【正文】 工工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。到目前為止，氫氣膜分離技術(shù)是開發(fā)應(yīng)用得最早，技術(shù)上最成熟，取得的經(jīng)濟效益十分顯著的氣體膜分離技術(shù)。而在加氫過程中，氫氣的不斷消耗及伴隨而生成的低碳烴類，使得加氫循環(huán)氣中烴類會越積越多，影響反應(yīng)器中的氫分壓，降低反應(yīng)速率及時空產(chǎn)率。而這部分氫含量在58％以下的加氫尾氣，由于不能直接用于加氫過程而排放作燃料氣。而氫氣膜分離系統(tǒng)，可利用加氫尾氣本身的壓力，經(jīng)濟、方便、有效地回收這部分氫氣。該系統(tǒng)由于直接利用加氫馳放氣本身的壓力，只要增加簡單的預(yù)處理設(shè)備(除霧器、過濾器、換熱器)，就可進行氫氣的分離回收，因而具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢．一是可以減少新鮮制氫量，降低原料消耗；二是可以增加反應(yīng)器中的氫分壓，降低操作壓力，節(jié)省能耗；再就是可加大原料油的處理量，增加時空產(chǎn)率．而其中的操作維修費用極低，經(jīng)濟效益明顯。 原料側(cè)與透過側(cè)的流體有良好的流動狀態(tài)，如無濃度差極化、無返混、密封良好。 在單位體積的分離器內(nèi)有較大的分離膜的面積。 節(jié)能降耗，操作費用小，制造成本低。 能適應(yīng)操作條件，安全可靠，易維護等。圖48 氣體膜分離過程中濃度極化的示意模型 （3）氫氣膜分離的入口條件 根據(jù)之前的工藝路線，可以得到氫分離膜的入口條件為：表41 入口條件表項目摩爾流率/（Kmol/h）入口氫氣量入口乙烷量 入口丙烷量 要求氫氣的回收率達到90%以上。設(shè)計時，將活性層置于纖維管內(nèi)側(cè)。其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見下表：表42 基本結(jié)構(gòu)參數(shù)項目內(nèi)容結(jié)構(gòu)自承式膜玻璃態(tài)聚合物PI原料混合物流向逆流 尺寸纖維根數(shù)30000纖維有效長度內(nèi)徑240μm外徑460μm填充率50%（6）膜分離單元費用的計算，根據(jù)本工藝條件，我們擬采用杭州普菲科空分設(shè)備有限公司的成套Prism膜分離裝置，單價350萬元人民幣，壽命按公司承諾的10年計（），壓縮機功耗500 kW，每年的電費成本為250萬元，則每年的總費用為與新鮮氫氣的成本比較，并經(jīng)過跟某能源公司聯(lián)系，剩下的氫氣可供給公交車作為新能源，和氫氣效益相比，具有十分可觀的經(jīng)濟效益。本設(shè)計的氫氣膜分離單元示意如上圖。非滲透氣進入選擇性加氫反應(yīng)器繼續(xù)下一步的反應(yīng)。 工藝流程優(yōu)化在建立全流程模擬的過程中已經(jīng)對局部可以尋優(yōu)的參數(shù)進行了尋求最優(yōu)的求解，這些參數(shù)包括各精餾塔的塔板數(shù)、回流比、采出率、進料板位置以及萃取劑用量等。下面將舉例說明在建立流程時一些典型設(shè)備操作參數(shù)優(yōu)化的過程。進料位置過高，塔頂難揮發(fā)組分含量增高；進料位置過低，塔底釜殘液中輕組分含量增高。經(jīng)過簡單計算模塊DSTWU計算，確定原料預(yù)分離精餾塔的理論板數(shù)為35，所以我們選取進料位置的范圍為第5到第30塊理論板。圖49 Feed1進料位置優(yōu)化圖由圖可知，塔頂丙烷濃度隨進料位置增大而增大，塔釜再沸器熱負荷也逐漸降低，大于16塊塔板后兩者幾乎不變，在25塊板時，塔底丙烷流量最低。