帶有余熱回收系統的減阻劑生產線的熱力學分析

王計兵，陳 輝，趙衛強，楊師緣，師沛生

（1.沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168；2. 蘇家屯職教中心，遼寧 沈陽 110165）

0 引言

我國余熱資源非常豐富，主要是分布在鋼鐵、化工、機械、建材等行業。工業生產中產生的余熱卻得不到合理有效的利用，這些熱量直接排放到大氣中去，不僅造成嚴重的能源和水資源浪費，更會造成熱污染[2]，因此如何高效地實現工業生產中余熱的回收再利用，就成為了一個普遍關注并急需解決的問題。目前，熱泵技術在我國已經發展比較成熟，基于熱泵技術的余熱回收系統現已應用于沖壓件的生產。但將熱泵技術應用于化學生產中的報道還十分少見，本文主要是對天然氣減阻劑生產線余熱回收系統進行分析，驗證系統的可行性，并且對系統中的油熱系統進行熱平衡計算，以獲取熱油系統相關參數。本文對天然氣減阻劑生產線余熱回收系統進行研究，順應了節能減排的要求，擴大以熱泵為基礎的余熱回收系統在化學生產領域的應用。

1 天然氣減阻劑生產線系統

1.1 天然氣減阻劑生產線原系統組成

天然氣減阻劑生產線原系統主要是由兩個子系統組成： ①1 號反應釜以及蒸餾罐的熱油加熱系統；②天然氣減阻劑生產工藝系統。圖1 為天然氣減阻劑生產線原系統結構圖。

1.2 天然氣減阻劑生產線原系統工作過程

圖1 天然氣減阻劑生產線原系統結構Fig.1 Gas drag reduction agent production line of the original system structure

減阻劑生產工藝中，1 號和2 號物料在1 號反應釜相應條件 （常壓、70℃～110℃、24h）下反應生成中間產物后進入2號反應釜，然后再加 入3號物料，在常溫、常壓下反應24h 后生成含成品物料，經過沉淀（24h）、蒸餾（常壓、60℃-70℃、6h）得到成品。其中接料盤中液態物料與加入的4號物料進入蒸餾罐蒸餾，然后蒸餾出的物料繼續進入回收罐進行收集，剩下的物料即為成品。原生產線工藝中，1 號反應釜以及蒸餾罐使用油熱系統提供生產所需的工作溫度，2 號反應釜以及冷凝器的冷凝需要冷卻水進行冷卻。生產中冷卻水經過需要冷卻的器皿后水溫升高，然后將其排掉，這造成了嚴重的水資源以及熱能資源浪費。

1.3 帶有余熱回收系統的天然氣減阻劑生產線系統

天然氣減阻劑原生產中工藝中通過油熱系統對1 號反應釜和蒸餾罐加熱到生產系統所需要的溫度，以往對1 號反應釜、2 號反應釜以及冷凝器冷卻所產生的大量余熱直接排放到大氣中，而且冷卻水直接排放到地下，從能源綜合利用的角度出發，有必要將這部分余熱以及水資源進行回收并將其充分利用，使整個天然氣減阻劑的生產過程走上即環保又節能的道路。

整個生產線中可回收的余熱分為三個部分： ①2 號反應釜的冷卻： 物料經過1 號反應釜反應完全后進入2號反應釜，2 號反應釜中的物料需要冷卻至常溫，這部分熱能需要進行回收；②冷凝器的冷卻： 物料經過蒸餾罐被加熱至60℃~70℃，經過冷凝器冷卻，以到達產品提純的目的。這部分熱能也需要進行回收；③油熱的降溫： 流經1 號反應釜的溫度為70℃~110℃，而變壓器油需要給蒸餾罐提供的溫度為60℃~70℃，這部分的熱能需要通過板式換熱器進行提取回收。

因此在原有減阻劑生產線中加入余熱回收裝置，將水資源以及這部分余熱進行回收并加以利用是十分必要的。帶有余熱回收系統的天然氣減阻劑生產線系統如圖2 所示。

生產工藝中油熱系統和水冷系統的相互配合為各個反應階段提供合適的生產溫度，反應中冷水經過需要冷卻的器皿后水溫升高，采用熱泵系統將其熱量提取，同時釋放給生活用水，用于生活洗浴以及鍋爐用水；在需要的時候可以通過高溫熱水對油熱系統中的變壓器油進行加熱，以達到最大限度的節能效果。

