聚氯乙烯裝置熱集成

第24卷,總第135期《節能技術(shù)》Vol.24 , Sum. No. 1352006年1月,第1期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYJan. 2006,No.1聚氯乙烯裝置熱集成馮霄,趙馳峰,孫 亮(西安交通大學(xué)化工系,陜西西安710049)摘要:聚氯乙烯裝置是一個(gè)高耗能裝置,對其利用夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行節能改造,有很重要的應用.價(jià)值。本文利用夾點(diǎn)技術(shù)對某聚氯乙烯流程進(jìn)行了分析,找出了其能量利用不合理的環(huán)節,針對這些不合理的環(huán)節提出了節能改造方案,并對方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟評價(jià)。關(guān)鍵詞:換熱網(wǎng)絡(luò );夾點(diǎn)技術(shù);優(yōu)化;節能中圖分類(lèi)號:TQ021.3文獻標識碼:A文章編號:1002 - 6339 (2006) 01-0003-03Heat Integration of Polyvinyl Chloride SystemFENG Xiao,ZHAO Chi - feng, SUN Liang(Departnent of Chemical Engineering, Xi' an Jieaotong University, Xi' an 710049,China)Abstract:' The polyiny chloride (PVC) system is highly energy - consuming, herefore,it is worthy of aplyingthe pinch techology to this systen, so that a better heat - exchanger network can be propased and the energyconsumption can be reduced. This paper applies the pinch technology to analyze the flowsheet of a certain PVCsystem, thereafter, the bottleneck is found and an energy saving retrfit design is proposed and economically e-valuated.Key words: heat - exchanger network; pinch technology ;opization; enery saving在化工生產(chǎn)過(guò)程中,能耗直接影響操作費用,因與回收的優(yōu)化配置，提高能量利用率,降低能耗。而是反應系統優(yōu)劣的一個(gè)重要指標。一個(gè)典型的過(guò)聚氯乙烯裝置是-一個(gè)高耗能裝置，需要對多種程系統包括以下3個(gè)組成部分:反應分離部分換熱原料、產(chǎn)品流和中間物流進(jìn)行換熱。本文利用夾點(diǎn)部分和公用工程部分。其中,換熱部分是直接的耗技術(shù)對某聚氯乙烯換熱流程進(jìn)行了分析,找出了其能部分,其設計優(yōu)劣直接影響到系統的能量消耗。能量利用不合理的環(huán)節,提出了優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò ),要把一個(gè)過(guò)程工業(yè)的工廠(chǎng)設計的能耗最小、花并對方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟評價(jià)。