李中濤 惠生工程(中國(guó))有限公司北京分公司 北京 100032

石油化工企業(yè)是能量密集型單位，節(jié)能降耗歷來(lái)是石化企業(yè)及相關(guān)人員所關(guān)注的焦點(diǎn)，也是我國(guó)石化行業(yè)發(fā)展的重大戰(zhàn)略。在節(jié)能降耗各種措施中，通過(guò)對(duì)裝置內(nèi)的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化、集成，增加系統(tǒng)換熱效率，最優(yōu)化利用系統(tǒng)內(nèi)外部冷熱量，從而實(shí)現(xiàn)外部能耗最低，減少裝置的年總成本，是一個(gè)非常重要的研究課題。當(dāng)前，夾點(diǎn)技術(shù)是設(shè)計(jì)、優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)的重要手段[1][2][3]。

汽油加氫裝置涉及兩段加氫反應(yīng)，均系放熱過(guò)程，系統(tǒng)內(nèi)自產(chǎn)熱量較多。同時(shí)，裝置內(nèi)的各個(gè)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(shè)備參與冷熱量交換過(guò)程。因此，對(duì)該裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

夾點(diǎn)理論是英國(guó)Linnhoff B.教授等人提出的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該理論以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，從宏觀角度分析系統(tǒng)中能量流沿溫度曲線的分布，解除系統(tǒng)用能的“瓶頸”，通過(guò)構(gòu)造冷熱物流組合曲線和平衡組合曲線來(lái)對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行能量分析，制定節(jié)能設(shè)計(jì)和改造方案[4][5]。

夾點(diǎn)技術(shù)以化工熱力學(xué)為基礎(chǔ)，從整個(gè)系統(tǒng)考慮，選用年總費(fèi)用、設(shè)備投資費(fèi)用、最大熱量回收量等作為經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)，首先通過(guò)經(jīng)驗(yàn)法或數(shù)學(xué)優(yōu)化估算確定夾點(diǎn)溫差，采用復(fù)合溫焓曲線等方法得出夾點(diǎn)，確定最小加熱公用工程量及最小冷卻公用工程量，通過(guò)夾點(diǎn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則找出流程中不合理的換熱過(guò)程及換熱設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，從而使換熱網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最優(yōu)[6][7]。

1 生產(chǎn)工藝流程介紹

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

某項(xiàng)目14萬(wàn)t/a汽油加氫裝置基本流程見圖1。

圖1 某項(xiàng)目14萬(wàn)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(tǒng)、脫碳九系統(tǒng)、一、二段加氫系統(tǒng)及穩(wěn)定系統(tǒng)，將來(lái)自界區(qū)的裂解汽油分為C5-組分、C9+組分及穩(wěn)定后的加氫汽油組分。該裝置兩段加氫均系放熱反應(yīng)，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)各塔器均需配置冷凝器及再沸器，用能設(shè)備較多。該換熱網(wǎng)絡(luò)內(nèi)共有換熱單元14個(gè)(部分換熱單元或有多臺(tái)換熱器)，涉及換熱流股13種，公用工程物流3種，系統(tǒng)內(nèi)自產(chǎn)熱量較多，裝置內(nèi)熱量可利用程度較高，換熱網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜。

來(lái)自界區(qū)的粗裂解汽油送至T1(脫C5塔)，C5產(chǎn)品由塔頂采出，塔底C6+直接進(jìn)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(chǎn)品冷卻后送至產(chǎn)品罐區(qū)。

上述C6～C8餾分進(jìn)入一段加氫反應(yīng)器，加氫反應(yīng)物先后經(jīng)熱、冷分離罐進(jìn)行氣液分離。富氫氣體送往二段循環(huán)氫壓縮機(jī)為二段加氫提供部分H2，液相作為一段加氫油，一部分經(jīng)一段冷卻后返回反應(yīng)器入口與新鮮進(jìn)料混合進(jìn)入反應(yīng)器，另一部分去二段加氫反應(yīng)系統(tǒng)。二段加氫反應(yīng)器出口產(chǎn)物經(jīng)進(jìn)出物料換熱器冷卻并水冷后，進(jìn)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(bǔ)充氫氣和來(lái)自一段加氫冷分離罐頂?shù)囊欢渭託湮矚饣旌虾筮M(jìn)入循環(huán)氫壓縮機(jī)。