對進料feed2進行Sensitivity分析，進料位置范圍選取為第5到第30塊理論板，優(yōu)化結(jié)果如圖所示，橫軸代表進料位置，縱軸分別為塔頂丙烷質(zhì)量分數(shù)、塔底丙烷流量和塔釜再沸器熱負荷。2. 塔頂采出量的優(yōu)化原料預(yù)分離精餾塔的作用是脫除原料中C4及C4以上的重組分，我們希望在保證原料丙烷收率的情況下盡量脫去原料中的重組分。所以，需要對塔頂采出量進行優(yōu)化，以達到分離目的?；亓鞅鹊膬?yōu)化通過DSTWU的簡介計算，對回流比進行靈敏度分析，結(jié)果如下圖所示：圖412 回流比靈敏度分析由圖可知塔頂丙烷含量變化很小，塔釜丙烷含量降低時塔釜熱負荷會變大。熱泵是以消耗一定量的機械功為代價，把低溫位熱能溫度提高到可以被利用的程度。熱泵精餾的出發(fā)點是提高精餾過程中一部分能量的等級，用于自身的再沸器。根據(jù)熱泵所消耗的外界能量不同，熱泵精餾分為蒸汽壓縮式熱泵精餾和吸收式熱泵精餾，前者根據(jù)壓縮機工質(zhì)的不同分為塔頂蒸汽直接壓縮式、塔底閃蒸式和間接式三種類型。塔底液體閃蒸式熱泵精餾是以塔底液體為工質(zhì)，塔底液體經(jīng)減壓閥減壓閃蒸降溫后，與塔頂氣相換熱、汽化，然后經(jīng)壓縮機壓縮到與塔底溫度、壓力相同的狀態(tài)后送入塔底，塔頂氣相冷凝后作為回流。該形式主要適用于精餾介質(zhì)具有腐蝕性、對溫度敏感的情況。當塔頂塔底溫差較大時，使用吸收式熱泵具有明顯優(yōu)勢。 熱泵精餾的模擬與優(yōu)化1. 普通精餾先用DSTWU模塊進行簡捷計算，畫出單塔精餾流程圖，再改用RadFrac模塊嚴格計算，把DSTWU模塊計算結(jié)果填入，使用設(shè)計規(guī)定和靈敏度分析功能調(diào)整進料位置、回流比和塔頂采出率，以達到分離要求。2. 熱泵精餾塔底液體閃蒸式熱泵精餾的流程模擬圖如圖所示：圖413熱泵精餾模擬參照普通精餾設(shè)置熱泵精餾塔參數(shù)，沒有冷凝器和再沸器，streams界面設(shè)置如圖所示：圖414 物流界面換熱器采用簡潔計算，設(shè)置熱物流出口氣相分率為0。根據(jù)計算結(jié)果，℃，℃，℃，℃均符合要求。表43 運行結(jié)果C3C3H6C3H8Temperature CPressure MPaVapor FracMole Flow kmol/hrMass Flow kg/hrVolume Flow cum/hrEnthalpy Gcal/hrMass Flow kg/hrC3H8C2H6ISOBU01NPEN01H2PROPY01CH4C2H4WATERCC2H2Mass FracC3H8C2H6ISOBU01NPEN01H2PROPY01CH4C2H4WATERCC2H2Mole Flow kmol/hrC3H8C2H6ISOBU01NPEN01H2PROPY01CH4C2H4WATERCC2H2Mole FracC3H8C2H6ISOBU01NPEN01H2PROPY01CH4C2H4WATERCC2H2壓縮機計算結(jié)果如圖所示：圖417 壓縮機結(jié)果由圖可知，效率為72%。%，%，并且略微減少了高品位冷劑的使用。在化學(xué)工程中，設(shè)計或改造工藝流程和設(shè)備，了解和控制生產(chǎn)操作過程，核算生產(chǎn)過程的經(jīng)濟效益，確定主副產(chǎn)品的產(chǎn)率，確定原材料消耗定額，確定生產(chǎn)過程的損耗量，便于技術(shù)人員對現(xiàn)有的工藝過程進行分析，選擇最有效的工藝路線，確定設(shè)備容量、數(shù)量和主要尺寸，對設(shè)備進行最佳設(shè)計以及確定最佳操作條件等都要進行物料核算。 