水系統集成技術(shù)在甲醇廠(chǎng)的應用

第36卷第4期化學(xué)工程v.36No.42008年4月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)水系統集成技術(shù)在甲醇廠(chǎng)的應用王天華,馮霄(西安交通大學(xué)化學(xué)工程系,陜西西安710049)摘要:水系統集成技術(shù)是把整個(gè)工業(yè)用水系統作為一個(gè)整體來(lái)看待并考慮水質(zhì)、水量的分配從而使系統用水的重復利用率達到最大,同時(shí)廢水排放量最小。甲醇企業(yè)是用水和廢水排放的大戶(hù)將水系統集成技術(shù)應用于甲醇工業(yè),具有重要意義。文中結合水系統集成技術(shù)的工業(yè)應用現狀,總結了水系統集成技術(shù)在工業(yè)企業(yè)中應用的般步驟,具體分為以下幾步:選定目標系統,明確水源水阱,確定關(guān)鍵污染物組分和極限進(jìn)出口濃度生成初始網(wǎng)絡(luò )和用水網(wǎng)絡(luò )調優(yōu)。并以某甲醇廠(chǎng)簡(jiǎn)化的用水系統為實(shí)例,采用文中所提出的一般應用步驟對用水網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行了優(yōu)化,獲得了新鮮水節水率達34.5%的節水效果關(guān)鍵詞:水系統集成;甲醇廠(chǎng);夾點(diǎn)技術(shù)中圖分類(lèi)號:TQ021.8文獻標識碼:A文章編號:10059954(2008)040071Application of water system integration technique in a methanol plantWANG Tian-hua, FENG XiaoDepartment of Chemical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, Shaanxi Province, China)Abstract: Water system integration considers how to allocate water in a water system with the water utilizationprocesses in a plant treated as an organic whole, and thus increasing water reuse and decreasing wastewaterdischarge. Methanol industries consume a large amount of freshwater and discharge a large amount of wastewaterSo the application of water system integration in methanol plants is very important. Combined with the present statusof application of water system integration, the general steps about the application of water system integration inindustries were summarized. The major steps are as follows: selecting the system, specifying water sources andwater sinks, determining the key contaminants and the limiting inlet and outlet concentrations of contaminantsgenerating the initial network, and adjusting the water network. The application of water system integration in amethanol plant was discussed by using the steps proposed. At last, the optimal design of water utilization networkswas achieved by combination of water pinch analysis and mathematical programming, and a good result of saving34. 5% freshwater was obtainedKey words: water system integration; methanol plant; pinch technology隨著(zhù)工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,水資源匱乏及污染加劇水夾點(diǎn)技術(shù))與數學(xué)規劃法。已嚴重制約著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展。