乙烯分離與復(fù)疊制冷系統(tǒng)用能的綜合優(yōu)化

張小鋒，湛世輝，馮霄

（中國石油大學(北京)新能源研究院，北京 102249）

乙烯分離與復(fù)疊制冷系統(tǒng)用能的綜合優(yōu)化

張小鋒，湛世輝，馮霄

（中國石油大學(北京)新能源研究院，北京 102249）

乙烯裝置的分離過程要在低溫下進行，由乙烯制冷系統(tǒng)提供所需冷量。乙烯制冷系統(tǒng)為封閉式循環(huán)，獨立于分離單元之外。將乙烯分離單元與制冷系統(tǒng)同時優(yōu)化，能有效提高裝置用能效率。復(fù)疊式制冷級數(shù)是當前乙烯工業(yè)中使用最為廣泛的制冷技術(shù)。本文針對乙烯分離過程和配套的復(fù)疊制冷系統(tǒng)，采用Aspen Hysys進行模擬并進行?分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)主要的?損失發(fā)生在換熱與壓縮兩部分，其占總?損失的 83%，為節(jié)能的重點。進而通過夾點技術(shù)對冷劑配置進行分析，發(fā)現(xiàn)?56℃以上各溫位的冷量配置不合理，遠超過理論最小值，?56℃以下各溫位的冷量基本達到理論最小值。提出了采用多股流換熱器的換熱網(wǎng)絡(luò)理論設(shè)計方法，并對冷劑進行重新配置，該理論方案可以降低丙烯制冷壓縮機約 30%的功耗，并節(jié)約部分乙烯制冷壓縮機功耗，顯著降低了乙烯深冷分離能耗。

系統(tǒng)工程；?；優(yōu)化設(shè)計；夾點技術(shù)；乙烯；復(fù)疊制冷

乙烯深冷分離過程工藝物流溫度需要從 35℃冷卻到?165℃左右，以分離出甲烷、氫氣、乙烯、丙烯等產(chǎn)品。目前一些乙烯專利商[1-2]都開發(fā)出了自己的制冷工藝技術(shù)并申請了專利。雖然各個公司開發(fā)的制冷工藝流程各不相同，但可以按照制冷介質(zhì)組成及制冷循環(huán)類別歸為三類：復(fù)疊制冷、二元制冷、三元制冷。3種制冷工藝各有優(yōu)缺點，復(fù)疊制冷采用純組分物質(zhì)作為制冷劑，表現(xiàn)為操作調(diào)節(jié)穩(wěn)定，但是熱力學效率較低。三元制冷盡管熱力學效率較高，但操作調(diào)節(jié)復(fù)雜，波動較大，因此工業(yè)乙烯裝置上并未廣泛使用。二元制冷在理論上具有與三元制冷類似的熱力學效率高的優(yōu)點，但是二元制冷對冷量的匹配要求較高，換熱過程中氣相比例較大，需要較大冷箱換熱面積較大，工業(yè)應(yīng)用案例更少。復(fù)疊制冷技術(shù)目前在乙烯工業(yè)中使用最為廣泛。

復(fù)疊制冷使用丙烯、乙烯兩種冷劑，通常丙烯冷劑提供3～4個不同的等級冷量，溫度范圍10～?40℃之間；乙烯冷劑提供2～3個不同等級冷量，溫度范圍?40～?100℃之間；在乙烯分離過程中還需要?100℃以下的冷量，這部分冷量通常是由分離過程中的甲烷經(jīng)過節(jié)流膨脹提供，節(jié)流膨脹的低溫低壓甲烷氣與工藝物流進行內(nèi)部換熱，故不考慮在復(fù)疊制冷之內(nèi)。乙烯深冷分離過程的工藝物流降溫曲線為連續(xù)的曲線，復(fù)疊制冷冷劑由于是純組分物質(zhì)，在一定壓力下冷劑蒸發(fā)，只能向工藝過程提供恒定溫度的冷量，會造成冷熱物流換熱溫差較大、?損過大、熱力學效率較低等。因此可以通過優(yōu)化復(fù)疊制冷系統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡(luò)、冷劑配置來降低?損失，提高制冷系統(tǒng)的?效率，達到降低能耗的目的。

