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[摘要]采用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)輕汽油醚化裝置工藝設(shè)計(jì)流程主要物料的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了用能分析，發(fā)現(xiàn)裝置存在跨越夾點(diǎn)換熱及夾點(diǎn)之下使用熱公用工程換熱的情況。在裝置原有換熱網(wǎng)絡(luò)流程的基礎(chǔ)上，根據(jù)夾點(diǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)原則對(duì)裝置換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化，消除了跨越夾點(diǎn)換熱及夾點(diǎn)之下使用熱公用工程換熱的不合理之處。優(yōu)化后可降低裝置對(duì)熱公用工程需求量8091kW，其中3.5MPa蒸汽消耗量節(jié)省5.146t/h，1.0MPa蒸汽消耗量節(jié)省6.228t/h，裝置能耗費(fèi)用每年節(jié)省1750.6萬(wàn)元。

[關(guān)鍵詞]輕汽油醚化；夾點(diǎn)技術(shù)；夾點(diǎn)；換熱網(wǎng)絡(luò)；節(jié)能優(yōu)化

惠州石化新建40萬(wàn)噸/年輕汽油醚化裝置是以催化裂化汽油為原料，利用二烯烴選擇性加氫技術(shù)和輕汽油醚化技術(shù)生產(chǎn)脫除二烯烴的重汽油以及辛烷值(RON)高而烯烴含量低的醚化汽油，以實(shí)現(xiàn)國(guó)Ⅵ車用汽油的質(zhì)量升級(jí)。裝置包含原料預(yù)加氫及分餾單元、輕汽油水洗及醚化反應(yīng)單元、甲醇回收單元及公用工程單元四個(gè)部分，根據(jù)惠州石化輕汽油醚化裝置工藝包工藝流程設(shè)計(jì)方案，裝置換熱網(wǎng)絡(luò)布置存在能量使用效率低下，換熱網(wǎng)絡(luò)單一且未考慮能量的梯級(jí)利用，大量熱量未得到合理利用而造成能量過度浪費(fèi)的現(xiàn)象。因此，如何優(yōu)化裝置換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低裝置的能耗成為了惠州石化輕汽油醚化裝置建設(shè)的重要任務(wù)。夾點(diǎn)技術(shù)是目前被廣泛應(yīng)用的一種過程系統(tǒng)節(jié)能方法[1]，其將熱力學(xué)原理和系統(tǒng)工程相結(jié)合，目的是實(shí)現(xiàn)過程系統(tǒng)能量回收與利用的優(yōu)化配置，提高裝置能量的利用率。夾點(diǎn)技術(shù)不僅可以用來找出換熱網(wǎng)絡(luò)中存在的不合理用能設(shè)備，還可以對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化[2-4]改造提供指導(dǎo)，使系統(tǒng)能量利用更為合理，最大限度地節(jié)省裝置公用工程消耗。本文即是利用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)裝置工藝包設(shè)計(jì)換熱流程進(jìn)行用能分析，通過繪制總組合曲線圖找出裝置不合理?yè)Q熱流程，并根據(jù)夾點(diǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)原則對(duì)裝置不合理?yè)Q熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

1換熱網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

惠州石化輕汽油醚化裝置原料預(yù)加氫單元設(shè)計(jì)年處理量為134.4萬(wàn)噸/年，輕汽油醚化單元設(shè)計(jì)年處理量為40萬(wàn)噸/年，裝置主要物料換熱網(wǎng)絡(luò)流程圖如下圖1所示。圖1可以反應(yīng)裝置主要冷、熱工藝物流走向及裝置換熱器的具體分布，依據(jù)“夾點(diǎn)技術(shù)”關(guān)于換熱網(wǎng)絡(luò)物流數(shù)據(jù)提取的原則，把整個(gè)裝置的工藝流程作為一個(gè)整體考慮，并把工藝過程中參與能量轉(zhuǎn)換的主要流股提取出來。提取物流過程中只要物流的組成和流量沒有發(fā)生變化，而只是溫度、壓力改變就當(dāng)作一條流股看待。本文根據(jù)醚化工藝包工藝流程設(shè)計(jì)，提取出5條冷物流與4條熱物流并計(jì)算物料加熱或冷卻熱負(fù)荷，各物料數(shù)據(jù)如表1所示。選取20℃作為換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的最小傳熱溫差。根據(jù)上表1提取的物流數(shù)據(jù)，在溫焓圖上對(duì)冷、熱物流進(jìn)行組合，做出裝置冷、熱物流曲線和復(fù)合曲線，如圖2所示。由上述復(fù)合曲線可知夾點(diǎn)處熱物流溫度121℃，冷物流溫度101℃。在ΔTmin為20℃情況下，裝置理論所需最小熱公用工程5582kW，現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)實(shí)際熱公用工程用量約為18149kW，裝置理論熱公用工程節(jié)能潛力為12567kW。