與此同時(shí),國內許多工水夾點(diǎn)技術(shù)于20世紀90年代中期提出,主業(yè)企業(yè)的新鮮水單耗、廢水單排均比工業(yè)發(fā)達國家要適用于單雜質(zhì)用水系統,是水系統集成技術(shù)中使大,節水減排已成為企業(yè)發(fā)展過(guò)程中不能回避的重用最為廣泛的方法之一。它是將用水單元操作簡(jiǎn)化要問(wèn)題之為一個(gè)從富雜質(zhì)過(guò)程流股到水流股之間的質(zhì)量傳遞水系統集成技術(shù)就是把整個(gè)用水網(wǎng)絡(luò )作為一個(gè)過(guò)程。水夾點(diǎn)可以給出用水系統的瓶頸。整體來(lái)對待,考慮如何分配各用水單元的水量和水數學(xué)規劃法2主要用于多雜質(zhì)復雜系統中質(zhì)使系統的重復利用率達到最大同時(shí)廢水排放量能有效地優(yōu)化用水網(wǎng)絡(luò ),并且可以同時(shí)得到系統的達到最小。最優(yōu)中國煤化工的水網(wǎng)絡(luò )。水系統集成方法可分為兩大類(lèi),即圖示法(如CNMHG應用于煉油廠(chǎng)的、基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(20436040)作者簡(jiǎn)介:王天華(1984-),男,碩士研究生,研究方向為水系統集成電話(huà):(029)82668980;馮霄通訊聯(lián)系人,E-mail:xeng@mail.xju化學(xué)工程2008年第36卷第4期氯堿廠(chǎng)、熱電廠(chǎng)中,節水率達20%-30%。英國通過(guò)分析對比簡(jiǎn)化假設等手段來(lái)完善。Monsanto公司1995年對7套生產(chǎn)裝置進(jìn)行了水夾1.5生成初始網(wǎng)絡(luò )點(diǎn)分析與應用,取得了節水30%,減少污水處理量實(shí)際上,企業(yè)的水供應及廢水排放管網(wǎng)要復雜75%,減少投資費用1150萬(wàn)美元的效果得多,且系統一般為多雜質(zhì)的情況。為了生成水系甲醇是重要的大宗的化工原料,甲醇企業(yè)是用統的初始網(wǎng)絡(luò )需要專(zhuān)門(mén)的水系統集成建模與集成水和廢水排放的大戶(hù),但水系統集成技術(shù)在甲醇工工具軟件來(lái)完成這項工作如美國 Aspen Tech開(kāi)發(fā)業(yè)的應用研究,至今還未見(jiàn)報道的 Aspen Water0和 Linnhoff March公司開(kāi)發(fā)的本文首先總結了水系統集成技術(shù)在工業(yè)企業(yè)中 Water Target就是這樣的工具軟件。應用的一般步驟然后,采用水系統集成技術(shù)對某甲將用水單元的極限數據代入到水系統集成建模醇廠(chǎng)的水系統進(jìn)行了優(yōu)化集成與集成工具軟件中,生成用水網(wǎng)絡(luò ),即為初始網(wǎng)絡(luò ),初始網(wǎng)絡(luò )通常需要調優(yōu)。1水系統集成工業(yè)應用的一般步驟1.6用水網(wǎng)絡(luò )調優(yōu)水系統集成在工業(yè)中的應用大致分為如下6步為了使網(wǎng)絡(luò )簡(jiǎn)潔、實(shí)用、可行,對初始網(wǎng)絡(luò )作適進(jìn)行當的調整很有必要。1.1選定目標系統調整原則通常如:①優(yōu)先考慮同一車(chē)間或裝置水系統集成的核心思想是整體性。在選定目標內部用水匹配,目的是簡(jiǎn)化水網(wǎng)絡(luò )減少企業(yè)實(shí)際架系統時(shí)毫無(wú)疑問(wèn),應著(zhù)眼于全廠(chǎng)用水系統。有時(shí)如設管路等費用;②盡量減少用水單元的供水水源數,果一些用水單元不能參與系統集成,則這些單元在對水量相當的水源與水阱優(yōu)先匹配,這一步也能有選擇目標系統的時(shí)候不予考慮,以簡(jiǎn)化系統效降低網(wǎng)路的復雜性減少投資資本;③去除水量相1.2確定水源水阱對少的水流能有效降低網(wǎng)絡(luò )的復雜性,使設計切實(shí)水源水阱可被定義如下:每一個(gè)用水單元都有可行?？赡苁褂眯迈r水和從其他單元來(lái)的水,成為接受它們的來(lái)水的潛在的水阱;從某一個(gè)用水單元出來(lái)的2甲醇廠(chǎng)水系統集成水都可以進(jìn)入其他單元去用,成為供給它們水的潛甲醇工業(yè)中水有兩大用途:一方面是作為工藝在的水源。對于嚴格限定水源水質(zhì)的水阱(如只能用水消耗,另一方面作為換熱或清洗用水。水的主使用新鮮水)或者無(wú)節水潛力的用水單元出水可不要類(lèi)型可分為新鮮水、脫鹽水蒸汽冷凝液等,其中作考慮,以減少變量數。脫鹽水主要用來(lái)產(chǎn)生蒸汽。蒸汽的利用又可以分為1.3確定關(guān)鍵污染物組分二類(lèi):工藝蒸汽和換熱蒸汽,工藝蒸汽在甲醇生產(chǎn)過(guò)沒(méi)有準確的關(guān)鍵污染組分的判定,所謂的進(jìn)出程中消耗換熱蒸汽在滿(mǎn)足熱量交換的前提下形成口濃度就失去了意義進(jìn)而影響到后來(lái)的優(yōu)化結果。