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 31201023671、 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/kW2-351.3275冷流股820194-5480190热流股-552566-772.850热流股-59478-983.550热流股-1417210-1187.550热流股-1352612-1396.230热流股-1255214-15387.8155热流股-3491316-174420热流股-613018-1914630热流股-19740.220-21103.930热流股-4961.222-2388203冷流股20429.824-2530.4-35热流股-1157026-27-4030冷流股354628-2937-40热流股-385130-31106.2285冷流股2366732-3336.2106.6冷流股4260.734-3526.196.1冷流股1838436-37167.160热流股-105538-39166.260.3热流股-600.840-4160.140热流股-262.742-4353.640热流股-74644-4573.6163.4冷流股1709246-478850热流股-77712.348-495030热流股-8263过程名称初始温度/目标温度/流股类型Heat Duty/kWT1-TOP109101热流股-29762T1-BOTTOM145.9146冷流股32542T2-TOP7867.1热流股-14723T2-BOTTOM158.2169冷流股28249T3-TOP33.920.8热流股-14967T3-BOTTOM103.6105.3冷流股13841T4-TOP-36.5-40.3热流股-6440.3T4-BOTTOM46.947冷流股9014T5-TOP53.352.8热流股-70859T5-BOTTOM62.462.7冷流股71145T6-TOP-70.5-92.4热流股-272.6T6-BOTTOM-9-8.6冷流股278T7-TOP-33.6-33.7热流股-1595.2T7-BOTTOM-10.8-9.6冷流股1517T8-TOP90.274热流股-22106T8-BOTTOM154.2166.8冷流股8732T9-TOP110.4108.9热流股-1086.5T9-BOTTOM165.2169.8冷流股17292、 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Targets3、 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 ExchangerLoad/(kJ/h)Cost IndexAera/m2ShellsHot StreamCold StreamE-134E-134182365734662.4472.64113112-1326-27E-189E-18993118628135.5449.46531116-17T6-BOTTOME-126E-12651019200445155.11857.49548-9Cooling WaterE-132E-1322.3E+08272719411714.8224T5-TOPCooling WaterE-185E-1851212752635086.4974.20571128-29Very Low TemperatureE-187E-187572014026816.6745.010361T7-TOPVery Low TemperatureE-198E-1982164470710903424603.511018-1934-35E-176E-1762.48E+0818364187890.561646-47Cooling WaterE-194E-194330818524156451701.395418-19Cooling WaterE-190E-190412560.766799.9173.3064238-39T1-BOTTOME-150E-15030167227270203.51049.539314-152-3E-152E-152173607587010.93301.5282128-2926-27E-156E-1562907899110243.5352.5332236-37T5-BOTTOME-147E-14712879323194374.5755.103220-21Cooling WaterE-149E-14921409200210349.6837.752526-7Cooling WaterE-137E-1372895724498382.71358.1761114-15T3-BOTTOME-143E-1432956585116678.7453.14251T8-TOP34-35E-203E-203712789.998088.46299.9361236-37T1-BOTTOME-186E-1863295354566189.53203.3325124-25Very Low TemperatureE-131E-13129746800776129.63275.222748-49Cooling WaterE-171E-17117493530611309.32514.619612-132-3E-217E-2172113681446392.7118.1423116-17Very Low TemperatureE-213E-213177310.913585.076.520189136-37Cooling WaterE-215E-21514480554113346.8435.52081T2-TOPCooling WaterE-151E-1512101286711097674707.20810T2-TOP34-35E-138E-13858581098538278.82138.8426MP Steam44-45E-179E-17928401984623432.82578.1516T8-TOPT4-BOTTOME-128E-128268560060984.84180.0689142-43Cooling WaterE-130E-13094572030222.2856.67938140-41Cooling WaterE-200E-20010719534451128.21889.42446-4732-33E-117E-1174980997119011.1465.5604120-21T5-BOTTOME-170E-170339071020020.8723.565091T4-TOPVery Low TemperatureE-115E-1154712962019587068092.13204-530-31E-214E-21448344997401259.71626.312410-11Cooling WaterE-162E-1628698455201631792.4324224-2526-27E-158E-15830815918369350515824.7133T8-TOP2-3E-218E-2182977248622572299670.28320T3-TOPCooling WaterE-178E-178507413.820063.2123.689621T3-TOP26-27E-180E-1801.07E+0816533937027.34615T1-TOPT5-BOTTOME-182E-18223663038145979516.08312MP Steam22-23E-184E-18425870013393713.71587.2412-13Cooling WaterE-177E-1772056824112375925160.121246-4734-35E-169E-16985884213944.457.347191T6-TOPVery Low TemperatureE-118E-118295570362928.34188.68961T3-TOPT7-BOTTOME-195E-195295010274611.61242.11721T9-TOP44-45E-157E-15716338161174828656.4003218-19T5-BOTTOME-140E-14049884242429668.91775.236414-1522-23E-146E-146175031923940.1235.60169138-39Cooling WaterE-202E-202348602.7265452.71025.641310-1132-33E-220E-22019630376526678.72177.3125MP SteamT8-BOTTOME-221E-2211.16E+0813342555672.92212MP SteamT1-BOTTOME-222E-2226119549311861.11263.6193MP SteamT9-BOTTOME-223E-22389597519297725212818.526MP SteamT2-BOTTOME-224E-224427038372286.91231.27761LP Steam32-33E-227E-22764999745672104.72836.3386MP Steam2-3E-229E-22916678087115965449.3559114-1530-31E-231E-2311.52E+08848854.13547.91484-52-3E-232E-23221393493191513.5740.48512MP Steam30-31