苯乙烯裝置反應(yīng)單元局部換熱節(jié)能方案研究

朱逸

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

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苯乙烯裝置反應(yīng)單元局部換熱節(jié)能方案研究

朱逸

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

摘 要使用軟件模擬和驗(yàn)證，研究了苯乙烯裝置反應(yīng)單元局部換熱節(jié)能改進(jìn)方案。通過(guò)尋找脫氫反應(yīng)單元某股工藝氣體熱物料與某股工藝液體冷物料之間的夾點(diǎn)，對(duì)冷熱兩股物料直接進(jìn)行換熱，減少了冷卻工藝氣體所使用的循環(huán)冷卻水量，節(jié)省了加熱工藝液體所使用的蒸汽量，達(dá)到了局部節(jié)能的目的，使該方案具備一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞HTRI；換熱；節(jié)能；夾點(diǎn)

苯乙烯是一種重要的基本有機(jī)化工原料，用途十分廣泛，由于其市場(chǎng)價(jià)值與原料差值相對(duì)較高，總體仍處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。目前，僅在我國(guó)已有30余套苯乙烯裝置落成并開(kāi)工生產(chǎn)，對(duì)苯乙烯裝置的節(jié)能方案進(jìn)行研究，不僅符合國(guó)家倡導(dǎo)的清潔生產(chǎn)、節(jié)約能源的理念，也給苯乙烯裝置所在的石化企業(yè)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。

1 節(jié)能方案的提出

1.1 脫氫反應(yīng)單元工藝流程簡(jiǎn)述

苯乙烯生產(chǎn)工藝分為脫氫反應(yīng)單元與精餾單元兩個(gè)部分。反應(yīng)單元起始，乙苯進(jìn)料與水形成混合物，氣化的混合物進(jìn)入反應(yīng)器，在催化劑的作用下發(fā)生脫氫反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)熱回收與冷卻后形成氣液分離，液相進(jìn)入精餾單元最終得到成品苯乙烯，氣相（脫氫尾氣）則經(jīng)過(guò)尾氣壓縮機(jī)提壓、芳烴吸收后送至下游。詳見(jiàn)圖1。

圖1 苯乙烯工藝流程Fig.1 The epitome of styrene process flow diagram

1.2 局部的改進(jìn)

根據(jù)原工藝流程，脫氫反應(yīng)單元某一局部需要對(duì)工藝氣體進(jìn)行冷卻，工藝氣體溫度約為85 ℃，通過(guò)冷卻器E-001被冷卻至約38 ℃，冷媒為32 ℃的循環(huán)冷卻水。如圖2所示。

同時(shí)，根據(jù)原工藝流程，脫氫反應(yīng)單元某一局部需要對(duì)工藝液體進(jìn)行加溫，通過(guò)工藝液體加熱器E-002從約54 ℃被加熱至約91 ℃后送至后續(xù)，熱媒為350 kPa、148 ℃蒸汽。如圖3所示。

以年產(chǎn)量80 kt規(guī)模的苯乙烯裝置計(jì)，冷卻器E-001的熱負(fù)荷約為960 kW，消耗循環(huán)冷卻水量約138 t/h；加熱器E-002的熱負(fù)荷約為323 kW，消耗蒸汽約0.55 t/h。兩處均有公用工程消耗，將兩者的熱交換結(jié)合起來(lái)，可以達(dá)到節(jié)能的目的。

圖2 工藝氣體冷卻流程Fig.2 Process of the gas cooling

圖3 工藝液體加熱流程Fig.3 Process of the liquid heating

1.3 方案的構(gòu)思

利用工藝氣體所攜熱量與工藝液體帶來(lái)的冷量直接進(jìn)行熱交換，在工藝氣體冷卻器前增設(shè)預(yù)冷器E-003（管殼式換熱器），在冷卻器E-001上游，預(yù)先利用工藝液體作為冷媒將工藝氣體冷卻到一定溫度，在此過(guò)程中，工藝液體也被加熱至一定溫度，再進(jìn)入工藝液體加熱器E-002加熱。如圖4所示。

1.4 尋找冷熱物料的夾點(diǎn)

按節(jié)能方案的構(gòu)思，本文將模擬冷熱兩股物料在換熱器E-003中的換熱效果，大致確認(rèn)E-003的冷熱側(cè)出口溫度，為達(dá)到此目的，需借鑒夾點(diǎn)理論。

圖4 方案構(gòu)思Fig.4 Design of the scheme

夾點(diǎn)（Pinch）以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，從宏觀角度分析過(guò)程系統(tǒng)中能量流沿溫度的分布，找到系統(tǒng)用能的瓶頸，限制了換熱網(wǎng)絡(luò)可能達(dá)到的最大熱回收。

使用Aspen Plus軟件進(jìn)行方案模擬，因熱側(cè)的總焓值大于冷側(cè)，取E-003將工藝液體加熱至85 ℃的極限工況輸入，結(jié)果E-003熱側(cè)出口約為77 ℃。如圖5所示。

圖5 方案模擬Fig.5 Simulation of the scheme

理論上Aspen Plus的模擬顯示該方案的換熱網(wǎng)絡(luò)可以打通實(shí)現(xiàn)，冷熱物料ΔTmin大致在8 ℃左右，該換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點(diǎn)應(yīng)在77 ℃附近。

