王子濤,王元華,倪艷濤
(華東理工大學機械與動力工程學院, 上海 200237)
據(jù)統(tǒng)計,石化行業(yè)能耗占全國工業(yè)能耗的一半以上,約占全國總能耗的16%[1]。芳烴聯(lián)合裝置是石化企業(yè)中典型及大型的聯(lián)合化工裝置,主要生產(chǎn)對二甲苯(PX),具有工藝流程長、循環(huán)物料多、分離過程長及分餾塔數(shù)量多的特點[2]。在生產(chǎn)運行中,芳烴聯(lián)合裝置會產(chǎn)生大量低溫熱,且溫位集中在100~200 ℃,大部分由空氣冷卻器和水冷器進行冷卻[3],低溫熱能源浪費比較嚴重。據(jù)統(tǒng)計,某250 kt/a的芳烴聯(lián)合裝置塔頂?shù)蜏責嶝摵蛇_40.49 MW,其中抽余液塔、抽出液塔的低溫熱負荷總量相對較多,分別達到了22.3、6.5 MW。目前,芳烴塔頂?shù)蜏責峄厥绽梅绞街饕袩崧?lián)合技術(shù)、提壓操作技術(shù)及新型高效換熱設(shè)備技術(shù)[4-8]。中國石化金陵分公司采用將苯塔、甲苯塔二者熱聯(lián)合,以及將二甲苯精餾及吸附分離單元與二甲苯塔熱聯(lián)合的方式,有效回收了甲苯塔和二甲苯塔塔頂物料的低溫熱,同時二甲苯塔采用加壓操作方案,利用塔頂?shù)蜏責嶙鳛槌槌鲆核染s塔的重沸器熱源;中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司及中國石化洛陽分公司,分別采用法國阿法拉伐公司、711 所QYB 型4 面可拆卸的全焊接板式換熱器回收塔頂?shù)蜏責?;某芳烴聯(lián)合裝置抽余液塔塔頂?shù)蜏責峄厥詹捎脤@夹g(shù)雙管板蒸汽發(fā)生器。
目前,對于降低芳烴聯(lián)合裝置能耗以及優(yōu)化用能等方面已經(jīng)有較多的研究與應(yīng)用[9],但是鮮有針對抽余液塔、抽出液塔的研究,除了塔設(shè)計壓力低,提壓操作無法進行的原因外,關(guān)鍵原因在于塔頂?shù)蜏責峄厥展に嚧嬖谌峤橘|(zhì)泄漏造成的裝置內(nèi)催化劑及吸附劑失效問題[10]。現(xiàn)階段,即使采用雙管板、全焊接板式換熱器也無法保證工藝本質(zhì)安全。比較抽出液塔及抽余液塔工藝流程可知,抽出液塔更靠近流程末端,考慮項目實施對裝置運行造成的潛在安全影響,本文選擇抽出液塔作為研究對象,提出采用中間工質(zhì)相變換熱進行塔頂?shù)蜏責峄厥找源_保裝置本質(zhì)安全的取熱方案。
芳烴低溫熱回收相變換熱系統(tǒng)由再沸器、上升管、冷凝器和下降管組成,工質(zhì)在再沸器殼程內(nèi)吸熱汽化,沿著上升管進入冷凝器,氣相工質(zhì)遇冷冷凝,冷凝液順著下降管重新回到再沸器,實現(xiàn)熱量傳遞和交換。如圖1 所示為相變換熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和工質(zhì)壓焓圖,其中圖1(b)所示1~2 范圍內(nèi)為再沸器蒸發(fā)段,工質(zhì)吸熱使得焓值增加,壓力減?。鲃訅簱p);2~3 范圍內(nèi)為上升管段,工質(zhì)流動為等焓過程(不計熱損),壓力減小(流動壓損);3~4 范圍內(nèi)為冷凝器冷凝段,氣相工質(zhì)釋放熱量使得焓值減小,壓力減?。鲃訅簱p);4~1 范圍內(nèi)為下降管段,工質(zhì)流動為等焓過程,工質(zhì)壓力增大(液柱壓頭)。芳烴低溫熱回收相變換熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時,滿足如下條件:
圖1 相變換熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(a)及工質(zhì)壓焓圖(b)Fig.1 Structure diagram of phase change heat exchange system (a) and pressure enthalpy diagram of working medium (b)
