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基于夹点技术的苯酚丙酮装置能量分析与节能改造

文档作者：刘兴隆孙兰义等文档来源：中国石油大学（华东）重质油国家重点实验室		更新日期： 2026年05月03日	点击数：
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2021,38 (3) 68 ~74
节8减： 石油化工设计
Petrochemical Desicn
基于夹点技术的苯酚丙酮装置能量分析
改造
刘兴隆，刘b,孙兰义
（中国石油大学（华东）重质油国家重点实验室，山东 青岛277580）
摘要：以苯酚-丙酮装置为研究对象，使用Aspen Plus对异丙苯氧化法生产苯酚丙酮的UOP工艺进
行了全流程模拟。以模拟结果为基础，对流程中所涉及的精7塔进行了夹点分析,提出了热集成方案。
对塔系与背景过程热集成的可行性进行分析,指出了塔系与背景过程匹配换热的可能性,为换热网络的
设计中物流数据的提取提供基础。基于夹点设计原则得到理论的最大换热回收网络，与初始流程相比，
在最终的节能方案中，冷公用工程由97. 79 MW降至70. 98 MW，节能27. 59% ；热公用工程由55. 41 MW
降至29.71 MW，节能46. 38%，取得了很好的节能成果%
关键词：异丙苯法生产苯酚丙酮节能改造换热网络设计夹点技术
doi： 10. 3979/j. issn. 1005 -8178.2021.03.017
酚是一种重要的有机原料,在炼油行业中,苯
酚被用于除去石油中的树脂、硫化物以及多环芳
9;在化工行业中，苯酚主要用于合成双酚A,进
而用于生产聚碳酸酯和环氧树脂。丙酮作为苯酚
产业的副产品，可以用作生产醋酹、烯酮、异佛尔
酮等基本化学品。
前苯酚的生产工艺主要是异丙苯法&amp;amp;1],主
要步骤包 的氧化、过氧化氢 的提
浓、过氧化氢异丙苯的分解、产品分离以及AMS
加氢重新利用。生产过程如图1所示。
图1异丙苯法的生产过程
由于异丙苯法流程长、分离工序复杂,且过程
中的大量能量被消耗在反应和分 ，这需
要大量的冷热公用工程,其中冷公用工程包括冷
却水，主要用于冷凝器的冷凝和产品冷却;热公用
工程主要包括低压蒸汽、中压蒸汽,主要用于流股
的预热及塔釜再 等 &amp;amp;2'。因
苯法的苯酚-丙酮装置进行节能改造，合理回收
过程中的热量十分重要。而夹点技术（Pinch
Technology）是目前应用最广泛的能量分析技术,
应用于精y塔的用能分析、热泵的 分析以及
蒸 系统等涉 量优化的系统， 为
过程工业以及任何具有能量优化 的系统进行
的 &amp;amp; 一7'。
是能量回收利用中的一个重要子系
统&amp;amp;八8'。通 化设计，可以实现 <
，并且该 在 业应用 得显著
的 效 济效益&amp;amp;9'。
针 酚-丙酮装置能耗高的问题，首先基
收稿日期：2020 -11 -11 o
作者简介：刘兴隆，男，现为中国石油大学（华东）化学
工程专业在读硕士研究生，研究方向为化工过程
模拟与强化。E - mail： z19030024@ s. upo. edu.cn
2021年第3期（第38卷）刘兴隆等.基于夹点技术的苯酚丙酮装置能量分析与节能改造・69・
于夹点技术进行能量分析与塔系热集成节能改
造,而后对塔与背 的可行性进行分
析,提取过程中的有效数据，进行最大热回收换
设计,达到深度 的目的。可为苯
酚-丙酮装置或其他工业装置提供节能改造思
路。
1苯酚-丙酮装置工艺流程
异丙苯法生产苯酚,主要流程为:原料异丙苯
经预热后同空气 氧化反应器R-101,反
应生成过氧化氢异丙苯。反应产物气相经处理后
送入火炬系统焚烧,液相送入一级提浓塔T-201
为85%过氧化氢异丙苯。提浓后的过氧化氢异丙
苯在反应器R-301中经酸的催化分解生成苯酚、
丙酮及其他副产物。反应产物经粗丙酮塔T-
401、精丙酮塔T-402分离提纯得到纯度大于
99.5%的丙酮。经异丙苯拔顶塔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-丙酮装置工艺流程示意如图2所示,
在模拟软件Aspen Plus V10. 0中进行严格模拟后,
查看当前流程的能量消耗可知,当前冷公用工程
消耗量为96.69 MW,热公用工程消耗量为55.41
MW,过程中的冷却和加热均使用公用工程，存在