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

2 原流程夾點(diǎn)分析

2.1 物流信息

對(duì)該系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(shù)據(jù)

2.2 最小夾點(diǎn)溫度確定

在換熱網(wǎng)絡(luò)的綜合分析中，通常以系統(tǒng)的總費(fèi)用為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，其包括操作費(fèi)用和投資費(fèi)用兩部分。在分析過(guò)程中，夾點(diǎn)溫差是一個(gè)尤為關(guān)鍵的因素。夾點(diǎn)溫差減小，熱回收程度增大，所需公用工程用量減少，操作費(fèi)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(fèi)用增大；反之，操作費(fèi)用增大，投資費(fèi)用減少。因此，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)物流和經(jīng)濟(jì)環(huán)境一定時(shí)，存在一個(gè)最小夾點(diǎn)溫差△tmin,使總費(fèi)用目標(biāo)最小。換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，應(yīng)該在此溫差下進(jìn)行[8][9]。

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

根據(jù)各流股條件及裝置基本數(shù)據(jù)確定換熱網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)的最小傳熱溫差△tmin，以裝置的年總費(fèi)用最低時(shí)的△tmin作為最優(yōu)的△tmin。對(duì)于該裝置，△tmin與年操作費(fèi)用、年投資成本及年總費(fèi)用的關(guān)系見圖2。

圖2 △tmin與投資費(fèi)用、操作費(fèi)用及總費(fèi)用關(guān)系圖

由圖2可知，當(dāng)最小傳熱溫差△tmin選為10～15℃時(shí)，總費(fèi)用最低。另外，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最優(yōu)夾點(diǎn)溫差范圍一般約在5～20℃，該△tmin符合經(jīng)驗(yàn)范圍。同時(shí)，結(jié)合工廠換熱器實(shí)際操作情況，選取換熱溫差為13℃，故該網(wǎng)絡(luò)的最小傳熱溫差△tmin=13℃。

2.3 原流程換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

基于上述最小溫差，對(duì)該換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。該系統(tǒng)的夾點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)熱復(fù)合曲線詳見圖3。

圖3 換熱網(wǎng)絡(luò)熱復(fù)合曲線

該系統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡(luò)見圖4。

圖4 原流程換熱網(wǎng)絡(luò)組合圖

圖中，豎直虛線即為冷熱流體的夾點(diǎn)線，夾點(diǎn)線左側(cè)為夾點(diǎn)之上區(qū)域，夾點(diǎn)線右側(cè)為夾點(diǎn)之下區(qū)域；標(biāo)“H”設(shè)備表示加熱器，標(biāo)“L”設(shè)備為冷卻器，無(wú)標(biāo)注設(shè)備為工藝流股間換熱器。

由該圖可知，原流程的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，在理論上有較多可優(yōu)化部分，具備一定的節(jié)能潛力。

2.4 節(jié)能挖潛分析

2.4.1 內(nèi)部換熱分析

根據(jù)夾點(diǎn)理論3條基本原則：a夾點(diǎn)之上只允許存在換熱器和加熱器，不設(shè)置冷卻器；b夾點(diǎn)之下只允許存在換熱器和冷卻器，不設(shè)置加熱器；c盡量避免穿越夾點(diǎn)的換熱[4]。該換熱網(wǎng)絡(luò)穿越夾點(diǎn)的換熱量為910.7 kW，熱量較大，是系統(tǒng)能耗較高的主要原因之一。

2.4.2 外部換熱分析

該換熱網(wǎng)絡(luò)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(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部的熱量并未充分合理利用，需對(duì)該部分熱量加以充分利用，以盡量達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。

3 改造流程換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

首先，對(duì)夾點(diǎn)兩側(cè)的各冷、熱流股分別進(jìn)行分析。夾點(diǎn)之上與夾點(diǎn)之下區(qū)域，盡量使用區(qū)域內(nèi)的冷熱流股進(jìn)行換熱，使得外部冷熱公用工程量最??；同時(shí)，盡量避免穿越夾點(diǎn)的設(shè)計(jì)；對(duì)于冷熱夾點(diǎn)溫度區(qū)域之內(nèi)的流股盡量在區(qū)域內(nèi)換熱；同時(shí)，各流股按照溫度品級(jí)逐次換熱，高溫?zé)崃鞴蓛?yōu)先加熱高溫冷流股，以此類推，盡量避免越級(jí)換熱。

