水系统集成技术在甲醇厂的应用 水系统集成技术在甲醇厂的应用

水系统集成技术在甲醇厂的应用

  • 期刊名字:化学工程
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  • 论文作者:王天华,冯霄
  • 作者单位:西安交通大学
  • 更新时间:2020-03-17
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第36卷第4期化学工程Vol. 36 No.42008年4月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)Apr.2008水系统集成技术在甲醇厂的应用王天华,冯霄(西安交通大学化学工程系,陕西西安710049)摘要:水系统集成技术是把整个工业用水系统作为-一个整体来看待,并考虑水质、水量的分配,从而使系统用水的重复利用率达到最大,同时废水排放量最小。甲醇企业是用水和废水排放的大户,将水系统集成技术应用于甲醇工业,具有重要意义。文中结合水系统集成技术的工业应用现状,总结了水系统集成技术在工业企业中应用的-般步骤,具体分为以下几步:选定目标系统,明确水源水阱,确定关键污染物组分和极限进出口依度,生成初始网络和用水网络调优。并以某甲醇厂简化的用水系统为实例.采用文中所提出的一般应用步骤,对用水网络进行了优化,获得了新鲜水节水率达34. 5%的节水效果。关键词:水系统集成;甲醇厂;夹点技术中图分类号:TQ 021.8文献标识码:A文章编号:1005-9954(2008 )040071-04Application of water system integration technique in a methanol plantWANG Tian-hua, FenG Xiao(Department of Chemical Engineering, Xi' an Jiaotong University , Xi' an 710049 , Shaanxi Province, China)Abstract: W ater system integration considers how to alcatle water in a water system with the water utilizationprocesses in a plant treated as an organic whole, and thus increasing water reuse and decreasing wastewalerdischarge. Methanol industries consume a large amount of freshwaler and discharge a large amount of wastewater.So 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 aplication of water system integration irindustries were summarized. The major steps are as follows: selecting the system, speifying water source8 andwater sinks, determining the key contaminants and the limiting inlet and outlet concentrations of contaminants,generating 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 obtained.Key words :water system integration; methanol plant; pinch technology随着工业生产的发展,水资源匮乏及污染加剧水夹点技术)与数学规划法。已严重制约着经济的发展。与此同时,国内许多工水夹点技术于20世纪90年代中期提出,主业企业的新鲜水单耗废水单排均比工业发达国家要适用于单杂质用水系统,是水系统集成技术中使大,节水减排已成为企业发展过程中不能回避的重用最为广泛的方法之一。它是将用水单元操作简化要问题之一。为一个从富杂质过程流股到水流股之间的质量传递水系统集成技术就是把整个用水网络作为一个过程。水夹点可以给出用水系统的瓶颈。.整体来对待,考虑如何分配各用水单元的水量和水数学规划法( -1] 主要用于多杂质复杂系统中,质,使系统的重复利用率达到最大,同时废水排放量能有效地优化用水网络,并且可以同时得到系统的达到最小。最优目标值和达到该目标值的相应的水网络。水系统集成方法可分为两大类,即图示法(如水系统集成技术已经成功地应用于炼油厂[5、基金项目:国家自然科学基金资助项目(20436040)作者简介:王天华(1984-) ,男,硕士研究生,研究方向为水系统集成,电话:(029 )82668980;冯霄通讯联系人,E mail:xfeng@ mil. xjtu.edu. cn。化学工程2008 年第36卷第4期氯碱厂、热电厂中,节水率达20%- 30%。 英国通过分析.对比、简化、假设等手段"来完善。Monsonto 公司1995年对7套生产装置进行了水夹1.5 生成初始网络点分析与应用,取得了节水30% ,减少污水处理量实际上,企业的水供应及废水排放管网要复杂75% ,减少投资费用1 150万美元的效果(6]。得多,且系统-般为多杂质的情况。