圖2 帶有余熱回收裝置的系統結構Fig.2 With waste heat recovery unit of the system structure

1 號反應釜工作的正常溫度為70℃~110℃，由于溫度較高，水在100℃以上就會變為蒸汽，因此通過油熱系統提供反應所需的溫度。該系統中，為了節能環保，其冷卻使用循環水，加熱使用25 號變壓器油。熱泵機組將冷水降低至20℃以下，同時將熱水加熱到55℃，通過板式換熱器將變壓器油加熱至55℃，然后再使用電加熱棒輔助加熱變壓器油至110℃。蒸餾罐正常的工作溫度是60℃~70℃，流經1 號反應釜后出來的變壓器油溫度如果高于蒸餾罐工作所需的溫度，則經過板式換熱器將油溫降低至蒸餾罐的正常工作溫度。如果油溫正好合適，則直接通向蒸餾罐。1 號反應釜完成反應后，反應后的物料進入2 號反應釜,同時物料3 進入，并且對2 號反應釜使用余熱回收系統冷卻循環水進行冷卻至常溫。反應產物完全反應后到達蒸餾罐并且加入物料4，將物料蒸發，通過冷凝器進行冷凝回收。其中2 號反應釜、冷凝器以及板式換熱器的余熱由余熱回收部分將其熱量回收，用于加熱成高溫水供鍋爐給水和職工洗浴用水。

1.4 余熱回收系統

（1）余熱回收系統組成。余熱回收系統根據功能要求主要分為4 個部分，如圖3 所示。

圖3 余熱回收系統的組成Fig.3 The constitute of waste heat recovery system

（2）余熱回收系統的基本原理。余熱回收系統中主要是使用熱泵機組進行熱量回收。熱泵是一種將低位熱源的熱能轉移到高位熱源的裝置，是世界備受關注的新能源技術。它以消耗一部分低品位能源 （機械能、電能或高溫熱能） 作為補償，使熱能從低溫熱源向高溫熱源傳遞的裝置。其實質是借助降低一定量的功的品位，提高品位較低而數量更多的能量[9]。余熱回收系統為2 號反應釜、冷凝器以及板式換熱器的冷卻提供工作中所需要的冷卻水，當水溫高出要求的水溫時，熱泵機組就會開始工作，對冷卻循環水進行降溫。熱泵冷端所需要的冷卻循環水由水設備提供，冷卻循環水帶走所需冷卻設備的熱量后水溫升高，熱泵機組將溫度提取，將熱端水加熱，直接供給高溫水箱，以此來完成對物料冷卻余熱的收回。熱水系統所得的熱水直接用于鍋爐和職工的洗浴。余熱回收系統原理如圖4 所示。

圖4 余熱回收系統原理圖Fig.4 Principle of waste heat recovery system

2 帶有余熱回收系統的天然氣減阻劑生產線系統熱力學分析

2.1 管內傳熱的基本方式

本系統中主要是運用到了熱傳導與對流傳熱。

（1）熱傳導。熱傳導是指在物體各部分之間不發生相對位移的前提下，僅僅依靠物質分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而使得熱量從溫度高的部分向溫度低的部分傳遞的現象[4]。它是固體中熱量傳遞的主要形式，在不流動的液體或者是氣體層中熱量層層傳遞，在流動情況下也會發生，不過往往是和對流同時存在的。影響熱傳導的主要因素是： 溫差、導熱系數和導熱物體的厚度和截面積。導熱系數愈大、厚度愈小、傳導的熱量愈多。

（2）對流傳熱。對流傳熱是流體中質點發生相對位移而引起的熱量傳遞過程。流體的運動狀態對傳熱過程有著重要的影響。對流傳熱是流體中質點發生相對位移而引起的熱量傳遞過程。流體的運動狀態對傳熱過程有著重要的影響。當邊界層中的流動完全處于層流狀態時，垂直于流動方向上的熱量傳遞雖然只能通過流體內部的導熱，但流體的流動造成了沿流動方向的溫度變化，使壁面處的溫度梯度增加，因而促進了傳熱；當邊界層中的流動是湍流時，壁面附近的流動結構包括湍流區、過渡區和層流底層。湍流區垂直于流動方向上的熱量傳遞除了熱傳導外，主要依靠不同溫度的微團之間劇烈混合，即依靠對流換熱[12]。

