化工过程分析与合成大作业(甲醇制丙烯过程换热网络设计)
贾锦波 3120102367
1、 提取流股
根据所给的流程图和aspen plus源文件，将原有换热网络打破，提取生产过程中需要换热的冷热物流。 在提取前，需先在流程图中为必要的流股进行编号，编号结果如下图绿色数字所示：
之后将过程流股与塔设备物流分别提取。制表如下：
（注：过程流股由“MTP流程详图-换热网络.jpg”得到，塔设备流股由“DZY.bkp”得到） 流股编号（始-末） 2-3 4-5 6-7 8-9 10-11 12-13 14-15 16-17 18-19 20-21 22-23 24-25 26-27 28-29 30-31 32-33 34-35 36-37 38-39 40-41 42-43 44-45 46-47 48-49 过程名称 T1-TOP T1-BOTTOM T2-TOP T2-BOTTOM T3-TOP T3-BOTTOM T4-TOP T4-BOTTOM T5-TOP T5-BOTTOM T6-TOP T6-BOTTOM T7-TOP T7-BOTTOM T8-TOP T8-BOTTOM 初始温度/℃ 51.3 480 72.8 83.5 87.5 96.2 387.8 44 146 103.9 88 30.4 -40 37 106.2 36.2 26.1 167.1 166.2 60.1 53.6 73.6 88 50 初始温度/℃ 109 145.9 78 158.2 33.9 103.6 -36.5 46.9 53.3 62.4 -70.5 -9 -33.6 -10.8 90.2 154.2 目标温度/℃ 流股类型 275 冷流股 190 热流股 50 热流股 50 热流股 50 热流股 30 热流股 155 热流股 20 热流股 30 热流股 30 热流股 203 冷流股 -35 热流股 30 冷流股 -40 热流股 285 冷流股 106.6 冷流股 96.1 冷流股 60 热流股 60.3 热流股 40 热流股 40 热流股 163.4 冷流股 50 热流股 30 热流股 目标温度/℃ 流股类型 101 热流股 146 冷流股 67.1 热流股 169 冷流股 20.8 热流股 105.3 冷流股 -40.3 热流股 47 冷流股 52.8 热流股 62.7 冷流股 -92.4 热流股 -8.6 冷流股 -33.7 热流股 -9.6 冷流股 74 热流股 166.8 冷流股 Heat Duty/kW 82019 -55256 -5947 -14172 -13526 -12552 -34913 -6130 -19740.2 -4961.2 20429.8 -11570 3546 -3851 23667 4260.7 18384 -1055 -600.8 -262.7 -746 17092 -77712.3 -8263 Heat Duty/kW -29762 32542 -14723 28249 -14967 13841 -6440.3 9014 -70859 71145 -272.6 278 -1595.2 1517 -22106 8732 T9-TOP T9-BOTTOM 110.4 165.2 108.9 169.8 热流股 冷流股 -1086.5 1729
2、 确定能量目标
将换热流股输入ASPEN ENERGY ANALYZER V8.6 软件，选用的公用工程如下图所示：
图2.1 公用工程选用
确定最小夹点温差：最小温差对于换热网络是至关重要的，温差选择较大，则会使得高品质的能量损耗，温差选择较小，则会使得传热面积无限大，使得设备的投资费直线上升。不断改变夹点温差，计算换热网络的总投资，得到趋势图。
图2.2 总投资随最小传热温差变化曲线图
如图所示，在最小传热温差为6摄氏度时总投资达到最低，故选用6度作为后续设计的最小传热温差，并作出组合曲线和总组合曲线图分别如下。
图2.3 冷热物流的组合曲线图和总组合曲线图
由此可见，全工艺过程中有较大能量可以回用，另外，可选用多级公用工程，以更好的实现能量目标。
图2.4 自动匹配多级公用工程的总组合曲线图
同时，可从中得到夹点温度为： 热流股125℃，冷流股119℃。
此外，能量回用目标也可由软件自动计算得出：
图2.5 能量回用换热网络设计的Targets
3、 换热网络设计
3.1 初选换热网络
利用Aspen Energy Analyzer V8.6 软件可推荐数十个换热网络，将计算得到的一系列换热网络与能量回用目标进行比较，计算结果如下表所示：
表3.1 推荐换热方案比较
最终依据总花费最小原则，选定换热网络，并进行自动优化，如图4.2所示：
图3.1 初选换热网络
3.2 换热网络能量分析
初选的换热网络虽可行，但显示夹点后可发现，存在不少能量利用不合理的
地方，如：
图3.2 显示夹点和回路的初选换热网络
1、 有冷流股在夹点以下使用了热公用工程（如换热器E-147、E-166）. 2、 还存在有冷热流股跨夹点换热的情况，如换热器E-179等。 以上两种情况都会增加公用工程的用量，应尽量避免。
3、 在该网络中，有大量的回路存在，如换热器E-121与换热器E-179所构成的回路（图中黄线所示），这将徒然增添换热器数量，在经济上并不合理。
3.3 换热网络优化
以最小公用工程用量为目标，并尽可能减少换热器数量
1、尽可能将跨夹点的换热情形去除
2、将夹点以上的冷公用工程移至夹点以下，同样，将夹点以下的热公用工程移至夹点以上。
3、尽量避免高品位热量给低品位流股换热，即以温度相近为原则合理进行冷热匹配。
4、网络中存在一股物流多次使用同一公用工程的几个匹配，可将其合并以减少换热器数量。
5、找出换热网络中的回路，将其打断，并进行热负荷集成分担，以减少换热器数量。
另外，在设计时可通过连接冷热公用工程的通路，进行网络松弛，以改变换热器匹配使换热满足要求。也应当时刻注意尽量避免跨夹点换热、用高品位的公用工程为低品位流股换热。
经过以上各换热网络的优化手段，最终得到的换热网络如图3.3所示
公用工程能耗有所减少，冷、热公用工程用量分别减少到了目标用量的110.4%和
123.8%。换热器数量由原来的69台减少到58台。
图3.3优化后的换热网络
