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基于夾點技術的苯酚丙酮裝置能量分析與節能改造

文檔作者：劉興隆孫蘭義等文檔來源：中國石油大學（華東）重質油國家重點實驗室		更新日期： 2026年05月03日	點擊數：
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2021,38 (3) 68 ~74
節8減： 石油化工設計
Petrochemical Desicn
基于夾點技術的苯酚丙酮裝置能量分析
改造
劉興隆，劉b,孫蘭義
（中國石油大學（華東）重質油國家重點實驗室，山東 青島277580）
摘要：以苯酚-丙酮裝置為研究對象，使用Aspen Plus對異丙苯氧化法生產苯酚丙酮的UOP工藝進
行了全流程模擬。以模擬結果為基礎，對流程中所涉及的精7塔進行了夾點分析,提出了熱集成方案。
對塔系與背景過程熱集成的可行性進行分析,指出了塔系與背景過程匹配換熱的可能性,為換熱網絡的
設計中物流數據的提取提供基礎。基于夾點設計原則得到理論的最大換熱回收網絡，與初始流程相比，
在最終的節能方案中，冷公用工程由97. 79 MW降至70. 98 MW，節能27. 59% ；熱公用工程由55. 41 MW
降至29.71 MW，節能46. 38%，取得了很好的節能成果%
關鍵詞：異丙苯法生產苯酚丙酮節能改造換熱網絡設計夾點技術
doi： 10. 3979/j. issn. 1005 -8178.2021.03.017
酚是一種重要的有機原料,在煉油行業中,苯
酚被用于除去石油中的樹脂、硫化物以及多環芳
9;在化工行業中，苯酚主要用于合成雙酚A,進
而用于生產聚碳酸酯和環氧樹脂。丙酮作為苯酚
產業的副產品，可以用作生產醋酹、烯酮、異佛爾
酮等基本化學品。
前苯酚的生產工藝主要是異丙苯法&amp;amp;1],主
要步驟包 的氧化、過氧化氫 的提
濃、過氧化氫異丙苯的分解、產品分離以及AMS
加氫重新利用。生產過程如圖1所示。
圖1異丙苯法的生產過程
由于異丙苯法流程長、分離工序復雜,且過程
中的大量能量被消耗在反應和分 ，這需
要大量的冷熱公用工程,其中冷公用工程包括冷
卻水，主要用于冷凝器的冷凝和產品冷卻;熱公用
工程主要包括低壓蒸汽、中壓蒸汽,主要用于流股
的預熱及塔釜再 等 &amp;amp;2'。因
苯法的苯酚-丙酮裝置進行節能改造，合理回收
過程中的熱量十分重要。而夾點技術（Pinch
Technology）是目前應用最廣泛的能量分析技術,
應用于精y塔的用能分析、熱泵的 分析以及
蒸 系統等涉 量優化的系統， 為
過程工業以及任何具有能量優化 的系統進行
的 &amp;amp; 一7'。
是能量回收利用中的一個重要子系
統&amp;amp;八8'。通 化設計，可以實現 <
，并且該 在 業應用 得顯著
的 效 濟效益&amp;amp;9'。
針 酚-丙酮裝置能耗高的問題，首先基
收稿日期：2020 -11 -11 o
作者簡介：劉興隆，男，現為中國石油大學（華東）化學
工程專業在讀碩士研究生，研究方向為化工過程
模擬與強化。E - mail： z19030024@ s. upo. edu.cn
2021年第3期（第38卷）劉興隆等.基于夾點技術的苯酚丙酮裝置能量分析與節能改造?69?
