,,　,　

(1.華東理工大學(xué)化學(xué)工程研究所，上?！?00237； 2.中石化上海工程有限公司，上?！?00120)

根據(jù)?？松梨诠?016年發(fā)布的最新版《2040年世界能源展望》[1]，在全球人口快速增長和居民生活水平顯著提高的推動(dòng)下，2040年全球能源需求將比2014年增長26%。同時(shí)，到2040年，化學(xué)工業(yè)對(duì)能源的需求量將比2014年增長50%。

化工裝置主要由反應(yīng)和分離兩個(gè)過程組成。一般而言，分離過程的能耗至少要占到整個(gè)裝置能耗的80%左右[2]。MVR(Mechanical Vapor Recompression，機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù))與多效蒸發(fā)聯(lián)用，是由傳統(tǒng)的多效蒸發(fā)技術(shù)加入MVR單元組合而成。多效蒸發(fā)中前一效塔頂蒸汽作為后一效的再沸器熱源，有效利用了二次蒸汽的潛熱，減少了能量的浪費(fèi)[3-4]。而加入的MVR單元，用一部分機(jī)械能減少了高壓蒸汽的量[5]，并且改變了系統(tǒng)的溫度分布，減少了系統(tǒng)的不可逆程度，降低了能耗。阮宗琳[6]等研究了MVR在粗甘油脫水中的作用，驗(yàn)證了其節(jié)能效果。

本文以某環(huán)氧乙烷/乙二醇工廠擴(kuò)產(chǎn)改造為背景，對(duì)MVR與多效蒸發(fā)聯(lián)用進(jìn)行了有效能分析和計(jì)算，考察了不同效數(shù)的多效蒸發(fā)及MVR加入的不同位置對(duì)系統(tǒng)有效能利用效率的影響，改善該系統(tǒng)節(jié)能的途徑。

1　有效能分析法的理論基礎(chǔ)

在一切的實(shí)際不可逆過程中，均存在功的損耗，即能量的貶值。正是由于存在這種貶值，能量不斷變廢損耗，因此節(jié)能工作要解決的問題之一就是要確定一個(gè)衡量能量的質(zhì)量指標(biāo)，為此引入了有效能的概念。通常情況下，有效能可表達(dá)為機(jī)械有效能、物理有效能、熱量有效能和化學(xué)有效能等之和[7]，如式(1)所示

EX=EXph+EXm+EXch+EXQ

(1)

式中EXph、EXm、EXch、EXQ——物理有效能、機(jī)械有效能、化學(xué)有效能和熱量有效能，其計(jì)算式分別如式(2)～式(4)所示

EXph=(H-H0—)-T0—(S-SO—)

(2)

EXm=EXk+EXp

(3)

(4)

(5)

式中EXk、EXp——?jiǎng)幽苡行芎臀荒苡行?，其值等于?dòng)能和位能;

ai——組分i的活度;

T、Q——高壓蒸汽的溫度和給熱量。有效能損失由式(6)計(jì)算得到，其數(shù)值的大小體現(xiàn)了過程不可逆程度的大小，有效能損失越大，不可逆程度越大

WL=∑EX進(jìn)-∑EX出

(6)

2　多效蒸發(fā)與MVR聯(lián)用的有效能分析

2.1　案例介紹

某公司環(huán)氧乙烷/乙二醇工廠包括環(huán)氧乙烷反應(yīng)工序、乙二醇生產(chǎn)工序、乙二醇脫水工序和乙二醇精制工序。在該工廠近期進(jìn)行的擴(kuò)能改造中，欲將乙二醇產(chǎn)能由年產(chǎn)70萬t擴(kuò)產(chǎn)約40%,達(dá)到年產(chǎn)92萬t。

原工況的乙二醇脫水工序，包含六效精餾塔，其操作壓力依次為1.02 MPa、0.82 MPa、0.59 MPa、0.40 MPa、0.22 MPa和0.0187 MPa，如圖1所示。進(jìn)料(流股1)經(jīng)一效再沸器E1預(yù)熱后，進(jìn)入一效精餾塔T1，T1底液(流股2)經(jīng)減壓閥Y1減壓、二效再沸器E2加熱后，進(jìn)入二效精餾塔T2，之后如此循環(huán)，最后由六效精餾塔T6塔底出料(流股5)，該物流即為脫水產(chǎn)物。其中一效再沸器熱源由高壓蒸汽提供，二效再沸器熱源由一效精餾塔塔頂蒸汽(流股3)提供，純水(流股7)提供各效精餾塔塔頂?shù)囊合嗷亓?，六效精餾塔的塔頂蒸汽(流股4)和各塔塔底再沸器蒸汽冷凝水(流股6)經(jīng)處理排至界外。