費最少和環(huán)境污染最低,就必須把整個(gè)系統集成起來(lái)作為--個(gè)有機結合的整體來(lái)看待,達到整體設計1現有工藝流程最優(yōu)化。不同的學(xué)者提出了不同的集成方法,例如某聚氯乙烯工藝流程分為五個(gè)工段:乙炔工段;夾點(diǎn)技術(shù)分析法(~3)、熱力學(xué)分析法與熱經(jīng)濟學(xué)分VC(氯乙烯)單體合成凈化工段;VC單體壓縮分餾析法(4-5)、數學(xué)規劃法[6)等。其中,夾點(diǎn)技術(shù)是過(guò)程工段;懸浮聚合工段(包括懸浮聚合干燥);乳液聚合集成方法中目前最實(shí)用的3。夾點(diǎn)技術(shù)將熱力學(xué)原工段(包括乳液聚合干燥)。理與系統工程相結合,用以取定工程系統能量利用.1 乙快工段收稿日期2005-11-09 修訂稿日期 2005-12-04中國煤化工應生成乙炔氣,再基金項目:國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目(20436040)經(jīng)工HCNMH G氣。如圖1所示:作者簡(jiǎn)介:馮霄(1953-),女 ,博士.博士生導師，教授。電石進(jìn)入發(fā)生器遇水產(chǎn)生乙炔氣從發(fā)生器逸出,其3●中反應時(shí),電石分解出的大量熱量借不斷加入的新縮冷卻,除油、水后平穩的送至低沸塔，除去低沸物鮮水來(lái)維持反應溫度。逸出的乙炔氣進(jìn)人噴淋器冷后人高沸塔,再除去高沸物，最終在高沸塔頂得合格卻經(jīng)過(guò)水封后進(jìn)入冷卻- -塔,出塔的氣體,一部分的氯乙烯,經(jīng)冷凝成液體送往單體儲槽,供聚合用。進(jìn)入氣柜,一部分進(jìn)人冷卻二塔,自二塔頂部逸出的如圖3所示。自單體合成工段來(lái)的合成氣,進(jìn)機前乙炔氣進(jìn)入壓縮機，經(jīng)壓縮后進(jìn)人清凈-~塔(用廢次冷卻器用6C水冷卻以除掉部分水分,然后經(jīng)往復鈉循環(huán)) ,出塔的乙炔氣再進(jìn)人清凈二塔(用新鮮次式壓縮機,二段壓縮至4.9x I0 ~5.9x 10 Pa,壓縮鈉循環(huán))。從清凈塔出來(lái)的乙炔氣體進(jìn)入中和塔(用后的氣體經(jīng)氣體油分離器人機后冷卻器,再進(jìn)入全堿液中和),中和后的氣體送去VC合成工段。凝器,用6C水將粗聚氣乙烯冷凝成液體到水分離新鮮水器,未凝氣再進(jìn)入尾氣冷凝器,液體下到水分離器，跖一它塊發(fā)生教- +器-樹(shù)] +冷卻一圖不凝氣去尾氣吸附器用活性碳將其中氯乙烯吸附，其它空氣排空。粗聚氯乙烯經(jīng)水分離器分離掉少量的水后進(jìn)人低沸塔,從塔頂排出所含的乙炔等低沸物,除去了乙炔的塔底液體在控制一-定溫度和液面遭請二場(chǎng)一→中和帶的情況下,靠壓力進(jìn)人高沸塔,從高沸塔頂出來(lái)的合新鮮次鈉送往平體格的氯乙烯經(jīng)成品冷凝器冷凝成液體, -部分作為高塔回流,大部分送單體儲槽作為本工段成品。高圖1乙炔工段工藝流程沸塔底間斷排出的高沸殘液含有- -定的氯乙烯,送1.2 VC 單體合成凈化工段入儲槽。定期開(kāi)回收0塔將殘液中氯乙烯蒸出送人本工段是用原料乙炔和氯化氫經(jīng)工藝處理,生產(chǎn)氣柜， 塔簽高佛物排人高沸物儲槽，定期回收。最合格的粗VC。如圖2所示:由乙炔工段送來(lái)的精制后,將純凈的單體送往聚合工段。乙炔,經(jīng)沙封后進(jìn)人乙炔預冷器,用6C水來(lái)冷卻去水,預冷后的乙炔再與氯化車(chē)間送來(lái)的已除去凝酸的凱后冷知輸金司醫冷源國事體使何一氯化氫按照乙炔:氯化氫的分子比為1:1.05~ 1:1.10的比例控制流量進(jìn)人混合器混合,混合氣再進(jìn)人石墨成晶冷愛(ài)器冷凝器.