苯氯化裝置換熱網絡系統優化

王真貝，呂燈生，錢 赟，顧森榮

（江蘇揚農化工集團有限公司，江蘇 揚州 225001）

隨著社會的發展、科技的進步，人們對能源使用的要求也越來越高。中國在制定國民經濟和社會發展五年規劃綱要時明確提出了“強化能源節約和高效利用的政策導向，加大節能力度，通過優化產業結構特別是降低高耗能產業比重，實現結構節能；通過開發推廣節能技術，實現技術節能”等要求。作為傳統重工業，化工企業的優化裝置，節約能源已經成為生產中必不可少的一個環節。因此有效優化化工裝置的換熱網絡，最大限度的回收熱量是每個化工企業所必須分析的問題[1，2]。目前已經開發出多種成熟的換熱網絡最優化綜合方法，其中最有影響力的是夾點分析法和數學規劃法。夾點分析技術方法簡單、思路獨特、靈活、實用、易于理解和掌握、經濟效益顯著。本文通過采集揚農化工集團苯氯化系統裝置的工藝參數，利用夾點分析法對裝置能耗分析、提出優化改造方案。

1 工藝流程及數據采集

1.1 工藝流程

江蘇揚農化工集團有限公司苯氯化裝置主要流程如下：苯經預熱器預熱（物流1：溫度30℃升至70℃）進入反應器與氯氣反應，反應后氯化液經冷卻器冷卻（物流2：溫度80℃降至40℃）送入中間槽存儲，中間槽物料經脫氫預熱器預熱（物流3：溫度40℃升至100℃）送入脫氫塔脫氫，脫氫塔物料送入苯精餾塔分餾，塔頂物料經冷卻器冷卻（物流4：溫度80℃降至50℃）后送入回收苯庫，塔釜物料經冷卻器冷卻后（物流5：溫度140℃降至70℃）送入氯化苯精餾塔生產氯化苯成品，由于成品精餾塔涉及成品質量，因此不考慮采用熱交換器，相關工藝流程方框圖見圖1。

圖1 苯氯化方框圖

1.2 數據采集

針對以上工藝流程的五股熱流，通過查理化常數手冊、物料、能量衡算等方法對所需數據進行采集，采集數據見表1。

表1 苯氯化裝置物流參數

2 夾點分析法概述

2.1 夾點位置確定

夾點分析法通常采用溫－焓圖和問題表法確定夾點的位置。

采用溫－焓圖法，首先確定一個系統最小的傳熱溫差—夾點溫差。夾點是冷熱負荷溫焓線上傳熱溫差最小的地方。

當物流較多時，采用溫－焓圖法比較繁瑣，不夠準確，問題表法簡潔易用，所以，本文采用問題表法。

2.2 夾點技術的設計原則

夾點是系統的用能“瓶頸”的地方，它將換熱網絡分成兩部分，即夾點之上和夾點之下。為了使公用工程消耗最小，需遵循以下三個基本原則：

（1）不應有跨越夾點的傳熱；（2）在夾點之上，應盡量避免使用冷卻器；（3）在夾點之下，應盡量避免使用加熱器。

2.3 夾點技術設計準則

（1）物流數目準則

夾點物流，夾點之上，冷物流數要多于熱物流數，夾點之下，冷物流數要少于熱物流數。若生產過程中夾點處物流不滿足此準則，可以通過分流解決。

（2）熱容流率準則

根據經驗，熱容流率相近的冷、熱物流匹配換熱，有效能損失小。夾點處物流，夾點上方，熱物流熱容流率小于或等于冷物流熱容流率，夾點下方，熱物流熱容流率大于或等于冷物流熱容流率。同樣不滿足此準則時，可以通過分流來遵守該準則。

（3）最大換熱負荷準則

為保證換熱設備投資費用和換熱單元數，每一次換熱應該達到完成至少一股物流的目標溫度。

2.4 夾點設計經驗規則

（1）經驗規則一，選擇換熱匹配的熱負荷等于該匹配的冷、熱流體中的熱負荷較小者，使熱負荷較小物流通過一次換熱達到目標溫度。這樣可以減少換熱設備數，減少換熱設備投資費用。

