化工生产装置节能的层次分析及应用

周禹君（中国石油辽阳石化尼龙厂）

化工生产装置节能的层次分析及应用

周禹君（中国石油辽阳石化尼龙厂）

化工生产装置有“质量要求”、“环保要求”。在化工生产中，不能片面强调节能而降低其他方面的要求。介绍一种化工生产节能的分析方法，将化工生产装置分为反应系统、分离系统、换热网络、公用工程4个层次，每个层次都包含质量、环保等要求，节能调整要由内到外逐层进行，实现各个要求，最终达到用能的优化；同时，将这种方法应用于辽阳石化己二酸装置后，产品的硝酸含量由1.5 mg/kg降至1.2 mg/kg，污水COD由140 kg/h降至87 kg/h，蒸汽消耗减少3 t/h，循环水消耗减少500 t/h，取得了较好的节能效果。

层次分析；节能降耗；己二酸

世界能源委员会于1979年提出了节能的定义：节能就是采取技术上可行、经济上合理、环境和社会可接受的一切措施，来提高能源资源的利用效率[1]。为了推动全社会节约能源，提高能源利用效率，保护和改善环境，促进经济社会全面协调可持续发展，我国于2007年10月颁布《中华人民共和国节约能源法》，并于2016年7月进一步修订。节能已经成为我国可持续发展的一项长远发展战略和基本国策。

石油化工业是国民经济的支柱产业，但同时也是高能耗和容易产生污染的产业[2]，目前全行业的节能正面临着严峻挑战：石油和化工业能源年消费量大，占我国年消费总量的15%左右，且该行业一般产品的能源费用为20%～30%，高耗能产品能源费用甚至高达60%～70%[3]。节能对于石化企业生存和发展具有重要的意义。

1 全系统节能的层次分析方法

Linnhoff等曾提出如图1所示的“洋葱模型”来强调过程设计的层次特性，该模型将整个系统从内到外分为：反应器、分离与循环、换热网络、公用工程4个层次[4]，核心的反应器设计完成后，确定了分离系统设计的条件，并以此设计分离系统；反应系统与分离系统设计共同定义了过程加热、冷却负荷，并以此来设计换热网络；不能由热回收提供的加热冷却负荷则决定了公用工程的需要量[5]。

图1 工艺流程设计中的“洋葱模型”

化工生产装置同样可以参照“洋葱模型”，将整个装置分为反应系统、分离系统、换热网络、公用工程4个层次，将“质量目标”、“环保目标”等要求贯穿其中，节能目标由这4个层面从内到外依次进行，在实现反应稳定、分离可靠的基础上，再对换热网络进行优化，最后确定公用工程用量，全系统节能的层次分析方法在实际应用时，最重要是要避免单以节能为目的进行工艺调整，要兼顾质量、环保等指标，由内到外，明确各层面的技术要求，再进行相应的调整，最终确定公用工程最优用量。

2 层次分析方法的应用

将全系统节能的层次分析方法应用在辽阳石化尼龙厂己二酸装置的生产管理中，对装置从内层到外层进行调整后，装置的用能情况得到改善。

2.1 己二酸装置

2.1.1 己二酸装置流程

己二酸装置主要工艺流程：以铜和钒作催化剂，用硝酸氧化醇酮反应生成己二酸，然后经过一次结晶、一次增浓离心得到粗己二酸，粗己二酸经溶解、活性炭脱色、二次结晶、二次增浓离心、干燥后得到精己二酸。辅助流程包括：氧化氮气体回收、硝酸浓缩、催化剂回收及二元酸脱除[6]。己二酸装置流程如图2所示。

图2 己二酸装置工艺流程

2.1.2 己二酸装置用能状况

己二酸装置日产能为230 t，装置的公用工程能耗量及成本情况如表1所示，其中，低压蒸汽成本接近公用工程总成本的一半。装置中主要用能单元为母液酸浓缩系统，该系统可将硝酸含量相对较低的母液浓缩成浓度较高硝酸循环利用，浓缩过程每小时约需消耗蒸汽24 t，循环水2000 t。

