换热网络设计说明

换热网络集成说明
一．概述
目前，换热网络集成主要有三种方法：试探法，夹点技术，数学规划法。

其中，夹点技术以其使用简单，直观和灵活的优点被广泛的使用。

但夹点技术也有其缺点，夹点在应用中的主要缺陷有两点：过于注重能量的节省，而在设备和经济上的考虑略显不足；有些夹点匹配技术（如利用分流技术来匹配物流）在工艺的难以实现。

本项目换热网络集成以夹点为基础，综合考虑多方面因素，寻找合适于本工艺的换热网络。

为了减少公用工程的消耗，实现节能降耗和降低运行成本，在初步设计阶段，利用Aspen HX-net模块进行计算机辅助换热网络的集成和优化，由于本项目属于新建项目，运行成本将是一个重要的考核参数，其中公用工程的能耗是重点之一，同时考虑工艺需要和实际条件，找到设备投资与运行费用的平衡点达到经济利益的最优化。

根据本项目的工艺特点将整个生产过程分成三个工段：MTO反应工段、预分离及催化裂化工段、深冷分离工段。

但综合考虑车间工段间的距离等因素，在进行换热网络集成时，分成四个工段：MTO反应工段、预分离工段、催化裂化工段、深冷分离工段，先分工段进行夹点匹配、优化匹配，最后对全全流程的换热网络、公用工程进行整合与调优，达到能量的综合匹配与有效利用。

二．换热网络集成
1.分工段换热网络集成
（1）MTO反应工段
①物流信息提取
Aspen plus流程模拟提示“no error and warning”，通过Aspen HX-Net的自动导入功能对换热物流信息进行提取，手动检查物流信息，将提取有差异的信息输入至换热网络中，并补加部分物流，选择公用工程的类型及温度。

MTO反应工段物流提取信息见表5-1所示，热量回收及公用工程信息见表5-2所示。

表5-1 MTO反应工段物流提取信息
注：物流发生相变时出现分段，各段的物流密度由物流性质决定。

表5-2 MTO反应工段热量回收及公用工程信息
②能量分析
设定最小传热温差为10℃，利用Aspen HX-net对能量进行分析，温焓图如图5-1所示，总组合曲线如图5-2所示。

图5-1 MTO反应工段温焓图
图5-2 MTO反应工段总组合曲线
通过软件计算得到，系统的公用工程夹点温度为35-25℃，所需热公用工程用量为：7.268×108 KJ/h，冷公用工程用量为1.0888×109 KJ/h。

③物流匹配
本工段MTO出口急冷塔入口的物流由于工艺需要，需要快速冷却，不适合长距离换热，所以先进入废热锅炉换热，再预热MTO入口原料，最后用三元重冷剂冷却到适宜温度，同时换热网络集成考虑了再生空气的换热，以及再生塔出口高温空气的余热回收。

综合考虑工艺可行性、匹配原则、热量回收等原则，设计出MTO反应工段换热网络，如图5-3所示。

图5-3 MTO反应工段换热网络
（2）预分离工段
①物流提取
Aspen plus流程模拟提示“no error and warning”，通过Aspen HX-Net的自动导入功能对换热物流信息进行提取，手动检查物流信息，将提取有差异的信息输入至换热网络中，并补加部分物流，选择公用工程的类型及温度。

预分离工段物流提取信息见表5-3所示，能量回收及公用工程信息见表5-4所示。

表5-3 预分离工段物流提取信息
物流名称类型入口温度
（℃）
出口温度
（℃）
热容流率
(kJ/℃·h)
焓值（kJ/h）
流量
（kg/ h）
注：物流发生相变时出现分段，各段的物流密度由物流性质决定。

表5-4 预分离工段能量回收及公用工程信息
②能量分析
设定最小传热温差为10℃，利用Aspen HX-net对能量进行分析，温焓图见图5-4所示，总组合曲线见图5-5所示。

图5-4 预分离工段温焓图
图5-5 预分离工段总组合曲线
通过软件计算得到，系统的公用工程夹点温度有三个，温度为124.0-114.0℃、109.7-99.7℃、30.0-20.0℃，所需热公用工程用量为：7.268×108KJ/h ，冷公用工程用量为8.063×106 KJ/h。

③物流匹配
本工段只有物流与公用工程的换热，而没有物流间的换热，原因在于，压缩后的气体不适合与物流进行换热，所以用冷却水进行冷却，综合考虑工艺可行性、
匹配原则以及换热距离，设计出预分离工段换热网络见图5-6所示。

图5-6 预分离工段换热网络
（3）催化裂化工段
①物流提取
Aspen plus流程模拟提示“no error and warning”，通过Aspen HX-Net的自动导入功能对换热物流信息进行提取，手动检查物流信息，将提取有差异的信息输入至换热网络中，并补加部分物流，选择公用工程的类型及温度。

预分离工段物流提取信息见表5-5所示，能量回收及公用工程信息见表5-6所示。

表5-5 催化裂化工段物流提取信息
物流名称类
型
入口温度
（℃）
出口温度
（℃）
热容流率
(kJ/℃·h)
焓值（kJ/h）
流量
（kg/ h）
注：物流发生相变时出现分段，各段的物流密度由物流性质决定。

