化工過程中節能降耗工藝設計

發布時間：

2023-11-15 13:35

前言

節能既是一個老話題，又是新時期的一個重大戰略課題。由于經濟快速發展，能源約束矛盾日益突出，已經成為經濟和社會發展的一個重要制約因素。解決能源約束問題，一方面要開源。另一方面，就是必須堅持節約優先。化學工業由于能源消耗特別大，而且占國民經濟的比重比較大，化工節能受到了各國化工從業人員的普遍的重視。化工節能設計也就成為一項新型的業務而得到迅速發展

1化工節能降耗的意義
1.1加強節能是化工企業可持續發展的需要

隨著國民經濟和人民生產水平的不斷提高，對能源的需求越來越大。到2020年，我國經濟要實現翻兩翻的目標，必須提供充足的能源作為保證。化學工業要實現可持續穩定的發展，同樣需要穩定的能源供應。我國的能源有限，國內能源的供應將面臨潛在的總量短缺，尤其是石油、天然氣供應將面臨結構性短缺，我國長期能源供應面臨嚴峻的挑戰石油供應的緊張，對化工工業的危害程度遠遠高出其他工業部門。因此，節約能源，減少能源的消耗對化學工業來說具有特別重要的意義，是化學工業可持續發展的必要前提。
1.2加強節能是化工企提高經濟效益的需要

化工產品，尤其是高耗能產品的能源消耗占據產品成本的很大比例，最高可達 80%左右。節約能源降低能源費用，就是降低產品成本，從而可以增加產品的市場競爭力，為企業創造更多經濟效益。

1.3加強節能有利于環境保護

節能就意味著減少了能源的開采與消耗，從而減少了煙、塵、二氧化硫污染物的排放。據報道，直接燃燒 lt 煤炭，可向大氣排放的污染物有粉塵9~1lkg，SOzx約16kg，NOx約3~9kg，還有大量CO2x。這些污染物是酸雨、溫室效應、光化學煙霧大氣粉塵增加的主要原因。因此，節能降耗可大大有利于環境保護。
2化工過程能耗分析

能量的合理利用是指在用能過程中盡可能地減少過程的能量損失。化工過程的能耗由兩部分組成。第一部分是理想功，即完成過程必須的最小功。它是理論上必須消耗的功，不存在節能潛力;第二部分則是屬于能量損耗。其中又可分為不可避免的能量損耗與可避免的能量損耗兩類。第一類是為了保證過程以必要的速度進行所需要的推動力及由于各種目前尚無法消除的能量耗散效應造成的。如果沒有這部分能量消耗，過程只能以無限慢的速度進行顯然，這種速度無法滿足工業生產的需要。這部分能量損耗雖然在目前條件下視為不可避免的，但隨著時代的發展和科學技術的進步有可能適當的降低，卻無法消除。第二類則是由于實際過程存在的各種不合理的不可逆因素造成的能量損失，例如過大的過程推動力，過大的流體阻力和散熱損失等這部分損失屬于可以避免的能量損失，即可以通過對過程分析和改造得以減少甚至消除。節能工作的任務就是設法通過各種措施來減少這部分能量的消耗。
3化工生產中常見的節能裝置

3.1熱管換熱器

熱管是利用密閉管內工質的蒸發和冷凝來進行傳熱。利用熱管導熱能力強、傳熱量大的特點，以多根熱管作為中間傳熱元件，實現冷熱流體之間換熱的設備叫熱管換熱器。熱管換熱器屬于冷熱流量互不接觸的表面式換熱器。一般情況下，熱管換熱器有一個矩形的外殼，在矩形外殼中布滿了帶助片的熱管。在矩形殼體內部的中央有一塊隔板把殼體分為兩個部分，一部分與熱流體通道相連，為熱管的蒸發段:另一部分與冷流體通道相連，為熱管的冷凝段。冷熱流體均在熱管外部橫向流過，通過熱管軸向傳輸熱量，將熱量從熱流體傳給冷流體。

