換熱網(wǎng)絡中熱口袋與精餾塔的熱集成

王欣華，王彧斐，馮 霄

（中國石油大學（北京）新能源研究院，北京 102249）

能源供應是經(jīng)濟增長的瓶頸，要使經(jīng)濟強勁增長，勢必要提高能源利用效率。化工過程中分離單元的能耗大約占40%～70%，而其中95%是精餾過程消耗的［1-2］。因此，利用過程余熱降低精餾過程的能耗，對提高化工過程的能源利用效率具有非常重要的意義［3］。

20世紀80年代，Linnhoff等［4-6］提出了夾點技術(shù)，從宏觀的角度分析了過程系統(tǒng)中能量流沿溫度的分布，從中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)用能的“瓶頸”，并給出了解決“瓶頸”的方法。在換熱網(wǎng)絡的總復合曲線（CGCC）上，當夾點之上出現(xiàn)內(nèi)部局部熱源或夾點之下出現(xiàn)內(nèi)部局部熱阱時會形成熱口袋，但夾點技術(shù)對換熱網(wǎng)絡的熱口袋中熱量的梯級回收利用的研究并不充分。Hindmarsh等［7］提出了帶有塔換熱網(wǎng)絡的CGCC，將精餾過程與換熱網(wǎng)絡聯(lián)系起來。Linnhoff等［5］提出精餾塔與背景過程（指不含分離過程的過程系統(tǒng)）的集成應不跨越夾點，通過將單塔與過程熱集成降低精餾塔的公用工程用量［8］。Kemp和Smith提出了通過泵回流、預熱進料等方法將精餾塔與背景過程的熱集成［9］（195-196）。但以上的集成中均將熱口袋作為內(nèi)部換熱而剔除，未考慮熱口袋中熱量的多次梯級利用。

在熱口袋中熱量的利用方面，Kemp提出了多效蒸發(fā)與熱口袋的集成［9］（206-208）。Wang等［10］提出用熱口袋中的熱工藝物流產(chǎn)生高品位蒸汽，用低品位蒸汽加熱口袋中的冷工藝物流，進而實現(xiàn)熱口袋與公用工程的集成。Luo等［11］提出用兩步法將口袋與低溫過程集成。

本工作考慮將熱口袋與精餾塔集成，對熱口袋與精餾塔的集成方法進行研究，針對某乙二醇裝置提出熱口袋與精餾塔集成方案，以期實現(xiàn)熱口袋中熱量的多次梯級利用。

1 原理和集成方法

1.1 原理

換熱網(wǎng)絡的CGCC見圖1。換熱網(wǎng)絡的CGCC有時會形成口袋（見圖1陰影部分），說明換熱網(wǎng)絡中存在內(nèi)部局部熱源（夾點之上）或內(nèi)部局部熱阱（夾點之下）［6］（221-223）。通常熱口袋中物流間相互換熱，不需要公用工程提供熱量。

圖1 換熱網(wǎng)絡的CGCCFig.1 A grand composite curve(CGCC)of heat exchanger network.

熱量不僅有量的屬性還有質(zhì)的屬性［6］（37-38），量的屬性反映在所用熱量的多少，質(zhì)的屬性體現(xiàn)在所用熱量溫度的高低。熱口袋與精餾塔的集成不僅體現(xiàn)在量的再利用，也體現(xiàn)在質(zhì)的合理匹配。

熱口袋熱量回收的分析見圖2。圖2（a）表示初始熱口袋中熱量的利用情況，僅為過程熱物流與冷物流換熱。圖2（b）表示熱口袋與精餾塔的集成（圖中矩形代表精餾塔），此時用熱口袋里的熱物流加熱精餾塔底再沸器，用精餾塔的冷凝熱加熱口袋里的冷物流，以達到熱量多次梯級利用的目的，使得熱量在品質(zhì)上合理匹配。

圖2 熱口袋熱量回收的分析Fig.2 Energy recovery in a heat pocket.

1.2 集成方法

根據(jù)精餾塔與背景過程的CGCC，可以得出能實現(xiàn)熱口袋與精餾塔的熱集成的精餾塔與熱口袋的相對位置關(guān)系有兩種：一是精餾塔恰好可以放進熱口袋；二是精餾塔雖不可以直接放進熱口袋，但通過調(diào)整，可與熱口袋實現(xiàn)熱集成。由于新增物流換熱，且物流間換熱溫差減小，所以導致精餾塔的再沸器和冷凝器的換熱面積增大，需要新增換熱設備。

熱口袋與精餾塔集成的不同情況見表1。表1a為精餾塔恰好可以放進熱口袋的情況，這樣無需對精餾塔進行調(diào)節(jié)，可直接用工藝熱物流加熱精餾塔底再沸器的冷物流，工藝冷物流用來冷卻精餾塔頂冷凝器的熱物流。