物料衡算的任務(wù)通常物料衡算有兩種情況，一是對已有的生產(chǎn)設(shè)備或過程利用實測的數(shù)據(jù)，計算出另一些不能直接測定的物料量，俗稱生產(chǎn)查定，用此計算結(jié)果，對生產(chǎn)進行分析，作出判斷，提出改進措施。本設(shè)計屬于第二種。 物料衡算的原則物料衡算的理論基礎(chǔ)是質(zhì)量守恒定理。進行物料衡算時，必須先確定衡算的體系。 系統(tǒng)物料衡算詳見附錄，物料衡算一覽表。根據(jù)設(shè)備的熱負荷的大小、所處理物料的性質(zhì)及工藝要求再選擇傳熱面的形式、計算傳熱面積、確定設(shè)備的主要工藝尺寸。對于已投產(chǎn)的生產(chǎn)車間，進行能量衡算是為了更加合理能量利用，以最大限度降低單位產(chǎn)品的能耗。a)確定物料輸送機械（泵、壓縮機等）和其他操作機械（攪拌、過濾、粉碎等）所需要的功率，以便于確定輸送設(shè)備的大小、尺寸和型號；b) 確定各單元操作過程（蒸發(fā)、蒸餾、冷凝、冷卻等）所需要的熱量或冷量，及其傳遞速率；計算換熱設(shè)備的工藝尺寸；確定加熱劑或冷卻劑的消耗量，為其他專業(yè)如供汽、供冷、供水專業(yè)提供設(shè)計條件；c) 化學(xué)反應(yīng)常伴有熱效應(yīng)，導(dǎo)致體系的溫度上升或下降，為此需確定為保持一定反應(yīng)溫度所需的移出或加入的熱傳遞速率，為反應(yīng)器的設(shè)計及選型提供依據(jù)；d) 為充分利用余熱，提高能量利用率，降低能耗提供重要依據(jù)，使過程的總能耗降低到最低程度；e) 最終確定總需求能量和能量的費用，并用來確定這個過程在經(jīng)濟上的可行性。熱量衡算的理論依據(jù)是熱力學(xué)第一定律。對于連續(xù)系統(tǒng)：式中 Q：設(shè)備的熱負荷。 ∑Hout：離開設(shè)備的各物料焓之和。 系統(tǒng)能量衡算詳見附錄，能量衡算一覽表。當前我國的能源消費量已超過世界能源消費總量的10%，但是我國的人均能源消費量僅約為世界平均水平的50%，這種情況表明未來我國經(jīng)濟發(fā)展所面臨的能源問題將更加突出、更加嚴峻。 本項目為石化公司——250kt/a丙烯生產(chǎn)項目，其中公用工程消耗和設(shè)備投資是重要組成部分。換熱是化工生產(chǎn)過程中不可缺少的一部分。目前，換熱網(wǎng)絡(luò)集成主要有三種方法：試探法、夾點技術(shù)、數(shù)學(xué)規(guī)劃法。但夾點技術(shù)也有其缺點：過于注重能量的節(jié)省，而在設(shè)備和經(jīng)濟上的考慮略顯不足；有些夾點匹配技術(shù)(如利用分流技術(shù)來匹配物流)在工藝上難以實現(xiàn)。同時換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計還需要考慮到設(shè)備布置，不同車間之間物流換熱的代價，物流是否具有腐蝕性還有對換熱材料的要求等。 夾點結(jié)束設(shè)計原則(1) 流股數(shù)目準則夾點以上只能用熱公用工程進行加熱，所有的熱流股都要用冷流股冷卻到熱夾點溫度，夾點以下只能用冷公用工程進行冷卻，所有的冷流股都要用熱流股加熱到冷夾點溫度。(2) 熱容流率準則夾點處的溫差是網(wǎng)絡(luò)中的最小溫差，為保證各換熱匹配的溫差始終不小于△Tmin，要求夾點處匹配的股流的熱容流率滿足以下準則：D1) 對于夾點上方，每一夾點匹配中熱物流(或其分支)的熱容流率要小于或等于冷物流的熱容流率FCpc，即：FCph≤FCpc2) 對于夾點下方，則：FCph≥FCpc如果夾點處的實際股流不能滿足該準則，就應(yīng)通過分流來減少夾點之上所需匹配的熱流的熱容流率或夾點之下所需匹配的冷流的熱容流率。