2換熱網(wǎng)絡(luò)問題分析

對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的目的在于最大限度地利用冷熱物流進(jìn)行相互換熱，充分進(jìn)行熱回收，盡量減少加熱公用工程和冷卻公用工程用量。根據(jù)裝置各物料換熱數(shù)據(jù)，繪制出裝置換熱網(wǎng)絡(luò)格柵圖，如圖3所示。根據(jù)夾點(diǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)三原則，盡量消除裝置所有的不合理?yè)Q熱，以得到最大熱回收方案。即(1)在夾點(diǎn)之上不設(shè)熱公用工程；(2)夾點(diǎn)之下不設(shè)冷公用工程；(3)不應(yīng)有跨越夾點(diǎn)的傳熱。由圖3換熱網(wǎng)絡(luò)的柵格圖可知，輕汽油醚化裝置原有工藝包流程換熱網(wǎng)絡(luò)存在以下問題：①催化汽油/重汽油換熱器E101換熱過程跨越夾點(diǎn)；②分餾塔頂物料溫度溫位處于夾點(diǎn)溫位且該部分涉及較大潛熱，沒有經(jīng)熱量回收直接冷卻造成能量的巨大浪費(fèi)；③醚化蒸餾塔/產(chǎn)品換熱器E203換熱過程跨越夾點(diǎn)；④E201、E215原料加熱過程中使用了熱公用工程，即夾點(diǎn)之下使用了熱公用工程。其中E203因流量較低且溫位高于夾點(diǎn)溫度較少，故若考慮回收此部分熱量將增加設(shè)備投資，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值較低，故不考慮再增加換熱器回收該部分熱量。由以上問題分析可知，本裝置主要以改變催化汽油原料換熱流程、回收C101塔頂熱量及調(diào)整E201、E215熱量供應(yīng)方式為出發(fā)點(diǎn)，重新布局裝置換熱網(wǎng)絡(luò)，以最大回收裝置熱量。

3換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整方案

首先根據(jù)裝置工藝包換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)工藝流程，列出裝置主要換熱器換熱后管殼程出入口溫度變化，如表2所示。由上表可知，裝置物料熱品位較高部位為加氫反應(yīng)器入口、重汽油產(chǎn)品、加氫反應(yīng)器出口三個(gè)部位，其中預(yù)加氫反應(yīng)器入口物料為冷物料，考慮裝置熱物料最高溫度與預(yù)加氫反應(yīng)器入口溫差小于20℃，故E103維持蒸汽加熱不變。同時(shí)考慮E204熱負(fù)荷較大且為塔底再沸器，故E204熱源維持蒸汽加熱方式不變。裝置未利用熱源為分餾塔塔頂物料，考慮對(duì)此部分熱量進(jìn)行回收及熱量的梯級(jí)利用，首先對(duì)選擇性加氫原料換熱流程進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方案如下：C101塔頂物料溫位較低，先與預(yù)加氫進(jìn)料換熱器E101進(jìn)行換熱以回收C101塔頂物料熱量；C101底重汽油由于溫位較高，熱量較大，首先增加一臺(tái)甲醇回收塔底換熱器與甲醇回收塔塔底循環(huán)物料進(jìn)行換熱(甲醇回收塔塔底熱量不足部分采用蒸汽加熱)，加熱甲醇回收塔底物料后的C101塔底重汽油再與預(yù)加氫進(jìn)料進(jìn)行換熱；同時(shí)取消E104換熱器，反應(yīng)產(chǎn)物直接進(jìn)C101進(jìn)行分離。此外，考慮醚化反應(yīng)溫度較低且醚化部分處理量較低，第一醚化反應(yīng)器及第三醚化反應(yīng)器進(jìn)料所需能量較低，直接利用裝置部分副產(chǎn)的1.0MPa蒸汽凝結(jié)水中的余熱即可滿足熱量要求。因此采取醚化蒸餾塔底再沸器E204產(chǎn)生的凝結(jié)水作為第一醚化反應(yīng)器進(jìn)料加熱器E201的熱源，甲醇回收塔底再沸器E209產(chǎn)生的凝結(jié)水作為第一醚化反應(yīng)器進(jìn)料加熱器E215的熱源。優(yōu)化后的流程簡(jiǎn)圖如圖4所示。