對系統(tǒng)進行?分析，可以幫助人們找到整個系統(tǒng)中用能不合理之處以及節(jié)能潛力最大之處，因此?分析對制冷系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化、評估而言都是一個很有力的工具。Linnholff等[3]分析總結(jié)了?分析的基本原則和方法。Timmerhaus[4]指出使用?損、?效率的概念，可以對不同的制冷系統(tǒng)進行對比分析，并且能夠更好地指導制冷系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化工作，詳細介紹了不同種類的?計算、各種設(shè)備和生產(chǎn)過程中?損的計算方法。?分析法已經(jīng)被很多學者用來評估制冷系統(tǒng)，其中包括LNG裝置[5-8]，烯烴裝置[9-10]，乙烯裝置[11-14]。Remeljej等[7]分析了4種小型LNG制冷裝置中每一項設(shè)備的?損失、?效率，指出 SMR制冷過程能夠?qū)崿F(xiàn)制冷壓縮功最小。Zhang等[15]使用Exergy-Temperature 圖表加?分析的方法對乙烯裝置的復(fù)疊制冷系統(tǒng)進行了分析，并且使用MINLP模型對制冷系統(tǒng)進行了優(yōu)化。在他們的分析中，不包含乙烯裝置深冷分離系統(tǒng)部分，使用的制冷系統(tǒng)也是簡單的多級復(fù)疊制冷。在所有的乙烯裝置中，分離部分工藝物流與制冷部分存在熱量的來回交換，所以優(yōu)化制冷系統(tǒng)應(yīng)該包含乙烯深冷分離系統(tǒng)，換熱網(wǎng)絡(luò)所包含的物流不應(yīng)該只包含冷劑物流，還應(yīng)包含工藝物流。Mafi等[16]通過對兩種混合冷劑制冷工藝模擬，并進行?分析，提出?損最大的地方在于換熱器，提出通過合適的流程安排以及冷劑壓力和流量的調(diào)整，可以使冷劑更好地與工藝物流匹配，減少?損失。Fabrega等[17]使用Hysys對乙烯裝置分離部分、丙烯制冷、乙烯制冷循環(huán)進行模擬計算，對過程進行?分析，得出?損最大的在混合器。他們指出由于調(diào)節(jié)丙烯制冷循環(huán)的操作變量的靈敏度很高，所以文章主要對乙烯制冷循環(huán)的操作變量進行了調(diào)整，文中調(diào)整了乙烯制冷壓縮機三段的出口壓力，降低了約13%的?損失。Mafi等[10]對烯烴裝置的復(fù)疊制冷系統(tǒng)進行了模擬，然后計算系統(tǒng)中每一部分的?損失，?效率，找出了系統(tǒng)中可以優(yōu)化的部分，最后提出了一些通過降低傳熱溫差、調(diào)整制冷系統(tǒng)的配置等方法來提高?效率的措施。

上述的工作雖然使用了?分析的方法對乙烯制冷系統(tǒng)進行了分析，并且針對不同的分析結(jié)果提出了不同的方法對制冷系統(tǒng)進行優(yōu)化，但沒有結(jié)合乙烯分離過程，未系統(tǒng)性地提出如何才能使裝置冷劑使用達到合理的等級和最小用量的方案。

