塔器節(jié)能優(yōu)化方案

文/范海杰 崔冰冰

碳四異構(gòu)單元DIB 塔及凝液余熱利用節(jié)能優(yōu)化方案——DIB分離塔正常生產(chǎn)過(guò)程中熱能耗損較大，通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)，充分利用塔釜加熱蒸汽及系統(tǒng)管網(wǎng)凝液余熱，綜合降低系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行熱量損耗，減少能源浪費(fèi)。

山東玉皇化工（集團(tuán)）有限公司的液化氣綜合利用項(xiàng)目——碳四異構(gòu)化裝置自開工以來(lái)，DIB 塔運(yùn)行蒸汽消耗在整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)占比較大（約消耗19.5 t/h 蒸汽），加工成本較高。與此同時(shí)，聯(lián)合裝置凝液回收系統(tǒng)需要匯集各凝液物流泵輸至水處理精制單元，精制處理前需要使用循環(huán)水冷卻至≯50℃（防止混床樹脂在水處理過(guò)程造成損壞），熱量未能有效利用，具有很大的回收價(jià)值。

實(shí)施方案

本次實(shí)施方案主要利用DIB塔操作需求低位熱的有利條件，對(duì)凝液管網(wǎng)及DIB 進(jìn)料流程進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化改造，最終達(dá)到余熱充分利用和降低能耗。

首先，整合聯(lián)合裝置系統(tǒng)凝液引流至異構(gòu)單元凝液緩沖罐，混合后約49 t/h、98℃凝結(jié)水自凝水泵出口引分支進(jìn)入DIB 塔釜加熱器B 進(jìn)行第一次熱量利用處理（由98℃利用至80℃），DIB 塔釜A 仍采用低壓蒸汽加熱。

其次，DIB 塔增加一臺(tái)進(jìn)料預(yù)熱器，利用DIB 塔釜加熱器B出口凝液流對(duì)DIB 塔進(jìn)料預(yù)熱至55℃，使進(jìn)料趨近于飽和態(tài)進(jìn)塔，再進(jìn)行二次熱量利用，改造后的流程圖如圖所示。

節(jié)能優(yōu)化分析

基礎(chǔ)分析

未設(shè)置預(yù)熱前工況：（1）物料組份wt %（取平均數(shù)）：正丁烷61.3 %、 丙烷0.81 %和異丁烷37.89 %；（2）罐區(qū)供料泵壓力0.92～0.95 MPa， 進(jìn)塔前安裝壓力表檢查0.8 MPa，年平均 溫 度20 ℃；（3）DIB 塔 物料運(yùn)行數(shù)據(jù)：F 進(jìn)料32700 kg/h， 回流 比約10.5， 回 流量 約 135 t/h， 塔 底外采19923 kg/h，塔頂外采12777 kg/h；（4）DIB 塔頂運(yùn)行壓力0.6～0.61 MPa，塔底0.66～0.68 MPa，塔板數(shù)138 塊，板間平均壓降0.00048 MPa，進(jìn)塔口位于74#板；（5）相關(guān)物性參數(shù)如表1 所示。

設(shè)置預(yù)熱后狀態(tài)變化

（1）物料組份不變；（2）罐區(qū) 供 料 泵 壓 力0.92～0.95 MPa，假定加設(shè)預(yù)熱器后綜合壓降≯0.15 MPa，設(shè)計(jì)壓降上限0.1 MPa來(lái)保留一定的操作空間，預(yù)熱后溫度初步設(shè)置55℃；（3）相關(guān)物性參數(shù)如表2 所示。

改造后的流程圖

表1 預(yù)熱前相關(guān)物性參數(shù)

表2 預(yù)熱后相關(guān)物性參數(shù)

表3 設(shè)置條件

熱量衡算

節(jié)能優(yōu)化前，根據(jù)能量守恒計(jì)算 公式 QF1+QH1+QL=QV+QW+Q損， Q損此處忽略不計(jì)，得：

-2610×32700+ QH1-2600×135000=149777×（-2325）-2430×19923，QH1=39702585kJ/h。其中，QF1為優(yōu)化前進(jìn)料攜帶總熱量；QH1為優(yōu)化前塔釜加熱輸入總熱量；QL 為回流進(jìn)塔攜帶總熱量；QV為塔頂氣相采出攜帶總熱量；QW為塔釜采出攜帶總熱量。

