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1壓縮機的節能

將氣體從低壓壓縮到所需要的高壓需要壓縮機，常見的“乙烯三機”(裂解氣壓縮機、丙烯壓縮機和乙烯壓縮機)就屬于大型離心式壓縮機，是乙烯裝置的耗能大戶。除了離心式壓縮機，往復式壓縮機也在石油化工生產過程中有著廣泛的應用。盡管離心式壓縮機和往復式壓縮機因工作原理不同節能方式存在差異，但從有效能分析的觀點看，壓縮過程的有效能損失主要是非等溫壓縮的不可逆性引起的。因此，壓縮機節能的關鍵是改變壓縮機的結構，采用多級壓縮，級間冷卻，使整個壓縮過程向等溫壓縮過程趨近，減少有效能損失。例如，乙烯裂解氣壓縮機通常設計成四段或五段。離心式壓縮機的能量損失方式有流動損失、沖擊損失、輪阻損失和漏氣損失等，對離心式壓縮機的操作與設計改進是增產節能的主要措施之一。例如：提高吸入壓力，降低吸入溫度，增加流量，提高轉速；增加葉輪擴壓器的通流寬度，降低葉輪輪阻損失，改變葉輪葉片和擴壓器葉片的幾何安裝角度等。對于往復式壓縮機，通過減小壓縮過程的不可逆性實現節能的主要方法有：合理的選擇壓縮比，增加壓縮機段數，提高吸入壓力，降低出口壓力，降低壓縮機入口氣體的溫度，減小段間阻力降，盡量取消壓縮機前后不必要的閥件和彎頭等。

2熱量傳遞與節能

熱量傳遞過程可以分為導熱傳熱、對流傳熱和輻射傳熱三種基本方式，它們有各自不同的傳熱規律，石油化工生產過程中的傳熱通常是幾種傳熱方式的組合。強化傳熱的目的就是力求使換熱器在單位時間內、單位傳熱面積傳遞的熱量盡可能的多。從傳熱基本方程Q=KFΔT可以看出，增大傳熱量Q可以通過增大傳熱溫差ΔT、擴大傳熱面積F和提高傳熱系數K三種途徑來實現。(1)優化平均傳熱溫差。在換熱器中冷熱流體的流動方式有四種，即順流、逆流、交叉流、混合流。在冷熱流體進出口溫度相同時，逆流的平均傳熱溫差ΔT最大，順流時ΔT最小，因此，為增加傳熱量應盡可能采用逆流或接近于逆流的傳熱方式。增加冷熱流體的平均傳熱溫差△T雖然可以強化傳熱，但同時也增加了傳熱過程的不可逆性，增加了傳熱過程的損失，因此，通過權衡，優化冷熱流體的平均傳熱溫差△T是節能必須進行的工作。(2)擴大換熱面積。增大傳熱面積以強化傳熱，并不是簡單地通過增大設備體積來擴大傳熱面積，而是通過傳熱面結構的改進來增大單位體積內的傳熱面，從而使得換熱器高效而緊湊。如采用小直徑的管子，并實行密集布管，采用各種形狀的翅片管來增加傳熱面積。一些新型的緊湊式換熱器，如板式換熱器和板翅式換熱器，同管殼式換熱器相比，在單位體積內可布置的換熱面積要大得多。對于高溫、高壓工況一般都采用簡單的擴展表面，如普通翅片管、銷釘管、鰭片管，雖然它們擴展的程度不如板式結構高，但效果仍然是顯著的。(3)提高傳熱系數K。提高傳熱系數是增加傳熱量的重要途徑，也是當前強化傳熱研究工作的重點內容。提高傳熱系數的方法重點是提高冷熱流體與管壁之間的換熱系數。尤其要提高管子兩側中換熱較差一側的換熱系數，以取得較好的強化傳熱效果。強化對流傳熱的措施有[7]：表面粗糙化，提高壁面的表面粗糙度以影響湍流粘性底層的傳熱；表面加擾動單元，如表面為引發渦流而引入的小翅；管道中加入插件以引發轉動；用水射流冷卻熱表面等。上述各獨立措施通?？梢越M合使用，以取得更好的強化效果。需要注意的是，強化傳熱的所有措施總要以較高的壓力損失和驅動功率為代價。因此，把傳熱和驅動功率統一到過程的不可逆性上來評價強化傳熱過程的效果，才能使各種技術具有可比性。