表1 己二酸装置公用工程能耗量

2.2 己二酸装置综合调整

2.2.1 反应系统和分离系统的调整

从质量要求和环保要求的角度出发，针对副反应情况和母液处理情况调整反应系统和分离系统。重点关注以下几个方面：

1）为保证反应系统稳定，优先调整催化剂回收系统的稳定，对树脂反应器程序中吸附、水洗、洗提各个步骤的运行时间和物料流量进行调整，确定最佳时序和流量，明确催化剂回收系统的公用工程用量。

2）为保证己二酸结晶颗粒与母液的分离效果，对离心机洗涤水用量进行调整。水量过小，会因洗涤不充分影响产品质量；水量过大，会增加系统的母液量，使后续的浓缩系统的蒸汽用量加大。以达到质量要求为前提，尽可能减少洗涤水用量，这也同时减少了母液水的产生量，避免母液水溢流影响环保情况。

3）保证浓缩系统稳定，避免出料浓度过低和过高。以目标浓度为基准，确定蒸馏塔塔底和塔顶温度，进一步确定蒸汽和冷却水用量。

2.2.2 换热网络的调整

分析冷热流股的热负荷，合理匹配冷热流股，充分利用装置自身现有的资源，节约能量消耗。装置的蒸汽冷凝水（LC）富余，且温度较高，可以用来预热部分物料，节约低压蒸汽（LS）使用用量。例如：在原母液水系统中，冷母液水（20℃）进入热母液水罐，先利用加热盘管加热，再利用换热器加热，使热母液水达到90℃，2次加热均使用低压蒸汽（LS）。若将换热器改为冷母液水预热器，利用过剩的蒸汽冷凝水（LC）预热，使冷母液温度达到60℃，后续再使用蒸汽加热，可大大节约蒸汽用量，如图3、图4所示。

图3 改造前母液水系统流程

图4 改造后母液水系统流程

2.2.3 公用工程调整

在装置运行参数稳定基础上，对各个用能设备进行核算和调整，以满足工艺要求为目标，合理配置公用工程用量，避免过冷或过热。

2.3 己二酸装置取得的效果

按照全系统节能的层次分析方法调整后，己二酸装置整体上取得了良好的效果：产品质量提升，排污情况好转，装置能耗下降（表2）。调整后，装置蒸汽消耗减少3 t/h，循环水消耗减少500 t/h，每年可节约成本约400余万元。

表2 己二酸装置调整前后对比

4 结论

化工生产节能管理中，调整能源用量时，经常会造成其他方面，诸如质量、环保等指标的降低，其原因在于调整单以节能为目的，忽视了其他方面的要求。以全系统节能的层次分析方法作指导，可以保证装置能耗与其他指标共同达标。辽阳石化尼龙厂己二酸装置按照这种方法进行调整，取得了良好的效果：产品的硝酸含量由1.5 mg/kg降至1.2 mg/kg，污水COD由140 kg/h降至87 kg/h，蒸汽消耗减少3 t/h，循环水消耗减少500 t/h。

[1]王庆一.能源效率及相关政策和技术[J].应用能源技术，2002（6）：1-10.

[2]王紫薇.我国石化产业可持续发展研究[D].天津：天津工业大学，2012.

[3]公克.低碳背景下石油化工产业资源与环保措施[J].化工管理，2013（22）：211.

[4]王保国，王春艳，李会泉，等.化工过程设计[M].第一版.北京：化学工业出版社，2002：4-5.

[5]陈清林，尹清华，王松平，等.过程系统能量流结构模型及其应用[J].化工进展，2003，22（3）：239-243.

[6]徐天祝.己二酸装置硝酸蒸馏系统技术改造[D].大连：大连理工大学，2012.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.05.009

2017-03-11

（编辑 王古月）

周禹君，工程师，2006年毕业于大连理工大学（化学工程与工艺专业），从事化工生产管理工作，E-mail：zhouyujun1@petrochina. com.cn，地址：辽宁省辽阳市宏伟区石化路3号，111003。