3.2熱泵

熱泵是一種能使熱量從低溫物體轉移到高溫物體的能量利用裝置。適當應用熱泵，可以把不能直接利用的低溫熱能轉變為有用的熱能，從而提高能量利用率，節省燃料。

根據熱力學第二定律，熱量不會自發地從低溫物體轉移到高溫物體。因此，熱泵要完成自己的工作，就必須從外界輸入一部分有用能量，以實現這種能量的傳遞。

3.3蓄熱器

蓄熱器實際上是鍋爐與蒸汽用戶兩者之間儲存熱量的“熱庫”，在用汽量較低時把過剩的蒸汽儲存起來，到用汽量大而蒸汽不足的時候再取出來使用，從而起到調節用熱峰谷的作用。在用氣量以預期的規律變化時，蓄熱器可以使負荷持續平衡的時間達數小時甚至數天之久。根據壓力變化情況，蒂熱器可分為變壓式蓄熱器和定壓式蒂熱器。變壓式蓄熱器是由蓄熱器本體和控制蒸汽進出的自動調節閥倆個主要組成。蓄熱器本體是鋼制的圓筒，在簡體外側有良好的保溫，在筒體內，裝有蒸汽分配管蒸汽噴嘴和水流循環筒。

容積一定的蒸汽蓄熱器，其蓄熱量或蒸汽發生量取決于充熱壓力與放熱壓力之間的壓力差的大小，以及放熱壓力絕對值的高低。充熱壓力越高，則充熱完成后得到的飽和壓力和溫度越高;放熱時壓力越低，則能蒸發的蒸汽量就越多，充熱壓力和放熱壓力的差別越大，蓄熱量就越大。放熱本身的大小也影響蓄熱量的多少
3.4變壓吸附

變壓吸附是利用特定吸附劑對各種氣體吸附能力的差異進行氣體分離的一項技術。吸附分離的基本原理是當流動的氣體與多孔的固體顆粒相接觸時，由于該固體顆粒能有選擇地積累和凝聚氣體中一定組分在其內外表面上，使該組分在固體表面上的濃度顯著增大從而達到分離的目的，這種現象稱為吸附。當外界條件發生變化 (如溫度、壓力的變化)時，固體表面上被吸附的組分會重新返回氣體中，這一過程稱為解吸或脫附。

它可在常溫和較寬的壓力范圍內操作，具有使用氣源廣、產品純度高、工藝簡單、節能效果顯等特點。目前，變壓吸附技術已廣泛用于制富氧空氣、氫氣，從合成氨弛放氣和焦爐煤氣中回收氫氣從含一氧化碳混合氣中制純一氧化碳，合成氨變換氣脫碳，天然氣凈化提純甲烷等領域

3.5膜技術

膜分離是借助膜的選擇滲透作用以及膜兩則的能量差(如壓差、濃度差。電位差等等) 對混合物中溶質和熔劑進行分離、提純的過程。膜分離技術不耗化學劑和添加劑，不會污染產品。滲透原理:在恒溫容器中，用半透膜《只允許熔劑分子通過而不允許溶質分子通過的一種膜)將容器隔成兩個部分，一邊為純溶劑(如水)，另一邊為含有不揮發溶質的溶液《如鹽水溶液)。由于純溶劑的化學位高于溶液中熔劑的化學位，熔劑分子將透過半透膜從純溶劑側向落液側滲透，使溶液側的壓力和溶液中熔劑的化學位隨之增加。當溶液中熔劑的化學位與純溶劑的化學位相等時，滲透達到平衡狀態。

4常見的化工工藝節能措施

史密斯和林罹夫的“洋蔥頭”模型，十會直觀地表明反應系統是開發和設計的核心，它強調了過程開發和設計的有序和分層性質。據此，提出主要的化工工藝節能措施如下:
4.1改變反應工藝條件，降低工藝能耗

(1)降低反應壓力。從而可以降低輸送反應物的機泵能耗，尤其是明顯降低氣態反應物的壓縮功

(2)降低吸熱反應溫度，從而降低供熱溫位

(3)提高反應轉化率，抑制副反應。從而減少反應能耗和產品分離能耗。

4.2 選取適宜的設備，優化作條件，降低分離過能耗

產品分離提純是化工裝置能量消耗的主要單元，選擇適宜的操作條件，如改變精餾塔的操作壓力，降低塔的回流比、回收蒸餾過程的顯熱和潛熱以及采用熱泵蒸館、增設中間換熱器、熱偶蒸館均可大大降低分離過程的能耗。

