廖愛雪，王哲慧，孟凡帥，謝大祥，左 寧，王 磊，李書珍，莫米諾

(1. 上海應用技術大學 化學與環(huán)境工程學院，上海 201418；2. 常州大學 材料科學與工程學院，江蘇 常州 213159；3. 恩岡代雷大學 化工學院，喀麥隆 恩岡代雷 999108)

隨著社會的發(fā)展，中國提出了“強化能源節(jié)約和高效利用的政策導向，加大節(jié)能力度，通過開發(fā)、推廣節(jié)能技術，實現(xiàn)技術節(jié)能”等要求，化工企業(yè)節(jié)約能源成為生產(chǎn)必不可少的環(huán)節(jié)，優(yōu)化化工裝置的換熱網(wǎng)絡，最大限度的回收、利用熱量是化工企業(yè)面臨的問題之一[1-6]。醋酸乙烯酯是一種重要的有機化工原料，廣泛應用于紡織、食品、醫(yī)藥、木材加工、造紙、印刷、高分子等行業(yè)，醋酸乙烯酯生產(chǎn)工藝主要有乙炔液相法、乙烯液相法、乙炔氣相法、乙烯氣相法、乙醛醋酐加成法、羰基合成法、醋酸單一原料法等，其中乙烯液相法和乙炔液相法具有催化劑選擇性低、副產(chǎn)品多、設備腐蝕嚴重等缺點，我國的生產(chǎn)工藝以乙烯氣相法、電石乙炔法及天然氣乙炔法為主，但是生產(chǎn)裝置的能耗和污染相對較大，不符合《中國制造 2025》對于降低能耗和減少污染的要求，而裝置換熱系統(tǒng)運行的優(yōu)劣直接影響生產(chǎn)裝置的能耗，因此，醋酸乙烯酯裝置換熱系統(tǒng)的優(yōu)化是生產(chǎn)過程能量回收利用的重要手段之一。目前，換熱網(wǎng)絡優(yōu)化、綜合方法有多種，其中，夾點分析技術具有簡單、靈活、實用、易于理解和掌握、經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)點而得到廣泛應用[1-9]。于文輝等[10]采用夾點技術分析了重芳烴分離裝置的換熱網(wǎng)絡，換熱網(wǎng)絡優(yōu)化后節(jié)能14.0%。張國釗等[11]利用夾點技術并通過Matlab分析環(huán)氧丙烷裝置換熱網(wǎng)絡，提出優(yōu)化方案，熱、冷公用工程量各節(jié)約300.5 kW。馬曉明等[12]對連續(xù)重整過程進行能量分析，實現(xiàn)了裝置的節(jié)能降耗，節(jié)能效果顯著。支魯?shù)萚13]采用夾點技術，對潤滑油加氫裝置換熱網(wǎng)絡分析改造，實現(xiàn)冷卻和加熱公用工程用量分別2 881 kW。楊錦等[14]對環(huán)氧氯丙烷工藝進行夾點分析研究，提出了優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡，優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡節(jié)省蒸汽消耗18.8 kW。

換熱網(wǎng)絡優(yōu)化的目的不僅是使物流溫度滿足工藝要求，而且是為了回收過程余熱，減少公用工程消耗，確定換熱網(wǎng)絡的合理匹配，從而以最小的消耗代價，獲得最大的能量利用效益。本論文針對乙炔醋酸法生產(chǎn)醋酸乙酯裝置換熱系統(tǒng)為研究對象，采用夾點技術和Aspen Plus V10.0軟件對醋酸乙烯酯裝置換熱網(wǎng)絡進行優(yōu)化，建立醋酸乙烯裝置換熱系統(tǒng)的模擬流程，以經(jīng)濟效益和熱負荷為優(yōu)化目標，優(yōu)化醋酸乙烯裝置換熱網(wǎng)絡，為社會和企業(yè)創(chuàng)造了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

1 工藝流程簡述

以乙炔、醋酸為原料，經(jīng)過醋酸乙烯酯合成、醋酸乙烯酯精制、乙醛氧化、醋酸回收4個工段得到純度99.9%的醋酸乙烯酯。簡易流程圖如圖1所示。

2 換熱網(wǎng)絡設計

采用Aspen Plus V10.0軟件，對醋酸乙烯酯生產(chǎn)裝置進行模擬優(yōu)化，在優(yōu)化的工藝流程中提取用于能量集成的工藝流股，以經(jīng)濟效益為目標，合理利用裝置熱量，減少不必要的能量消耗，換熱網(wǎng)絡的模擬優(yōu)化建立在工藝設備優(yōu)化的基礎上進行。

