冷热媒在化工企业中的应用

冷热媒在化工企业中的应用

1汽化、凝结水系统在中国的一些化工公司中，原料化工工艺通常采用生理盐水冷却和蒸汽加热的过程（见图1）。物料冷凝时,将盐水通入纯化器,不断循环,待冷凝工序完成后,为将冷凝器盘管内残留的盐水排入冷冻系统,须用压缩空气将盐水排入排液箱,再经排液泵注入系统。当物料被汽化时,将蒸汽通入纯化器盘管,待汽化过程完成后,再用压缩空气将盘管中的凝结水吹扫干净,以防止盐水通入时浓度变化引起凝固点改变。该流程存在以下不足:1)由于冷却介质(冷媒)采用了盐水,而盐水对金属的腐蚀性较强(温度≤80℃,年腐蚀率为0.05～0.5mm/a),因此设备和管道有被腐蚀而发生泄漏事故的可能性。为防止事故发生,必须增加设备和管道的壁厚,工程造价提高。2)由于加热和冷却采用不同工质,在冷凝、汽化工序转换时操作程序复杂,工作周期延长。2冷冻、加热系统汽化工序的特点采用同一种介质作为冷/热媒,在物料被冷凝时,将冷媒通入纯化器,冷凝工序完成后,切换冷冻、加热系统阀门,进行汽化过程。流程见图2。相对采用不同介质的冷冻、加热系统,该系统具有以下优点:1)采用同一种工质作为冷热媒,冷凝、汽化工序转化操作简单。2)对系统的管理、自控仪表的检测更具先进性。3乙二醇的特性理想的冷/热媒应具有的特性:1)在该系统的工作温度范围内,所选的冷/热媒是液体状态,其凝固点应比该系统中制冷剂蒸发温度低4～8℃,其沸点应高于系统可能达到的最高温度。2)比热容大。传输一定热量时,比热容大的工质流量小,可以减少输送工质循环泵的功率消耗。3)密度小。当流量一定时输送密度小的介质,其循环泵的功率消耗小。4)化学稳定性好。在大气条件下不分解,不与空气中的氧化合,不改变其物理化学性质。5)对设备、管道及附件腐蚀性小。6)液态和气态时均无毒。乙二醇的特性见表1～表5。通过上述分析可知,乙二醇水溶液作为冷/热媒应用于该类工程是安全可靠的。4采用乙二醇溶液为冷热媒体系统的设计要点4.1凝固点/熔点的选择在某工程物料装置的乙二醇系统中,其工作温度为-25～100℃,因此乙二醇水溶液的浓度首先要满足凝固点-30℃以下、沸点105℃以上的基本要求,其次要考虑对应温度下的密度、比热容及黏度对系统的影响。从表6可看出,乙二醇水溶液的质量分数为48%时,凝固点为-33℃,沸点为106℃,可满足使用要求。该质量分数下的导热系数随温度的变化较小,但黏度随温度的变化较大,在设计中需考虑此因素。4.2泵性能修正系数普通离心泵是在一定流量下,根据扬程确定电机功率的,且均以水的黏度作为参考值。由于乙二醇水溶液在低温状态下的黏度较大,因此在选择泵时要充分考虑黏度的影响。通过泵在不同黏度下对流量、扬程、效率修正系数确定冷媒泵的电机功率。图3所示为离心泵输送黏性液体时泵性能的修正系数。如果系统输送质量分数为48%的乙二醇水溶液流量为30m3/h,扬程40m,溶液的黏度为27.3mPa·s,则可从图3中查出对应的流量、扬程、效率修正系数CQ,CH和Cη分别为0.99,0.95和0.78,水泵效率取80%,则输送乙二醇水溶液所需的轴功率(kW)为Ν轴乙=QρΗ3600×102CQCΗCηη=30×1086×403600×102×0.99×0.95×0.78×0.8=6.0(1)式中:Q,ρ和H分别为水泵流量、流体密度及扬程。同样流量和扬程下输送介质为水的轴功率(kW)为Ν轴水=30×1086×403600×102×0.8=4.4因此输送乙二醇水溶液时应考虑介质对水泵性能的影响。4.3加热形式的确定本工程采用蒸汽加热形式,蒸汽压力为0.3MPa(表压),此时蒸汽饱和温度为120℃。4.4气体压延系统的配置4.4.1电热泵汽蚀在热媒加热系统中,需将乙二醇水溶液加热至100℃,而48%乙二醇水溶液常压下沸点(760mmHg)为106.7℃。由于加热设备内介质温度梯度的存在及管道的阻力损失等因素,可能使乙二醇水溶液汽化,造成热媒泵汽蚀,直接影响系统的正常运行。为加强系统可靠性,在加热罐液面上方充入氮气,提高整个系统的压力,以此提高工作介质的沸点。4.4.2天然气压力的确定氮气压力的确定应考虑2个方面的因素:防止溶液沸腾和防止溶液泵汽蚀。1系统的也有蒸发熵的点klnp-lnp0=ΔΗvR(1Τb-1Τ)(2)式中:p为系统中工质沸点对应的压力(mmHg);p0为正常沸点压力(760mmHg);R为气体常数(8.31J/(K·mol));Tb为标准大气压下介质的沸点(K);T为系统中工质的沸点(K);ΔHv为溶液在760mmHg的蒸发熵(J/mol)。在某工程中,加热蒸汽温度为120℃,故乙二醇水溶液的最高温度不会超过此温度,即T=120+273=393K由于被加热介质为乙二醇水溶液,因此ΔHv可通过计算得出:ΔH水=40756ΔH乙二醇=49671则ΔHv=40756×0.52+49671×0.48=45035.2由(2)式可求出p=1236mmHg=16.5kPa由于系统管道和设备的压力损失Δp=120kPa,考虑一定安全系数,系统中氮气定压力(kPa)为p定=(p+Δp)×1.1=1502kpa/pv压力和回用压力Δh=pa-pvρg+v122g-Ηg(3)式中:Δh为允许汽蚀余量(m);pa为作用于吸水面的绝对压力(kPa);pv为液体温度下的汽化压力(kPa);ρ为液体的密度(kg/m3);v1为水泵吸入口的平均流速(m/s);g为重力加速度(m/s);Hg为水泵制造厂提供的允许吸上高度(m)。比较式(2)与式(3)的计算结果,取其较大值为系统的定压值。4.5腐蚀速度的测试在选择冷凝器盘管材料及乙二醇系统管道材料时,对48%乙二醇水溶液对金属的腐蚀速度进行了测试。结果表明乙二醇水溶液对不锈钢及碳钢的腐蚀性均属耐腐蚀级。由于不锈钢导热性能较碳钢差(100℃时前者λ=16.3W/(m·℃),后者λ=51.8W/(m·℃)且价格较高,故在设计中应采用碳钢材料。5金属管道及设备腐蚀某工程采用乙二醇水溶液作为冷/热媒应用于气体纯化工艺,管道及纯化器采用不锈钢材料