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芳烃歧化装置综合节能技术及其应用研究

点击:1983 日期:[ 2014-04-26 21:53:25 ]
                      芳烃歧化装置综合节能技术及其应用研究                     夏翔鸣1,2,徐 宏1,邢改兰1,张 莉1,郝苓华1     (1.绿色高效与节能教育部工程研究中心,华东理工大学化工机械研究所,上海200237;2.中国石化扬子石油化工有限公司,南京210048)     摘 要:综合采用夹点分析、能量衡算及火用分析等方法诊断出某大型芳烃歧化装置能量利用的薄弱环节。依据装置工况特点,以新型螺旋波纹管换热器取代原普通光管换热器,自行开发研制表面多孔U形高通量换热管替代传统结构再沸器,实现单体设备的高效化改造。在此基础上提出以反应器出料冷却系统与汽提塔进料系统进行能量交换的换热网络优化方案。     关键词;芳烃歧化;节能;换热网络;夹点技术;高效换热器     中图分类号:TK124   文献标识码:A     文章编号:1007-9432(2010)05-0589-04     芳烃是石油化工中重要的基础原料,芳烃联合装置集炼油、石油化工、化工、公用工程为一体[1]。在炼油化工生产的过程中,如何合理地实现冷热物流匹配,充分利用热物流去加热冷物流,提高系统的热回收,减少公用工程负荷,对提高整个过程系统的能量利用率,降低企业能耗具有十分重要的意义[2]。笔者以某大型芳烃歧化装置为研究对象,基于夹点分析理论[3,4],诊断装置用能瓶颈,在此基础上应用系统能量衡算及火用分析方法对系统中用能薄弱的单体设备进行热效率及有效能利用分析,从工艺流程和单体设备两方面提出歧化装置现行换热网络的优化方案。     1·芳烃歧化装置现行换热网络的分析与诊断     芳烃歧化装置主要由11台物料换热器,5台冷却冷凝器和3台加热炉及若干反应器组成,换热网络中热物流为11股(H1-H11),冷流为为6股(C1-C6),各物流数据见表1,采用夹点分析技术对芳烃歧化装置现行换热网络进行分析计算,并绘制现行换热网络结构见图1。                  从图1及换热网络夹点分析计算可知:现行换热网络中加热和冷却公用工程负荷分别为79.02,73.97MW,换热网络的最小传热温差为73.6℃。冷热公用工程耗量大,最小传热温差相对根据经验法确定的最小传热温差Δtmin=10~20℃,明显偏大[5]。芳烃歧化装置现行换热网络具备进一步调优和加强热回收的可能性。         从能量、投资、操作费用等目标出发,对芳烃歧化装置换热网络选取最小换热温差Δtmin=15℃。在此最小传热温差下芳烃歧化装置的设计型夹点组合曲线见图2。                      系统的最小加热和冷却公用工程分别约为59.15,54.10 MW,加热和冷却公用工程的节能潜力约为19.87 MW,占当前实际加热公用工程量的25.1%,占实际使用的冷却公用工程量的26.9%,节能潜力巨大。另外从图1可知:降低最小换热温差,现行换热网络存在跨越夹点的冷热物流换热,物流匹配不合理,具体表现为:     1)热流股H1与冷流股C1在EA-502内的换热;     2)热流股H2与冷流股C2在EA-505内的换热;     3)热流股H3与冷流股C2在EA-506内的换热。此外在夹点上方,还存在冷却热流股H1的空冷器EC-503。     由以上分析可知,若想减小公用工程的消耗,实现系统能量的最大回收,不改变芳烃歧化装置现行换热网络结构是不可能的。     2·基于能量衡算和火用分析的单体设备用能分析     以上基于夹点技术对芳烃歧化装置换热网络的分析,诊断出整个系统能量利用的薄弱环节及用能瓶颈,缺乏对系统内单体设备用能情况的详细分析以及对系统有效能(火用)的利用情况、能级匹配以及能源利用的合理性不能给予诊断与分析。基于能量衡算和火用分析的单体设备用能分析是对换热网络夹点分析诊断结果的有效补充。     任何能量在量上都由火用和火无两部分组成,能量衡算法是对单体设备在能量的量利用率上进行分析,诊断出能量在量上损耗最大的单体设备。对芳烃歧化装置基于能量衡算分析可知:系统总的热损失总量为73.97 MW,占现行加热公用工程负荷的93.6%。以BA-501,BA-502为主的加热炉排烟热损失量为8.25 MW,以冷却器EC-503,EC-514,EC-511为主的空冷、水冷热损失占热损失总额的比例分别高达37.7%,23.3%,15.7%。系统能量损耗大的主要原因是由于空冷器、水冷器排走了大量的热量。     分析法是通过详细地分析系统中每一单体设备的用能及火用损,并认为火用损最大的单体设备是系统用能的薄弱环节。采用火用分析法对换热网络进行分析更为科学、合理。对芳烃歧化装置单体设备基于火用分析可知:系统总的火用损为22.07 MW。火用损较大的单体设备分别为换热器EA-502,空冷器EC-503,EC-514和以蒸汽为加热介质的塔底再沸器EA-510,EA513;其中换热器EA-502火用损最大,达到6.39 MW;空冷器EC-503,EC-514的火用损分别为23.2,13.5 MW,占火用损总量的23.2%,13.5%。