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(河南神馬尼龍化工有限責任公司，河南 平頂山 467013)

己二腈加氫反應(yīng)熱移出系統(tǒng)能量優(yōu)化改造

趙曉東，高先明，洪波

(河南神馬尼龍化工有限責任公司，河南 平頂山 467013)

以實際工藝數(shù)據(jù)和物料的物性參數(shù)為依據(jù)，采用熱負荷方程，對加氫生產(chǎn)工藝中反應(yīng)熱進行能量衡算，調(diào)整加氫反應(yīng)器冷卻水換熱器循環(huán)水用量以及對化學(xué)水泵的葉輪進行切割，有效地降低了循環(huán)水用量和電能消耗。

加氫反應(yīng)；熱負荷；能量衡算；葉輪切割

0 前言

己二腈(ADN)加氫(H2)反應(yīng)生產(chǎn)己二胺(HMD)的工藝路線通常有低壓法[1]和高壓法[2]。己二胺是合成材料中非常重要的中間體，主要用于生產(chǎn)尼龍66及尼龍610，隨著科學(xué)技術(shù)的進步和化工新材料的不斷開發(fā)，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。目前，己二胺在透明尼龍樹脂、聚亞胺羧酸泡沫塑料、涂料、黏合劑、橡膠助劑和漂白劑等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，尤其是在生產(chǎn)高性能聚氨酯領(lǐng)域，其用量大幅增加，這將給己二胺帶來突破性的發(fā)展[3]。河南神馬尼龍化工有限責任公司的己二胺生產(chǎn)工藝采用低壓法，裝置自建成投產(chǎn)以來，一直在不斷的創(chuàng)新、挖潛，再創(chuàng)新，走出了一條綠色環(huán)保和節(jié)能降耗的發(fā)展之路。新建裝置部分設(shè)備在設(shè)計上進行了放大，在裝置投產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)其加氫反應(yīng)熱量移出系統(tǒng)運行不經(jīng)濟。本文根據(jù)實際工藝數(shù)據(jù)，對己二腈加氫反應(yīng)熱移出系統(tǒng)進行了詳細計算，并做出能量優(yōu)化改造，達到節(jié)約能源之目的。

1 己二腈加氫反應(yīng)熱移出系統(tǒng)簡述

1.1工藝流程

該己二胺生產(chǎn)工藝采用己二腈加氫反應(yīng)生成，此過程屬于放熱反應(yīng)。為了使反應(yīng)向利于生成己二胺的方向進行，需要消除反應(yīng)熱[5]。加氫反應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，先通過反應(yīng)器夾套中流動的化學(xué)水將其進行移出，化學(xué)水移出的反應(yīng)熱再進入冷卻水冷卻器，通過由動力廠外供的循環(huán)冷卻水把化學(xué)水熱量帶走。這樣，在生產(chǎn)連續(xù)進行時，可以把反應(yīng)生成熱持續(xù)移出，保證反應(yīng)溫度的穩(wěn)定，從而達到生產(chǎn)的目的。

工藝流程圖如圖1所示。

圖1 己二腈加氫反應(yīng)冷卻水系統(tǒng)流程圖

1.2物性參數(shù)

冷卻水的平均比熱容：

Cp(水)=4.2 kJ/(kg·℃)

ρ(水)=1 000 kg/m3

1.3熱量計算

加氫反應(yīng)系統(tǒng)熱量先通過反應(yīng)器夾套化學(xué)水將其移出，由于化學(xué)水的導(dǎo)熱系數(shù)比較大，管道材質(zhì)為碳鋼，忽略管壁與大氣的熱量損失?？筛鶕?jù)化學(xué)水帶走的熱量來求出加氫反應(yīng)生成的熱量。采集裝置在滿負荷時不同時間的數(shù)據(jù)，計算其生成的熱量如表1所示。

表1 裝置滿負荷運行時產(chǎn)生的熱量

注：T1、T2分別為化學(xué)水回收和化學(xué)水上水的溫度，下同；FI(化學(xué)水)為化學(xué)水流量。

熱量Q=FI(化學(xué)水)×Cp(水)×(T1-T2)

其中，Cp(水)為水的平均比熱容，取Cp(水)為4.2 kJ/(kg·℃)。

根據(jù)計算的結(jié)果，我們可以看出：在相同的負荷下，反應(yīng)放出的熱量比較接近，取三個結(jié)果的平均值，可得出反應(yīng)器在裝置滿負荷運行時放出的熱量約為：10 709 580 kJ/h。

2 加氫反應(yīng)熱移出系統(tǒng)存在的問題

2.1循環(huán)水冷卻水用量偏大

化學(xué)水移出的反應(yīng)熱進入冷卻器，通過由動力廠外供的循環(huán)水把化學(xué)水熱量帶走，由于其熱量比較大，忽略與外界環(huán)境的熱量損失。循環(huán)水帶走的熱量應(yīng)和化學(xué)水帶來的熱量相等。采集和化學(xué)水數(shù)據(jù)相同時段循環(huán)水的數(shù)據(jù)，計算循環(huán)水用量，結(jié)果如表2所示。

表2 裝置滿負荷運行循環(huán)冷卻水水量

FI(循環(huán)水)=Q÷Cp(水)÷(T3-T4)

其中，Q取10 709 580 kJ/h，Cp(水)為水的平均比熱容，Cp(水)=4.2 kJ/(kg·℃)；T3、T4分別為循環(huán)水回水和循環(huán)水上水的溫度。

