（化学工程专业论文）乙酸乙酯工艺系统节能优化研究.pdf

摘要 乙酸乙酯是一种非常有用的基本工业溶剂，目前乙酸乙酯在国内 外都有很大的需求。上海吴泾化工有限公司采用传统的乙醇、乙酸酯 化法制备乙酸乙酯，全过程历经四塔，物料需经四次汽化、冷凝过程， 加上酯化过程也不尽合理，导致生产能耗较高。 本文从反应精馏技术、换热网络的最优综合、分离提纯方法改进、 催化体系改进等四个方面，对现有乙酸乙酯装置进行系统的能耗分析 和优化。 研究结果表明：反应精馏工艺能减少酯化塔塔釜加热负荷，大幅 度降低酯化塔塔顶低温冷量达2 5 7 3 k w , 约每年2 0 6 万元；换热网络最 优综合利用a s p e np i n c h ，采用夹点分析技术，确定现有换热网络夹 点位置温度为7 5 5 度，并创建新的换热网络，可节n m 2 0 0 0 k c a l h ，为 降低乙酸乙酯生产能耗，提高装置运行效益提供有益的参考。 关键词：乙酸乙酯；节能优化；夹点分析；模拟研究。 浙江大学r 程硕十学位论文 a b s t r a c t e t h y la c e t a t ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc h e m i c a ls o l v e n t s ；n o w a d a y si t h a sav e r yl a r g ed e m a n dq u a n t i t yi nt h ew h o l ew o r l d ，e s p e c i a l l yi nc h i n a t h e w a yo fs y n t h e s i z i n ge t h y la c e t a t ei sv i ae s t e r i f i c a t i e no fa c e t i ca c i d ( h a c ) w i t h e t h a n o l ( e t o h ) ，f o u rc o l u m n si n v o l v e di nt h ep r o c e s s m a t e r i a l ss h o u l db e b o i l o f f e da n dc o n d e n s e df o rf o u rt i m e s a l s ow i t ht h eu n r e a s o n a b l e e s t e r i f i c a t i o n ，e n e m yc o n s u m p t i o ni sv e r yh i g h ， i nt h i sp a p e ew et a k ef o u rf o l l o w i n gm e t h o d sw h i c ha r er e a c t i v ed i s t i l l a t i o n i m p r o v e m e n ti ns e p e r a t i o n ，o p t i m i z a t i o no fh e a te x c h a n g e r sn e t w o r k ，c a t a l y s t s y s t e m i n t oa c c o u n tt o c a r r yo u te n e m yc o n s u m p t i o na n a l y s i s a n d o p t i m i z a t i o n t h er e s u l t si n d i c a t et h a te n e m yl o a di sl a r g e l yl o w e r e di nt h ec o l u m no f e s t e f i f i c a t i e n ，a n de n e m yf o rc o o l i n gi nt h et o po ft h ec o l u m nr e d u c e d2 5 7 3 k w ， a b o u t2 0 6 m i l l i o ny u a ne v e r yy e a ri m p r o v e m e n to fh e a te x c h a n g e r sn e t w o r k w i t ha i do fa s p e np i n c ha n dp i n c hd e s i g nm e t h o da s c e r t a i n st h ep i n c h l o c a t i o nw h o s et e m p e r a t u r ei s7 5 。