化工生產裝置節能的層次分析及應用

周禹君（中國石油遼陽石化尼龍廠）

化工生產裝置節能的層次分析及應用

周禹君（中國石油遼陽石化尼龍廠）

化工生產裝置有“質量要求”、“環保要求”。在化工生產中，不能片面強調節能而降低其他方面的要求。介紹一種化工生產節能的分析方法，將化工生產裝置分為反應系統、分離系統、換熱網絡、公用工程4個層次，每個層次都包含質量、環保等要求，節能調整要由內到外逐層進行，實現各個要求，最終達到用能的優化；同時，將這種方法應用于遼陽石化己二酸裝置后，產品的硝酸含量由1.5 mg/kg降至1.2 mg/kg，污水COD由140 kg/h降至87 kg/h，蒸汽消耗減少3 t/h，循環水消耗減少500 t/h，取得了較好的節能效果。

層次分析；節能降耗；己二酸

世界能源委員會于1979年提出了節能的定義：節能就是采取技術上可行、經濟上合理、環境和社會可接受的一切措施，來提高能源資源的利用效率[1]。為了推動全社會節約能源，提高能源利用效率，保護和改善環境，促進經濟社會全面協調可持續發展，我國于2007年10月頒布《中華人民共和國節約能源法》，并于2016年7月進一步修訂。節能已經成為我國可持續發展的一項長遠發展戰略和基本國策。

石油化工業是國民經濟的支柱產業，但同時也是高能耗和容易產生污染的產業[2]，目前全行業的節能正面臨著嚴峻挑戰：石油和化工業能源年消費量大，占我國年消費總量的15%左右，且該行業一般產品的能源費用為20%～30%，高耗能產品能源費用甚至高達60%～70%[3]。節能對于石化企業生存和發展具有重要的意義。

1 全系統節能的層次分析方法

Linnhoff等曾提出如圖1所示的“洋蔥模型”來強調過程設計的層次特性，該模型將整個系統從內到外分為：反應器、分離與循環、換熱網絡、公用工程4個層次[4]，核心的反應器設計完成后，確定了分離系統設計的條件，并以此設計分離系統；反應系統與分離系統設計共同定義了過程加熱、冷卻負荷，并以此來設計換熱網絡；不能由熱回收提供的加熱冷卻負荷則決定了公用工程的需要量[5]。

圖1 工藝流程設計中的“洋蔥模型”

化工生產裝置同樣可以參照“洋蔥模型”，將整個裝置分為反應系統、分離系統、換熱網絡、公用工程4個層次，將“質量目標”、“環保目標”等要求貫穿其中，節能目標由這4個層面從內到外依次進行，在實現反應穩定、分離可靠的基礎上，再對換熱網絡進行優化，最后確定公用工程用量，全系統節能的層次分析方法在實際應用時，最重要是要避免單以節能為目的進行工藝調整，要兼顧質量、環保等指標，由內到外，明確各層面的技術要求，再進行相應的調整，最終確定公用工程最優用量。

2 層次分析方法的應用

將全系統節能的層次分析方法應用在遼陽石化尼龍廠己二酸裝置的生產管理中，對裝置從內層到外層進行調整后，裝置的用能情況得到改善。

2.1 己二酸裝置

2.1.1 己二酸裝置流程

己二酸裝置主要工藝流程：以銅和釩作催化劑，用硝酸氧化醇酮反應生成己二酸，然后經過一次結晶、一次增濃離心得到粗己二酸，粗己二酸經溶解、活性炭脫色、二次結晶、二次增濃離心、干燥后得到精己二酸。輔助流程包括：氧化氮氣體回收、硝酸濃縮、催化劑回收及二元酸脫除[6]。己二酸裝置流程如圖2所示。

圖2 己二酸裝置工藝流程

2.1.2 己二酸裝置用能狀況

己二酸裝置日產能為230 t，裝置的公用工程能耗量及成本情況如表1所示，其中，低壓蒸汽成本接近公用工程總成本的一半。裝置中主要用能單元為母液酸濃縮系統，該系統可將硝酸含量相對較低的母液濃縮成濃度較高硝酸循環利用，濃縮過程每小時約需消耗蒸汽24 t，循環水2000 t。

