化工过程中节能降耗工艺设计

发布时间：

2023-11-15 13:35

前言

节能既是一个老话题，又是新时期的一个重大战略课题。由于经济快速发展，能源约束矛盾日益突出，已经成为经济和社会发展的一个重要制约因素。解决能源约束问题，一方面要开源。另一方面，就是必须坚持节约优先。化学工业由于能源消耗特别大，而且占国民经济的比重比较大，化工节能受到了各国化工从业人员的普遍的重视。化工节能设计也就成为一项新型的业务而得到迅速发展

1化工节能降耗的意义
1.1加强节能是化工企业可持续发展的需要

随着国民经济和人民生产水平的不断提高，对能源的需求越来越大。到2020年，我国经济要实现翻两翻的目标，必须提供充足的能源作为保证。化学工业要实现可持续稳定的发展，同样需要稳定的能源供应。我国的能源有限，国内能源的供应将面临潜在的总量短缺，尤其是石油、天然气供应将面临结构性短缺，我国长期能源供应面临严峻的挑战石油供应的紧张，对化工工业的危害程度远远高出其他工业部门。因此，节约能源，减少能源的消耗对化学工业来说具有特别重要的意义，是化学工业可持续发展的必要前提。
1.2加强节能是化工企提高经济效益的需要

化工产品，尤其是高耗能产品的能源消耗占据产品成本的很大比例，最高可达 80%左右。节约能源降低能源费用，就是降低产品成本，从而可以增加产品的市场竞争力，为企业创造更多经济效益。

1.3加强节能有利于环境保护

节能就意味着减少了能源的开采与消耗，从而减少了烟、尘、二氧化硫污染物的排放。据报道，直接燃烧 lt 煤炭，可向大气排放的污染物有粉尘9~1lkg，SOzx约16kg，NOx约3~9kg，还有大量CO2x。这些污染物是酸雨、温室效应、光化学烟雾大气粉尘增加的主要原因。因此，节能降耗可大大有利于环境保护。
2化工过程能耗分析

能量的合理利用是指在用能过程中尽可能地减少过程的能量损失。化工过程的能耗由两部分组成。第一部分是理想功，即完成过程必须的最小功。它是理论上必须消耗的功，不存在节能潜力;第二部分则是属于能量损耗。其中又可分为不可避免的能量损耗与可避免的能量损耗两类。第一类是为了保证过程以必要的速度进行所需要的推动力及由于各种目前尚无法消除的能量耗散效应造成的。如果没有这部分能量消耗，过程只能以无限慢的速度进行显然，这种速度无法满足工业生产的需要。这部分能量损耗虽然在目前条件下视为不可避免的，但随着时代的发展和科学技术的进步有可能适当的降低，却无法消除。第二类则是由于实际过程存在的各种不合理的不可逆因素造成的能量损失，例如过大的过程推动力，过大的流体阻力和散热损失等这部分损失属于可以避免的能量损失，即可以通过对过程分析和改造得以减少甚至消除。节能工作的任务就是设法通过各种措施来减少这部分能量的消耗。
3化工生产中常见的节能装置

3.1热管换热器

热管是利用密闭管内工质的蒸发和冷凝来进行传热。利用热管导热能力强、传热量大的特点，以多根热管作为中间传热元件，实现冷热流体之间换热的设备叫热管换热器。热管换热器属于冷热流量互不接触的表面式换热器。一般情况下，热管换热器有一个矩形的外壳，在矩形外壳中布满了带助片的热管。在矩形壳体内部的中央有一块隔板把壳体分为两个部分，一部分与热流体通道相连，为热管的蒸发段:另一部分与冷流体通道相连，为热管的冷凝段。冷热流体均在热管外部横向流过，通过热管轴向传输热量，将热量从热流体传给冷流体。

