減阻劑生產工藝分析及余熱回收系統(tǒng)的設計

趙衛(wèi)強，陳 輝，王計兵，楊師緣，劉 剛

(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

減阻劑是一種廣泛應用于原油、成品油管道輸送的化學添加劑，它可以有效地提高管道的輸送量，降低管道的壓力，節(jié)約能源，提高管道運行的安全系數(shù)[1]。中國石油管道公司科技中心經過近10年研制成功的EP 系列減阻劑在15～30mg/L 的添加量下，使原有管道增輸15%～35%，成品油管道增輸30%～50%[2,3]，具有廣闊的市場應用前景和巨大的商業(yè)價值。熱泵系統(tǒng)是將低溫循環(huán)系統(tǒng)的熱量提取并泵送到高溫循環(huán)系統(tǒng)使其可在生活、生產領域使用的系統(tǒng)[4～8]。隨著時代的發(fā)展，保證減阻劑生產工藝的同時保證其生產工藝環(huán)保、節(jié)能的問題也被提上了日程。本文就中國石油管道公司減阻劑生產采用熱泵技術進行余熱回收的工藝可行性進行了研究。

1 生產工藝分析

（1）生產流程。減阻劑的生產工藝流程如圖1 所示，1 號物料和2 號物料在反應釜1 中反應生成中間產物；中間產物和3 號物料在2 號反應釜中反應生成含減阻劑成品的物料，經沉淀、蒸餾得成品。由各反應溫度可知，系統(tǒng)可分為加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。

（2）加熱方式的確定。減阻劑生產中需要加熱的釜罐的工作溫度較低分別為1 號反應釜70℃～110℃和蒸餾罐60℃～70℃，且釜罐的加熱方式都為夾套式加熱。生產中夾套式反應釜的加熱方式常用的有水蒸氣加熱、電加熱或油加熱等加熱方式，它們的主要優(yōu)缺點如表1 所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram

表1 加熱方式的優(yōu)缺點Tab.1 The advantages and disadvantages of the heating mode

從表1 中常用的加熱方式比較可知，對于本系統(tǒng)來說選擇油加熱較為合適，但需要優(yōu)化系統(tǒng)設計，提高油加熱的降溫性能。

（3）冷卻方式的確定。減阻劑生產工藝中2 號反應釜工作溫度為常溫常壓，但是入口處的中間產物溫度為70℃～110℃，因此必須對其冷卻，帶走多余的熱量以保證生產溫度。冷凝器是將蒸餾罐蒸餾出的氣體液化，液化過程中釋放出大量的熱量，這個熱量也需要通過冷卻水的的形式帶走，另外反應釜1 和反應釜2 列管冷凝器也需通冷卻水進行冷凝。現(xiàn)有的冷卻方式中有直流供水冷卻系統(tǒng)、循環(huán)供水冷卻系統(tǒng)以及新興的熱泵冷卻系統(tǒng)，其優(yōu)缺點如表2 所示。

從表2 中比較分析，本系統(tǒng)采用熱泵冷卻系統(tǒng)較為合適，現(xiàn)對其加以介紹。熱泵冷卻系統(tǒng)采用循環(huán)水冷卻方式，利用熱泵的冷端提取冷卻水中的熱量從而對其冷卻，同時將熱量經熱端釋放到高溫循環(huán)系統(tǒng)中，對高溫循環(huán)系統(tǒng)中的水加熱到50℃～55℃[4～8]。因此，在減阻劑的溫度控制冷卻系統(tǒng)中采用熱泵冷卻系統(tǒng)。

表2 冷卻系統(tǒng)的優(yōu)缺點Tab.2 The advantages and disadvantages of the cooling system

2 加熱、冷卻系統(tǒng)的設計及其控制

（1）加熱回路的設計。本系統(tǒng)采用油熱系統(tǒng)保證1號反應釜和蒸餾罐的所需溫度。熱油加熱有控溫準確但是降溫困難的特點，結合減阻劑生產工藝流程，本著最大化節(jié)能、減排的理念設計了如圖2 所示的加熱回路[14，15]。

由于1 號反應釜和蒸餾罐所需加熱溫度不同，采用兩套油加熱系統(tǒng)可以實現(xiàn)，但控制復雜，成本過高，無法改變其固有缺點。因此在加熱回路中采用了一套油加熱系統(tǒng)，通過板式換熱器對高溫油降溫冷卻，使加熱油達到蒸餾罐加熱所需的溫度。板式換熱器以冷卻水為介質吸收熱量，并對所吸收熱量加以利用。