ci nt h i se x i s t i n gn e t w o r k ，a n dt h en e wh e a t e x c h a n g e r l sn e t w o r kw h e r ee n e r g yc o n s u m p t i o nr e d u c e da b o u t2 0 0 0 k c a l h i ss e tu pt h es t u d ys h o w ss i g n i f i c a n c ef o rl o w e r i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n a n dh e i g h t e n i n gt h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：e t h y la c e t a t e ；e n e r g yc o n s u m p t i o n ；p i n c ha n a l y s i s ；s i m u l a t i o n s t u d y 3 浙江，k 学j 程碗士学位硷文 第1 章前言 1 1 乙酸乙酯的基本性质 乙酸乙酯( e t h y la c e t a t e ) 又名醋酸乙酯。简称为e a ，分子式写为 c h3 c o f ) c 2 h 5 ，分了量8 811 。 厶酸乙酯是无色透明的液体，熔点为一8 3 6 c ，沸点为7 70 6 ，相对密度 0 ，9 0 2 ，折光率1 3 7 1 9 ，闪点3 ( 2 0 4 6 c ) 。具挥发性，有水果香。水分能使 其缓慢分解而呈酸性反应。 乙酸乙酯能与氯仿、醇、丙酮及醚混溶。2 5 时，1 0 毫升水丌1 可溶本品1 毫 升，且随着温度升高溶解度降低，另外，乙酸乙酯与水或乙醇皆能形成二元共沸 混合物：与水生成的共沸混合物的沸点为7 0 4 。c ，含水6 1 ( 蕈最) ；与乙醇形 成的共沸混台物的沸点为7 1 8 ；还可与7 8 水和90 乙醇形成i 元共沸混合 物，其沸点为7 0 2 。 1 2 吴泾生产现状及流程介绍 上海吴泾化工有限公司的乙酸乙酯装置采用的是传统的以乙酸和乙醇为原 料的酯化法。主要装置有酯化锅、酯化塔、冷凝器、脱低沸物塔、精馏塔及一些 贮槽。产品乙酸乙酯质量执行国家标准g b 3 7 2 8 9 1 。 1 2 1 生产流程简述 9 5 的乙醇和乙酸以l ：1 t 5 的配料比以及来自废水回收塔的乙酯、酒精和水 在配料槽中混合然后连续加入到酯化塔中，同时加入9 8 的浓硫酸作催化剂。 酯化塔采用反应精馏塔，塔釜控制温度在1 0 1 、11 0 c ，反应所得产品与水共沸蒸 出酯化塔。 燕出的酯、醇、水共沸物经过冷却至2 0 ，分离出水相和酯相。酯相送入提 浓塔，水帽送废水回收塔处理。 提浓塔利用各物料沸点的不同，脱除粗酯物料中的低酯、乙醇与水分。脱除 的组分山提浓塔塔顶蒸出，送低酯塔提馏出部分低酯副产品、水与醇循环回收， 其余的水分出废水回收塔处理回收术反应的乙醇。乙酸乙酯由提浓塔塔底出料送 精馏塔精馏脱酸。 经废水处理塔处理过的废水再经过生化处理，达标排放。 绎废水处理塔处理过的废水再经过生化处理，达标排放。 浙江人学j ：程硕十学位论文 第1 章前言 1 1 乙酸乙酯的基本性质 乙酸乙酯( e t h y la c e t a t e ) 又名醋酸乙酯。简称为e a ，分子式写为 c h 3 c o o c 2 h s ，分子量8 8 1 1 。 乙酸乙酯是无色透明的液体，熔点为一8 3 6 ，沸点为7 7 0 6 ，相对密度 0 9 0 2 ，折光率1 3 7 1 9 ，i h 点3 ( 2 0 4 ) 。具挥发性，有水果香。水分能使 其缓慢分解而呈酸性反应。 乙酸乙酯能与氯仿、醇、丙酮及醚混溶。2 5 。c 时，1 0 毫升水中可溶本品l 毫 升，且随着温度升高溶解度降低。另外，乙酸乙酯与水或乙醇皆能形成二二元共沸 混合物：与水生成的共沸混合物的沸点为7 0 4 v ，含水6 1 ( 重量) ；与乙醇形 成的共沸混合物的沸点为7 l8 ；还可与7 8 水和9 o 乙醇形成三元共沸混合 物，其沸点为7 0 2 。 1 2 吴泾生产现状及流程介绍 上海吴泾化工有限公司的乙酸乙酯装置采用的是传统的以乙酸和乙醇为原 料的酯化法。主要装置有酯化锅、酯化塔、冷凝器、脱低沸物塔、精馏塔及一些 贮槽。产品乙酸乙酯质量执行国家标准g b 3 7 2 8 - 9 1 。 1 2 1 生产流程简述 9 5 的乙醇和乙酸以l ：1 1 5 的配料比以及来自废水回收塔的乙酯、酒精和水 在配料槽中混合，然后连续加入到酯化塔中，同时加入9 8 的浓硫酸作催化剂。 酯化塔采用反应精馏塔，塔釜控制温度在t 0 1 、l l o 。c ，反应所得产品与水共沸蒸 出酯化塔。 蒸出的酯、醇、水共沸物经过冷却至2 0 。c ，分离出水相和酯相。酯相送入提 浓塔，水相送废水回收塔处理。 提浓塔利用各物料沸点的不同，脱除粗酯物料中的低酯、乙醇与水分。脱除 的组分由提浓塔塔顶蒸出，送低酯塔提馏出部分低酯副产品、水与醇循环回收， 其余的水分由废水回收塔处理回收未反应的乙醇。乙酸乙酯由提浓塔塔底出料送 精馏塔精馏脱酸。 经废水处理塔处理过的废水再经过生化处理，达标排放。 浙江火学l 。程硕十学位论文 葺藉 it 品 工艺流程示意如图1 1 ； 图卜1 工艺流程示意图 1 2 2 乙酸乙酯装置能耗现状及分析 吴泾公司现有装置历经四塔，物料需经四次汽化、冷凝过程，加上酯化过程 也不尽合理，导致生产能耗较高。该装置换热设备约3 0 台，能耗主要体现为蒸汽 消耗，循环水和电力消耗。