圖1　乙二醇脫水工序原工況流程圖T1、T2、T3、T4、T5、T6—六效精餾塔；E1、E2、E3、E4、E5、E6—六效精餾塔熱虹吸式再沸器； Y1、Y2、Y3、Y4、Y5—六效精餾塔塔底出料減壓閥；Y6、Y7、Y8、Y9、Y10、Y11—六效精餾塔塔頂純水減壓閥

經(jīng)MVR改造后的脫水流程圖如圖2所示。為了在蒸發(fā)工序輸入附加熱量，將部分三效精餾塔T3頂蒸汽(流股8)經(jīng)壓縮機(jī)C加壓至1.02 MPa，加壓后的過飽和蒸汽(流股9)由冷卻水(流股10)消除過飽和，得到飽和蒸汽(流股11)，與T1塔頂蒸汽(流股3)合并后進(jìn)入二效再沸器E2。由于該改造的目的主要是進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn)，原設(shè)計(jì)中并未考慮系統(tǒng)的節(jié)能性，本文將通過有效能分析，對(duì)該方案節(jié)能效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，目的是為后續(xù)的節(jié)能改造提供理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2　計(jì)算方法

為方便計(jì)算，本文對(duì)脫水工序進(jìn)行適當(dāng)簡化，得到表1所示的分離系統(tǒng)進(jìn)/出料條件，其中進(jìn)料為脫水前的乙二醇溶液(流股1)，末效塔底出料為脫水后的乙二醇溶液(流股5)。使用黑箱模型[8]計(jì)算分離系統(tǒng)的總有效能損失，僅考慮分離系統(tǒng)的輸出、輸入及其動(dòng)態(tài)過程，而不直接考察內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這樣做的原因有兩點(diǎn)，一是可直觀地比較不同流程所具有的非理想性的不同；二是除了進(jìn)料和末效塔底出料，其他物流中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均超過99%，可簡化為純水，使計(jì)算過程更為簡單。

圖2　乙二醇脫水工序MVR改造流程圖T1、T2、T3、T4、T5、T6—六效精餾塔； E1、E2、E3、E4、E5、E6—六效精餾塔熱虹吸式再沸器；C—壓縮機(jī)；Y1、Y2、Y3、Y4、Y5—六效精餾塔塔底出料減壓閥；Y6、Y7、Y8、Y9、Y10、Y11—六效精餾塔塔頂純水減壓閥

表1分離系統(tǒng)進(jìn)/出料條件確定

物料流量/kg·h-1溫度/℃壓力/MPa質(zhì)量百分?jǐn)?shù)/[%]水乙二醇其他重組分進(jìn)料756 9291951.9681.915.82.3末效塔底出料152 350940.021078.511.5

無論是計(jì)算物理有效能還是化學(xué)有效能，都需要確定基準(zhǔn)態(tài)(基準(zhǔn)態(tài)有效能設(shè)定為零)。本文選取的基準(zhǔn)態(tài)溫度和壓力分別為30℃和0.101 3 MPa。利用Aspen Plus中Property Analysis模塊，可以得到基準(zhǔn)態(tài)焓和熵，如表2所示。

表2有效能分析法基準(zhǔn)態(tài)確定

物料溫度/℃壓力/MPa焓/kJ·kg-1熵/kJ·kg-1·℃-1水300.101 3-15 842.54-8.98進(jìn)料300.101 3-14 281.79-8.56末效塔底出料300.101 3-8 096.56-7.28

2.3　化學(xué)有效能計(jì)算結(jié)果

由于各流股中，水流股近似于純組分，其化學(xué)有效能近似為0，故不予以考慮。因此系統(tǒng)化學(xué)有效能的計(jì)算僅針對(duì)入流原料流股和末效塔底產(chǎn)物流股，其計(jì)算結(jié)果將與物理有效能進(jìn)行加和進(jìn)而求得相應(yīng)流股的總有效能。采用 “非約束性的平衡”的計(jì)算方法[9]，并利用Aspen Plus模擬軟件，可以得到各流股摩爾流率，各組分摩爾分?jǐn)?shù)xi0、非約束性活度系數(shù)γio、約束性活度系數(shù)γi0。選取入流原料流股和末效塔底產(chǎn)物流股相關(guān)參數(shù)，代入式(4)，可求得入流流股和出流流股的化學(xué)有效能分別為-9.25×105kJ/h和-6.48×105kJ/h。由于后續(xù)計(jì)算中的各個(gè)工況均采用相同的進(jìn)/出料條件，化學(xué)有效能值將不隨工況變化而變化。

