基于CO2工質(zhì)制冷的食品級(jí)二氧化碳生產(chǎn)工藝模擬

劉飛舟 劉志強(qiáng) 康 威

（中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410083）

基于CO2工質(zhì)制冷的食品級(jí)二氧化碳生產(chǎn)工藝模擬

劉飛舟 劉志強(qiáng) 康 威

（中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410083）

針對(duì)原使用氨制冷的食品級(jí)二氧化碳生產(chǎn)工藝，提出了一套CO2工質(zhì)制冷的改進(jìn)工藝，通過CO2循環(huán)制冷實(shí)現(xiàn)了進(jìn)料液化，以塔釜CO2節(jié)流和塔頂閃蒸氣節(jié)流實(shí)現(xiàn)塔頂冷凝。2種工藝流程對(duì)比研究表明，改進(jìn)工藝取消了氨制冷機(jī)組，節(jié)約了67%的氨制冷機(jī)組電機(jī)功率且提高了產(chǎn)品質(zhì)量，但產(chǎn)品單位產(chǎn)量有所下降。采用Aspen Plus對(duì)新工藝流程進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)整再沸器流股分流比和塔壓可以在滿足產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，提高產(chǎn)品產(chǎn)量，但同時(shí)會(huì)造成改進(jìn)工藝節(jié)能效果下降。

二氧化碳；食品加工；模擬；氨制冷；節(jié)能

氨制冷系統(tǒng)制冷工質(zhì)價(jià)格低廉且單位制冷量大，廣泛應(yīng)用于工業(yè)制冷，但同時(shí)氨有毒，易燃易爆，安全性能差，易發(fā)生安全事故[1-2]。近年發(fā)生的多起重大責(zé)任事故為我國(guó)氨制冷企業(yè)的發(fā)展帶來了重大的不利影響及危害[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者呼吁，在應(yīng)對(duì)氨制冷系統(tǒng)安全問題上，決不能簡(jiǎn)單的以氟利昂系統(tǒng)來代替，在加大對(duì)涉氨企業(yè)安全管理力度的同時(shí)，更要加強(qiáng)對(duì)企業(yè)氨制冷相關(guān)技術(shù)的研究[4-14]。對(duì)于部分涉氨企業(yè)，通過對(duì)生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)無氨生產(chǎn)，從根源上杜絕安全事故的發(fā)生，將是減少涉氨安全事故發(fā)生的一個(gè)重要途徑。

因此，以某氣體公司食品級(jí)二氧化碳生產(chǎn)工藝為基礎(chǔ)，提出一套基于CO2循環(huán)制冷的食品級(jí)二氧化碳生產(chǎn)工藝，并對(duì)工藝進(jìn)行分析研究，以期在不影響生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)產(chǎn)量的前提下，實(shí)現(xiàn)食品級(jí)二氧化碳無氨生產(chǎn)。

圖1 現(xiàn)行工藝流程Fig1 Schematic of current production process

1 基于CO2循環(huán)制冷生產(chǎn)工藝的改進(jìn)

1.1 現(xiàn)行工藝流程

現(xiàn)行食品級(jí)二氧化碳生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

來自乙烯裝置的富含二氧化碳尾氣，首先冷卻到常溫，然后進(jìn)入原料氣緩沖罐，經(jīng)過二氧化碳?jí)嚎s機(jī)組壓縮至1.0 MPa，再進(jìn)入脫烴及干燥工序，然后返回壓縮機(jī)的三級(jí)入口，繼續(xù)加壓到2.5 MPa左右。從壓縮機(jī)三級(jí)出口出來的二氧化碳?xì)怏w分成2路，1路經(jīng)過精餾塔底部再沸器降溫，另1路經(jīng)過主換熱器降溫，2者匯合后送入液化器液化，然后進(jìn)入精餾塔進(jìn)行提純。精餾塔塔頂閃蒸汽經(jīng)節(jié)流降溫，返回精餾塔上部的換熱器殼程，與管程上升的閃蒸氣換熱，然后與儲(chǔ)液罐閃蒸汽匯合，送到主換熱器與原料氣換熱回收冷量，再送到凈化工序用做再生氣。塔底液體二氧化碳產(chǎn)品經(jīng)過節(jié)流、過冷后送入儲(chǔ)液罐中儲(chǔ)存。