用- 20鹽水冷卻至- 12C ,這樣可以除去醫編機、部分凝酸,其余凝酸在除霧器被排出，此時(shí)的混合氣經(jīng)預熱器加熱后,進(jìn)入轉化器,轉化器為列管式固定圉3 VC 單體壓縮分餾工段工藝流程床反應器,轉化為二段:為保持轉化器溫度穩定,轉化.4 懸浮聚合工段.器管間通熱水循環(huán)傳熱,從二段出來(lái)的合成氣含有少本工段進(jìn)行聚合反應,將精制的氯乙烯單體送量汞和過(guò)量的氯化氫及未反應的乙炔,粗合成氣經(jīng)裝人聚合釜,適時(shí)加入分散劑、引發(fā)劑緩沖劑、終止劑有活性炭的除汞器,除汞后人水洗塔，用水吸收多余等各種助劑。反應結束后,將生成的PVC送人干燥的氯化氫。加水量以控制水洗塔底排水中含酸在塔,利用加熱的蒸汽來(lái)干燥,再送人旋風(fēng)分離器,完1% ~ 3%為準。除去氯化氫后合成氣再進(jìn)人堿洗塔成干燥脫水后制粒,最后制得含水量和外觀(guān)合格的以除去氣體中微量的酸和CO2,經(jīng)凈化后的合成氣進(jìn)樹(shù)脂。如圖4所示。氣柜，再送去VC單體壓縮分餾工段。分敝刺引發(fā)刑理帥劑終止劑加然投一就PVC單體乙炔一[甜縮分饃工段圖4懸浮聚合工段工藝流程1.5 乳液聚合工段氧化復一分離器」J本工段是將純度符合要求的氯乙烯單體在聚合圉2 VC 單體合成凈化工段工藝流程釜中中國煤化工乙烯乳膠,將其進(jìn)行.3 VC單體壓縮分餾工段噴霧風(fēng)分離器,再制粒,本工段將已除去酸性組分的粗氯乙烯氣體經(jīng)壓制得MHCNMHG如圖5所示。循環(huán)使用。該股熱流具有很大的熱容流率,其換熱.量-共為11 760 kW,完全可以加熱夾點(diǎn)以下的所有乳化制- -腔恒槽乳化測→去氣柜冷流,與此同時(shí),處于夾點(diǎn)的其它熱流的過(guò)程換熱量太小,不能完成與冷流的匹配，所以,希望將H8這股熱流分流,考慮到該股熱流是便宜的熱水,所以分流的要求不高,可以滿(mǎn)足。至于夾點(diǎn)之上,只有一股解-圖國中網(wǎng)過(guò)程換熱量較小的熱流,冷流完全可以將其匹配。種子←進(jìn)儲槽復合曲線(xiàn)醫膠高位間+于提城50p00.圖5乳液聚合工段工 藝流程50 I2現有工藝流程的夾點(diǎn)分析◆熱流+夾點(diǎn)位量2.1物流的確定500 100015000 2000經(jīng)過(guò)對工藝流程的分析,從中找出13 股可用來(lái)構造換熱網(wǎng)絡(luò )的物流,其中有8股熱流.5股冷流(部-s0l分冷流用熱水反算)。各流股的情況如表1所示。焓值. kW表1物流數據圖6系統復合 曲線(xiàn)物流名稱(chēng).供應溫目標溫熱容流率換熱量3裝置能量系統優(yōu)化度.C度,C CP,kW/C Q ,kW/CHI圖1乙炔85402.285Hn2圖2乙炔冷卻122.06557.823.1 換熱網(wǎng)絡(luò )匹配HB3圖2混合氣冷卻 45-133.15182.7根據_上述分析,將表1中的物流匹配成如圖7t4 圖2粗制VC冷卻 1300.54749.23 .所示的換熱網(wǎng)絡(luò )。該網(wǎng)絡(luò )滿(mǎn)足最小公用工程目標。15圖3粗制vC預冷40.4812.96102.8kwH6 圖3粗制VC冷卻 900.53625.74418sT -17圖3進(jìn)料冷凝4213.966H8圖2轉化器熱水1 68011 760 .岢E-13c1 圖2混合氣預熱 - 13.23267.518C2 圖3低沸塔塔釜36214.7H4 130T 十97.0 .1京40C3 圖3高佛塔塔釜 8687728 .45od-回13ζC--尚C4 圖4空氣加熱2514448.463 5 573.3 .42C尚+120.