（化学工程专业论文）MEA吸收COlt2gt过程用能分析及节能途径探讨.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 化工过程中分离过程所消耗的能量往往占过程总能耗的主要部分，因而对分离过程 的节能研究具有重要意义。在过程节能研究中，需要对过程进行热力学分析，以了解能 量利用程度。有效能分析是近几年来得到迅速发展的极其有用的热力学分析方法，通过 有效能分析，可以了解某一过程或装置能量利用的完善程度，找出节能降耗的有效途径。 用一乙醇胺回收烟道气中的c 0 2 是众多c 0 2 回收方法中应用最广泛的一种，但该方 法在吸收液再生过程中需要消耗大量的热量。所以，如何减少再生过程中的能耗成了当 前需要解决的问题之一。 本文利用大型稳态模拟系统a s p e np l u s 对m e a 吸收c 0 2 的传统流程进行模拟计 算，分析全系统及各子系统有效能消耗、全流程的热力学效率以及有效能损失，并用逐 板有效能分析法分析解吸塔中每块塔板上有效能利用情况，进而提出三种节能改造措 施，第一种是采用合理利用外部损失能的双效精馏流程，第二种是采用从因减小吸收的 传质推动力进而减少吸收剂用量的方面来降低能耗的分段吸收流程，最后一种是采用靠 消耗一定机械能来提高低温蒸气能位的热泵精馏流程。 本文先从理论上分析这三种节能流程的可行性，进而用a s p e np l u s 对这三种流 程进行模拟，并对其进行有效能分析。结果表明，在c 0 2 回收率和回收纯度要求分别为 8 0 和9 8 的条件下，和传统流程相比，这三种改进流程均有不同程度的节能效果，并且 双效精馏流程和分段吸收流程的节能效果较热泵精馏流程更加明显，前者分别节约有效 能2 1 3 0 和2 5 0 6 ，后者节约1 3 2 8 。 关键词：有效能；双效精馏；分段吸收；热泵精馏 m e a 吸收c 0 2 过程用能分析及节能途径探讨 a n a l y s i so fe n e r g yc o n s u m p t i o na n da p p r o a c h e s t os a v i n ge n e r g yi nt h e p r o c e s so fc 0 2a b s o r p t i o nb ym e a a b s t r a c t e n e r g yc o n s u m p t i o no fc h e m i c a ls e p a r a t i o np r o c e s si s t h em a i no ft o t a le n e r g y c o n s u m p t i o n ，s oe n e r g y - s a v i n gh a sag r e a ts i g n a l i t yt os e p a r a t i o np r o c e s s i no r d e rt ok n o w t h ee n e r g ye f f i c i e n c y ，i tn e e d st od ot h e r m o d y n a m i ca n a l y s i si ne n e r g y s a v i n gr e s e a r c h n e r a p i dd e v e l o p m e n ta v a i l a b l ee n e r g ya n a l y s i si se x t r e m e l yu s e f u lt h e r m o d y n a m i ca n a l y s i si n r e c e n ty e a r s i tc a nb ek n o wt h ee n e r g ye f f i c i e n c yi no n ep r o c e s so re q u i p m e n tt h r o u g h a v a i l a b l ee n e r g ya n a l y s i s t h e n ，i t sp o s s i b l et os e a r c hf o rt h ew a yo fe n e r g ys a v i n ga n dl o s s r e d u c i n g t h et e c h n o l o g yo fc 0 2r e c y c l eb a s e do nm e ai st h em o s tp o p u l a rm e t h o di nt h e r e c o v e r yo fc 0 2 ，h o w e v e r , s o l u t i o nr e g e n e r a t i o nc o n s u l t l em u c he n e r g y s o ，h o wt od e c r e a s e t h ee n e r g yc o n s u m p t i o nn o wi sg e n e r a l l yc o n s i d e r e da so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e