按夾點(diǎn)理論，ΔTmin越小，能夠產(chǎn)生的熱交換值越大，需要額外補(bǔ)充的公用工程消耗就越少，即越節(jié)能。但ΔTmin越小將導(dǎo)致E-003需要的換熱面積越大，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中可能造成設(shè)備造價(jià)及框架布置上的困難，為此需進(jìn)一步模擬，以尋求最適合的節(jié)能方案。

1.5 通過(guò)冷熱物料夾點(diǎn)尋求節(jié)能

使用Aspen Energy Analyzer能夠直觀地反映換熱網(wǎng)絡(luò)的狀況，在軟件中定義冷熱兩股物料，物料的焓值來(lái)自Aspen Plus的模擬，如圖6所示。

圖6 工藝物料定義Fig.6 Define the two process fluids

構(gòu)建公用工程物料（蒸汽、循環(huán)冷卻水），首先設(shè)定ΔTmin為10 ℃，此時(shí)的夾點(diǎn)為75 ℃，如圖7所示。

圖7 公用工程物料定義Fig.7 Define the two utility fluids

對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溫度與能量匹配，在ΔTmin為10 ℃時(shí)，E-003冷側(cè)出口為75 ℃，Aspen Energy Analyzer計(jì)算出熱側(cè)出口將降至74.5 ℃，如圖8所示。

圖8 換熱網(wǎng)絡(luò)Fig.8 Heat exchange net

對(duì)該設(shè)定溫差下的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配后，E-001入口74.5 ℃，仍需2.3×106kJ / h的冷卻負(fù)荷將熱物料降至目標(biāo)溫度，E-002入口75 ℃，仍需5.03×105kJ/h的加熱負(fù)荷將熱物料升至目標(biāo)溫度，如圖9、圖10所示。

圖9 E-001進(jìn)出口溫度Fig.9 Temperature of the entrance and exit of E-002

圖10 E-002進(jìn)出口溫度Fig.10 Temperature of the entrance and exit of E-002

模擬夾點(diǎn)在75 ℃的換熱網(wǎng)絡(luò)后，為進(jìn)一步節(jié)能，可酌量減小ΔTmin，本文試驗(yàn)了ΔTmin為8 ℃（夾點(diǎn)77 ℃）、ΔTmin為5 ℃（夾點(diǎn)80 ℃）兩種方案，結(jié)合ΔTmin為10 ℃（夾點(diǎn)75 ℃），三種方案的換熱效果請(qǐng)見(jiàn)表1。

2 換熱器E-003計(jì)算

根據(jù)三個(gè)夾點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度，使用HTRI對(duì)E-003進(jìn)行計(jì)算，得到E-003的大致規(guī)格，并對(duì)E-003進(jìn)行估價(jià)，如表2所示。

3 將節(jié)能方案數(shù)據(jù)化

通過(guò)增設(shè)換熱器E-003使原本獨(dú)立的冷熱兩股物料直接進(jìn)行熱交換，E-001的循環(huán)冷卻水耗量及E-002的蒸汽耗量對(duì)比原方案有了顯著減少，以循環(huán)冷卻水每噸0.4元、蒸汽每噸115元對(duì)方案公用工程消耗進(jìn)行估價(jià)，如表3所示。

根據(jù)表2及表3，隨著ΔTmin的逐漸減小，公用工程消耗逐漸減少，每年所節(jié)省的資金較為可觀，但E-003換熱器的設(shè)備規(guī)格相應(yīng)增大，設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用也逐漸升高，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中可能造成設(shè)備安置、框架荷載等其他成本的上升，苯乙烯裝置可根據(jù)實(shí)際狀況，在條件允許的情況下選擇最優(yōu)化的方案。

表1 換熱方案比較Tab. 1 Comparison of heat exchange nets

表2 E-003規(guī)格Tab. 2 Scale of E-003

表3 公用工程消耗減少Tab. 3 Reduce of utility

4 結(jié)論

對(duì)苯乙烯裝置換熱網(wǎng)進(jìn)行局部?jī)?yōu)化不僅符合國(guó)家清潔生產(chǎn)、節(jié)約能源的倡導(dǎo)，也能給苯乙烯裝置所在石化企業(yè)帶來(lái)一定經(jīng)濟(jì)效益。由于苯乙烯裝置技術(shù)成熟，經(jīng)過(guò)多輪次的節(jié)能改造及技術(shù)革新，本身在節(jié)能領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到較為先進(jìn)的程度，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力，通過(guò)一次投資增設(shè)換熱設(shè)備以達(dá)到長(zhǎng)久的節(jié)能效果是可行的，并具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

利用夾點(diǎn)理論可有效地找到換熱網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵點(diǎn)，并通過(guò)軟件的驗(yàn)證，使換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化更為直觀與便捷。

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中圖分類號(hào)：TQ 222.4+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-817X（2016）02-001-000

收稿日期：2015-08-12

作者簡(jiǎn)介：朱逸（1983—），男，工程師，主要從事石化工程項(xiàng)目工藝設(shè)計(jì)。

Scheme Research of Energy Saving for Local Heat Exchange in Reaction Unit in Styrene Plant

Zhu Yi
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

Abstract:In this article, software was used for simulating and verifying the reform schemes of energy saving of for the reaction unit in styrene plants. Through finding the pinch point of the hot gas fluids and cold liquid fluids, heat exchange between cold and hot fluids can be directly carried out so as to reduce the use of cyclic cold water for cooling process gas and to save the stream for heating process liquid. In this way, the objective of local energy saving can be reached, and this scheme has been proved to have practical value.

Keywords:HTRI; heat exchange; energy saving; pinch point