表5-6 催化裂化工段能量回收及公用工程信息
②能量分析
设定最小传热温差为10℃，利用Aspen HX-net对能量进行分析，温焓图见图5-7所示，总组合曲线见图5-8所示。

图5-7 催化裂化工段温焓图
图5-8 催化裂化工段总组合曲线
通过软件计算得到，本工段没有夹点，需最少热公用工程用量为：1.835×108 KJ/h，最少冷公用工程用量为1.549×108 KJ/h。

③物流匹配
本工段要保证催化裂化反应器内的温度维持在624.7℃，需要大量的热量，本设计拟先用催化裂化出口的高温气体预热，再用深冷工段经分离、冷量回收后的常温甲烷燃烧而产生大量高温烟道气提供足够的热量。

综合考虑工艺可行性、匹配原则、能量的综合回收利用等原则，设计出催化裂化工段换热网络见图5-9所
示。

图5-9 催化裂化工段换热网络
（4）深冷分离工段 ①物流提取
Aspen plus 流程模拟提示“no error and warning ”，通过Aspen HX-Net 的自动导入功能对换热物流信息进行提取，手动检查物流信息，将提取有差异的信息输入至换热网络中，并补加部分物流，选择公用工程的类型及温度。

深冷分离工段物流提取信息见表5-7所示，能量回收及公用工程信息见表5-8所示。

表5-7 深冷分离工段物流提取信息
物流名称
类型
入口温度（℃） 出口温度（℃） 热容流率(kJ/℃·h) 焓值（kJ/h ）
流量 （kg/ h ） -8.3
-17.8 2.349×105
注：物流发生相变时出现分段，各段的物流密度由物流性质决定。

表5-8 深冷分离工段能量回收及公用工程信息
②能量分析
设定最小传热温差为10℃，利用Aspen HX-net对能量进行分析，温焓图见图5-10所示，总组合曲线见图5-11所示。

图5-10 深冷分离工段温焓图
图5-11 深冷分离工段总组合曲线
通过软件计算得到，本工段的夹点有两个，温度为40.4-30.4℃、-43.1--53.1℃，热公用工程用量为5.604×108 KJ/h，公用工程用量为6.309×108 KJ/h。

③物流匹配
深冷工段温位较低，对冷量的需求量很大，是能量集成的重点工段之一，除了考虑在空间布置和工艺等方面的匹配可行性外，合适的公用工程的选择对与能量和费用的降低很重要。

本工段换热网络集成时，考虑了甲烷塔出口-105.7℃甲烷的冷量的回收，此工段低温甲烷换热后升温至常温，送至催化裂化工段燃烧产生高温烟道气。

另外针对不同温位的公用工程进行选择与优化，使用多品味公用工程（三元轻冷剂、三元中冷剂、三元重冷剂、冷却水）的深冷工段换热网络方案1见图5-12所示，使用单一品味公用工程（乙烯冷剂、冷却水）的深冷工段换热网络方案2见图5-13所示。

图5-12 深冷分离工段换热网络方案1
图5-13 深冷分离工段换热网络方案2
通过换热网络计算结果的比较，方案1比方案2的总换热面积大43.6%，设备费高46.2%，操作费低91.8%，总费用低88.6%，综合考虑多方面，选择深冷工段换热网络方案1，即使用多品味公用工程。

2.全流程换热网络集成
①物流信息提取
Aspen plus流程模拟提示“no error and warning”，通过Aspen HX-Net的自动导入功能对全流程模拟的物流信息进行提取，手动检查物流信息，将提取有差异的信息输入至换热网络中，并补加部分物流，依据各工段的换热网络，整合全流程的换热网络，重新调整公用工程的类型及温度。

全流程物流提取信息见表5-9所示，优化后的公用工程信息见表5-10所示。

表5-9 全流程物流提取信息
表5-10 全流程公用工程信息
②能量分析
设定最小传热温差为10℃，利用Aspen HX-net对能量进行分析，温焓图见图5-14所示，总组合曲线见图5-15所示。

图5-14 全流程温焓图
图5-15 全流程总组合曲线
通过软件计算得到，系统的夹点有五个，温度为700.0-690.0℃、678.0-668.0℃、38.9-28.9℃、0.0--10.0℃、-67.0--77.0℃，所需热公用工程用量为：
2.247×109KJ/h ，最少冷公用工程用量为
3.237×109KJ/h。

③物流匹配
以分工段的换热匹配为基础，重新选择合适的多品味公用工程后进行物流匹配的整合。

由于分流处理而工艺上难以实现，所以本项目的物流没有进行分流。

考虑到设备投资等原因，换热量较小的物流间不进行匹配。

综合考虑工艺可行性以及匹配原则，设计出全流程换热网络见图5-16所示。

图5-16全流程换热网络
三．换热网络可行性的验证
Aspen plus全流程换热网络模拟验证流程图如图5-17所示，最终由换热网络模拟验证换热网络的可行性，并确定公用工程用量。

图5-17 全流程换热网络模拟
四．节能效果
表5-11 能量回收利用信息
表全流程公用工程信息
由此可以看出，经过匹配和热量回收后，公用工程用量大大降低，达到了很好的节能效果。