目前每吨乙酸乙酯产品生产能耗见表1 一l ： 表1 1 每吨乙酸乙酯产品生产能耗 单位能耗折算 序号项目单位单耗每吨产品能耗( m j ) ( m j ) l 循环水吨 1 7 5l 。9 7 l 3 4 4 9 3 2 电 k w h4 21 1 8 3 24 9 6 9 4 3蒸汽吨 3 32 9 2 99 6 6 5 7 合计 1 0 5 0 7 5 7 从表中可见，每吨产品的蒸汽消耗为9 6 6 5 7m j ，占总能耗的9 1 9 9 ；动设 备的电耗为4 9 6 9 4 m j ，占总能耗的j 1 4 。 而蒸汽消耗的主要用户为酯化和精馏。本乙酸乙酯装置中的主要换热设备基 本情况见表卜2 ： 表l 一2 主要换热设备基本情况 7 浙江人学j 一程硕十学位论文 序号设备名称规格数量材质 i 酯化塔釜2 0 0 0 l ，身0 6 4 0 1 9 6 0 x 8 节 2 不锈钢 釜3 0 0 0 l ，身0 6 4 0 1 9 6 0 x 8 节 l 不锈钢 釜3 0 0 0 l ，身0 8 0 0 x1 9 6 0 x 8 节3不锈钢 高硅铸铁不锈 釜3 0 0 0 i 。，身0 8 0 0 x 1 0 0 0 x 1 1 节 l 钢 2 酯化塔冷凝器 0 4 5 0 x 3 0 0 05不锈钢 0 6 3 5 3 0 0 0l不锈钢 0 6 0 0 x 2 5 0 0l 不锈钢 3 酯化塔冷却器 0 9 5 0 x 3 0 0 0 1 不锈钢 0 6 3 5 x 3 0 0 0 1 不锈钢 0 4 0 0 1 9 0 01不锈钢 0 2 1 9 x 2 5 0 0 1 不锈钢 0 5 0 7 x 2 0 0 0 4 不锈钢 0 3 0 0 x 3 0 0 01不锈铡 4 提浓塔冷凝器 0 7 9 8 x 3 0 0 0 l 不锈钢 5 提浓塔冷却器 0 4 5 0 x 3 0 0 0 l 不锈钢 6 低酯塔冷凝器 0 6 3 5 x 2 0 0 01不锈铜壳列管 7冷凝、冷却器 0 5 8 5 x 2 0 0 01不锈钢 8 精制塔冷凝器 0 6 3 5 x 2 0 0 0 l 不锈钢 9 精制塔冷却器 0 5 8 5 x 2 0 0 0 l 不锈钢 总计 2 9 虽然在装置设计时，已考虑将加热蒸汽的凝结水用来作乙酸管道的夹套保温 热源，产品贮槽采用保冷取代冷却水冷却，在一定程度上节约了能量，但总的能 耗还是偏高，尤其是主要参数蒸汽的消耗与当前比较先进的消耗指标3 吨吨相比 还有一定的差距。需要通过系统的分析，提出节能建议方案。 1 3 本研究的目的 本研究将运用a s p e np l u s 模拟计算软件和a s p e np i n c h 工具，在建立的工 艺模型的基础上，通过系统分析，模拟反应精馏工艺对系统能量的影响，并重 点应用夹点技术进行换热网络优化，提出节能建议方案。 浙江大学l ：群硕士学位论文 第2 章文献综述 2 1化工分析过程中能耗分析与节能 能源是世界经济发展的重要物质基础，我国能源资源虽然丰富，但人均占有 量很低，加上管理不善、技术落后、能耗高、浪费大，使得我国的能源有供不应 求的趋势，因此在积极丌发新能源的同时，还有必要积极寻找节能途径。本文对 化工过程中的能耗进行了分析，并在此基础上提出了节能措旖。化学工业在我国 固民经济中占有很大比重，最显著的特点是，能源不仅为化工生产提供燃料和动 力，而且又是化工生产的重要原材料。如合成氨、乙烯、焦化工业中，能源作为 原材料的用量远超过作为燃料和动力的消耗。化学工业的能耗约占全国工业耗能 的1 5 。其中约有4 0 被用作化工原料。 因此，对化学工业来讲，节能降耗不仅是减少燃料、动力的消耗，而且需要 降低原材料的消耗。然而，现阶段我国化学工业不论是在技术还是在管理方面都 存在很大缺陷，因此在节能方面还有巨大潜力。 2 1 1 热效率与化工节能的分析方法 根据热力学第一定律，能量在转化过程中既不会增多也不会减少，但会发生 质的变化，主要表现为对环境作功能力的变化。能量的这种质上的区别可用炯和 妩来衡量：炯代表有用功，妩代表无用功，炯与妩的代数和就是能量总值。作功 能力越强，炯越高，反之，妩越高。系统中工质的炯量可按下式计算f 2 弓i ：e i = ( h h 。) 一t 。( s s o ) 式中：为环境的温度：s 。为环境的熵；h 0 为环境的焓。由上式可知，系统 的能量包含有用功一炯和无用功一炯两部分，节能是指节约有用功一炯，其基本 原则有两条：( 1 ) 减少不可逆过程的有效能损失，不可逆程度越大，有效能损失 也越大。传热过程的流体问温差越大，传质过程的传质浓差越大，不可逆程度越 大，有效能损失越大，因此应尽量减少传热温差和传质浓差。( 2 ) 减少有效能的 废弃：生产过程中的能量一部分被产品带走，一部分被废弃入环境。能量的废弃 不可能为零，但可采用适当的节能技术回收利用。 为了节能，首先必须对能量的利用情况进行合理分析，基本方法有两个： 浙江人学】：程硕士学倚论文 ( 1 ) 热平衡分析法：也称热效率( 系统完成的焓转移量与投入的系统焓量的比 值) 法，是指热能的数量平衡，必须具有明显的空f h j 界面和物料与热量的计算基 准。