丁二烯火用平衡分析

1、丁二烯抽提装置火用平衡分析及节能途径探讨吴俊强（武汉石化乙烯项目部，湖北 武汉 430082）2010年5月摘要 通过对丁二烯抽提装置的平衡进行计算，得出了系统效率及损失。通过对计算的结果进行分析，从装置设计和工艺操作等方面探讨丁二烯装置的节能方向和途径。关键词：丁二烯抽提 平衡 节能途径 1、前言：本丁二烯抽提装置设计处理能力为10万吨/年丁二烯，设计年操作时间为8000小时。针对当前国家能源短缺，大力提倡开展节能降耗的形势下，对各炼油化工企业的装置进行用能分析，找出行之有效的节能降耗途径，意义十分重大。为此于2007年4月18日0时至4日24日24时，丁二烯装置进行了100%生产负荷和11

2、0%生产负荷的生产技术标定。本文通过丁二烯装置100%生产运行情况及用能情况的标定结果，对该装置进行了平衡计算和分析，从装置设计和工艺操作方面提出了丁二烯装置的节能方向和途径。2、装置简介：2.1、生产工艺原理：本丁二烯抽提装置采用DMF萃取精馏工艺，以二甲基甲酰胺（DMF）作溶剂，将裂解装置提供的混合C4馏分，采用两级萃取精馏，分别除去丁烷、丁烯等难溶组份和乙烯基乙炔等易溶组份，得到的粗丁二烯经水洗脱除二甲胺后，再用两级普通精馏脱除其它组份，提取出高纯度聚合级丁二烯-1,3。2.2、工艺流程简介：丁二烯抽提装置工艺流程简图，见图1.第 一萃取塔系统第 二萃取塔系统第 一精馏塔系统第 二精馏塔

3、系统C4原料丁烷丁烯脱除难溶物乙烯基乙炔脱除易溶物甲基乙炔 水脱除低沸物顺丁烯脱除高沸物丁二烯产品图1 丁二烯抽提装置工艺流程简图3、物料平衡和能耗计算：3.1、装置物料平衡：通过对装置标定数据计算，得到的进出装置的物料平衡，见图2和进出各塔及容器的详细物料平衡，见图3：燃料油 194.0 kg /h抽余碳四14603 kg/h丁二烯抽提装置原料碳四28000kg/h丁二烯 12469 kg /h焦油 39.83 kg/h燃料气744.16 kg/h注：1、燃料气中有10kg/h的氮气。 2、 焦油中主要为溶剂及装置所加入化学品生成。图2 丁二烯抽提装置物料平衡图 图3、丁二烯抽提装置各塔及容

4、器的详细物料平衡图3.2、能耗计算：根据装置标定数据，计算出装置各项能耗，见表1。表1 装置能耗计算表项目单位单耗换算系数对比能耗值能耗结构%设计标定设计标定设计标定循环水中压蒸汽蒸汽凝液电氮气仪表风t/tt/tt/tkwh/tNm3/tNm3/t3402.7-1.7512813.2820.24283.102.255-1.88123.518.664.970.1807.650.260.150.03834.0216.0-13.3933.281.9920.76928.31180.40-14.3832.111.300.1912.4779.22-4.9112.210.7310.28212.4279.14

5、-6.3114.090.570.08工业风Nm3/t0.028工业水t/t0.17生活水t/t0.17综合能耗kg标油272.65227.941001004、 火用平衡计算与分析：4.1 火用平衡：通过对装置标定数据进行计算，得到了装置实际生产的物料平衡和装置能量平衡，并在此基础上计算出装置火用平衡，计算结果见表2。表2、装置能量利用状态表环节项目能量火用kwkw/tkwkw/t能量转换总供入蒸汽22399.12EPS1796.387440.07EXPS596.69电2897.64EPE232.392897.64EXPE 232.39热能41.87EPH3.368.42EXPH 0.675合计

6、25338.63EP2032.1310346.13EXP 829.75转化排弃1394.23EW111.82390.37DJU31.31过程火用 损1339.13DKU112.21有效利用22535.38EU1807.317207.61EXU578.04非工艺有效动力1409.02EUO113.001409.02EXUO113.00工艺利用回收循环19148.8ER1535.714247.92EXR340.68工艺总用23407.89EN1877.298448.84EXN677.59热力学能（火用）耗1.39ET0.110.28DT0.02过程火用 损805.59DKP64.61散热1223.