節(jié)能優(yōu)化后，根據(jù)能量守恒計(jì)算公 式QF2+QH2+QL=QV+QW+Q損， Q損此處忽略不計(jì)，得：

-2500×32700+ QH2-2600×135000=149777×（-2325）-2430×19923，QH2=36105585kJ/h。其中，QF2為優(yōu)化后進(jìn)料攜帶總熱量；QH2為優(yōu)化后塔釜加熱輸入總熱量；QL為回流進(jìn)塔攜帶總熱量；QV為塔頂氣相采出攜帶總熱量；QW為塔釜采出攜帶總熱量。

進(jìn)料預(yù)熱需求熱量按照已進(jìn)料初始20℃（年均值）升溫至55℃計(jì)算，為（Q2-Q1）×F=（-2500+2610）×32700=3597000 kJ/h

進(jìn)料預(yù)熱器計(jì)算根據(jù)優(yōu)化條件取平均對(duì)數(shù)溫差Δt，由公式得Δt=27.69℃，具體設(shè)置條件如下表3。

依據(jù)Q=Δt×K×S 公式（K值取1000），求出換熱器換熱面積S=Q/（Δt×K）=3597000/（27.69×1000）=130 m2；考慮1.3倍設(shè)計(jì)余量，實(shí)際選型換熱面積為130×1.3=169 m2。

效果分析

由優(yōu)化前后塔釜加熱器負(fù)荷降低值（QH1-QH2）計(jì)算，調(diào)整后塔釜熱量需求降低3597000 kJ/h；推導(dǎo)出凝水用于DIB 塔釜升溫由98 ℃（410 kJ/kg）換熱至80.5 ℃（337.6 kJ/kg）。凝水二次利用于DIB 塔熱量利用由80.5℃（337.6 kJ/kg）換熱至50℃（210 kJ/kg），綜合熱量利用6125000 kJ/h；

49000 kg/h×(337.6 kJ/kg-210 kJ/kg)=6252400 kJ/h。

凝結(jié)水由98℃利用至50℃，熱 量 共 回 收 9849400 kJ/h；以 循 環(huán) 水10 ℃（41 kJ/kg） 溫差計(jì)算， 合計(jì)每小時(shí)減少9849400/41=240229 kg/h 的循環(huán)水冷卻損耗。

效益預(yù)測(cè)

優(yōu)化后熱量共計(jì)回收9849400 kJ/h， 按照蒸汽汽化熱2200 kJ/kg計(jì)算， 節(jié)省蒸汽約4477 kg/h（4.477 t/h）； 按 照蒸汽150 元/t、運(yùn)行時(shí)間8000 h/a，年創(chuàng)效約4.477 t/h×150 元/t×8000 h=537.24萬(wàn)元。 凝結(jié)水熱量利用后循環(huán)水冷卻損耗量降低240229 kg/h；以循環(huán)水0.27 元/t、運(yùn)行時(shí)間8000 h/a 計(jì)算，可節(jié)約（240229/1000）×0.27×8000=51.89萬(wàn)元。綜上，年合計(jì)創(chuàng)效589.13萬(wàn)元。

綜上所述，此次優(yōu)化改造不對(duì)裝置主流程進(jìn)行變動(dòng)，僅調(diào)整凝水換熱網(wǎng)絡(luò)并增加一臺(tái)進(jìn)料預(yù)熱器，充分利用凝液余熱。此外，優(yōu)化后總體投資費(fèi)用約15萬(wàn)元（包含設(shè)計(jì)費(fèi)、設(shè)備材料及施工費(fèi)用），投資回報(bào)期短，節(jié)能效果顯著，每年正常生產(chǎn)可節(jié)省成本約為589.13萬(wàn)元。