表1 己二酸裝置公用工程能耗量

2.2 己二酸裝置綜合調整

2.2.1 反應系統和分離系統的調整

從質量要求和環保要求的角度出發，針對副反應情況和母液處理情況調整反應系統和分離系統。重點關注以下幾個方面：

1）為保證反應系統穩定，優先調整催化劑回收系統的穩定，對樹脂反應器程序中吸附、水洗、洗提各個步驟的運行時間和物料流量進行調整，確定最佳時序和流量，明確催化劑回收系統的公用工程用量。

2）為保證己二酸結晶顆粒與母液的分離效果，對離心機洗滌水用量進行調整。水量過小，會因洗滌不充分影響產品質量；水量過大，會增加系統的母液量，使后續的濃縮系統的蒸汽用量加大。以達到質量要求為前提，盡可能減少洗滌水用量，這也同時減少了母液水的產生量，避免母液水溢流影響環保情況。

3）保證濃縮系統穩定，避免出料濃度過低和過高。以目標濃度為基準，確定蒸餾塔塔底和塔頂溫度，進一步確定蒸汽和冷卻水用量。

2.2.2 換熱網絡的調整

分析冷熱流股的熱負荷，合理匹配冷熱流股，充分利用裝置自身現有的資源，節約能量消耗。裝置的蒸汽冷凝水（LC）富余，且溫度較高，可以用來預熱部分物料，節約低壓蒸汽（LS）使用用量。例如：在原母液水系統中，冷母液水（20℃）進入熱母液水罐，先利用加熱盤管加熱，再利用換熱器加熱，使熱母液水達到90℃，2次加熱均使用低壓蒸汽（LS）。若將換熱器改為冷母液水預熱器，利用過剩的蒸汽冷凝水（LC）預熱，使冷母液溫度達到60℃，后續再使用蒸汽加熱，可大大節約蒸汽用量，如圖3、圖4所示。

圖3 改造前母液水系統流程

圖4 改造后母液水系統流程

2.2.3 公用工程調整

在裝置運行參數穩定基礎上，對各個用能設備進行核算和調整，以滿足工藝要求為目標，合理配置公用工程用量，避免過冷或過熱。

2.3 己二酸裝置取得的效果

按照全系統節能的層次分析方法調整后，己二酸裝置整體上取得了良好的效果：產品質量提升，排污情況好轉，裝置能耗下降（表2）。調整后，裝置蒸汽消耗減少3 t/h，循環水消耗減少500 t/h，每年可節約成本約400余萬元。

表2 己二酸裝置調整前后對比

4 結論

化工生產節能管理中，調整能源用量時，經常會造成其他方面，諸如質量、環保等指標的降低，其原因在于調整單以節能為目的，忽視了其他方面的要求。以全系統節能的層次分析方法作指導，可以保證裝置能耗與其他指標共同達標。遼陽石化尼龍廠己二酸裝置按照這種方法進行調整，取得了良好的效果：產品的硝酸含量由1.5 mg/kg降至1.2 mg/kg，污水COD由140 kg/h降至87 kg/h，蒸汽消耗減少3 t/h，循環水消耗減少500 t/h。

[1]王慶一.能源效率及相關政策和技術[J].應用能源技術，2002（6）：1-10.

[2]王紫薇.我國石化產業可持續發展研究[D].天津：天津工業大學，2012.

[3]公克.低碳背景下石油化工產業資源與環保措施[J].化工管理，2013（22）：211.

[4]王保國，王春艷，李會泉，等.化工過程設計[M].第一版.北京：化學工業出版社，2002：4-5.

[5]陳清林，尹清華，王松平，等.過程系統能量流結構模型及其應用[J].化工進展，2003，22（3）：239-243.

[6]徐天祝.己二酸裝置硝酸蒸餾系統技術改造[D].大連：大連理工大學，2012.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.05.009

2017-03-11

（編輯 王古月）

周禹君，工程師，2006年畢業于大連理工大學（化學工程與工藝專業），從事化工生產管理工作，E-mail：zhouyujun1@petrochina. com.cn，地址：遼寧省遼陽市宏偉區石化路3號，111003。