于夾點技術進行能量分析與塔系熱集成節能改
造,而后對塔與背 的可行性進行分
析,提取過程中的有效數據，進行最大熱回收換
設計,達到深度 的目的。可為苯
酚-丙酮裝置或其他工業裝置提供節能改造思
路。
1苯酚-丙酮裝置工藝流程
異丙苯法生產苯酚,主要流程為:原料異丙苯
經預熱后同空氣 氧化反應器R-101,反
應生成過氧化氫異丙苯。反應產物氣相經處理后
送入火炬系統焚燒,液相送入一級提濃塔T-201
為85%過氧化氫異丙苯。提濃后的過氧化氫異丙
苯在反應器R-301中經酸的催化分解生成苯酚、
丙酮及其他副產物。反應產物經粗丙酮塔T-
401、精丙酮塔T-402分離提純得到純度大于
99.5%的丙酮。經異丙苯拔頂塔T-403、焦油塔
T-404 酚塔 T-405 分 提 得到 度大于
99.6 % 的苯酚 &amp;amp;10'。
苯酚-丙酮裝置工藝流程示意如圖2所示,
在模擬軟件Aspen Plus V10. 0中進行嚴格模擬后,
查看當前流程的能量消耗可知,當前冷公用工程
消耗量為96.69 MW,熱公用工程消耗量為55.41
MW,過程中的冷卻和加熱均使用公用工程，存在
設備位號說明:R-101:氧化反應器；V-101:氧化反應器分離罐;E-101:原料預熱器；E-103 :反應物產冷卻器；
T-201 :一級提濃塔；T-202 :二級提濃塔；V-201 :異丙苯儲罐；E-201:異丙苯冷卻器；R-301:分解反應器：
E-301:氧化液冷卻器；T-401:粗丙酮塔；T-402:精丙酮塔；T-403 :異丙苯拔頂塔；T-404:焦油塔；
T-405 :苯酚塔；E-401 :苯酚冷卻器
圖2苯酚-丙酮裝置工藝流程示意
2苯酚-丙酮裝置熱集成
當流程中涉及多個精y塔時,可將某塔塔頂
冷凝器與其他塔的塔底再 行耦合,回收利
用塔頂蒸汽的冷凝潛熱， 以 少公用工
程消耗量。
2.1塔系熱集成分析
將現有流程中各精y塔的冷凝器和再沸器參
數提取出來， 1 示， 假設冷凝
再沸器均在恒溫下進行。可以看出所有精y塔的
熱公用工程消耗共計47- 10 MW,其中低壓蒸汽
22.05 MW,中壓蒸汽3 MW,高壓蒸汽22.05 MW；
冷公用工程共計消耗47- 69 MW#
基于表1中的數據，以）值 ＞（）變為熱負
荷）為橫坐標，溫度/為縱坐標，得到5個塔的溫
）圖。為了便于找出塔之間的溫位及能量大小關
系,將所有塔的溫）圖均向左平移至y軸，如圖3
所示。
塔系 分為
兩種，可行方案眾多可以參考以下原則:1）優先考
；2 "優先考慮能節省高品質蒸汽的
方案;3）優先考 量大的匹配;4）使用調壓熱
先考慮加壓操作；5 "優先 物流的
?70?石油化工設計2021年第3期(第38卷)
)值高于冷物流的方案;6)傳熱溫差不宜過大。
但這些原則可能會出現相互沖突,這就依賴于工
程設計人員的經驗進行綜合考慮。
表1冷凝器和再沸器參數匯總
項目
冷凝器再沸器/中間再沸器
溫度a: 熱負荷/MW 溫度/oc 熱負荷/MW
T -201 50 14.68 114 11.88
T -402 51 6.10 60 6.07
T -401 56 3.48 155 3.00
T -401 56 3.48 169 3.33
T -202 76 5.03 116 4.10
T -403 147 5.05 180 5.15
T -405 165 5.43 181 5.45
T -404 179 8.12 207 8.12
T-404
]t-405
T-403
圖3現有流程精y塔系溫)
2.1.1直接熱集成
1) T-402塔底再沸器溫度60 C,熱負荷
6.07 MW；T-202塔頂冷凝器溫度76 C,熱負荷