设备位号说明:R-101:氧化反应器；V-101:氧化反应器分离罐;E-101:原料预热器；E-103 :反应物产冷却器；
T-201 :一级提浓塔；T-202 :二级提浓塔；V-201 :异丙苯储罐；E-201:异丙苯冷却器；R-301:分解反应器：
E-301:氧化液冷却器；T-401:粗丙酮塔；T-402:精丙酮塔；T-403 :异丙苯拔顶塔；T-404:焦油塔；
T-405 :苯酚塔；E-401 :苯酚冷却器
图2苯酚-丙酮装置工艺流程示意
2苯酚-丙酮装置热集成
当流程中涉及多个精y塔时,可将某塔塔顶
冷凝器与其他塔的塔底再 行耦合,回收利
用塔顶蒸汽的冷凝潜热， 以 少公用工
程消耗量。
2.1塔系热集成分析
将现有流程中各精y塔的冷凝器和再沸器参
数提取出来， 1 示， 假设冷凝
再沸器均在恒温下进行。可以看出所有精y塔的
热公用工程消耗共计47- 10 MW,其中低压蒸汽
22.05 MW,中压蒸汽3 MW,高压蒸汽22.05 MW；
冷公用工程共计消耗47- 69 MW#
基于表1中的数据，以）值 ＞（）变为热负
荷）为横坐标，温度/为纵坐标，得到5个塔的温
）图。为了便于找出塔之间的温位及能量大小关
系,将所有塔的温）图均向左平移至y轴，如图3
所示。
塔系 分为
两种，可行方案众多可以参考以下原则:1）优先考
；2 "优先考虑能节省高品质蒸汽的
方案;3）优先考 量大的匹配;4）使用调压热
先考虑加压操作；5 "优先 物流的
・70・石油化工设计2021年第3期(第38卷)
)值高于冷物流的方案;6)传热温差不宜过大。
但这些原则可能会出现相互冲突,这就依赖于工
程设计人员的经验进行综合考虑。
表1冷凝器和再沸器参数汇总
项目
冷凝器再沸器/中间再沸器
温度a: 热负荷/MW 温度/oc 热负荷/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
图3现有流程精y塔系温)
2.1.1直接热集成
1) T-402塔底再沸器温度60 C,热负荷
6.07 MW；T-202塔顶冷凝器温度76 C,热负荷
5.03 MW#两者之间可以实现直接热集成，热集
成后T - 202塔顶冷凝器所需冷量可由T - 402完
全供给，节省低压蒸汽5.03 MW,节省冷却水
5.03 MWO
2) T-201塔底再沸器温度114 C,热负荷
11.88 MW# T-403塔顶冷凝器温度147 C ,热负
荷5. 05 MW#两者之间可以实现直接热集成，热
集成后T-403塔供给热量5.05 MW,剩余热量由
用工程提供, 低压蒸汽5.05 MW,节省冷
却水 5.05 MW#
2.1.2调压热集成
T - 404塔顶冷凝器温度179 C,热负荷
8.12 MW,将T-404操作压力由101 kPa加压至
150 kPa后，在分离要求不变的条件下,塔顶冷凝
器温度变为196 C,热负荷变为8.53 MW,升高了
0.41 MW,塔底再沸器温度变为223 C,热负荷变
为8.82 MW,升高了 0.70 MW,如图4所示。而后
续T - 405苯酚塔的冷凝 之变为
5.71 MW,升高了 0.28 MW#虽然T-404调压后
热负荷升高了 0.70 MW,但是较高的塔顶温度使
得T-404塔顶冷凝 以与T-403塔底再沸
器热集成，节省高压蒸汽5. 15 MW,冷却水
T-403
T404, 150 kPa
194 °C, &amp;amp;53 MW
T404, 101 kPa
179 °C, &amp;amp; 11MW
加压
3 6 9
熠变AH/MW
图 4 T-404 与 T-403 温)
2.1.3中间再沸器/冷凝器热集成
T-401中间再沸器，温度155 C,热负荷3
MW,T-405塔顶冷凝器温度165 C ,热负荷5.43
MWO两者之间可以实现 ，热集成后
T-401中间再沸器所需热量可由T-405完全供
给，可节省中压蒸汽3 MW,冷却水3 MW#
进行热集成后共可节省冷公用工程(CW)
17.54 MW；节省热公用工程17.53 MW,其中低压
蒸汽(LPS) 10.08 MW,中压蒸汽(MPS) 3.00 MW,
高压蒸汽(HPS) 5.08 MW#现热集成流程中，热
公用工程用量为37.88 MW,冷公用工程用量为
79.15 MW。集成后的工艺流程如图5所示。
2.2塔系与背景过程热集成分析
背景过程的能量分布可以用总组合曲线来表
"，塔与背 的可行性可以通过塔与
背 的 位置 断&amp;amp;⑴。 各精y塔冷
凝 再 物流，其余物流作为背 ，如表