1.2 改進(jìn)工藝流程

現(xiàn)行工藝中，進(jìn)料液化器、塔頂冷凝器和產(chǎn)品過冷器都是用蒸發(fā)液氨作為冷源的，因此，改進(jìn)工藝需要通過CO2循環(huán)制冷和流程改進(jìn)來解決這3部分冷量的供給。如圖2所示。

圖2 改進(jìn)工藝流程Fig2 Schematic of new production process

改進(jìn)工藝通過CO2循環(huán)制冷實(shí)現(xiàn)進(jìn)料液化：低壓CO2經(jīng)過增壓機(jī)壓縮到臨界壓力以上，由于不能直接冷卻液化，所以經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流到進(jìn)塔壓力進(jìn)入兩相區(qū)，經(jīng)分離后其中的飽和液體作為進(jìn)料液體送入精餾塔，飽和氣體進(jìn)入壓縮機(jī)繼續(xù)循環(huán)壓縮。通過塔釜CO2節(jié)流和塔頂閃蒸氣節(jié)流實(shí)現(xiàn)塔頂冷凝：塔釜液體CO2經(jīng)節(jié)流后，經(jīng)分離后飽和液體作為產(chǎn)品送入貯罐儲(chǔ)存，飽和氣體經(jīng)再次節(jié)流后與塔頂冷凝器上升閃蒸氣換熱，然后與儲(chǔ)液罐閃蒸氣、塔頂閃蒸氣匯合。

改進(jìn)工藝未進(jìn)行產(chǎn)品過冷，管道跑冷損失以及流阻引起的液體氣化損失增大，因此需對(duì)貯罐與氣液分離器之間的管道加強(qiáng)保溫措施。

2 工藝流程仿真與驗(yàn)證

2.1 Aspen Plus流程搭建

Aspen Plus仿真建模的各個(gè)單元模塊選擇如表1所示。

值得說明的是，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)，采用Sep模塊來實(shí)現(xiàn)脫烴系統(tǒng)和干燥系統(tǒng)。精餾塔采用RadFrac操作型計(jì)算且無冷凝的模塊，塔頂蒸汽通過Heatx換熱器模塊與節(jié)流后的塔頂蒸汽換熱后，氣液分離液體送回塔頂作為回流液，氣體節(jié)流后通過Heatx換熱器模塊和塔頂蒸汽換熱。另外通過Heat Streams將再沸器流股原料氣熱量導(dǎo)入精餾模塊塔底。

表1 Aspen Plus的模塊選擇Tab1 Choose of Aspen Plus model

2.2 參數(shù)設(shè)定

根據(jù)參考文獻(xiàn)，模擬中采用RK-Soave物性方法[15-21]。模擬進(jìn)料條件和壓縮機(jī)出口壓力根據(jù)某公司提供的《13萬噸液體CO2設(shè)計(jì)說明書》設(shè)定。精餾塔只設(shè)置塔壓、進(jìn)料位置和塔板數(shù)，其他參數(shù)由流程自動(dòng)耦合。所有換熱器都按冷熱出口換熱溫差為2℃進(jìn)行設(shè)定。

2.3 仿真結(jié)果驗(yàn)證

表2給出了仿真計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)采集值對(duì)比情況，相對(duì)誤差在5%的允許范圍內(nèi)，表明該流程模擬與實(shí)際結(jié)果吻合較好，用該流程模擬改進(jìn)工藝流程可以保證較高的精度。

表2 計(jì)算值和現(xiàn)場(chǎng)采集值對(duì)比Tab2 Comparison between calculated value and actual value