2.1 以工業(yè)現(xiàn)場流程為基礎建立模擬流程

裝置使用的主要公用工程為低壓蒸汽和中壓蒸汽、循環(huán)冷卻水和循環(huán)冷凍鹽水，工業(yè)用電為110 kV電力由4×350 MW 熱電聯(lián)產(chǎn)燃氣電廠提供。

利用生產(chǎn)過程中使用的低壓蒸汽、中壓蒸汽、循環(huán)冷卻水、循環(huán)冷凍劑、電，參照《綜合能耗計算通則》(GB 2589-2008)對該裝置綜合能耗進行計算。采用Aspen Plus軟件對工藝流程進行模擬(如圖2所示)，計算結果見表1。

由表1可知，裝置能耗模擬計算的結果與實際數(shù)據(jù)基本吻合，說明建立的換熱優(yōu)化系統(tǒng)的模型是正確的(見圖2)，可以模擬、預測、優(yōu)化實際換熱系統(tǒng)。通過建立的醋酸乙烯裝置換熱系統(tǒng)的模擬流程對裝置參數(shù)進行優(yōu)化，從優(yōu)化結果看出，優(yōu)化后裝置的公用工程能耗都有所降低。

2.2 工藝流股的提取

采用Aspen Plus軟件對工藝流程進行模擬，模擬結果通過Aspen Energy Analyzer分析后提取其中的換熱流股(見表2)，在此基礎上進行醋酸乙烯酯換熱網(wǎng)絡優(yōu)化與設計。

圖1 醋酸乙烯酯合成工藝流程Fig.1 Process flowsheet of the synthesis of vinyl acetate

圖2 醋酸乙烯酯工藝模擬流程Fig.2 Simulation flowsheet of vinyl acetate process

表1 公用工程能耗量Tab.1 Energy consumption of public works

表2 工藝物流Tab.2 Process flow

2.3 公用工程能量計算

采用夾點技術進行換熱網(wǎng)絡優(yōu)化設計，在滿足工藝要求的前提下，還要滿足公用工程消耗最少、換熱單元數(shù)最少和換熱面積最?。粚τ诠I(yè)生產(chǎn)裝置，達到最小公用工程消耗時，所需的換熱面積最多，而較少的換熱單元數(shù)又需要較多的公用工程消耗，因此，需要結合生產(chǎn)確定合理的節(jié)能方案，達到總投資費用最低。而最小溫差的選擇與換熱網(wǎng)絡的操作及設備成本有直接聯(lián)系，熱公用工程和冷公用工程都隨最小溫差的增加而增大，而對于設備費用，最小溫差存在一個最佳值，由Aspen Plus計算出總成本費用隨最小溫差的變化規(guī)律(見圖3)，隨著最小溫差的增加，出現(xiàn)先降低后增加的趨勢，根據(jù)工程實際，選擇最小傳熱溫差為12 ℃較為合理，總費用最低，因此，在優(yōu)化最小溫差ΔTm=12 ℃下，進行醋酸乙烯酯裝置換熱系統(tǒng)的優(yōu)化設計。

圖3 最小溫差與總費用之間的關系Fig.3 Relationship between minimum temperature difference and total cost

當ΔTm=12 ℃時，由 Aspen Plus模擬計算得到熱集成網(wǎng)絡中冷、熱流體的總組合曲線(見圖4)以及總組合曲線(見圖5)。由圖4可知，夾點位置為熱物流溫度127 ℃且冷物流溫度115 ℃處。此時，醋酸乙烯裝置所需的最小熱公用工程為5.48×105MW，最小冷公用工程能量為5.85×105MW。

圖4 熱物流-冷物流的組合溫焓圖Fig.4 Combined temperature enthalpy diagram of thermal flow and cold flow

由總組合曲線(見圖5)可以看出，在夾點之上存在一個 “能量袋”，在“能量袋”中可以不使用公用工程，僅由物流之間換熱滿足工藝換熱要求，要達到的最高溫度為195 ℃，需要中壓蒸汽滿足冷物流的工藝需求，而夾點之下的物流，溫度較低，可以由冷公用工程為工藝物流提供冷量。

圖5 總組合曲線Fig.5 Total combination curve

圖6 原工藝流程換熱網(wǎng)絡(實線：冷物流；虛線：熱物流)Fig.6 Heat exchange network of original process flow (solid line: cold fluid; dotted line: hot fluid)

