《典型化工工艺》专题七 系统能量利用、制冷系统、热泵系统 讲义

山东省《典型化工工艺》 举一反三考点练

专题七 系统能量利用、制冷系统、热泵系统 讲义

 

1.      了解裂解分离系统的能量利用。
2.      掌握热泵系统流程。

 

 

知识点一  系统的能量利用

1.裂解系统

在化工生产中能量的回收及利用是非常重要的。显然能耗增加直接使产品成本増加，能量回收及利用得好坏，体现了工艺流程及技术的先进水平。原料愈重，需要供给的能量也愈大。这主要是消耗于大量原料的预热、升温和相应大量的稀释水蒸气(指同一产品年产量计)。当然，大量的能量消耗也必然要求尽可能地回收利用。能量回收有三个主要途径:急冷换热器回收的能量约占三分之一，更重要的是它能产生高能位的能量，用于驱动三机(裂解气压缩机、丙烯压缩机和乙烯压缩机)。初馏塔及其附属系统回收的是低能位的能量，用于换热系统。烟道气热量一般是在裂解炉对流室内，利用其预热原料、锅炉给水过热水蒸气等。

2.分离系统

对于塔顶塔釜温差较大的精馏塔，如果在精馏段中间设置冷凝器，则可以用冷冻温度级-比塔顶回流冷凝器稍高的廉价的冷剂作为冷源，来代替一部分原来要用低温级冷剂提供的冷量，从而节省能量消耗。同理在提馏段设臵中间再沸器，可以用温度比塔釜再沸器稍低的廉价热剂作为热源。脱甲烷塔和乙烯塔等的塔釜温度低于环境温度，如果在提馏段设臵中间再沸器，就可以回收比塔釜温度更低的冷量。

由于脱甲烷塔顶塔釜温差较大，设置中间再沸器，能明显地节省能量，估算可节省能量27%左右。

中间冷凝器和中间再沸器负荷大时，塔顶冷凝器和塔釜再沸器的负荷减低，会导致精馏段回流比与提馏段蒸气的比减少，故要相应增加塔板数，从而使投资费用增加。总之，要根据工艺要求和具体情况，对

比各因素和相互影响进行权衡，来选择中间冷凝器和中间再沸器的适当位置，一般靠近加料口附近。

（一）脱甲烷塔中间冷凝器

    脱甲烷塔中间冷凝器是天然气处理和石油化工领域中用于分离甲烷的关键设备。它安装在脱甲烷塔的中间位置，主要用于冷凝塔内上升的气态甲烷，使其液化并回流到塔内，从而提高分离效率和塔的处理能力。

（1）工作原理：在脱甲烷塔中，原料气（通常含有甲烷、乙烷、丙烷等烃类）从塔底进入，通过塔内的填料或塔板与回流液体进行逆流接触。中间冷凝器的作用是将部分上升的气态甲烷冷凝成液态，然后将冷凝液回流到塔内，继续参与分离过程。通过这种方式，可以有效降低塔顶的负荷，提高分离效率。

（2）特点：高效冷凝：中间冷凝器能够有效冷凝塔内上升的气态甲烷，提高塔的分离效率。通过冷凝回流，可以显著降低塔顶的负荷，减少塔顶冷凝器的负荷。

节能效果显著：由于中间冷凝器的作用，减少了塔顶冷凝器的冷量需求，从而降低了系统的能耗。通过合理设计，可以优化整个塔的热力学性能，提高系统的整体效率。

提高分离精度：冷凝回流增加了塔内的液相回流，提高了分离精度，确保甲烷的纯度。有助于更好地控制塔内的温度和压力分布，提高操作稳定性。

结构紧凑：中间冷凝器通常设计为紧凑型，安装在塔的中间位置，不占用额外的空间。与塔体一体化设计，便于安装和维护。

适应性强：可以根据不同的工艺要求和操作条件进行定制，适应不同的原料气组成和分离要求。能够在较宽的温度和压力范围内稳定运行。

安全性高：采用高效的冷凝技术和先进的控制系统，确保设备运行的安全性和可靠性。设计上考虑了防爆、防泄漏等安全措施，适用于处理易燃易爆的天然气和烃类气体。

（二）脱甲烷塔中间再沸器

   脱甲烷塔中间再沸器是天然气处理和石油化工领域中用于分离甲烷的关键设备之一。它安装在脱甲烷塔的中间位置，主要用于加热塔内下降的液体，使其部分汽化，从而提供上升的蒸汽，增强塔内的汽液传质效果，提高分离效率。

（1）工作原理：在脱甲烷塔中，原料气（通常含有甲烷、乙烷、丙烷等烃类）从塔底进入，通过塔内的填料或塔板与上升的蒸汽进行逆流接触。中间再沸器的作用是将部分下降的液体加热汽化，产生的蒸汽上升到塔的上部，继续参与分离过程。通过这种方式，可以有效提高塔内的汽液传质效率，确保甲烷的高效分离。

（2）特点：增强汽液传质：中间再沸器通过加热液体产生蒸汽，增加了塔内的汽液传质效果，提高了分离

效率。提供额外的热量，确保塔内有足够的上升蒸汽，维持塔的正常操作。

优化塔的热力学性能：通过合理设计中间再沸器，可以优化塔内的温度和压力分布，提高整个塔的热力学性能。有助于减少塔顶和塔底的负荷，提高系统的整体效率。

提高分离精度：增加的汽液传质效果有助于更好地分离甲烷和其他烃类，确保甲烷的纯度。通过精确控制再沸器的热量输入，可以更好地控制塔内的操作条件。

结构紧凑：中间再沸器通常设计为紧凑型，安装在塔的中间位置，不占用额外的空间。与塔体一体化设计，便于安装和维护。

适应性强：可以根据不同的工艺要求和操作条件进行定制，适应不同的原料气组成和分离要求。能够在较宽的温度和压力范围内稳定运行。

安全性高：采用高效的加热技术和先进的控制系统，确保设备运行的安全性和可靠性。设计上考虑了防爆、防泄漏等安全措施，适用于处理易燃易爆的天然气和烃类气体。

中间冷凝器和中间再沸器的应用场景：

天然气处理：在天然气液化工厂中，用于分离甲烷，提高天然气的纯度。

石油化工：在乙烯裂解装置中，用于分离甲烷，提高乙烯的回收率。

空气分离：在空气分离装置中，用于分离氮气和氧气，提高分离效率。

 

关于裂解与分离系统的能量优化，正确的选项是（ ）

A. 急冷换热器回收的能量主要用于发电

B. 脱甲烷塔中间再沸器可降低塔釜甲烷残留至100ppm以下

C. 中间冷凝器应优先使用比塔顶更低温度的冷剂

D. 原料愈重，裂解系统蒸汽稀释耗能愈高

E. 设置中间换热器必然减少精馏塔理论板数

【答案】B、D

【解析】A错误：急冷热主要用于驱动压缩机（非直接发电）

B正确：中间再沸器显著提升分离精度

C错误：中间冷凝器需用较高温冷剂（非更低）