3.2热泵

热泵是一种能使热量从低温物体转移到高温物体的能量利用装置。适当应用热泵，可以把不能直接利用的低温热能转变为有用的热能，从而提高能量利用率，节省燃料。

根据热力学第二定律，热量不会自发地从低温物体转移到高温物体。因此，热泵要完成自己的工作，就必须从外界输入一部分有用能量，以实现这种能量的传递。

3.3蓄热器

蓄热器实际上是锅炉与蒸汽用户两者之间储存热量的“热库”，在用汽量较低时把过剩的蒸汽储存起来，到用汽量大而蒸汽不足的时候再取出来使用，从而起到调节用热峰谷的作用。在用气量以预期的规律变化时，蓄热器可以使负荷持续平衡的时间达数小时甚至数天之久。根据压力变化情况，蒂热器可分为变压式蓄热器和定压式蒂热器。变压式蓄热器是由蓄热器本体和控制蒸汽进出的自动调节阀俩个主要组成。蓄热器本体是钢制的圆筒，在简体外侧有良好的保温，在筒体内，装有蒸汽分配管蒸汽喷嘴和水流循环筒。

容积一定的蒸汽蓄热器，其蓄热量或蒸汽发生量取决于充热压力与放热压力之间的压力差的大小，以及放热压力绝对值的高低。充热压力越高，则充热完成后得到的饱和压力和温度越高;放热时压力越低，则能蒸发的蒸汽量就越多，充热压力和放热压力的差别越大，蓄热量就越大。放热本身的大小也影响蓄热量的多少
3.4变压吸附

变压吸附是利用特定吸附剂对各种气体吸附能力的差异进行气体分离的一项技术。吸附分离的基本原理是当流动的气体与多孔的固体颗粒相接触时，由于该固体颗粒能有选择地积累和凝聚气体中一定组分在其内外表面上，使该组分在固体表面上的浓度显著增大从而达到分离的目的，这种现象称为吸附。当外界条件发生变化 (如温度、压力的变化)时，固体表面上被吸附的组分会重新返回气体中，这一过程称为解吸或脱附。

它可在常温和较宽的压力范围内操作，具有使用气源广、产品纯度高、工艺简单、节能效果显等特点。目前，变压吸附技术已广泛用于制富氧空气、氢气，从合成氨弛放气和焦炉煤气中回收氢气从含一氧化碳混合气中制纯一氧化碳，合成氨变换气脱碳，天然气净化提纯甲烷等领域

3.5膜技术

膜分离是借助膜的选择渗透作用以及膜两则的能量差(如压差、浓度差。电位差等等) 对混合物中溶质和熔剂进行分离、提纯的过程。膜分离技术不耗化学剂和添加剂，不会污染产品。渗透原理:在恒温容器中，用半透膜《只允许熔剂分子通过而不允许溶质分子通过的一种膜)将容器隔成两个部分，一边为纯溶剂(如水)，另一边为含有不挥发溶质的溶液《如盐水溶液)。由于纯溶剂的化学位高于溶液中熔剂的化学位，熔剂分子将透过半透膜从纯溶剂侧向落液侧渗透，使溶液侧的压力和溶液中熔剂的化学位随之增加。当溶液中熔剂的化学位与纯溶剂的化学位相等时，渗透达到平衡状态。

4常见的化工工艺节能措施

史密斯和林罹夫的“洋葱头”模型，十会直观地表明反应系统是开发和设计的核心，它强调了过程开发和设计的有序和分层性质。据此，提出主要的化工工艺节能措施如下:
4.1改变反应工艺条件，降低工艺能耗

(1)降低反应压力。从而可以降低输送反应物的机泵能耗，尤其是明显降低气态反应物的压缩功

(2)降低吸热反应温度，从而降低供热温位

(3)提高反应转化率，抑制副反应。从而减少反应能耗和产品分离能耗。

4.2 选取适宜的设备，优化作条件，降低分离过能耗

产品分离提纯是化工装置能量消耗的主要单元，选择适宜的操作条件，如改变精馏塔的操作压力，降低塔的回流比、回收蒸馏过程的显热和潜热以及采用热泵蒸馆、增设中间换热器、热偶蒸馆均可大大降低分离过程的能耗。