本文將?分析及夾點技術(shù)結(jié)合，將復(fù)疊制冷的優(yōu)化擴展到制冷系統(tǒng)與分離系統(tǒng)綜合優(yōu)化。采用Abdollahi-Demneh等[18]提出的使用Hysys計算物流物理?的方法，通過Aspen Hysys對某一百萬噸級乙烯裝置的分離工序、乙烯制冷系統(tǒng)、丙烯制冷系統(tǒng)進行模擬，計算出這3個過程中每一個設(shè)備的?損失及?效率，找出系統(tǒng)中?損較大且?效率較低之處；然后得到分離過程的總復(fù)合曲線（GCC），并且在 GCC上根據(jù)現(xiàn)有冷劑進行配置；最后根據(jù)?分析結(jié)果對換熱網(wǎng)絡(luò)、丙烯制冷系統(tǒng)、乙烯制冷系統(tǒng)提出優(yōu)化改進措施。

1 乙烯分離與復(fù)疊制冷流程介紹

乙烯裝置中，由于分離過程與制冷系統(tǒng)存在復(fù)雜的能量交換過程，因此對制冷系統(tǒng)的優(yōu)化不能脫離分離過程。任何對分離過程或者對制冷系統(tǒng)的改動都將相互產(chǎn)生影響，因此很難對兩個過程進行聯(lián)立模擬計算與優(yōu)化。本文將對分離過程和丙烯制冷系統(tǒng)分別進行單獨模擬計算。鑒于使用的案例中，乙烯制冷循環(huán)與乙烯精餾塔構(gòu)成了開式熱泵精餾，將乙烯精餾塔歸入乙烯制冷循環(huán)中進行模擬，但是不改變精餾塔的操作。本文案例中，乙烯深冷分離采用前脫乙烷分離工序。乙烯制冷循環(huán)與乙烯精餾塔構(gòu)成開式熱泵精餾，乙烯精餾塔塔頂氣相乙烯經(jīng)過熱后進入乙烯制冷壓縮機三段吸入口，被加壓到2.0MPa后經(jīng)循環(huán)水冷卻，冷卻后分為兩股；一股送入四段、五段壓縮機繼續(xù)壓縮，被冷凝后作為產(chǎn)品送出裝置；另一股被冷凝后，一部分送入乙烯精餾塔做塔頂回流，一部分進入乙烯冷收集罐，為用戶提供?54℃、?65℃和?101℃等級冷量，汽化后的乙烯分別返回乙烯壓縮機的三段、二段、一段入口。

丙烯制冷系統(tǒng)為分離單元提供 10℃、?20℃和?38℃三個等級冷劑。丙烯氣體經(jīng)過三級壓縮后，壓力達到1.68MPa，在換熱器中被循環(huán)水冷凝，進入丙烯收集罐，一部分經(jīng)過直接降壓閃蒸進入三段丙烯吸入罐，另一部分分為三股，分別為三個用戶提供10℃等級的冷劑；三段丙烯吸入罐閃蒸出來的氣相連接丙烯制冷壓縮機三段入口，罐底液相分為兩股，一股直接閃蒸進入二段丙烯吸入罐，一股為兩個用戶提供?20℃等級冷劑；二段丙烯吸入罐閃蒸出來氣相丙烯進入二段丙烯制冷壓縮機吸入口，液相分為三股，分別為 3個用戶提供?38℃等級冷量，汽化后的丙烯進入一段丙烯吸入罐，一段丙烯吸入罐連接一段丙烯制冷壓縮機吸入口。丙烯制冷循環(huán)流程如圖1所示。乙烯分離與乙烯制冷流程如圖2所示。

圖1 丙烯制冷循環(huán)簡圖

2 ?分析

?分析是結(jié)合了熱力學第一定律和第二定律的分析方法，既能體現(xiàn)出用能的量的多少，也能體現(xiàn)出是否按質(zhì)用能。?一般包括物理?和化學?。由于本文分析的過程為分離和制冷過程，不涉及反應(yīng)過程，同時忽略動能和位能變化，因此文中對物流只考慮分離過程引起的焓?的變化，用式（1）表示。