圖3　二效精餾物流點(diǎn)示意圖T1、T2—二效精餾塔；E1、E2—二效精餾塔熱虹吸式再沸器；Y1—二效精餾塔塔底出料減壓閥；Y2、Y3—六效精餾塔塔頂純水減壓閥

2.4　多效蒸發(fā)有效能計(jì)算結(jié)果

以圖3所示的二效精餾為例，計(jì)算多效蒸發(fā)有效能效率。將二效精餾各物流點(diǎn)標(biāo)注于流程圖3中。系統(tǒng)簡化為由再沸器(E1、E2)、精餾塔(T1、T2)組成的系統(tǒng)。高壓蒸汽冷凝提供熱流有效能。料液經(jīng)一效再沸器(E1)預(yù)熱后，進(jìn)入一效精餾塔(T1)；蒸出的二次蒸氣進(jìn)入二效再沸器(E2)，冷凝放出熱量排出系統(tǒng)；一效塔底凝液進(jìn)入二效再沸器(E2)吸收熱量后進(jìn)入二效精餾塔(T2)；產(chǎn)品由二效精餾塔(T2)塔底排出，低壓蒸汽由二效精餾塔(T2)塔頂排出。根據(jù)模擬結(jié)果，可得高壓蒸汽供熱量為460 368 751 kJ/h，代入式(5)中，可得熱流股有效能EXQ為1.77×108kJ/h。表3為二效精餾各點(diǎn)物質(zhì)流股有效能計(jì)算結(jié)果，其中入流原料流股(1)和末效塔底產(chǎn)物流股(6)均已計(jì)入了工藝物流的化學(xué)有效能。

表3二效精餾各點(diǎn)參數(shù)及物流有效能

序號(hào)物料質(zhì)量流率/kg·h-1有效能/kJ·h-1入流1進(jìn)料756 9291.07×1082水6 0002.38×1063水37 0008.41×104出流4水3148792.51×1075水334 1227.00×1076出料150 9284.12×106

利用與圖3類似的方法，可以得到3效～6效蒸發(fā)的各物流點(diǎn)有效能，進(jìn)一步計(jì)算可得有效能損失和有效能效率，結(jié)果如表4所示。隨著效數(shù)增加，系統(tǒng)的有效能損失顯著降低，有效能效率得到有效提高。但是這樣會(huì)增大塔設(shè)備的投入，增加了投資成本。

2.5　多效蒸發(fā)中MVR引入位置對(duì)有效能效率的影響

在對(duì)比多效蒸發(fā)不同效數(shù)有效能損失和有效能效率之后，進(jìn)一步將MVR引入到系統(tǒng)中。MVR的引入需要考慮很多因素，本節(jié)將對(duì)六效精餾中MVR引入位置對(duì)系統(tǒng)有效能利用情況的影響進(jìn)行分析。蒸汽的汽化潛熱隨溫度的上升有下降的趨勢(shì)，而當(dāng)壓縮機(jī)入口壓力確定時(shí)，壓縮比越大，出口溫度越高，壓縮機(jī)功率會(huì)有比較明顯的上升。因此工程上壓縮機(jī)常用的較低的壓縮比1.1～2.5。

表4多效蒸發(fā)不同工況有效能效率對(duì)比

工況 有效能損失/kJ·h-1有效能效率二效精餾1.89×1080.342三效精餾1.24×1080.423四效精餾9.37×1070.493五效精餾7.91×1070.535六效精餾7.00×1070.568

在六效精餾中，各塔壓力分別為1.02 MPa、0.82 MPa、0.59 MPa、0.40 MPa、0.22 MPa和0.0187 MPa。由于各塔壓力已定，則當(dāng)壓縮機(jī)加入位置確定時(shí)，壓縮機(jī)的壓縮比也將確定。通過計(jì)算不同加入位置的壓縮比，得到六種滿足壓縮比條件的工況，如表5所示。本節(jié)將對(duì)這六種工況進(jìn)行有效能分析。

表5不同工況壓縮比

序號(hào)工況壓縮比1二效頂回二效底1.242三效頂回二效底1.733三效頂回三效底1.394四效頂回三效底2.055四效頂回四效底1.486五效頂回五效底1.82