2.4 2種工藝流程仿真結(jié)果比較

在不改變現(xiàn)行工藝設(shè)備運(yùn)行參數(shù)前提下，對(duì)現(xiàn)行工藝和改進(jìn)工藝進(jìn)行模擬仿真，其主要結(jié)果比較如表3所示。

從表3可知，改進(jìn)工藝產(chǎn)品質(zhì)量有所提高但產(chǎn)品單位產(chǎn)量下降較大，這原因是塔底液體CO2節(jié)流后氣液分離，一方面降低了產(chǎn)品產(chǎn)率，另一方面也增加了塔頂冷凝器冷量，增大了回流比，塔底產(chǎn)品質(zhì)量提高。比較2種工藝的功率情況可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)工藝不僅取消了氨制冷機(jī)組而且節(jié)約了67%的氨制冷機(jī)組電機(jī)功率。但需要說明的是，該公司使用的氨制冷機(jī)組的能效比（COP）較低，僅為1.088。

表3 2種工藝流程仿真結(jié)果比較Tab3 Comparison of simulation results between two production process

3 改進(jìn)工藝精餾操作主要因素分析

改進(jìn)與現(xiàn)行工藝最大的不同，在于新工藝使用CO2循環(huán)制冷實(shí)現(xiàn)了原料二氧化碳的液化，取消了氨制冷機(jī)組，但同時(shí)采用塔釜CO2節(jié)流也降低了單位產(chǎn)量。所以，如何在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下提高單位產(chǎn)量，成為操作調(diào)優(yōu)的目標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，由于新流程冷凝器冷量由CO2節(jié)流提供，故再沸器流股流量是回流比的主要決定因素。塔壓的改變一方面影響塔內(nèi)分離過程，另一方面影響進(jìn)塔流股節(jié)流后壓力，從而影響進(jìn)料組成和進(jìn)料狀況。因此，該流程精餾操作的主要因素為再沸器流股（分流至塔底再沸器）分流質(zhì)量比r（r=再沸器流股質(zhì)量流量/主流股質(zhì)量流量）和塔壓。

3.1 再沸器流股分流比對(duì)性能參數(shù)的影響

改變?cè)俜衅髁鞴煞至髻|(zhì)量比r，產(chǎn)品中CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)和單位產(chǎn)量qm變化曲線如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品CO2含量和單位產(chǎn)量隨再沸器流股分流比變化曲線Fig3 Development of CO2content and unit production with different split fraction

從圖3可知，隨著再沸器流股分流比的增大，產(chǎn)品CO2含量升高而單位產(chǎn)量卻下降。原因是再沸器流股分流比增大，再沸器提供熱量增加，塔內(nèi)上升蒸汽增多，提餾段液-氣比減小，操作線斜率變小，塔釜重組分含量增加，即產(chǎn)品CO2含量升高。同時(shí)塔頂閃蒸氣節(jié)流提供冷量雖稍有增加，但回流比降低，塔頂閃蒸氣量增加，產(chǎn)品放空量增加，單位產(chǎn)量下降。因此，在一定范圍內(nèi)，減小再沸器流股分流比可以在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)提高單位產(chǎn)量。

3.2 塔壓對(duì)性能參數(shù)的影響

調(diào)整塔壓的同時(shí)需對(duì)進(jìn)塔流股壓力（塔前節(jié)流壓力）進(jìn)行調(diào)整，才能保證精餾塔的正常運(yùn)行，因此在對(duì)塔壓進(jìn)行調(diào)整的同時(shí)對(duì)塔前節(jié)流壓力進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。圖4所示為產(chǎn)品CO2含量和單位產(chǎn)量隨塔壓變化曲線。

圖4 產(chǎn)品CO2含量和單位產(chǎn)量隨塔壓變化曲線Fig4 Development of CO2conten and unit production with different tower pressure