表1b為精餾塔的溫位位于熱口袋之上（或之下）的情況，當熱負荷合適時，可通過降低（或升高）精餾塔的操作壓力實現(xiàn)熱集成。由于精餾塔操作壓力變化，冷凝器和再沸器的出口溫度也會改變，如果后續(xù)還有用能設備，需要考慮溫度的變化對后續(xù)流程的影響。

當精餾塔的熱負荷大于熱口袋所能提供的熱負荷時，則精餾塔的調(diào)整有4種情況：降低精餾塔的回流比（見表1c）、部分熱集成（見表1d）、多效精餾（見表1e）、采用中間換熱流程（見表1f）等。

表1c為通過降低精餾塔的回流比實現(xiàn)熱集成的情況，減小回流比的前提是需要滿足精餾塔的分離要求。由于精餾塔的回流比一般只能微調(diào)，故此法適用于精餾塔的熱負荷略大于熱口袋所能提供的熱負荷的情況。

表1d為通過部分熱集成實現(xiàn)熱口袋與精餾塔集成的情況。當精餾塔的熱負荷比熱口袋所能提供的熱負荷大很多時，可考慮這種方法。

表1e為通過多效的方式實現(xiàn)熱集成的情況，多效不僅需要新增換熱設備還需要新增塔設備。此法適用于精餾塔的熱負荷相對較大且塔頂與塔底溫差相差不多的情況。

表1f為通過增加中間再沸器（或中間冷凝器）實現(xiàn)部分熱集成的情況。當精餾塔頂與塔底溫差較大時，可考慮采用增加中間換熱器，階梯回收熱口袋里的能量。

當精餾塔的進料組成（組成一般變化不大，故不考慮組成對塔頂冷凝和塔底再沸溫度的影響）和流量變化時，可由物料衡算得出塔頂和塔底的流量，進而計算出冷凝器和再沸器的熱負荷，再與熱口袋集成。

表1 精餾塔與熱口袋集成的不同情況Table 1 Heat integration of heat pockets and distillation columns

2 案例分析

2.1 數(shù)據(jù)提取

對某140 kt/a乙二醇裝置工藝流程［12］進行分析，提取熱物流5股，冷物流8股，物流數(shù)據(jù)見表2。該裝置精餾塔有環(huán)氧乙烷精制塔、乙二醇塔、二乙二醇塔，3個塔的冷凝器和再沸器的數(shù)據(jù)見表3。

表2 乙二醇裝置背景過程的工藝物流數(shù)據(jù)Table 2 Stream data of the background process in an ethylene glycol plant

表3 乙二醇裝置精餾塔冷凝器和再沸器的數(shù)據(jù)Table 3 Data of the coolers and reboilers of the distillation columns in the ethylene glycol plant

2.2 熱口袋用能分析

乙二醇裝置熱口袋與精餾塔集成后優(yōu)化前后的CGCC見圖3。將表2中物流數(shù)據(jù)輸入Aspen Energy Analyzer軟件，取最小傳熱溫差10 ℃，可獲得背景過程的CGCC（見圖3（a）），夾點出現(xiàn)在120.2 ℃處。

圖3 乙二醇裝置熱口袋與精餾塔集成后優(yōu)化前后的CGCCFig.3 CGCC flowsheets of the ethylene glycol plant before and after the heat integration of heat pockets and distillation columns.

由圖3a可看出，該過程夾點之上有兩個熱口 袋，其中，較高處的熱口袋是由反應熱產(chǎn)蒸汽而形成的，溫位較高，且熱口袋附近沒有合適溫位的精餾塔匹配，故不考慮。中間處的熱口袋附近有乙二醇塔和二乙二醇塔，乙二醇塔頂產(chǎn)0.3 MPa低壓蒸汽，塔底用1.45 MPa中壓蒸汽加熱；二乙二醇塔頂用冷凝水冷凝，塔底用1.45 MPa中壓蒸汽加熱。兩精餾塔雖然無法直接與熱口袋集成，但在確保產(chǎn)品收率、產(chǎn)品質(zhì)量要求和產(chǎn)量的前提下，可通過降低乙二醇塔的回流比、提高二乙二醇塔的塔壓的方法，實現(xiàn)熱口袋與精餾塔的集成。由于環(huán)氧乙烷精制塔溫位太低，無法與熱口袋集成，故不考慮。

2.3 熱集成方案

1）降低乙二醇塔的回流比，用熱物流H1加熱乙二醇塔底物流，用乙二醇塔頂物流加熱口袋里的冷物流C1。

2）提高二乙二醇塔的塔壓，用熱口袋里的熱物流H4加熱二乙二醇塔底再沸器，熱口袋里的冷物流C4冷卻二乙二醇塔頂冷凝器。

乙二醇塔和二乙二醇塔優(yōu)化前后的工藝參數(shù)采用Aspen HYSYS軟件Distillation column模塊模擬獲得，模擬結(jié)果見表4。