7、51EUD98.12268.19EXUD21.51能量回收待回收21919.84EO1757.954304.68EXO345.23非工艺有效动力1409.02EUO113.001409.02EXUO113.00排弃20457.78EJ1640.69790.10DJR63.36过程火用 损3094.51DKR248.18汇总指标净能（火用）耗25337.24EA2032.0210345.85DA829.73能量转换效率%U94.50XU83.28能量使用效率%P93.65XP50.95能量回收率%R82.08XR74.35总排弃火用DJ116.18总过程 火用 损DK425.00说明：能耗按每吨

8、丁二烯产品量计算。冷却水按0.3846 kwh/t折电计算。4.2、装置能流图及火用 流图：EUOEUO：113.00EJD：48.75EJO：3.38EWD：21.51EJ：1640.69EO：1757.95EWP：38.48ER：1535.71Eps：1796.38EJC：1548.16EJM：40.40EN：1877.29Eu：1807.31Ep：2032.13EpH：3.36EpE：232.39ET：0.11EUD：98.12EE：3.109转换效率U94.50%；使用效率p:97.96%；回收率R82.08%。工艺总用能EN：1877.29kw/t图4、能流图DT：0.02EXUOE

9、XUO：113.00EXO：345.23DJU：31.31DJR：63.36EXR：340.68EXps：596.69EXR：340.68EXN:677.59EXu：578.04EXp：829.75EXpH：0.675EXpE：232.39EXUD：21.51EXE：0.0Dku：112.21Dkp：64.61DKR：248.18 转换效率XU83.28%；使用效率P93.65%；回收率XR74.35%。工艺总用火用 EXN：677.59kw/t图5、火用 流图4.3 、平衡分析：通过装置能量利用状态表可分析得出以下结论：(1)、装置用能及用火用 情况较为合理，能量回收率较高。(2)、装置能量

10、转换效率为94.50%和火用 转换效率为83.28%，说明装置在能量转换过程中能量损失较小，这部分能量利用损失主要是电能转换过程中的非工艺有效动力，具体是压缩机和电泵的有效工艺效率较低，见表3。表3序号位号名称流量kg/h额定功率kw机组运行效率%电机消耗功率kw工艺需要功率kw1P-201溶剂进料泵251998 16073.00 138.53 65.39 2P-202T-201回流泵33903 3048.93 22.25 9.21 3P-203T-201中间泵280000 13266.61 104.65 42.82 4P-204T-202回流泵10854 5.542.00 4.50 0.86

11、 5P-205T-202釜液泵223358 11069.49 84.77 16.83 6P-206溶剂排出泵700 2.25.32 1.63 0.07 7P-207T-203回流泵32225 2248.43 17.76 6.49 8P-208T-204釜液泵28555 5.547.58 5.26 2.21 9P-209T-205釜液泵27881 18.540.77 15.69 2.10 10P-210T-205回流泵3308 3.716.83 2.19 0.21 11P-211T-206进水泵29721 3734.74 29.22 8.04 12P-212T-207釜液泵18352 5.567

12、.90 4.20 1.21 13P-213T-207回流泵12912 1137.72 6.24 0.81 14P-215T-208回流泵70000 3056.26 23.48 4.95 15P-216冷凝水泵150228 5546.69 46.55 8.69 16P-217丁二烯成品泵14469 1531.21 9.63 1.02 17P-218T-209釜液泵316 2.21.52 1.68 0.02 18P-219T-209回流泵778 2.23.61 1.88 0.04 19P-221密封溶剂泵1584 116.01 6.08 0.36 20P-232TBC循环泵1395 0.757.6

13、9 0.54 0.04 21J-201-P压缩机润滑油泵59707.43056.81 21.39 12.15 22A-219搅拌器5.53.89 23J-201（A）压缩机一段20078.2102572.47936.63J-201（B）压缩机二段19680.7 从上表可见，各泵工艺需要功率较泵有效功率低较多。(3)、从表2中可看出装置能量使用效率为93.65%和火用使用效率为50.95%，从火用使用效率上看出装置存在能量使用过程中较大的火用损失。分析原因主要有两点：第一是因装置介质运行的要求，装置需要蒸汽是从这造成了蒸汽减压过程中有较大的火用损失。表4项目压力MPa温度流量kg/h火用kw进装

14、置1.47253.2281227440.07出中压1.05194.9202514846.03出低压0.55165.094701998.00 由上表可见，装置蒸汽因减压造成火用损失为596kw。第二是由于装置第一萃取塔和第二萃取塔，以及溶剂精制塔都存在进料温度低于进料口塔板处温度的情况，使得塔内混合火用损较大，塔的火用 效率过低。第一萃取塔。其火用效率低的主要因素是：一是原料进料温度较塔内温度过低，原料进料在T-201B塔的第18层塔板，原料温度为48.4，而T-201B塔顶温度为71.5。二是溶剂进料在T-201A的第10层塔板，溶剂进料温度为42.0，T-201A塔顶温度为42.3。 溶剂精

15、制塔。其火用效率低的主要因素是：溶剂进料在塔的第12层塔板处，溶剂进料温度为80.0，塔顶温度为97.4。 第二精馏塔其实际塔回流比为5.4，过大的回流使得物流汽化火用损增大。 表5 装置各塔系火用 平衡表序号位号名称入方 kw出方 kw火用 效率%进料换热电功合计物流回流散热火用 损1T-201A/B第一萃取塔A/B906.693475.7080.604463.012819.03195.91118.50807.4367.553T-202第一汽塔2444.082688.821.895134.793666.59437.1128.24352.9979.924T-203第二萃取塔402.62557.

