苯氯化裝置換熱網(wǎng)絡系統(tǒng)優(yōu)化

王真貝，呂燈生，錢 赟，顧森榮

（江蘇揚農(nóng)化工集團有限公司，江蘇 揚州 225001）

隨著社會的發(fā)展、科技的進步，人們對能源使用的要求也越來越高。中國在制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展五年規(guī)劃綱要時明確提出了“強化能源節(jié)約和高效利用的政策導向，加大節(jié)能力度，通過優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構特別是降低高耗能產(chǎn)業(yè)比重，實現(xiàn)結構節(jié)能；通過開發(fā)推廣節(jié)能技術，實現(xiàn)技術節(jié)能”等要求。作為傳統(tǒng)重工業(yè)，化工企業(yè)的優(yōu)化裝置，節(jié)約能源已經(jīng)成為生產(chǎn)中必不可少的一個環(huán)節(jié)。因此有效優(yōu)化化工裝置的換熱網(wǎng)絡，最大限度的回收熱量是每個化工企業(yè)所必須分析的問題[1，2]。目前已經(jīng)開發(fā)出多種成熟的換熱網(wǎng)絡最優(yōu)化綜合方法，其中最有影響力的是夾點分析法和數(shù)學規(guī)劃法。夾點分析技術方法簡單、思路獨特、靈活、實用、易于理解和掌握、經(jīng)濟效益顯著。本文通過采集揚農(nóng)化工集團苯氯化系統(tǒng)裝置的工藝參數(shù)，利用夾點分析法對裝置能耗分析、提出優(yōu)化改造方案。

1 工藝流程及數(shù)據(jù)采集

1.1 工藝流程

江蘇揚農(nóng)化工集團有限公司苯氯化裝置主要流程如下：苯經(jīng)預熱器預熱（物流1：溫度30℃升至70℃）進入反應器與氯氣反應，反應后氯化液經(jīng)冷卻器冷卻（物流2：溫度80℃降至40℃）送入中間槽存儲，中間槽物料經(jīng)脫氫預熱器預熱（物流3：溫度40℃升至100℃）送入脫氫塔脫氫，脫氫塔物料送入苯精餾塔分餾，塔頂物料經(jīng)冷卻器冷卻（物流4：溫度80℃降至50℃）后送入回收苯庫，塔釜物料經(jīng)冷卻器冷卻后（物流5：溫度140℃降至70℃）送入氯化苯精餾塔生產(chǎn)氯化苯成品，由于成品精餾塔涉及成品質量，因此不考慮采用熱交換器，相關工藝流程方框圖見圖1。

圖1 苯氯化方框圖

1.2 數(shù)據(jù)采集

針對以上工藝流程的五股熱流，通過查理化常數(shù)手冊、物料、能量衡算等方法對所需數(shù)據(jù)進行采集，采集數(shù)據(jù)見表1。

表1 苯氯化裝置物流參數(shù)

2 夾點分析法概述

2.1 夾點位置確定

夾點分析法通常采用溫－焓圖和問題表法確定夾點的位置。

采用溫－焓圖法，首先確定一個系統(tǒng)最小的傳熱溫差—夾點溫差。夾點是冷熱負荷溫焓線上傳熱溫差最小的地方。

當物流較多時，采用溫－焓圖法比較繁瑣，不夠準確，問題表法簡潔易用，所以，本文采用問題表法。

2.2 夾點技術的設計原則

夾點是系統(tǒng)的用能“瓶頸”的地方，它將換熱網(wǎng)絡分成兩部分，即夾點之上和夾點之下。為了使公用工程消耗最小，需遵循以下三個基本原則：

（1）不應有跨越夾點的傳熱；（2）在夾點之上，應盡量避免使用冷卻器；（3）在夾點之下，應盡量避免使用加熱器。

2.3 夾點技術設計準則

（1）物流數(shù)目準則

夾點物流，夾點之上，冷物流數(shù)要多于熱物流數(shù)，夾點之下，冷物流數(shù)要少于熱物流數(shù)。若生產(chǎn)過程中夾點處物流不滿足此準則，可以通過分流解決。

（2）熱容流率準則

根據(jù)經(jīng)驗，熱容流率相近的冷、熱物流匹配換熱，有效能損失小。夾點處物流，夾點上方，熱物流熱容流率小于或等于冷物流熱容流率，夾點下方，熱物流熱容流率大于或等于冷物流熱容流率。同樣不滿足此準則時，可以通過分流來遵守該準則。

（3）最大換熱負荷準則

為保證換熱設備投資費用和換熱單元數(shù)，每一次換熱應該達到完成至少一股物流的目標溫度。

2.4 夾點設計經(jīng)驗規(guī)則

（1）經(jīng)驗規(guī)則一，選擇換熱匹配的熱負荷等于該匹配的冷、熱流體中的熱負荷較小者，使熱負荷較小物流通過一次換熱達到目標溫度。這樣可以減少換熱設備數(shù)，減少換熱設備投資費用。

