聚氯乙烯装置热集成

第24卷,总第135期《节能技术》Vol.24 , Sum. No. 1352006年1月,第1期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYJan. 2006,No.1聚氯乙烯装置热集成冯霄,赵驰峰,孙 亮(西安交通大学化工系,陕西西安710049)摘要:聚氯乙烯装置是一个高耗能装置,对其利用夹点技术进行节能改造,有很重要的应用.价值。本文利用夹点技术对某聚氯乙烯流程进行了分析,找出了其能量利用不合理的环节,针对这些不合理的环节提出了节能改造方案,并对方案进行了技术经济评价。关键词:换热网络;夹点技术;优化;节能中图分类号:TQ021.3文献标识码:A文章编号: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在化工生产过程中,能耗直接影响操作费用,因与回收的优化配置，提高能量利用率,降低能耗。而是反应系统优劣的一个重要指标。一个典型的过聚氯乙烯装置是-一个高耗能装置，需要对多种程系统包括以下3个组成部分:反应分离部分换热原料、产品流和中间物流进行换热。本文利用夹点部分和公用工程部分。其中,换热部分是直接的耗技术对某聚氯乙烯换热流程进行了分析,找出了其能部分,其设计优劣直接影响到系统的能量消耗。能量利用不合理的环节,提出了优化后的换热网络,要把一个过程工业的工厂设计的能耗最小、花并对方案进行了技术经济评价。费最少和环境污染最低,就必须把整个系统集成起来作为--个有机结合的整体来看待,达到整体设计1现有工艺流程最优化。不同的学者提出了不同的集成方法,例如某聚氯乙烯工艺流程分为五个工段:乙炔工段;夹点技术分析法(~3)、热力学分析法与热经济学分VC(氯乙烯)单体合成净化工段;VC单体压缩分馏析法(4-5)、数学规划法[6)等。其中,夹点技术是过程工段;悬浮聚合工段(包括悬浮聚合干燥);乳液聚合集成方法中目前最实用的3。夹点技术将热力学原工段(包括乳液聚合干燥)。理与系统工程相结合,用以取定工程系统能量利用.1 乙快工段收稿日期2005-11-09 修订稿日期 2005-12-04中国煤化工应生成乙炔气,再基金项目:国家自然科学基金重点项目(20436040)经工HCNMH G气。如图1所示:作者简介:冯霄(1953-),女 ,博士.博士生导师，教授。电石进入发生器遇水产生乙炔气从发生器逸出,其3●中反应时,电石分解出的大量热量借不断加入的新缩冷却,除油、水后平稳的送至低沸塔，除去低沸物鲜水来维持反应温度。逸出的乙炔气进人喷淋器冷后人高沸塔,再除去高沸物，最终在高沸塔顶得合格却经过水封后进入冷却- -塔,出塔的气体,一部分的氯乙烯,经冷凝成液体送往单体储槽,供聚合用。进入气柜,一部分进人冷却二塔,自二塔顶部逸出的如图3所示。自单体合成工段来的合成气,进机前乙炔气进入压缩机，经压缩后进人清净-~塔(用废次冷却器用6C水冷却以除掉部分水分,然后经往复钠循环) ,出塔的乙炔气再进人清净二塔(用新鲜次式压缩机,二段压缩至4.9x I0 ~5.9x 10 Pa,压缩钠循环)。从清净塔出来的乙炔气体进入中和塔(用后的气体经气体油分离器人机后冷却器,再进入全碱液中和),中和后的气体送去VC合成工段。凝器,用6C水将粗聚氣乙烯冷凝成液体到水分离新鲜水器,未凝气再进入尾气冷凝器,液体下到水分离器，跖一它块发生教- +器-树] +冷却一图不凝气去尾气吸附器用活性碳将其中氯乙烯吸附，其它空气排空。粗聚氯乙烯经水分离器分离掉少量的水后进人低沸塔,从塔顶排出所含的乙炔等低沸物,除去了乙炔的塔底液体在控制一-定温度和液面遭请二场一→中和带的情况下,靠压力进人高沸塔,从高沸塔顶出来的合新鲜次钠送往平体格的氯乙烯经成品冷凝器冷凝成液体, -部分作为高塔回流,大部分送单体储槽作为本工段成品。高图1乙炔工段工艺流程沸塔底间断排出的高沸残液含有- -定的氯乙烯,送1.2 VC 单体合成净化工段入储槽。定期开回收0塔将残液中氯乙烯蒸出送人本工段是用原料乙炔和氯化氢经工艺处理,生产气柜， 塔签高佛物排人高沸物储槽，定期回收。最合格的粗VC。如图2所示:由乙炔工段送来的精制后,将纯净的单体送往聚合工段。乙炔,经沙封后进人乙炔预冷器,用6C水来冷却去水,预冷后的乙炔再与氯化车间送来的已除去凝酸的凯后冷知输金司医冷源国事体使何一氯化氢按照乙炔:氯化氢的分子比为1:1.05~ 1:1.10的比例控制流量进人混合器混合,混合气再进人石墨成晶冷爱器冷凝器.用- 20盐水冷却至- 12C ,这样可以除去医编机、部分凝酸,其余凝酸在除雾器被排出，此时的混合气经预热器加热后,进入转化器,转化器为列管式固定圉3 VC 单体压缩分馏工段工艺流程床反应器,转化为二段:为保持转化器温度稳定,转化.4 悬浮聚合工段.