酮苯裝置脫蠟脫油系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化

黃茂生　卞鳳鳴　張早?！×何男?/p>

摘要：介紹了中國石化茂名分公司酮苯脫蠟脫油聯(lián)合裝置采用夾點技術(shù)對脫蠟脫油系統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡(luò)進行分析，確定了系統(tǒng)最優(yōu)的傳熱溫差，找出并消除了系統(tǒng)違反夾點原則的匹配問題，結(jié)合結(jié)晶工藝特有的約束條件，對系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)進行了優(yōu)化匹配，優(yōu)化方案使系統(tǒng)所需冷量由4997.7 kW下降至3285.3 kW，降幅達34.26%。對系統(tǒng)進行了調(diào)優(yōu)校驗，核算后優(yōu)化了系統(tǒng)換熱器的分布，使換熱器的面積效率由66.06%提升至85.5%。

關(guān)鍵詞：酮苯脫蠟；脫油；換冷優(yōu)化；結(jié)晶；夾點

中圖分類號：TE624.53 文獻標(biāo)識碼：A

Optimization on Energy Saving in Ketone-Benzol Dewaxing & Deoiling System

HUANG Mao-sheng1, BIAN Feng-ming1, ZHANG Zao-xiao2, LIANG Wen-xiong1

(1.SINOPEC Maoming Branch, Maoming 525000, China；2.Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China)

Abstract:The dewaxing & deoiling heat-exchanger system in SINOPEC Maoming Branch was analyzed with pinch technology, the minimum heat transfer temperature difference was located, the matching problem which breaches the pinch point principle was found and eliminated, and the system was optimized by considering the constraint conditions of crystallization. The results indicated that the optimal project will reduce 34.26% of the cool-energy consumption in the process (from 4997.7 kW down to 3285.3 kW). The area efficiency of heat-exchangers in the system is verified, the distribution of the heat-exchangers is optimized home, and this makes the exchanging area efficiency increase from 66.06% to 85.5%.

Key words:ketone-benzol dewaximg; deoiling; cold heat-exchanger network optimization; crystallization; pinch point

0 引言

能源是發(fā)展國民經(jīng)濟和保障人民生活的重要物資基礎(chǔ)。能源的短缺、供求的矛盾已成為一個世界性的問題，節(jié)能的重要性不言而喻。酮苯脫蠟脫油方法是一種高能耗的方法，結(jié)晶降溫過程是一冷凍過程，需要昂貴的冷量，在整個酮苯脫蠟過程中，冷凍用電占全裝置用電的52.2%，占全套裝置能耗近20%。因此，對結(jié)晶換冷系統(tǒng)的能量進行分析，找出不合理結(jié)構(gòu)，用能量系統(tǒng)集成^［1］對系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，回收昂貴冷量具有極大意義。

能量系統(tǒng)集成優(yōu)化改進一般分設(shè)備的改進、流程的改進與換熱網(wǎng)絡(luò)的改進^［2-4］。酮苯脫蠟脫油聯(lián)合裝置的結(jié)晶系統(tǒng)與脫油系統(tǒng)都是略高于常溫或低于常溫操作過程，結(jié)晶是一降溫過程，脫油是一升溫過程，為了節(jié)能，酮苯裝置多數(shù)于80年代末進行了溶劑循環(huán)工藝改造?，F(xiàn)以典型的采用三段逆流的一段脫蠟二段脫油工藝為例，流程如圖1所示。

對于這樣一個結(jié)晶與脫油的換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，要降低其公用工程量，可從以下幾方面考慮：

一是提高設(shè)備的工作效率，對于酮苯脫蠟裝置來講，可以通過提高制冷壓縮機效率，從而降低單位冷量的成本，包括通過略提高制冷機的進口壓力，這要在換熱系統(tǒng)的傳熱溫差有富余或傳熱面積有富余的情況下實現(xiàn)，還包括降低制冷壓縮機出口壓力來實現(xiàn)；也可以通過提高換熱系統(tǒng)的傳熱效率來實現(xiàn)。

二是降低稀釋比。降低稀釋比就減少了所需冷卻的物流量，也就減少了所需的冷量，這是從根源上降低了系統(tǒng)的公用工程消耗，是優(yōu)化應(yīng)優(yōu)先考慮的改進方式。

