汽油加氢装置的换热网络优化

李中涛 惠生工程(中国)有限公司北京分公司 北京 100032

石油化工企业是能量密集型单位，节能降耗历来是石化企业及相关人员所关注的焦点，也是我国石化行业发展的重大战略。在节能降耗各种措施中，通过对装置内的换热网络进行优化、集成，增加系统换热效率，最优化利用系统内外部冷热量，从而实现外部能耗最低，减少装置的年总成本，是一个非常重要的研究课题。当前，夹点技术是设计、优化换热网络的重要手段[1][2][3]。

汽油加氢装置涉及两段加氢反应，均系放热过程，系统内自产热量较多。同时，装置内的各个塔器需要配置塔顶冷凝器和塔釜再沸器，使该装置有较多的冷换设备参与冷热量交换过程。因此，对该装置的换热网络进行系统优化具有非常重要的现实意义和经济价值。

夹点理论是英国Linnhoff B.教授等人提出的换热网络优化设计方法。该理论以热力学为基础，从宏观角度分析系统中能量流沿温度曲线的分布，解除系统用能的“瓶颈”，通过构造冷热物流组合曲线和平衡组合曲线来对工艺过程进行能量分析，制定节能设计和改造方案[4][5]。

夹点技术以化工热力学为基础，从整个系统考虑，选用年总费用、设备投资费用、最大热量回收量等作为经济目标函数，首先通过经验法或数学优化估算确定夹点温差，采用复合温焓曲线等方法得出夹点，确定最小加热公用工程量及最小冷却公用工程量，通过夹点设计准则找出流程中不合理的换热过程及换热设备进行改进，从而使换热网络达到最优[6][7]。

1 生产工艺流程介绍

裂解汽油是石油裂解生产乙烯过程中的重要副产物。其主要成分是C5-C9烃类，包括40%(wt)以上的芳烃及相当数量的二烯烃、单烯烃等，同时还含有微量的硫、氮、氯及重金属等组分。此外，裂解汽油的稳定性极差，易氧化及聚合，必须先进行预处理。目前普遍采用催化加氢精制方法。

某项目14万t/a汽油加氢装置基本流程见图1。

图1 某项目14万吨/年汽油加氢装置基本流程图

该装置大致可分为脱碳五系统、脱碳九系统、一、二段加氢系统及稳定系统，将来自界区的裂解汽油分为C5-组分、C9+组分及稳定后的加氢汽油组分。该装置两段加氢均系放热反应，同时系统内各塔器均需配置冷凝器及再沸器，用能设备较多。该换热网络内共有换热单元14个(部分换热单元或有多台换热器)，涉及换热流股13种，公用工程物流3种，系统内自产热量较多，装置内热量可利用程度较高，换热网络较为复杂。

来自界区的粗裂解汽油送至T1(脱C5塔)，C5产品由塔顶采出，塔底C6+直接进入T2(脱C9塔)。T2塔顶采出的C6-C8由泵送至加氢工段，塔釜C9+产品冷却后送至产品罐区。

上述C6～C8馏分进入一段加氢反应器，加氢反应物先后经热、冷分离罐进行气液分离。富氢气体送往二段循环氢压缩机为二段加氢提供部分H2，液相作为一段加氢油，一部分经一段冷却后返回反应器入口与新鲜进料混合进入反应器，另一部分去二段加氢反应系统。二段加氢反应器出口产物经进出物料换热器冷却并水冷后，进入二段加氢分离罐。二段加氢分离罐中分离出的气体大部分与补充氢气和来自一段加氢冷分离罐顶的一段加氢尾气混合后进入循环氢压缩机。

二段加氢分离罐液相送往T3(稳定塔)。T3塔顶酸性尾气返回到乙烯装置。塔底C6-C8产品经冷却后去罐区。

2 原流程夹点分析

2.1 物流信息

对该系统换热网络进行分析，首先列出涉及换热的各冷热流股。见表1。

表1 工艺物流数据

2.2 最小夹点温度确定

在换热网络的综合分析中，通常以系统的总费用为目标进行优化，其包括操作费用和投资费用两部分。在分析过程中，夹点温差是一个尤为关键的因素。夹点温差减小，热回收程度增大，所需公用工程用量减少，操作费用降低，但由于传热温差减少，所需换热面积增大，造成投资费用增大；反之，操作费用增大，投资费用减少。因此，当系统内物流和经济环境一定时，存在一个最小夹点温差△tmin,使总费用目标最小。换热网络优化，应该在此温差下进行[8][9]。

在实际生产过程中，换热器材质、组合曲线的形状，特别是热冷复合曲线间的距离分布等条件决定着投资费用的大小，从而决定着△tmin的合理选择。因此，为使操作费用和投资费用进行合理分配，目前有效的办法是把投资费用目标也表示为△tmin的函数。投资费用主要由换热单元数和总换热面积确定，假定全过程的换热系数相同且为常数，则当物流间垂直匹配时，所需换热面积最少[10]。

根据各流股条件及装置基本数据确定换热网络最优的最小传热温差△tmin，以装置的年总费用最低时的△tmin作为最优的△tmin。对于该装置，△tmin与年操作费用、年投资成本及年总费用的关系见图2。