圖5空氣加熱1529.8443 730.5回6552W2.2夾點(diǎn)分析8回十@r0C23w 304074711W根據表1,同時(shí)假定夾點(diǎn)溫差為10C,可以作出復合曲線(xiàn),見(jiàn)圖6。從圖6可以求得整個(gè)換熱系統目4，回一~13的夾點(diǎn)在92C,即熱流的夾點(diǎn)溫度在97C,冷流的or-86T回一_86C夾點(diǎn)溫度在87C,同時(shí)可以求得最小加熱公用工程-25C量為4430.66kW，最小冷卻公用工程為4 404.93 kW。于是可以確定出能量目標和節能潛C51500170回.白2四一z.025C團7換熱網(wǎng)絡(luò )匹配力,并且以此作夾點(diǎn)分析。該聚氯乙烯裝置實(shí)際共用熱量10514 kW,冷量3.2 改造后的經(jīng)濟效益10 488.32 kW。因此,其節能潛力為6083.34 kW,超本方案可以回收熱量6083.34kW,回收冷量過(guò)50%。6 083.34 kW。所節省的熱量原用0.6 MPa的飽和水對于該聚氣乙烯流程來(lái)說(shuō),熱流的夾點(diǎn)溫度蒸氣中國煤化工冷量原用冷凍水，97C處就是流程簡(jiǎn)圖2中保持轉化器反應溫度的熱其中|YHCN MH G 35C水的價(jià)格為水H8的出口溫度,一般工廠(chǎng)將該股熱流用涼水塔6元/1。該裝直牛運個(gè)7200 ho內此,換熱網(wǎng)絡(luò )改造的降溫,然后加入--定量的新鮮水使之降溫到90C再年經(jīng)濟效益為335.3417萬(wàn)元。(下轉第45頁(yè))更能節約采暖能耗,采用節能保溫墻體比相鄰不觀(guān)的領(lǐng)導、同行用戶(hù)比較多,某些房間的頻繁開(kāi)窗采暖的房間更能節約采暖能耗。進(jìn)-步來(lái)說(shuō),這是與采暖系統的暫時(shí)關(guān)閉等等這些因素將使測試結果房間向外傳出的熱流通量依次增大的緣故。與實(shí)際使用情況下房間能耗有所出人，但總的采曖其原因之二:底層與頂層均為采暖能耗最高的能耗變化規律是不變的。用戶(hù),由于底層的地面與頂層的屋面均造成其比相4結論同單元房間多出--部分通過(guò)外圍護結構熱量散失，而底層的冷風(fēng)滲透更加大其能耗。由此可見(jiàn)在節能4.1可以看出,盡管有許多不利因素,但該節能建建筑中對底層的地面及頂層屋面的保溫性能有待進(jìn)筑平均耗熱指標是滿(mǎn)足國家對節能建筑耗熱指標的-步提高,對于底層的外墻應至少與山墻采用相同要求的,可見(jiàn)采用電熱膜供曖技術(shù)與節能保溫建筑墻體,北向房間外窗采用保溫性更好的外窗,才可從的結合是比較合適的。其實(shí)測能耗、耗熱指標對民.根本.上降低底層與頂層采暖能耗。用節能建筑采暖設計熱負荷指標的制定有-一定的參全樓406房間的采暖能耗最低(9.2 W/m?), 105考價(jià)值。房間的采暖能耗最高(41.5 W/m2)，406房間向上下4.2對房間的通風(fēng)來(lái)講,建議增設節能通風(fēng)換氣裝左右相鄰房間及樓梯間傳熱量最少,而105房間正置來(lái)保證房間的新風(fēng)以滿(mǎn)足人員健康舒適的要求。好相反,不利影響因素最多。由最大與最小能耗房4.3如果樓梯間不采暖 或相鄰房間不采暖，建議要間的比較(相差4.5倍)可暴露出熱費計量中的先天提高間墻墻體的保溫性能。不公正性,因此對于任何使用獨立電源或集中供暖4.4對于用戶(hù)而言,采暖期最好設有陽(yáng)臺的隔斷,得熱用戶(hù),實(shí)行分戶(hù)計量與收費的關(guān)鍵是要制定一.白天開(kāi)啟,夜間關(guān)閉,這在相同能耗下對房間的熱舒相對公平計量與分攤原則。