二次閃蒸工藝對合成橡膠凝聚工藝節(jié)能效果的影響

郭方飛，佀慶法，崔志勇

（山東聚圣科技有限公司，山東 東營 257300）

合成橡膠生產(chǎn)裝置的能耗較大，而凝聚工藝作為合成橡膠生產(chǎn)裝置的最大工藝單元，其能耗約占整個(gè)生產(chǎn)裝置蒸汽能耗的50%，因此針對凝聚工藝節(jié)能降耗的研究成為合成橡膠生產(chǎn)裝置節(jié)能技術(shù)改造的熱點(diǎn)[1]。凝聚工藝節(jié)能技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了單釜凝聚技術(shù)、雙釜凝聚技術(shù)、三釜凝聚技術(shù)、吸收式熱泵技術(shù)和膠粒水提濃技術(shù)。本工作采用化工過程模擬軟件Aspen Plus建立數(shù)學(xué)模型，研究分析二次閃蒸工藝對合成橡膠凝聚工藝節(jié)能效果的影響。

1 凝聚工藝節(jié)能技術(shù)的研究進(jìn)展

1.1 三釜凝聚技術(shù)

1960年，美國Phillips石油公司首次將合成順丁橡膠的單釜凝聚技術(shù)升級為兩釜凝聚技術(shù)，此后國外的合成橡膠生產(chǎn)企業(yè)逐漸趨于使用多釜（以三釜為主）凝聚技術(shù)。中國石油化工股份有限公司巴陵分公司（以下簡稱巴陵石化）是國內(nèi)首次在順丁橡膠合成裝置上使用三釜凝聚技術(shù)的廠家，2008年5月首次開車成功。據(jù)報(bào)道，在同等條件下，采用三釜凝聚工藝生產(chǎn)1 t合成橡膠的蒸汽消耗量比兩釜凝聚工藝減小0.4 t，該技術(shù)已在業(yè)內(nèi)得到廣泛推廣[2]。

1.2 吸收式熱泵技術(shù)

20世紀(jì)90年代，由中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司（以下簡稱燕山石化）與大連理工大學(xué)等聯(lián)合開發(fā)的吸收式熱泵技術(shù)用于凝聚工藝，在國內(nèi)多家合成橡膠裝置中得到應(yīng)用，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。熱泵機(jī)組由蒸發(fā)器、吸收器、發(fā)生器、冷凝器和熱交換器等主要設(shè)備和抽氣裝置、溶劑泵、冷劑泵等輔助部分組成[3]。該技術(shù)以合成橡膠生產(chǎn)裝置中凝聚工藝所產(chǎn)低溫廢熱為動(dòng)力，利用LiBr-H2O工質(zhì)對的吸收與解吸循環(huán)，實(shí)現(xiàn)廢熱升溫回用。一臺5 000 kW的熱泵用于年產(chǎn)3萬t的凝聚裝置，生產(chǎn)1 t合成橡膠可節(jié)約蒸汽1.1～1.5 t，節(jié)能效益可觀[4]。但該技術(shù)也存在一些問題，如設(shè)備初期投資大、投資回收期長、設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高等。

1.3 膠粒水提濃技術(shù)

趙卓等[5]介紹了一種膠粒水提濃技術(shù)，并將該技術(shù)用于燕山石化的苯乙烯系熱塑性彈性體（SBS）合成凝聚裝置。該技術(shù)通過在凝聚末釜至后處理之間增加一臺提濃器，將高溫膠粒水分離出25%～35%的循環(huán)熱水直接回首釜，減少進(jìn)入后處理后的熱量損失[6]。該技術(shù)雖有一定節(jié)能效果，但提濃器易堵，限制了其推廣應(yīng)用。

2 模擬流程的建立

2.1 熱力學(xué)方程的選擇

經(jīng)大量考證，1972年提出的SRK方程對含有一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）和氮?dú)猓∟2）的烴類物系在中等壓力和不太低的溫度下具有較高的預(yù)測精度。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，SRK方程預(yù)測氣相性質(zhì)的準(zhǔn)確性比PR方程和BWRS方程好。從計(jì)算角度看，SRK方程具有形式簡單、參數(shù)少、速度快的優(yōu)點(diǎn)，因此試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)采用SRK方程[7]。

2.2 模型建立

采用化工過程模擬軟件Aspen Plus在年產(chǎn)3萬t SBS的三釜凝聚工藝基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型，并增加二次閃蒸工藝，如圖1所示。

圖1 增加二次閃蒸工藝示意

2.3 流程描述

現(xiàn)有凝聚工藝一般將摻混罐的膠液與后處理的循環(huán)熱水通過水膠混合器混合進(jìn)入凝聚首釜，閃蒸出溶劑和部分水分，然后經(jīng)過冷凝器冷凝，進(jìn)入分相罐并通過沉降分離出溶劑和水分，水分回到首釜，溶劑進(jìn)入溶劑精制系統(tǒng)進(jìn)一步脫除微量水分及雜質(zhì)。二次閃蒸工藝增加到膠液自摻混罐進(jìn)入凝聚首釜之間，自摻混罐的膠液先經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱到一定溫度，然后進(jìn)入低壓閃蒸罐閃蒸，閃蒸的液相由出料泵送入現(xiàn)有凝聚工藝裝置，與現(xiàn)有流程保持一致；閃蒸的氣相進(jìn)入冷凝器進(jìn)行冷凝，冷凝液經(jīng)溶劑回收罐回收，并由溶劑泵直接送入干溶劑罐。若溶劑中含有雜質(zhì)，也可先進(jìn)入溶劑精制系統(tǒng)進(jìn)一步處理。