（2）經(jīng)驗規(guī)則二，選擇熱容流率相近的冷、熱流體進行匹配換熱，使換熱器結構簡單、費用低[3，4]。

3 苯氯化裝置換熱網(wǎng)絡分析

3.1 夾點位置的確定

根據(jù)冷熱流體數(shù)據(jù)可以繪制出溫－焓圖，根據(jù)溫－焓圖找出夾點位置，由于步驟繁瑣此處僅列出ASPEN PLUS模擬出的溫－焓圖，本文采用問題表格法計算找出夾點位置。模擬溫－焓圖見圖2。

圖2 模擬溫－焓圖

采用問題表格法計算夾點溫度，首先根據(jù)經(jīng)驗，確定裝置夾點溫差Δ Tmin=5～15℃，首先將所有冷、熱物流按進、出口溫度大小排列起來，即，冷流體：30℃、40℃、70℃、100℃，熱流體：40℃、50℃、70℃、80℃、140℃。取夾點溫差Δ Tmin=10℃時，計算它們的平均溫度。冷流體：35℃、45℃、75℃、105℃，熱流體：35℃、45℃、75℃、135℃。將冷流體和熱流體平均溫度按大小排列并劃分溫區(qū)，即，35℃、45℃、75℃、105℃、135℃。5個溫度可以劃分4個溫區(qū)，劃分結果見圖3。

圖3 Δ T min=10℃時溫區(qū)分析圖

根據(jù)溫區(qū)收集數(shù)據(jù)以及3.4所述，計算每個溫區(qū)的熱平衡，確定各溫區(qū)輸出和輸入的能量，當ΔHi為負值時表示該溫區(qū)有剩余能量。計算累計熱量和熱通量，計算結果見表2。

表2 Δ T min=10℃時問題表格

由表2可知，根據(jù)熱力學定律，當外界無熱量輸入時，輸出熱量為負值是不合理的，所以外界必須提供熱量，所以，最小加熱公用工程量為81993 kJ/h。當外界輸入81993 kJ/h時，最后溫區(qū)輸出的熱量即最小冷卻公用工程量為18909 kJ/h。溫區(qū)三和溫區(qū)四的熱通量為0，所以，此處就是夾點。夾點位置在熱物流溫度50℃，冷物流溫度40℃處。

根據(jù)ASPEN PLUS模擬熱集合網(wǎng)路中冷熱流體的總組合曲線也可以看出夾點位置為在熱物流溫度50℃，冷物流溫度40℃處。

3.2 利用夾點原則對苯氯化系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡進行優(yōu)化

目前揚農(nóng)集團苯氯化裝置無換熱網(wǎng)絡，熱源全部采用低壓蒸汽，冷源采用系統(tǒng)冷卻水，能耗較高，按照氯化苯成品4 t/h計算，用熱公用工程能耗為1014364 kJ/h，用冷公用工程能耗為951280 kJ/h，總能耗約為1965644 kJ/h，折約16元/t。

本文根據(jù)夾點原則以及分流原則，利用ASPEN PLUS工具，對氯化苯裝置換熱網(wǎng)絡進行優(yōu)化設計，設計換熱網(wǎng)絡見圖4。

圖4 ASPEN PLUS模擬苯氯化換熱網(wǎng)絡

可以看出，優(yōu)化方案采用5個熱交換器進行冷熱物流換熱，回收能量，達到降低生產(chǎn)能好的作用。

此方案熱公用工程能耗為81993 kJ/h，冷公用工程能耗為18909 kJ/h，總能耗為100902 kJ/h。

3.3 經(jīng)濟分析

針對苯氯化裝置能耗，采用夾點分析法，利用ASPEN PLUS軟件模擬，確定了換熱網(wǎng)絡的改造方案并實施。共計增加換熱器5臺，折合約40萬元，總改造費用約為67萬元。改造完成后，設備運行穩(wěn)定，年節(jié)約能耗14768756 MJ，折約50.1萬元，投資回收期約為1.3年，能耗降低效益明顯。

4 結語

本文在采集揚農(nóng)化工集團苯氯化裝置工藝參數(shù)的基礎上，采用夾點分析法，結合ASPEN PLUS軟件模擬，對苯氯化裝置的換熱網(wǎng)絡進行分析并提出改造方案，改造方案可行性高，效益明顯，投資回收期僅約為1.3年。

同時，對于現(xiàn)用工業(yè)裝置，在滿足正常操作的前提下，采用夾點分析法等過程集成技術，可以從宏觀角度發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)用能網(wǎng)絡的不足并幫助確定最佳方案，為企業(yè)的節(jié)能增效提供有力支持。