適狀況有很大的提高。否則南、北向實(shí)際窗墻比比3.4其它因素設計增大,傳熱量與冷風(fēng)滲透增大,造成采暖能耗增由于建筑物為當年開(kāi)工,當年竣工,墻體比較潮大。濕,雖然在節能建筑中,墻體的熱阻主要取決于墻體4.5對于頂層與底層房間,建議用戶(hù)在裝修時(shí)適當保溫材料,而苯板的熱阻與含濕關(guān)系不大,但是對剛提高地面與屋面的保溫性能來(lái)降低采暖能耗?？⒐ね度耸褂玫慕ㄖ?lái)說(shuō),仍有一部分供熱量用于參考文獻干燥墻體,其能耗同已經(jīng)干燥的建筑相比要高-些。[1]}楊善勤.民用建筑節能設計手冊[M].北京:中國建住宅沒(méi)有進(jìn)戶(hù),只有307室和308室各有一個(gè)人值筑工業(yè)出版社，997.班看守,所以307和308房間能耗比較大。其他各[2]彥啟森,趙慶珠建筑熱過(guò)程[ M].北京:中國建筑工戶(hù)均無(wú)人人住,建筑未處于正常使用狀況，所測試的業(yè)出版社, 1994.建筑由于采用了低溫輻射電熱膜供暖技術(shù)和高效的[3][蘇]B. H.巴格斯羅夫斯基著(zhù).建筑熱物理學(xué)[M).單建筑節能保溫措施,在交工以后的供暖期內,前來(lái)參寄平譯,黃福其校.北京:中國建筑工業(yè)出版社, 1988.(上接第5頁(yè))AgeJ]. Chem. Eng. Prng, 1984,80:33 ~ 40.該改造方案需增加11個(gè)換熱器,設備投資費為(2] Ebriahira Mubarak , Kaawari Al. Pinch technoiogy: An i-81.8396萬(wàn)元,考慮添加換熱器的占地費用、管道費cient Tool for Chemical Plant Energy and Capital - cost Saving[J}.用、運輸費用、安裝費用和去掉原來(lái)不用的換熱器的Applied Energy , 20065:45 ~ 49.[3]馮霄,李勤凌.化工節能原理與技術(shù)[M] .北京:化學(xué)費用等,總投資費用應為設備費用的3倍[7),則投資工業(yè)出版社, 1998.的簡(jiǎn)單回收年限為:[4]姚平經(jīng).全過(guò)程系統能量?jì)?yōu)化綜合[M].大連:大連(81.8396 x 3)/335.3417= 0.73(年)理工大學(xué)出版社, 195.[5]Manninen J,Zhu X x. Thermodynamic Analygis and Math-enmatical Optimization of Power Plans(J].Comput Checm Eng, 1998,本文采用夾點(diǎn)技術(shù),對某聚氯乙烯裝置進(jìn)行了22(B):s537 - s44.分析,提出了優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò ),可以取得節省熱量[6]Yee I F, Grossmarn I E. Kracanja 2. Sirmultancous Opti-和冷量各6 083.34 kW得節能效益和335. 3417萬(wàn)元mizaion Models for Heat Integration- I . Process and Heat Ex-changer network optinization[J]. Computers Chen Engng, 1990, 14的年經(jīng)濟效益,投資回收期不到一-年。(11):中國煤化工[1]innhof B. Vredeveld D. R. Pinch Technology Has Come of化學(xué)IIHCNMHG化與綜合[M].北京:45.