化學(xué)工程與石油化工節(jié)能范文

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1壓縮機(jī)的節(jié)能

將氣體從低壓壓縮到所需要的高壓需要壓縮機(jī)，常見的“乙烯三機(jī)”(裂解氣壓縮機(jī)、丙烯壓縮機(jī)和乙烯壓縮機(jī))就屬于大型離心式壓縮機(jī)，是乙烯裝置的耗能大戶。除了離心式壓縮機(jī)，往復(fù)式壓縮機(jī)也在石油化工生產(chǎn)過程中有著廣泛的應(yīng)用。盡管離心式壓縮機(jī)和往復(fù)式壓縮機(jī)因工作原理不同節(jié)能方式存在差異，但從有效能分析的觀點(diǎn)看，壓縮過程的有效能損失主要是非等溫壓縮的不可逆性引起的。因此，壓縮機(jī)節(jié)能的關(guān)鍵是改變壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)，采用多級壓縮，級間冷卻，使整個(gè)壓縮過程向等溫壓縮過程趨近，減少有效能損失。例如，乙烯裂解氣壓縮機(jī)通常設(shè)計(jì)成四段或五段。離心式壓縮機(jī)的能量損失方式有流動損失、沖擊損失、輪阻損失和漏氣損失等，對離心式壓縮機(jī)的操作與設(shè)計(jì)改進(jìn)是增產(chǎn)節(jié)能的主要措施之一。例如：提高吸入壓力，降低吸入溫度，增加流量，提高轉(zhuǎn)速；增加葉輪擴(kuò)壓器的通流寬度，降低葉輪輪阻損失，改變?nèi)~輪葉片和擴(kuò)壓器葉片的幾何安裝角度等。對于往復(fù)式壓縮機(jī)，通過減小壓縮過程的不可逆性實(shí)現(xiàn)節(jié)能的主要方法有：合理的選擇壓縮比，增加壓縮機(jī)段數(shù)，提高吸入壓力，降低出口壓力，降低壓縮機(jī)入口氣體的溫度，減小段間阻力降，盡量取消壓縮機(jī)前后不必要的閥件和彎頭等。

2熱量傳遞與節(jié)能

熱量傳遞過程可以分為導(dǎo)熱傳熱、對流傳熱和輻射傳熱三種基本方式，它們有各自不同的傳熱規(guī)律，石油化工生產(chǎn)過程中的傳熱通常是幾種傳熱方式的組合。強(qiáng)化傳熱的目的就是力求使換熱器在單位時(shí)間內(nèi)、單位傳熱面積傳遞的熱量盡可能的多。從傳熱基本方程Q=KFΔT可以看出，增大傳熱量Q可以通過增大傳熱溫差ΔT、擴(kuò)大傳熱面積F和提高傳熱系數(shù)K三種途徑來實(shí)現(xiàn)。(1)優(yōu)化平均傳熱溫差。在換熱器中冷熱流體的流動方式有四種，即順流、逆流、交叉流、混合流。在冷熱流體進(jìn)出口溫度相同時(shí)，逆流的平均傳熱溫差ΔT最大，順流時(shí)ΔT最小，因此，為增加傳熱量應(yīng)盡可能采用逆流或接近于逆流的傳熱方式。增加冷熱流體的平均傳熱溫差△T雖然可以強(qiáng)化傳熱，但同時(shí)也增加了傳熱過程的不可逆性，增加了傳熱過程的損失，因此，通過權(quán)衡，優(yōu)化冷熱流體的平均傳熱溫差△T是節(jié)能必須進(jìn)行的工作。(2)擴(kuò)大換熱面積。增大傳熱面積以強(qiáng)化傳熱，并不是簡單地通過增大設(shè)備體積來擴(kuò)大傳熱面積，而是通過傳熱面結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來增大單位體積內(nèi)的傳熱面，從而使得換熱器高效而緊湊。如采用小直徑的管子，并實(shí)行密集布管，采用各種形狀的翅片管來增加傳熱面積。一些新型的緊湊式換熱器，如板式換熱器和板翅式換熱器，同管殼式換熱器相比，在單位體積內(nèi)可布置的換熱面積要大得多。對于高溫、高壓工況一般都采用簡單的擴(kuò)展表面，如普通翅片管、銷釘管、鰭片管，雖然它們擴(kuò)展的程度不如板式結(jié)構(gòu)高，但效果仍然是顯著的。(3)提高傳熱系數(shù)K。提高傳熱系數(shù)是增加傳熱量的重要途徑，也是當(dāng)前強(qiáng)化傳熱研究工作的重點(diǎn)內(nèi)容。提高傳熱系數(shù)的方法重點(diǎn)是提高冷熱流體與管壁之間的換熱系數(shù)。尤其要提高管子兩側(cè)中換熱較差一側(cè)的換熱系數(shù)，以取得較好的強(qiáng)化傳熱效果。強(qiáng)化對流傳熱的措施有[7]：表面粗糙化，提高壁面的表面粗糙度以影響湍流粘性底層的傳熱；表面加擾動單元，如表面為引發(fā)渦流而引入的小翅；管道中加入插件以引發(fā)轉(zhuǎn)動；用水射流冷卻熱表面等。上述各獨(dú)立措施通常可以組合使用，以取得更好的強(qiáng)化效果。需要注意的是，強(qiáng)化傳熱的所有措施總要以較高的壓力損失和驅(qū)動功率為代價(jià)。因此，把傳熱和驅(qū)動功率統(tǒng)一到過程的不可逆性上來評價(jià)強(qiáng)化傳熱過程的效果，才能使各種技術(shù)具有可比性。

