能量集成及换热网络设计

2018年“东华科技-陕鼓杯”

第十二届全国大学生化工设计竞赛

中石化镇海炼化分公司

年产1.2万吨叔丁胺和1.8万吨聚异丁烯项目能量集成及换热网络设计

ZJU C.E.O团队

叶骐瑜陈宁洁方譽錡俞彬彬李锦秀

指导老师：***

目录

1概述 (3)

2原始工艺流股提取 (3)

3原始工艺流股的能耗分析 (4)

4工艺流程的改进 (6)

5改进工艺流股的提取及分析 (7)

6换热网络设计 (10)

7热泵技术分析 (13)

8相变潜热利用分析 (14)

9节能技术利用总结 (15)

10总结 (16)

1概述

本项目是中石化镇海炼化分公司MTBE来源粗异丁烯利用子项目。该项目采用传统的MTBE精制路线，直接以镇海炼化MTBE生产装置裂解提纯得到高纯异丁烯，利用部分高纯异丁烯来生产1.8万吨／年的纯度为99.7%的中分子量聚异丁烯，另一部分高纯异丁烯进一步催化胺化生产 1.2万吨／年附加值更高的叔丁胺。运行操作成本是一个重要评价参数。原料的预热、精馏等都是非常耗能的过程，会消耗大量的公用工程。

本项目工艺由异丁烯提纯、叔丁胺合成、叔丁胺提纯、异丁烯聚合和聚异丁烯后处理五个工段组成。流程中冷热物流均比较多，潜在的热量可供回收，通过对换热网络的设计和优化，可以尽可能地实现流程内部热量的集成和最大化利用，以减少公用工程的消耗，降低能耗。为此，我们运用Aspen Energy Analyzer V10软件来进行换热网络的设计，并且寻找可能节能的措施，以最大限度的降低成本。

通过对本项目工艺流股温位和换热要求的分析，为了尽可能降低系统能耗费用以及母厂可供公用工程的来源，本换热网络需要的冷公用工程包括循环冷却水、空气和冷冻剂，热公用工程包括为125℃的低压蒸汽、175℃的中压蒸汽、250℃的高压蒸汽和400℃的热油，均可由厂区公用工程站和冷冻站提供，形成与母厂的公用工程集成。

通过对系统工艺流股的能耗分析，为了尽可能地利用组合曲线平台区潜热，在工艺流程中采用了双效精馏技术和热泵技术，并进一步进行了换热网络的集成和优化，可以回收热量10782.97kW，占比27.21%,效精馏技术和热泵的采用消耗了约31kW，总计节约能量约10751.97Kw。

2原始工艺流股提取

根据所设计的工艺流程的Aspen模拟结果，由Aspen Energy Analyzer V10分析后提取的流股如下表1和表2所示（物流号及设备标号参照[1-原始工艺流股（全流股模拟，不含热泵、双效精馏）.bkp]）。表中并不包含反应器R0101、R0201以及R0401所需的换热要求，其解决方案在下节工艺流股能耗分析中进一

步说明。

表1 工艺过程物流信息表（不含节能措施）

表2 塔设备物流信息表（不含节能措施）

3原始工艺流股的能耗分析

在Aspen Energy Analyzer V10中评估了最小传热温差对系统经济性的影响，获得系统总费用与最小传热温差的关系曲线如图2所示。

图 1 总费用-最小传热温差关系曲线图（不含节能措施）由图1可以看出，传热温差为23℃时总费用最小，因此选取最小传热温差为23℃。在此最小传热温差下的过程组合曲线见图2，总组合曲线如图3所示。

图 2过程组合曲线图（不含节能技术）

图 3 优化前的总组合曲线图（不含节能技术）

图2所示的组合曲线表明工艺流股中所有热流股和冷流股的换热量及温位要求。除了上述工艺流股的换热任务外，本系统中还有反应器R0101、R0201以及R0401有换热要求，可以选用公用工程或工艺流股来实现。其中，MTBE裂解反应器R0101反应吸热，反应温度为265℃-300℃，由图3的总组合曲线可知，系统中没有合适的热工艺流股可以利用，所以使用热公用工程热油对R0101进行换热。叔丁胺合成反应器R0201需要流股伴热,反应温度为525K-535K，可进一步利用与R0101换热后的热油，以减少热公用工程用量。之后的分析都在Aspen 模拟中加入反应器所需利用的热油进行分析。异丁烯聚合反应器R0401为恒温反应器，反应温度为-25℃，为了保证控制反应器的恒温，不便于采用工艺换热，因此采用公用工程液氨维持反应温度恒定。

4工艺流程的改进

由图2的组合曲线可以看出，夹点附近存在较长的平台区，经分析可知，蓝色线的冷流体平台一部分表示异丁烯精制精馏塔T0102塔底再沸液体蒸发过程的相变热，红色线的热流体平台一部分表示异丁烯脱重塔T0101塔顶蒸汽冷凝过程的相变热，若增加T0101塔压后，T0101塔顶气体温度升高，可作为T0102塔底再沸器的热源进行换热，实现相变潜热的多效利用。

平台区一部分是叔丁胺精制精馏塔T0302塔顶及塔底的相变热，而且T0302

塔顶、塔釜温度差为22.8℃，该塔可以通过热泵技术提高塔顶流股温位，用以加热塔釜流股，增加系统内部换热量，减少公用工程的消耗量。

5改进工艺流股的提取及分析

加入双效精馏和热泵精馏后，在ASPEN中重新模拟全流程，得到新的流股信息（物流号及设备位号参考[3-改进工艺流股（全流程模拟，含热泵、双效精馏）.bkp]）见表3和表4.

表3 工艺过程物流信息表（含节能措施）

表4 塔设备物流信息表（含节能措施）

T0201 Condenser 3.6 3.4 2999.831

T0301 Reboiler 139.7 139.8 40.53918

T0301 Condenser 49.9 40.2 1432.754

T0501 Reboiler 93.5 93.7 1440.278

T0501 Condenser 81.8 53.8 7.516667

对最小传热温差进行经济评估，得到新的总费用-最小传热温差关系曲线，见图4。

图 4 总费用-最小传热温差关系曲线图（含节能技术）

可以看出，随着最小传热温差的增大，总费用先减小后增大。选择总费用最小时的最小传热温差：20℃。

将最小传热温差设为20℃，可以得到热集成过程的能量目标：