它有三个作用：一是评价能量的传递、转换和最终利用的任一环节或整体的 用能完善程度；二是分析和判断能量损失的数量和原因；三是估计节能潜力。 ( 2 ) 炯平衡分析法：也称炯效率( 系统完成的炯转移量与投入系统的炯量之 比) 法，足为了找出炯损失，并与热平衡分析相结合，找出改进措施，达到全面 节能的目的川。 2 0 世纪8 ( 1 年代开始，从系统工程的角度出发，将热力学与系统工程相结合并 用于分析工业生产中的能量流动，以提高过程的能量利用率，为工业生产带来了 技术改造的显著效果和良好的经济效益，称之为夹点技术，其节能原理是在物流 匹配时充分考虑能量的品位而实现合理利用。 2 1 2 化工节能的几个基本观点 ( 1 ) 按质用能观点。能量利用上要注意能级匹配、梯级用能，坚持从数量和 质量两方面对节能潜力作出e 确判断，尽可能利用燃料的化学能，并避免能量的 高质低用，减少传热过程的热阻和不可逆损失。 ( 2 ) 连续生产观点。任何生产环节上的波动、故障、停车、开车都会造成能 量的浪费，化工生产的满负荷连续运行本身就是节能，因此耍注意做好装置的可 靠性和安全性预测和评估，搞好己发生事故的原因分析，故障追查，加强工人的 技术培训，开发自动控制技术等。 ( 3 ) 系统能耗观点。传统的节能较多地着眼于生产过程中某一单元工序的节 能，而对产品的质量，产品的综合利用，设备的使用寿命和维护等方面对能耗的 间接影响注意不够，即缺乏系统的能量观点，为此，在化工节能中要充分注意： 必须把节能工作和产品质量联系起来，在产品质量没有保证的情况下，可能造 成浪费是任何节能成果无法弥补的；应重视综合利用。化工生产中废渣、废液 和废气实际上是物化的能量，从系统能耗的观点来看，这个排放物的综合利用也 是节能的巨大潜力；化工生产的装置和设备、仪表在制造过程中必然要消耗 大量的能源，设备的折旧和损耗也是能量的耗费，因此，保证良好的工况、长的 使用寿命，防止突然失效也是很重要的节能。 ( 4 ) 经济效益观点。任何节能工作总是受能量费用和节能措施投资年费用的 浙江大学i j 程硕十学伉论文 制约。经济效益的观点就是要求进行经济分析：寻求投入、产出两部分之间的最 佳组台，力争最小的投入获得最大的产出。显然，热设备的保温并刁i 是越厚越好， 过量的保温不仅增大了投资，反而扩大了散热面积，对节能无所补益。余热回收 也同样存在最经济的回收热量。f 确的经济分析可有效地指导节能工作的丌展。 ( 5 ) 发展动态的观点。化工节能不是一劳永逸的。随着科学技术的发展，生 产工艺的改进，客观条件的改变，节能标准要不断调整，节能工作才会有新的进 步。化 生产过程的能耗实际上反映了生产技术和管理水平，从发展动态观点看， 就要求不断提高生产技术和管理水平，进而不断降低能耗指标。影响过程经济效 益的节能标准往往受能源价格、设备费用及其它诸多变动因素的制约。从发展动 态观点来看，化工生产过程中的能耗始终是变动的和可见的，节能工作是一件十 分活跃、充满生机的工作，应不断吸收新技术，不断研究客观条件的变动，对生 产过程的能耗规律进行系统分析，力求使节能工作始终处于主动地位。 以上几点是相互紧密联系的，掌握了这些基本原则和观点，则可促进化工节 能的科学性、规律性，抓住节能工作的要点，取得节能工作的实效i 。 2 1 3 化工节能的动向 t 9 9 6 年在瑞典斯德哥尔摩举行的e c o s 9 6 会议( 能源系统的效率、成本、优 化与模型会议) 提出了新世纪化工节能技术的发展方向： 过程整合技术( p r o c e s si n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y ) 作为化工节能最有效的新 技术，越来越受到重视，政府部门也正在大力倡导推广。 燃气透平已广泛用于化学工业，显著地提高了能量利用效率。燃气透平作为 提供化工厂加热热源及驱动力公用工程日益代替传统的蒸汽透平，或者仅作为公 用工程组成部分而形成热电联产联合循环，或者直接被整合到工艺过程中。与蒸 汽透平相比，燃气透平具有可靠性强、效率高、安装便宜、占地面积小等优点， 因此从2 0 世纪9 0 年代后，燃气透平在各种过程工业中获得了广泛的应用。 热泵有蒸汽压缩泵和化学吸收热泵两大类，其工作原理是将在低温端将能源 经外加功作用，在高温端作为有效能放出。虽然热泵已有几十年的历史，但过去 是因为缺乏完整的理论来确定在什么场合下能有效地利用热泵，因此推广缓慢。 2 0 世纪8 0 年代后，过程整合技术，特别是夹点分析技术的发展为热泵的化工应用 提供了理论基础，因此日益获得了广泛应用。 1 2 浙江人学r 程硕十。学位沦文 然而，对于节能的分析是采用炯分析法或夹点技术法还存在着争论。因为央 点技术给工业生产带来了技术改造的显著效果和良好的经济效益，逐渐盖过了传 统的炯分析法，但这种情况引起了一些偏重理论研究学者的不满，认为央点技术 只是针对换热网发展起来的分析方法，不像炯分析是基于热力学的分析方法那么 通用，在某些场合( 例如有热泵存在时) ，炯分析法所得到的有用信息远比夹点分 析得到的多；虽然夹点技术可以改进能量回收，但它没有目标函数，不能算是 种严格的系统优化方法，改进不能等同于优化，所以不能到处乱用”l 。 2 1 4 化工节能的几项对策 世界银行通过对发展中国家节能潜力进行分析后指出，技术因素占预测节能 量的一半，而政治和经济的因素各占1 4 。