图2 △tmin与投资费用、操作费用及总费用关系图

由图2可知，当最小传热温差△tmin选为10～15℃时，总费用最低。另外，根据经验，最优夹点温差范围一般约在5～20℃，该△tmin符合经验范围。同时，结合工厂换热器实际操作情况，选取换热温差为13℃，故该网络的最小传热温差△tmin=13℃。

2.3 原流程换热网络设计

基于上述最小温差，对该换热网络进行分析。该系统的夹点温度为112～125℃，最小热公用工程用量为3841 kW，最小冷公用工程用量为5809 kW，具体换热网络热复合曲线详见图3。

图3 换热网络热复合曲线

该系统的换热网络见图4。

图4 原流程换热网络组合图

图中，竖直虚线即为冷热流体的夹点线，夹点线左侧为夹点之上区域，夹点线右侧为夹点之下区域；标“H”设备表示加热器，标“L”设备为冷却器，无标注设备为工艺流股间换热器。

由该图可知，原流程的换热网络设计，在理论上有较多可优化部分，具备一定的节能潜力。

2.4 节能挖潜分析

2.4.1 内部换热分析

根据夹点理论3条基本原则：a夹点之上只允许存在换热器和加热器，不设置冷却器；b夹点之下只允许存在换热器和冷却器，不设置加热器；c尽量避免穿越夹点的换热[4]。该换热网络穿越夹点的换热量为910.7 kW，热量较大，是系统能耗较高的主要原因之一。

2.4.2 外部换热分析

该换热网络所需外部公用工程量较大，所需热量为4751 kW，所需冷量为6720 kW，而对于系统内部的热量并未充分合理利用，需对该部分热量加以充分利用，以尽量达到节能降耗的目标。

3 改造流程换热网络设计

首先，对夹点两侧的各冷、热流股分别进行分析。夹点之上与夹点之下区域，尽量使用区域内的冷热流股进行换热，使得外部冷热公用工程量最小；同时，尽量避免穿越夹点的设计；对于冷热夹点温度区域之内的流股尽量在区域内换热；同时，各流股按照温度品级逐次换热，高温热流股优先加热高温冷流股，以此类推，尽量避免越级换热。

对夹点之上区域，优先使用区域内流股进行换热，剩余所需热量采用热公用工程加热。优化后，增加了3台换热设备，其中，删除原流程中需要超高压蒸汽加热的B19，采用区域内的350℃高温流股(27 to 29流股)作为热源加热，另外使用区域内热流股作为B2再沸器的一部分热源，减少了中压蒸汽的消耗；虽然形成了热负荷回路，但避免了跨越夹点的换热，最终改善了系统的综合性能。详细换热网络见图5。

图5 优化流程夹点之上区域换热网络图

对于夹点之下与夹点之间区域，采用相同的设计方法进行优化，换热网络详见图6。由于该装置热流股和热量较多，冷流股和冷量较少，故对于夹点之下的冷端不可避免的要使用大量冷公用工程(本案中为冷却水)，而夹点之上区域剩余的较低温位的热量已难以利用或者利用这部分热量造成的设备投资成本高于节能产生的效益。故此对于夹点设计原则，有时能耗最低时可能造成设备投资大幅增加，故须进行综合性经济评价，以确认最优设计。

图6 优化流程夹点之下与夹点之间区域换热网络图

对换热网络优化前后的技术及经济参数进行对比，见表2。

表2 换热网络优化前后参数对比表

从表2可以看出，流程优化后，节能效果较为明显。减少中压蒸汽用量622kW，且避免了使用超高压蒸汽，大大节省了热公用工程消耗，与此同时，由于充分利用了系统内的热量，所以冷却水的消耗量也相应减少，系统内的能量利用得到进一步优化。而由此产生的代价是增加了5台换热器，原因在于热流股的热量较为分散，单一流股热量不足，势必造成回收利用热量的成本较高，从而增加了固定投资成本，但节能效果得到提升，最终的年总费用减少，系统的技术及经济参数得到了进一步优化，配置更合理，经济性能更佳。根据表中数据，理论上，每年可节省总费用人民币约185万元左右。但是涉及实际生产，还需从实际生产环境、可操作性以及人工成本等方面综合考虑。

4 结语

本文使用夹点分析方法对14万吨/年汽油加氢装置进行了换热网络优化及经济性能评价，改善了系统的换热效果，获得了一定的经济效益。通过上述分析，可以得到以下主要结论。

(1)使用夹点技术优化流程后，换热网络更加合理，能耗显著降低，年总费用可节省185万元左右，效益可观，由于该装置规模较小，对于更大规模的装置，节能效果与经济效益将更为显著。

(2)在换热网络优化过程中，原则上应尽量减少穿越夹点的热交换，但应结合各方面综合考虑，计算总费用。例如，本文优化后的换热网络中仍有70.7kW换热穿越夹点，但由于系统自身的换热属性，若继续减少该部分换热，必须引入更多换热器及公用工程，这就造成了设备投资与操作费用的增加，故此，综合考虑优化后，采用该流程。

(3)根据夹点理论，需尽量减少换热负荷回路，可减少设备投资，但可能相应增大换热温差，使热力学效率降低，不利于节能降耗，故需要综合考虑。本文中优化后的流程中仍存在换热回路，也是综合比较后采用的最佳方案。