丁二烯火用平衡分析

1、丁二烯抽提裝置火用平衡分析及節(jié)能途徑探討吳俊強（武漢石化乙烯項目部，湖北 武漢 430082）2010年5月摘要 通過對丁二烯抽提裝置的平衡進(jìn)行計算，得出了系統(tǒng)效率及損失。通過對計算的結(jié)果進(jìn)行分析，從裝置設(shè)計和工藝操作等方面探討丁二烯裝置的節(jié)能方向和途徑。關(guān)鍵詞：丁二烯抽提 平衡 節(jié)能途徑 1、前言：本丁二烯抽提裝置設(shè)計處理能力為10萬噸/年丁二烯，設(shè)計年操作時間為8000小時。針對當(dāng)前國家能源短缺，大力提倡開展節(jié)能降耗的形勢下，對各煉油化工企業(yè)的裝置進(jìn)行用能分析，找出行之有效的節(jié)能降耗途徑，意義十分重大。為此于2007年4月18日0時至4日24日24時，丁二烯裝置進(jìn)行了100%生產(chǎn)負(fù)荷和11

2、0%生產(chǎn)負(fù)荷的生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)定。本文通過丁二烯裝置100%生產(chǎn)運行情況及用能情況的標(biāo)定結(jié)果，對該裝置進(jìn)行了平衡計算和分析，從裝置設(shè)計和工藝操作方面提出了丁二烯裝置的節(jié)能方向和途徑。2、裝置簡介：2.1、生產(chǎn)工藝原理：本丁二烯抽提裝置采用DMF萃取精餾工藝，以二甲基甲酰胺（DMF）作溶劑，將裂解裝置提供的混合C4餾分，采用兩級萃取精餾，分別除去丁烷、丁烯等難溶組份和乙烯基乙炔等易溶組份，得到的粗丁二烯經(jīng)水洗脫除二甲胺后，再用兩級普通精餾脫除其它組份，提取出高純度聚合級丁二烯-1,3。2.2、工藝流程簡介：丁二烯抽提裝置工藝流程簡圖，見圖1.第 一萃取塔系統(tǒng)第 二萃取塔系統(tǒng)第 一精餾塔系統(tǒng)第 二精餾塔

3、系統(tǒng)C4原料丁烷丁烯脫除難溶物乙烯基乙炔脫除易溶物甲基乙炔 水脫除低沸物順丁烯脫除高沸物丁二烯產(chǎn)品圖1 丁二烯抽提裝置工藝流程簡圖3、物料平衡和能耗計算：3.1、裝置物料平衡：通過對裝置標(biāo)定數(shù)據(jù)計算，得到的進(jìn)出裝置的物料平衡，見圖2和進(jìn)出各塔及容器的詳細(xì)物料平衡，見圖3：燃料油 194.0 kg /h抽余碳四14603 kg/h丁二烯抽提裝置原料碳四28000kg/h丁二烯 12469 kg /h焦油 39.83 kg/h燃料氣744.16 kg/h注：1、燃料氣中有10kg/h的氮氣。 2、 焦油中主要為溶劑及裝置所加入化學(xué)品生成。圖2 丁二烯抽提裝置物料平衡圖 圖3、丁二烯抽提裝置各塔及容

4、器的詳細(xì)物料平衡圖3.2、能耗計算：根據(jù)裝置標(biāo)定數(shù)據(jù)，計算出裝置各項能耗，見表1。表1 裝置能耗計算表項目單位單耗換算系數(shù)對比能耗值能耗結(jié)構(gòu)%設(shè)計標(biāo)定設(shè)計標(biāo)定設(shè)計標(biāo)定循環(huán)水中壓蒸汽蒸汽凝液電氮氣儀表風(fēng)t/tt/tt/tkwh/tNm3/tNm3/t3402.7-1.7512813.2820.24283.102.255-1.88123.518.664.970.1807.650.260.150.03834.0216.0-13.3933.281.9920.76928.31180.40-14.3832.111.300.1912.4779.22-4.9112.210.7310.28212.4279.14