5.03 MW#兩者之間可以實現直接熱集成，熱集
成后T - 202塔頂冷凝器所需冷量可由T - 402完
全供給，節省低壓蒸汽5.03 MW,節省冷卻水
5.03 MWO
2) T-201塔底再沸器溫度114 C,熱負荷
11.88 MW# T-403塔頂冷凝器溫度147 C ,熱負
荷5. 05 MW#兩者之間可以實現直接熱集成，熱
集成后T-403塔供給熱量5.05 MW,剩余熱量由
用工程提供, 低壓蒸汽5.05 MW,節省冷
卻水 5.05 MW#
2.1.2調壓熱集成
T - 404塔頂冷凝器溫度179 C,熱負荷
8.12 MW,將T-404操作壓力由101 kPa加壓至
150 kPa后，在分離要求不變的條件下,塔頂冷凝
器溫度變為196 C,熱負荷變為8.53 MW,升高了
0.41 MW,塔底再沸器溫度變為223 C,熱負荷變
為8.82 MW,升高了 0.70 MW,如圖4所示。而后
續T - 405苯酚塔的冷凝 之變為
5.71 MW,升高了 0.28 MW#雖然T-404調壓后
熱負荷升高了 0.70 MW,但是較高的塔頂溫度使
得T-404塔頂冷凝 以與T-403塔底再沸
器熱集成，節省高壓蒸汽5. 15 MW,冷卻水
T-403
T404, 150 kPa
194 °C, &amp;amp;53 MW
T404, 101 kPa
179 °C, &amp;amp; 11MW
加壓
3 6 9
熠變AH/MW
圖 4 T-404 與 T-403 溫)
2.1.3中間再沸器/冷凝器熱集成
T-401中間再沸器，溫度155 C,熱負荷3
MW,T-405塔頂冷凝器溫度165 C ,熱負荷5.43
MWO兩者之間可以實現 ，熱集成后
T-401中間再沸器所需熱量可由T-405完全供
給，可節省中壓蒸汽3 MW,冷卻水3 MW#
進行熱集成后共可節省冷公用工程(CW)
17.54 MW；節省熱公用工程17.53 MW,其中低壓
蒸汽(LPS) 10.08 MW,中壓蒸汽(MPS) 3.00 MW,
高壓蒸汽(HPS) 5.08 MW#現熱集成流程中，熱
公用工程用量為37.88 MW,冷公用工程用量為
79.15 MW。集成后的工藝流程如圖5所示。
2.2塔系與背景過程熱集成分析
背景過程的能量分布可以用總組合曲線來表
"，塔與背 的可行性可以通過塔與
背 的 位置 斷&amp;amp;⑴。 各精y塔冷
凝 再 物流，其余物流作為背 ，如表
2所示。本流程中涉及的反應器R - 101與反應
器R-201出于安全考慮，不與其他工藝物流進行
換熱，所以不提取該數據。繪制背 總組合
圖6所示。
將精y塔矩形圖放置在背景過程總組合曲線
圖中，即可清晰地看到各塔在背景過程中所處的
位置，如圖7所示。流程中的所有精y塔均在夾
點之上，理論上均可以與背景過程進行熱集成,但
受傳熱溫差限制,T-401( T-403、T-404和T -
405的塔底再 均無法與背 行 °
2021年第3期（第38卷）劉興隆等.基于夾點技術的苯酚丙酮裝置能量分析與節能改造? 71 ?
設備位號說明同圖2
圖5塔系熱集成流程
表2 過程物數據
項目 設備編號 物流描述 初始溫度/°C 目標溫度/°C 熱負荷/MW
冷物流E -101 原料預熱25 110 8.29
E -103 反應物產冷卻110 50 1.37
熱物流
E -201 冷卻77 50 0.71
E -301 氧化液冷卻117 75 1.09
E -401 酚冷卻182 50 2.12
圖7背景過程總組合曲線
圖7精y塔與背景過程
3換熱網絡設計
3.1夾點技術與數據提取
夾點技術用來尋找工藝節能潛力，用于換熱