(1)質(zhì)量守恒:工質(zhì)在系統(tǒng)中循環(huán)一周后質(zhì)量流量不變;
(2)能量守恒:不考慮系統(tǒng)熱損,再沸器換熱量Qh等于冷凝器換熱量Qc,即Qh=Qc;
1.2.1 蒸發(fā)段傳熱模型 若蒸發(fā)段無過熱,冷凝段無過冷,流動無壓損,蒸發(fā)溫度等于冷凝溫度,傳遞熱阻為0,此時達到系統(tǒng)循環(huán)的最優(yōu)狀態(tài),蒸發(fā)段可以看做池沸騰傳熱。Cooper 池沸騰模型[11]只考慮了沸騰作用,而沒有考慮對流的作用,其計算公式為:
1966 年Chen 首先提出了加和模型[12],通過對流強化因子F和沸騰抑制因子S的作用反映出對流及沸騰對總傳熱系數(shù)的貢獻。對于本文的相變換熱系統(tǒng),實際運行時冷凝段存在過冷,故蒸發(fā)段不僅存在池沸騰傳熱,也存在對流傳熱,因此加和模型比較符合本文實際情況,其計算公式為:
1.2.2 冷凝段傳熱模型 Nusselt 提出了水平管外冷凝傳熱模型[13],冷凝給熱系數(shù)計算公式如下所示:
1.2.3 上升管及下降管模型 假設(shè)上升管、下降管中工質(zhì)流動為等焓過程,由摩擦造成的壓損(Δp)可使用達利公式計算:
確定相變換熱系統(tǒng)運行最佳工況:首先,再沸器出口工質(zhì)全汽化,蒸發(fā)段出口氣相分率為1;其次,冷凝器出口工質(zhì)全冷凝,冷凝液為飽和或過冷狀態(tài),工質(zhì)氣相分率為0。
在此基礎(chǔ)上,采用Aspen HYSYS 及EDR 對再沸器、冷凝器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,并且建立芳烴低溫熱回收相變換熱系統(tǒng)全流程模擬的數(shù)值模型(如圖2 所示),其出口計算結(jié)果(工質(zhì)飽和蒸汽3)與入口條件(工質(zhì)飽和蒸汽1)各物性參數(shù)不相等,即模型未收斂,通過調(diào)整工質(zhì)飽和蒸汽1 的溫度、工質(zhì)循環(huán)流量,以及下降管液位差(標高值)對數(shù)值模型進行求解。
圖2 芳烴低溫熱回收相變換熱系統(tǒng)全流程模擬的數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of whole process simulation of aromatic low temperature heat recovery phase change heat exchange system
Aspen HYSYS 與MATLAB 程序基于COM 接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,采用MATLAB 程序干預(yù)Aspen HYSYS 計算的方式來實現(xiàn)數(shù)值模型自動求解。程序計算流程如下:
(1)溫度調(diào)整。若焓值差不滿足允許誤差要求,則采用二分法對溫度進行調(diào)整,即以入口條件溫度與計算結(jié)果溫度兩者平均值進行迭代計算。
(2)液位差調(diào)整。液位差為再沸器殼程入口與下降管液面高度差,即下降管模型液位標高值。當壓力差不滿足允許誤差要求時,若入口條件壓力大于計算結(jié)果壓力,則增加液位差,反之,則減小液位差。
(3)工質(zhì)循環(huán)流量調(diào)整。工質(zhì)循環(huán)流量為系統(tǒng)穩(wěn)定運行時的工質(zhì)流量。當冷凝器與再沸器的換熱量差不滿足允許誤差,同時冷凝器換熱量大于再沸器換熱量時,說明再沸器側(cè)工質(zhì)汽化量偏小,則此時要增加工質(zhì)循環(huán)流量;反之,則減小工質(zhì)循環(huán)流量。
