某裝置液態(tài)乙烯冷量回收方案研究

聶玲麗 惠生工程（中國(guó)）有限公司 上海 201210

我國(guó)化學(xué)工業(yè)能源消費(fèi)可達(dá)22000 萬(wàn)t/a 標(biāo)準(zhǔn)煤，其中原料能源占比為40%。化學(xué)工業(yè)產(chǎn)品類(lèi)型眾多，其中高耗能產(chǎn)品的存在，導(dǎo)致化學(xué)工業(yè)在能源消耗方面存在嚴(yán)峻的形勢(shì)。因此，在化工產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗非常重要[1,2]。

乙烯是工業(yè)中最重要的基礎(chǔ)有機(jī)原料之一。在某精細(xì)化工裝置中，來(lái)自罐區(qū)的低溫乙烯汽化采用乙烯汽化器，在汽化器內(nèi)乙烯通過(guò)蒸汽加熱汽化后被送到下游裝置。該汽化方案需消耗蒸汽來(lái)汽化乙烯，同時(shí)液態(tài)乙烯自身的冷量沒(méi)有被回收利用。

本文結(jié)合上述工程案例，采用兩種方案蒸發(fā)乙烯。通過(guò)采用PROII 模擬計(jì)算，對(duì)兩種方案進(jìn)行對(duì)比分析，選出最優(yōu)方案，從而實(shí)現(xiàn)能量的優(yōu)化利用。最后采用HTRI 換熱器計(jì)算軟件，分析驗(yàn)證液態(tài)乙烯冷量回收方案的可行性。

1 案例概況

（1）來(lái)自罐區(qū)的乙烯流量為4700kg/h，壓力為2.75MPa（G），溫度為-33.5℃；出裝置乙烯溫度要求≥-5℃，壓力為2.6MPa（G）。

（2）乙二醇溶液進(jìn)裝置溫度為5℃，壓力為0.45MPa（G）；出裝置溫度為0℃，壓力為0.25MPa （G）。

通過(guò)查閱資料可知，甲醇冰點(diǎn)為-97℃，乙二醇溶液冰點(diǎn)與濃度關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 乙二醇溶液冰點(diǎn)與濃度關(guān)系表

2 工藝方案

2.1 原乙烯汽化方案

原乙烯汽化方案見(jiàn)圖1。

圖1 傳統(tǒng)乙烯汽化方案

在乙烯汽化器中，首先采用蒸汽將甲醇蒸發(fā)，蒸發(fā)后的甲醇再蒸發(fā)液態(tài)乙烯，實(shí)現(xiàn)乙烯汽化，同時(shí)被冷凝后的甲醇再被蒸汽蒸發(fā)。該方案采用蒸汽間接汽化乙烯，消耗了大量的能量，同時(shí)液態(tài)乙烯自身的冷量沒(méi)有被回收利用，造成能源的消耗與浪費(fèi)。

2.2 乙烯-甲醇-乙二醇溶液換熱蒸發(fā)乙烯方案

該方案流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 乙烯- 甲醇-乙二醇溶液換熱方案

來(lái)自罐區(qū)壓力為2.75MPa(G)，溫度為-33.5℃的乙烯，在乙烯汽化器中被-1℃的甲醇蒸發(fā)，蒸發(fā)溫度為-16.3℃，進(jìn)入乙烯過(guò)熱器過(guò)熱，過(guò)熱溫度為-5℃，過(guò)熱后的氣態(tài)乙烯被送至下游。此時(shí)甲醇溫度降至-6℃，被冷卻的甲醇在乙二醇冷卻器中與5℃的乙二醇溶液進(jìn)行換熱，換熱后，甲醇溫度由-6℃升至-1℃，被升溫后的甲醇循環(huán)用于乙烯的蒸發(fā)與過(guò)熱。與甲醇換熱后，乙二醇溶液溫度由5℃降至0℃。被冷卻的乙二醇溶液作為裝置內(nèi)冷媒介質(zhì)參與換熱，換熱后的乙二醇溶液再循環(huán)至乙二醇冷卻器中被冷卻。該方案通過(guò)乙烯-甲醇換熱，甲醇-乙二醇溶液換熱，間接實(shí)現(xiàn)乙烯汽化與冷量回收。采用的主要設(shè)備有乙烯汽化器、乙烯過(guò)熱器、乙二醇冷卻器、甲醇循環(huán)泵。換熱涉及的設(shè)備較多，流程較長(zhǎng)，換熱系統(tǒng)相對(duì)較復(fù)雜。

2.3 乙烯-乙二醇溶液換熱蒸發(fā)乙烯方案

該方案流程圖見(jiàn)圖3。

圖3 乙烯- 乙二醇溶液換熱方案

來(lái)自罐區(qū)壓力為2.75MPa(G)，溫度為-33.5℃的乙烯，在乙烯汽化器內(nèi)直接被5℃乙二醇溶液蒸發(fā)過(guò)熱至-5℃，然后被送至下游裝置。乙二醇溶液被冷卻至0℃，作為裝置內(nèi)冷媒介質(zhì)參與換熱，然后再循環(huán)至乙烯汽化器中被冷卻。該方案通過(guò)乙烯-乙二醇溶液直接換熱實(shí)現(xiàn)乙烯汽化與冷量回收。采用的主要設(shè)備有乙烯汽化器，涉及的設(shè)備較少，工藝流程較短，方案較簡(jiǎn)單。

3 模擬計(jì)算結(jié)果

采用PROII 分別對(duì)以上三種方案進(jìn)行模擬，模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 乙烯汽化模擬計(jì)算結(jié)果