4.3加强余热的回收

在化工过程中总会有余热的排放。余热在科学上也称二次能源，它是一次能源在转化中的产物，它又是化工生产能被直接利用的能量。如将高温反应余热回收用于产生蒸汽供工艺使用，或将低温位的余热用于预热工艺物料。热管热泵技术的应用更可大大提高对低温位余热利用的程度。低温余热的回收利用，已成为当今和将来余热回收的重点

4.4选用高效设备和材料，提高设备效率

能量的利用是通过用能设备来转化的，选用高效设备和材料，提高设备的效率是国外节能工作中的主要措施。比如，采用高效填料及高效传热设备改善传传热性能，提高传热效率，选用新型绝热材料和选择合适的绝热层厚度，可有效减少热损失。推广高效用能设备，除直接降低生产耗能外，还间接地使整个化工生产建立新的生产方式。
4.5提高催化剂的活性

催化剂是化工生产工业节能的关键物质，这是因为，一种新的催化剂可以形成一种新的更有效的工艺过程，使反应转化率大幅度提高，温度压力条件下降，单位产品能耗显著下降;另外，通过提高催化剂的选择性，减少了副产物，即节约原料消耗，又降低了分离过程的负荷和能耗。例如，ICI公司用低压(5MP)，低温《270C)操作的基催化剂代替高压(35MP)，高温(3755C)的锌铬化剂合成甲醇，不仅使合成压缩机的动力消耗减少 60%整个工艺的总动力消耗减少 30%而且在较低温度下副产物大大减少，节约了原料消耗和甲醇精馏的消耗结果使每吨甲醇的消耗从4190万KJ 降低到3600万 kJ。
4.6开发新新产方法

以节能为中心，开发新工艺，新的生产方法。以便最合理地使用能源来进行生产。同时在生产过程中，使副产物和废弃物得到综合利用，并实现最佳操作条件和自动化控制，使生产和化学反应在最优化的条件下进行，提高反应速率、转化率和产率，节约化工生产的能源。
5化工节能成果

改进工艺，采用循环硫化床锅炉。江苏某化工有限公司在采取节能降耗工艺以前是一家濒临倒闭的国有小氮肥企业，该公司采用循环硫化床锅炉，全面停用了烟煤，只用少量的煤屑配上 70%的造气炉渣做燃料，吨氨煤耗降低 210 千克，年节约燃煤25000 吨，增效 1300 多万元，较好地实现了资源综合循环利用。新建中2800 造气炉，配套了循环硫化床锅炉，增加了造气发气量，多用型煤、少用块煤，合成氨日产量提高20 吨，尿素日产量提高 4 吨以上，全年可提高尿素生产能力 14000 吨以上。另一方面，该公司采用国内先进的“三气”回收装置，实现了对合成氨生产过程中“三气”(再生气、放空气、驰放气)的全部有效回收。每天回收的“三气”增产碳 30 吨以上，单位能耗下降4.5%年节约原煤5000 余吨投入 130 万元新上3 台()蒸发式凝器，杜绝了夏季冷冻岗位因高温、超压而放空、增开冰机的情况，全年可节约用电 160多万千瓦时节约自用氮 90 余吨，避免企业主要污染物氨气排放对大气环境的污染。投入100 多万元，对“两水”(冷却水、循环水)进行全面闭路循环，实现了污水零排放，创造了良好的社会效益。
6总结

在化学工业中，煤、石油和天然气，既是能源又是宝贵的原料，节省了能源，也就是节省了化工原料，降低了成本。化工生产过程的节能可以通过加强余热的回收、提高设备效率、降低过程能耗和开发新工艺与新生产方法等方式来实现。如何在化工设计中充分运用先进的节能设备，采取适用的节能指施，为化工企业节能降耗奠定坚实的基础，推动精细化工企业的转型升级是化工工程技术人员的一个重要课题。化工节能今后的技术方向是通过对现有生产条件的不断优化改造采用 DCS 控制系统保持反应在最有条件下进行，提高催化效率以及其使用寿命，努力实现以最小的投入产生最大的效益。