2.4 換熱網(wǎng)絡優(yōu)化

使用夾點技術對裝置能耗的分析結果(見表1和圖2)表明，原設計流程的換熱匹配，熱公用工程在夾點上方，冷公用工程在夾點下方，滿足夾點匹配的要求，能量合理流動，但是裝置能耗偏離目標值，存在跨越夾點的能量傳遞，換熱網(wǎng)絡存在不合理的設置，具有優(yōu)化潛力。目前醋酸乙烯酯裝置的公用工程為低壓蒸汽(125 ℃、175 ℃)和中壓蒸汽(250 ℃)，循環(huán)冷卻水(32 ℃)和循環(huán)冷凍鹽水(-25 ℃)，能耗較高，熱公用工程能耗為7.8 ×108kJ/h，冷公用工程能耗為8.5×108kJ/h，總能耗約為 1.64×109kJ/h，能耗較大，因此，根據(jù)夾點原則利用Aspen Plus Energy裝置換熱網(wǎng)絡進行優(yōu)化設計。

換熱網(wǎng)絡的設計自由度越大，獲得換熱網(wǎng)絡的優(yōu)化方案越多。需要綜合考慮工藝流股換熱的可能性、設備費用、操作費用、原有設備的利用等因素，在各種改進的方案中，應該選取和原有流程具有最大兼容性的方案。通過Aspen Plus Energy Analyzer分析并優(yōu)化后得到4種方案(見表3)，根據(jù)裝置的實際生產(chǎn)情況，選取比較經(jīng)濟合理，且換熱單元數(shù)最少的方案進一步進行優(yōu)化分析。

表3 不同的換熱網(wǎng)絡方案Tab.3 Different heat exchange network schemes

在Aspen Plus Energy Analyzer給出的方案中選取比較經(jīng)濟、合理及所需換熱器較少的設計方案進行后續(xù)優(yōu)化。由分析可知，方案1存在部分流股不能滿足工藝要求;方案4存在跨越夾點換熱;方案2存在較多的熱負荷較小的換熱器，增加了流程的復雜性;而方案3總費用最少，換熱面積較小，因此選取方案3(見圖6)進一步優(yōu)化。

利用Aspen Plus軟件對方案3進行夾點分析和優(yōu)化，分析結果見表3。優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡中，冷、熱公用工程分別在夾點的兩側，沒有跨夾點的傳熱，因此，優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡符合夾點設計原則。相比優(yōu)化前換熱網(wǎng)絡的熱公用工程用量和冷公用工程用量，優(yōu)化后換熱網(wǎng)絡的熱公用工程用量和冷公用工程用量(節(jié)能3.342 MW，冷公用工程400.5 MW，熱公用工程398.3 MW)分別降低了27.3%和31.5%。換熱網(wǎng)絡方案中換熱器有42臺，在不增加設備的情況下，盡量利用現(xiàn)有設備，避免不必要的設備資源浪費，同時，換熱網(wǎng)絡中的換熱回路，采用能量松弛法，通過熱負荷轉移，將其合并到其他換熱回路，減少了換熱器數(shù)目。經(jīng)Aspen Plus調節(jié)優(yōu)化后，最終的優(yōu)化方案如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后換熱網(wǎng)絡(實線：冷物流；虛線：熱物流)Fig.7 Optimized heat exchange network (Solid line: cold fluid; dotted line: Hot fluid)

優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡所需換熱器臺數(shù)由原方案的42臺降為31臺，減少了11臺，公用工程負荷大大降低(見表4)，優(yōu)化后裝置冷、熱公用工程節(jié)能潛力分別為184.9 MW 和149.8 MW。

表4 公用工程消耗量Tab.4 Consumption of public works

3 結 語

針對醋酸乙烯酯裝置能耗問題，在利用Aspenplus軟件對工藝進行優(yōu)化的基礎上，采用夾點分析法，確定了換熱網(wǎng)絡的最優(yōu)匹配改造方案。與初始工況相比，優(yōu)化后的醋酸乙烯酯裝置總能耗降低29.5%，冷、熱公用工程消耗分別下降31.5%和27.3%，減少換熱器設備11臺，年節(jié)約能耗334.7 MW，能耗降低效益明顯；另外，針對耗能較大的其他化工裝置，采用該換熱系統(tǒng)集成模擬技術，可以發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)裝置用能網(wǎng)絡的不足，為生產(chǎn)企業(yè)節(jié)能、增效提供支持。