5、-6.3114.090.570.08工業(yè)風(fēng)Nm3/t0.028工業(yè)水t/t0.17生活水t/t0.17綜合能耗kg標(biāo)油272.65227.941001004、 火用平衡計算與分析：4.1 火用平衡：通過對裝置標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得到了裝置實際生產(chǎn)的物料平衡和裝置能量平衡，并在此基礎(chǔ)上計算出裝置火用平衡，計算結(jié)果見表2。表2、裝置能量利用狀態(tài)表環(huán)節(jié)項目能量火用kwkw/tkwkw/t能量轉(zhuǎn)換總供入蒸汽22399.12EPS1796.387440.07EXPS596.69電2897.64EPE232.392897.64EXPE 232.39熱能41.87EPH3.368.42EXPH 0.675合計

6、25338.63EP2032.1310346.13EXP 829.75轉(zhuǎn)化排棄1394.23EW111.82390.37DJU31.31過程火用 損1339.13DKU112.21有效利用22535.38EU1807.317207.61EXU578.04非工藝有效動力1409.02EUO113.001409.02EXUO113.00工藝?yán)没厥昭h(huán)19148.8ER1535.714247.92EXR340.68工藝總用23407.89EN1877.298448.84EXN677.59熱力學(xué)能（火用）耗1.39ET0.110.28DT0.02過程火用 損805.59DKP64.61散熱1223.

7、51EUD98.12268.19EXUD21.51能量回收待回收21919.84EO1757.954304.68EXO345.23非工藝有效動力1409.02EUO113.001409.02EXUO113.00排棄20457.78EJ1640.69790.10DJR63.36過程火用 損3094.51DKR248.18匯總指標(biāo)凈能（火用）耗25337.24EA2032.0210345.85DA829.73能量轉(zhuǎn)換效率%U94.50XU83.28能量使用效率%P93.65XP50.95能量回收率%R82.08XR74.35總排棄火用DJ116.18總過程 火用 損DK425.00說明：能耗按每噸

8、丁二烯產(chǎn)品量計算。冷卻水按0.3846 kwh/t折電計算。4.2、裝置能流圖及火用 流圖：EUOEUO：113.00EJD：48.75EJO：3.38EWD：21.51EJ：1640.69EO：1757.95EWP：38.48ER：1535.71Eps：1796.38EJC：1548.16EJM：40.40EN：1877.29Eu：1807.31Ep：2032.13EpH：3.36EpE：232.39ET：0.11EUD：98.12EE：3.109轉(zhuǎn)換效率U94.50%；使用效率p:97.96%；回收率R82.08%。工藝總用能EN：1877.29kw/t圖4、能流圖DT：0.02EXUOE

9、XUO：113.00EXO：345.23DJU：31.31DJR：63.36EXR：340.68EXps：596.69EXR：340.68EXN:677.59EXu：578.04EXp：829.75EXpH：0.675EXpE：232.39EXUD：21.51EXE：0.0Dku：112.21Dkp：64.61DKR：248.18 轉(zhuǎn)換效率XU83.28%；使用效率P93.65%；回收率XR74.35%。工藝總用火用 EXN：677.59kw/t圖5、火用 流圖4.3 、平衡分析：通過裝置能量利用狀態(tài)表可分析得出以下結(jié)論：(1)、裝置用能及用火用 情況較為合理，能量回收率較高。(2)、裝置能量

10、轉(zhuǎn)換效率為94.50%和火用 轉(zhuǎn)換效率為83.28%，說明裝置在能量轉(zhuǎn)換過程中能量損失較小，這部分能量利用損失主要是電能轉(zhuǎn)換過程中的非工藝有效動力，具體是壓縮機和電泵的有效工藝效率較低，見表3。表3序號位號名稱流量kg/h額定功率kw機組運行效率%電機消耗功率kw工藝需要功率kw1P-201溶劑進(jìn)料泵251998 16073.00 138.53 65.39 2P-202T-201回流泵33903 3048.93 22.25 9.21 3P-203T-201中間泵280000 13266.61 104.65 42.82 4P-204T-202回流泵10854 5.542.00 4.50 0.86

11、 5P-205T-202釜液泵223358 11069.49 84.77 16.83 6P-206溶劑排出泵700 2.25.32 1.63 0.07 7P-207T-203回流泵32225 2248.43 17.76 6.49 8P-208T-204釜液泵28555 5.547.58 5.26 2.21 9P-209T-205釜液泵27881 18.540.77 15.69 2.10 10P-210T-205回流泵3308 3.716.83 2.19 0.21 11P-211T-206進(jìn)水泵29721 3734.74 29.22 8.04 12P-212T-207釜液泵18352 5.567