（2）經驗規則二，選擇熱容流率相近的冷、熱流體進行匹配換熱，使換熱器結構簡單、費用低[3，4]。

3 苯氯化裝置換熱網絡分析

3.1 夾點位置的確定

根據冷熱流體數據可以繪制出溫－焓圖，根據溫－焓圖找出夾點位置，由于步驟繁瑣此處僅列出ASPEN PLUS模擬出的溫－焓圖，本文采用問題表格法計算找出夾點位置。模擬溫－焓圖見圖2。

圖2 模擬溫－焓圖

采用問題表格法計算夾點溫度，首先根據經驗，確定裝置夾點溫差Δ Tmin=5～15℃，首先將所有冷、熱物流按進、出口溫度大小排列起來，即，冷流體：30℃、40℃、70℃、100℃，熱流體：40℃、50℃、70℃、80℃、140℃。取夾點溫差Δ Tmin=10℃時，計算它們的平均溫度。冷流體：35℃、45℃、75℃、105℃，熱流體：35℃、45℃、75℃、135℃。將冷流體和熱流體平均溫度按大小排列并劃分溫區，即，35℃、45℃、75℃、105℃、135℃。5個溫度可以劃分4個溫區，劃分結果見圖3。

圖3 Δ T min=10℃時溫區分析圖

根據溫區收集數據以及3.4所述，計算每個溫區的熱平衡，確定各溫區輸出和輸入的能量，當ΔHi為負值時表示該溫區有剩余能量。計算累計熱量和熱通量，計算結果見表2。

表2 Δ T min=10℃時問題表格

由表2可知，根據熱力學定律，當外界無熱量輸入時，輸出熱量為負值是不合理的，所以外界必須提供熱量，所以，最小加熱公用工程量為81993 kJ/h。當外界輸入81993 kJ/h時，最后溫區輸出的熱量即最小冷卻公用工程量為18909 kJ/h。溫區三和溫區四的熱通量為0，所以，此處就是夾點。夾點位置在熱物流溫度50℃，冷物流溫度40℃處。

根據ASPEN PLUS模擬熱集合網路中冷熱流體的總組合曲線也可以看出夾點位置為在熱物流溫度50℃，冷物流溫度40℃處。

3.2 利用夾點原則對苯氯化系統換熱網絡進行優化

目前揚農集團苯氯化裝置無換熱網絡，熱源全部采用低壓蒸汽，冷源采用系統冷卻水，能耗較高，按照氯化苯成品4 t/h計算，用熱公用工程能耗為1014364 kJ/h，用冷公用工程能耗為951280 kJ/h，總能耗約為1965644 kJ/h，折約16元/t。

本文根據夾點原則以及分流原則，利用ASPEN PLUS工具，對氯化苯裝置換熱網絡進行優化設計，設計換熱網絡見圖4。

圖4 ASPEN PLUS模擬苯氯化換熱網絡

可以看出，優化方案采用5個熱交換器進行冷熱物流換熱，回收能量，達到降低生產能好的作用。

此方案熱公用工程能耗為81993 kJ/h，冷公用工程能耗為18909 kJ/h，總能耗為100902 kJ/h。

3.3 經濟分析

針對苯氯化裝置能耗，采用夾點分析法，利用ASPEN PLUS軟件模擬，確定了換熱網絡的改造方案并實施。共計增加換熱器5臺，折合約40萬元，總改造費用約為67萬元。改造完成后，設備運行穩定，年節約能耗14768756 MJ，折約50.1萬元，投資回收期約為1.3年，能耗降低效益明顯。

4 結語

本文在采集揚農化工集團苯氯化裝置工藝參數的基礎上，采用夾點分析法，結合ASPEN PLUS軟件模擬，對苯氯化裝置的換熱網絡進行分析并提出改造方案，改造方案可行性高，效益明顯，投資回收期僅約為1.3年。

同時，對于現用工業裝置，在滿足正常操作的前提下，采用夾點分析法等過程集成技術，可以從宏觀角度發現系統用能網絡的不足并幫助確定最佳方案，為企業的節能增效提供有力支持。