m s u r g e n t l yr e q u i r e dt ob es e t t l e d t h et r a d i t i o n a lp r o c e s so fc 0 2a b s o r p t i o nb ym e aw a ss i m u l a t e db yt h ec h e m i c a l e n g i n e e r i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r ea s p e np l u s b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ea v a i l a b l e e n e r g yc o n s u m p t i o nf o rt h ew h o l ep r o c e s sa n de a c he q u i p m e n t , t h e r m o d y n a m i ce f f i c i e n c yo f t h ew h o l ep r o c e s sa n dt h el o s so fa v a i l a b l ee n e r g yw e t ea n a l y z e d ，i ta l s oa n a l y s e st r a y e f f i c i e n c yb yp l a t e - t o - p l a t ea v a i l a b l ee n e r g ya n a l y s i sm e t h o d ，a n dt h e n ，t h r e es u g g e s t i o n sf o r p r o c e s si m p r o v i n gw e r ep u tf o r w a r d t h ef i r s tm e t h o di sd o u b l e e f f e c td i s t i l l a t i o nu s i n g e x t e r n a le n e r g y ，t h es e c o n dm e t h o di sg r a d i n ga b s o r p t i o n ，w h i c he n e r g yc o n s u m i n gw a s d e c r e a s e db yl e s st h ea m o u n to fs o l u t i o n , w h i c hc a l lb ed e r i v e db yl o w e rm a s st r a n s f e r i m p u l s e ，a n dt h el a s tm e t h o di sh e a tp u m pd i s t i l l a t i o nw h i c hd e p e n d so i lc o n s u m i n gs o m e m e c h a n i c a le n e r g yt or i s el o wt e m p e r a t u r es t e a m 1 r t l i sp a p e rf i r s t l ya n a l y s e st h et h e o r e t i c a lp o s s i b i t i t yo ft h et h r e ee n e r g y s a v i n gm e t h o d s ， t h e nt h et h r e ep r o c e s s e sw e r es i m u l a t e db ya s p e np l u s ，m e a n w h i l e ，a v a i l a b l ee n e r g y a n a l y s i si sc o n d u c t e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，o nt h eb a s i so ft h ec 0 2r e c o v e r ya n dp r o d u c t p u r i t ya r e8 0 a n d9 8 r e s p e c t i v e l y ，t h et h r e en e wp r o c e s s e s ，c o m p a r e d 谢t l lt r a d i t i o n a l p r o c e s s ，a c h i e v ed i f f e r e n te n e r g ys a v i n ge f f e c t a m o n gt h e m ，d o u b l e e f f e c td i s t i l l a t i o n , g r a d i n ga b s o r p t i o na n d h e a tp u m pd i s t i l l a t i o na r e2 1 3 0 ，2 