表4 乙二醇塔和二乙二醇塔優(yōu)化前后的工藝參數(shù)Table 4 Technological parameters of MEG column and DEG column

2.4 熱集成方案的經(jīng)濟性

2.4.1 年節(jié)省費用

年節(jié)省費用（S）為再沸器節(jié)省的蒸汽費用，按式（1）計算。

式中，F(xiàn)1為改造前的蒸汽流量，t/h；ty為年工作時間，按8 000 h計；Psteam為蒸汽價格，1.45 MPa中壓蒸汽的價格為174元/t，0.3 MPa低壓蒸汽的價格為102元/t。

改造后乙二醇塔、二乙二醇塔的再沸器改為物流加熱，所以共節(jié)約中壓蒸汽費用8.52×106元/a。

2.4.2 設備投資費用

由于改造后乙二醇塔和二乙二醇塔的塔底再沸器中的加熱物流由蒸汽變?yōu)楣に嚐嵛锪鱄1和H4，塔頂冷凝器中的冷卻物流由冷卻水變?yōu)楣に嚴湮锪鰿1和C4，所以傳熱系數(shù)發(fā)生改變。另外，這4個換熱器的傳熱溫差均較改造前減小。因此，原有的換熱器不能滿足要求，需要換新的換熱器。

乙二醇裝置優(yōu)化后的節(jié)能數(shù)據(jù)與成本核算的結(jié)果見表5。由表5可見，熱口袋與乙二醇塔和二乙二醇塔集成后共節(jié)約蒸汽費用8.52×106元/a，設備投資費用共計1.72×106元，投資回收期短，經(jīng)濟效益顯著。將熱口袋與乙二醇塔和二乙二醇塔集成，回收了過程余熱，實現(xiàn)了熱量的多次梯級利用，節(jié)能效果明顯，且有很好的經(jīng)濟效益。

表5 乙二醇裝置熱口袋與精餾塔集成后優(yōu)化后的節(jié)能數(shù)據(jù)與成本核算Table 5 Energy saving and cost accounting of the ethylene glycol plant after the heat integration of heat pockets and distillation columns

3 結(jié)論

1）將熱口袋與精餾塔集成，不僅可回收精餾塔的冷凝熱，也可利用過程余熱作為精餾塔再沸器的熱源，實現(xiàn)熱量的多次梯級利用。與口袋中冷熱物流之間換熱以及熱口袋外精餾塔與過程物流集成相比，可實現(xiàn)熱量品質(zhì)的合理匹配。

2）根據(jù)精餾塔與口袋的相對位置以及熱負荷情況，提出6種具體的熱集成方法。

3）以某140 kt/a乙二醇裝置為例，將裝置換熱網(wǎng)絡中熱口袋與精餾塔集成，熱口袋與乙二醇塔和二乙二醇塔集成后共節(jié)約蒸汽費用8.52×106元/a，節(jié)能效果明顯，經(jīng)濟效益顯著。

［1］李鳳蓮，任瑞平. 化工精餾高效節(jié)能技術(shù)開發(fā)及應用［J］. 化工管理，2014（18）：162 - 163.

［2］趙蘇杭. 影響精餾操作的主要因素及精餾節(jié)能技術(shù)淺析［J］.化工管理，2013（6）：30 - 32.

［3］張小鋒，湛世輝，馮霄. 采用減三線油回收裂解氣高溫余熱方案的研究［J］. 石油化工，2014，43（10）：1190 - 1195.

［4］Linnhoff B，Vredeveld R. Pinch Technology Has Come of Age［J］. Chem Eng Prog，1984，80（7）：33 - 40.

［5］Linnhoff B，Dunford H，Smith R. Heat Integration of Distillation Columns into Overall Processes［J］. Chem Eng Sci，1983，38（8）：1175 - 1188.

［6］馮霄. 化工節(jié)能原理與技術(shù)［M］. 3版. 北京：化學工業(yè)出版社，2009.

［7］Hindmarsh E，Townsend D W. Heat Integration of Distillation Systems into Total Flowsheets：A Complete Approach［C］.1984 Annual AICHE Meeting，1984.

［8］Smith R. Chemical Process Design and Integration［M］. New York：Wiley，2005.

［9］肯普. 能量的有效利用，夾點分析與過程集成［M］. 北京：化學工業(yè)出版社，2010.

［10］Wang Yufei，F(xiàn)eng Xiao，Cai Yan，et al. Improving a Process’s Efficiency by Exploiting Heat Pockets in Its Heat Exchange Network［J］. Energy，2009，34（11）：1925 - 1932.

［11］Luo Yiqing，F(xiàn)eng Shengke，Sun Changjiang，et al.A Two-Step Design Method for Shaft Work Targeting on Low-Temperature Process［J］. Chin J Chem Eng，2014，22（6）：664 - 668.

［12］楊志劍，任楠，唐頤. 環(huán)氧乙烷催化水合制備乙二醇的研究進展［J］. 石油化工，2010，39（5）：562 - 569.