（2）冷卻回路的設計。據(jù)前文分析，減阻劑生產系統(tǒng)采用熱泵冷卻系統(tǒng)保證個系統(tǒng)的冷卻要求。本著最大限度的回收余熱的目的，設計了如圖3 所示的冷卻回路。冷卻回路主要包括熱泵冷端循環(huán)系統(tǒng)和熱泵熱端循環(huán)系統(tǒng)，兩個循環(huán)系統(tǒng)通過熱泵連接。其中熱泵熱端循環(huán)系統(tǒng)又包括熱水系統(tǒng)1 和熱水系統(tǒng)2。

結合加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)分析可知，系統(tǒng)對現(xiàn)有的單一使用熱泵系統(tǒng)的制熱或者制冷加以改進，一方面使用熱泵的冷端對余熱進行提取，另一方面使用熱泵的熱端對水加熱從而產生了生活洗浴用水，同時使用了熱泵的熱端和冷端，充分發(fā)掘熱泵的應用潛力。對同類企業(yè)的系統(tǒng)設計及系統(tǒng)升級改造中的余熱回收問題起到技術支持和一定的借鑒作用。

圖2 加熱回路Fig.2 The heating circuit

圖3 冷卻回路Fig.3 The cooling circuit

3 可回收余熱計算

在保證生產工藝的前提下，由冷卻回路可以看出可回收的熱量有2 號反應釜、板式換熱器、冷凝器、成品出口換熱器、浴室水換熱器以及板1 號反應釜冷凝器、2 號反應釜冷凝器組成。

（1）2 號反應釜可回收熱量。由工藝流程圖可知，2 號反應釜可回收的熱量就等于1 號反應釜加熱所需的熱量，設可回收熱量為Q1，則有：

Q1=μ1C1m1△t1m1=ρ1V1△t1=t11-t12

其中： μ1—熱量轉換效率（μ1=80%）；C1—1 號反應釜中物料比熱容（C1=1.71KJ/Kg℃）；m1—1 號反應釜中物料的質量；△t1—1 號反應釜物料加熱前后的溫差；ρ1—1號反應釜中物料密度，ρ1=0.97g/ml=0.97×103Kg/m3；V1—1 號反應釜體積，V1=1.5m3；t11—物料升溫后溫度（t11=90℃，取70℃～110℃中間值）；t12—物料升溫前溫度（t12=25℃，取常溫）。即在一個減阻劑生產周期中，2 號反應釜可回收的熱量為： Q1=1.29×105KJ。

（2）板式換熱器可回收熱量。由于熱油進出口溫差為5℃，罐內物料和熱油進口溫差為10℃，因此在穩(wěn)定時采用對1 號釜通入熱油溫度為100℃，以保證物料的溫度在90℃的中間狀態(tài)，此時其出口溫度為95℃.在蒸餾罐中為保證物料的溫度為65℃的中間狀態(tài)，其進口油溫應保持在75℃，因此在1 號反應釜熱油出口和蒸餾罐熱油進口之間需要通過板式換熱器對其進行降溫，提取的熱量儲存在熱水系統(tǒng)2 中，這個過程可回收的熱量：

Q2=μ2C2m2△t2m2=V T0△t2=t21-t22

其中： μ2—熱量轉換效率（μ2=90%）；C2—加熱油比熱容 （C2=2.219KJ/Kg℃）；m2—一個蒸餾周期中流過板式換熱器的加熱油質量；△t2—板式換熱器加熱油進出口溫差；V—板式換熱器加熱油質量流量（V=1.19Kg/s）；T0—蒸餾罐加熱周期，T0=6h =21600s；t21為板式換熱器加熱油進口油溫（t21=95℃）；t22—板式換熱器加熱油出口溫度（t22=75℃）；故在蒸餾罐一個加熱周期內板式換熱器吸收熱量為： Q2=10.27×105KJ。

（3）冷凝器及成品出口換熱器可回收熱量。設蒸餾罐每個周期可吸收熱量為Q3，由于其所吸收熱量分為兩部分，一是對蒸餾罐內物料的加熱，另一部分是物料揮發(fā)帶走的熱量，因此冷凝器和成品出口換熱器可回收的熱量和即為蒸餾罐一個周期可吸收熱量Q3，蒸餾罐每個周期可吸收熱量：

Q3=μ3C3m3△t3m3=V T1△t3=t31-t32

其中：μ3—熱量轉換效率（μ3=75%）；C3—加熱油比熱容（C3=2.219KJ/Kg℃）；m3—一個蒸餾周期中流過蒸餾罐的加熱油質量；△t3—蒸餾罐加熱油進出口溫差；V—蒸餾罐加熱油質量流量（V=1.19Kg/s）；T1—蒸餾罐工作周期，T1=6h=21600s；t31—蒸餾罐加熱油進口油溫（t31=75℃）；t32—蒸餾罐加熱油出口溫度（t32=70℃）；故蒸餾罐一個周期內吸收熱量即冷凝器和成品出口換熱器一個周期內可回收熱量為： Q3=2.14×105KJ。

