酯化反應(yīng)蒸餾冷凝工藝對比及經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

伍光輝

（湖南引航生物科技有限公司，湖南津市 415400）

1 現(xiàn)狀分析

硫酸鹽酯化產(chǎn)品每天生產(chǎn)5批，日產(chǎn)量為4.5t，該產(chǎn)品在酯化反應(yīng)的乙醇蒸餾單元操作中，一級冷凝器為3m2列管冷凝器，采用循環(huán)水降溫，進(jìn)出水溫差10~15℃，循環(huán)水使用量不足；二級冷凝器為m2螺旋板冷凝器，采用鹽水降溫，進(jìn)出水溫差20~25℃，因一級換熱量受限，大量乙醇在二級進(jìn)行冷凝，鹽水大量消耗，造成溫差過大，由于進(jìn)出溫差運行不合理，又會導(dǎo)致設(shè)備結(jié)垢，影響設(shè)備換熱效率，造成惡性循環(huán)。

酯化反應(yīng)釜一級冷凝器冷卻水接管為DN40，按上限估算流量為V=π/4×0.042×2.0×3 600=8.0m3/h，二級冷凝器冷卻管道管徑DN25，估算流量為V=π/4×0.0252×2.0×3 600=3.4m3/h（均按2.0m/s取值，合理流速在1.4~1.6m/s），一級冷凝設(shè)備冷卻管口設(shè)計偏小，現(xiàn)場管線安裝配置不合理。

2 循環(huán)水管分布情況

酯化反應(yīng)工序為最大的用能工序，主要涉及蒸餾乙醇的冷凝、冷卻和酯化反應(yīng)釜的降溫冷卻。目前酯化反應(yīng)釜與冷凝器循環(huán)水總管前后串聯(lián)，其中DN125管徑循環(huán)水管供應(yīng)酯化反應(yīng)釜降溫，循環(huán)水管徑通過變徑縮小至DN100后供應(yīng)酯化冷凝器冷凝降溫，前后串聯(lián)關(guān)系，DN100管道輸送能力V=π/4×0.102×2.5×3 600=56.5m3/h。循環(huán)水管道布置見示意圖1。

圖1 循環(huán)水管道布置示意圖

3 酯化工序循環(huán)水及鹽水用量需求

3.1 一級循環(huán)水冷凝設(shè)計計算

工藝要求：酯化反應(yīng)為普通的有機合成反應(yīng)，反應(yīng)過程為乙醇與某氨基酸反應(yīng)生成酯和水，操作過程中在反應(yīng)釜夾套內(nèi)通入工業(yè)蒸汽進(jìn)行加熱，反應(yīng)釜內(nèi)溫度上升至80~90℃，釜內(nèi)乙醇?xì)饣螅掖颊羝来芜M(jìn)入一級冷凝器和二級冷凝器進(jìn)行冷凝，回流溫度控制在40~50℃。

乙醇作為化學(xué)合成中的常用溶劑，在合成生物學(xué)中也得到廣泛應(yīng)用，但因其結(jié)構(gòu)中存在羥基，其氣化熱比一般同碳數(shù)的飽和烷烴要大，本次乙醇蒸發(fā)量按照1 000L/h計算，其中10%的乙醇進(jìn)入二級冷凝器，乙醇冷凝溫度取40℃，循環(huán)水的換熱量Q=Q潛+Q顯（Q潛=W.r，Q顯=CM?t），冷卻水用量及管徑計算數(shù)據(jù)見表1。

表1 乙醇蒸發(fā)冷凝器換熱及管徑計算

3.2 管道及設(shè)備改造方案

3.2.1 總管改造

按照蒸乙醇發(fā)量為1 000L/h計算，一級乙醇蒸汽的冷凝需要循環(huán)水用量為30.8m3/h，酯化反應(yīng)崗位按照5批同時進(jìn)行蒸餾操作，需要循環(huán)水總量為150m3/h， 進(jìn)戶管徑為DN200，基本滿足全車間總的用水需求，而車間原有供冷凝器用支管管徑為DN100，不能滿足水量需求。本次改造方案考慮擬從循環(huán)水進(jìn)戶總管變徑前新增一路DN150支管用于酯化反應(yīng)一級冷凝器冷凝單獨使用，確保乙醇蒸餾過程有充足的換熱介質(zhì)使用，且不受其他崗位降溫操作的影響。計算DN150管道輸送能力V=π/4×0.152×2.5×3 600=159.0m3/h，流量能夠滿足一級冷凝換熱要求，循環(huán)水管道改造見示意圖2。

圖2 循環(huán)水管道改造示意圖

3.2.2 支管改造

根據(jù)3.1節(jié)計算結(jié)果，一級冷凝需要循環(huán)水量為30.8m3/h，管徑計算公式d=18.81V0.5u-0.5，計算得到理論管徑為77.8mm，根據(jù)管道的規(guī)格，選擇DN80管道，將一級30m2列管冷凝器循環(huán)水口管徑由DN40放大到DN80，增大循環(huán)水流通量。