5 0 6 a n d1 3 2 8 s e p a r a t e l y ，t h e e f f e c t i v e n e s so fd o u b l e e f f e c td i s t i l l a t i o na n dg r a d i n ga b s o r p t i o na r em o r er e m a r k a b l et h a n h e a tp u m pd i s t i l l a t i o n 一i i 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：a v a i l a b l ee n e r g y ；d o u b l e e f f e c td i s t i l l a t i o n ；g r a d i n ga b s o r p t i o n ；h e a t p u m pd i s t i l l a t i o n i l l - 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成朱尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：坦丝丝墅垒塑! 壑蚴丛生蟹叁圣丛塑篁蛐 作者签名：鲍牮骜日期：2 盟年1 月蔓日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： h 易姗峻y 过栩砧易狮厦韦铪连豸秒杉啪 锄椭 导师签名：型虱谴 日期：塑2 年l 月土日 日期：埠年j 月卫日 大连理工大学硕士学位论文 引言 自1 9 7 3 年石油危机以来，世界各国普遍开始重视过程节能技术研究，并与节省资 源问题相互配合，在钢铁、炼油、化学工业等行业取得很大成绩，由此导致了各企业开 始合理利用资源、降低成本。化工过程节能，是指达将到预定目的所必须的能量消耗降 至最低水平。热力学第二定律表明，在可逆过程中节能可达劲最大程度。因此，实际的 工艺过程应在经济容许的范围内尽量接近可逆过程，就是说，通过增大过程热回收或者 把有效能损失控制在最小限度的办法，能够达到节能目的。其具体办法是尽量避免向大 气散热等不可逆变化，或将热交换的温差等各种操作推动力控制在最小限度内。在处理 节能问题时，作为能量有效利用科学基础的热力学实际上起到了很大作用。过去不少方 法是依据热力学第一定律，从能的量的方面来分析的。近年来从能的质的方面分析逐渐 活跃起来，特别是根据热力学第二定律的有效能概念，为解决包括外界环境条件在内的 工程学问题是很有用的。节能并不简单地意味着少用能源，其实质是充分有效地发挥能 源的作用，使同样数量的能源，可以利用更多的有效能，从而生产出更多、更好的产品， 创造出更多的产值和利润。 烟道气中c 0 2 的回收具有以下特点：( 1 ) 气体流量大；( 2 ) c 0 2 分压低；( 3 ) 含有大量的 惰性气体n 2 ；( 4 ) 主要杂质气体为0 2 、s 0 2 等。目前，回收烟道气中c 0 2 的方法很多，主 要有溶剂吸收法、膜分离法和吸附法。溶剂吸收法是回收烟道气中c 0 2 应用最广泛的方 法。作为吸收剂的是以一乙醇胺( m e a ) 为代表的烷醇胺。该法具有吸收速度快、吸收能 力大及投资少等优点。但存在胺降解损耗大、设备腐蚀严重和能耗较高等技术难题。 本文对m e a 回收烟道气中的c 0 2 的节能措施从三个方面着手，第一是改传统工艺流 程为双效精馏工艺流程，双效精馏工艺流程使用潜热回收的方式，即将高压塔塔顶蒸气 作为相邻低压塔再沸器的热源，从而达到节能降耗的目的。第二是采用分段吸收工艺流 程，它是从通过合理分配过程的传质推动力进而减少回收剂的用量上来到达节能的目 的。最后采用热泵精馏工艺流程，该流程也是通过潜热回收的方式达到节能目的，它将 温度较低的塔顶蒸气经压缩后作为塔底再沸器的热源，热泵精馏是靠消耗一定机械能来 提高低温蒸气的能位而对其加以利用的，因此消耗单位机械能所能回收的热量是一项重 要的经济指标，称为性能系数。本文利用化工模拟软件a s p e np l u s 对m e a 回收c 0 2 的 传统流程以及三个改进流程进行模拟，利用有效能分析法对不同流程的模拟结果进行用 能分析。探寻其节能的可行性和所能达到的节能效果。 m e a 吸收c 0 2 过程用能分析及节能途径探讨 1 文献综述 1 1过程系统的模拟 在实际化工生产中，一套化工生产装置的合理设计或实际化工生产装置的优化操 作、生产故障的分析论断，以及生产装置生产能力的预测或评价等均离不开过程系统的 模拟。所谓模拟( s i m u l a t i o n ) ，就是采用能反映研究对象本质和内在联系，与原型具有客 观的一致性，且可再现原型发生的本质过程和特性的模型，来进行研究和设计原型过程 的方法。这里所谓模型可以是一小型或微型实验装置，也可以是一描述原型的数学方程 组。前者称之模型装置，后者称数学模型。故采用实验室模型装置进行研究为实验模拟， 采用数学模型进行研究则称之为数学模拟。数学模拟可视为在计算机上进行实验研究， 具有明显的优势。与实验装置上的模拟相比显得经济、灵活得多。