塔底再沸器EA-510,EA513火用损分别为3.8,7.1MW占火用损总量的0.84%,1.56%。从两种方法分析结果的对比看:空冷器EC-511从能量的角度看其热损失达15%,但由于其内换热介质的温位较低,介质烃从84℃冷却到46℃,火用损小,损失热量的品质低,回收利用困难。     3·芳烃歧化装置用能调优方案基于以上分析,综合考虑换热网络变动的复杂程度和经济性,对该换热网络提出一个综合节能的调优方案:     1)应用高效换热器对芳烃歧化装置中用能薄弱的单体设备进行强化换热能力改造;     2)以单体设备强化传热改造为基础,调整芳烃歧化装置现行换热网络冷热物流匹配,进行换热网络结构优化与流程再造。     3.1 应用高效换热器的换热网络单体设备改造板壳式换热器是集板式换热器和管壳式换热器优点于一身的新型换热设备。将现行换热网络中两台进料换热器EA-502更换为高效的板壳式换热器,在夹点上方热物流H1与冷物流C1进行充分换热,换热量由原54.33 MW提高到66.63 MW,使加热炉BA-501的负荷由20.14 MW降为7.84 MW,空冷器EC-503的负荷由27.91 MW降为15.61MW。节省的冷热公用工程分别占当前实际加热公用工程量的15.6%,占实际冷却公用工程量的16.6%。     对反应器出料冷凝器,设计出以双弓形折流板支撑的螺旋波纹管换热器取代原来的普通光管换热器,总传热系数可提高19.2%。在螺旋波纹管换热器面积与原换热器相同,物料进口温度提高3℃的条件下,撤下原外加的冷却水喷淋,仍能使物料出口达到相同温度,运行负荷可提高22.6%,且可利用原换热器的壳体、封头,在达到节能的同时,最大限度的节省了改造费用。     甲苯塔再沸器EA-513原为普通U型管壳式换热器,满负荷运作时消耗的高压蒸汽量极大,换热能力有限,提供的热量不能满足足够的塔顶回流量。     表面多孔高通量换热管制造新工艺———烧结U形高通量换热管的设计开发,进而研制成功高效再沸器,替代了甲苯塔再沸器EA-513。该新型再沸器不仅能在小温差下保持核态沸腾,而且具有临界热流密度高和抗结垢能力强等优点;在换热面积与原再沸器相同条件下,总传热系数可提高18.3%,每小时可节省近6 t的高压蒸汽,解决了18.5%饱和蒸汽不能冷凝成水的问题。使壳程物料再沸比增加4.5%,塔顶回流量提高29.3%,有效解决了原塔顶回流量不足问题。     3.2 换热网络结构优化与流程再造     对EA-502等换热器进行高效化改造后,提高了单体设备的换热性能,使反应器出料系统与汽提塔进料系统流程再造成为可能,综合考虑安全、换热器材料及匹配物流相距远近等因素,现有芳烃歧化装置中最适合流程再造的部分为利用甲苯塔DA-505塔顶气体与苯塔DA-503塔底循环液体进行换热。现甲苯塔DA505塔顶气体流量140 000 kg/h,压力为0.5 MPa,出口温度115℃,主要成分为循环甲苯,对其进行加压处理后,代替中压蒸汽加热DA-503塔底循环液,可回收能量18.78 MW,节省中压蒸汽20 t/h,减小了空冷器EC-514的负荷。流程再造投入低,节能效果明显,改造后的换热网络结构图见图3。     4 结论     综合采用夹点分析、能量衡算及火用分析方法从单体设备和工艺流程两方面提出现行换热网络的改造方案,并对方案的可行性及节能效果进行分析,具     体结论如下:     1)对现行换热网络夹点分析表明:现行换热网络最小传热温差为73.6℃,传热温差明显偏大。降低最小传热温差到15℃,其加热和冷却公用工程的节能潜力可达19.87 MW,可节约加热公用工程量25.1%,节约冷却公用工程量26.9%。     2)现行换热装置中换热器EA-502,空冷器EC-503,EC-514和以蒸汽为加热介质的塔底再沸器EA-510,EA513是高能耗设备,是系统用能瓶颈。     3)应用板壳式、螺旋波纹管换热器及烧结型表面多孔管高通量高效换热器替代原普通光管换热器进行换热网络优化,具有显著的节能效果。     4)利用甲苯塔DA-505塔顶气体与苯塔DA-503塔底循环液体进行换热的换热网络流程是可行的。 参考文献: [1] 赵仁殿等.芳烃工学[M].北京:化学工业出版社,2001.[2] 姚平经.全过程系统能量优化综合[M].大连:大连理工大学出版社,1995. [3] Linnhoff B,Mason D R, Wardle I. Understanding heat exchanger  network[J]. Computers chem Engng, 1979,3,292. [4] Umeda T, Itoh J, Shiroko K. A thermodynamic approach to heat  integration in distillation systems[J]. Chem Eng Prog,1978,74:70. [5] 冯霄.化工节能原理与技术(第二版)[M].北京:化学工业出版社,2004.
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