化学工程与石油化工节能范文

1压缩机的节能

将气体从低压压缩到所需要的高压需要压缩机，常见的“乙烯三机”(裂解气压缩机、丙烯压缩机和乙烯压缩机)就属于大型离心式压缩机，是乙烯装置的耗能大户。除了离心式压缩机，往复式压缩机也在石油化工生产过程中有着广泛的应用。尽管离心式压缩机和往复式压缩机因工作原理不同节能方式存在差异，但从有效能分析的观点看，压缩过程的有效能损失主要是非等温压缩的不可逆性引起的。因此，压缩机节能的关键是改变压缩机的结构，采用多级压缩，级间冷却，使整个压缩过程向等温压缩过程趋近，减少有效能损失。例如，乙烯裂解气压缩机通常设计成四段或五段。离心式压缩机的能量损失方式有流动损失、冲击损失、轮阻损失和漏气损失等，对离心式压缩机的操作与设计改进是增产节能的主要措施之一。例如：提高吸入压力，降低吸入温度，增加流量，提高转速；增加叶轮扩压器的通流宽度，降低叶轮轮阻损失，改变叶轮叶片和扩压器叶片的几何安装角度等。对于往复式压缩机，通过减小压缩过程的不可逆性实现节能的主要方法有：合理的选择压缩比，增加压缩机段数，提高吸入压力，降低出口压力，降低压缩机入口气体的温度，减小段间阻力降，尽量取消压缩机前后不必要的阀件和弯头等。

2热量传递与节能

热量传递过程可以分为导热传热、对流传热和辐射传热三种基本方式，它们有各自不同的传热规律，石油化工生产过程中的传热通常是几种传热方式的组合。强化传热的目的就是力求使换热器在单位时间内、单位传热面积传递的热量尽可能的多。从传热基本方程Q=KFΔT可以看出，增大传热量Q可以通过增大传热温差ΔT、扩大传热面积F和提高传热系数K三种途径来实现。(1)优化平均传热温差。在换热器中冷热流体的流动方式有四种，即顺流、逆流、交叉流、混合流。在冷热流体进出口温度相同时，逆流的平均传热温差ΔT最大，顺流时ΔT最小，因此，为增加传热量应尽可能采用逆流或接近于逆流的传热方式。增加冷热流体的平均传热温差△T虽然可以强化传热，但同时也增加了传热过程的不可逆性，增加了传热过程的损失，因此，通过权衡，优化冷热流体的平均传热温差△T是节能必须进行的工作。(2)扩大换热面积。增大传热面积以强化传热，并不是简单地通过增大设备体积来扩大传热面积，而是通过传热面结构的改进来增大单位体积内的传热面，从而使得换热器高效而紧凑。如采用小直径的管子，并实行密集布管，采用各种形状的翅片管来增加传热面积。一些新型的紧凑式换热器，如板式换热器和板翅式换热器，同管壳式换热器相比，在单位体积内可布置的换热面积要大得多。对于高温、高压工况一般都采用简单的扩展表面，如普通翅片管、销钉管、鳍片管，虽然它们扩展的程度不如板式结构高，但效果仍然是显著的。(3)提高传热系数K。提高传热系数是增加传热量的重要途径，也是当前强化传热研究工作的重点内容。提高传热系数的方法重点是提高冷热流体与管壁之间的换热系数。尤其要提高管子两侧中换热较差一侧的换热系数，以取得较好的强化传热效果。强化对流传热的措施有[7]：表面粗糙化，提高壁面的表面粗糙度以影响湍流粘性底层的传热；表面加扰动单元，如表面为引发涡流而引入的小翅；管道中加入插件以引发转动；用水射流冷却热表面等。上述各独立措施通常可以组合使用，以取得更好的强化效果。需要注意的是，强化传热的所有措施总要以较高的压力损失和驱动功率为代价。因此，把传热和驱动功率统一到过程的不可逆性上来评价强化传热过程的效果，才能使各种技术具有可比性。

