二次閃蒸工藝對合成橡膠凝聚工藝節能效果的影響

郭方飛，佀慶法，崔志勇

（山東聚圣科技有限公司，山東 東營 257300）

合成橡膠生產裝置的能耗較大，而凝聚工藝作為合成橡膠生產裝置的最大工藝單元，其能耗約占整個生產裝置蒸汽能耗的50%，因此針對凝聚工藝節能降耗的研究成為合成橡膠生產裝置節能技術改造的熱點[1]。凝聚工藝節能技術的發展經歷了單釜凝聚技術、雙釜凝聚技術、三釜凝聚技術、吸收式熱泵技術和膠粒水提濃技術。本工作采用化工過程模擬軟件Aspen Plus建立數學模型，研究分析二次閃蒸工藝對合成橡膠凝聚工藝節能效果的影響。

1 凝聚工藝節能技術的研究進展

1.1 三釜凝聚技術

1960年，美國Phillips石油公司首次將合成順丁橡膠的單釜凝聚技術升級為兩釜凝聚技術，此后國外的合成橡膠生產企業逐漸趨于使用多釜（以三釜為主）凝聚技術。中國石油化工股份有限公司巴陵分公司（以下簡稱巴陵石化）是國內首次在順丁橡膠合成裝置上使用三釜凝聚技術的廠家，2008年5月首次開車成功。據報道，在同等條件下，采用三釜凝聚工藝生產1 t合成橡膠的蒸汽消耗量比兩釜凝聚工藝減小0.4 t，該技術已在業內得到廣泛推廣[2]。

1.2 吸收式熱泵技術

20世紀90年代，由中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司（以下簡稱燕山石化）與大連理工大學等聯合開發的吸收式熱泵技術用于凝聚工藝，在國內多家合成橡膠裝置中得到應用，并取得了較好的經濟效益。熱泵機組由蒸發器、吸收器、發生器、冷凝器和熱交換器等主要設備和抽氣裝置、溶劑泵、冷劑泵等輔助部分組成[3]。該技術以合成橡膠生產裝置中凝聚工藝所產低溫廢熱為動力，利用LiBr-H2O工質對的吸收與解吸循環，實現廢熱升溫回用。一臺5 000 kW的熱泵用于年產3萬t的凝聚裝置，生產1 t合成橡膠可節約蒸汽1.1～1.5 t，節能效益可觀[4]。但該技術也存在一些問題，如設備初期投資大、投資回收期長、設備維護費用高等。

1.3 膠粒水提濃技術

趙卓等[5]介紹了一種膠粒水提濃技術，并將該技術用于燕山石化的苯乙烯系熱塑性彈性體（SBS）合成凝聚裝置。該技術通過在凝聚末釜至后處理之間增加一臺提濃器，將高溫膠粒水分離出25%～35%的循環熱水直接回首釜，減少進入后處理后的熱量損失[6]。該技術雖有一定節能效果，但提濃器易堵，限制了其推廣應用。

2 模擬流程的建立

2.1 熱力學方程的選擇

經大量考證，1972年提出的SRK方程對含有一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）和氮氣（N2）的烴類物系在中等壓力和不太低的溫度下具有較高的預測精度。經比較發現，SRK方程預測氣相性質的準確性比PR方程和BWRS方程好。從計算角度看，SRK方程具有形式簡單、參數少、速度快的優點，因此試驗模擬系統采用SRK方程[7]。

2.2 模型建立

采用化工過程模擬軟件Aspen Plus在年產3萬t SBS的三釜凝聚工藝基礎上建立數學模型，并增加二次閃蒸工藝，如圖1所示。

圖1 增加二次閃蒸工藝示意

2.3 流程描述

現有凝聚工藝一般將摻混罐的膠液與后處理的循環熱水通過水膠混合器混合進入凝聚首釜，閃蒸出溶劑和部分水分，然后經過冷凝器冷凝，進入分相罐并通過沉降分離出溶劑和水分，水分回到首釜，溶劑進入溶劑精制系統進一步脫除微量水分及雜質。二次閃蒸工藝增加到膠液自摻混罐進入凝聚首釜之間，自摻混罐的膠液先經預熱器預熱到一定溫度，然后進入低壓閃蒸罐閃蒸，閃蒸的液相由出料泵送入現有凝聚工藝裝置，與現有流程保持一致；閃蒸的氣相進入冷凝器進行冷凝，冷凝液經溶劑回收罐回收，并由溶劑泵直接送入干溶劑罐。若溶劑中含有雜質，也可先進入溶劑精制系統進一步處理。