以下列出58台换热器换热情况： Heat Exchanger E-134 E-189 E-126 E-132 E-185 E-187 E-198 E-176 E-194 E-190 E-150 E-152 E-156 E-147 E-149 E-137 E-143 E-203 Load/(kJ/h) E-134 E-189 E-126 E-132 E-185 E-187 E-198 E-176 E-194 E-190 E-150 E-152 E-156 E-147 E-149 E-137 E-143 E-203 1823657 931186 51019200 2.3E+08 12127526 5720140 21644707 2.48E+08 33081852 412560.7 30167227 1736075 2907899 12879323 21409200 28957244 2956585 712789.9 Cost Index 34662.44 28135.54 445155.1 2727194 35086.49 26816.67 1090342 1836418 415645 66799.9 270203.5 87010.93 110243.5 194374.5 210349.6 98382.71 116678.7 98088.46 Aera/m2 72.64113 49.46531 1857.495 11714.82 74.20571 45.01036 4603.51 7890.56 1701.395 173.3064 1049.539 301.5282 352.5332 755.103 837.7525 358.1761 453.1425 299.9361 Shells 1 1 4 24 1 1 10 16 4 2 3 1 2 2 2 1 1 2 Hot Stream 12-13 16-17 8-9 T5-TOP 28-29 T7-TOP 18-19 46-47 18-19 38-39 14-15 28-29 36-37 20-21 6-7 14-15 T8-TOP 36-37 Cold Stream 26-27 T6-BOTTOM Cooling Water Cooling Water Very Low Temperature Very Low Temperature 34-35 Cooling Water Cooling Water T1-BOTTOM 2-3 26-27 T5-BOTTOM Cooling Water Cooling Water T3-BOTTOM 34-35 T1-BOTTOM E-186 E-131 E-171 E-217 E-213 E-215 E-151 E-138 E-186 E-131 E-171 E-217 E-213 E-215 E-151 32953545 29746800 17493530 21136814 177310.9 14480554 21012867 66189.53 776129.6 611309.3 46392.7 13585.07 113346.8 1109767 203.3325 3275.222 2514.619 118.1423 6.520189 435.5208 4707.208 1 7 6 1 1 1 10 6 E-138 58581098 538278.8 2138.842 24-25 48-49 12-13 16-17 36-37 T2-TOP T2-TOP MP Very Low Temperature
Cooling Water
2-3
Very Low Temperature
Cooling Water Cooling Water
34-35
44-45
E-179 E-128 E-130 E-200 E-117 E-170 E-115 E-214 E-162 E-158 E-218 E-178 E-180 E-182 E-184 E-177 E-169 E-118 E-195 E-157 E-140 E-146 E-202 E-220 E-221 E-222 E-223 E-224 E-227
E-179 28401984 E-128 2685600 E-130 945720 E-200 10719534 E-117 4980997 E-170 3390710 E-115 47129620 E-214 48344997 E-162 8698455 E-158 30815918 E-218 29772486 E-178 507413.8 E-180
1.07E+08
E-182 23663038 E-184 25870013 E-177 20568241 E-169 858842 E-118 2955703 E-195 2950102 E-157 16338161 E-140 49884242 E-146 1750319 E-202
348602.7
E-220 19630376 E-221 1.16E+08 E-222 6119549 E-223 89597519 E-224 4270383 E-227 64999745 623432.8 60984.84 30222.28 451128.2 119011.1 20020.87 1958706 401259.7 201631 3693505 2257229 20063.21 1653393
145979 393713.7 1237592 13944.45 62928.34 74611.61 174828 429668.9 23940.12 265452.7
526678.7 1334255 311861.1 2977252 72286.91 672104.7 2578.151 180.0689 56.67938 1889.42 465.5604 23.56509 8092.13 1626.312 792.4324 15824.71 9670.283 23.68962 7027.346
516.0831 1587.2 5160.12 7.34719 188.6896 242.1172 656.4003 1775.236 35.60169 1025.641
2177.312 5672.922 1263.619 12818.5 231.2776 2836.338
Steam 6 T8-TOP 1 42-43 1 40-41 4 46-47 1 20-21 1 T4-TOP 20 4-5 4 10-11 2 24-25 33 T8-TOP 20 T3-TOP 1 T3-TOP 15 T1-TOP 2 MP Steam 4 12-13 12 46-47 1 T6-TOP 1 T3-TOP 1 T9-TOP 2 18-19 4 14-15 1 38-39 3 10-11 5 MP Steam 12 MP Steam 3 MP Steam 26 MP Steam 1 LP Steam 6
MP Steam
T4-BOTTOM Cooling Water Cooling Water
32-33 T5-BOTTOM
Very Low Temperature
30-31 Cooling Water
26-27 2-3
Cooling Water
26-27 T5-BOTTOM
22-23
Cooling Water
34-35
Very Low Temperature
T7-BOTTOM 44-45 T5-BOTTOM 22-23 Cooling Water
32-33
T8-BOTTOM T1-BOTTOM T9-BOTTOM T2-BOTTOM 32-33 2-3
E-229 E-231 E-232 E-229 16678087 115965 449.3559 E-231 1.52E+08 848854.1 3547.914 E-232 21393493 191513.5 740.4851 1 8 2 14-15 4-5 MP Steam 30-31 2-3 30-31
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