醋酸乙烯酯裝置換熱網絡優化研究

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)

隨著社會的發展，中國提出了“強化能源節約和高效利用的政策導向，加大節能力度，通過開發、推廣節能技術，實現技術節能”等要求，化工企業節約能源成為生產必不可少的環節，優化化工裝置的換熱網絡，最大限度的回收、利用熱量是化工企業面臨的問題之一[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、醫藥、木材加工、造紙、印刷、高分子等行業，醋酸乙烯酯生產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、副產品多、設備腐蝕嚴重等缺點，我國的生產工藝以乙烯氣相法、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，而裝置換熱系統運行的優劣直接影響生產裝置的能耗，因此，醋酸乙烯酯裝置換熱系統的優化是生產過程能量回收利用的重要手段之一。目前，換熱網絡優化、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、經濟效益顯著等優點而得到廣泛應用[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絡，換熱網絡優化后節能14.0%。張國釗等[11]利用夾點技術并通過Matlab分析環氧丙烷裝置換熱網絡，提出優化方案，熱、冷公用工程量各節約300.5 kW。馬曉明等[12]對連續重整過程進行能量分析，實現了裝置的節能降耗，節能效果顯著。支魯等[13]采用夾點技術，對潤滑油加氫裝置換熱網絡分析改造，實現冷卻和加熱公用工程用量分別2 881 kW。楊錦等[14]對環氧氯丙烷工藝進行夾點分析研究，提出了優化的換熱網絡，優化后的換熱網絡節省蒸汽消耗18.8 kW。

換熱網絡優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醋酸乙酯裝置換熱系統為研究對象，采用夾點技術和Aspen Plus V10.0軟件對醋酸乙烯酯裝置換熱網絡進行優化，建立醋酸乙烯裝置換熱系統的模擬流程，以經濟效益和熱負荷為優化目標，優化醋酸乙烯裝置換熱網絡，為社會和企業創造了良好的社會效益和經濟效益。

1 工藝流程簡述

以乙炔、醋酸為原料，經過醋酸乙烯酯合成、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 換熱網絡設計

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

2.1 以工業現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、循環冷卻水和循環冷凍鹽水，工業用電為110 kV電力由4×350 MW 熱電聯產燃氣電廠提供。

利用生產過程中使用的低壓蒸汽、中壓蒸汽、循環冷卻水、循環冷凍劑、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據基本吻合，說明建立的換熱優化系統的模型是正確的(見圖2)，可以模擬、預測、優化實際換熱系統。通過建立的醋酸乙烯裝置換熱系統的模擬流程對裝置參數進行優化，從優化結果看出，優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絡優化與設計。

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絡優化設計，在滿足工藝要求的前提下，還要滿足公用工程消耗最少、換熱單元數最少和換熱面積最小；對于工業生產裝置，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又需要較多的公用工程消耗，因此，需要結合生產確定合理的節能方案，達到總投資費用最低。而最小溫差的選擇與換熱網絡的操作及設備成本有直接聯系，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律(見圖3)，隨著最小溫差的增加，出現先降低后增加的趨勢，根據工程實際，選擇最小傳熱溫差為12 ℃較為合理，總費用最低，因此，在優化最小溫差ΔTm=12 ℃下，進行醋酸乙烯酯裝置換熱系統的優化設計。

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 換熱網絡優化

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，換熱網絡存在不合理的設置，具有優化潛力。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 ℃)，循環冷卻水(32 ℃)和循環冷凍鹽水(-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，根據夾點原則利用Aspen Plus Energy裝置換熱網絡進行優化設計。

換熱網絡的設計自由度越大，獲得換熱網絡的優化方案越多。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分析并優化后得到4種方案(見表3)，根據裝置的實際生產情況，選取比較經濟合理，且換熱單元數最少的方案進一步進行優化分析。

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

在Aspen Plus Energy Analyzer給出的方案中選取比較經濟、合理及所需換熱器較少的設計方案進行后續優化。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)進一步優化。

利用Aspen Plus軟件對方案3進行夾點分析和優化，分析結果見表3。優化后的換熱網絡中，冷、熱公用工程分別在夾點的兩側，沒有跨夾點的傳熱，因此，優化的換熱網絡符合夾點設計原則。相比優化前換熱網絡的熱公用工程用量和冷公用工程用量，優化后換熱網絡的熱公用工程用量和冷公用工程用量(節能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，盡量利用現有設備，避免不必要的設備資源浪費，同時，換熱網絡中的換熱回路，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，減少了換熱器數目。經Aspen Plus調節優化后，最終的優化方案如圖7所示。

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

優化后的換熱網絡所需換熱器臺數由原方案的42臺降為31臺，減少了11臺，公用工程負荷大大降低(見表4)，優化后裝置冷、熱公用工程節能潛力分別為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軟件對工藝進行優化的基礎上，采用夾點分析法，確定了換熱網絡的最優匹配改造方案。與初始工況相比，優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，采用該換熱系統集成模擬技術，可以發現生產裝置用能網絡的不足，為生產企業節能、增效提供支持。