數(shù)值模型穩(wěn)態(tài)解計算程序的邏輯框架圖如圖3所示。其中,Hu為上升管入口質(zhì)量焓值;Hh為再沸器出口質(zhì)量焓值;Δh為下降管的液位高度;Tu為上升管入口溫度;Th為再沸器出口溫度;H%為Hu與Hh焓差值百分數(shù),H%=(Hu-Hh)/Hu;pu為上升管入口壓力;ph為再沸器出口壓力;p%為pu與ph壓差百分數(shù),p%=(pu-ph)/pu;Qh為再沸器熱負荷;Qc為冷凝器熱負荷;Q%為再沸器與冷凝器熱負荷差值百分數(shù),Q%=(Qh-Qc)/Qh;qm為系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流量。經(jīng)過MATLAB 程序計算后,可以得到數(shù)值模型的穩(wěn)態(tài)解,實現(xiàn)相變換熱系統(tǒng)全流程模擬的數(shù)值模型閉環(huán)收斂。
圖3 程序計算邏輯框架圖Fig.3 Program calculation logic framework
現(xiàn)場實驗工況抽出液塔塔頂氣組分及其質(zhì)量分數(shù)分別為:苯(0.16%)、甲苯(2.66%)、乙苯(0.04%)、對二甲苯(97.04%)、間二甲苯(0.04%)、鄰二甲苯(0.02%)、碳九及以上芳烴(0.02%)、非芳烴(0.02%)。相變換熱系統(tǒng)熱源為塔頂氣,取熱介質(zhì)為除鹽水。表1 所示為現(xiàn)場工況100 kW 塔頂?shù)蜏責嵯嘧儞Q熱系統(tǒng)的除鹽水及塔頂氣工藝參數(shù)。
表1 除鹽水及塔頂氣工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of demineralized water and overhead gas
相變換熱系統(tǒng)中間工質(zhì)的選擇需要遵循如下3 個原則:
(1)安全性。工質(zhì)應(yīng)該無毒,并且要確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行時工質(zhì)壓力大于除鹽水壓力,從而避免除鹽水泄漏到工質(zhì)中,以及工質(zhì)又泄漏進入裝置內(nèi)造成催化劑及吸附劑失效。
(2)相容性。工質(zhì)與管殼材料不發(fā)生化學反應(yīng),且工質(zhì)對裝置內(nèi)催化劑及吸附劑友好。
(3)熱物理性能。工質(zhì)應(yīng)該具有較大的汽化潛熱、表面張力、質(zhì)量密度以及較小的黏度,也就是工質(zhì)的液相傳輸系數(shù)(品質(zhì)因數(shù))盡可能大,使得單位體積工質(zhì)能攜帶更多的熱量,具備較好的潤濕流動性能[14]。工質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)計算式如下所示:
式中:ρn為工質(zhì)密度,kg/m3;σn為 工質(zhì)表面張力,N/m;hfg為工質(zhì)汽化潛熱,J/kg;μn為工質(zhì)黏度,Pa·s。
采用Aspen HYSYS 建立塔頂氣-除鹽水換熱模型,得到塔頂氣、除鹽水的熱流與溫度關(guān)系曲線如圖4所示。塔頂氣、工質(zhì)、除鹽水三者之間完成熱量傳遞的必要條件為三者之間構(gòu)成溫度梯度,那么工質(zhì)熱力曲線應(yīng)該介于塔頂氣及除鹽水熱力曲線之間。為確保再沸器及冷凝器二者具有匹配的換熱能力,在假設(shè)傳熱性能及換熱面積相近時,需要使得二者具有相近的有效傳熱溫差,最終確定工質(zhì)熱力曲線如圖4 所示。
圖4 塔頂氣、除鹽水及工質(zhì)溫度隨熱流變化關(guān)系Fig.4 Variation of overhead gas, demineralized water and working medium temperature with heat flow