器管间通热水循环传热,从二段出来的合成气含有少本工段进行聚合反应,将精制的氯乙烯单体送量汞和过量的氯化氢及未反应的乙炔,粗合成气经装人聚合釜,适时加入分散剂、引发剂缓冲剂、终止剂有活性炭的除汞器,除汞后人水洗塔，用水吸收多余等各种助剂。反应结束后,将生成的PVC送人干燥的氯化氢。加水量以控制水洗塔底排水中含酸在塔,利用加热的蒸汽来干燥,再送人旋风分离器,完1% ~ 3%为准。除去氯化氢后合成气再进人碱洗塔成干燥脱水后制粒,最后制得含水量和外观合格的以除去气体中微量的酸和CO2,经净化后的合成气进树脂。如图4所示。气柜，再送去VC单体压缩分馏工段。分敝刺引发刑理帅剂终止剂加然投一就PVC单体乙炔一[甜缩分馍工段图4悬浮聚合工段工艺流程1.5 乳液聚合工段氧化复一分离器」J本工段是将纯度符合要求的氯乙烯单体在聚合圉2 VC 单体合成净化工段工艺流程釜中中国煤化工乙烯乳胶,将其进行.3 VC单体压缩分馏工段喷雾风分离器,再制粒,本工段将已除去酸性组分的粗氯乙烯气体经压制得MHCNMHG如图5所示。循环使用。该股热流具有很大的热容流率,其换热.量-共为11 760 kW,完全可以加热夹点以下的所有乳化制- -腔恒槽乳化测→去气柜冷流,与此同时,处于夹点的其它热流的过程换热量太小,不能完成与冷流的匹配，所以,希望将H8这股热流分流,考虑到该股热流是便宜的热水,所以分流的要求不高,可以满足。至于夹点之上,只有一股解-图国中网过程换热量较小的热流,冷流完全可以将其匹配。种子←进储槽复合曲线医胶高位间+于提城50p00.图5乳液聚合工段工 艺流程50 I2现有工艺流程的夹点分析◆热流+夹点位量2.1物流的确定500 100015000 2000经过对工艺流程的分析,从中找出13 股可用来构造换热网络的物流,其中有8股热流.5股冷流(部-s0l分冷流用热水反算)。各流股的情况如表1所示。焓值. kW表1物流数据图6系统复合 曲线物流名称.供应温目标温热容流率换热量3装置能量系统优化度.C度,C CP,kW/C Q ,kW/CHI图1乙炔85402.285Hn2图2乙炔冷却122.06557.823.1 换热网络匹配HB3图2混合气冷却 45-133.15182.7根据_上述分析,将表1中的物流匹配成如图7t4 图2粗制VC冷却 1300.54749.23 .所示的换热网络。该网络满足最小公用工程目标。15图3粗制vC预冷40.4812.96102.8kwH6 图3粗制VC冷却 900.53625.74418sT -17图3进料冷凝4213.966H8图2转化器热水1 68011 760 .岢E-13c1 图2混合气预热 - 13.23267.518C2 图3低沸塔塔釜36214.7H4 130T 十97.0 .1京40C3 图3高佛塔塔釜 8687728 .45od-回13ζC--尚C4 图4空气加热2514448.463 5 573.3 .42C尚+120.图5空气加热1529.8443 730.5回6552W2.2夹点分析8回十@r0C23w 304074711W根据表1,同时假定夹点温差为10C,可以作出复合曲线,见图6。从图6可以求得整个换热系统目4，回一~13的夹点在92C,即热流的夹点温度在97C,冷流的or-86T回一_86C夹点温度在87C,同时可以求得最小加热公用工程-25C量为4430.66kW，最小冷却公用工程为4 404.93 kW。于是可以确定出能量目标和节能潜C51500170回.白2四一z.025C團7换热网络匹配力,并且以此作夹点分析。该聚氯乙烯装置实际共用热量10514 kW,冷量3.2 改造后的经济效益10 488.32 kW。因此,其节能潜力为6083.34 kW,超本方案可以回收热量6083.34kW,回收冷量过50%。6 083.34 kW。所节省的热量原用0.6 MPa的饱和水对于该聚氣乙烯流程来说,热流的夹点温度蒸气中国煤化工冷量原用冷冻水，97C处就是流程简图2中保持转化器反应温度的热其中|YHCN MH G 35C水的价格为水H8的出口温度,一般工厂将该股热流用凉水塔6元/1。该装直牛运个7200 ho内此,换热网络改造的降温,然后加入--定量的新鲜水使之降温到90C再年经济效益为335.3417万元。(下转第45页)更能节约采暖能耗,采用节能保温墙体比相邻不观的领导、同行用户比较多,某些房间的频繁开窗采暖的房间更能节约采暖能耗。进-步来说,这是与采暖系统的暂时关闭等等这些因素将使测试结果房间向外传出的热流通量依次增大的缘故。与实际使用情况下房间能耗有所出人，但总的采暧其原因之二:底层与顶层均为采暖能耗最高的能耗变化规律是不变的。