3質量傳遞與節能

精餾過程是一個典型的分離過程，也一個重要的質量傳遞過程。根據熱力學基本原理可知，不同物流的混合是自發的不可逆過程；反之，要把混合物分離成不同組成的產品時，必須消耗某些形式的外界功或熱能。精餾過程中物質在不同相間的轉移是在恒溫和恒壓下進行的，相轉移過程的推動力是化學勢，化學勢在處理相變和化學變化時具有重要意義。精餾過程中，蒸汽以一定壓力降通過精餾塔是產生不可逆因素的原因之一。其次是再沸器和冷凝器分別以一定的溫差加入和移走熱量，更重要的原因是氣液兩相相互接觸或混合時因未達到相平衡而使精餾過程的不可逆程度增大。因此，降低流體流動所產生的壓力降，減小傳熱過程中的溫度差，減小傳質過程中的濃度差即化學勢差，均能使精餾過程中的功耗降低。使損失的減少。精餾塔通?？梢圆捎靡韵鹿澞艽胧?1)在精餾塔的操作方面，應盡可能減小回流比，預熱進料，減小再沸器的負荷；應充分利用塔釜液余熱，減小再沸器與冷凝器的溫差，并通過防垢除垢減小傳熱熱阻等。(2)在精餾塔的結構方面，應盡量采用新型塔盤或新型填料以減少塔的壓降。在石油化工生產中，過去板式塔多為泡罩塔，填料塔多用拉西環、鮑爾環。隨著塔設備技術的發展，老式的塔板和填料逐漸被淘汰。浮閥、篩板、旋流塔板、波紋穿流塔板被采用。在填料上則選用較先進的階梯環、扁環、矩鞍形金屬環和孔板波紋、格柵等新型填料，為提高產量、減少能耗、安全生產和穩定操作創造了條件。此外，采用設置中間冷凝器和中間再沸器的方法減少塔的有效能損失，這樣可以降低塔的操作費用，但卻增加了塔的設備折舊費用。

4化學反應與節能

化學反應過程同時受動量傳遞過程、熱量傳遞過程、質量傳遞過程以及化學反應的規律支配。化學反應的平衡問題和速率問題是互相關聯的，可以從反應速率導出化學平衡，但卻不能從化學平衡導出反應速率，因此化學反應動力學比化學反應熱力學更為基礎。熱力學僅是給出了化學反應的可能性，要實現這種可能性還必須從動力學的角度研究化學反應的速率及相關影響因素。化學反應進行時，大多數情況下都伴有熱量的吸入或放出。如何有效地供給或利用反應熱是化學反應過程節能的重要方面。對于吸熱反應，應合理供熱。吸熱反應的溫度應盡可能低，以便采用過程余熱或汽輪機抽汽供熱，節省高品質的燃料。對于放熱反應，應合理利用反應熱。放熱反應的溫度應盡可能高，以回收較高的品質的熱量。例如，利用乙烯裝置裂解氣急冷鍋爐產生的8~14MPa的高壓蒸汽驅動汽輪機，可使每噸乙烯消耗的電力由2000~3000kW/h降到50~l00kW/h，大大提高了乙烯裝置的經濟性。不論是吸熱反應還是放熱反應，均應盡量減少惰性稀釋組分。因為對吸熱反應，惰性組分要多吸收外加熱量；而對放熱反應，要多消耗反應熱。化學反應器是進行化學反應的重要設備。絕大多數反應過程都伴隨有流體流動、傳熱和傳質等過程，每種過程都有阻力，都需要消耗能量。所以，改進反應裝置，減少阻力，就可降低能耗。

反應設備的選型應滿足如下基本要求：(1)反應器內要有良好的傳質和傳熱條件；(2)建立合適的濃度、溫度分布體系；(3)對于強放熱或吸熱反應要保證足夠的傳熱速度和可靠的熱穩定性；(4)根據操作溫度、壓力和介質的耐腐蝕性能，要求設備具有材料穩定、型式好、結構可靠、機械強度高、耐腐蝕能力強等特點。例如，凱洛格(Kellogg)公司為減少合成氨催化劑床層壓力降、提高單程轉化率以及簡化設備結構，開發了激冷型臥式反應器。催化劑呈水平板狀，反應氣體垂直通過催劑床層，反應器壓力損失明顯下降。文獻較為全面、系統地討論了各種化學反應器，特別是新型化學反應器在節能降耗中的作用。催化劑的選取則是另一個決定物耗和能耗水平的關鍵因素。由阿勒尼烏斯(Arrhenius)方程可知，化學反應速率與反應溫度成正比，與反應活化能成反比，與指前因子，即碰撞因子成正比。所以，選擇合適的催化劑至關重要。例如，意大利蒙特愛迪生公司與日本三井石油化學公司共同開發的丙烯聚合反應高效催化劑，與以前采用的齊格勒(Ziegler)型催化劑相比，生產強度提高了7~10倍，并省掉了脫灰工序，原料、蒸汽、電力等消耗均顯著下降。

5結語

本文重點討論了傳遞過程原理以及化學反應工程與石油化工節能的關系。特別是從減小動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞和化學反應過程的不可逆性，減小過程的有用功損失，減小過程的有效能損失出發，探討了反應設備、分離設備、換熱設備和流體輸送設備的節能途徑和改進設備設計的方法。根據化學工程的基本理論所獲得的節能途徑是多種多樣的，節能效果也各不相同，但最終的評價則取決于經濟效益。多數情況下，采用節能技術均會減少操作費用，但設備費用可能會增加，所以最大限度節能不一定是最經濟的。此外，節能措施還往往使操作變得復雜，要求較高的控制水平，這是在應用節能技術時不容忽視的現實問題，必須綜合權衡，優選最佳方案。

作者：劉維康魏壽彭郭彥楊樹林單位：中國石油規劃總院北京化工大學