從圖4可知，隨著塔壓的增加，產(chǎn)品CO2含量升高而單位產(chǎn)量下降。經(jīng)過分析研究發(fā)現(xiàn)，受塔壓影響最大的是塔底產(chǎn)品節(jié)流后氣化率，該因素對(duì)產(chǎn)品CO2含量和單位產(chǎn)量影響最大。隨著塔壓的增加，塔底產(chǎn)品節(jié)流后氣化率上升，塔頂蒸氣冷凝量增加，在再沸器流股分流比不變的情況下，回流比增加，產(chǎn)品CO2含量升高。而隨著塔底產(chǎn)品節(jié)流后氣化率上升導(dǎo)致液態(tài)產(chǎn)品單位產(chǎn)量下降。

增壓機(jī)功率P和增壓機(jī)單位能耗W隨塔壓變化曲線如圖5所示。

圖5 增壓機(jī)功率和增壓機(jī)單位能耗隨塔壓變化曲線Fig5 Development of duty and unit duty with different tower pressure

從圖5可知，隨著塔壓的增加，增壓機(jī)功率和增壓機(jī)單位能耗都呈下降趨勢(shì)。原因是隨著塔壓的增加，塔前節(jié)流壓力增加，節(jié)流后氣化率下降，CO2制冷循環(huán)流量減小，提壓功率下降，因此增壓機(jī)功率減少。盡管產(chǎn)品產(chǎn)量隨塔壓的增加而下降，但增壓機(jī)單位能耗下降。

綜上所述，降低塔壓能通過降低一定的產(chǎn)品質(zhì)量來提高產(chǎn)品單位產(chǎn)量，但同時(shí)也會(huì)造成增壓機(jī)功率的增加，使改進(jìn)工藝節(jié)能效果下降。

4 結(jié)論

提出了一套基于CO2循環(huán)制冷食品級(jí)二氧化碳生產(chǎn)改進(jìn)工藝，實(shí)現(xiàn)了無氨生產(chǎn)。該工藝通過CO2循環(huán)制冷和工藝改進(jìn)取代了氨制冷系統(tǒng)原有功能：CO2制冷循環(huán)實(shí)現(xiàn)原料CO2的液化，塔頂閃蒸汽和塔釜CO2節(jié)流實(shí)現(xiàn)塔頂冷凝。由于改進(jìn)工藝未對(duì)產(chǎn)品過冷，故需對(duì)貯罐與氣液分離器之間的管道加強(qiáng)保溫措施。

相比現(xiàn)行工藝，改進(jìn)工藝能節(jié)約了67%冰機(jī)功率，提高了產(chǎn)品質(zhì)量（CO2含量）但降低了單位產(chǎn)量。

對(duì)改進(jìn)工藝流程精餾操作主要影響因素進(jìn)行了研究分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過再沸器流股分流比和塔壓的調(diào)整，能在保證產(chǎn)品質(zhì)量前提下，提高產(chǎn)品單位產(chǎn)量，甚至超過現(xiàn)行工藝單位產(chǎn)量，但同時(shí)會(huì)造成改進(jìn)工藝節(jié)能效果下降。

[1]楊一凡.氨制冷技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].制冷學(xué)報(bào), 2007,28(4):12-19.

[2]申江,張于峰,李林,等.氨制冷技術(shù)研究進(jìn)展[J].化工學(xué)報(bào), 2008,59(S2):29-36.

[3]馬一太.關(guān)于加強(qiáng)氨制冷系統(tǒng)的安全防范的緊急建議書[J].制冷技術(shù),2013,33(3):12.

[4]MandalPrasun Kumar.Processsafety in using NH3as refrigerant in Indian ice making plants:case studies followed by policy recommendations[J].Asia-Pacific journal of chemical engineering,2014,9(2):226-238.

[5]Gangopadhyay R K,Das S K.Ammonia leakage from refrigeration plant and the management practice[J].Process Safety Progress,2008,27(1):15-20.

[6]Jiang Shen.Analysis of ammonia incidents recently happened in China[C].11th IIR Gustav Lorentzen Conference on Natural Refrigerants:NaturalRefrigerantsand EnvironmentalProtection, 2014:29-34.