12、.90 4.20 1.21 13P-213T-207回流泵12912 1137.72 6.24 0.81 14P-215T-208回流泵70000 3056.26 23.48 4.95 15P-216冷凝水泵150228 5546.69 46.55 8.69 16P-217丁二烯成品泵14469 1531.21 9.63 1.02 17P-218T-209釜液泵316 2.21.52 1.68 0.02 18P-219T-209回流泵778 2.23.61 1.88 0.04 19P-221密封溶劑泵1584 116.01 6.08 0.36 20P-232TBC循環(huán)泵1395 0.757.6

13、9 0.54 0.04 21J-201-P壓縮機潤滑油泵59707.43056.81 21.39 12.15 22A-219攪拌器5.53.89 23J-201（A）壓縮機一段20078.2102572.47936.63J-201（B）壓縮機二段19680.7 從上表可見，各泵工藝需要功率較泵有效功率低較多。(3)、從表2中可看出裝置能量使用效率為93.65%和火用使用效率為50.95%，從火用使用效率上看出裝置存在能量使用過程中較大的火用損失。分析原因主要有兩點：第一是因裝置介質(zhì)運行的要求，裝置需要蒸汽是從這造成了蒸汽減壓過程中有較大的火用損失。表4項目壓力MPa溫度流量kg/h火用kw進(jìn)裝

14、置1.47253.2281227440.07出中壓1.05194.9202514846.03出低壓0.55165.094701998.00 由上表可見，裝置蒸汽因減壓造成火用損失為596kw。第二是由于裝置第一萃取塔和第二萃取塔，以及溶劑精制塔都存在進(jìn)料溫度低于進(jìn)料口塔板處溫度的情況，使得塔內(nèi)混合火用損較大，塔的火用 效率過低。第一萃取塔。其火用效率低的主要因素是：一是原料進(jìn)料溫度較塔內(nèi)溫度過低，原料進(jìn)料在T-201B塔的第18層塔板，原料溫度為48.4，而T-201B塔頂溫度為71.5。二是溶劑進(jìn)料在T-201A的第10層塔板，溶劑進(jìn)料溫度為42.0，T-201A塔頂溫度為42.3。 溶劑精

15、制塔。其火用效率低的主要因素是：溶劑進(jìn)料在塔的第12層塔板處，溶劑進(jìn)料溫度為80.0，塔頂溫度為97.4。 第二精餾塔其實際塔回流比為5.4，過大的回流使得物流汽化火用損增大。 表5 裝置各塔系火用 平衡表序號位號名稱入方 kw出方 kw火用 效率%進(jìn)料換熱電功合計物流回流散熱火用 損1T-201A/B第一萃取塔A/B906.693475.7080.604463.012819.03195.91118.50807.4367.553T-202第一汽塔2444.082688.821.895134.793666.59437.1128.24352.9979.924T-203第二萃取塔402.62557.

16、628.60968.85247.34302.4131.77387.3464.585T-204丁二烯回收塔88.86251.700.00340.55296.41-10.0534.0987.046T-205第二汽塔293.31345.150.37638.83447.6992.2919.6579.2184.537T-206水洗塔162.31-162.31154.40-2.765.1495.138T-207第一精餾塔152.37180.602.35335.32166.48137.226.5025.1290.579T-208第二精餾塔166.32974.175.981146.47162.17616.85

17、12.85354.6067.9510T-209溶劑精制塔4.0593.890.0998.040.2937.6017.3642.7938.65(4)、裝置能量回收率為82.08%和火用回收效率為74.35%，相對于同類丁二烯裝置比較高。表6 標(biāo)定裝置熱能回收情況表熱流體回收前溫度回收后溫度可利用熱回收率%設(shè)計標(biāo)定設(shè)計標(biāo)定設(shè)計標(biāo)定循環(huán)溶劑163.9161.356.151.190.6694.75蒸汽凝液90.096.270.062.440.0060.14裝置能量回收效率較高的主要因素是，裝置在設(shè)計時換熱流程已用夾點技術(shù)進(jìn)行過優(yōu)化。裝置標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行夾點換熱計算出裝置換熱夾點為50.9，最小熱負(fù)荷為19