3質(zhì)量傳遞與節(jié)能

精餾過程是一個(gè)典型的分離過程，也一個(gè)重要的質(zhì)量傳遞過程。根據(jù)熱力學(xué)基本原理可知，不同物流的混合是自發(fā)的不可逆過程；反之，要把混合物分離成不同組成的產(chǎn)品時(shí)，必須消耗某些形式的外界功或熱能。精餾過程中物質(zhì)在不同相間的轉(zhuǎn)移是在恒溫和恒壓下進(jìn)行的，相轉(zhuǎn)移過程的推動力是化學(xué)勢，化學(xué)勢在處理相變和化學(xué)變化時(shí)具有重要意義。精餾過程中，蒸汽以一定壓力降通過精餾塔是產(chǎn)生不可逆因素的原因之一。其次是再沸器和冷凝器分別以一定的溫差加入和移走熱量，更重要的原因是氣液兩相相互接觸或混合時(shí)因未達(dá)到相平衡而使精餾過程的不可逆程度增大。因此，降低流體流動所產(chǎn)生的壓力降，減小傳熱過程中的溫度差，減小傳質(zhì)過程中的濃度差即化學(xué)勢差，均能使精餾過程中的功耗降低。使損失的減少。精餾塔通常可以采用以下節(jié)能措施：(1)在精餾塔的操作方面，應(yīng)盡可能減小回流比，預(yù)熱進(jìn)料，減小再沸器的負(fù)荷；應(yīng)充分利用塔釜液余熱，減小再沸器與冷凝器的溫差，并通過防垢除垢減小傳熱熱阻等。(2)在精餾塔的結(jié)構(gòu)方面，應(yīng)盡量采用新型塔盤或新型填料以減少塔的壓降。在石油化工生產(chǎn)中，過去板式塔多為泡罩塔，填料塔多用拉西環(huán)、鮑爾環(huán)。隨著塔設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，老式的塔板和填料逐漸被淘汰。浮閥、篩板、旋流塔板、波紋穿流塔板被采用。在填料上則選用較先進(jìn)的階梯環(huán)、扁環(huán)、矩鞍形金屬環(huán)和孔板波紋、格柵等新型填料，為提高產(chǎn)量、減少能耗、安全生產(chǎn)和穩(wěn)定操作創(chuàng)造了條件。此外，采用設(shè)置中間冷凝器和中間再沸器的方法減少塔的有效能損失，這樣可以降低塔的操作費(fèi)用，但卻增加了塔的設(shè)備折舊費(fèi)用。

