汽油加氫裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

李中濤 惠生工程(中國)有限公司北京分公司 北京 100032

石油化工企業(yè)是能量密集型單位，節(jié)能降耗歷來是石化企業(yè)及相關(guān)人員所關(guān)注的焦點，也是我國石化行業(yè)發(fā)展的重大戰(zhàn)略。在節(jié)能降耗各種措施中，通過對裝置內(nèi)的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化、集成，增加系統(tǒng)換熱效率，最優(yōu)化利用系統(tǒng)內(nèi)外部冷熱量，從而實現(xiàn)外部能耗最低，減少裝置的年總成本，是一個非常重要的研究課題。當(dāng)前，夾點技術(shù)是設(shè)計、優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)的重要手段[1][2][3]。

汽油加氫裝置涉及兩段加氫反應(yīng)，均系放熱過程，系統(tǒng)內(nèi)自產(chǎn)熱量較多。同時，裝置內(nèi)的各個塔器需要配置塔頂冷凝器和塔釜再沸器，使該裝置有較多的冷換設(shè)備參與冷熱量交換過程。因此，對該裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化具有非常重要的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值。

夾點理論是英國Linnhoff B.教授等人提出的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計方法。該理論以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，從宏觀角度分析系統(tǒng)中能量流沿溫度曲線的分布，解除系統(tǒng)用能的“瓶頸”，通過構(gòu)造冷熱物流組合曲線和平衡組合曲線來對工藝過程進(jìn)行能量分析，制定節(jié)能設(shè)計和改造方案[4][5]。

夾點技術(shù)以化工熱力學(xué)為基礎(chǔ)，從整個系統(tǒng)考慮，選用年總費用、設(shè)備投資費用、最大熱量回收量等作為經(jīng)濟目標(biāo)函數(shù)，首先通過經(jīng)驗法或數(shù)學(xué)優(yōu)化估算確定夾點溫差，采用復(fù)合溫焓曲線等方法得出夾點，確定最小加熱公用工程量及最小冷卻公用工程量，通過夾點設(shè)計準(zhǔn)則找出流程中不合理的換熱過程及換熱設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，從而使換熱網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最優(yōu)[6][7]。

1 生產(chǎn)工藝流程介紹

裂解汽油是石油裂解生產(chǎn)乙烯過程中的重要副產(chǎn)物。其主要成分是C5-C9烴類，包括40%(wt)以上的芳烴及相當(dāng)數(shù)量的二烯烴、單烯烴等，同時還含有微量的硫、氮、氯及重金屬等組分。此外，裂解汽油的穩(wěn)定性極差，易氧化及聚合，必須先進(jìn)行預(yù)處理。目前普遍采用催化加氫精制方法。

某項目14萬t/a汽油加氫裝置基本流程見圖1。

圖1 某項目14萬噸/年汽油加氫裝置基本流程圖

該裝置大致可分為脫碳五系統(tǒng)、脫碳九系統(tǒng)、一、二段加氫系統(tǒng)及穩(wěn)定系統(tǒng)，將來自界區(qū)的裂解汽油分為C5-組分、C9+組分及穩(wěn)定后的加氫汽油組分。該裝置兩段加氫均系放熱反應(yīng)，同時系統(tǒng)內(nèi)各塔器均需配置冷凝器及再沸器，用能設(shè)備較多。該換熱網(wǎng)絡(luò)內(nèi)共有換熱單元14個(部分換熱單元或有多臺換熱器)，涉及換熱流股13種，公用工程物流3種，系統(tǒng)內(nèi)自產(chǎn)熱量較多，裝置內(nèi)熱量可利用程度較高，換熱網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜。

來自界區(qū)的粗裂解汽油送至T1(脫C5塔)，C5產(chǎn)品由塔頂采出，塔底C6+直接進(jìn)入T2(脫C9塔)。T2塔頂采出的C6-C8由泵送至加氫工段，塔釜C9+產(chǎn)品冷卻后送至產(chǎn)品罐區(qū)。

上述C6～C8餾分進(jìn)入一段加氫反應(yīng)器，加氫反應(yīng)物先后經(jīng)熱、冷分離罐進(jìn)行氣液分離。富氫氣體送往二段循環(huán)氫壓縮機為二段加氫提供部分H2，液相作為一段加氫油，一部分經(jīng)一段冷卻后返回反應(yīng)器入口與新鮮進(jìn)料混合進(jìn)入反應(yīng)器，另一部分去二段加氫反應(yīng)系統(tǒng)。二段加氫反應(yīng)器出口產(chǎn)物經(jīng)進(jìn)出物料換熱器冷卻并水冷后，進(jìn)入二段加氫分離罐。二段加氫分離罐中分離出的氣體大部分與補充氫氣和來自一段加氫冷分離罐頂?shù)囊欢渭託湮矚饣旌虾筮M(jìn)入循環(huán)氫壓縮機。