16、628.60968.85247.34302.4131.77387.3464.585T-204丁二烯回收塔88.86251.700.00340.55296.41-10.0534.0987.046T-205第二汽塔293.31345.150.37638.83447.6992.2919.6579.2184.537T-206水洗塔162.31-162.31154.40-2.765.1495.138T-207第一精馏塔152.37180.602.35335.32166.48137.226.5025.1290.579T-208第二精馏塔166.32974.175.981146.47162.17616.85

17、12.85354.6067.9510T-209溶剂精制塔4.0593.890.0998.040.2937.6017.3642.7938.65(4)、装置能量回收率为82.08%和火用回收效率为74.35%，相对于同类丁二烯装置比较高。表6 标定装置热能回收情况表热流体回收前温度回收后温度可利用热回收率%设计标定设计标定设计标定循环溶剂163.9161.356.151.190.6694.75蒸汽凝液90.096.270.062.440.0060.14装置能量回收效率较高的主要因素是，装置在设计时换热流程已用夹点技术进行过优化。装置标定数据进行夹点换热计算出装置换热夹点为50.9，最小热负荷为19

18、535.84kw，最小冷负荷为19378.68kw。标定装置供入蒸汽热能为22399 kw，较夹点计算的最小热负荷大了14.6%，装置换热量大的换热器均符合夹点换热的理论，因此整体热回收效率较高。装置内压缩机中间冷却器E-211，存在穿过夹点换热问题；在设计时考虑到压缩机整体外包，外方设计方便、另压缩机段间压力差要求较高也制约了换热回收流程的设置。装置换热流程在设计时考虑换热的经济性，存在E-212、E-230、E-231和E-233几个换热器为穿过夹点的换热，但这个换热器热负荷较小，对装置能量损失影响不大。5、节能途径的探讨及效果分析：本丁二烯装置为DMF法丁二烯抽提装置，在工艺设计上采取了

19、不少操作和节能优化措施，其能耗水平达到了国内同类装置的先进水平。但从装置能量平衡和火用平衡状态分析，装置节能工作仍有文章可做,根据对标定结果的火用平衡状态分析,提出装置节能改进措施如下:5.1、采用电机变频调速技术，减小电能转化过程中的火用损从装置泵运行标定情况来看，装置机泵效率都较好，但机泵的工艺有用效率并不高。泵提供的能量有较大部分被用于克服管路阻力、调节阀节流控制等损耗。如泵P-205电机消耗功率为84.77kw，而其工艺正常运行时需要的功率为16.83kw，能量损耗高达80%。因此，应考虑采用调速电机驱动，如采用变频调速器，可起到节能效果。以下是部分电机若采用变频调速器的投资收益表。表

20、7 电机采用变频调速器投资收益表位号名称电机功率kw机组效率%有用效率%机泵节电kwh变频节电率%变频投资万元每年收益万元年收益率%P-201溶剂进料泵16073.00 47.21 44.06 31.80 40.0 22.91 57.3 P-203T-201中间泵13266.61 40.92 36.33 34.71 13.2 18.89 143.1 P-205T-202釜液泵11069.49 19.85 54.49 64.29 11.0 28.34 257.6 P-209T-205釜液泵18.540.77 13.39 9.48 60.45 1.9 4.93 266.6 P-215T-208回流

21、泵3056.26 21.1 13.21 56.25 3.0 6.87 229.0 P-216冷凝水泵5546.69 18.68 25.13 54.00 5.5 13.07 237.6 汇总182.774.695.01127.3从上表可见，若对以上6台泵进行变频改造，可节约装置用电182kwh，减少装置单位产品用能3.8千克标油。5.2、根据装置负荷情况优化压缩机操作，减少压缩机电机电损耗：装置丁二烯气体压缩机为螺杆压缩机，为容积式压缩机。在满足压缩机出口压力能返回第一萃取塔的前提下，减小压缩机的压缩比可降低其用电量。标定时已将压缩机出口压力从设计值590kPa降低至555kPa，这减少了压缩机的用电量每小时约75kwh。5.3提高溶剂萃取塔溶剂进料温度，减小萃取塔混合火用损： 根据DMF溶剂在第一萃取塔的作用机理，可适当提高T-201塔溶剂进料温度，以减少塔的热负荷及物料传热混合火用 损。若将DMF溶剂进塔温度从42提高到45，可减少第一萃取塔用能为360kw，降低装置单位产品用能2.6千克标油。5.4、优化冷却系统流程，减少非工艺有效动力输入能耗装置换热流程进行过优化，但循环水流程未达到最优。装置冷却物料温位差别较大，各冷却器回水温度差别也较大，通过对装置冷却流程进行优化改造，可以实现部