網絡設計以實現節能目標。夾點分析前，必須從工
藝中提取必要的 據，從 定 的冷熱
用 用量。數據提 從給定流程的熱量平
衡和物料平衡中提 分析所需的信息&amp;amp;12' #
本流程中涉及反應器R -101與反應器R -
201出于安全考慮，不與其他工藝物流進行換熱,
不提取該數據。 行塔系熱集成匹配的物
流也不提取#另外，如前分析，T-401（ T-403、
T-404和T-405塔底再沸器既無法與其他精y
塔 也無法與背 ，為簡化 y
網絡匹配復雜度,這部分數據也不提取。因此從
流程中提取的剩余物流數據 3所示。
3.2能量目標
組合曲線可顯示工藝最小能量需求，按照工
程經驗取最小傳熱溫差為10 C，將冷熱組合曲線
行 ， 域表示理論上可以 回收的
熱量，如圖8所示。在設計換熱網絡之前，首先可
用 分析確定最 量 標，有利于快
速確定能量 的范圍。在提取的物流中，夾點
溫度為94.4 °C，最小熱公用工程目標為4.20 MW，最
小冷公用工程目標為21.25MW。目前熱公用工程用
量為12.38 MW，冷公用工程用量為29.42 MW#
? 72 ? 石油化工設計2021年第3期（第38卷）
表3工藝物流數據
項目設備編號物流描述初始溫度/C 目標溫度/C 熱容流率/(kJ ? C -1) ? h 熱負荷/MW
冷物流
E-101 原料預熱25 110 3.53 x105 8.29
T-202 塔底再沸器101 117 1.08 x106 4.10
E-103 反應物產冷卻110 50 7.98 x104 1.36
E -201 異丙苯冷卻76 50 8.52 x104 0.61
E-301 氧化液冷卻117 65 7.58 x104 1.09
熱物流E -401 苯酚冷卻182 50 5.80 x104 2.12
T-201 塔頂冷凝器99 50 3.15 xl07 14.68
T-401 塔頂冷凝器57 56 3.00 xl09 3.48
T-402 塔頂冷凝器52 51 1.15 x109 6.10
401 /
201------- ■------- ■------- ■------ 丄—■------- '-------■
0 5 10 15 20 25 30 35
能量消耗目標/MW
圖8組合曲線
3?3最大熱回收換熱網絡
進行 設計時,通常遵循夾點技術設
計原則和匹配準則&amp;amp;⑶。
夾點技術設計3條基本原則是*1）夾點之上
不應設置任何公用工程冷卻器% 2） 之下不應
設置任何公用工程加熱器% 3）應有跨越夾點的
傳熱#
夾點技術匹配準則*
1）物流數目準則:夾點之上,熱工藝物流數
目NH不大于冷工藝物流數目NC,即NH# NC#
同理,在夾點之下,為了保證夾點之下不引入公用
工程加熱負荷，應有NH$NC。
2"熱容流率準則*在夾點之上，每一匹配中
的熱物流的熱容流率CPH不大于冷物流的熱容流
率CPC,即CPH# CPC#同理，在夾點之下，應有
CPH$CPC。在實際換熱過程中，任意一個準則不
能滿足時， 物流進行分流。
現提取物流的換熱網絡如圖9所"，在現有
設計 物流的冷卻 均采用公用工程,
沒有實現內部物流的熱集成。該網絡中熱夾點溫
度為99.4 C,冷夾點溫度為89.4 C,當前換熱網
絡消耗熱公共工程12- 37 MW,冷公用工程29- 42
MW,且存在跨夾點傳熱8.2MW。應分別在夾點
之上 之 行最大熱回收網絡設計。
3.3.1夾點之上
夾點之上的物流數據如表4所示。其中T-
202塔底再沸器物流遠離夾點。
圖9現有設計換熱網絡
2021年第3期(第38卷)劉興隆等.基于夾點技術的苯酚丙酮裝置能量分析與節能改造?73?