二段加氫分離罐液相送往T3(穩(wěn)定塔)。T3塔頂酸性尾氣返回到乙烯裝置。塔底C6-C8產(chǎn)品經(jīng)冷卻后去罐區(qū)。

2 原流程夾點分析

2.1 物流信息

對該系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，首先列出涉及換熱的各冷熱流股。見表1。

表1 工藝物流數(shù)據(jù)

2.2 最小夾點溫度確定

在換熱網(wǎng)絡(luò)的綜合分析中，通常以系統(tǒng)的總費用為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，其包括操作費用和投資費用兩部分。在分析過程中，夾點溫差是一個尤為關(guān)鍵的因素。夾點溫差減小，熱回收程度增大，所需公用工程用量減少，操作費用降低，但由于傳熱溫差減少，所需換熱面積增大，造成投資費用增大；反之，操作費用增大，投資費用減少。因此，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)物流和經(jīng)濟環(huán)境一定時，存在一個最小夾點溫差△tmin,使總費用目標(biāo)最小。換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，應(yīng)該在此溫差下進(jìn)行[8][9]。

在實際生產(chǎn)過程中，換熱器材質(zhì)、組合曲線的形狀，特別是熱冷復(fù)合曲線間的距離分布等條件決定著投資費用的大小，從而決定著△tmin的合理選擇。因此，為使操作費用和投資費用進(jìn)行合理分配，目前有效的辦法是把投資費用目標(biāo)也表示為△tmin的函數(shù)。投資費用主要由換熱單元數(shù)和總換熱面積確定，假定全過程的換熱系數(shù)相同且為常數(shù)，則當(dāng)物流間垂直匹配時，所需換熱面積最少[10]。

根據(jù)各流股條件及裝置基本數(shù)據(jù)確定換熱網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)的最小傳熱溫差△tmin，以裝置的年總費用最低時的△tmin作為最優(yōu)的△tmin。對于該裝置，△tmin與年操作費用、年投資成本及年總費用的關(guān)系見圖2。

圖2 △tmin與投資費用、操作費用及總費用關(guān)系圖

由圖2可知，當(dāng)最小傳熱溫差△tmin選為10～15℃時，總費用最低。另外，根據(jù)經(jīng)驗，最優(yōu)夾點溫差范圍一般約在5～20℃，該△tmin符合經(jīng)驗范圍。同時，結(jié)合工廠換熱器實際操作情況，選取換熱溫差為13℃，故該網(wǎng)絡(luò)的最小傳熱溫差△tmin=13℃。

2.3 原流程換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

基于上述最小溫差，對該換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。該系統(tǒng)的夾點溫度為112～125℃，最小熱公用工程用量為3841 kW，最小冷公用工程用量為5809 kW，具體換熱網(wǎng)絡(luò)熱復(fù)合曲線詳見圖3。

圖3 換熱網(wǎng)絡(luò)熱復(fù)合曲線

該系統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡(luò)見圖4。

圖4 原流程換熱網(wǎng)絡(luò)組合圖

圖中，豎直虛線即為冷熱流體的夾點線，夾點線左側(cè)為夾點之上區(qū)域，夾點線右側(cè)為夾點之下區(qū)域；標(biāo)“H”設(shè)備表示加熱器，標(biāo)“L”設(shè)備為冷卻器，無標(biāo)注設(shè)備為工藝流股間換熱器。

由該圖可知，原流程的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，在理論上有較多可優(yōu)化部分，具備一定的節(jié)能潛力。

2.4 節(jié)能挖潛分析

2.4.1 內(nèi)部換熱分析

根據(jù)夾點理論3條基本原則：a夾點之上只允許存在換熱器和加熱器，不設(shè)置冷卻器；b夾點之下只允許存在換熱器和冷卻器，不設(shè)置加熱器；c盡量避免穿越夾點的換熱[4]。該換熱網(wǎng)絡(luò)穿越夾點的換熱量為910.7 kW，熱量較大，是系統(tǒng)能耗較高的主要原因之一。

2.4.2 外部換熱分析

該換熱網(wǎng)絡(luò)所需外部公用工程量較大，所需熱量為4751 kW，所需冷量為6720 kW，而對于系統(tǒng)內(nèi)部的熱量并未充分合理利用，需對該部分熱量加以充分利用，以盡量達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。

3 改造流程換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

首先，對夾點兩側(cè)的各冷、熱流股分別進(jìn)行分析。夾點之上與夾點之下區(qū)域，盡量使用區(qū)域內(nèi)的冷熱流股進(jìn)行換熱，使得外部冷熱公用工程量最?。煌瑫r，盡量避免穿越夾點的設(shè)計；對于冷熱夾點溫度區(qū)域之內(nèi)的流股盡量在區(qū)域內(nèi)換熱；同時，各流股按照溫度品級逐次換熱，高溫?zé)崃鞴蓛?yōu)先加熱高溫冷流股，以此類推，盡量避免越級換熱。

