汽油加氫裝置的換熱網絡優化

李中濤 惠生工程(中國)有限公司北京分公司 北京 100032

石油化工企業是能量密集型單位，節能降耗歷來是石化企業及相關人員所關注的焦點，也是我國石化行業發展的重大戰略。在節能降耗各種措施中，通過對裝置內的換熱網絡進行優化、集成，增加系統換熱效率，最優化利用系統內外部冷熱量，從而實現外部能耗最低，減少裝置的年總成本，是一個非常重要的研究課題。當前，夾點技術是設計、優化換熱網絡的重要手段[1][2][3]。

汽油加氫裝置涉及兩段加氫反應，均系放熱過程，系統內自產熱量較多。同時，裝置內的各個塔器需要配置塔頂冷凝器和塔釜再沸器，使該裝置有較多的冷換設備參與冷熱量交換過程。因此，對該裝置的換熱網絡進行系統優化具有非常重要的現實意義和經濟價值。

夾點理論是英國Linnhoff B.教授等人提出的換熱網絡優化設計方法。該理論以熱力學為基礎，從宏觀角度分析系統中能量流沿溫度曲線的分布，解除系統用能的“瓶頸”，通過構造冷熱物流組合曲線和平衡組合曲線來對工藝過程進行能量分析，制定節能設計和改造方案[4][5]。

夾點技術以化工熱力學為基礎，從整個系統考慮，選用年總費用、設備投資費用、最大熱量回收量等作為經濟目標函數，首先通過經驗法或數學優化估算確定夾點溫差，采用復合溫焓曲線等方法得出夾點，確定最小加熱公用工程量及最小冷卻公用工程量，通過夾點設計準則找出流程中不合理的換熱過程及換熱設備進行改進，從而使換熱網絡達到最優[6][7]。

1 生產工藝流程介紹

裂解汽油是石油裂解生產乙烯過程中的重要副產物。其主要成分是C5-C9烴類，包括40%(wt)以上的芳烴及相當數量的二烯烴、單烯烴等，同時還含有微量的硫、氮、氯及重金屬等組分。此外，裂解汽油的穩定性極差，易氧化及聚合，必須先進行預處理。目前普遍采用催化加氫精制方法。

某項目14萬t/a汽油加氫裝置基本流程見圖1。

圖1 某項目14萬噸/年汽油加氫裝置基本流程圖

該裝置大致可分為脫碳五系統、脫碳九系統、一、二段加氫系統及穩定系統，將來自界區的裂解汽油分為C5-組分、C9+組分及穩定后的加氫汽油組分。該裝置兩段加氫均系放熱反應，同時系統內各塔器均需配置冷凝器及再沸器，用能設備較多。該換熱網絡內共有換熱單元14個(部分換熱單元或有多臺換熱器)，涉及換熱流股13種，公用工程物流3種，系統內自產熱量較多，裝置內熱量可利用程度較高，換熱網絡較為復雜。

來自界區的粗裂解汽油送至T1(脫C5塔)，C5產品由塔頂采出，塔底C6+直接進入T2(脫C9塔)。T2塔頂采出的C6-C8由泵送至加氫工段，塔釜C9+產品冷卻后送至產品罐區。

上述C6～C8餾分進入一段加氫反應器，加氫反應物先后經熱、冷分離罐進行氣液分離。富氫氣體送往二段循環氫壓縮機為二段加氫提供部分H2，液相作為一段加氫油，一部分經一段冷卻后返回反應器入口與新鮮進料混合進入反應器，另一部分去二段加氫反應系統。二段加氫反應器出口產物經進出物料換熱器冷卻并水冷后，進入二段加氫分離罐。二段加氫分離罐中分離出的氣體大部分與補充氫氣和來自一段加氫冷分離罐頂的一段加氫尾氣混合后進入循環氫壓縮機。

二段加氫分離罐液相送往T3(穩定塔)。T3塔頂酸性尾氣返回到乙烯裝置。塔底C6-C8產品經冷卻后去罐區。

2 原流程夾點分析

2.1 物流信息

對該系統換熱網絡進行分析，首先列出涉及換熱的各冷熱流股。見表1。

表1 工藝物流數據

2.2 最小夾點溫度確定

在換熱網絡的綜合分析中，通常以系統的總費用為目標進行優化，其包括操作費用和投資費用兩部分。在分析過程中，夾點溫差是一個尤為關鍵的因素。夾點溫差減小，熱回收程度增大，所需公用工程用量減少，操作費用降低，但由于傳熱溫差減少，所需換熱面積增大，造成投資費用增大；反之，操作費用增大，投資費用減少。因此，當系統內物流和經濟環境一定時，存在一個最小夾點溫差△tmin,使總費用目標最小。換熱網絡優化，應該在此溫差下進行[8][9]。

在實際生產過程中，換熱器材質、組合曲線的形狀，特別是熱冷復合曲線間的距離分布等條件決定著投資費用的大小，從而決定著△tmin的合理選擇。因此，為使操作費用和投資費用進行合理分配，目前有效的辦法是把投資費用目標也表示為△tmin的函數。投資費用主要由換熱單元數和總換熱面積確定，假定全過程的換熱系數相同且為常數，則當物流間垂直匹配時，所需換熱面積最少[10]。

根據各流股條件及裝置基本數據確定換熱網絡最優的最小傳熱溫差△tmin，以裝置的年總費用最低時的△tmin作為最優的△tmin。對于該裝置，△tmin與年操作費用、年投資成本及年總費用的關系見圖2。