2所示。本流程中涉及的反应器R - 101与反应
器R-201出于安全考虑，不与其他工艺物流进行
换热，所以不提取该数据。绘制背 总组合
图6所示。
将精y塔矩形图放置在背景过程总组合曲线
图中，即可清晰地看到各塔在背景过程中所处的
位置，如图7所示。流程中的所有精y塔均在夹
点之上，理论上均可以与背景过程进行热集成,但
受传热温差限制,T-401( T-403、T-404和T -
405的塔底再 均无法与背 行 °
2021年第3期（第38卷）刘兴隆等.基于夹点技术的苯酚丙酮装置能量分析与节能改造• 71 •
设备位号说明同图2
图5塔系热集成流程
表2 过程物数据
项目 设备编号 物流描述 初始温度/°C 目标温度/°C 热负荷/MW
冷物流E -101 原料预热25 110 8.29
E -103 反应物产冷却110 50 1.37
热物流
E -201 冷却77 50 0.71
E -301 氧化液冷却117 75 1.09
E -401 酚冷却182 50 2.12
图7背景过程总组合曲线
图7精y塔与背景过程
3换热网络设计
3.1夹点技术与数据提取
夹点技术用来寻找工艺节能潜力，用于换热
网络设计以实现节能目标。夹点分析前，必须从工
艺中提取必要的 据，从 定 的冷热
用 用量。数据提 从给定流程的热量平
衡和物料平衡中提 分析所需的信息&amp;amp;12' #
本流程中涉及反应器R -101与反应器R -
201出于安全考虑，不与其他工艺物流进行换热,
不提取该数据。 行塔系热集成匹配的物
流也不提取#另外，如前分析，T-401（ T-403、
T-404和T-405塔底再沸器既无法与其他精y
塔 也无法与背 ，为简化 y
网络匹配复杂度,这部分数据也不提取。因此从
流程中提取的剩余物流数据 3所示。
3.2能量目标
组合曲线可显示工艺最小能量需求，按照工
程经验取最小传热温差为10 C，将冷热组合曲线
行 ， 域表示理论上可以 回收的
热量，如图8所示。在设计换热网络之前，首先可
用 分析确定最 量 标，有利于快
速确定能量 的范围。在提取的物流中，夹点
温度为94.4 °C，最小热公用工程目标为4.20 MW，最
小冷公用工程目标为21.25MW。目前热公用工程用
量为12.38 MW，冷公用工程用量为29.42 MW#
• 72 • 石油化工设计2021年第3期（第38卷）
表3工艺物流数据
项目设备编号物流描述初始温度/C 目标温度/C 热容流率/(kJ • C -1) • h 热负荷/MW
冷物流
E-101 原料预热25 110 3.53 x105 8.29
T-202 塔底再沸器101 117 1.08 x106 4.10
E-103 反应物产冷却110 50 7.98 x104 1.36
E -201 异丙苯冷却76 50 8.52 x104 0.61
E-301 氧化液冷却117 65 7.58 x104 1.09
热物流E -401 苯酚冷却182 50 5.80 x104 2.12
T-201 塔顶冷凝器99 50 3.15 xl07 14.68
T-401 塔顶冷凝器57 56 3.00 xl09 3.48
T-402 塔顶冷凝器52 51 1.15 x109 6.10
401 /
201------- ■------- ■------- ■------ 丄—■------- '-------■
0 5 10 15 20 25 30 35
能量消耗目标/MW
图8组合曲线
3・3最大热回收换热网络
进行 设计时,通常遵循夹点技术设
计原则和匹配准则&amp;amp;⑶。
夹点技术设计3条基本原则是*1）夹点之上
不应设置任何公用工程冷却器% 2） 之下不应
设置任何公用工程加热器% 3）应有跨越夹点的
传热#
夹点技术匹配准则*
1）物流数目准则:夹点之上,热工艺物流数
目NH不大于冷工艺物流数目NC,即NH# NC#
同理,在夹点之下,为了保证夹点之下不引入公用
工程加热负荷，应有NH$NC。
2"热容流率准则*在夹点之上，每一匹配中
的热物流的热容流率CPH不大于冷物流的热容流
率CPC,即CPH# CPC#同理，在夹点之下，应有
CPH$CPC。在实际换热过程中，任意一个准则不
能满足时， 物流进行分流。
现提取物流的换热网络如图9所"，在现有
设计 物流的冷却 均采用公用工程,
没有实现内部物流的热集成。该网络中热夹点温
度为99.4 C,冷夹点温度为89.4 C,当前换热网
络消耗热公共工程12- 37 MW,冷公用工程29- 42
MW,且存在跨夹点传热8.2MW。应分别在夹点