對夾點之上區(qū)域，優(yōu)先使用區(qū)域內(nèi)流股進(jìn)行換熱，剩余所需熱量采用熱公用工程加熱。優(yōu)化后，增加了3臺換熱設(shè)備，其中，刪除原流程中需要超高壓蒸汽加熱的B19，采用區(qū)域內(nèi)的350℃高溫流股(27 to 29流股)作為熱源加熱，另外使用區(qū)域內(nèi)熱流股作為B2再沸器的一部分熱源，減少了中壓蒸汽的消耗；雖然形成了熱負(fù)荷回路，但避免了跨越夾點的換熱，最終改善了系統(tǒng)的綜合性能。詳細(xì)換熱網(wǎng)絡(luò)見圖5。

圖5 優(yōu)化流程夾點之上區(qū)域換熱網(wǎng)絡(luò)圖

對于夾點之下與夾點之間區(qū)域，采用相同的設(shè)計方法進(jìn)行優(yōu)化，換熱網(wǎng)絡(luò)詳見圖6。由于該裝置熱流股和熱量較多，冷流股和冷量較少，故對于夾點之下的冷端不可避免的要使用大量冷公用工程(本案中為冷卻水)，而夾點之上區(qū)域剩余的較低溫位的熱量已難以利用或者利用這部分熱量造成的設(shè)備投資成本高于節(jié)能產(chǎn)生的效益。故此對于夾點設(shè)計原則，有時能耗最低時可能造成設(shè)備投資大幅增加，故須進(jìn)行綜合性經(jīng)濟評價，以確認(rèn)最優(yōu)設(shè)計。

圖6 優(yōu)化流程夾點之下與夾點之間區(qū)域換熱網(wǎng)絡(luò)圖

對換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化前后的技術(shù)及經(jīng)濟參數(shù)進(jìn)行對比，見表2。

表2 換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化前后參數(shù)對比表

從表2可以看出，流程優(yōu)化后，節(jié)能效果較為明顯。減少中壓蒸汽用量622kW，且避免了使用超高壓蒸汽，大大節(jié)省了熱公用工程消耗，與此同時，由于充分利用了系統(tǒng)內(nèi)的熱量，所以冷卻水的消耗量也相應(yīng)減少，系統(tǒng)內(nèi)的能量利用得到進(jìn)一步優(yōu)化。而由此產(chǎn)生的代價是增加了5臺換熱器，原因在于熱流股的熱量較為分散，單一流股熱量不足，勢必造成回收利用熱量的成本較高，從而增加了固定投資成本，但節(jié)能效果得到提升，最終的年總費用減少，系統(tǒng)的技術(shù)及經(jīng)濟參數(shù)得到了進(jìn)一步優(yōu)化，配置更合理，經(jīng)濟性能更佳。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，理論上，每年可節(jié)省總費用人民幣約185萬元左右。但是涉及實際生產(chǎn)，還需從實際生產(chǎn)環(huán)境、可操作性以及人工成本等方面綜合考慮。

4 結(jié)語

本文使用夾點分析方法對14萬噸/年汽油加氫裝置進(jìn)行了換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及經(jīng)濟性能評價，改善了系統(tǒng)的換熱效果，獲得了一定的經(jīng)濟效益。通過上述分析，可以得到以下主要結(jié)論。

(1)使用夾點技術(shù)優(yōu)化流程后，換熱網(wǎng)絡(luò)更加合理，能耗顯著降低，年總費用可節(jié)省185萬元左右，效益可觀，由于該裝置規(guī)模較小，對于更大規(guī)模的裝置，節(jié)能效果與經(jīng)濟效益將更為顯著。

(2)在換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中，原則上應(yīng)盡量減少穿越夾點的熱交換，但應(yīng)結(jié)合各方面綜合考慮，計算總費用。例如，本文優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)中仍有70.7kW換熱穿越夾點，但由于系統(tǒng)自身的換熱屬性，若繼續(xù)減少該部分換熱，必須引入更多換熱器及公用工程，這就造成了設(shè)備投資與操作費用的增加，故此，綜合考慮優(yōu)化后，采用該流程。

(3)根據(jù)夾點理論，需盡量減少換熱負(fù)荷回路，可減少設(shè)備投資，但可能相應(yīng)增大換熱溫差，使熱力學(xué)效率降低，不利于節(jié)能降耗，故需要綜合考慮。本文中優(yōu)化后的流程中仍存在換熱回路，也是綜合比較后采用的最佳方案。