
47129620
1958706
8092.13
20
4-5
30-31
E-214
E-214
48344997
401259.7
1626.312
4
10-11
Cooling Water
E-162
E-162
8698455
201631
792.4324
2
24-25
26-27
E-158
E-158
30815918
3693505
15824.71
33
T8-TOP
2-3
E-218
E-218
29772486
2257229
9670.283
20
T3-TOP
Cooling Water
E-178
E-178
507413.8
20063.21
23.68962
1
T3-TOP
26-27
E-180
E-180
1.07E+08
1653393
7027.346
15
T1-TOP
T5-BOTTOM
E-182
E-182
23663038
145979
516.0831
2
MP Steam
22-23
E-184
E-184
25870013
393713.7
1587.2
4
12-13
Cooling Water
E-177
E-177
20568241
1237592
5160.12
12
46-47
34-35
E-169
E-169
858842
13944.45
7.34719
1
T6-TOP
Very Low Temperature
E-118
E-118
2955703
62928.34
188.6896
1
T3-TOP
T7-BOTTOM
E-195
E-195
2950102
74611.61
242.1172
1
T9-TOP
44-45
E-157
E-157
16338161
174828
656.4003
2
18-19
T5-BOTTOM
E-140
E-140
49884242
429668.9
1775.236
4
14-15
22-23
E-146
E-146
1750319
23940.12
35.60169
1
38-39
Cooling Water
E-202
E-202
348602.7
265452.7
1025.641
3
10-11
32-33
E-220
E-220
19630376
526678.7
2177.312
5
MP Steam
T8-BOTTOM
E-221
E-221
1.16E+08
1334255
5672.922
12
MP Steam
T1-BOTTOM
E-222
E-222
6119549
311861.1
1263.619
3
MP Steam
T9-BOTTOM
E-223
E-223
89597519
2977252
12818.5
26
MP Steam
T2-BOTTOM
E-224
E-224
4270383
72286.91
231.2776
1
LP Steam
32-33
E-227
E-227
64999745
672104.7
2836.338
6
MP Steam
2-3
E-229
E-229
16678087
115965
449.3559
1
14-15
30-31
E-231
E-231
1.52E+08
848854.1
3547.914
8
4-5
2-3
E-232
E-232
21393493
191513.5
740.4851
2
MP Steam
30-31