考慮芳烴聯(lián)合裝置內(nèi)存在烷烴,烷烴成分對催化劑及吸附劑友好,并且考慮工質(zhì)泄漏進入裝置的可能性,則應(yīng)選擇比產(chǎn)品輕的組分以確保工質(zhì)能在后續(xù)工藝中與產(chǎn)品(C8)實現(xiàn)分離,故工質(zhì)組分擬在C1~C7 的直鏈烷烴中選擇。烷烴與管殼材料相容,工質(zhì)組分及比例確定的關(guān)鍵在于是否滿足工質(zhì)壓力大于除鹽水壓力(安全性),以及工質(zhì)是否具有較好的熱傳輸能力。綜上,最終確定工質(zhì)組分及其質(zhì)量分數(shù)分別為:丁烷(10%)、戊烷(10%)、己烷(40%)、庚烷(40%),工質(zhì)最低工作溫度100 ℃時,壓力及品質(zhì)因數(shù)分別達到535.4 kPa、1.26×103W/m2,滿足要求。
設(shè)計及搭建水工質(zhì)相變換熱系統(tǒng)熱力特性實驗平臺,如圖5 所示,實驗系統(tǒng)主要由蒸發(fā)換熱單元、冷凝換熱單元、數(shù)據(jù)采集單元、工質(zhì)充注及抽真空單元組成。
圖5 水工質(zhì)相變換熱系統(tǒng)熱力特性實驗平臺Fig.5 Experimental platform for thermodynamic characteristics of hydraulic medium phase change heat exchange system
采用Aspen HYSYS 建立水工質(zhì)相變換熱系統(tǒng)數(shù)值模型。其他條件不變,在100、200、300 L/h 3 種不同除鹽水流量下,進行了加熱功率1~6 kW 內(nèi)實驗及數(shù)值模擬研究,比較了不同除鹽水流量下工作溫度、工質(zhì)循環(huán)流量及液位高度的實驗值及計算值(圖6),以驗證數(shù)值模型的可靠性。其中,工作溫度為上升管進出口溫度平均值,工質(zhì)循環(huán)流量為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時工質(zhì)流量,液位高度是下降管最底端與下降管工質(zhì)液面之間的高度差。由圖6 可知,隨加熱功率增加,三者對應(yīng)的實驗值與計算值變化趨勢一致,增大加熱功率,工作溫度、工質(zhì)循環(huán)流量及液位高度隨之增大;增加除鹽水流量,工質(zhì)溫度降低,但循環(huán)流量和液位高度隨之增加。
圖6 實驗值與計算值對比Fig.6 Comparison between experimental value and calculated value
計算不同除鹽水流量下工作溫度、工質(zhì)循環(huán)流量及液面高度的實驗值與計算值的相對誤差,結(jié)果如表2 所示。由表2 可知,工作溫度、工質(zhì)循環(huán)流量及液位高度對應(yīng)的最大相對誤差分別為0.84%、5.42%、0.66%,且變化規(guī)律趨勢一致,驗證了芳烴低溫熱回收相變換熱系統(tǒng)全流程模擬的穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型的可靠性。
基于建立的芳烴低溫熱回收相變換熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型,本文數(shù)值模擬了工藝參數(shù)(塔頂氣流量、除鹽水溫度及流量)對系統(tǒng)熱力特性的影響(圖7)。當除鹽水流量為1 370 kg/h、除鹽水入口溫度分別為55 ℃、60 ℃、65 ℃時,對塔頂氣流量1 000~1 300 kg/h范圍內(nèi)的21 組數(shù)值進行模擬計算;當塔頂氣流量為1 100 kg/h、除鹽水入口溫度為60 ℃時,對除鹽水流量1 170、1 270、1 370、1 470、1 570 kg/h 共5 組數(shù)值進行模擬計算。
圖7 熱負荷、工質(zhì)循環(huán)流量隨工藝參數(shù)變化關(guān)系Fig.7 Relationship between process parameters and thermal load, circulating flow of working medium