之上 之 行最大热回收网络设计。
3.3.1夹点之上
夹点之上的物流数据如表4所示。其中T-
202塔底再沸器物流远离夹点。
图9现有设计换热网络
2021年第3期(第38卷)刘兴隆等.基于夹点技术的苯酚丙酮装置能量分析与节能改造・73・
表4夹点之上物流数据
项目 设备编号 物流描述 初始温度/°C 目标温度/°C 热容流率/(IJ・°C-1 )・h 热负荷/MW
冷物流E -101 原料预热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 反应物产冷却110 99.4 7.98 X104 0.28
E -301 氧化液冷却117 99.4 7.58 X104 0.37
E -401 酚冷却182 99.4 5.80 X104 1.38
根据夹点技术设计原则，对原料预热物流进
行分流，分成3股，分流比为0.45 (1) ：0.28 (2):
0.27(3)#将苯酚冷却物流与原料预热物流(1):
行匹配，端点温度设为夹点温度，换热量为1. 38
MW；将氧化液冷却物流与原料预热物流(2 "进行
，端点温度设为夹点温度，换热量为0. 37
MW；将反应物产冷却物流与原料预热物流(3)进
行匹配，端点温度设为夹点温度，换热量为
0.28 MW。至此热物流匹配完成，原料预热物流
热量不足的部分由低压蒸汽提供。 之上换热
设计 图10 "，实现最 用 :
目标4.20 MW#
3.3.2夹点之下
夹点之下的物流数据如表5所示。
图10夹点之上换热网络
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---------------
:高压蒸汽~
中压载蒸汽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 戏
110.0 乞
150.0 °C
240.0 迟
180.0%：
表5夹点之下物流数据
项目设备编号物流II初始温度/°C,目标温度/°C热容流率/[(IJ・C -1) - h] 热负荷/MW
冷物流E -101 原料预热25 89.4 3.53 X105 7.15
E -103 反应物产冷却99.4 50 7.98 X104 1.01
E -201 冷却77 50 8.52 X104 0.71
E -301 氧化液冷却99.4 75 7.58 X104 0.72
物流E -401 酚冷却99.4 50 5.80 X104 0.74
T -201 塔顶冷凝器99.4 50 3.15 X107 7.15
T -401 塔顶冷凝器57 57 3.00 X109 3.48
T -402 塔顶冷凝器52 51 1.15 X109 6.10
根据夹点技术设计原则，将原料预热物流与
T-201塔顶冷凝器物流匹配，一次性满足原料预
热物流所需热量6.15 MW。实现了最小冷公用工
程目标21.25 MW#
设计最终结果如图11所示。与热
集成设计比较， 用工程低压蒸汽
8. 17 MW，冷公用工程冷却水8. 17 MW#
4结语
基于夹点技术，从塔系热集成、塔系与背景过
程集成方 酚-丙酮装置的用能状 行分
析,提出了 方案。经分析， 方案包括:
， T-202 塔 与 T-402 塔 、
・74・石油化工设计2021年第3期（第38卷）
T -403塔顶与T - 201塔底；调压热集成,T-404
塔顶调压至150 kPa后与T-403塔底热集成；中
间再沸器热集成,T-405塔顶与T-401中间再沸
器热集成，共可节省冷却水（CW） 17.92 MW,低压
蒸汽（LS） 10.11 MW,中压蒸汽（MS） 3.00 MW,高
压蒸汽（HS） 4.52 MW# ，冷公用 降
低17.54 MW,热公用工程降低17.53 MW#通过
酚-丙酮装置塔系与背 的分
析,确定了可以与背景过程集成的物流，降低了换
设计的复杂度。而后，对流 行了换热
网络设计，进一步降低冷 用工程用量
8. 17 MW#
最终的节能方案与初始流程相比,冷公用工
程由 96.69 MW 降至70.98 MW,节能26.59%；热
公用工程由55.41 MW降至29.71，节能46.38% ,
取得了很好的节能成果。
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
图11换热网络设计最终结果
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