劉飛舟 劉志強 康 威

（中南大學能源科學與工程學院，長沙410083）

基于CO2工質制冷的食品級二氧化碳生產工藝模擬

劉飛舟 劉志強 康 威

（中南大學能源科學與工程學院，長沙410083）

針對原使用氨制冷的食品級二氧化碳生產工藝，提出了一套CO2工質制冷的改進工藝，通過CO2循環(huán)制冷實現了進料液化，以塔釜CO2節(jié)流和塔頂閃蒸氣節(jié)流實現塔頂冷凝。2種工藝流程對比研究表明，改進工藝取消了氨制冷機組，節(jié)約了67%的氨制冷機組電機功率且提高了產品質量，但產品單位產量有所下降。采用Aspen Plus對新工藝流程進行研究發(fā)現，調整再沸器流股分流比和塔壓可以在滿足產品質量的前提下，提高產品產量，但同時會造成改進工藝節(jié)能效果下降。

二氧化碳；食品加工；模擬；氨制冷；節(jié)能

氨制冷系統(tǒng)制冷工質價格低廉且單位制冷量大，廣泛應用于工業(yè)制冷，但同時氨有毒，易燃易爆，安全性能差，易發(fā)生安全事故[1-2]。近年發(fā)生的多起重大責任事故為我國氨制冷企業(yè)的發(fā)展帶來了重大的不利影響及危害[3]。國內外學者呼吁，在應對氨制冷系統(tǒng)安全問題上，決不能簡單的以氟利昂系統(tǒng)來代替，在加大對涉氨企業(yè)安全管理力度的同時，更要加強對企業(yè)氨制冷相關技術的研究[4-14]。對于部分涉氨企業(yè)，通過對生產工藝的改進，實現無氨生產，從根源上杜絕安全事故的發(fā)生，將是減少涉氨安全事故發(fā)生的一個重要途徑。

因此，以某氣體公司食品級二氧化碳生產工藝為基礎，提出一套基于CO2循環(huán)制冷的食品級二氧化碳生產工藝，并對工藝進行分析研究，以期在不影響生產質量和生產產量的前提下，實現食品級二氧化碳無氨生產。

圖1 現行工藝流程Fig1 Schematic of current production process

1 基于CO2循環(huán)制冷生產工藝的改進

1.1 現行工藝流程

現行食品級二氧化碳生產工藝流程如圖1所示。

來自乙烯裝置的富含二氧化碳尾氣，首先冷卻到常溫，然后進入原料氣緩沖罐，經過二氧化碳壓縮機組壓縮至1.0 MPa，再進入脫烴及干燥工序，然后返回壓縮機的三級入口，繼續(xù)加壓到2.5 MPa左右。從壓縮機三級出口出來的二氧化碳氣體分成2路，1路經過精餾塔底部再沸器降溫，另1路經過主換熱器降溫，2者匯合后送入液化器液化，然后進入精餾塔進行提純。精餾塔塔頂閃蒸汽經節(jié)流降溫，返回精餾塔上部的換熱器殼程，與管程上升的閃蒸氣換熱，然后與儲液罐閃蒸汽匯合，送到主換熱器與原料氣換熱回收冷量，再送到凈化工序用做再生氣。塔底液體二氧化碳產品經過節(jié)流、過冷后送入儲液罐中儲存。

1.2 改進工藝流程

現行工藝中，進料液化器、塔頂冷凝器和產品過冷器都是用蒸發(fā)液氨作為冷源的，因此，改進工藝需要通過CO2循環(huán)制冷和流程改進來解決這3部分冷量的供給。如圖2所示。