[7]Ji Jie,Chen Xiaoxia,Han Xuefeng.Rapid simulation and visualization analysis of liquid ammonia tank leakage risk[J]. Procedia Engineering,2014,84:682-688.

[8]Shah Md,Toufiqur Rahman,Md Tausif Salim,et al.Facility layout optimization of an ammonia plant based on risk and economic analysis[J].Procedia Engineering,2014,90:760-765.

[9]Tyler Hodges.Comparison of various methods of mitigating over pressure induced release events involving ammonia refrigeration using quantitative risk analysis(QRA)[D].BS: Kansas State University,2010.

[10]Qing Fu,Binghui Zheng,Xingru Zhao,et al.Ammonia pollution characteristics of centralized drinking water sources in China[J].Journal of Environmental Sciences,2012, 24(10):1739-1743.

[11]李壘.關(guān)于現(xiàn)代企業(yè)氨制冷相關(guān)技術(shù)要求的研究[J].低溫與超導(dǎo),2014,42(6):89-92.

[12]蔣紅輝,賈強(qiáng).氨制冷壓力管道研究現(xiàn)狀[J].制冷,2013,32 (03):69-75.

[13]賈強(qiáng),梁旭,王磊.氨制冷壓力管道典型事故及監(jiān)管重點(diǎn)分析[J].制冷,2014,33(12):82-86.

[14]熊從貴.方法蘭在制冷裝置中的應(yīng)用及安全性探討[J].石油化工設(shè)備,2011,40(6):79-82.

[15]田龍虎.煤基能源系統(tǒng)二氧化碳低溫分離與液化方法研究[D].北京:華北電力大學(xué),2011.

[16]邱朋華,李丹丹,徐寶龍,等.基于Aspen Plus對(duì)Selexol分離CO2流程的分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(8): 1231-1237.

[17]張?jiān)缧?曲天非,郁永章.二氧化碳液化方案的節(jié)能分析[J].壓縮機(jī)技術(shù),1997,8(4):24-26.

[18]曲天非,張?jiān)缧?王如竹,等.改進(jìn)的二氧化碳液化方案節(jié)能分析[J].壓縮機(jī)技術(shù),2001,5(1):15-20.

[19]祝恩福,鐘建交.一種改進(jìn)的食品級(jí)液體二氧化碳產(chǎn)品的生產(chǎn)方法:中國(guó),103058187A[P].2013-04-24.

[20]孫蘭義.化工流程模擬實(shí)訓(xùn)：Aspen Plus教程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

[21]劉興高.精餾過程的建模、優(yōu)化與控制[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

《蒙特利爾議定書》第27次締約方大會(huì)在迪拜召開

《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》（以下簡(jiǎn)稱議定書）第27次締約方大會(huì)于11月1—5日在阿聯(lián)酋迪拜召開。由環(huán)境保護(hù)部副部長(zhǎng)翟青任團(tuán)長(zhǎng)，環(huán)境保護(hù)部、農(nóng)業(yè)部等部門派員組成的中國(guó)政府代表團(tuán)出席了本次會(huì)議。來自140多個(gè)國(guó)家、7個(gè)國(guó)際組織和政府間組織、50多個(gè)非政府組織及觀察員組織的500多名代表出席了大會(huì)。

本次會(huì)議除討論各評(píng)估小組報(bào)告、消耗臭氧層物質(zhì)必要用途和關(guān)鍵用途豁免等常規(guī)性議題外，還決定建立工作小組就HFCs在議定書下管理的可行性進(jìn)行談判。議定書締約方大會(huì)為每年1次，迄今已召開27次。包括中國(guó)在內(nèi)的各締約方在議定書框架下，為保護(hù)臭氧層、減少消耗臭氧層物質(zhì)做出了積極貢獻(xiàn)并取得了豐碩成果。蒙特利爾議定書是國(guó)際社會(huì)認(rèn)可最成功的多邊環(huán)境條約。

（本刊編輯部）

TQ025.3

A10.3969/j.issn.1006-6829.2015.06.007

2015-10-18