三是提高換熱網(wǎng)絡(luò)的冷量回收率。通過調(diào)整冷熱物流換熱匹配順序和換熱量，從總體上提高冷物流冷量的再利用，從而減少熱流所需的冷公用工程量。

本文所要探討的就是上述的第三種方法，采用能量系統(tǒng)集成先進的夾點技術(shù)對換熱網(wǎng)絡(luò)進行分析，提出了采用何種方法、步驟有效地提高換熱網(wǎng)絡(luò)的冷回收率，對優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性進行了校驗，并對優(yōu)化后換熱網(wǎng)絡(luò)再采用工藝優(yōu)化對冷熱公用工程的影響進行分析。

1 現(xiàn)狀分析

分析的系統(tǒng)為中國石化茂名分公司1號輕質(zhì)酮苯裝置的脫蠟脫油系統(tǒng)，其流程現(xiàn)狀如圖2。

根據(jù)標(biāo)定的數(shù)據(jù)物料平衡數(shù)據(jù)，可以得到各物流的流量，再根據(jù)各種物流的比熱可以計算得各物流的熱容流率，結(jié)晶、脫油與密閉氣換熱網(wǎng)絡(luò)所經(jīng)過的物流數(shù)據(jù)如換熱網(wǎng)絡(luò)物流明細見表1。

現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的換熱器數(shù)據(jù)如表2。其中換熱器E-LA與E-OIL為虛擬換熱器。

由資料^［5］參考物性數(shù)據(jù)，再由傳熱膜系數(shù)計算公式^［6］計算得傳熱膜系數(shù)如表3。

由此對現(xiàn)有的換熱網(wǎng)絡(luò)求解一組最小溫差與換熱面積的對應(yīng)數(shù)值，在現(xiàn)有的換熱面積4468.5 m²(E-13有340 m²未得到利用)時，冷熱流最小傳熱溫差為10 ℃。以此最小傳熱溫差作為最優(yōu)夾點溫差^［7］△T_min下，得出組合焓圖(見圖3)，夾點溫度為33 ℃，目標(biāo)最小冷公用工程量為2809.32 kW。

2 現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)的分析與優(yōu)化

2.1 最優(yōu)傳熱溫差的確定

要對換熱網(wǎng)絡(luò)進行改造，需考慮新增的換熱面積與回收能量關(guān)系，此時的最優(yōu)傳熱溫差不同于現(xiàn)有換熱面積下的最小夾點溫差。最優(yōu)夾點溫差的確定是取得所要求的投資年限所對應(yīng)的夾點溫差，也可是投資較大回報率對應(yīng)下的能量回收線拐點所對應(yīng)的夾點溫差。按給定物流數(shù)據(jù)及費用參數(shù)先計算出一組不同△T_min下的能量值的和投資的換熱面積值，由能量值的和投資的換熱面積值計算出能量節(jié)約費用與換熱面積的投資費用，再由換熱面積的投資計算投資回收期。計算得的數(shù)值先做出能量費用節(jié)省與新增投資費用的曲線，如圖4所示a線，其上每一個點對應(yīng)一個特定的夾點溫度。隨后做出所指定的投資回收年限曲線，如圖4中b線。由能量回收線出現(xiàn)拐點確定最優(yōu)傳熱溫差為5 ℃（見c線）。

2.2 在確定最小傳熱溫差下分析違反夾點原則的匹配

在最小傳熱溫差為5 ℃下，我們繪得現(xiàn)有的換熱網(wǎng)絡(luò)圖如圖5。

按夾點匹配原則的熱容流率準(zhǔn)則檢驗：冷流脫蠟濾液LOIL的熱容流率為82.798 kW/℃，冷流蠟下油液YOIL1為的熱容流率為36.28 kW/℃，由于沒有分流，與之匹配的熱物流的熱容流率都小于以上數(shù)值，違反了夾點熱容流率匹配準(zhǔn)則^［8］。按夾點匹配的物流數(shù)目準(zhǔn)則檢驗：夾點之下的熱物流數(shù)目大于冷物流數(shù)目，符合準(zhǔn)則，夾點之上的冷物流數(shù)目小于熱物流數(shù)目，違反了物流數(shù)目準(zhǔn)則。