圖4　二效頂回二效底工況物流點(diǎn)示意圖T1、T2、T3、T4、T5、T6—六效精餾塔； E1、E2、E3、E4、E5、E6—六效精餾塔熱虹吸式再沸器；C—壓縮機(jī)；Y1、Y2、Y3、Y4、Y5—六效精餾塔塔底出料減壓閥；Y6、Y7、Y8、Y9、Y10、Y11—六效精餾塔塔頂純水減壓閥

為了更直觀地對(duì)壓縮機(jī)加入位置不同的幾種工況進(jìn)行比較，將高壓蒸汽量固定不變，統(tǒng)一設(shè)置為40 975 kg/h，則高壓蒸汽供熱量為80 106 491.6 kJ/h。代入式(5)。可得熱流股有效能EXQ為3.09×107kJ/h。

以二效頂回二效底工況為例計(jì)算多效蒸發(fā)結(jié)合MVR的有效能效率。圖4所示為二效頂回二效底工況流程圖，各物流點(diǎn)已標(biāo)記在圖中。將二效塔塔頂蒸汽抽出一部分，經(jīng)壓縮機(jī)升溫升壓后達(dá)到過飽和狀態(tài)，經(jīng)冷卻水消除過飽和后，與一效塔塔頂蒸汽混合進(jìn)入二效塔塔底再沸器中進(jìn)行冷凝放熱。在保持相同進(jìn)/出料條件的情況下，計(jì)算得到二效頂回二效底工況各點(diǎn)物質(zhì)流股有效能，結(jié)果如表6所示。

表6二效頂回二效底工況各點(diǎn)參數(shù)及物流有效能

序號(hào)物料質(zhì)量流率/kg·h-1有效能/kJ·h-1入流1進(jìn)料756 9291.07×1082水2 3306.52×1043水3 0001.19×1064水10 5004.16×1065水5 0001.98×1066水6 0002.38×1067水6 0002.38×1068水12 5002.84×104出流9水178 1143.03×10710水72 2891.12×10711水84 5611.04×10712水94 6098.74×10613水104 1977.25×10614水117 6572.62×10715出料150 8324.16×106

采用同樣的計(jì)算方法，可得到工況2～工況6的各物流點(diǎn)有效能，進(jìn)而可求得MVR不同加入位置系統(tǒng)的有效能損失和有效能效率，結(jié)果如表7所示。有效能利用率最高的是二效頂回二效底，之后依次是三效頂回二效底、三效頂回三效底、四效頂回三效底、四效頂回四效底，最低的為五效頂回五效底，可見MVR加入位置越靠前，不可逆損失越小。隨著加入位置的靠前，壓縮機(jī)的操作壓力也將增大，對(duì)材料強(qiáng)度的要求也更高，使得投資成本相應(yīng)提高。

表7的計(jì)算結(jié)果表明：引入MVR后，有效能效率均高于原六效精餾的0.568。因此，多效蒸發(fā)與MVR聯(lián)用會(huì)提高有效能利用率，降低了過程耗能的不可逆損失。

表7MVR不同加入位置有效能效率對(duì)比

序號(hào)工況有效能損失/kJ·h-1有效能效率1二效頂回二效底5.87×1070.6262三效頂回二效底6.17×1070.6093三效頂回三效底6.35×1070.5994四效頂回三效底6.44×1070.5945四效頂回四效底6.59×1070.5856五效頂回五效底6.95×1070.571

3　結(jié)論

針對(duì)某環(huán)氧乙烷/乙二醇生產(chǎn)裝置中乙二醇脫水工序的節(jié)能需要，本文將MVR技術(shù)引入到該多效蒸發(fā)脫水工藝系統(tǒng)中，并采用Aspen Plus模擬軟件對(duì)該多效蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明：多效蒸發(fā)的效數(shù)越多，有效能效率越高，節(jié)能效果越好，其中六效蒸發(fā)有效能效率最高，達(dá)到0.568。在多效蒸發(fā)中應(yīng)用MVR，可以提高有效能效率，進(jìn)而起到節(jié)能的作用，MVR在多效蒸發(fā)中的加入位置越靠前，節(jié)能效果越好，其中二效頂回二效底有效能效率最高，達(dá)到0.626。在工程實(shí)際中，還應(yīng)綜合考慮操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用之間的關(guān)系，使整個(gè)裝置達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的效果。