由表2 可知：

（1）原汽化方案需要消耗大量蒸汽，折合蒸汽能耗約為470.3 kW，且該方案沒(méi)有回收液態(tài)乙烯的冷量，沒(méi)有做到能量的回收利用。

（2）乙烯-甲醇-乙二醇溶液換熱方案由于采用甲醇作為中間媒介，不需要額外提供熱源，蒸汽耗能為零。通過(guò)間接換熱，液態(tài)乙烯的冷量可以通過(guò)乙二醇溶液間接換熱回收，回收冷量約為469.4 kW。但由于甲醇僅僅是熱量傳導(dǎo)的中間媒介，在整個(gè)換熱系統(tǒng)中甲醇需采用泵進(jìn)行循環(huán)，因此，該方案需額外消耗一定的電能，電能消耗約為21.3 kW。

（3）乙烯-乙二醇溶液換熱方案由于直接采用乙烯與乙二醇溶液換熱，不需要額外提供熱源，蒸汽耗能為零。通過(guò)直接換熱，液態(tài)乙烯的冷量可以通過(guò)乙二醇溶液直接換熱回收，回收冷量約為470.3 kW，電能消耗約為7.5 kW。

通過(guò)對(duì)比以上三種方案，可以得出乙烯-甲醇-乙二醇溶液換熱方案與乙烯-乙二醇溶液換熱方案都能實(shí)現(xiàn)液態(tài)乙烯的汽化與冷量回收，但前者所用設(shè)備較多，工藝路線較長(zhǎng)，換熱較復(fù)雜，且前者綜合能耗更大。因此，乙烯-乙二醇溶液換熱方案無(wú)論從能量?jī)?yōu)化方面還是工藝路線上都最優(yōu)，更符合節(jié)能降耗的理念。

4 乙烯汽化器可能存在的問(wèn)題

由于界區(qū)來(lái)的液態(tài)乙烯溫度較低，為-33.5℃。當(dāng)熱媒介質(zhì)與乙烯換熱后，熱媒介質(zhì)被冷卻，如果選擇的熱媒介質(zhì)冰點(diǎn)不合適，比如選擇的熱媒介質(zhì)冰點(diǎn)較高，與乙烯換熱后，熱媒介質(zhì)將會(huì)存在結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)[4]。

對(duì)于原汽化方案與乙烯-甲醇-乙二醇溶液換熱方案，甲醇的冰點(diǎn)溫度為-97℃，當(dāng)甲醇與乙烯換熱時(shí)，不存在甲醇側(cè)結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)。

但對(duì)于乙烯-乙二醇溶液換熱方案，需分析當(dāng)乙二醇溶液與乙烯直接換熱后，乙二醇側(cè)結(jié)冰的可能性。參照已有項(xiàng)目汽化器型式，本項(xiàng)目選用NJ21N 型式換熱器，乙烯側(cè)為換熱器冷側(cè)，乙二醇溶液側(cè)為換熱器熱側(cè)。采用HTRI 對(duì)該方案乙烯汽化器做了相應(yīng)的分析計(jì)算。通過(guò)計(jì)算，乙烯汽化器冷熱側(cè)金屬壁溫結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 乙烯汽化器冷熱側(cè)金屬壁溫計(jì)算結(jié)果表

由計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)采用乙二醇溶液直接與乙烯換熱時(shí)，乙二醇溶液側(cè)的最小金屬壁溫為-9.5℃。對(duì)比乙二醇冰點(diǎn)與濃度關(guān)系表可知，乙二醇溶液濃度至少要高于30%（wt），此時(shí)對(duì)應(yīng)的冰點(diǎn)為-14℃，低于換熱時(shí)乙二醇溶液側(cè)的最小金屬壁溫。為保險(xiǎn)起見(jiàn)，本項(xiàng)目選擇40% （wt）乙二醇溶液，對(duì)應(yīng)冰點(diǎn)為-22.3℃。故乙二醇溶液側(cè)不會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，換熱器比較安全。

因此，采用乙烯-乙二醇溶液直接換熱汽化乙烯，回收冷量的方案從換熱器設(shè)計(jì)方面可行。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)乙烯汽化方案、乙烯-甲醇-乙二醇溶液換熱方案及乙烯-乙二醇溶液換熱方案，可以得出以下結(jié)論：

（1）傳統(tǒng)乙烯汽化方案需要采用蒸汽將甲醇蒸發(fā)，蒸發(fā)后的甲醇再蒸發(fā)液態(tài)乙烯，實(shí)現(xiàn)乙烯汽化。該方案的能耗較大，同時(shí)液態(tài)乙烯自身的冷量沒(méi)有被回收利用，造成能源的浪費(fèi)。

（2）乙烯-甲醇-乙二醇溶液換熱方案由于采用甲醇作為中間媒介，間接實(shí)現(xiàn)乙烯蒸發(fā)，因此不需要額外提供熱源，蒸汽耗能為零。該方案采用的設(shè)備較多、工藝路線較長(zhǎng)，不是最佳方案。

（3）乙烯-乙二醇溶液換熱方案僅采用一臺(tái)乙烯汽化器就可以實(shí)現(xiàn)乙烯的汽化與過(guò)熱，同時(shí)實(shí)現(xiàn)冷量回收，工藝路線較短、能耗較低、設(shè)備少，為最佳方案。

（4）通過(guò)換熱器計(jì)算結(jié)果，得出乙烯-乙二醇溶液換熱方案熱側(cè)的最小金屬壁溫為-9.5℃，高于乙二醇溶液（40% （wt））的冰點(diǎn)溫度，排除了熱側(cè)結(jié)冰的可能，換熱器比較安全。

綜上所述，通過(guò)對(duì)比三種方案，可以得出乙烯-乙二醇溶液方案綜合能耗更小，工藝路線較短、工藝方案更簡(jiǎn)單，且換熱器無(wú)結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)，是最優(yōu)方案，更符合節(jié)能降耗的理念。