(3) 最大換熱負荷準則為保證最小數(shù)目的換熱單元，每一次匹配應(yīng)換完兩股股流中的一股。夾點差越小，則回收的熱量越多，所需的熱公用工程和冷公用工程量越小，即運行中能量費用越少。反之夾點溫差越大，回收的熱量越小，所需的熱公用工程和冷公用工程量越大，運行中的能量費用相應(yīng)越大。圖61 總費用與最小傳熱溫差圖圖62 全流程溫焓圖圖63 冷熱流股總組合曲線圖 夾點確定表63夾點確定HotColdHotCold℃℃℃℃℃℃℃℃℃℃ 構(gòu)建和優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò) 以分工段的換熱匹配為基礎(chǔ)，重新選擇合適的不同溫度等級的公用工程后進行物流匹配的整合。綜合考慮工藝可行性以及匹配原則，設(shè)計全流程換熱網(wǎng)絡(luò)。 優(yōu)化過后，將熱泵精餾應(yīng)用到工藝模擬流程中，得到優(yōu)化后的工藝流程。其中CTST打破原有的平面?zhèn)髻|(zhì)模型，將傳質(zhì)范圍擴大到立體空間，開孔率提高，通量可提高50%到100%。第 7 章 設(shè)備選型 換熱器 概述在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡稱換熱器。在工程實踐中有時也會有兩種以上流體參加換熱的換熱器，但其基本原理與前一致。隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，能源消耗量不斷增加，能源緊張已成為一個世界性問題。換熱器在節(jié)能技術(shù)改造中具有很重要的作用，表現(xiàn)在兩方面：一是在生產(chǎn)工藝流程中使用著大量的換熱器，提高這些換熱器效率，顯然可以減少能源的消耗；另一方面，用換熱器來回收工業(yè)余熱，可以顯著地提高設(shè)備的熱效率。GB1512012《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》2009831《管徑選擇》《化工配管用無縫及焊接鋼管尺寸選用系列》205532011《石油化工企業(yè)鋼管尺寸系列》340596《鞍式支座》JB/T主要通過傳熱原理、傳熱種類和結(jié)構(gòu)進行分類。混合式換熱器；216。間壁式換熱器：216。板式：板翅式、平板式、螺旋板式216。液膜式：升降膜式、括板薄膜式、離心薄膜式216。交換器(Exchanger)：在兩側(cè)流體間傳遞熱量。冷卻器(Chiller)：用制冷劑冷卻流體。216。216。216。216。216。216。通常為滿足制程需要后多余的熱量。蒸餾器(Vaporizer)：是一種將液體轉(zhuǎn)化為蒸汽的交換器，通常限于除水以外的液體。脫水器(Evaporator)：將水蒸氣濃縮為水溶液通過蒸發(fā)部分水分以濃縮水溶液。因此，這種類型換熱器使用十分廣泛，型式多樣，適用于化工生產(chǎn)的幾乎各種條件各種場合。30浮頭式殼程易清洗；管殼兩物料溫差大于120℃；內(nèi)墊片易滲漏。U形管式制造、安裝方便，造價較低，管程耐高壓；但結(jié)構(gòu)不緊湊、管子不易更換和不易機械清洗。16螺旋板式制造簡單、緊湊，可用于帶顆粒物料，溫位利用好；不易檢修。16波紋板式緊湊、效率高、易清洗，使用溫度不大于150℃。~套管式制造方便、不易堵塞，耗金屬多，使用面積不宜大于20m2。~60箱管式制造簡單，占地面積大，一般作為出料冷卻。刮板薄膜式接觸時間短，適于高