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HYSYS模拟在换热器计算中的应用

点击:2525 日期:[ 2014-04-26 21:58:00 ]
                            HYSYS模拟在换热器计算中的应用                                周明宇1,于长海2,刘 龙3 (1.大庆石化总厂培训处,黑龙江大庆163714; 2.中国石油技术开发公司,北京100009; 3.大庆石化公司研究院,黑龙江大庆163714)     摘要:随着流程模拟技术在炼油化工生产中的不断推广应用,越来越多的装置已经开始通过模 拟来优化装置的操作,从而提高企业的经济效益。通过使用HYSYS.Process稳态流程模拟软件平台,建 立生产装置部分模型,进行换热结构调整,计算新添加换热器所需的换热面积。     关键词:HYSYS;模拟;换热器     中图分类号:TQ 015 文献标识码:A 文章编号:1004 0935(2006)08 0497 03     1 生产现状分析     大庆石化总厂化工二厂丁辛醇装置缩合系统 产物粗EPA(辛烯醛),在进行油水层析分离之前 要把温度降下来,分出的精EPA在进入加氢系统 前还要使用蒸汽重新加热,蒸汽的消耗致使其他 蒸汽用户负荷降低,为了解决这个问题,优化热配 置,考虑进行装置改造,加一台换热器,用温度较 低的精EPA去冷却层析器进料粗EPA,充分有效 地利用内部循环热能,既节约前面冷却水用量又 节约后面蒸汽用量,从而达到装置节能降耗、挖潜 增效的目的。利用HYSYS模拟软件来模拟这段 工艺,根据实际工艺流程特点和要求,计算新添加 换热器所需的换热面积。     2 工艺流程     丁辛醇装置醇工段,正丁醛在碱溶液催化作 用下经缩合反应之后,生成中间产物EPA(辛烯 醛),然后在EPA层析器(1143)中将EPA与水和 碱分离。中间产物在进入层析器之前经换热器 1542、1543,温度由125℃降到112℃又降至40 ℃,在层析器中分离成油相和水相(碱溶液),其中 水相打回缩合反应系统循环利用,油相经加热器 1544由40℃再加热到124℃进入蒸发器,与热氢 气混合后进入加氢反应器进行加氢反应生成辛醇。其中,因为层析器操作温度要求较低(40℃ 操作),其进料粗EPA先经冷却水冷却,然后进入 1143中层析之后,其产品精EPA还要用13 kg蒸汽再加热才能满足后序蒸发器的操作要求。为节 能降耗,提出合理化建议,考虑用温度较低的精 EPA去冷却层析器进料粗EPA,在1543之前加一 台换热器(E-101),用精EPA去冷却粗EPA,如 图2所示。                        3 模拟计算及结果分析     3.1 定义虚拟组分     模拟计算首先遇到的问题是缩合产物EPA (辛烯醛)和副产物EMPAL(2-乙基4甲基戊烯 醛),非稳定化合物,不是HYSYS标准库组分,而 且在其他化学手册等资料中也无从查找其物性数 据,所以根据其确切分子量和分子结构在HYSYS 中定义这两种虚拟组分,搭接官能团,从而使用 HYSYS估计其未知物性[1]。                      从表1中对比可以看出,HYSYS根据结构式 估计出的物性数据比较合理,符合醛醇之间、烷烯 之间、同分异构体之间物性变化的基本规律,在没 有更确切的数据情况下不用修改,全部接受。     3.2 选择合适的流体包(物性计算方法集)及修 改物性参数     在此系统中,既有烃类和水,还有无机物 NaOH,而且还有虚拟组分,这样在选择物性方法 集时范围很窄,选择使用能同时并存计算这几种 物质的物性方法NRTL扩展型,但是该方法要求 组分间二元交互作用参数,而虚拟组分、碱与水、 丁醛之间的二元交互作用参数都没有,使用 HYSYS中的UNIFAC LLE液液平衡方法估计此油 水系统二元参数(但也未能估计出无机物NaOH 与其他分子间的交互作用参数)[2],模拟计算的结 果不甚理想,其中,层析器分离后无机物NaOH大部分进入油相精EPA,而在水相中的含量却极少。 