4裝置換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化效果評(píng)價(jià)

本文通過對(duì)裝置物料之間換熱流程夾點(diǎn)技術(shù)分析，找出了原有工藝包換熱網(wǎng)絡(luò)中存在的不合理用能設(shè)備并對(duì)不合理的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了重新布局，以降低裝置不必要的蒸汽加熱消耗量，同時(shí)降低裝置空冷的冷卻負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)裝置能量利用效率的最大化。根據(jù)項(xiàng)目?jī)?yōu)化前后設(shè)計(jì)院數(shù)據(jù)模擬結(jié)果，分餾塔C101塔頂氣體經(jīng)與預(yù)加氫進(jìn)料換熱器E101換熱后，進(jìn)入塔頂空冷器A101的溫度可由原來的120.34℃降至98.3℃，A101冷卻負(fù)荷可由12194kW下降至8874kW，空冷冷卻熱負(fù)荷減少3320kW。另外根據(jù)原工藝包工藝流程設(shè)計(jì)，分餾塔頂空冷器A101設(shè)置了8臺(tái)30kW的風(fēng)機(jī)，裝置滿負(fù)荷生產(chǎn)情況下，A101每小時(shí)耗電約為240kW，流程優(yōu)化后由于A101冷卻負(fù)荷降低，A101每小時(shí)耗電量可降至175kW，每小時(shí)可節(jié)省電耗65kW。流程優(yōu)化后裝置各相關(guān)公用工程消耗量變化如表3所示。由上表可知，通過對(duì)裝置物料換熱網(wǎng)絡(luò)流程優(yōu)化，裝置3.5MPa蒸汽消耗量每小時(shí)可節(jié)省5.146t，1.0MPa蒸汽消耗量每小時(shí)可節(jié)省6.228t，0.45MPa蒸汽消耗量每小時(shí)可節(jié)省1.77t，高壓除氧水每小時(shí)可節(jié)省0.952t。同時(shí)由上表可知：與優(yōu)化前流程相比，通過方案調(diào)整可回收裝置總熱量為8091kW。根據(jù)以上數(shù)據(jù)及惠州石化公用工程平均結(jié)算價(jià)格，通過對(duì)輕汽油醚化裝置工藝包流程換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化可產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益如下表4所示。由上表可知，通過采取上述優(yōu)化方案，裝置能耗費(fèi)用每年可節(jié)省1750.6萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益極其顯著。

5結(jié)論

本文通過對(duì)輕汽油醚化裝置工藝包工藝換熱流程進(jìn)行診斷和分析，發(fā)現(xiàn)裝置原有換熱網(wǎng)絡(luò)存在跨越夾點(diǎn)換熱以及夾點(diǎn)之下使用熱公用工程換熱的情況，取夾點(diǎn)溫差ΔTmin為20℃，可以得出裝置節(jié)能潛力為12567kw，節(jié)能潛力巨大。在夾點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，本文充分結(jié)合裝置換熱網(wǎng)絡(luò)已有結(jié)構(gòu)，對(duì)裝置換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化改造，解決了裝置內(nèi)跨越夾點(diǎn)換熱及夾點(diǎn)溫度之下使用熱公用工程的問題，實(shí)現(xiàn)了裝置內(nèi)能量的合理匹配及梯級(jí)利用，改造后裝置可回收裝置總熱量8091kW。另外，換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后裝置3.5MPa蒸汽消耗量每小時(shí)可節(jié)省5.146t，1.0MPa蒸汽消耗量每小時(shí)可節(jié)省6.228t，0.45MPa蒸汽消耗量每小時(shí)可節(jié)省1.77t，空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)功率可降低65kW，裝置能耗費(fèi)用每年可節(jié)省1750.6萬(wàn)元，有效地降低了裝置能耗并提高了裝置的經(jīng)濟(jì)效益。

作者:伍志勇 單位:中海油惠州石化有限公司