根据我国国情，节能可从以下三个方 面考虑： ( 1 ) 结构性节能。首先是产品结构，化学工业中能耗高的产品所占比很大， 应尽快改变这种结构；其次是原料结构，化学工业的主要能源及原料使用状况是 高能耗、高污染。为改变这种现状，应鼓励能源缺乏地区以及沿海地区进口优质 油品作化工原料，限制小规模，高能耗，低产值企业的丌办、运行。 ( 彩科技节能。2 0 世纪9 0 年代以后，节能技术向高层次深化发展的特点之一 就是系统工程方法的应用，包括工艺系统、能量回收系统、公用系统工程的节能 优化等。另外，还有系统整体的优化组合，利用计算机辅助工艺操作( c a p o ) 和优 化组合。利用这些思想，可以收到很好的节能效果。 ( 3 ) 管理节能。指三个层次的管理，即宏观调控层次、企业经营管理层次和 执行级层次。据报道，工业发达国家的化工生产通过节能管理可以使生产能耗下 降7 2 0 。 总之，我们必须从技术、政策等各方面采取节能措施，适应可持续发展战略 的要求，同时积极开发节能技术【“。 2 2 化工生产过程中常用节能方法介绍 2 2 1 蒸汽节能技术 1 产汽系统节能 l _ 1 采用锅炉微机控制系统 1 3 浙江人学= r ：稚硕+ 学位论文 主要包括五个方面：气泡水位系统、汽温控制系统、燃烧控制系统、汽压控 制系统、负压控制系统通过对五个方面自动控制，使燃烧达到最佳状态，从而 达到节能目的。国内x d z - - h 型矛u x d z - - l i i 型锅炉微机二级控制系统，已经在广 东珠海等地推广使用，节能效果良好。 1 2 用分层给煤装置 该装置适用于4 6 5 t h 正转链条锅炉，具有结构精巧，操作简单、运行可靠、 节能效果明显等优点。如亚伦股份公司使用该设备后，热救率提高j 3 7 ，炉渣 含碳量降低5 3 5 ，节煤9 7 6 ，效果十分明显。般锅炉改造投资回收期不 到一年，有明显的现实意义。 1 3 用i i n a 离子交换系统 般企业，通常仅用n a 交换系统，对水进行软化，而来进行降碱和除盐处 理。水在软化过程中，因碳酸盐硬度当量转为重碳酸钠，碱度不变，且含盐量增 加通过该系统可以迸一步改善水质，降碱除盐，排污率由1 5 降为5 ，从而 节约了大量热能某厂原吨汽耗煤2 2 5 k g ，增加该系统后降为2 0 0 k g ，年节煤达到 5 4 0 0 t 经济效益十分可观 2 用汽系统节能 2 1 及时消除泄漏 据统计，挂绝泄漏可省蒸汽达3 0 ，数据是相当惊人的。一个3 m m d , i l ，在 0 6 m p a 蒸汽系统中，一年漏汽达4 2 0 t ，相当于标准煤6 0 t ，折合人民币2 万元。因 此在化工生产中，必须及时做好设备检修工作，消灭泄漏点。以减少能源浪费。 2 2 做好保温工作 没有保温不仅损失了热量，同时降低了蒸汽品位，造成一些无形浪费，仪4 m 长一段d n 2 5 管道，若通0 6 m p a 蒸汽，在没有保温情况下，一年热量损失相当于1 t 煤，因此必须做好保温工作，在保温时要选择导热系数小、容质轻，同时有一定 坚固性、耐温、耐湿材料，且要有保护层和合理厚度，可通过综合考虑投资和运 行费用来确定，以保证良好投产率。 2 ：j 提高蒸汽品位 蒸汽干湿度通常要求 8 5 该产品 由杭州西湖阀门厂生产达到国际先进水平杭州化学纤维公司，通过使用该疏 水器，不仅节汽也提高了热交换效率，年创效益约3 0 万元。应该注意的是不汉用 汽设备要装疏水器，总管分汽缸上都应该装，以减少蒸汽在输送时能耗，提高蒸 汽品位。 2 4 回用凝结水 使用疏水器是直接蒸汽节能，只能是“阻汽排水”，然而凝结水中含1 6 3 0 的显热，要耗煤l 6 1 3 1 能取得，同时又是清洁的软水，无需化学处理， 可直接供锅炉使用，因此回用冷凝水节能显得尤为有意义。现在先进回收系统为 无泵背压式回收，通过疏水器和合理的回收管道形成疏水器回收系统，该系统结 构简单、安全可靠、无需动力、投资少、收效高，全封闭式，可1 0 0 杜绝跑、 冒、滴、漏，是实实在在高效节能，如杭州人造纤维厂，使用该系统回收凝结水， 每天节煤l o t ，节约软水7 0 t ，效益十分可观。 2 2 2 精馏过程节能 我国的能源虽然比较丰富，但利用率很低，据统计总利用效率只有2 5 4 远 低于工业发达国家，造成了能源的巨大浪费。因此节能的潜力很大，节能的任务 也很迫切。在工业生产中，石油化学工业的能耗所占比例最大，而石油化学工业 中能耗最大者为分离操作，其中又以精馏的能耗居首位。据统计在美国，精馏过 程的能耗占全国能耗的3 。如果从中节约如，每年可节省五亿美元。我国的炼 油厂消耗的原油占其炼油量的8 一1 0 ，其中很大一部分消耗于精馏过程。因此， 在当今能源紧缺的情况下，对精馏过程的节能研究，就显得十分重要。 1 ) 节能措施 节约能源通常是降低耗热量、降低所用热能的品位、直接用机槭功代替热量。 对精馏过程采用的节能途径主要有如下几个方面： i ) 热泵精馏 热泵系统主要设备为压缩机和膨胀器。工作原理为：工作介质经压缩后在较 高露点下冷凝，放出的热量供再沸器中的物料汽化；被液化的工作介质经过膨胀， 在低压下汽化，汽化时需要吸收热量将塔顶冷凝器的热量移去。