當物流從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2時，其焓?的變化可以用式（2）計算。

式中，H和S分別為物流的焓值和熵值，下標代表不同的狀態(tài)；H0和S0分別為物流的基準態(tài)的焓值和熵值；T0為環(huán)境溫度。

乙烯深冷分離部分與制冷系統(tǒng)主要包含壓縮機、換熱器、混合器、閃蒸罐、閥門5個部分。在諸多文獻中，?損失的定義基本一致，但是?效率的定義方法有很大差別，Marmolejo-Correa等[19]將?效率定義歸納為兩類。

第一類為輸入～輸出效率，定義計算方法為式（3）。

圖2 乙烯分離流程與乙烯制冷系統(tǒng)簡圖

式中，ΣExergyOut為系統(tǒng)總的?輸出；ΣExergyIn為系統(tǒng)總的?輸入；ΣExergyDestroyed為系統(tǒng)的?總損失。

第二類為消耗～產(chǎn)出效率，定義計算方法為式（4）。

式中，UsefulExergyOutput為系統(tǒng)的有用?輸出；UsefulExergyInput為系統(tǒng)的有用?輸入。

Tirandazi等[20]使用了兩種?效率的分析，結(jié)果表明第二類計算方法更具有實際意義，尤其是對換熱器、閥門等設(shè)備的?效率評價。在其他諸多LNG制冷分析的文獻中也都普遍采用這種?效率的定義方式。因此，本文也采用第二類計算方法。每種設(shè)備的?損失和?效率如表1所示。式中W為壓縮機做功；ExL為?損失；Exin?輸入；Exout?輸出；ηex為?效率.

表1 設(shè)備?損失與?效率

由于乙烯分離單元、丙烯制冷單元、乙烯制冷單元相互進行冷量交換，分離過程涉及的流程比較長，精餾塔較多，任何物流的溫度變化對分離過程都會產(chǎn)生影響，反過來分離過程中的物流又會影響到制冷單元，微小的溫度壓力流量變化都會造成很大的波動，甚至出現(xiàn)無法收斂的情況。對于這種情況的模擬，很多學者研究的方法都是對分離過程、制冷過程進行單獨模擬分析。本文使用的案例中分離過程中的乙烯精餾塔與乙烯制冷壓縮機構(gòu)成了開式熱泵精餾，比傳統(tǒng)的復(fù)疊制冷過程與分離過程相互獨立的流程更為復(fù)雜，乙烯精餾塔塔頂氣相去乙烯制冷壓縮機，塔頂回流來自乙烯制冷過程，因此本文將乙烯制冷過程與乙烯深冷分離過程在乙烯精餾塔塔頂進行分割，分別單獨模擬計算。對于制冷系統(tǒng)的優(yōu)化也是限定溫度負荷等關(guān)鍵參數(shù)。使用Aspen Hysys 對文中案例進行模擬分析，計算出每一條物流的?、每一個設(shè)備的?損失、?效率。由于本文案例中各種設(shè)備數(shù)目均較多，統(tǒng)計設(shè)備平均?效率時按照類進行，如換熱器的平均?效率等于各換熱器的?效率乘此換熱器?損失權(quán)重系數(shù)的累加之和，即式（5）。

式中，ηi為某一設(shè)備的?效率；ΔExE1為換熱器E1的?損失；ΔExEtotal為全部換熱器的?損失。計算結(jié)果如圖3所示，單個換熱器的計算結(jié)果如圖4所示，壓縮機各段計算結(jié)果如圖5所示。

從圖1的計算結(jié)果中可以看出，閃蒸罐的?損失最小，并且?效率最高，原因在于閃蒸罐進口出口物流溫度、壓力基本相同，其操作狀態(tài)基本接近理想狀態(tài)。混合器和閥門的?損失也比較小，?效率較高，?損失主要在于不同溫度和壓力的物流進出或者混合造成了部分?損失。壓縮機和換熱器的?損失都是比較高的，兩者?損失占到了整個系統(tǒng)?損失的83%，壓縮機的平均?效率為78.3%，換熱器的?效率為58.2%，多股流換熱器如E6、E7、E9、E11等?損失較低，?效率較簡單兩股流換熱器?效率高。壓縮機每段的?效率均達到70%以上，乙烯壓縮機?損失主要集中在第三段。由于減少壓縮機的?損失主要在于提高壓縮機的壓縮效率，是設(shè)備改進的問題，因此本文研究主要集中在換熱過程，不考慮壓縮機的設(shè)備改造。