表4夾點之上物流數據
項目 設備編號 物流描述 初始溫度/°C 目標溫度/°C 熱容流率/(IJ?°C-1 )?h 熱負荷/MW
冷物流E -101 原料預熱89.4 110 3.53 X105 2.14
T -202 塔底再沸器101 117 1.08 X107 4.10
物流
E -103 反應物產冷卻110 99.4 7.98 X104 0.28
E -301 氧化液冷卻117 99.4 7.58 X104 0.37
E -401 酚冷卻182 99.4 5.80 X104 1.38
根據夾點技術設計原則，對原料預熱物流進
行分流，分成3股，分流比為0.45 (1) ：0.28 (2):
0.27(3)#將苯酚冷卻物流與原料預熱物流(1):
行匹配，端點溫度設為夾點溫度，換熱量為1. 38
MW；將氧化液冷卻物流與原料預熱物流(2 "進行
，端點溫度設為夾點溫度，換熱量為0. 37
MW；將反應物產冷卻物流與原料預熱物流(3)進
行匹配，端點溫度設為夾點溫度，換熱量為
0.28 MW。至此熱物流匹配完成，原料預熱物流
熱量不足的部分由低壓蒸汽提供。 之上換熱
設計 圖10 "，實現最 用 :
目標4.20 MW#
3.3.2夾點之下
夾點之下的物流數據如表5所示。
圖10夾點之上換熱網絡
1.4 MW 99.4 °C
F--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
0.4 MW 99 4 £
--------------->
0.3 史 W 99.4 °C
----------W
4.1 I
99.4 毛
75.6 弋
56.3 弋
51.2 咒
WW
119.0 七“ 89.4%
) T202 再沸器 To S19
o.n^08.9 °C / 761.8 弋” b 89.4% [ 89.4 °C
\ 99.2 °C* , . 89.4 覽]' --------------------------- 7---------------
:高壓蒸汽~
中壓載蒸汽150.0 °C* ’ 150.0 °C
150.0 弋 “ h 147.7 °C )■--------- *
1氐屋烝h---------------------------------------------------------------------------------------------------------- ■ 9
116.6 °C
110.0T
181.8 戲
110.0 乞
150.0 °C
240.0 遲
180.0%：
表5夾點之下物流數據
項目設備編號物流II初始溫度/°C,目標溫度/°C熱容流率/[(IJ?C -1) - h] 熱負荷/MW
冷物流E -101 原料預熱25 89.4 3.53 X105 7.15
E -103 反應物產冷卻99.4 50 7.98 X104 1.01
E -201 冷卻77 50 8.52 X104 0.71
E -301 氧化液冷卻99.4 75 7.58 X104 0.72
物流E -401 酚冷卻99.4 50 5.80 X104 0.74
T -201 塔頂冷凝器99.4 50 3.15 X107 7.15
T -401 塔頂冷凝器57 57 3.00 X109 3.48
T -402 塔頂冷凝器52 51 1.15 X109 6.10
根據夾點技術設計原則，將原料預熱物流與
T-201塔頂冷凝器物流匹配，一次性滿足原料預
熱物流所需熱量6.15 MW。實現了最小冷公用工
程目標21.25 MW#
設計最終結果如圖11所示。與熱
集成設計比較， 用工程低壓蒸汽
8. 17 MW，冷公用工程冷卻水8. 17 MW#
4結語
基于夾點技術，從塔系熱集成、塔系與背景過
程集成方 酚-丙酮裝置的用能狀 行分
析,提出了 方案。經分析， 方案包括:
， T-202 塔 與 T-402 塔 、
?74?石油化工設計2021年第3期（第38卷）
T -403塔頂與T - 201塔底；調壓熱集成,T-404
塔頂調壓至150 kPa后與T-403塔底熱集成；中
間再沸器熱集成,T-405塔頂與T-401中間再沸
器熱集成，共可節省冷卻水（CW） 17.92 MW,低壓
蒸汽（LS） 10.11 MW,中壓蒸汽（MS） 3.00 MW,高
壓蒸汽（HS） 4.52 MW# ，冷公用 降
低17.54 MW,熱公用工程降低17.53 MW#通過
酚-丙酮裝置塔系與背 的分
析,確定了可以與背景過程集成的物流，降低了換
設計的復雜度。而后，對流 行了換熱
網絡設計，進一步降低冷 用工程用量
8. 17 MW#
最終的節能方案與初始流程相比,冷公用工
程由 96.69 MW 降至70.98 MW,節能26.59%；熱
公用工程由55.41 MW降至29.71，節能46.38% ,
取得了很好的節能成果。
30.0 T
99.4 T
XP=0.0MW 26.3 °C I6 MW 25.0 T
25.0 °C
冷凝水
201冷讎襦To_S15
S18 To S40
T401冷凝器_To_S甲/^
T402 冷凝器 To_S26
圖11換熱網絡設計最終結果
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ABSTRACTS
PETROCHEMICALDESIGN
Started Publication in 1984. Quarterly. 25 Aug. 2021 Vol. 38 No. 3 ' % '
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