通过压缩机和膨 浙江大学1 。程硕士学位论文 胀阀的作用致使工作介质冷凝和汽化，将塔顶的低温位热送到塔底高温处利用。 热泵系统中压缩机消耗的能量，是唯一由外界提供的能量，它比再沸器直接加热 所消耗的能量少得多，一般只相当于后者的2 0 一4 0 。 如果被分离的物料本身可以作为工作介质，可进一步提高热泵精馏的效益。 如图2 和图3 所示两种流程。图2 为蒸汽再压缩的热泵系统，此系统中省去了塔顶 冷凝器。塔顶蒸汽经压缩后在再沸器中冷凝，使之作为再沸器的加热介质。图3 为再沸液| l j 蒸的热泵系统，其中省去了再沸器。再沸液经膨胀阀在低压下汽化吸 收热量使塔顶蒸汽冷凝。它本身经压缩后变成液体放出热量使部分釜液汽化这 两种流程不但可以减少热交换器的投资，并将进一步提高热泵系统的性能系数。 但是并非所有精馏过程都能采用热泵进行节能。它通常适用于! 塔顶与塔釜问温 差小的系统；塔内压降较小的系统；被分离物系的组分间因沸点相近而难以分离， 必须采用较大回流比从而消耗热能较大的系统；低温糖馏过程需要制冷设备的系 统。 2 ) 多效精馏 多效精馏是仿照多效蒸发的原理，如图4 所示，把一个精馏塔分成压力不同 的多个塔，每个塔称一教，前一效的压力高于后一教，各效分别进料。在精馏过 程中，只有第一效精馏塔用外来热剂或水蒸汽加热，其它各效都是用前一效塔顶 蒸汽加热后一塔釜液体，最后一效塔顶蒸汽才需要用外来冷剂进行冷凝成产品。 多效精馏适用于进料中轻重组分沸点差较大的情况。由于多效精馏中只引人了一 个外来热剂和一个外来冷剂，从而降低了冷热剂的消耗量，达到节能目的。但多 效精馏的投资费用高于常规精馏。 3 ) 应用中间再沸器和中间冷凝器 对于精馏过程顶底温差较大的精馏塔，如果在精船段设置中间冷凝器，就可 用比塔顶冷凝器温度稍高而价格较低的冷剂作为冷源，而节省较低温度的冷却介 质同理在提馏段设置中间再沸器，就可用温度比塔底再沸器稍低而价格较低的 热剂作为热源，达到节能目的。对于石油气分离中的低温塔，塔底温度仍低于常 温，这时塔底再沸器本身就是回收冷量的手段如果再在提馏段设置中间再沸器， 就可凹收温度比塔底更低的冷量，故中问再沸器和中间冷凝器广泛应用于深冷分 离中。 浙 上人学1 程硕十学位论文 4 ) 选择最优回流比 回流比的大小会影响精馏所需板数、供热量及产品纯度。当产品纯度一定时，降 低回流比就可节省能量的消耗，但所需塔板数增多，因此设备费往往要增加在 当今能源紧缺的情况下，降低回流比往往是有利的虽然回流比减少后，设备费增 加，但可节省不少能量，而且设备费在短期内就可回收。在当今国内工业生产 中回流比取值比较保守，一般取r m i n 的1 i 2 倍。因此通过降低回流比来节能的 潜力是比较大的。 5 ) 选择适宜的进料热状态 由图解进料热状况对操作线的影响可知：进料组成及产品组成一定时，当q 值增大，则r m i n 减小，而v m i n 增大但是，在塔顶产品与进料量比值不同时，其 变化程度是不同的。当d f 值较大时，若增大q 值，v 埘j n 的增加幅度较r m i n 下降的 幅度大，即塔底再沸器热负荷的增加幅度要比塔项冷凝器热负荷减小的幅度大。 当d f 值较小时，若增大q 值，则反之。因此可以得出如下结论：高温精馏过程中， 当d f 值较小时，应尽量采用较高的q 值，即应以气一液混合物或饱和液体进料为 宜。当d f 值较大时，应尽量采用较低的q 值，即应以气相进科或气一液混合迸料 为直。低温精馏过程中，无论d f 值是多少均应采用较高的q 值，即应以饱和液 体或冷液迸料为宜这样可节省较多的能量。 6 ) 选择适宜的操作压力 在减压下，平衡温度下降，相对挥发度将增大而有种于精馏，这时可降低回 流比而节省能量。但有时应用加压蒸馏，原因在于提高平衡温度后，或便于利用 蒸汽冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸汽冷凝，从而减少精馏的能量 消耗。 7 ) 发展高效填料塔 填料塔的等板高度越小，精馏效率越高。在填料层高度一定时，它所相当的 理论板数就越多。在精馏时就可以降低回流比，而达到节能的扫的。此外保证 进料和回流在塔内有良好的分布，尽量减少雾沫兴带，以及使精馏塔在高负荷下 最高板效率操作等，也都是精馏节能的有效措施。 2 2 3 热管技术在化工节能方面的应用 热管( h e a tp i p e ) 是一种新型高效传热元件，具有优异的导热任、理想的等 浙江大学i ：稃硕士学位论文 温性及两侧热阻的可调性等特点。重力热管( t w op h a s ec l o s e dt h e r m o s y p h o n ) 不但具有标准热管的上述特性，而且出于它无需吸液芯，结构大为简化，使其住 某些领域中的应用独具特色。热管挟热器的应用是七十年代发展起来的表现出 优异的传热特性和一系列独特的优点。节能在化学工业中占有重要的地位，进人 8 ( ) 年代后，能源价格上涨，能耗高的问题严重影响着企业的经济效益和技术进步。 利甩热管这个高效传热元件，开发高效、节能、具有废热回收意义的化工生产装 置，无疑具有积极的现实意义。 2 2 3 1 热管的工作原理及优点 热管是利用密闭管内工质的蒸发和冷凝来进行传热。