可以减少中间放大实 验，缩短了开发周期，同时能够获得难以在实验条件得到的重要信息，可利用现有的理 论成果来研究复杂的过程系统。但是，数学模拟的基础仍源于实验研究和工程研究【1 3 1 。 过程系统模型的确认，一般要经过如下步骤：明确模型的目的和要求；收集和处理 系统的有关数据；根据过程原理，形成模型，找出描述系统中各个部件在各时刻的状态 的有关变量( 包括输入变量、状态变量和输出变量) 或参数，确定各部件之间相互作用 和影响的规则，即这些描述变量之间的关系：根据所得数据确定或估计模型中的参数， 选择模型的初始状态；编制和调试计算机程序；收集和整理计算试验结果，并做出解释； 模型确认，检验由模型所得结果与真实系统的性能数据的一致性程度降引。 按过程系统模型的计算模式不同，可分为模拟型、设计型和综合型。模型所涉及的 参数集有以下几种：输入参数集，结构参数集c ，操作参数集p ，输出参数集d 和 优化要求集m 。不同计算模式定义如下： 模拟型：给出，和c ，在指定p 下计算出d ； 一 设计型：给出d 和c ，在指定，下计算出达到某种m 下的p ； 综合型：给出，和d ，找出达到某种m 下的c 和相应的p 。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 流程模拟软件a s p e np l u s 简介及应用 1 2 1a s p e np l u s 软件的功能 a s p e np l u s 是一个通用过程模拟系统，用于计算稳态过程的物料平衡及能量平 衡、设备尺寸，并对过程投资进行经济成本分析。在已经开发成功的模拟软件中，a s p e n p l u s 是比较先进的，在大型化工和热工系统模拟中更展现了它的优势【9 。1 2 1 。 a s p e np l u s 提供3 种过程来进行模拟：除了有内置的单元操作模型外，还有用户 自己定义韵f o r t r a n 模块以及设计规定( d e s i g n - s p e c i f i c a t i o n ) 。a s p e np l u s 提供 了一个很宽的单元操作模型范围。必要时，用户可以利用自己的模型作为一个 f o r t r a n 的子程序。 在整个a s p e n 流程中，除了可以处理物流外，还可以给模块设定功流和热流，既 可以模拟质量平衡也可以确保整个系统的能量平衡。并且通过物性分析，可以获得物流 组分、温度、压力及热负荷参数，从而预测所选模型、物流类型、物性方法的正确性。 为了计算相平衡、热力学性质及传递性质，a s p e np l u s 提供了一个广泛的物性模 型程序库，包括1 7 7 3 种有机物、2 4 5 0 种无机物、3 3 1 4 种固体物、9 0 0 种水溶电解质的 基本物性参数。由于能自动地从一个大的物性数据库里检索，因此避免了工程师们对物 性数据的繁重查寻工作。对于不在数据库中的组分，a s p e np l u s 提供了一个数据回归 系统，用以从实验数据中拟合常数。a s p e np l u s 有处理石油试验的分析能力，能建立 产生石油馏分的物性常数的关联式。 a s p e np l u s 主要有以下几个功能 ( 1 ) 建立基本流程模拟模型 f l o w s h e e t 是a s p e np l u s 最常用的运行类型。可以使用基本的工程关系式，如质 量和能量平衡、相态和化学平衡以及反应动力学去预测一个工艺过程。只要给定合理的 热力学数据、实际的操作条件和严格的a s p e n 平衡模型，就能够模拟实际装置的现象。 按如下几个步骤：定义流程一计算全局信息的规定一规定组分选择物性方法一规定物 流一单元操作模型的参数设置运行模拟程序一生成报告的顺序逐一完成。 ( 2 ) 灵敏度分析 此功能在d a t ab r o w s e r 页面下的s e n s i t i v i t yf o r m 表单中设定。其目的是测定某个变 量对我们的目标值的影响程度。 ( 3 ) 设计规定 在灵敏度分析的基础上，当确定了一个关键因素，并且希望它对系统的影响达到一 个所希望的精确值时，就可通过设计规定来实现。对于这样的一个过程，需按以下步骤 m e a 吸收c 0 2 过程用能分析及节能途径探讨 来执行：选择撕裂流股一定义收敛模块使撕裂流股、设计规定收敛确定一个包括所有 单元操作和收敛模块的次序。 ( 4 ) 物性分析 确定各组分的相态及物性是否和你所选择的物性方法相适应。可通过3 种方法使用 物性分析：单独运行，即在运行类型中就设置为p r o p e r t ya n a l y s i s ：在流程图中运行； 在数据回归中运行。可使用t o o l 菜单下的a n a l y s i s 命令来交互生产物性分析，也可在 d a t a b r o w s e r 的a n a l y s i s 文件夹中使用窗口手动生成。 ( 5 ) 物牲估计 估计物性所必需的参数有：标准沸点温度( t b ) 、分子量( m w ) 和分子结构。为 了获得最佳的参数估计，应尽可能地输入所有可提供的实验数据。 ( 6 ) 物性数据回归 数据回归系统会基于你所选择的物性或数据类型，指定合理的标准偏差的缺省值， 也可以自行定义。回归的结果在d a t ab r o w s e r 页的r e g r e s s i o n 文件夹的r e s u l t s 中。 ( 7 ) 关于f o r t r a n 模块 a s p e n 允许编写外部用户f o r t r a n 子程序，在编译子程序后，模拟运行时会动 态地链接它们。 1 2 2a s p e np l u s 软件的单元操作模型 a s p e np l u s 用单元操作模块来表示实际装置的各个设备，共包括二十多个单元操 作模型。如混合、分割、换热、闪蒸等，另外它还包括：间歇反应器、多塔精馏、灵敏 度分析和工况分析模块【1 3 】。要运行一个流程模拟，必须至少规定一个单元操作模块。 ( 1 ) 分离器 本流程的模拟选用的是f l a s h 2 闪蒸模型，f l 雒1 1 2 是用来模拟闪蒸罐、蒸发器、分液 罐和其它的单级分离器。f l a s h 2 进行严格的2 相( 气液相) 或3 相( 气液一固) 平衡计算， 以产生一个气相出口物流、一个液相出口物流和一个可选的游离水倾析物流。可以用 f l a s h 2 来模拟任何有足够的气体分离空间的闪蒸、汽化器、排出罐和任何其它的单相分 离器，可以规定气相物流中的液相夹带的百分数。 ( 2 ) 换热器 本流程需要许多换热器对工艺物流进行加热和冷却，传热过程是化工过程中的重要 单元过程【1 4 1 。换热器模型可以模拟加热器或两个或多个物流换热器的性能。所有的换热 器都可以决定带有一个或更多的入口物流的混合物的热状态和相态。由单元操作过程的 自由度分析可知，对一逆流操作的管壳式换热器，当给定进口冷、热流股的变量及传递 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 热流量后，出口流股的变量就完全确定了，可由2c + 2 个方程解出。但对于一个具体 的换热器，其热流量大小与换热器的结构、尺寸有关，即，当给定进口冷、热流股的变 量及换热器的结构、尺寸，出口冷、热流股的变量就完全确定了。 ( 3 ) 压力变送器 当需要或已知有关能量的住处例如功率需要时，泵和压缩机模块可以模拟改变压 力。p u m p 用于模拟一个泵或液压透平，该模型可用于当给定出口压力规定时，计算所 需的功率或产生的功率。也可以在给定功率规定的时候，计算出口压力。c o m p r 可以模 拟多变压缩机、多变正位移压缩机、等熵压缩机、等熵透平，它也可以在给定一个出口 压力规定时计算所需的功率，或者在给定功率时，计算出口压力。 ( 4 ) 混合器分流器 混合器是把料物料流( 或热流或功流) 混合成一个出口物流。如果物流被混合了，可 以用一个可选的水倾析流来把游离水从出口物流中倾析出来。混合器模型通过对混合进 料物流进行一次绝热相平衡闪蒸计算，决定了混合出口物流的温度和相态。混合器可用 于模拟混合三通或其它类型的物流混合操作模型。分流器将混合物流( 或热流或功流) 分离成两个或更多个出口物流。所有的出口物流都有同样的组成和物性。 ( 5 ) 精馏塔 在a s p e np l u s 中关于精馏的模块有【”】： 简捷法模型：包括d s t w u ( 简捷法精馏设计模型) 、d i s t l ( 简捷法精馏核算模型) 、 s c f r a c ( 简捷法多塔蒸馏模型) 。 严格法模型：m u l t i f r a c ( 严格法多塔精馏模型) 、p e t r o f r a c ( 严格法分馏塔) 、r a t e f r a e ( 精馏的核算与设计模型) 、e x t r a c t ( 严格萃取塔模型) 。 其中r a t e f r a c 是一个基于流率的非平衡的模型，用于模拟各种类型的多级气液精馏 操作，可用于一般精馏、吸收、再沸吸收、汽提、再沸汽提、萃取和共沸蒸馏。适用于 两相系统、窄沸程和宽沸程系统以及液相具有强的非理想程度系统。构成包括任意组输 入、任意组侧线、任意组加热器( 或热流) 和任意组倾析器。 对于精馏模拟必须确定以下条件： 进料性质( 包括进料的组成、温度、压力、进料量、相数等) 和进料位置。 出料性质( 包括相数等) 和出料位置。 塔的性质，如塔板数、塔的压力分布、回流比、气相产品占塔顶总产品比率或塔 顶出料、塔底出料、回流量等。 其它如侧线出料、加热器和再沸器的热负荷、蒸气组分初值、塔板效率、回流温度、 填料性质或塔板性质等，都可以由模拟者根据要求设定。 m e a 吸收c c h 过程用能分析及节能途径探讨 1 2 3a s p e np l u s 软件的物性集 对于一个模拟过程来说，准确无误地选择物性是模拟结果好坏的关键。a s p e n p l u s 为单元操作计算提供了热力学性质和传递性质，在典型的a s p e np l u s 模拟中， 常用的物理性质参数有逸度系数、焓、密度、熵和自由能。传递性质仅在用户要求时才 进行计算【1 6 1 。 a s p e np l u s 共提供4 4 个物性选择集，为处理广泛的操作条件和各种类型的混合 物提供了灵活性。例如选择物性集a m i n e s 适用体系是水、四个烷醇胺之一、硫化氢、 二氧化碳以及在典型脱硫工艺中普遍存在于气体中的其他组份。