用户,由于底层的地面与顶层的屋面均造成其比相4结论同单元房间多出--部分通过外围护结构热量散失，而底层的冷风渗透更加大其能耗。由此可见在节能4.1可以看出,尽管有许多不利因素,但该节能建建筑中对底层的地面及顶层屋面的保温性能有待进筑平均耗热指标是满足国家对节能建筑耗热指标的-步提高,对于底层的外墙应至少与山墙采用相同要求的,可见采用电热膜供暧技术与节能保温建筑墙体,北向房间外窗采用保温性更好的外窗,才可从的结合是比较合适的。其实测能耗、耗热指标对民.根本.上降低底层与顶层采暖能耗。用节能建筑采暖设计热负荷指标的制定有-一定的参全楼406房间的采暖能耗最低(9.2 W/m?), 105考价值。房间的采暖能耗最高(41.5 W/m2)，406房间向上下4.2对房间的通风来讲,建议增设节能通风换气装左右相邻房间及楼梯间传热量最少,而105房间正置来保证房间的新风以满足人员健康舒适的要求。好相反,不利影响因素最多。由最大与最小能耗房4.3如果楼梯间不采暖 或相邻房间不采暖，建议要间的比较(相差4.5倍)可暴露出热费计量中的先天提高间墙墙体的保温性能。不公正性,因此对于任何使用独立电源或集中供暖4.4对于用户而言,采暖期最好设有阳台的隔断,得热用户,实行分户计量与收费的关键是要制定一.白天开启,夜间关闭,这在相同能耗下对房间的热舒相对公平计量与分摊原则。适状况有很大的提高。否则南、北向实际窗墙比比3.4其它因素设计增大,传热量与冷风渗透增大,造成采暖能耗增由于建筑物为当年开工,当年竣工,墙体比较潮大。湿,虽然在节能建筑中,墙体的热阻主要取决于墙体4.5对于顶层与底层房间,建议用户在装修时适当保温材料,而苯板的热阻与含湿关系不大,但是对刚提高地面与屋面的保温性能来降低采暖能耗。竣工投人使用的建筑来说,仍有一部分供热量用于参考文献干燥墙体,其能耗同已经干燥的建筑相比要高-些。[1]}杨善勤.民用建筑节能设计手册[M].北京:中国建住宅没有进户,只有307室和308室各有一个人值筑工业出版社，997.班看守,所以307和308房间能耗比较大。其他各[2]彦启森,赵庆珠建筑热过程[ M].北京:中国建筑工户均无人人住,建筑未处于正常使用状况，所测试的业出版社, 1994.建筑由于采用了低温辐射电热膜供暖技术和高效的[3][苏]B. H.巴格斯罗夫斯基著.建筑热物理学[M).单建筑节能保温措施,在交工以后的供暖期内,前来参寄平译,黄福其校.北京:中国建筑工业出版社, 1988.(上接第5页)AgeJ]. Chem. Eng. Prng, 1984,80:33 ~ 40.该改造方案需增加11个换热器,设备投资费为(2] Ebriahira Mubarak , Kaawari Al. Pinch technoiogy: An i-81.8396万元,考虑添加换热器的占地费用、管道费cient Tool for Chemical Plant Energy and Capital - cost Saving[J}.用、运输费用、安装费用和去掉原来不用的换热器的Applied Energy , 20065:45 ~ 49.[3]冯霄,李勤凌.化工节能原理与技术[M] .北京:化学费用等,总投资费用应为设备费用的3倍[7),则投资工业出版社, 1998.的简单回收年限为:[4]姚平经.全过程系统能量优化综合[M].大连:大连(81.8396 x 3)/335.3417= 0.73(年)理工大学出版社, 195.[5]Manninen J,Zhu X x. Thermodynamic Analygis and Math-enmatical Optimization of Power Plans(J].Comput Checm Eng, 1998,本文采用夹点技术,对某聚氯乙烯装置进行了22(B):s537 - s44.分析,提出了优化后的换热网络,可以取得节省热量[6]Yee I F, Grossmarn I E. Kracanja 2. Sirmultancous Opti-和冷量各6 083.34 kW得节能效益和335. 3417万元mizaion Models for Heat Integration- I . Process and Heat Ex-changer network optinization[J]. Computers Chen Engng, 1990, 14的年经济效益,投资回收期不到一-年。(11):中国煤化工[1]innhof B. Vredeveld D. R. Pinch Technology Has Come of化学IIHCNMHG化与综合[M].北京:45.