2.3 消除現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)中違反夾點原則的匹配

2.3.1 原料FEED與濾液換熱器E-01A

原料FEED與濾液換熱是一股跨越夾點的傳熱的物流。要消除夾點有兩種辦法，一是在夾點上方增加換熱器，另一方法是降低夾點下方物流溫度以增大傳熱溫差。由于結(jié)晶過程中物流性質(zhì)相對較為復(fù)雜，為了使結(jié)晶的蠟晶粒便于過濾，上個世紀(jì)末大量研究表明較輕原料要在沒有溶劑狀態(tài)下并控制冷卻速度不大于80 ℃/h，使原料在過飽和下析出晶體，這樣的晶體晶核不包油，在冷卻至較原料熔點低15~20 ℃下加入一次溶劑。由于原料熔點大于50 ℃，所以水冷器口溫度約在55 ℃，55 ℃至16 ℃的冷卻過程在同一臺套管結(jié)晶器E-01內(nèi)完成，E-01A為E-01的上段，E-01B為E-01的下段。由于未加入溶劑的原料傳熱膜系數(shù)低，所以雖然原料熱容流率不大，卻需要較大的換熱面積。因而如另增加換熱面積則需增上昂貴的套管結(jié)晶器，同時改造需要的空間位置并不允許，增加換熱面積雖可以解決跨夾點問題，但與實際問題產(chǎn)生矛盾是不理想的。

由于傳熱膜系數(shù)已確定，傳熱面積又受到了限制，因而跨夾點問題無法解決，由此分析得知在確定換熱面積270 m²和不同的進出溫度，可計算出一組不同約束條件下允許的最小傳熱溫差。數(shù)據(jù)見表4，E-201B(即E-201)濾液的進口溫度受限為0.94 ℃，E-01出口溫度受限最低為16.7 ℃。當(dāng)生產(chǎn)中備用流啟用時E-201換熱面積增加108 m²，兩段各增加54 m²，此時濾液進E-01受限溫度為4 ℃。

2.3.2 脫蠟濾液LOIL跨夾點問題

根據(jù)夾點匹配準(zhǔn)則，夾點之下冷物流的熱容流率要小于熱物流的熱容流率，要消除，可以對冷流進行分支，但如要大量對冷流進行分支，其后果一是大量增加換熱器的臺數(shù)，二是并聯(lián)操作的難度非常大，消除的另一方法是，對熱流進行合并。分析發(fā)現(xiàn)，三次溶劑與冷洗溶劑都由同一溶劑罐來，由不同的泵打出后經(jīng)過不同換熱網(wǎng)絡(luò)后經(jīng)流量控制分別去E-03出口和過濾機，兩流的壓力差別不大，冷卻所需溫度相同，具備合并條件。同樣，對脫油二段沖洗、脫油一段沖洗與脫油二段稀釋分析發(fā)現(xiàn)，這三股物流也具備合并的條件。合并后數(shù)據(jù)如表5。

從夾點處開始檢查設(shè)計網(wǎng)絡(luò)，進入夾點的冷流中，濾液熱容流率最大，從熱流中找最大熱容流率為混合后的脫油一段沖洗、脫油二段沖洗與脫油一段稀釋溶劑。由此先確定脫蠟濾液與脫油一段沖洗、脫油二段沖洗及脫油一段稀釋溶劑換熱，換熱器號E-13。

脫蠟濾液離夾點較遠的一段，從現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)圖(圖5)中看到，進E-01前溫度為-7 ℃，與限定的0.94 ℃還有620.16 kW冷量，說明冷量回收潛力還很大。原流程匹配從圖5說明E-04、E-09是正確的。但E-09的傳熱溫差過大，所以合并后的三次溶劑與冷流溶劑混流在進E-09前須得到充分換熱。檢查E-04與E-09的換熱面積已充分得到利用，說明E-04與E-09換熱面積明顯不足需增加換熱面積。

脫油一段沖洗溶劑需求較多冷量，脫油與脫蠟密閉氣不需要較精細控制溫度，因而利舊增設(shè)三臺換熱器E-16、E-50、E-48回收濾液中冷量。其中脫蠟密閉氣要求冷卻溫度較低，溫差低過最優(yōu)傳熱溫差，所以采用分流濾液方式達到增大脫蠟溫差目的。確定了E16、E-50后，根據(jù)最小傳熱溫差計算濾液與三次E-04、濾液與冷洗溶劑E-09能換取的最低溫度。此時E-04至E-50會產(chǎn)生未分配完的冷量，重新計算濾液由低至高溫度經(jīng)過的系列換熱器，確定濾液去回收系統(tǒng)的溫度，由此可完成后續(xù)各換熱器的熱負荷。