其工作原理如图1 所示。 它由三个基本部分组成：( 1 ) 密闭管壳，为两头封闭的金属圆管：( 2 ) 管芯，为起 毛细作用的多l 结构物( 多孔金属，金属丝网等) ，覆盖在管壁的内表面：( 3 ) 工质， 管内充有一定量的工质，用以传递热能。热管的一端为蒸发段，另一端为冷凝段， 根据使用的需要，中间可布置一段绝热段。 热管在传热过程中发生的现象有：( 1 ) 蒸发段工质的蒸发，热管的蒸发段与 热流体接触管芯内的工作液体受热后蒸发从热流体吸取潜热；( 2 ) 绝热段蒸 气的流动，蒸气在中心通道从蒸发段经绝热段向冷凝段；( 3 ) 冷凝段蒸气的冷凝， 热管的冷凝段与冷流体相接触，工质向冷流体放热并冷凝；( 4 ) 管芯内工质的圆 流依靠管芯的毛细作用，冷凝液体返回蒸发段。这样完成了闭合循环，热量从 热流体传到冷流体。 根据热管中冷凝液的回流方式，热管可分为吸液芯热管和重力热管。上述靠 吸液芯毛细作用，使冷凝液返回蒸发段的热管称为吸液芯式热管。如果热管内不 装吸液芯，冷凝液依靠自身的重力返回蒸发段，这种热管称为重力热管或热虹吸 式热管。重力热管一般由两部分组成：抽成真空的密封管和其中的工质。工作时， 热量从热管下部蒸发段壁面输入，使管内工质不断蒸发产生蒸汽，蒸汽在管内沿 轴向产生压力梯度，推动蒸汽向冷凝段运动，并在冷凝段壁面冷凝成液体放出潜 热，这部分潜热又通过热传导，对流或辐射的方式被取走，冷凝液则在重力的作 用下返回加热段，循环工作。 从热管的工作原理可以看出热管及由多根热管组成的热管换热器具有以下 显著的优点： ( j ) 传热性能好。由于热管是利用工质的蒸发与冷凝来传送热量，传热热阻 1 8 浙江人学1 ：程硕l 学位论文 小。热管内高度真空，工质受热后极易蒸发而产生压差，向冷凝段传输基本上不 存在阻力，使热管近于等温传热，劂而可在较小的温差下传递较多的热量。在热 管换热器中，冷流体和热流体都是横掠热管管束，且热管加热段和冷却段的外表 面均能设置肋片，所以热管换热器的总传热系数大。 ( 2 ) 适用温度范围广。热管的工作温度是由于质和内外换热条件决定，而工 质可选用不同种类的液体，因此可在- - 2 7 0 - - 2 3 0 0 。c 之间工作。目前技术上成熟 的热管换热器主要工作在一2 04 0 0 0 的范围，但在0 3 0 左右工作的热管换热器 也已有了工业应用。而且热管的热源不受限制，可以是火焰、烟气、水蒸汽、电 加热，r _ 1 光辐射或其它热源。 ( 3 ) 结构简单，热流密度可调。热管换热器的热管元件为独立安装，不仅结 构简单，而且热管元件的数量可根据换量而增减，同时还可单独进行更换。由于 冷热流体相互隔离，可完全避免冷热流体之间的相互泄漏与污染。热管换热器中 加j 二隔板可形成不同的通道，因而用一种热流体加热两种冷流体或相反。此外， 改变冷凝段和蒸发段长度的比例，既可调节热流密度及热管壁温。鉴于热管在经 济和技术匕的优点，使它在各种热输送和热回收系统中作为高教传热元件，得到 了广泛的应用。 2 2 3 2 国内外应用状况 早期热管主要应用于航空航天方面，7 0 年代又进一步发展了地面应用的研 究，特别是世界性的能源紧张，使得热管技术被太量地应用于民用工业上。而由 多根热管组成的热管换热器，在工业中应用的时问虽然不长，但发展却很快。其 功能和结构形式多种转多样。到目前为止，有关热管器结构形式的专利不下数十 种l ”。在炼油和其它化工装置中，除用热管换热器回收排放烟气的废热预热空气 外，还可以利用反应器中化学反应所放出的热量来预热原料气，使其达到反应温 度；利用高温转化气的余热，加热水产生蒸汽供给转化炉，实现热量的白平衡； 利用强放热反应器的热量，加热热水产生蒸汽供本身需要或做它用。 2 2 4 其它化工节能技术介绍 本文将介绍近期公告的这方面专利技术，以期引起国内同行重视这方面的信 息。 张天保l “发明以废磷渣为主料，配以矸石、页岩、砂石，用硅酸盐类做添加 浙江大学i ：程硕十学位沦文 荆( 或不用添加剂) 生产节能砖，据称比现有粘土砖和普通烧结节能砖的生产成本 降低3 0 - - 4 5 ，且减少了生产环节、缩短了生产周期( 仅焙烧过程便为粘土砖 所用时间少1 3 ) 、节约耕地、降低能耗( 完全f i 用内燃煤，外烧煤也只有粘土砖 用量的一半) 、抗压强度大、质轻( 比同样的粘土砖和节能砖轻0 5 l 公斤) 、无 放射性污染之虞。 宫扬卜j 发明了一种工业新型复合高效节能保温材料，它以无机盐类为基础 料，加上其他辅料后用理化方法进行一系列工艺处理，一方面保留了原有材料本 身的保温性能，又因在工艺处理过程中整体上形成了新的类微真空空穴结构，运 用了真空隔热原理，故保温效果很好，据称是传统保温材料的8 1 0 倍。 陆乃昌i f o j 发明一种新型节能环保工业型煤，用大同烟煤或京西半烟煤或半烟 煤的正煤、垃圾土或煤矸石、石灰、粘合剂、助燃剂制成，其配比( 按重要份数 计) 为：大同烟煤或京西半烟煤2 5 3 0 份、i f 煤或半烟煤的正煤2 5 5 0 份、垃圾 土或煤矸石1 0 2 0 份、石灰1 3 份、粘台剂1 3 份、助燃剂1 份。这种型煤燃烧 效果好、成本低。 