3 結(jié)果與討論

采用水析凝聚法脫除溶劑的過程中，蒸汽直接通入凝聚釜中與溶劑接觸，有一部分水分與溶劑一起被蒸出，其中水分含量約為20%左右，這樣增加了溶劑脫除的能耗。而采用二次閃蒸工藝脫除溶劑的過程中，蒸汽與膠液為間壁傳熱，閃蒸出去的溶劑不含水分，這是二次閃蒸工藝節(jié)能的基本原理。在二次閃蒸工藝過程中閃蒸出去的溶劑越多，整個(gè)系統(tǒng)越節(jié)能。

3.1 預(yù)熱溫度對閃蒸溶劑量和膠液濃度的影響

采用Aspen Plus的靈敏度分析功能，以預(yù)熱器不同預(yù)熱溫度為變量，考察閃蒸溶劑量和閃蒸后膠液濃度的變化，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出：隨著預(yù)熱溫度升高，閃蒸溶劑速率和膠液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大；預(yù)熱溫度較低時(shí)，閃蒸溶劑速率較小，節(jié)能效果不明顯；預(yù)熱溫度達(dá)到140 ℃后，閃蒸溶劑速率迅速增大，但溫度過高會(huì)造成膠液粘度偏高，影響后續(xù)凝聚工藝的操作和橡膠性能，導(dǎo)致橡膠制品的降解或發(fā)生黃變。綜上所述，合適的預(yù)熱溫度為110～130 ℃。

圖2 預(yù)熱溫度對閃蒸溶劑速率和膠液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

3.2 預(yù)熱溫度對蒸汽消耗量的影響

凝聚工藝的最大能量消耗為蒸汽消耗。不同的預(yù)熱溫度影響閃蒸預(yù)熱器蒸汽消耗量、凝聚工藝蒸汽消耗量和總蒸汽消耗量，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著預(yù)熱溫度升高，閃蒸預(yù)熱器蒸汽消耗量增大，凝聚工藝蒸汽消耗量和總蒸汽消耗量減小。未增加二次閃蒸時(shí)，凝聚工藝蒸汽消耗量約為8.1 t·h-1；增加二次閃蒸后，當(dāng)預(yù)熱溫度較低時(shí)，總蒸汽消耗量變化不大，預(yù)熱溫度為110～130 ℃時(shí)，總蒸汽消耗量1 h可減少0.8～1.6 t。

圖3 預(yù)熱溫度對蒸汽消耗量的影響

3.3 預(yù)熱溫度對循環(huán)水用量的影響

循環(huán)冷卻水用量是節(jié)能降耗的重要指標(biāo)之一。分析不同預(yù)熱溫度對凝聚冷凝器循環(huán)水用量、閃蒸冷凝器循環(huán)水用量和總循環(huán)水用量的影響，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著預(yù)熱溫度升高，閃蒸冷凝器循環(huán)水用量增大，凝聚冷凝器循環(huán)水用量和總循環(huán)水用量減小。未增加二次閃蒸時(shí)，凝聚冷凝器循環(huán)水用量約為435 t·h-1；增加二次閃蒸后，當(dāng)預(yù)熱溫度較低時(shí)，總循環(huán)水用量變化不大，預(yù)熱溫度為110～130 ℃時(shí)，總的循環(huán)水用量1 h可減少50～90 t。

圖4 預(yù)熱溫度對循環(huán)水用量的影響

3.4 節(jié)能效益分析

綜上所述，增加二次閃蒸工藝可以減小整個(gè)系統(tǒng)的蒸汽消耗量和循環(huán)水用量，同時(shí)確定出合適的預(yù)熱溫度為110～130 ℃。以預(yù)熱溫度為120℃時(shí)增加二次閃蒸工藝的節(jié)能效益進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。

表1 增加二次閃蒸工藝前后的節(jié)能效益 t·h-1

由表1可知，預(yù)熱溫度為120 ℃時(shí)，增加二次閃蒸工藝后，可節(jié)約蒸汽消耗量為1.14 t·h-1、循環(huán)冷卻水用量為70 t·h-1。以年產(chǎn)8 000 h、蒸汽價(jià)格200元·t-1、循環(huán)水價(jià)格0.3元·t-1計(jì)算，年節(jié)約蒸汽費(fèi)用為182萬元，節(jié)約循環(huán)水費(fèi)用為16.8萬元，合計(jì)198.8萬元。增加二次閃蒸工藝總投資成本小于100萬元，半年可收回，節(jié)能效益顯著。

4 結(jié)論

（1）二次閃蒸工藝的合適預(yù)熱溫度為110～130 ℃。

（2）預(yù)熱溫度為110～130 ℃時(shí)，增加二次閃蒸工藝后總蒸汽消耗量每小時(shí)可減小0.8～1.6 t，總循環(huán)水用量每小時(shí)可減小50～90 t。

（3）預(yù)熱溫度為120 ℃時(shí)，增加二次閃蒸工藝年節(jié)約成本為198.8萬元，半年可收回投資費(fèi)用。

（4）二次閃蒸工藝流程簡單、投資回收期短、節(jié)能效果顯著，適合在合成橡膠行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用。