（4）浴室可回收熱量。由規(guī)范設計要求和人們洗浴習慣可知，洗浴用水溫度在40℃左右，洗浴廢水溫度則在32℃左右，對洗浴廢水的余熱回收利用是十分必要的。要計算可回收熱必須知道原有的升溫到55℃的熱水量。

（5）減阻劑生產過程中每天余熱可產生55℃熱水量。設在一個生產周期內減阻劑生產過程中可回收的熱量為Q，則有： Q=Q1+Q2+Q3。熱泵將回收的熱量用于加熱生產和生活用水, 設每個生產周期可提供的高溫水質量為m4，則：

Q=C水m4△t4/μ4△t4=t40-t41

其中： μ4—熱量轉換效率（μ4=90%）；C水—水的比熱容 （C水=4.2KJ/Kg℃）；△t4—水加熱前后的溫差；t40為水所需加熱到的溫度 （t40=55℃）；t41—水開始加熱的溫度，為常溫，t41=25℃。于是有： m4=9785.71Kg。由于一個減阻劑生產周期為25h （由各階段反應時間可得），將一個生產周期余熱可產生的55℃熱水換算為每天24h 可產生的熱水量，設為m5，則有： m5=9394.29Kg。

（6）洗浴用水回收熱可產生55℃熱水量。洗浴時淋浴同時設有熱水管和涼水管，經手動調節(jié)到40℃，這個過程中需加入一定量的涼水，也就是將55℃的水通過注入一定量的冷水使溫度中和至40℃，設其質量為m6，則有：

C水m6△t5=C水m5△t6△t5=t51-t52△t6=t61-t62

其中： C水—水的比熱容（C水=4.2KJ/Kg℃）；m6—所需通入冷水的質量；△t5—冷水升溫前后溫差；m5—每天生產線可提供55℃熱水的質量，m5=9394.29Kg；△t熱—熱水降溫前后溫差；t51—冷水升溫后溫度（t51=40℃）；t52—冷水升溫前溫度 （t52=25℃）；t61—熱水降溫前溫度 （t61=55℃）；t62—熱水降溫后溫度 （t62=40℃）。于是有：m6=m5=9394.29Kg。即每天洗浴用水總質量：m7=m5+m6=18788.58Kg。

洗浴過后溫度由40℃降到32℃，通過板式換熱器將其冷卻到常溫25℃，設過程中可回收熱量為Q4，這部分熱量經熱泵轉化后產生為55℃的熱水，設產生熱水量為m8，則：

Q4=μ5C水m7△t7△t7=t71-t72Q4=C水m8△t轉/μ6

其中：△t8=t81-t82；μ5—熱量轉換效率（μ5=90%）；C水—水的比熱容 （C水=4.2KJ/Kg℃）；m7—洗浴用水的總質量（m7=24198.10Kg）；△t7—洗浴用廢水余熱回收前后溫差；t71—洗浴用廢水降溫前溫度 （△t71=32℃）；t72—洗浴用廢水降溫后溫度（△t72=25℃）；μ6—熱量轉換效率（μ6=90%）；m8—洗浴用廢水回收余熱轉化為洗浴用55℃熱水的質量；△t8—洗浴用熱水溫度和水源溫度溫差；t81—洗浴用熱水溫度（△t81=55℃）；t82水源溫度（△t82=25℃）；于是有：Q4=4.97×105KJ，m8=3551.04Kg。即每天經回收洗浴用廢水熱量可產生新的55℃熱水質量為m8=3551.04Kg。

（7）每天通過余熱回收可產生的熱水量。通過上文的分析可知，余熱回收包括減阻劑生產過程和洗浴廢水余熱回收兩部分，設每天回收余熱可產生55℃熱水的質量為M，體積為V，則：M=m5+m8，V=Mρ。其中： m5—減阻劑生產過程中每天回收余熱轉化為55℃熱水的質量（m5=9394.29Kg）；m8—對洗浴過后廢水余熱回收每天可轉化為55℃熱水的質量，m8=3551.04Kg，ρ—水的密度（ρ=1Kg/L）。即：M=12945.337Kg，V=12945.33L。按每人每天洗浴使用55℃熱水80L 計算，可供161 人洗浴使用。

4 結論

（1）通過對減阻劑生產工藝的分析及其實際使用條件選定并設計了加熱回路和冷卻回路，加熱采用經過優(yōu)化的油熱系統(tǒng)，冷卻采用熱泵技術達到節(jié)能減排改善員工生活條件的目的。

（2）運用熱泵對生產中的各部分可回收熱量回收并加以利用，每天產出55℃的熱水12945.33L，可供該廠生產車間職工161 人洗浴使用。

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