考虑油水相层析分离,分子间的二元交互作用参 数起很大作用,所以摸索着自己修改二元参数,然 后把层析分离的结果与设计数据比较,直到模拟 结果与实际相符。                       3.3 实际流程模拟计算     先用定义的虚拟组分和修改的一套二元交互 参数进行计算,验证结果可用后,在此基础上求出 1543换热器的传热系数,然后分别取该系数和其 一半作为新添加的换热器的传热系数,按照从实 际角度考虑定的要求,再进行设计模拟,求出把精 EPA加热到90℃和94℃时的换热器面积。     模拟时,粗EPA进料中所含残余物未知,无 法在模拟中定义,但它们层析后大部分都在油相, 属烃类副产物,定义组成时把它们归一到EPA 中。用三相分离器模型来进行层析器计算,并用 设置分离器罐顶气相流率为0的处理方法来解决 油水双液相分离问题。换热器采用端点法设计型 模型,管壳侧都给70 kPa的压降,根据热平衡计 算层析器进料温度40℃时的传热系数U和传热 面积A的乘积UA,该值是经过HYSYS对对数平 均温差进行校正过的值,实际E-1543的换热面 积为77.6 m2,按此值计算出的传热系数为2 207 kJ/h-m2-C,与根据设计数据及传热方程(1)计 算的传热系数2 109 kJ/h-m2-C相比,相差约4. 8 %,这里设计计算时泵是没有温升的,而在模拟 计算中随压力升高,泵略有温升,这会引进一些差 距。                     3.4 添加换热器之后的模拟     在模拟中,后面的物流打回前面流程,要添加 一个循环模块,在精EPA物流上加一个循环模 块,并收紧焓值的计算允差,然后进入新换热器的 壳程,让粗EPA走管程,管壳侧都给和E-1543 一样的压降70 kPa,计算的结果如后面附表及附 图,粗略地对比验证一下,按E-1543的设计数据 及传热方程:                        Q=F×CP×Δt (3)     反推粗EPA的Cp值,得出值与模拟计算的 粗EPA的Cp值对比基本一致,所以模拟计算的 精EPA的Cp值也可以接受,取模拟计算的精 EPA的在40℃和90℃时的平均Cp值,计算精 EPA出口为90℃时粗EPA在新换热器的出口温 度,从而得到对数平均温差,然后取传热系数与E -1543一致,按传热方程(1)计算得传热面积,这 两个面积结果前者为13.8 m2,后者为14.6 m2,差 距很小。其中,物流Cp是温度的函数,在按设计 数据计算时取它为常数,而实际因为新增加换热 器,换热前后精EPA和粗EPA的Cp值都会略有 变化,这会引入一些差距。                        使用HYSYS模拟工具进行工况研究,可以得 出精EPA和粗EPA的Cp值随温度变化趋势,如 图3、4。最终计算的多种工况下的新添加换热器 面积结果如表4,新添换热器的换热曲线见图5。 3.5 调整热配置之后节约蒸汽用量及费用计算 添加换热器之后节约13 kg/h蒸汽用量为 560 kg,冷却水用量每小时也减少31 050 kg。13 kg蒸汽按60元/t计算,则年节约蒸汽费用一项 为29.5万元,因冷却水用量减少而节约的费用不 计,并忽略因冷却水、蒸汽用量减少从而节约的动 力消耗费用,投资一台换热面积为35 m2的碳钢 材质换热器费用为3~5万元,那么改造后当年效 益就25万元,以后每年节约的操作费用约30万 元。                          4 结 论     通过把模拟计算的层析分离结果与设计结果 数据比较,油水相主要成分的组成误差很小,流率误差分别为0.2 %和1.05 %,对比也很接近,以 此模拟为基础,计算得到的其他物流性质参数(如 热容Cp)和最后算得的新增换热器面积可以作为 装置改造应用的参照数据。这样通过新增一台换 热器,合理优化热配置,重新调整换热结构,投资一次性换热器费用,可节约一笔可观的操作费用。 参考文献 [1] Hysys.Process User Guide. Hyprotech co,2001,128-196 [2] Aspen Plus Property Method. Aspentech co,1999,45-89 
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