硫铵蒸发结晶过程热集成优化研究

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1、中国工程热物理学会工程热力学与能源利用2004年学术会议041132硫铵蒸发结晶过程热集成优化研究木陈清林1张正雷1朱泽华2胡跃华21)华南理工大学教育部传热强化与过程节能重点实验室，广州5106402)中国石化股份有限公司巴陵分公司，岳阳414003Tel：020—87113614；Fax：020—85511507；email：ceqlchen@seut．edu．cn摘要：基于能量分析与姗分析，对某硫铵溶液浓缩纯化过程的用能状况进行了综合分析评价，指出了过程用能的薄弱环节，以此提出了相应的用能改进措施；考虑到硫铵装置中新老两条硫铵蒸发结晶生产工艺特点，提出了回收老

2、硫铵蒸发结晶二效蒸发流程中的二效蒸汽预热新硫铵蒸发结晶进料的热集成改造，以减少蒸发结晶过程的外供蒸汽消耗；基于流程模拟优化计算，对改进流程进行了相应的技术经济评价，结果表明该热集成方案具有显著的系统节能降耗效果。关键词：硫铵装置，热集成，女％分析，系统优化1．引言硫铵液作为己内酰胺生产过程中的副产物，其回收产品化主要经过包括蒸发结晶、离心分离、沸腾干燥、包装、循环水等五道工序来完成，系统的节能潜力主要存在于需消耗大量蒸汽的蒸发结晶工序。菜硫铵装嚣原设计年处理能力为7万吨．扩能改造中新建一套硫铵蒸发结晶生产线，生产能力达到14万吨／年，年处理硫铵母液能力达33．6万吨

3、。但是由于工艺路线与流程设计等原因，装置的蒸汽耗量过大，造成装置能耗偏高，与国内外先进水平存在较大差距。由于装置设计中对过程用能缺乏系统的考虑，换热流程设计极不合理，如40"C左右的低温进料耗用0．5MPa的低压蒸汽(150"(2)直接加热，装置中大量的低温余热未能优化匹配被迫冷却排弃等，使得过程^月损严重。本文基于过程系统的“三环节”能量流结构模型，对硫铵装置蒸发结晶过程的用能状况进行了分析与评价，指出过程用能改进的潜力；在充分考虑新老两条硫铵蒸发结晶生产线工艺特点基础上，提出了基于过程热集成的用能改进方案和措施，通过流程模拟软件PROWl对改进流程进行模拟优化，

4、得到优化的工艺操作参数，极大地降低过程能耗，提高过程的经济效益。2．流程简介’国家重点基础研究发展规划(62000026307)．教育部优秀青年教师资助计划项目资助陈清林：通讯联系人．Tel：020·87113614；Fax：020-85511507；email：ceqlchen@scut．edu．cn110新建的硫铵生产线采Hj负乐蒸发I。艺，蒸发温度约45"C。其中结品器中清液进加热器前的温度为43。C，出加热器进蒸发罐前的温度仅为45℃，目前操作中却耗瑚0．5MPa低压蒸汽(150℃)约12仉1来加热，现有：l：艺流稚简幽妊幽1所示。自储罐来的41％的硫铵母液

5、进入结晶罐V21，结晶罐上部的清液进入加热器E2与O．5MPa的低压蒸汽换热后，以切线形式进入蒸发罐V22中．在10kPa下蒸发。在蒸发罐中蒸发浓缩后的过饱和溶液由中心管旋转进入结晶罐底部，结品罐底部的晶浆液则送至离心岗位。从V22中蒸发出的二次蒸汽经冷凝后排出装置。Ir——、‘’F剥等啡Il01．SMPa黼，琴fr剽翠卜——————一图1新建硫铵蒸发结晶工艺流程简图3过程用能分析与改进3．1三环节划分过程系统“三环节”能量流结构模型揭示了能量在过程系统中转换、利用．回收和排弃的普遍规律，该模型以过程系统能量的利用和演化为线索，将用能系统划分为三个功能不同的环节：能

6、量转换环节、能量利用环节、能量回收环节，能量在以上三个环节中依序降质【lJ。通过与娴经济学的结合，目前已经初步发展了一套行之有效的从过程单元、子系统到系统全局的三环节姻经济分解协调优化策略方法，并得到广泛应用口“。如图1所示的硫铵纯化流程主要涉及能量的转换与利用。由于结晶罐和蒸发罐中的物料通过能量的推动力作用完成核心的硫铵溶液蒸发与结晶等工艺过程，因而属于能量的工艺利用环节；完成不同种类能量转换的蒸汽减温减压器、机泵，以及将外供的O．5MPa低压蒸汽转换为物料蒸发所需的热能的加热器等属于能量转换环节。涉及蒸发罐二次蒸汽冷凝玲却的冷凝器则归于能量回收环节，由于二次蒸汽

7、的温位相对较低，作为冷却排弃能量，在此来作深入探讨。因此可以借助以上过程的三环节划分，对三个环节的用能状况分别进行分析评价，指出各环节用能改进的潜力，并提出相应的改进措施，以提高过程的用能效率与经济性。3．2热量计算本用能分析与优化教进中涉及硫铵溶液热量与斓计算，硫铵溶液的比热通常可通过下式来估算“：1"C，=cp．术【l一工J+Cp．格质’工(1)在此，X为硫铵溶液的质量分率，溶质硫铵在0-'100℃的比热约为1．411--1．436kJ／kg．12■对于传递的热量Q，其热煳E轴则通过下式计算：7-戤Ⅳ=(1一·孑)Q(2)』_式中。To为环境基准温度，T。为