4.3加強余熱的回收

在化工過程中總會有余熱的排放。余熱在科學上也稱二次能源，它是一次能源在轉化中的產物，它又是化工生產能被直接利用的能量。如將高溫反應余熱回收用于產生蒸汽供工藝使用，或將低溫位的余熱用于預熱工藝物料。熱管熱泵技術的應用更可大大提高對低溫位余熱利用的程度。低溫余熱的回收利用，已成為當今和將來余熱回收的重點

4.4選用高效設備和材料，提高設備效率

能量的利用是通過用能設備來轉化的，選用高效設備和材料，提高設備的效率是國外節能工作中的主要措施。比如，采用高效填料及高效傳熱設備改善傳傳熱性能，提高傳熱效率，選用新型絕熱材料和選擇合適的絕熱層厚度，可有效減少熱損失。推廣高效用能設備，除直接降低生產耗能外，還間接地使整個化工生產建立新的生產方式。
4.5提高催化劑的活性

催化劑是化工生產工業節能的關鍵物質，這是因為，一種新的催化劑可以形成一種新的更有效的工藝過程，使反應轉化率大幅度提高，溫度壓力條件下降，單位產品能耗顯著下降;另外，通過提高催化劑的選擇性，減少了副產物，即節約原料消耗，又降低了分離過程的負荷和能耗。例如，ICI公司用低壓(5MP)，低溫《270C)操作的基催化劑代替高壓(35MP)，高溫(3755C)的鋅鉻化劑合成甲醇，不僅使合成壓縮機的動力消耗減少 60%整個工藝的總動力消耗減少 30%而且在較低溫度下副產物大大減少，節約了原料消耗和甲醇精餾的消耗結果使每噸甲醇的消耗從4190萬KJ 降低到3600萬 kJ。
4.6開發新新產方法

以節能為中心，開發新工藝，新的生產方法。以便最合理地使用能源來進行生產。同時在生產過程中，使副產物和廢棄物得到綜合利用，并實現最佳操作條件和自動化控制，使生產和化學反應在最優化的條件下進行，提高反應速率、轉化率和產率，節約化工生產的能源。
5化工節能成果

改進工藝，采用循環硫化床鍋爐。江蘇某化工有限公司在采取節能降耗工藝以前是一家瀕臨倒閉的國有小氮肥企業，該公司采用循環硫化床鍋爐，全面停用了煙煤，只用少量的煤屑配上 70%的造氣爐渣做燃料，噸氨煤耗降低 210 千克，年節約燃煤25000 噸，增效 1300 多萬元，較好地實現了資源綜合循環利用。新建中2800 造氣爐，配套了循環硫化床鍋爐，增加了造氣發氣量，多用型煤、少用塊煤，合成氨日產量提高20 噸，尿素日產量提高 4 噸以上，全年可提高尿素生產能力 14000 噸以上。另一方面，該公司采用國內先進的“三氣”回收裝置，實現了對合成氨生產過程中“三氣”(再生氣、放空氣、馳放氣)的全部有效回收。每天回收的“三氣”增產碳 30 噸以上，單位能耗下降4.5%年節約原煤5000 余噸投入 130 萬元新上3 臺()蒸發式凝器，杜絕了夏季冷凍崗位因高溫、超壓而放空、增開冰機的情況，全年可節約用電 160多萬千瓦時節約自用氮 90 余噸，避免企業主要污染物氨氣排放對大氣環境的污染。投入100 多萬元，對“兩水”(冷卻水、循環水)進行全面閉路循環，實現了污水零排放，創造了良好的社會效益。
6總結

在化學工業中，煤、石油和天然氣，既是能源又是寶貴的原料，節省了能源，也就是節省了化工原料，降低了成本。化工生產過程的節能可以通過加強余熱的回收、提高設備效率、降低過程能耗和開發新工藝與新生產方法等方式來實現。如何在化工設計中充分運用先進的節能設備，采取適用的節能指施，為化工企業節能降耗奠定堅實的基礎，推動精細化工企業的轉型升級是化工工程技術人員的一個重要課題。化工節能今后的技術方向是通過對現有生產條件的不斷優化改造采用 DCS 控制系統保持反應在最有條件下進行，提高催化效率以及其使用壽命，努力實現以最小的投入產生最大的效益。

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化工過程中節能降耗工藝設計