这四个烷醇胺之一是指 乙醇胺( m e a ) ，- - 7 , 醇胺( d e a ) ，二异丙醇胺( d i p a ) 和二甘醇胺( d g a ) 。 本文采用的是基于关联式的物性方法a m i n e s ，用a m i n e s 性质方法计算m e a 脱 碳系统时，温度范围为9 0 2 8 0 f ，h 2 或c 0 2 的最大含量( 摩尔气体摩尔胺) 为o 5 ， 溶液中胺的浓度( 质量) 为1 5 3 0 。该物性方法使用关联式k e n t e i s e n b e r g 来计算k 值 和焓，使用以下化学反应式描述c 0 2 + a m i n e 系统的化学平衡【1 7 , 1 8 。 r r 脚；k l h + + r r n h r r n c 0 0 一+ h 2 0k 2r r 脚+ h c o ； h 2 0 + c 0 2kh + + h c o ； h ，ok 。h + o h h c o ；k sh + + c 醇 其中：r 和r = 醇代烷基 平衡常数给出如下： i n k i = a + a 2 f t + a 3 f t 2 + 彳4 j 丁3 + 彳5 j 丁4 ( 1 1 ) 化学反应平衡方程与质量平衡方程同时求解。这样得到了在溶液中游离c 0 2 的摩尔 分率。通过h e n r y 常数把c 0 2 的平衡分压与各个游离浓度相关联： l n h f = 且i + b 2 f t ( 1 2 ) 由标准热力学关联式计算c 0 2 的表现逸度及偏摩尔焓、吉布斯能和熵。 1 3 有效能分析法 1 3 1 有效能的基本概念 ( 1 ) 有效能的定义 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 热力学第一定律说明各种能量之间可以相互转换，且转换过程中总能量保持不变。 热力学第二定律说明了能量转换过程中具有方向性或不可逆性。也就是说，并非所有的 能量都能全部地、无条件地转化为其它形式的能量。例如热能不能无条件地全部转化为 功。卡诺机的热效率随低温热源温度的降低而增大。然而，低温热源温度不能无限制地 降低，它的最低温度是环境温度t o ，此时卡诺热机的效率为【1 9 2 0 1 ： 甲 r = 1 一等 ( 1 3 ) - f 若热源温度和环境温度相等，t = t o ，则卡诺机效率为零。也就是说，环境温度下 的热源其热不能转换为功。 。综上所述各种能量相互之间可以转换，但在相互转换时它们的转换能力是不同的。 有的能量能全部转化为功。有的只能部分转化为功，而有的则全部不能转化为功。这就 是说，能量不仅有数值的大小，还有品位的高低。各种能量所能利用的程度不仅跟它本 身的大小有关，还跟它的品位高低有关。为此，提出了有效能的概念。 在给定的环境条件下，理论上可以转换为有用功的那部分能量称为有效能，用e ，表 示；不能转换为有用功的那部分能量称为无效能，用彳表示。显然，任何一种能量都由 有效能和无效能组成，即 e = e z + a ( 1 4 ) 由于环境条件下的能量不能转换为有用功，它的有效能为零。因而，环境状态为有 效能的零点。 ( 2 ) 有效能的计算 电能和机械能( 体系所具有的宏观动能和位能) 在理论上能全部转换为有用功，因 而全部是有效能。 e x w = 形 ( 1 5 ) 热不能全部转换为有用功，其限度由卡诺循环决定。当热源温度为r ，环境温度 为t o 时，热量q 的有效能e 阳为 ， t 、 e x o = 纠1 一等i ( 1 6 ) 上 稳流过程流体的物理有效能为【2 1 2 2 】： = 一( h o h ) + t o ( s o - s ) ( 1 7 ) 其中，日和s 是流体处于某状态的焓和熵；h o 和& 是流体在基准态的焓和熵。 纯态化合物的化学有效能： m e a 吸收c 0 2 过程用能分析及节能途径探讨 化合物的标准摩尔化学有效能应是组成化合物的单质标准摩尔化学有效能之和减 去生成反应过程的理想功： 砭，= ( 畔) ，+ 丫碳。 ( 1 8 ) 其中，砭j 为化合物的标准摩尔化学有效能，( 畔) ，为化合物f 的标准生成自由 焓，。砭j 为单质，标准摩尔化学有效能，t j 为生成反应方程式中单质_ ，的计量系数 ( 3 ) 分离过程的理想功 由于纯组分等温等压混合构成理想溶液的焓变脯= 0 ，= 0 ，得混合过程的能 量平衡式为： 脯= q = 0 ( 1 9 ) 这就是说，纯组分在等温等压下构成理想溶液的过程是绝热过程。显然，理想溶液 等温等压分离成纯组分的过程也是绝热过程，即胡分膏= 0 。分离过程的理想功即最小 功为 阡，量小= 阿想，分离三一日分膏+ 瓦s 分膏= 瓦s 分膏 0 。 对于换热器，传热过程的内部有效能损失是不可逆传热。在忽略热损失的换热器中， 有效能损失是由传热所致。温差传热可使高温热变成低温热，使能量贬质，有效能损失。 当温差越大，有效能损失也越大，因此从节能角度考虑，传热温差越小越好。然而温差 减小，倘若保持热流量不变的话，则传热面要增大，即投资费要大。这里有一个经济最 佳化的问题。有效能损失还与流体的绝对温度成反比。