为了生成水系甲醇是重要的大宗的化工原料,甲醇企业是用统的初始网络,需要专门的水系统集成建模与集成水和废水排放的大户,但水系统集成技术在甲醇工工具软件来完成这项工作,如美国Aspen Tech开发业的应用研究,至今还未见报道。的Aspen Water8] 和Linnhoff March 公司开发的本文首先总结了水系统集成技术在工业企业中Water Target[9)就是这样的工具软件。应用的一-般步骤,然后,采用水系统集成技术对某甲将用水单元的极限数据代人到水系统集成建模醇厂的水系统进行了优化集成。与集成工具软件中,生成用水网络,即为初始网络,初始网络通常需要调优。1水系统集成工业应用的一般步骤1.6用水网络 调优水系统集成在工业中的应用大致分为如下6步为了使网络简洁、实用、可行,对初始网络作适进行。当的调整很有必要。1.1 选定目标系统调整原则通常如:①优先考虑同一车间或装置水系统集成的核心思想是整体性。在选定目标内部用水匹配,目的是简化水网络,减少企业实际架系统时,毫无疑问,应着眼于全[用水系统。有时如设管路等费用;②尽量减少用水单元的供水水源数,果一些用水单元不能参与系统集成,则这些单元在对水量相当的水源与水阱优先匹配,这-步也能有选择目标系统的时候不予考虑,以简化系统。效降低网路的复杂性,减少投资资本;③去除水量相1.2确定水源水阱对少的水流,能有效降低网络的复杂性,使设计切实水源水阱可被定义如下:每一个用水单元都有可行。可能使用新鲜水和从其他单元来的水,成为接受它们的来水的潜在的水阱;从某一个用水单元出来的2甲醇厂水系统集成水都可以进人其他单元去用,成为供给它们水的潜甲醇工业中水有两大用途:一方面是作为工艺在的水源。对于严格限定水源水质的水阱(如只能用水消耗,另-方面作为换热或清洗用水。水的主使用新鲜水)或者无节水潜力的用水单元出水可不要类型可分为新鲜水脱盐水、蒸汽、冷凝液等,其中作考虑,以减少变量数。脱盐水主要用来产生蒸汽。蒸汽的利用又可以分为1.3确定关键污染 物组分二类:工艺蒸汽和换热蒸汽,工艺蒸汽在甲醇生产过没有准确的关键污染组分的判定,所谓的进出.程中消耗,换热蒸汽在满足热量交换的前提下形成口浓度就失去了意义,进而影响到后来的优化结果。了冷凝液。此外排污也相当复杂,一般会含有工业水系统中,杂质种类通常较多,并且不同的COD、BOD、悬浮物等。用水单元可能含有不同的杂质。例如炼油厂循环水某甲醇厂以天然气为化工原料生产甲醇,现行的控制指标就需考虑pH值、电导率、总N、总Fe、用水系统如图1所示。COD残氯、细菌含量、浊度和悬浮物等。如果在水热气精馏塔董液系统集成中,所有的因素都考虑,就会使集成问题变11.得非常复杂。因此,在水系统集成中,有必要根据各用水单元对水质的要求,选择关键的杂质组分。但[锅炉抽灰-一些次要的杂质也许会对过程的操作产生影响。因脱盐本-[可包]_20.0循此,待初始网络生成后,应将其他杂质作为约束,考地水察各用水单元所用的回用水。1.4确定极限进出口浓度新鲜本~冷却装置|沟关键污染物组分确定后,接着要确定各个单元16.524.2的进出口极限数据。通常这样的数据是很难获得圈1某天然气甲酵厂水系统工艺简圈(单位:Vh)的,需要在对现有用水单元水质水量了解的基础上,Fig.1 Curent water aystem of the mehanol plant ( unit:Vb)王天华等水系统集成技术在甲醇厂的应用●73●目前的甲醇厂用水状况如下;新鲜水消耗49.4表1主要水源列表Vh(不计循环系统的水损失) ,脱盐水消耗6.8 Vh,编号Table 1 Major water sources用水工序用水水质流量/(h)此外还有蒸汽消耗11.3 Vh。S气包排污脱盐水6.8在水系统分析过后可知,一些用水单元具有回冷却装置新鲜水16.5用潜力但却直接排放。目前排污主要集中于两大总计23.3块:一是有回用潜力的排污,如精馏塔釜液排污,有表2主要水阱列表机物含量略高,可以满足锅炉抽灰用水,目前已经回Table 2 Major water sinks用到锅炉抽灰工艺中;此外,转化冷凝液,冷却装置编号所属装置用水工序用水水质 流量(h心)排污和气包排污水质也相对较好,有回用潜力。另1锅炉锅炉抽灰废水+新鲜水20.0一块是排污量大且无直接回用潜力的用水单元,如R2循环水站 循环水补水新鲜水24.244.2循环水站排污和锅炉抽灰排污,它的污染物含量相对复杂。纵观全厂用水系统,经过水源水阱的确定,鉴于极限数据的缺乏,通过充分利用现有信息,分析出有节水潜力的用水单元,主要水源水阱见表采取分析、对比、试验研究等方法获得。现列出全厂1- -2。根据各用水单元对水质的要求,确定制约水主要用水工序中关键污染物组分的进出口极限数回用的关键污染物组分为钙离子。据,见表3。表3全厂关键污染物组分(Ca2* )的进出口极限数据表Table 3 Limiting inlet and outlet maas concentration of the key component(Ca*+ ) in each unit水流量进口极限质量浓度出 口极限质量浓度现用水质/(t.h"I)/(mg.L")6.8306(新鲜水+脱盐水18.20555锅炉抽灰废水+新鲜水20.00140循环水补水24.5838_60对全厂4个用水单元进行直接回用分析,使用3所示。《用水网络设计与优化》软件作出夹点图,结果如图新鲜水7.622所示。新鲜水和脱盐水16.55+216.55 厂41 11.00-→排污8(脱盐水6.836.83__ 「31.20.00- →排污圄3直接回用情况下的初始网络圈( 单位:Vh)Fig 3 lnitial reuse network ( unit:Vh)4020为了使设计出的用水网络简洁、实用可行,有必要根据实际情况对理论网络图作适当的调整。