圖2 改進工藝流程Fig2 Schematic of new production process

改進工藝通過CO2循環(huán)制冷實現進料液化：低壓CO2經過增壓機壓縮到臨界壓力以上，由于不能直接冷卻液化，所以經節(jié)流閥節(jié)流到進塔壓力進入兩相區(qū)，經分離后其中的飽和液體作為進料液體送入精餾塔，飽和氣體進入壓縮機繼續(xù)循環(huán)壓縮。通過塔釜CO2節(jié)流和塔頂閃蒸氣節(jié)流實現塔頂冷凝：塔釜液體CO2經節(jié)流后，經分離后飽和液體作為產品送入貯罐儲存，飽和氣體經再次節(jié)流后與塔頂冷凝器上升閃蒸氣換熱，然后與儲液罐閃蒸氣、塔頂閃蒸氣匯合。

改進工藝未進行產品過冷，管道跑冷損失以及流阻引起的液體氣化損失增大，因此需對貯罐與氣液分離器之間的管道加強保溫措施。

2 工藝流程仿真與驗證

2.1 Aspen Plus流程搭建

Aspen Plus仿真建模的各個單元模塊選擇如表1所示。

值得說明的是，根據現場采集的數據，采用Sep模塊來實現脫烴系統(tǒng)和干燥系統(tǒng)。精餾塔采用RadFrac操作型計算且無冷凝的模塊，塔頂蒸汽通過Heatx換熱器模塊與節(jié)流后的塔頂蒸汽換熱后，氣液分離液體送回塔頂作為回流液，氣體節(jié)流后通過Heatx換熱器模塊和塔頂蒸汽換熱。另外通過Heat Streams將再沸器流股原料氣熱量導入精餾模塊塔底。

表1 Aspen Plus的模塊選擇Tab1 Choose of Aspen Plus model

2.2 參數設定

根據參考文獻，模擬中采用RK-Soave物性方法[15-21]。模擬進料條件和壓縮機出口壓力根據某公司提供的《13萬噸液體CO2設計說明書》設定。精餾塔只設置塔壓、進料位置和塔板數，其他參數由流程自動耦合。所有換熱器都按冷熱出口換熱溫差為2℃進行設定。

2.3 仿真結果驗證

表2給出了仿真計算結果與現場采集值對比情況，相對誤差在5%的允許范圍內，表明該流程模擬與實際結果吻合較好，用該流程模擬改進工藝流程可以保證較高的精度。

表2 計算值和現場采集值對比Tab2 Comparison between calculated value and actual value

2.4 2種工藝流程仿真結果比較

在不改變現行工藝設備運行參數前提下，對現行工藝和改進工藝進行模擬仿真，其主要結果比較如表3所示。

從表3可知，改進工藝產品質量有所提高但產品單位產量下降較大，這原因是塔底液體CO2節(jié)流后氣液分離，一方面降低了產品產率，另一方面也增加了塔頂冷凝器冷量，增大了回流比，塔底產品質量提高。比較2種工藝的功率情況可以發(fā)現，改進工藝不僅取消了氨制冷機組而且節(jié)約了67%的氨制冷機組電機功率。但需要說明的是，該公司使用的氨制冷機組的能效比（COP）較低，僅為1.088。

表3 2種工藝流程仿真結果比較Tab3 Comparison of simulation results between two production process

3 改進工藝精餾操作主要因素分析

改進與現行工藝最大的不同，在于新工藝使用CO2循環(huán)制冷實現了原料二氧化碳的液化，取消了氨制冷機組，但同時采用塔釜CO2節(jié)流也降低了單位產量。所以，如何在保證產品質量的前提下提高單位產量，成為操作調優(yōu)的目標。研究發(fā)現，由于新流程冷凝器冷量由CO2節(jié)流提供，故再沸器流股流量是回流比的主要決定因素。塔壓的改變一方面影響塔內分離過程，另一方面影響進塔流股節(jié)流后壓力，從而影響進料組成和進料狀況。因此，該流程精餾操作的主要因素為再沸器流股（分流至塔底再沸器）分流質量比r（r=再沸器流股質量流量/主流股質量流量）和塔壓。

3.1 再沸器流股分流比對性能參數的影響

改變再沸器流股分流質量比r，產品中CO2質量分數和單位產量qm變化曲線如圖3所示。

圖3 產品CO2含量和單位產量隨再沸器流股分流比變化曲線Fig3 Development of CO2content and unit production with different split fraction