设备散热( 冷) 损失引起的有效 能损失不仅取决于散热( 冷) 量，更要看其品位。温度愈远离常温，不仅单位热( 冷) 量的有效能增大，而且由于与环境的温差也大了，损失的绝对热量也增加。 解吸塔和吸收塔内的不可逆损失包括传热、流动、传质这几个方面。传热不可逆损 失既取决于再沸器的热负荷( 它与解吸塔的设计有关) ，又取决于传热温差。另一方面， 吸收塔和解吸塔的操作温差愈大，则传热量也愈多。流动不可逆损失包括气相和液相两 部分。液相流动不可逆损失和循环量及两塔压差有关，而循环量又决定于溶液浓度和再 生度，必须全面考虑。传质过程中，吸收塔截面气相c 0 2 分压大于液相平衡分压，而解 吸塔则相反。但吸收塔进行的是吸收过程，解吸塔则是解吸，因此不论哪一种情况，损 耗功均为正。塔内传质损耗功不仅包括c 0 2 传质，还有水蒸气的蒸发和冷凝都是不可逆 的，解吸塔顶回流的混合过程也是不可逆的。 对于每一个工艺流程，全系统的总有效能损失等于各部件或各环节局部有效能损失 的总和，现将传统工艺流程的各个模块的有效能损失和总有效能损失列表于2 6 。 m e a 吸收c 锄过程用能分析及节能途径探讨 表2 6 传统工艺流程能量损失表 t a b 2 6e n e r g yl o s so ft r a d i t i o n a lp r o c e s s 通过对表2 4 ，表2 5 ，表2 6 中各个单兀热量和有效能值的分析和计算司以看出： 解吸塔热量消耗量占全流程的互秀菇干磊熹= 8 6 7 6 ； 解吸塔有效能消耗占全流程的互秀孬j 篆怎= 6 5 9 3 ； 解吸塔有效能损失占全流程的鱼塑丝言磊竽= 6 9 。6 3 。 由此可见，用一乙醇胺溶液回收烟道气中二氧化碳的化工系统中，解吸塔中的热量 消耗、有效能消耗和有效能损失占据全流程各项的一半以上。因此，节约或降低解吸塔 中的能耗成了全流程节能的重中之重。 2 5 解吸塔逐板有效能分析 m e a 吸收c 0 2 流程中的解吸塔是一个典型的精馏过程，在分析解吸塔有效能时采 用精馏塔有效能分析的原理。 为了正确评价化工单元使用能量的合理程度，应当深入分析其内部情况，确定反映 能量传递、转换关系的模型和相应的热力学效率。因此，需要逐层分割研究对象，认识 大连理工大学硕士学位论文 各层次内部降彼此间的关系，逐步推理引出有关结论。即应当根据对内部过程的认识将 它分成若干微形能量单元( 微元) 来研究。 现以精馏塔的第j 块塔板为研究对象，分析其上的能量传递一转换过程，这一过程可 由图2 7 表示。二 l j - i 而，t , pj - t 败，t , p j a 图2 7 第，块塔板上的能量传递一转换过程 f i g 2 7e n e r g yt r a n s m i s s i o n - c o n v e r s i o no nj t hd i s t i l l a t i o nt r a y 从第一l 块塔板下降的组成、温度、压力和流量分别为x u 一。，乃- l ，p ，- l 和三，- 1 的 液相。其中，流量为址，的部分，汽化为组成、温度、压力和流量分别为y ，乃，p f 和的汽相中。其余部分仍然为液相，但转移到组成、温度、压力和流量分别为以， z ，p ，和三，的液相中。 从第，+ 1 块塔板上升的组成、温度、压力、流量分别为y u “，乃+ l ，p ，+ l 和巧+ 。的 汽相。其中，流量为y ，的部分，冷凝为组成、温度、压力和流量分别为x ，丁，p ， 和三，的液相中。其余部分仍然为汽相，但转移到组成、温度、压力和流量分别为y 。， l ，p ，和y ，的汽相中【4 9 - 5 1 1 。 由上式可见，这一复杂的过程包括下列四个过程： 液相的直接转移过程。其中，包括因液相直接转移引起的传热和传质过程； 液相的汽化过程。这是一个相变过程，相变过程可以视为一个化学变化过程； 气相的直接转移过程式。其中，包括因气相直接转移引起的传热和传质过程； 液相的冷凝过程。这也可视为一个相变过程。 m e a 吸收c 0 2 过程用能分析及节能途径探讨 精馏塔内有效能损失主要由各板温度和浓度不平衡的物流混合引起，塔内损失是所 有塔板内一切不可逆损失之和，即各塔板有效能衡算式中损失项的和。在精馏过程中， 一部分物理有效能通过传热和传质转换为扩散( 化学) 有效能，另一部分物理有效能则 在传热和传质过程中因克服不可逆的阻力而损失掉了( 因而转化为无效能了) ，因而， 精馏过程的实质是：在塔板内的能量转换过程中，物理有效能的减少是推动力，扩散有 效能的增加是加工目的，物理有效能转换为扩散有效能，同时伴随有物理有效能损失。 这样，第，板有效能衡算式和热力学效率分别为： 一缸肪，= ，+ q ( 2 4 ) r = 址d 盱f | _ 醯口i i | q 勘 式中的一丝砷，和刖锄，的计算包括进入和流出第j 板的所有物流的各相应项目。 对于再沸器和冷凝器，则应计入由于换热引起的有效能变化。 全塔的有效能衡算式是式( 2 4 ) 对所有塔板加和的结果。 