根0500 1000 500 2 00025003 0035oo .杂质负荷(g.h" )据厂里实际情况和水网络调整原则,锅炉装置和循围2直接回用情况下的水夹点图环水站距离较远,故去除循环水站到锅炉抽灰的匹Fig.2 Pinch of the diret reuse配。此外,精馏塔釜液含有有机污染物,没有回用到其他单元的潜力,因而原用水网路中从精馏塔釜液生成结果如下:夹点质量浓度为60. 00 mg/L,到循环水站的匹配也应保留。最终形成了调整后的最低耗水量为31.00 Vh。然后生成初始网络,如图网络,见图4。●74●化学工程2008 年第36卷第4期新鲜水7.70Eng Sci, 1994,49(7) :981-1 006.[2] HuangC H, ChangCT, Ling HC, et al. A mathemai-新鲜水和脱盐cal progranming model for water usage and treatment net-水16.50L216.50L4_ 24.20>排污work design[J]. Industrial & Engineering Chemistry Re-新鲜水1.90earch, 199 ,38(7) :2 662679.[3] Bagajewicr M J, Rivas M, Savelski M J. A robust method脱盐本6.80680门t 200→搏污to obtain optimal and sub-optimal design and retroft solu-tions of water utilization systems with multiple contami-nantes in process plants[J]. Comput Chem Eng, 2000 ,24精馏塔釜液11.30(2- -7):1 461-1 466.圈4网络调优(单位:Vh)4] Doyle SJ, Smith R. Targeing water reuse with multipleFig.4 Water network after adjustment ( unit;Vh)contaminants[J]. Trans IChemE, Part B, 1997 ,75(3):181- -189.与原水网络相比,调整后的用水网络减少了锅[5] Takama N, Kuriyama T, Shiroko K, et al. Optimal water炉抽灰工序的新鲜水补水,节约新鲜水6.8vh,减allocation in a petroleum refinery [J]. Comput Chem少排污6.8 Vh;此外,节约循环水站新鲜水补水Eng,1980,4(4) :251- -258.16.5 Vh,减少排污16.5 th。总的水系统集成的结[6] Oyeleye 00, Finch F E, Kramer M A. Quitative mo-果为新鲜水节水率达34. 5%。deling and fault diagnois of dynamic process by MIDAS[J]. Chemical Engineering Communicaions, 1990, 963结论(1):205- 228.根据水系统集成技术的应用现状,提出了水系.[7] Zheng Pingyou, Feng Xiao, Qian Feng. Water sysem in-统集成技术在工业水系统中的一般应用步骤,并将tegration of a chemical plant[J]. Energy Convernsion and该技术应用于某甲醇厂的水系统集成优化,有效地Management ,2006 ,47(15- -16) :2470- -2 478.减少了新鲜水消耗,同时也减少了排污。[8] Aspen Technology Inc Aspen Waler [ EB/OL]. htp://www. aspentech. com/ ,2003-10-24.参考文献: .[9] LinnhofF March Comp Water Target [EB/OL]. htp: .[1] Wang Y P, Somith R Waste waler minimizaion[J]. Chem//www. Iinoffmarch. com/ ,2003-10-24.工程建设项目信息●辽阳石化乙二醇改造工程在辽阳建设,中国寰球工程公司承担初步设计和详细设计。●在天津建设的蓝星天津石化分公司丁二烯工程,由中国寰球工程公司承担基础设计和详细设计。●镇海炼化100万Va乙烯装置,80万V/a汽油加氢装置在浙江镇海建设,由中国石化工程建设公司承担基础设计。●在山西孝义建设的5万Va合成铝镁水滑石和4A沸石项目,由山西省化工设计院承担可行性研究。●宁夏平罗县宏煜石油精细化工有限公司5万Va原料油加工项目在宁夏河东工业园区建设,内蒙古国立工程设计咨询有限责任公司承担可行性研究。●中国石油四川公司10万Va双酚A项目和16万Va丙烯酸酯项目在四川建设,中国石油集团工程设计有限责任公司东北分公司承担前期设计。●中海石油基地集团内蒙古天野化工煤炭气化厂-期替代1.5亿m2 ,二期替代4.5亿m'天然气装置,总体替代6亿m'天然气装置在内蒙古建设,东华工程科技股份有限公司(原化工部第三设计院)承担可行性研究。●兰州蓝星化工有限公司20万Va甲醇技改工程在兰州建设,东华工程科技股份有限公司(原化工部第三设计院)承担可行性研究。

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