4.1.1 系統(tǒng)熱負荷與工質(zhì)循環(huán)流量 由圖7(a)、7(b)可知,其他條件一定時,隨塔頂氣流量增加,系統(tǒng)熱負荷、工質(zhì)循環(huán)流量在塔頂氣臨界流量前分別逐漸增加、減小,隨后分別逐漸減小、增加,變化幅度較小,且除鹽水入口溫度越低,臨界流量值越大;其他條件一定時,隨除鹽水入口溫度升高,系統(tǒng)熱負荷及工質(zhì)循環(huán)流量逐漸減小。另外由圖7(c)可知,隨除鹽水流量增加,系統(tǒng)熱負荷及工質(zhì)循環(huán)流量逐漸增加。
4.1.2 工作溫度 由圖8(a)可知,塔頂氣流量一定時,隨除鹽水入口溫度升高,工作溫度逐漸升高,主要原因為系統(tǒng)冷凝能力下降,系統(tǒng)工作溫度相應(yīng)提升;當除鹽水入口溫度一定時,隨塔頂氣流量增加,工作溫度變化規(guī)律與系統(tǒng)熱負荷變化規(guī)律(圖7(a))一致,均隨塔頂氣流量增加而先增加后減小。此外,由圖8(b)可知隨除鹽水流量增加,工作溫度逐漸降低,這是因為系統(tǒng)冷凝換熱能力增強,系統(tǒng)工作溫度相應(yīng)降低。
圖8 工作溫度隨工藝參數(shù)變化關(guān)系Fig.8 Relationship between process parameters and working temperature
4.1.3 液位高度 下降管液柱壓頭為系統(tǒng)自然循環(huán)提供動力,克服系統(tǒng)循環(huán)壓降。如圖9 所示,液位高度變化規(guī)律與工質(zhì)循環(huán)流量基本一致。此外,冷熱介質(zhì)溫差增加(除鹽水入口溫度降低及塔頂氣入口溫度不變),除鹽水流量增大,均使得工質(zhì)循環(huán)流量提高,液位高度提升。實際上,為避免系統(tǒng)換熱性能受系統(tǒng)驅(qū)動力制約,故在大溫差及除鹽水流量較大情況下,須確保安裝高度(再沸器殼程入口與冷凝器殼程出口高度差)大于計算液位差。
圖9 液位高度隨工藝參數(shù)變化關(guān)系Fig.9 Relationship between process parameters and liquid level height
實驗工況下,選擇上升管規(guī)格為Φ89 mm×4 mm、Φ127 mm×4.5 mm、Φ159 mm×4.5 mm、Φ194 mm×5.5 mm、Φ219 mm×6 mm,下降管規(guī)格為Φ25 mm×2.5 mm、Φ32 mm×3.5 mm、Φ45 mm×3.5 mm、Φ57 mm×3.5 mm、Φ89 mm×4.0 mm的共25 組數(shù)值進行模擬計算,以及安裝高度0.4~2.0 m 的共17 組數(shù)值,臥式(再沸器)-臥式(冷凝器),臥式(再沸器)-立式(冷凝器)共2 種不同安裝組合方式進行數(shù)值模擬計算,研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)熱力特性影響規(guī)律。
4.2.1 管徑 由圖10 可知,其他條件一定,隨上升管管徑增大,系統(tǒng)熱負荷小幅增加,在管徑大于 ? 159 mm時熱負荷基本不變,此時工質(zhì)循環(huán)流量基本不變,液位高度逐漸減小;其他條件一定,隨下降管管徑增大,系統(tǒng)熱負荷及工質(zhì)循環(huán)流量基本不變,液位高度逐漸減小。
圖10 管徑對系統(tǒng)熱力特性影響Fig.10 Influence of pipe diameter on system thermodynamic characteristics