3.2.3 設(shè)備改造

設(shè)備管口口徑也是制約流通量的一個重要原因，小管徑、大流量對于換熱管會造成強烈沖擊，進(jìn)口處的列管長期受到高流速的水流沖擊會造成管道處變形甚至裂縫。現(xiàn)有m2一級冷凝器冷卻水管口徑為DN40，流通量受限，為了將設(shè)備管口與管道管徑進(jìn)行匹配，將冷凝器循環(huán)水DN40管口法蘭改為DN80法蘭。

本次改造，通過增加冷凝器循環(huán)水專用管道，同時增大設(shè)備管口等措施，提高了一級冷凝器循環(huán)水的用量，增加一級冷凝器的換熱量，使大量乙醇蒸汽在一級冷凝器完成冷凝，二級鹽水主要用在尾氣冷凝和降低冷凝液的溫度，鹽水的用量顯著降低，達(dá)到降低綜合能耗的目的。

4 冷卻介質(zhì)運行對比

4.1 冷卻降溫介質(zhì)

化工生產(chǎn)企業(yè)換熱介質(zhì)一般有循環(huán)水、七度水、鹽水、亞深冷媒介、深冷媒介和液氮。各企業(yè)根據(jù)本公司生產(chǎn)工藝的需求，盡量選擇接近控溫目標(biāo)的介質(zhì)循環(huán)來為車間生產(chǎn)提供換熱。因為隨著介質(zhì)目標(biāo)溫度的降低，根據(jù)卡諾制冷機效率原理，制冷效率依次降低，制冷所消耗的電能增加，同樣的換熱量采用溫度低的介質(zhì)進(jìn)行換熱，換熱成本亦依次升高。

制冷機組與涼水塔制冷的功率對比，其中制冷量為設(shè)備的名義制冷量，循環(huán)水制冷量按照5℃溫差計算，制冷機組的總功率包括設(shè)備運行的壓縮機、內(nèi)循環(huán)冷水泵、外循環(huán)降溫泵，運行功率不包含系統(tǒng)外循環(huán)總管輸送成本，本次測算電價按平均0.8元/度計算，各制冷設(shè)備能耗對比見表2。

表2 各制冷設(shè)備能耗對比

從以上結(jié)果來看，同樣的制冷量，涼水塔、7℃水制冷機、-15℃氯化鈣冷水機的耗電量之比約為1∶19∶34，由此可見在換熱介質(zhì)的選擇上，在滿足生產(chǎn)工藝要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能選擇循環(huán)水進(jìn)行換熱。

4.2 改造前后車間循環(huán)水與鹽水用量及成本對比

改造前后設(shè)備保持不變，管道走向及管徑進(jìn)行調(diào)整，分別計算改造前后循環(huán)水和鹽水的用量、換熱量、耗電量，根據(jù)不同介質(zhì)的單價計算前后成本差距，改造前后能耗對比見表3。

表3 改造前后能耗對比

乙醇蒸餾冷凝水耗用情況，在進(jìn)行循環(huán)水管道改造前，每蒸發(fā)1 000L乙醇循環(huán)水使用量僅8.0m3/h，帶走熱量8.0萬kJ，經(jīng)過管道改造后，增加循環(huán)水用量，流量由原來的8m3/h增加至30.8m3/h，帶走熱量15.5萬kJ，每批投料蒸發(fā)量按7 000L，每天投5批，運行300t/a計算，每年節(jié)約用電約47萬度，節(jié)約成本37萬。

5 建議

1）酯化反應(yīng)操作過程分為保溫內(nèi)回流和外回流，其中內(nèi)回流保溫操作，回水溫度可以適當(dāng)提高，減少二級冷凝器鹽水的用量；

2）統(tǒng)計8月份車間鹽水用量，平均用量為225m3/h，車間對于鹽水、低溫水等成本較高的冷卻介質(zhì)使用時，在結(jié)束操作后應(yīng)及時關(guān)閉進(jìn)水閥門，減少能源的耗用；

3）二期在進(jìn)行產(chǎn)品工藝設(shè)計時，對于大型分配總管管徑，回水管道宜比送水管道大一號，減小運行阻力，降低循環(huán)泵的運行費用。

6 結(jié)語

合成生產(chǎn)車間對于能源的利用，必須經(jīng)過系統(tǒng)分析計算才能確定經(jīng)濟(jì)的用能指標(biāo)。通過分析和工程計算，對酯化工藝操作工序設(shè)備配管進(jìn)行改造，在不改變產(chǎn)品工藝的基礎(chǔ)上，提高循環(huán)水的使用，降低鹽水等高能耗能源的使用，優(yōu)化能源利用結(jié)構(gòu)，既緩解了高溫季節(jié)對于冷凍鹽水使用的壓力，又降低了生產(chǎn)單位產(chǎn)值電能的耗用，減少二氧化碳的排放，同時創(chuàng)造了良好經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。