3 結果與討論

采用水析凝聚法脫除溶劑的過程中，蒸汽直接通入凝聚釜中與溶劑接觸，有一部分水分與溶劑一起被蒸出，其中水分含量約為20%左右，這樣增加了溶劑脫除的能耗。而采用二次閃蒸工藝脫除溶劑的過程中，蒸汽與膠液為間壁傳熱，閃蒸出去的溶劑不含水分，這是二次閃蒸工藝節能的基本原理。在二次閃蒸工藝過程中閃蒸出去的溶劑越多，整個系統越節能。

3.1 預熱溫度對閃蒸溶劑量和膠液濃度的影響

采用Aspen Plus的靈敏度分析功能，以預熱器不同預熱溫度為變量，考察閃蒸溶劑量和閃蒸后膠液濃度的變化，結果如圖2所示。

從圖2可以看出：隨著預熱溫度升高，閃蒸溶劑速率和膠液質量分數增大；預熱溫度較低時，閃蒸溶劑速率較小，節能效果不明顯；預熱溫度達到140 ℃后，閃蒸溶劑速率迅速增大，但溫度過高會造成膠液粘度偏高，影響后續凝聚工藝的操作和橡膠性能，導致橡膠制品的降解或發生黃變。綜上所述，合適的預熱溫度為110～130 ℃。

圖2 預熱溫度對閃蒸溶劑速率和膠液質量分數的影響

3.2 預熱溫度對蒸汽消耗量的影響

凝聚工藝的最大能量消耗為蒸汽消耗。不同的預熱溫度影響閃蒸預熱器蒸汽消耗量、凝聚工藝蒸汽消耗量和總蒸汽消耗量，結果如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著預熱溫度升高，閃蒸預熱器蒸汽消耗量增大，凝聚工藝蒸汽消耗量和總蒸汽消耗量減小。未增加二次閃蒸時，凝聚工藝蒸汽消耗量約為8.1 t·h-1；增加二次閃蒸后，當預熱溫度較低時，總蒸汽消耗量變化不大，預熱溫度為110～130 ℃時，總蒸汽消耗量1 h可減少0.8～1.6 t。

圖3 預熱溫度對蒸汽消耗量的影響

3.3 預熱溫度對循環水用量的影響

循環冷卻水用量是節能降耗的重要指標之一。分析不同預熱溫度對凝聚冷凝器循環水用量、閃蒸冷凝器循環水用量和總循環水用量的影響，結果如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著預熱溫度升高，閃蒸冷凝器循環水用量增大，凝聚冷凝器循環水用量和總循環水用量減小。未增加二次閃蒸時，凝聚冷凝器循環水用量約為435 t·h-1；增加二次閃蒸后，當預熱溫度較低時，總循環水用量變化不大，預熱溫度為110～130 ℃時，總的循環水用量1 h可減少50～90 t。

圖4 預熱溫度對循環水用量的影響

3.4 節能效益分析

綜上所述，增加二次閃蒸工藝可以減小整個系統的蒸汽消耗量和循環水用量，同時確定出合適的預熱溫度為110～130 ℃。以預熱溫度為120℃時增加二次閃蒸工藝的節能效益進行分析，結果如表1所示。

表1 增加二次閃蒸工藝前后的節能效益 t·h-1

由表1可知，預熱溫度為120 ℃時，增加二次閃蒸工藝后，可節約蒸汽消耗量為1.14 t·h-1、循環冷卻水用量為70 t·h-1。以年產8 000 h、蒸汽價格200元·t-1、循環水價格0.3元·t-1計算，年節約蒸汽費用為182萬元，節約循環水費用為16.8萬元，合計198.8萬元。增加二次閃蒸工藝總投資成本小于100萬元，半年可收回，節能效益顯著。

4 結論

（1）二次閃蒸工藝的合適預熱溫度為110～130 ℃。

（2）預熱溫度為110～130 ℃時，增加二次閃蒸工藝后總蒸汽消耗量每小時可減小0.8～1.6 t，總循環水用量每小時可減小50～90 t。

（3）預熱溫度為120 ℃時，增加二次閃蒸工藝年節約成本為198.8萬元，半年可收回投資費用。

（4）二次閃蒸工藝流程簡單、投資回收期短、節能效果顯著，適合在合成橡膠行業內推廣應用。