塔器節能優化方案

文/范海杰 崔冰冰

碳四異構單元DIB 塔及凝液余熱利用節能優化方案——DIB分離塔正常生產過程中熱能耗損較大，通過優化系統換熱網絡，充分利用塔釜加熱蒸汽及系統管網凝液余熱，綜合降低系統生產運行熱量損耗，減少能源浪費。

山東玉皇化工（集團）有限公司的液化氣綜合利用項目——碳四異構化裝置自開工以來，DIB 塔運行蒸汽消耗在整個運行系統占比較大（約消耗19.5 t/h 蒸汽），加工成本較高。與此同時，聯合裝置凝液回收系統需要匯集各凝液物流泵輸至水處理精制單元，精制處理前需要使用循環水冷卻至≯50℃（防止混床樹脂在水處理過程造成損壞），熱量未能有效利用，具有很大的回收價值。

實施方案

本次實施方案主要利用DIB塔操作需求低位熱的有利條件，對凝液管網及DIB 進料流程進行節能優化改造，最終達到余熱充分利用和降低能耗。

首先，整合聯合裝置系統凝液引流至異構單元凝液緩沖罐，混合后約49 t/h、98℃凝結水自凝水泵出口引分支進入DIB 塔釜加熱器B 進行第一次熱量利用處理（由98℃利用至80℃），DIB 塔釜A 仍采用低壓蒸汽加熱。

其次，DIB 塔增加一臺進料預熱器，利用DIB 塔釜加熱器B出口凝液流對DIB 塔進料預熱至55℃，使進料趨近于飽和態進塔，再進行二次熱量利用，改造后的流程圖如圖所示。

節能優化分析

基礎分析

未設置預熱前工況：（1）物料組份wt %（取平均數）：正丁烷61.3 %、 丙烷0.81 %和異丁烷37.89 %；（2）罐區供料泵壓力0.92～0.95 MPa， 進塔前安裝壓力表檢查0.8 MPa，年平均 溫 度20 ℃；（3）DIB 塔 物料運行數據：F 進料32700 kg/h， 回流 比約10.5， 回 流量 約 135 t/h， 塔 底外采19923 kg/h，塔頂外采12777 kg/h；（4）DIB 塔頂運行壓力0.6～0.61 MPa，塔底0.66～0.68 MPa，塔板數138 塊，板間平均壓降0.00048 MPa，進塔口位于74#板；（5）相關物性參數如表1 所示。

設置預熱后狀態變化

（1）物料組份不變；（2）罐區 供 料 泵 壓 力0.92～0.95 MPa，假定加設預熱器后綜合壓降≯0.15 MPa，設計壓降上限0.1 MPa來保留一定的操作空間，預熱后溫度初步設置55℃；（3）相關物性參數如表2 所示。

改造后的流程圖

表1 預熱前相關物性參數

表2 預熱后相關物性參數

表3 設置條件

熱量衡算

節能優化前，根據能量守恒計算 公式 QF1+QH1+QL=QV+QW+Q損， Q損此處忽略不計，得：

-2610×32700+ QH1-2600×135000=149777×（-2325）-2430×19923，QH1=39702585kJ/h。其中，QF1為優化前進料攜帶總熱量；QH1為優化前塔釜加熱輸入總熱量；QL 為回流進塔攜帶總熱量；QV為塔頂氣相采出攜帶總熱量；QW為塔釜采出攜帶總熱量。

節能優化后，根據能量守恒計算公 式QF2+QH2+QL=QV+QW+Q損， Q損此處忽略不計，得：

-2500×32700+ QH2-2600×135000=149777×（-2325）-2430×19923，QH2=36105585kJ/h。其中，QF2為優化后進料攜帶總熱量；QH2為優化后塔釜加熱輸入總熱量；QL為回流進塔攜帶總熱量；QV為塔頂氣相采出攜帶總熱量；QW為塔釜采出攜帶總熱量。

進料預熱需求熱量按照已進料初始20℃（年均值）升溫至55℃計算，為（Q2-Q1）×F=（-2500+2610）×32700=3597000 kJ/h

進料預熱器計算根據優化條件取平均對數溫差Δt，由公式得Δt=27.69℃，具體設置條件如下表3。

依據Q=Δt×K×S 公式（K值取1000），求出換熱器換熱面積S=Q/（Δt×K）=3597000/（27.69×1000）=130 m2；考慮1.3倍設計余量，實際選型換熱面積為130×1.3=169 m2。

效果分析

由優化前后塔釜加熱器負荷降低值（QH1-QH2）計算，調整后塔釜熱量需求降低3597000 kJ/h；推導出凝水用于DIB 塔釜升溫由98 ℃（410 kJ/kg）換熱至80.5 ℃（337.6 kJ/kg）。凝水二次利用于DIB 塔熱量利用由80.5℃（337.6 kJ/kg）換熱至50℃（210 kJ/kg），綜合熱量利用6125000 kJ/h；

49000 kg/h×(337.6 kJ/kg-210 kJ/kg)=6252400 kJ/h。

凝結水由98℃利用至50℃，熱 量 共 回 收 9849400 kJ/h；以 循 環 水10 ℃（41 kJ/kg） 溫差計算， 合計每小時減少9849400/41=240229 kg/h 的循環水冷卻損耗。

效益預測

優化后熱量共計回收9849400 kJ/h， 按照蒸汽汽化熱2200 kJ/kg計算， 節省蒸汽約4477 kg/h（4.477 t/h）； 按 照蒸汽150 元/t、運行時間8000 h/a，年創效約4.477 t/h×150 元/t×8000 h=537.24萬元。 凝結水熱量利用后循環水冷卻損耗量降低240229 kg/h；以循環水0.27 元/t、運行時間8000 h/a 計算，可節約（240229/1000）×0.27×8000=51.89萬元。綜上，年合計創效589.13萬元。

綜上所述，此次優化改造不對裝置主流程進行變動，僅調整凝水換熱網絡并增加一臺進料預熱器，充分利用凝液余熱。此外，優化后總體投資費用約15萬元（包含設計費、設備材料及施工費用），投資回報期短，節能效果顯著，每年正常生產可節省成本約為589.13萬元。