同本一家机械公司| j i | 发明的冷却器型去湿装置是通过上游冷却压缩空气、下 游则通过一个吸附式去湿器来运行的，后者可以单独运行。当装置入口空气的温 度较低时，系统停止工作。所以，根据气温控制运行，可以实现节能。 德国k r u p pu h d e 公司2 j 为乙烯氧氯化为1 ，2 一二氯乙烷发明了种节能工 艺，是先让氧氯化反应器通过一个猝火柱，使它的输出降温，然后用所得热能把 乙烯输入气预热，便使工艺实现了节能。 2 3 化工过程的稳态模拟和工具软件 流程模拟是过程系统工程中最基本的技术，不论过程系统的分析和优化，还 是过程系统的综合，都是以流程模拟为基础的。稳态流程模拟是发展得比较成熟 的技术，目前最成熟的两种稳态模拟方法是序贯模块法和联立方程法。 所谓联立方程法，就是将化工系统模型以方程式完整表述出来，包括单元模 型方程、物流联系方程以及设计要求方程等三大类方程，这些方程通常组成一个 相当庞大的方程组，以该方程组为求解对象，采取适当的方法对其直接进行求解 而达到对整个流程的模拟。而按照实际化工系统中工艺物流的流向对单元操作模 块进行逐个模块地进行模拟即为序贯模块法。 浙江人。产1 程硕+ 学位论文 不难看出，序贯模块法相当容易应用，而且对操作人员的要求不是很高，一 股的程技术人员即可对其进行操作。相反，由于解方程组涉及比较专业和运用 娴熟的数学知识，联赢方程法对操作人员的要求相当高，阻碍了它的广泛应用。 j 下因为此，序贯模块法仍然是目前应用最为j “泛的模拟方法。 利用序贯模块法进行模拟的代表软件之。是美国麻省理工学院开发的a s p e n ( 现已更名为a s p e np l u s ) ，这正是我们进行模拟计算的工具软件。a s p e np l u s 软件是美国著名的a s p e nt e c h n o l o g y 公司所丌发的基于流程图的过程稳态仿真 软件，其1 0 2 版本包括5 6 种单元操作模型，含5 0 0 0 纯组分、5 0 0 0 - - 元混合物、3 3 1 4 固体化合物、4 0 0 0 0 个二元交互作用参数的数据库，电解质专家系统，具有数据 整定、设计规定、工厂操作及灵敏度分析、过程优化等功能。 a s p e np i n c h 是一个基于过程综合与集成的夹点技术的计算软件。它应用工 厂现场操作数据或者a s p e np l u s 模拟计算的数据为输入，来设计能耗最小、操作 成本最低的化工厂和炼油厂过程流程。它的典型作用有以下几个方面： 老厂节能改造的过程集成方案设计； 老j 扩大生产能力的”脱瓶颈”分析； 能量回收系统( 例如换热器网络) 的设计分析； 公用工程系统合理布局和优化操作( 包括加热炉、蒸汽透平、燃气透平、制冷 系统等模型在内) 。 采用这种夹点技术进行流程设计，根据一些大型石化公司经验，一般对老厂 改造，呵以节能2 0 左右，投资回收期一年左右：对新厂设计往往可节省操作成 本3 0 ，并同时降低投资1 0 2 0 。 a s p e np i n c h 新功能： 与模拟软件a s p e np l u s 及p r oii 均可集成； 许多用户界面上的改进，完全w i n d o w 化； 网络p i n c h ( 技术改造自动化设计) ： 有目标链接嵌o l e 功能； 热量及电力用户图形界面； 本项目将应用a s p e np l u s 软件进行模拟计算和建模，利用a s p e np i n c h 软 件工具进行现有换热器网络的分析并提出优化方案。 浙江人学l 释硕士学何论文 第3 章反应精馏技术降低能耗 3 1 反应精馏技术 3 1 1 反应精馏技术定义 反应精馏技术是一种把反应过程和精馏过程合二为一的新技术，即把原来分 别在反应器和精馏塔中进行的反应和分离过程置于在一个塔设备中实现。这一技 术早在本世纪2 0 年代已应用于酯化反应，但直n 6 0 年代才受到重视。 3 1 2 反应精馏技术特点 反应精馏技术具有如下特点： 1 ) 催化反应和精馏在同一设备中进行，虽然在一定程度上增加了该塔器的 复杂性，但却简化了整个装置流程，降低了工艺的复杂性，可大大减少设备投 资，同时降低操作费用； 2 ) 对于放热反应过程，反应热可以为精馏过程提供一部分热量，降低分离 过程能耗；对吸热反应，由反应精馏塔再沸器供给反应和精馏所需的总热量， 比在反应器和精馏塔分别供热节省，同时还能够减少加热和冷却冷凝的次数， 降低总能耗； 3 ) 对于可逆反应过程，由于产物的不断分离，使平衡向需要的方向移动， 提高过程的转化率，甚至有可能实现与平衡常数无关的完全转化，减轻后继分 离工序的负荷。 4 ) 对于某中间产物为目的产物的串联反应，通过某一反应物的不断分离抑 制了副反应，可提高过程的选择性； 5 ) 由于反应热被精馏过程所消耗，且塔内各点温度受汽液平衡的限制，始 终为系统压力下该点处混合物的泡点，故反应温度易于通过调整系统压力来控 制，且能有效避免飞温问题； 6 ) 容易实现老工艺的改造。对于现有的生产装置基础，在大多数情况下， 只需用催化剂结构取代部分塔板或填料，就可以完成向催化精馏塔的改造。 浙江人学l 程硕士学位论文 3 2 反应精馏技术应用前后工艺设备能耗对比及分析 本项目乙酸乙醇酯化法生产乙酸乙酯的反应是可逆反应过程，反应