從圖3可知，隨著再沸器流股分流比的增大，產品CO2含量升高而單位產量卻下降。原因是再沸器流股分流比增大，再沸器提供熱量增加，塔內上升蒸汽增多，提餾段液-氣比減小，操作線斜率變小，塔釜重組分含量增加，即產品CO2含量升高。同時塔頂閃蒸氣節(jié)流提供冷量雖稍有增加，但回流比降低，塔頂閃蒸氣量增加，產品放空量增加，單位產量下降。因此，在一定范圍內，減小再沸器流股分流比可以在保證產品質量的同時提高單位產量。

3.2 塔壓對性能參數的影響

調整塔壓的同時需對進塔流股壓力（塔前節(jié)流壓力）進行調整，才能保證精餾塔的正常運行，因此在對塔壓進行調整的同時對塔前節(jié)流壓力進行相應的調整。圖4所示為產品CO2含量和單位產量隨塔壓變化曲線。

圖4 產品CO2含量和單位產量隨塔壓變化曲線Fig4 Development of CO2conten and unit production with different tower pressure

從圖4可知，隨著塔壓的增加，產品CO2含量升高而單位產量下降。經過分析研究發(fā)現，受塔壓影響最大的是塔底產品節(jié)流后氣化率，該因素對產品CO2含量和單位產量影響最大。隨著塔壓的增加，塔底產品節(jié)流后氣化率上升，塔頂蒸氣冷凝量增加，在再沸器流股分流比不變的情況下，回流比增加，產品CO2含量升高。而隨著塔底產品節(jié)流后氣化率上升導致液態(tài)產品單位產量下降。

增壓機功率P和增壓機單位能耗W隨塔壓變化曲線如圖5所示。

圖5 增壓機功率和增壓機單位能耗隨塔壓變化曲線Fig5 Development of duty and unit duty with different tower pressure

從圖5可知，隨著塔壓的增加，增壓機功率和增壓機單位能耗都呈下降趨勢。原因是隨著塔壓的增加，塔前節(jié)流壓力增加，節(jié)流后氣化率下降，CO2制冷循環(huán)流量減小，提壓功率下降，因此增壓機功率減少。盡管產品產量隨塔壓的增加而下降，但增壓機單位能耗下降。

綜上所述，降低塔壓能通過降低一定的產品質量來提高產品單位產量，但同時也會造成增壓機功率的增加，使改進工藝節(jié)能效果下降。

4 結論

提出了一套基于CO2循環(huán)制冷食品級二氧化碳生產改進工藝，實現了無氨生產。該工藝通過CO2循環(huán)制冷和工藝改進取代了氨制冷系統(tǒng)原有功能：CO2制冷循環(huán)實現原料CO2的液化，塔頂閃蒸汽和塔釜CO2節(jié)流實現塔頂冷凝。由于改進工藝未對產品過冷，故需對貯罐與氣液分離器之間的管道加強保溫措施。

相比現行工藝，改進工藝能節(jié)約了67%冰機功率，提高了產品質量（CO2含量）但降低了單位產量。

對改進工藝流程精餾操作主要影響因素進行了研究分析，結果發(fā)現，通過再沸器流股分流比和塔壓的調整，能在保證產品質量前提下，提高產品單位產量，甚至超過現行工藝單位產量，但同時會造成改進工藝節(jié)能效果下降。

[1]楊一凡.氨制冷技術的應用現狀及發(fā)展趨勢[J].制冷學報, 2007,28(4):12-19.

[2]申江,張于峰,李林,等.氨制冷技術研究進展[J].化工學報, 2008,59(S2):29-36.

[3]馬一太.關于加強氨制冷系統(tǒng)的安全防范的緊急建議書[J].制冷技術,2013,33(3):12.