圖3 不同設(shè)備類型?損失及?效率

圖4 換熱器?損失及?效率

圖5 壓縮機?損失及?效率

3 夾點分析

在制冷過程中，冷劑在換熱器前進行節(jié)流膨脹，節(jié)流壓降決定了冷劑的溫度，影響到換熱器的平均溫差。壓降大，換熱器平均溫差大，傳熱過程中不可逆程度增大，造成整個換熱器的?損失增大。另一方面，壓降大，造成制冷壓縮機吸入壓力低，功耗增大，?損失也增加。因此合理地配置冷劑溫度等級和負荷，降低整體換熱網(wǎng)絡(luò)的傳熱溫差，可以降低換熱器和壓縮機?損失，降低裝置能耗。使用總復(fù)合曲線 GCC可以非常直觀地看出分離過程中哪些溫度段需要冷劑提供冷量，哪些溫度段工藝物流可以提供多余的冷量，并且可以在圖上直觀配置冷劑溫度和負荷。本研究提取裝置的冷熱工藝物流并使用 Aspen Energy Analyzer分析，作出裝置的GCC，并且畫出現(xiàn)行生產(chǎn)工藝過程中各種溫度等級的冷劑配置，如圖6所示。

由圖6可以看出，冷劑的配置明顯是不合理的，遠高于裝置所需的最小冷量對應(yīng)圖6上各點的溫度區(qū)間，如表2所示。由圖6可以看出，H點以下冷劑配置比較合理，基本接近理論最小值。而在H點之上，冷劑的配置不合理，主要是在口袋中配置了冷劑。B～C～D構(gòu)成一個“口袋”，口袋下方物流會放出冷量，口袋上方溫度需要冷量，溫度范圍為12～?7℃，在這一段配置10℃丙烯冷劑23862kW，如果口袋內(nèi)部所涉及的物流進行換熱，可節(jié)約冷劑12000kW；在G～H之間，溫度范圍?38～?56℃，配置?56℃冷劑8230kW，此部分物流依然構(gòu)成一個“口袋”，物流進行內(nèi)部換熱基本可以滿足生產(chǎn)需求[21]。最優(yōu)冷劑配置如圖7所示。

因此提出如下?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)改造思路：根據(jù) GCC曲線圖將所有物流劃分為8個溫度區(qū)間，每個溫度區(qū)間設(shè)置一個多股流換熱器，每條物流按照溫度變化范圍分別進入相應(yīng)的多股流換熱器，按照溫度區(qū)間設(shè)置物流進出口溫度，保證進出口溫差在2～5℃之間，每一多股流換熱器配置乙烯或丙烯冷劑提供冷量或者回收物流釋放的冷量。在?56℃以下由于涉及物流較少，所有的物流均可以按照涉及方案進行換熱，冷劑消耗也基本達到理論最小值，但是?56℃以上由于涉及物流較多，某個多股流換熱器會有10股甚至更多的物流進出，個別物流會跨越2個或者3個換熱器的內(nèi)部不同溫度區(qū)間，這類換熱器設(shè)計和制造非常困難。并且現(xiàn)實生產(chǎn)過程中，由于不同物流空間距離不可能將所有物流都放到一處進行換熱，因此生產(chǎn)中很難按照提出的理論方案進行換熱，達到理論最小值。在本文使用的案例中，G～K段存在4個多股流換熱器，換熱器設(shè)計的溫度區(qū)間與計算得出的 GCC曲線上的溫度區(qū)間基本完全一致，由于在?56℃以下溫度范圍內(nèi)物流較少，每條物流都在不同的多股流換熱器內(nèi)完成了相應(yīng)的溫度變化，因此在?56℃以下，冷量需求基本接近理論最小值，這也驗證了所提出的思路的理論可行性。圖8中為新舊兩種方案流程?損失的對比情況，表3中列出了兩種方案冷劑配置情況和壓縮機負荷數(shù)據(jù)。從結(jié)果可以看出，新方案可以降低換熱器的?損失，并由于冷劑流量的減少降低壓縮機功耗。