4.2.2 安裝高度 根據(jù)重力型分離式熱管運行原理可知,當安裝高度較小時,系統(tǒng)循環(huán)驅(qū)動力較小,工質(zhì)回液不暢導(dǎo)致傳熱性能不佳[15]。熱負荷與安裝高度變化關(guān)系如圖11 所示。隨安裝高度增加,液柱高度增加導(dǎo)致系統(tǒng)循環(huán)驅(qū)動力增大,冷凝液回流更加順暢,蒸發(fā)段出口工質(zhì)過熱度、冷凝段出口工質(zhì)過冷度均逐漸減小,系統(tǒng)內(nèi)兩相區(qū)面積增加,過冷及過熱區(qū)面積減小,系統(tǒng)傳熱能力增強。但隨安裝高度繼續(xù)增加,下降管內(nèi)的液柱高度開始低于安裝高度而出現(xiàn)“斷流”現(xiàn)象[16],系統(tǒng)傳熱性能不再隨安裝高度增加而持續(xù)增大。如圖11 所示,下降管在A 點后出現(xiàn)“斷流”,繼續(xù)增加安裝高度導(dǎo)致?lián)Q熱量減小。
由圖12 可知,安裝高度變化對工質(zhì)循環(huán)流量影響較小。本文安裝高度研究范圍內(nèi),下降管均出現(xiàn)了“斷流”情況,安裝高度增加使得沿程阻力增加,工質(zhì)傳熱熱阻增大,熱阻制約系統(tǒng)傳熱性能,液位高度提升以及換熱量減小。此外,隨安裝高度增加,下降管斷流長度(未覆蓋液相部分,即安裝高度-液位差)增加,從工程化應(yīng)用角度考慮,安裝高度只需足夠克服循環(huán)壓降即可,而無需過分增加。如安裝高度為0.4 m 時,液位差為0.371 m,則系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn);若安裝高度小于液位差,則系統(tǒng)無法正常運轉(zhuǎn)。若安裝高度增加,則斷流長度增加,換熱量減小。
圖12 安裝高度對系統(tǒng)熱力特性的影響Fig.12 Influence of installation height on system thermodynamic characteristics
4.2.3 安裝方式 由圖13 可知,比較臥式-臥式(HH)、臥式-立式(H-V)兩種安裝方式,前者換熱量比后者高大約3%,工質(zhì)循環(huán)流量基本一致,前者液位高度明顯小于后者。
圖13 安裝方式對系統(tǒng)熱力特性的影響Fig.13 Influence of installation mode on system thermodynamic characteristics
為完成芳烴裝置抽出液塔塔頂氣余熱回收,本文提出一種利用中間工質(zhì)相變換熱的余熱回收方案,并通過數(shù)值模擬與實驗驗證的方法進行了相變換熱系統(tǒng)的相關(guān)研究。具體結(jié)論如下:
(1)根據(jù)工質(zhì)選擇原則(安全性、相容性及熱力性能),利用Aspen HYSYS 確定了現(xiàn)場實驗工況下符合條件的中間工質(zhì)組分及質(zhì)量分數(shù):丁烷(10%)、戊烷(10%)、己烷(40%)、庚烷(40%)。
(2)搭建了水工質(zhì)相變換熱系統(tǒng)熱力特性實驗平臺,采用實驗及數(shù)值模擬相結(jié)合的方式比較了不同冷卻水流量下工作溫度、工質(zhì)循環(huán)流量及液位高度實驗值與計算值,對應(yīng)最大相對誤差分別為0.84%、5.42%、0.66%,驗證了數(shù)值模型可靠性。
(3)隨除鹽水入口溫度上升,系統(tǒng)熱負荷、工質(zhì)循環(huán)流量、液位高度逐漸減小,工作溫度逐漸升高;隨塔頂氣流量增加,系統(tǒng)熱負荷、工作溫度先增加后降低,工質(zhì)循環(huán)流量、液位高度先減小后增加,且除鹽水入口溫度越低,臨界流量值越大;隨除鹽水流量增加,系統(tǒng)熱負荷、工質(zhì)循環(huán)流量、液位高度逐漸增加,工作溫度逐漸降低。在大溫差及除鹽水流量較大情況下,為避免系統(tǒng)換熱能力受驅(qū)動力制約,需確保安裝高度大于計算液位差。
(4)系統(tǒng)熱負荷隨上升管管徑增大而增加,在管徑大于Φ159 mm 后基本不變;下降管“斷流”情況下,隨安裝高度增加,系統(tǒng)沿程阻力增加導(dǎo)致熱阻增大,熱阻制約傳熱性能,換熱量減小,故安裝高度只需足夠克服循環(huán)壓降,而無需過分增加;臥式(再沸器)-臥式(冷凝器)組合安裝方式的換熱量比臥式(再沸器)-立式(冷凝器)組合方式的換熱量大3%左右。
符號說明