[4]MandalPrasun Kumar.Processsafety in using NH3as refrigerant in Indian ice making plants:case studies followed by policy recommendations[J].Asia-Pacific journal of chemical engineering,2014,9(2):226-238.

[5]Gangopadhyay R K,Das S K.Ammonia leakage from refrigeration plant and the management practice[J].Process Safety Progress,2008,27(1):15-20.

[6]Jiang Shen.Analysis of ammonia incidents recently happened in China[C].11th IIR Gustav Lorentzen Conference on Natural Refrigerants:NaturalRefrigerantsand EnvironmentalProtection, 2014:29-34.

[7]Ji Jie,Chen Xiaoxia,Han Xuefeng.Rapid simulation and visualization analysis of liquid ammonia tank leakage risk[J]. Procedia Engineering,2014,84:682-688.

[8]Shah Md,Toufiqur Rahman,Md Tausif Salim,et al.Facility layout optimization of an ammonia plant based on risk and economic analysis[J].Procedia Engineering,2014,90:760-765.

[9]Tyler Hodges.Comparison of various methods of mitigating over pressure induced release events involving ammonia refrigeration using quantitative risk analysis(QRA)[D].BS: Kansas State University,2010.

[10]Qing Fu,Binghui Zheng,Xingru Zhao,et al.Ammonia pollution characteristics of centralized drinking water sources in China[J].Journal of Environmental Sciences,2012, 24(10):1739-1743.

[11]李壘.關于現代企業(yè)氨制冷相關技術要求的研究[J].低溫與超導,2014,42(6):89-92.

[12]蔣紅輝,賈強.氨制冷壓力管道研究現狀[J].制冷,2013,32 (03):69-75.

[13]賈強,梁旭,王磊.氨制冷壓力管道典型事故及監(jiān)管重點分析[J].制冷,2014,33(12):82-86.

[14]熊從貴.方法蘭在制冷裝置中的應用及安全性探討[J].石油化工設備,2011,40(6):79-82.

[15]田龍虎.煤基能源系統(tǒng)二氧化碳低溫分離與液化方法研究[D].北京:華北電力大學,2011.

[16]邱朋華,李丹丹,徐寶龍,等.基于Aspen Plus對Selexol分離CO2流程的分析[J].中國電機工程學報,2014,34(8): 1231-1237.

[17]張早校,曲天非,郁永章.二氧化碳液化方案的節(jié)能分析[J].壓縮機技術,1997,8(4):24-26.

[18]曲天非,張早校,王如竹,等.改進的二氧化碳液化方案節(jié)能分析[J].壓縮機技術,2001,5(1):15-20.

[19]祝恩福,鐘建交.一種改進的食品級液體二氧化碳產品的生產方法:中國,103058187A[P].2013-04-24.

[20]孫蘭義.化工流程模擬實訓：Aspen Plus教程[M].北京:化學工業(yè)出版社,2012.

[21]劉興高.精餾過程的建模、優(yōu)化與控制[M].北京:科學出版社,2007.

《蒙特利爾議定書》第27次締約方大會在迪拜召開

《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》（以下簡稱議定書）第27次締約方大會于11月1—5日在阿聯酋迪拜召開。由環(huán)境保護部副部長翟青任團長，環(huán)境保護部、農業(yè)部等部門派員組成的中國政府代表團出席了本次會議。來自140多個國家、7個國際組織和政府間組織、50多個非政府組織及觀察員組織的500多名代表出席了大會。

本次會議除討論各評估小組報告、消耗臭氧層物質必要用途和關鍵用途豁免等常規(guī)性議題外，還決定建立工作小組就HFCs在議定書下管理的可行性進行談判。議定書締約方大會為每年1次，迄今已召開27次。包括中國在內的各締約方在議定書框架下，為保護臭氧層、減少消耗臭氧層物質做出了積極貢獻并取得了豐碩成果。蒙特利爾議定書是國際社會認可最成功的多邊環(huán)境條約。

（本刊編輯部）

TQ025.3

A10.3969/j.issn.1006-6829.2015.06.007

2015-10-18