3质量传递与节能

精馏过程是一个典型的分离过程，也一个重要的质量传递过程。根据热力学基本原理可知，不同物流的混合是自发的不可逆过程；反之，要把混合物分离成不同组成的产品时，必须消耗某些形式的外界功或热能。精馏过程中物质在不同相间的转移是在恒温和恒压下进行的，相转移过程的推动力是化学势，化学势在处理相变和化学变化时具有重要意义。精馏过程中，蒸汽以一定压力降通过精馏塔是产生不可逆因素的原因之一。其次是再沸器和冷凝器分别以一定的温差加入和移走热量，更重要的原因是气液两相相互接触或混合时因未达到相平衡而使精馏过程的不可逆程度增大。因此，降低流体流动所产生的压力降，减小传热过程中的温度差，减小传质过程中的浓度差即化学势差，均能使精馏过程中的功耗降低。使损失的减少。精馏塔通常可以采用以下节能措施：(1)在精馏塔的操作方面，应尽可能减小回流比，预热进料，减小再沸器的负荷；应充分利用塔釜液余热，减小再沸器与冷凝器的温差，并通过防垢除垢减小传热热阻等。(2)在精馏塔的结构方面，应尽量采用新型塔盘或新型填料以减少塔的压降。在石油化工生产中，过去板式塔多为泡罩塔，填料塔多用拉西环、鲍尔环。随着塔设备技术的发展，老式的塔板和填料逐渐被淘汰。浮阀、筛板、旋流塔板、波纹穿流塔板被采用。在填料上则选用较先进的阶梯环、扁环、矩鞍形金属环和孔板波纹、格栅等新型填料，为提高产量、减少能耗、安全生产和稳定操作创造了条件。此外，采用设置中间冷凝器和中间再沸器的方法减少塔的有效能损失，这样可以降低塔的操作费用，但却增加了塔的设备折旧费用。

4化学反应与节能

化学反应过程同时受动量传递过程、热量传递过程、质量传递过程以及化学反应的规律支配。化学反应的平衡问题和速率问题是互相关联的，可以从反应速率导出化学平衡，但却不能从化学平衡导出反应速率，因此化学反应动力学比化学反应热力学更为基础。热力学仅是给出了化学反应的可能性，要实现这种可能性还必须从动力学的角度研究化学反应的速率及相关影响因素。化学反应进行时，大多数情况下都伴有热量的吸入或放出。如何有效地供给或利用反应热是化学反应过程节能的重要方面。对于吸热反应，应合理供热。吸热反应的温度应尽可能低，以便采用过程余热或汽轮机抽汽供热，节省高品质的燃料。对于放热反应，应合理利用反应热。放热反应的温度应尽可能高，以回收较高的品质的热量。例如，利用乙烯装置裂解气急冷锅炉产生的8~14MPa的高压蒸汽驱动汽轮机，可使每吨乙烯消耗的电力由2000~3000kW/h降到50~l00kW/h，大大提高了乙烯装置的经济性。不论是吸热反应还是放热反应，均应尽量减少惰性稀释组分。因为对吸热反应，惰性组分要多吸收外加热量；而对放热反应，要多消耗反应热。化学反应器是进行化学反应的重要设备。绝大多数反应过程都伴随有流体流动、传热和传质等过程，每种过程都有阻力，都需要消耗能量。所以，改进反应装置，减少阻力，就可降低能耗。

反应设备的选型应满足如下基本要求：(1)反应器内要有良好的传质和传热条件；(2)建立合适的浓度、温度分布体系；(3)对于强放热或吸热反应要保证足够的传热速度和可靠的热稳定性；(4)根据操作温度、压力和介质的耐腐蚀性能，要求设备具有材料稳定、型式好、结构可靠、机械强度高、耐腐蚀能力强等特点。例如，凯洛格(Kellogg)公司为减少合成氨催化剂床层压力降、提高单程转化率以及简化设备结构，开发了激冷型卧式反应器。催化剂呈水平板状，反应气体垂直通过催剂床层，反应器压力损失明显下降。文献较为全面、系统地讨论了各种化学反应器，特别是新型化学反应器在节能降耗中的作用。催化剂的选取则是另一个决定物耗和能耗水平的关键因素。由阿勒尼乌斯(Arrhenius)方程可知，化学反应速率与反应温度成正比，与反应活化能成反比，与指前因子，即碰撞因子成正比。所以，选择合适的催化剂至关重要。例如，意大利蒙特爱迪生公司与日本三井石油化学公司共同开发的丙烯聚合反应高效催化剂，与以前采用的齐格勒(Ziegler)型催化剂相比，生产强度提高了7~10倍，并省掉了脱灰工序，原料、蒸汽、电力等消耗均显著下降。

5结语

本文重点讨论了传递过程原理以及化学反应工程与石油化工节能的关系。特别是从减小动量传递、热量传递、质量传递和化学反应过程的不可逆性，减小过程的有用功损失，减小过程的有效能损失出发，探讨了反应设备、分离设备、换热设备和流体输送设备的节能途径和改进设备设计的方法。根据化学工程的基本理论所获得的节能途径是多种多样的，节能效果也各不相同，但最终的评价则取决于经济效益。多数情况下，采用节能技术均会减少操作费用，但设备费用可能会增加，所以最大限度节能不一定是最经济的。此外，节能措施还往往使操作变得复杂，要求较高的控制水平，这是在应用节能技术时不容忽视的现实问题，必须综合权衡，优选最佳方案。

作者：刘维康魏寿彭郭彦杨树林单位：中国石油规划总院北京化工大学