流體通過固體壁面發生的熱量傳遞問題就是典型的對流換熱問題。對流換熱遵循著牛頓冷卻定律即： 溫度高于周圍環境的物體向周圍媒質傳遞熱量逐漸冷卻時所遵循的規律。當物體表面與周圍存在溫度差時，單位時間從單位面積散失的熱量與溫度差成正比，比例系數稱為熱傳遞系數。牛頓冷卻定律是牛頓在1701年用實驗確定的，在強制對流時與實際符合較好，在自然對流時只在溫度差不太大時才成立。牛頓冷卻公式：

式中： q—熱流密度（J/m2·s）；h—物質的對流傳熱系數（W/(m2·℃））；Φ—傳熱功率（W）；A—傳熱面積；tw及tf分別為壁面溫度和流體溫度（℃）；對流換熱問題還遵循著質量守恒、動量守恒以及能量守恒三大定律。圖5 表示了壁面溫度和流體溫度的變化狀態曲線圖。

2.2 1 號反應釜加熱系統熱平衡計算

1 號反應釜的加熱以及保溫系統，其結構如圖6 所示。通過各種傳熱方式的分析可知，油熱系統在對1 號反應釜的加熱主要是靠對流傳熱以及熱傳導來完成的。1 號反應釜由下端通入熱油，熱油通過不銹鋼的傳熱壁將熱量傳遞給物料。系統要求1 號反應釜的入口油溫為110℃，需要將物料由常溫25℃加熱至90℃。為了方便計算可以把1 號反應釜加熱系統，簡化為一個換熱器。則1 號反應釜中，物料的物性參數按25℃給出如下：

圖5 tw 和tf 變化曲線圖Fig.5 The change diagram of tw and tf

圖6 1 號反應釜加熱系統的結構組成Fig.6 The architecture of the no.1 reactor heating system

物料密度： ρ=0.97g/ml；室溫粘度： η=1.25MPa·s；室溫熱容： cp=1.71kJ /（K·kg）。則物料的質量：

物料升至90℃所需要的熱量Q=1.71×65×1455=161723.25 KJ。帶夾套反應釜對流換熱系數u 滿足：

其中，α1、α2分別為反應釜內物料、夾套內載體的對流傳熱系數（W/（m2·K）；R1、R2分別為反應釜內、夾套內污垢層熱阻（（m2·K）/W）；b—釜壁厚度（m）；λ—釜壁材料導熱系數（W/（m·k））。夾套中R1、R2很小，可忽略不計。b=0.01m，λ=20 W/（m·k），α1=1500 W/（m2·K），α2=1200 W/（m2·K）；可得： u=500 W/（m2·K），符合傳熱系數經驗值[11]。

已知將物料加熱至90℃所需要的時間為0.5 小時，則變壓器油的傳熱速率q=89.85KJ/s，總系統的傳熱系數u=500W/（m2·K）。引入修正系數F=0.9；運用對數平均溫差法[10]進行計算步驟如下：

式中，A—換熱面積；ΔTm—系統的平均有效溫差。

油的出口溫度為： T出口=50.85+25=75.85℃，又q=m˙ cpΔT。式中，油的比熱容cp=2.219×103J/（kg·K）；m˙—熱油的質量流量。而且，已知變壓器油在110℃時的密度ρ=895kg/m3，變壓器油的體積流量：

選取公稱直徑為2 3/8 in 的API 供油管，其中油管外徑尺寸為60.3mm，內徑尺寸為50.3mm。則供油管的橫截面積：

則管道中變壓器油的平均流速：

3 結論

（1）通過對減阻劑生產中余熱回收方案的分析，得到了余熱回收系統在減阻劑生產中的應用是可行的。

（2）據天然氣減阻劑生產線系統工況要求，計算得到1 號反應釜總換熱面積為6.04m2，換熱量為89.85KJ/s，總傳熱系數為500W/（m2·K），熱油出口溫度為75.85℃，變壓器油的質量流量為1.19kg/s，選取供油管外徑尺寸為60.3mm，內徑尺寸為50.3mm, 結果滿足工況要求。

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