2.3.3 蠟下油液YOIL1跨夾點問題

蠟下油液是另一股進入夾點的冷流，熱容流率為36.28 kW，從匹配的物流中三次與冷洗混合溶劑熱容流率大于它，在相同溫度范圍，冷流還有一次溶劑，一次溶劑的熱容流率為13.03 kW，兩物流熱容流率與三次冷洗混流熱容流率(55.84 kW)相近，按夾點原理，這種狀況下可以讓物流間接近垂直傳熱，需求換熱面積最少。由此，將三次與冷洗溶劑混合物流分流，分流率與兩物熱容流率的比例相近。求解中可以發(fā)現(xiàn)，蠟下油液與三次溶劑、冷洗溶劑混合物流換熱受E-01最小對流傳熱溫差限制，換熱后三次冷洗溫度為21 ℃。

通過消除跨夾點問題，完成換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，優(yōu)化前后數(shù)據(jù)如表6。

夾點匹配的面積效率一般在80%以上，E-20、E-18、E-48、E-50、E-07、E-10面積效率偏低。E-48與E-50面積效率低，且都有A、B兩組，取出一臺E-48B與E-50B另用達到減少換熱面積。

三次溶劑與冷洗溶劑優(yōu)化后到氨冷卻器前溫度已為-15 ℃，如與-20 ℃系統(tǒng)氨冷卻，會產(chǎn)生低于夾點溫差問題，考慮應(yīng)直接與-33 ℃的氨冷卻。因而，E-07與E-10共有400 m²可取出另用。計算表明，E-07改為三次溶劑與濾液換冷后，要冷卻到接近夾點溫度，還缺130 m²換熱面積；E-10改與濾液換冷后，換熱面積還少90 m²。E-48B及E-50B兩組面積滿足要求。

E-13的換熱面積也不足，如增大足夠面積，讓最小傳熱溫差低過夾點溫差，可以實現(xiàn)用脫蠟濾液于E-01靠進夾點段通過與E-13換熱后，達到脫油二段稀釋溶劑和脫油二段沖洗溶劑的需求溫度。取消E-18及E-20與冷公用工程換熱，將兩臺換熱器作為E-13面積不足的補充，改與濾液換熱，同時將E-18由100改大為340 m²換熱器。

由以上分析可知，改造實際需新增的換熱面積為340 m²，改造后總面積為5008.5 m²，實際需求面積為4285 m²，面積效率為85.5%。優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)匹配圖如圖6。換熱網(wǎng)絡(luò)流程示意圖如圖7。

4 結(jié)論

（1）用夾點技術(shù)對結(jié)晶與脫油系統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果顯示，現(xiàn)有的結(jié)晶脫油系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)冷量回收潛力很大，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的換熱面積最大目標(biāo)回收冷量為2809 kW，系統(tǒng)實際供應(yīng)了4997.7 kW。

（2）用現(xiàn)有的經(jīng)濟數(shù)據(jù)核算了系統(tǒng)投資費用與能量回收的關(guān)系，數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)的夾點溫差小于3 ℃，在夾點溫差小于5 ℃時投資回收期趨于緩慢。在夾點最小溫差5 ℃條件下，對結(jié)晶與脫油系統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中存在的約束條件進行了分析，對現(xiàn)有系統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡(luò)用夾點優(yōu)化，優(yōu)化后需新增面積748.05 m²，所需冷公用工程由4997.7 kW降至3398.8 kW。

（3）采用面積效率系數(shù)方法進一步優(yōu)化了換熱器的分布，優(yōu)化后需新增面積由784.05 m²降為240 m²，網(wǎng)絡(luò)面積效率由66.06%提升至85.5%，需求冷公

用工程為3285.3 kW，較優(yōu)化前4997.7 kW下降了34.26%。

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收稿日期:2008-06-23。

作者簡介：黃茂生(1973-)，男，高級工程師，1995年畢業(yè)于大連理工大學(xué)，2007年畢業(yè)于西安交通大學(xué)工程碩士，主要從事石油化工生產(chǎn)工藝技術(shù)管理與安全管理工作。