圖6 乙烯裝置深冷分離過程冷劑配置

表2 GCC溫度區(qū)間

圖7 優(yōu)化冷劑配置

圖8 優(yōu)化前后?損失

4 結(jié) 論

本文使用了?分析法計算了乙烯裝置的深冷分離系統(tǒng)、丙烯制冷系統(tǒng)、乙烯制冷系統(tǒng)的?損失和?效率，從結(jié)果得知整個系統(tǒng)?損失為28968kW，其中壓縮機的?損失占整體?損失的 29.2%，平均?效率為77.9%；換熱器的?損失占整體?損失的53.8%，平均?效率為57.2%，兩者?損失合計占了整體?損失的84%，因此節(jié)能工作的重點應(yīng)集中在換熱器和壓縮機兩部分。然后使用了夾點技術(shù)找出了現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)冷劑配置的不合理之處，并根據(jù)夾點理論合理地配置冷劑，提出了換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計思路，即分溫度區(qū)間采用多個多股流換熱器進行工藝物流內(nèi)部換熱，并使用不同等級冷劑調(diào)節(jié)換熱器負荷。從結(jié)果可以看出，新的設(shè)計方案不僅能夠降低換熱器的?損失，還能夠降低丙烯制冷壓縮機的功耗，并降低部分乙烯制冷壓縮機的功耗。需要指出的是，新的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計思路中，所有物流均在對應(yīng)的多股流換熱器中完成溫度變化。該思路具有一定可行性，這點在實際生產(chǎn)中?56℃以下溫度區(qū)間得以驗證，?56℃以上溫度區(qū)間物流可以根據(jù)實際情況考慮多種因素之后，盡可能地按照理論方案進行換熱，以降低裝置能耗。

表3 新方案與原方案節(jié)能效果對比

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Integrated optimization of ethylene separation process and cascade refrigeration system

ZHANG Xiaofeng，ZHAN Shihui，F(xiàn)ENG Xiao
（Institute of New Energy，China University of Petroleum(Beijing)，Beijing 102249，China）

The separation process of an ethylene plant should be operated at low temperature，and a refrigeration system supplies the cooling demand. The refrigeration system in an ethylene plant is a closed cycle system independent of the separation process. The energy efficiency can be effectively improved if the separation process and refrigeration system are optimized simultaneously. Cascade refrigerating systems are most widely used in ethylene plants. In this paper，Aspen Hysys is used to simulate and analyze an ethylene separation process with a cascade refrigerating system. The exergy analysis showed lower efficiency of heat exchanger and compressor sections，whose exergy loss contribute 83% of the whole loss of the system. So energy conservation work should focus on the two sections. Then pinch technology is used to analyze refrigerant configuration. It is found that refrigerant usage above ?56℃ is far more than the theoretical minimum quantity，and refrigerant usage below?56℃ is reasonable. A novel design method by using multi-pass exchangers for heat exchanger networks is proposed and the refrigerant usage is reconfigured. The new design can reduce about 30% propylene compressor work and some ethylene compressor work consumption，reducing the energy consumption of the ethylene separation significantly.

systems engineering；exergy；optimal design；pinch；ethylene；cascade refrigerating system

TQ 021. 8

A

1000-6613（2015）12-4191-07

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.12.010

2015-06-05；

2015-07-24。

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（2012CB720500）。

張小鋒（1986—），男，碩士研究生。聯(lián)系人：馮霄，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為化工系統(tǒng)工程。E-mail xfeng@ cup.edu.cn。