圖2 △tmin與投資費用、操作費用及總費用關系圖

由圖2可知，當最小傳熱溫差△tmin選為10～15℃時，總費用最低。另外，根據經驗，最優夾點溫差范圍一般約在5～20℃，該△tmin符合經驗范圍。同時，結合工廠換熱器實際操作情況，選取換熱溫差為13℃，故該網絡的最小傳熱溫差△tmin=13℃。

2.3 原流程換熱網絡設計

基于上述最小溫差，對該換熱網絡進行分析。該系統的夾點溫度為112～125℃，最小熱公用工程用量為3841 kW，最小冷公用工程用量為5809 kW，具體換熱網絡熱復合曲線詳見圖3。

圖3 換熱網絡熱復合曲線

該系統的換熱網絡見圖4。

圖4 原流程換熱網絡組合圖

圖中，豎直虛線即為冷熱流體的夾點線，夾點線左側為夾點之上區域，夾點線右側為夾點之下區域；標“H”設備表示加熱器，標“L”設備為冷卻器，無標注設備為工藝流股間換熱器。

由該圖可知，原流程的換熱網絡設計，在理論上有較多可優化部分，具備一定的節能潛力。

2.4 節能挖潛分析

2.4.1 內部換熱分析

根據夾點理論3條基本原則：a夾點之上只允許存在換熱器和加熱器，不設置冷卻器；b夾點之下只允許存在換熱器和冷卻器，不設置加熱器；c盡量避免穿越夾點的換熱[4]。該換熱網絡穿越夾點的換熱量為910.7 kW，熱量較大，是系統能耗較高的主要原因之一。

2.4.2 外部換熱分析

該換熱網絡所需外部公用工程量較大，所需熱量為4751 kW，所需冷量為6720 kW，而對于系統內部的熱量并未充分合理利用，需對該部分熱量加以充分利用，以盡量達到節能降耗的目標。

3 改造流程換熱網絡設計

首先，對夾點兩側的各冷、熱流股分別進行分析。夾點之上與夾點之下區域，盡量使用區域內的冷熱流股進行換熱，使得外部冷熱公用工程量最小；同時，盡量避免穿越夾點的設計；對于冷熱夾點溫度區域之內的流股盡量在區域內換熱；同時，各流股按照溫度品級逐次換熱，高溫熱流股優先加熱高溫冷流股，以此類推，盡量避免越級換熱。

對夾點之上區域，優先使用區域內流股進行換熱，剩余所需熱量采用熱公用工程加熱。優化后，增加了3臺換熱設備，其中，刪除原流程中需要超高壓蒸汽加熱的B19，采用區域內的350℃高溫流股(27 to 29流股)作為熱源加熱，另外使用區域內熱流股作為B2再沸器的一部分熱源，減少了中壓蒸汽的消耗；雖然形成了熱負荷回路，但避免了跨越夾點的換熱，最終改善了系統的綜合性能。詳細換熱網絡見圖5。

圖5 優化流程夾點之上區域換熱網絡圖

對于夾點之下與夾點之間區域，采用相同的設計方法進行優化，換熱網絡詳見圖6。由于該裝置熱流股和熱量較多，冷流股和冷量較少，故對于夾點之下的冷端不可避免的要使用大量冷公用工程(本案中為冷卻水)，而夾點之上區域剩余的較低溫位的熱量已難以利用或者利用這部分熱量造成的設備投資成本高于節能產生的效益。故此對于夾點設計原則，有時能耗最低時可能造成設備投資大幅增加，故須進行綜合性經濟評價，以確認最優設計。

圖6 優化流程夾點之下與夾點之間區域換熱網絡圖

對換熱網絡優化前后的技術及經濟參數進行對比，見表2。

表2 換熱網絡優化前后參數對比表

從表2可以看出，流程優化后，節能效果較為明顯。減少中壓蒸汽用量622kW，且避免了使用超高壓蒸汽，大大節省了熱公用工程消耗，與此同時，由于充分利用了系統內的熱量，所以冷卻水的消耗量也相應減少，系統內的能量利用得到進一步優化。而由此產生的代價是增加了5臺換熱器，原因在于熱流股的熱量較為分散，單一流股熱量不足，勢必造成回收利用熱量的成本較高，從而增加了固定投資成本，但節能效果得到提升，最終的年總費用減少，系統的技術及經濟參數得到了進一步優化，配置更合理，經濟性能更佳。根據表中數據，理論上，每年可節省總費用人民幣約185萬元左右。但是涉及實際生產，還需從實際生產環境、可操作性以及人工成本等方面綜合考慮。

4 結語

本文使用夾點分析方法對14萬噸/年汽油加氫裝置進行了換熱網絡優化及經濟性能評價，改善了系統的換熱效果，獲得了一定的經濟效益。通過上述分析，可以得到以下主要結論。

(1)使用夾點技術優化流程后，換熱網絡更加合理，能耗顯著降低，年總費用可節省185萬元左右，效益可觀，由于該裝置規模較小，對于更大規模的裝置，節能效果與經濟效益將更為顯著。

(2)在換熱網絡優化過程中，原則上應盡量減少穿越夾點的熱交換，但應結合各方面綜合考慮，計算總費用。例如，本文優化后的換熱網絡中仍有70.7kW換熱穿越夾點，但由于系統自身的換熱屬性，若繼續減少該部分換熱，必須引入更多換熱器及公用工程，這就造成了設備投資與操作費用的增加，故此，綜合考慮優化后，采用該流程。

(3)根據夾點理論，需盡量減少換熱負荷回路，可減少設備投資，但可能相應增大換熱溫差，使熱力學效率降低，不利于節能降耗，故需要綜合考慮。本文中優化后的流程中仍存在換熱回路，也是綜合比較后采用的最佳方案。