通過表2可以發(fā)現(xiàn)，循環(huán)水的溫差一般在5.5 ℃左右，循環(huán)水的流量約有460 000 kg/h。而在實際生產(chǎn)中，循環(huán)水WC的溫差控制在8～10 ℃時，比較經(jīng)濟合理。當循環(huán)水的溫差控制在9 ℃時，F(xiàn)I(循環(huán)水)約為283 000 kg/h。循環(huán)水回水和循環(huán)水上水溫差為9 ℃。可見，循環(huán)水存在浪費，需要進行優(yōu)化調(diào)整。

2.2化學(xué)水泵選型過大

化學(xué)水的流量由化學(xué)水泵提供，我們根據(jù)化學(xué)水在裝置滿負荷運行時的數(shù)據(jù)，繪制成表3。

表3 裝置滿負荷運行時化學(xué)水量

FI(化學(xué)水)=Q÷Cp(水)÷(T1-T2)

由表3可以看出，化學(xué)水的溫差在5.8 ℃左右，也比較小。在熱量一定的情況下，化學(xué)水的溫差與其流量成反比。如果化學(xué)水的溫差控制在8 ℃左右時，其經(jīng)濟性較好?；瘜W(xué)水的流量只需要320 000 kg/h。其中，Q取10 709 580 kJ/h，Cp(水)=4.2 kJ/(kg·℃)，T1-T2=8 ℃)。

3 解決措施

3.1對循環(huán)水流量進行調(diào)整

裝置滿負荷生產(chǎn)時，聯(lián)系動力廠，進行循環(huán)水流量的調(diào)整。在循環(huán)水進出口閥全開的情況下，緩慢關(guān)小循環(huán)水出口閥。當出口閥關(guān)小半圈后，每小時測一次循環(huán)水進出口溫度，這樣反復(fù)調(diào)整，最終使其進出口溫差約為 9℃，此時FI(循環(huán)水)為283 000 kg/h。

3.2對化學(xué)水泵葉輪進行切削

化學(xué)水進行流動的動力來源由化學(xué)水泵提供，其參數(shù)如下：

n=2 950 r/min，Q=450 m3/h=0.125 m/s，H=50 m，N=90 kW

同時反應(yīng)器的高度約為25 m。可見，化學(xué)水泵選型有些偏大，簡單可行的方法是對化學(xué)水泵葉輪進行切割。計算過程如表4所示。

表4 葉輪外徑車削允許量

對于葉輪外徑車削后，出口面積基本不變的中、高比轉(zhuǎn)數(shù)的離心機，其葉輪車削與性能的關(guān)系：

所以P316泵的葉輪車削量為9%；

化學(xué)水泵葉輪切割后的參數(shù)：n=2 950 r/min，Q=410 m3/h，H=41.6 m，N=68.3 kW。對化學(xué)水泵葉輪切割前后的參數(shù)進行對比，結(jié)果如表5所示。

表5 化學(xué)水泵葉輪切割前后的參數(shù)

由此可見，切削化學(xué)水泵葉輪后即滿足生產(chǎn)需求，又降低了電能消耗。

3.3循環(huán)水管道增設(shè)濾網(wǎng)

由動力廠提供的循環(huán)水屬于敞開式循環(huán)水系統(tǒng)，和外界接觸面多，雜質(zhì)容易進入循環(huán)水系統(tǒng)，造成循環(huán)水流量波動大，影響換熱效果。于是，在循環(huán)水上水增加一個濾網(wǎng)，定期清理，保證供水穩(wěn)定。如圖2所示：

4 效果檢查

運行3個月后，在滿負荷的情況下測得數(shù)據(jù)如表6所示。

圖2 己二腈加氫反應(yīng)冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化后流程圖

表6 三個月后采集數(shù)據(jù)

表2、表3和表5作對比，我們可以明顯發(fā)現(xiàn)循環(huán)水和化學(xué)水溫差的增加，基本達到預(yù)期值，實現(xiàn)了降低循環(huán)水用量和電能消耗的目的。

5 能耗對比

己二胺裝置年運行時間約8 000 h，根據(jù)循環(huán)水和電能在公司中的實際價格，計算優(yōu)化前后的能源消耗，結(jié)果如表7所示。

可見，對己二腈加氫反應(yīng)熱移出系統(tǒng)能量進行優(yōu)化后每年可節(jié)約35萬元，實現(xiàn)了小投入、大收益的效果。

表7 優(yōu)化前后能耗對比

6 結(jié)論

根據(jù)實際工藝數(shù)據(jù)和物料的物性參數(shù)，通過熱量計算為加氫反應(yīng)熱移除系統(tǒng)能量優(yōu)化改造提供了理論依據(jù)。在循環(huán)水管道增設(shè)濾網(wǎng)，保證了供水穩(wěn)定。同時，對冷卻水換熱器的循環(huán)水用量進行調(diào)整和化學(xué)水泵進行葉輪切割，有效地降低了加氫反應(yīng)熱移出系統(tǒng)能量的消耗，提高了企業(yè)的市場競爭力，經(jīng)濟和社會效益。

[1]胡延韶.己二腈催化加氫制己二胺[J].化工生產(chǎn)與技術(shù),2005,12(1):43-44.

[2]Li Hexing, Xu Yeping,Li Hui,et al.Gas-phase hydr ogenation of adiponitrile with high selectivity to pri mary amine over supported Ni-B amorphous catalysts[J].App lied Catalysts A:General,2001,216(1-2):51-58.

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[4]朱文濤.物理化學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1995：298-299.

[5]國家醫(yī)藥管理局上海醫(yī)藥設(shè)計院.化工工藝設(shè)計手冊(下)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996.

2014-09-21

趙曉東(1974- )，男，工程師，從事化工生產(chǎn)管理及研究工作；通訊作者：洪 波，電話：15938905924。

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