一丝砷，= ，+ q ( 2 6 ) 相应的热力学效率，依式( 2 5 ) 为 衄出帝厶衄d 衙 2 蔬 q 7 依据精馏塔逐板能量模型，可以在已有的一些精馏塔逐板计算方法的基础上计算各 塔板有关物流的物理有效能和扩散有效能，从而确定各塔板有效能的流动和变化情况并 计算其有效能损失和热力学效率( 式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) ) ，获得逐板有效能衡算的结果。 这样便可以查明各塔板和塔段内有效能工作特性，为精馏过程的热力学评价和节能改进 提供依据。 当液流和气流在塔内逆向流动时，随塔板温度变化，一股的物理有效能减少，另一 股的增加。因此，通过塔板时一股物流提供物理有效能，另一股回收物理有效能，提供 量与回收量之差为塔板内物理有效能的消耗。 在第j 板与j + l 板间流动的物流三和巧+ l 的焓差分别为日一h o 工，和h h o 。， 将l ( 日一日。) l ，一一风) l 称为通过塔板的焓流日一h o , j 。忽略塔板间压力的变化， 则第，板内物理有效能的消耗量相当于【5 2 , 5 3 】： 大连理工大学硕士学位论文 l 二砒 _ ( 1 - 剖 亿8 ， 应用逐板有效能分析法，结合a s p e np l u s 软件的模拟结果，对传统流程进行有 效能分析，分析结果见表2 7 。 表2 7 传统工艺流程逐板有效能衡算表( 1 0 6 l 【j h ) t a b 2 7 p l a t e - t o - p l a t ea v a i l a b l ee n e r g yc a l c u l a t i o no f t r a d i t i o n a lp r o c e s s 由表2 7 可以看出，节能的潜力分布在两个方面，一方面是解吸塔塔顶冷凝器由于 带走的热量未被利用而损失掉了，若将其加以利用，则可以提高解吸塔有效能效率；另 一方面是通过提高解吸塔每一块塔板上有效能效率来提高整个解吸过程的有效能效率。 2 6 传统工艺流程的特点及存在问题 用m e a 法脱除c 0 2 的主要特点为： 溶液对c 0 2 的吸收能力大，吸收速率快，对其它组份的吸收能力相对较小，c 0 2 的回收率高、纯度高。 吸收温度低，吸收温度越低，净化气中c 0 2 含量原则上也越低，但温度太低，溶 液对c 0 2 的吸收速度也就太慢，这样在有限的空间内溶液吸收的c 0 2 量反而减少，因此 当吸收温度过低时，净化气, c 0 2 含量反而会增高，同时也增加系统热耗，加重换热设 备负荷，造成能源浪费。吸收温度太高，因受溶液相c 0 2 平衡分压太高的影响而使气液 m e a 吸收c 0 2 过程用能分析及节能途径探讨 相间c 0 2 推动力减小，使净化气中c 0 2 含量增加，同时也使吸收剂损耗加大，综合前述 因素，吸收温度( 溶液) 以3 5 - 4 0 为宜。 解吸压力低，解吸压力越低越利于溶液中c 0 2 释放，相同温度条件下，解吸压力 越低，解吸c 0 2 中水蒸气所占比例就越大，水蒸气分压比例越大，c 0 2 分压相对越小， c 0 2 气体从液相中释放出来就越容易，但水蒸气带走的热量相应越多热耗增加。反之， 压力越高，解吸c 0 2 气带走水蒸气量越少，c 0 2 在解吸气中分压越大，c 0 2 要从溶液中释 放出来就越困难。因此，解吸压力高，虽然解吸热耗低，但不利于解吸，不利用吸收。 解吸温度过低，溶液中c 0 2 释放出来的速度太慢，解吸不好，温度太高，除加快 有机胺的降解外，还可能使溶液在局部地区产生爆沸，造成塔内拦液和泛塔现场产生， 而影响解吸效果。所以，解吸塔底溶液温度在1 1 0 - 1 1 2 能使溶液保持良好的吸收效果。 存在的问题是： 由于氧化、热降解、发生不可逆反应和蒸发等原因，导致吸收剂吸收能力损失， 富c 0 2 吸收液中降解产物造成系统腐蚀。 。 不易从氧含量较高的烟气中回收c 0 2 。 解吸所需的热量大o 解吸塔的有效能损失大。 解吸塔塔板的有效能效率低。 从能量衡算中可知，全流程的热量消耗为4 2 0 8 4 6 1 0 6 k j h ，解吸塔的热量消耗为 3 6 5 1 4 6x1 0 6 k j h 。占全流程热量消耗的8 6 7 6 ；全流程的有效能消耗为1 6 3 4 7 4x 1 0 6 k j h ，而解吸塔的有效能消耗为1 0 7 7 7 4 1 0 6 k j h ，占全流程有效能消耗的6 5 9 3 。 为了减少c 0 2 解吸过程中的大量能耗，结合节能的理论途径，提出了三种方案，分别是 双效精馏、分段吸收和热泵精馏。 大连理工大学硕士学位论文 3改进流程的模拟及有效能分析 3 1 双效精馏流程 3 1 1 双效精馏的节能原理 双效精馏的原理是重复利用给定数量的能量来提高精馏设备的热力效率。精馏系统 由不同操作压强的塔组成。利用较高压力的塔顶蒸气作为相邻压力较低的精馏塔再沸器 的热源。此较低压力精馏塔的再沸器即为较高压力精馏塔的冷凝器。塔顶蒸气的汽化潜 热被系统本身回收利用。因此在较大程度上降低了精馏装置的能耗【叩。 双效精馏按照加热蒸气与物流的流向，分为顺流法、平流法和逆流法等工艺流程。 本文采用双效平流精馏操作流程。 双效平流精馏操作流程是物料在高低压塔分别进料，高、低压塔顶和塔底分别得到 相当纯的再生气和冷凝液，工作蒸气只输入高压塔的再沸器，高压塔产生