18、535.84kw，最小冷負(fù)荷為19378.68kw。標(biāo)定裝置供入蒸汽熱能為22399 kw，較夾點計算的最小熱負(fù)荷大了14.6%，裝置換熱量大的換熱器均符合夾點換熱的理論，因此整體熱回收效率較高。裝置內(nèi)壓縮機中間冷卻器E-211，存在穿過夾點換熱問題；在設(shè)計時考慮到壓縮機整體外包，外方設(shè)計方便、另壓縮機段間壓力差要求較高也制約了換熱回收流程的設(shè)置。裝置換熱流程在設(shè)計時考慮換熱的經(jīng)濟性，存在E-212、E-230、E-231和E-233幾個換熱器為穿過夾點的換熱，但這個換熱器熱負(fù)荷較小，對裝置能量損失影響不大。5、節(jié)能途徑的探討及效果分析：本丁二烯裝置為DMF法丁二烯抽提裝置，在工藝設(shè)計上采取了

19、不少操作和節(jié)能優(yōu)化措施，其能耗水平達(dá)到了國內(nèi)同類裝置的先進(jìn)水平。但從裝置能量平衡和火用平衡狀態(tài)分析，裝置節(jié)能工作仍有文章可做,根據(jù)對標(biāo)定結(jié)果的火用平衡狀態(tài)分析,提出裝置節(jié)能改進(jìn)措施如下:5.1、采用電機變頻調(diào)速技術(shù)，減小電能轉(zhuǎn)化過程中的火用損從裝置泵運行標(biāo)定情況來看，裝置機泵效率都較好，但機泵的工藝有用效率并不高。泵提供的能量有較大部分被用于克服管路阻力、調(diào)節(jié)閥節(jié)流控制等損耗。如泵P-205電機消耗功率為84.77kw，而其工藝正常運行時需要的功率為16.83kw，能量損耗高達(dá)80%。因此，應(yīng)考慮采用調(diào)速電機驅(qū)動，如采用變頻調(diào)速器，可起到節(jié)能效果。以下是部分電機若采用變頻調(diào)速器的投資收益表。表

20、7 電機采用變頻調(diào)速器投資收益表位號名稱電機功率kw機組效率%有用效率%機泵節(jié)電kwh變頻節(jié)電率%變頻投資萬元每年收益萬元年收益率%P-201溶劑進(jìn)料泵16073.00 47.21 44.06 31.80 40.0 22.91 57.3 P-203T-201中間泵13266.61 40.92 36.33 34.71 13.2 18.89 143.1 P-205T-202釜液泵11069.49 19.85 54.49 64.29 11.0 28.34 257.6 P-209T-205釜液泵18.540.77 13.39 9.48 60.45 1.9 4.93 266.6 P-215T-208回流

21、泵3056.26 21.1 13.21 56.25 3.0 6.87 229.0 P-216冷凝水泵5546.69 18.68 25.13 54.00 5.5 13.07 237.6 匯總182.774.695.01127.3從上表可見，若對以上6臺泵進(jìn)行變頻改造，可節(jié)約裝置用電182kwh，減少裝置單位產(chǎn)品用能3.8千克標(biāo)油。5.2、根據(jù)裝置負(fù)荷情況優(yōu)化壓縮機操作，減少壓縮機電機電損耗：裝置丁二烯氣體壓縮機為螺桿壓縮機，為容積式壓縮機。在滿足壓縮機出口壓力能返回第一萃取塔的前提下，減小壓縮機的壓縮比可降低其用電量。標(biāo)定時已將壓縮機出口壓力從設(shè)計值590kPa降低至555kPa，這減少了壓縮機的用電量每小時約75kwh。5.3提高溶劑萃取塔溶劑進(jìn)料溫度，減小萃取塔混合火用損： 根據(jù)DMF溶劑在第一萃取塔的作用機理，可適當(dāng)提高T-201塔溶劑進(jìn)料溫度，以減少塔的熱負(fù)荷及物料傳熱混合火用 損。若將DMF溶劑進(jìn)塔溫度從42提高到45，可減少第一萃取塔用能為360kw，降低裝置單位產(chǎn)品用能2.6千克標(biāo)油。5.4、優(yōu)化冷卻系統(tǒng)流程，減少非工藝有效動力輸入能耗裝置換熱流程進(jìn)行過優(yōu)化，但循環(huán)水流程未達(dá)到最優(yōu)。裝置冷卻物料溫位差別較大，各冷卻器回水溫度差別也較大，通過對裝置冷卻流程進(jìn)行優(yōu)化改造，可以實現(xiàn)部