了冷凝液。此外排污也相當復雜,一般會(huì )含有工業(yè)水系統中,雜質(zhì)種類(lèi)通常較多,并且不同的COD、BOD、懸浮物等。用水單元可能含有不同的雜質(zhì)。例如煉油廠(chǎng)循環(huán)水某甲醇廠(chǎng)以天然氣為化工原料生產(chǎn)甲醇,現行的控制指標就需考慮pH值、電導率、總N總Fe、用水系統如圖1所示。COD殘氯、細菌含量、濁度和懸浮物等。如果在水精餾塔釜液系統集成中,所有的因素都考慮,就會(huì )使集成問(wèn)題變1.3得非常復雜。因此在水系統集成中有必要根據各用水單元對水質(zhì)的要求,選擇關(guān)鍵的雜質(zhì)組分。但鍋爐抽灰一些次要的雜質(zhì)也許會(huì )對過(guò)程的操作產(chǎn)生影響。因脫鹽水此,待初始網(wǎng)絡(luò )生成后,應將其他雜質(zhì)作為約束,考察各用水單元所用的回用水中國煤化工1.4確定極限進(jìn)出口濃度CNMHG關(guān)鍵污染物組分確定后,接著(zhù)要確定各個(gè)單元24.2的進(jìn)出口極限數據。通常這樣的數據是很難獲得圖1某天然氣甲醇廠(chǎng)水系統工藝簡(jiǎn)圖(單位:vh)的,需要在對現有用水單元水質(zhì)水量了解的基礎上Fig. I Current water system of the methanol plant(unit: th)王天華等水系統集成技術(shù)在甲醇廠(chǎng)的應用前的甲醇廠(chǎng)用水狀況如下:新鮮水消耗49.4表1主要水源列表h(不計循環(huán)系統的水損失),脫鹽水消耗68vh,“編用水工序用水質(zhì)流量/(h)Table 1 Major water sources此外還有蒸汽消耗13th氣包排污脫鹽水6.8在水系統分析過(guò)后可知,一些用水單元具有回冷卻裝置新鮮水16.5用潛力但卻直接排放。目前排污主要集中于兩大總計塊:一是有回用潛力的排污,如精餾塔釜液排污,有機物含量略高,可以滿(mǎn)足鍋爐抽灰用水,目前已經(jīng)回表2主要水阱列表Table 2 Major water sinks用到鍋爐抽灰工藝中;此外,轉化冷凝液,冷卻裝置排污和氣包排污水質(zhì)也相對較好,有回用潛力。另編號所屬裝置用水工序用水水質(zhì)流量(th2)鍋爐鍋爐抽灰廢水+新鮮水20.0塊是排污量大且無(wú)直接回用潛力的用水單元,如B2循環(huán)水站循環(huán)水補水新鮮水24.2循環(huán)水站排污和鍋爐抽灰排污,它的污染物含量相44.2對復雜?？v觀(guān)全廠(chǎng)用水系統,經(jīng)過(guò)水源水阱的確定,鑒于極限數據的缺乏,通過(guò)充分利用現有信息,分析出有節水潛力的用水單元,主要水源水阱見(jiàn)表釆取分析對比試驗研究等方法獲得?，F列出全廠(chǎng)1-2。根據各用水單元對水質(zhì)的要求,確定制約水主要用水工序中關(guān)鍵污染物組分的進(jìn)出口極限數回用的關(guān)鍵污染物組分為鈣離子。據,見(jiàn)表3。表3全廠(chǎng)關(guān)鍵污染物組分(Ca2+)的進(jìn)出口極限數據表Table 3 Limiting inlet and outlet mass concentration of the key component( Ca")in each unit水流量進(jìn)口極限質(zhì)量濃度出口極限質(zhì)量濃度編號用水工序現用水質(zhì)/(mg·L-)/(mg·L")氣包排污脫鹽水冷卻裝置新鮮水+脫鹽水鍋爐抽灰廢水+新鮮水循環(huán)水補水新鮮水24.58對全廠(chǎng)4個(gè)用水單元進(jìn)行直接回用分析,使用3所示?！队盟W(wǎng)絡(luò )設計與優(yōu)化》軟件作出夾點(diǎn)圖,結果如圖新鮮水7622所示。排污脫鹽水683圖3直接回用情況下的初始網(wǎng)絡(luò )圖(單位:h)Fig 3 Initial reuse network( unit: t/h)為了使設計出的用水網(wǎng)絡(luò )簡(jiǎn)潔實(shí)用、可行,有必要根據實(shí)際情況對理論網(wǎng)絡(luò )圖作適當的調整。根5001000雜質(zhì)負荷(g·h)據廠(chǎng)里實(shí)際情況和水網(wǎng)絡(luò )調整原則,鍋爐裝置和循圖2直接回用情況下的水夾點(diǎn)圖環(huán)水V中國煤化工到鍋爐抽灰的匹Fig 2 Pinch of the direct reuse配其他」CNMHG染物沒(méi)有回用到而陽(yáng)八鬥略中從精餾塔釜液生成結果如下:夾點(diǎn)質(zhì)量濃度為60.00mg/L,到循環(huán)水站的匹配也應保留。最終形成了調整后的最低耗水量為310∽h然后生成初始網(wǎng)絡(luò ),如圖網(wǎng)絡(luò ),見(jiàn)圖474化學(xué)工程2008年第36卷第4期新鮮水770Eng Sci,l9,49(7):981-1006[2 Huang C H, Chang CT, Ling H C, et al. 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