4化學(xué)反應(yīng)與節(jié)能

化學(xué)反應(yīng)過程同時(shí)受動量傳遞過程、熱量傳遞過程、質(zhì)量傳遞過程以及化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律支配。化學(xué)反應(yīng)的平衡問題和速率問題是互相關(guān)聯(lián)的，可以從反應(yīng)速率導(dǎo)出化學(xué)平衡，但卻不能從化學(xué)平衡導(dǎo)出反應(yīng)速率，因此化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)比化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)更為基礎(chǔ)。熱力學(xué)僅是給出了化學(xué)反應(yīng)的可能性，要實(shí)現(xiàn)這種可能性還必須從動力學(xué)的角度研究化學(xué)反應(yīng)的速率及相關(guān)影響因素。化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，大多數(shù)情況下都伴有熱量的吸入或放出。如何有效地供給或利用反應(yīng)熱是化學(xué)反應(yīng)過程節(jié)能的重要方面。對于吸熱反應(yīng)，應(yīng)合理供熱。吸熱反應(yīng)的溫度應(yīng)盡可能低，以便采用過程余熱或汽輪機(jī)抽汽供熱，節(jié)省高品質(zhì)的燃料。對于放熱反應(yīng)，應(yīng)合理利用反應(yīng)熱。放熱反應(yīng)的溫度應(yīng)盡可能高，以回收較高的品質(zhì)的熱量。例如，利用乙烯裝置裂解氣急冷鍋爐產(chǎn)生的8~14MPa的高壓蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)，可使每噸乙烯消耗的電力由2000~3000kW/h降到50~l00kW/h，大大提高了乙烯裝置的經(jīng)濟(jì)性。不論是吸熱反應(yīng)還是放熱反應(yīng)，均應(yīng)盡量減少惰性稀釋組分。因?yàn)閷ξ鼰岱磻?yīng)，惰性組分要多吸收外加熱量；而對放熱反應(yīng)，要多消耗反應(yīng)熱。化學(xué)反應(yīng)器是進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的重要設(shè)備。絕大多數(shù)反應(yīng)過程都伴隨有流體流動、傳熱和傳質(zhì)等過程，每種過程都有阻力，都需要消耗能量。所以，改進(jìn)反應(yīng)裝置，減少阻力，就可降低能耗。

反應(yīng)設(shè)備的選型應(yīng)滿足如下基本要求：(1)反應(yīng)器內(nèi)要有良好的傳質(zhì)和傳熱條件；(2)建立合適的濃度、溫度分布體系；(3)對于強(qiáng)放熱或吸熱反應(yīng)要保證足夠的傳熱速度和可靠的熱穩(wěn)定性；(4)根據(jù)操作溫度、壓力和介質(zhì)的耐腐蝕性能，要求設(shè)備具有材料穩(wěn)定、型式好、結(jié)構(gòu)可靠、機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕能力強(qiáng)等特點(diǎn)。例如，凱洛格(Kellogg)公司為減少合成氨催化劑床層壓力降、提高單程轉(zhuǎn)化率以及簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)，開發(fā)了激冷型臥式反應(yīng)器。催化劑呈水平板狀，反應(yīng)氣體垂直通過催劑床層，反應(yīng)器壓力損失明顯下降。文獻(xiàn)較為全面、系統(tǒng)地討論了各種化學(xué)反應(yīng)器，特別是新型化學(xué)反應(yīng)器在節(jié)能降耗中的作用。催化劑的選取則是另一個(gè)決定物耗和能耗水平的關(guān)鍵因素。由阿勒尼烏斯(Arrhenius)方程可知，化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)溫度成正比，與反應(yīng)活化能成反比，與指前因子，即碰撞因子成正比。所以，選擇合適的催化劑至關(guān)重要。例如，意大利蒙特愛迪生公司與日本三井石油化學(xué)公司共同開發(fā)的丙烯聚合反應(yīng)高效催化劑，與以前采用的齊格勒(Ziegler)型催化劑相比，生產(chǎn)強(qiáng)度提高了7~10倍，并省掉了脫灰工序，原料、蒸汽、電力等消耗均顯著下降。

5結(jié)語

本文重點(diǎn)討論了傳遞過程原理以及化學(xué)反應(yīng)工程與石油化工節(jié)能的關(guān)系。特別是從減小動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞和化學(xué)反應(yīng)過程的不可逆性，減小過程的有用功損失，減小過程的有效能損失出發(fā)，探討了反應(yīng)設(shè)備、分離設(shè)備、換熱設(shè)備和流體輸送設(shè)備的節(jié)能途徑和改進(jìn)設(shè)備設(shè)計(jì)的方法。根據(jù)化學(xué)工程的基本理論所獲得的節(jié)能途徑是多種多樣的，節(jié)能效果也各不相同，但最終的評價(jià)則取決于經(jīng)濟(jì)效益。多數(shù)情況下，采用節(jié)能技術(shù)均會減少操作費(fèi)用，但設(shè)備費(fèi)用可能會增加，所以最大限度節(jié)能不一定是最經(jīng)濟(jì)的。此外，節(jié)能措施還往往使操作變得復(fù)雜，要求較高的控制水平，這是在應(yīng)用節(jié)能技術(shù)時(shí)不容忽視的現(xiàn)實(shí)問題，必須綜合權(quán)衡，優(yōu)選最佳方案。

作者：劉維康魏壽彭郭彥楊樹林單位：中國石油規(guī)劃總院北京化工大學(xué)