热集成大作业

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：

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

E-186E-1863295354566189.53203.3325124-25Very Low Temperature E-131E-13129746800776129.63275.222748-49Cooling Water

E-171E-17117493530611309.32514.619612-132-3

E-217E-2172113681446392.7118.1423116-17Very Low Temperature E-213E-213177310.913585.07 6.520189136-37Cooling Water

E-215E-21514480554113346.8435.52081T2-TOP Cooling Water

E-151E-1512101286711097674707.20810T2-TOP34-35

E-138E-13858581098538278.82138.8426

MP

Steam

44-45

E-179E-17928401984623432.82578.1516T8-TOP T4-BOTTOM

E-128E-128268560060984.84180.0689142-43Cooling Water

E-130E-13094572030222.2856.67938140-41Cooling Water

E-200E-20010719534451128.21889.42446-4732-33

E-117E-1174980997119011.1465.5604120-21T5-BOTTOM

E-170E-170339071020020.8723.565091T4-TOP Very Low Temperature E-115E-1154712962019587068092.13204-530-31

E-214E-21448344997401259.71626.312410-11Cooling Water

E-162E-1628698455201631792.4324224-2526-27

E-158E-15830815918369350515824.7133T8-TOP2-3

E-218E-2182977248622572299670.28320T3-TOP Cooling Water

E-178E-178507413.820063.2123.689621T3-TOP26-27

E-180E-180 1.07E+0816533937027.34615T1-TOP T5-BOTTOM

E-182E-18223663038145979516.08312

MP

Steam

22-23

E-184E-18425870013393713.71587.2412-13Cooling Water

E-177E-1772056824112375925160.121246-4734-35

E-169E-16985884213944.457.347191T6-TOP Very Low Temperature E-118E-118295570362928.34188.68961T3-TOP T7-BOTTOM

E-195E-195295010274611.61242.11721T9-TOP44-45

E-157E-15716338161174828656.4003218-19T5-BOTTOM

E-140E-14049884242429668.91775.236414-1522-23

E-146E-146175031923940.1235.60169138-39Cooling Water

E-202E-202348602.7265452.71025.641310-1132-33

E-220E-22019630376526678.72177.3125

MP

Steam

T8-BOTTOM

E-221E-221 1.16E+0813342555672.92212

MP

Steam

T1-BOTTOM

E-222E-2226119549311861.11263.6193

MP

Steam

T9-BOTTOM

E-223E-22389597519297725212818.526

MP

Steam

T2-BOTTOM

E-224E-224427038372286.91231.27761LP Steam32-33

E-227E-22764999745672104.72836.3386

MP

Steam

2-3