對(duì)夾點(diǎn)之上區(qū)域，優(yōu)先使用區(qū)域內(nèi)流股進(jìn)行換熱，剩余所需熱量采用熱公用工程加熱。優(yōu)化后，增加了3臺(tái)換熱設(shè)備，其中，刪除原流程中需要超高壓蒸汽加熱的B19，采用區(qū)域內(nèi)的350℃高溫流股(27 to 29流股)作為熱源加熱，另外使用區(qū)域內(nèi)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(fù)荷回路，但避免了跨越夾點(diǎn)的換熱，最終改善了系統(tǒng)的綜合性能。詳細(xì)換熱網(wǎng)絡(luò)見圖5。

圖5 優(yōu)化流程夾點(diǎn)之上區(qū)域換熱網(wǎng)絡(luò)圖

對(duì)于夾點(diǎn)之下與夾點(diǎn)之間區(qū)域，采用相同的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化，換熱網(wǎng)絡(luò)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(duì)于夾點(diǎn)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(diǎn)之上區(qū)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(shè)備投資成本高于節(jié)能產(chǎn)生的效益。故此對(duì)于夾點(diǎn)設(shè)計(jì)原則，有時(shí)能耗最低時(shí)可能造成設(shè)備投資大幅增加，故須進(jìn)行綜合性經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，以確認(rèn)最優(yōu)設(shè)計(jì)。

圖6 優(yōu)化流程夾點(diǎn)之下與夾點(diǎn)之間區(qū)域換熱網(wǎng)絡(luò)圖

對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化前后的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，見表2。

表2 換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比表

從表2可以看出，流程優(yōu)化后，節(jié)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(jié)省了熱公用工程消耗，與此同時(shí)，由于充分利用了系統(tǒng)內(nèi)的熱量，所以冷卻水的消耗量也相應(yīng)減少，系統(tǒng)內(nèi)的能量利用得到進(jìn)一步優(yōu)化。而由此產(chǎn)生的代價(jià)是增加了5臺(tái)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(shì)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(jié)能效果得到提升，最終的年總費(fèi)用減少，系統(tǒng)的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)參數(shù)得到了進(jìn)一步優(yōu)化，配置更合理，經(jīng)濟(jì)性能更佳。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，理論上，每年可節(jié)省總費(fèi)用人民幣約185萬(wàn)元左右。但是涉及實(shí)際生產(chǎn)，還需從實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境、可操作性以及人工成本等方面綜合考慮。

4 結(jié)語(yǔ)

本文使用夾點(diǎn)分析方法對(duì)14萬(wàn)噸/年汽油加氫裝置進(jìn)行了換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià)，改善了系統(tǒng)的換熱效果，獲得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)上述分析，可以得到以下主要結(jié)論。

(1)使用夾點(diǎn)技術(shù)優(yōu)化流程后，換熱網(wǎng)絡(luò)更加合理，能耗顯著降低，年總費(fèi)用可節(jié)省185萬(wàn)元左右，效益可觀，由于該裝置規(guī)模較小，對(duì)于更大規(guī)模的裝置，節(jié)能效果與經(jīng)濟(jì)效益將更為顯著。

(2)在換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過(guò)程中，原則上應(yīng)盡量減少穿越夾點(diǎn)的熱交換，但應(yīng)結(jié)合各方面綜合考慮，計(jì)算總費(fèi)用。例如，本文優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)中仍有70.7kW換熱穿越夾點(diǎn)，但由于系統(tǒng)自身的換熱屬性，若繼續(xù)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(shè)備投資與操作費(fèi)用的增加，故此，綜合考慮優(yōu)化后，采用該流程。

(3)根據(jù)夾點(diǎn)理論，需盡量減少換熱負(fù)荷回路，可減少設(shè)備投資，但可能相應(yīng)增大換熱溫差，使熱力學(xué)效率降低，不利于節(jié)能降耗，故需要綜合考慮。本文中優(yōu)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。