塔器节能优化方案

文/范海杰 崔冰冰

碳四异构单元DIB 塔及凝液余热利用节能优化方案——DIB分离塔正常生产过程中热能耗损较大，通过优化系统换热网络，充分利用塔釜加热蒸汽及系统管网凝液余热，综合降低系统生产运行热量损耗，减少能源浪费。

山东玉皇化工（集团）有限公司的液化气综合利用项目——碳四异构化装置自开工以来，DIB 塔运行蒸汽消耗在整个运行系统占比较大（约消耗19.5 t/h 蒸汽），加工成本较高。与此同时，联合装置凝液回收系统需要汇集各凝液物流泵输至水处理精制单元，精制处理前需要使用循环水冷却至≯50℃（防止混床树脂在水处理过程造成损坏），热量未能有效利用，具有很大的回收价值。

实施方案

本次实施方案主要利用DIB塔操作需求低位热的有利条件，对凝液管网及DIB 进料流程进行节能优化改造，最终达到余热充分利用和降低能耗。

首先，整合联合装置系统凝液引流至异构单元凝液缓冲罐，混合后约49 t/h、98℃凝结水自凝水泵出口引分支进入DIB 塔釜加热器B 进行第一次热量利用处理（由98℃利用至80℃），DIB 塔釜A 仍采用低压蒸汽加热。

其次，DIB 塔增加一台进料预热器，利用DIB 塔釜加热器B出口凝液流对DIB 塔进料预热至55℃，使进料趋近于饱和态进塔，再进行二次热量利用，改造后的流程图如图所示。

节能优化分析

基础分析

未设置预热前工况：（1）物料组份wt %（取平均数）：正丁烷61.3 %、 丙烷0.81 %和异丁烷37.89 %；（2）罐区供料泵压力0.92～0.95 MPa， 进塔前安装压力表检查0.8 MPa，年平均 温 度20 ℃；（3）DIB 塔 物料运行数据：F 进料32700 kg/h， 回流 比约10.5， 回 流量 约 135 t/h， 塔 底外采19923 kg/h，塔顶外采12777 kg/h；（4）DIB 塔顶运行压力0.6～0.61 MPa，塔底0.66～0.68 MPa，塔板数138 块，板间平均压降0.00048 MPa，进塔口位于74#板；（5）相关物性参数如表1 所示。

设置预热后状态变化

（1）物料组份不变；（2）罐区 供 料 泵 压 力0.92～0.95 MPa，假定加设预热器后综合压降≯0.15 MPa，设计压降上限0.1 MPa来保留一定的操作空间，预热后温度初步设置55℃；（3）相关物性参数如表2 所示。

改造后的流程图

表1 预热前相关物性参数

表2 预热后相关物性参数

表3 设置条件

热量衡算

节能优化前，根据能量守恒计算 公式 QF1+QH1+QL=QV+QW+Q损， Q损此处忽略不计，得：

-2610×32700+ QH1-2600×135000=149777×（-2325）-2430×19923，QH1=39702585kJ/h。其中，QF1为优化前进料携带总热量；QH1为优化前塔釜加热输入总热量；QL 为回流进塔携带总热量；QV为塔顶气相采出携带总热量；QW为塔釜采出携带总热量。

节能优化后，根据能量守恒计算公 式QF2+QH2+QL=QV+QW+Q损， Q损此处忽略不计，得：

-2500×32700+ QH2-2600×135000=149777×（-2325）-2430×19923，QH2=36105585kJ/h。其中，QF2为优化后进料携带总热量；QH2为优化后塔釜加热输入总热量；QL为回流进塔携带总热量；QV为塔顶气相采出携带总热量；QW为塔釜采出携带总热量。

进料预热需求热量按照已进料初始20℃（年均值）升温至55℃计算，为（Q2-Q1）×F=（-2500+2610）×32700=3597000 kJ/h

进料预热器计算根据优化条件取平均对数温差Δt，由公式得Δt=27.69℃，具体设置条件如下表3。

依据Q=Δt×K×S 公式（K值取1000），求出换热器换热面积S=Q/（Δt×K）=3597000/（27.69×1000）=130 m2；考虑1.3倍设计余量，实际选型换热面积为130×1.3=169 m2。

效果分析

由优化前后塔釜加热器负荷降低值（QH1-QH2）计算，调整后塔釜热量需求降低3597000 kJ/h；推导出凝水用于DIB 塔釜升温由98 ℃（410 kJ/kg）换热至80.5 ℃（337.6 kJ/kg）。凝水二次利用于DIB 塔热量利用由80.5℃（337.6 kJ/kg）换热至50℃（210 kJ/kg），综合热量利用6125000 kJ/h；

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

凝结水由98℃利用至50℃，热 量 共 回 收 9849400 kJ/h；以 循 环 水10 ℃（41 kJ/kg） 温差计算， 合计每小时减少9849400/41=240229 kg/h 的循环水冷却损耗。

效益预测

优化后热量共计回收9849400 kJ/h， 按照蒸汽汽化热2200 kJ/kg计算， 节省蒸汽约4477 kg/h（4.477 t/h）； 按 照蒸汽150 元/t、运行时间8000 h/a，年创效约4.477 t/h×150 元/t×8000 h=537.24万元。 凝结水热量利用后循环水冷却损耗量降低240229 kg/h；以循环水0.27 元/t、运行时间8000 h/a 计算，可节约（240229/1000）×0.27×8000=51.89万元。综上，年合计创效589.13万元。

综上所述，此次优化改造不对装置主流程进行变动，仅调整凝水换热网络并增加一台进料预热器，充分利用凝液余热。此外，优化后总体投资费用约15万元（包含设计费、设备材料及施工费用），投资回报期短，节能效果显著，每年正常生产可节省成本约为589.13万元。