趙衛(wèi)強(qiáng)，陳 輝，王計(jì)兵，楊師緣，劉 剛

(1.沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；2.蘇家屯職教中心，遼寧 沈陽 110165)

0 引言

減阻劑是一種廣泛應(yīng)用于原油、成品油管道輸送的化學(xué)添加劑，它可以有效地提高管道的輸送量，降低管道的壓力，節(jié)約能源，提高管道運(yùn)行的安全系數(shù)[1]。中國石油管道公司科技中心經(jīng)過近10年研制成功的EP 系列減阻劑在15～30mg/L 的添加量下，使原有管道增輸15%～35%，成品油管道增輸30%～50%[2,3]，具有廣闊的市場應(yīng)用前景和巨大的商業(yè)價(jià)值。熱泵系統(tǒng)是將低溫循環(huán)系統(tǒng)的熱量提取并泵送到高溫循環(huán)系統(tǒng)使其可在生活、生產(chǎn)領(lǐng)域使用的系統(tǒng)[4～8]。隨著時(shí)代的發(fā)展，保證減阻劑生產(chǎn)工藝的同時(shí)保證其生產(chǎn)工藝環(huán)保、節(jié)能的問題也被提上了日程。本文就中國石油管道公司減阻劑生產(chǎn)采用熱泵技術(shù)進(jìn)行余熱回收的工藝可行性進(jìn)行了研究。

1 生產(chǎn)工藝分析

（1）生產(chǎn)流程。減阻劑的生產(chǎn)工藝流程如圖1 所示，1 號物料和2 號物料在反應(yīng)釜1 中反應(yīng)生成中間產(chǎn)物；中間產(chǎn)物和3 號物料在2 號反應(yīng)釜中反應(yīng)生成含減阻劑成品的物料，經(jīng)沉淀、蒸餾得成品。由各反應(yīng)溫度可知，系統(tǒng)可分為加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。

（2）加熱方式的確定。減阻劑生產(chǎn)中需要加熱的釜罐的工作溫度較低分別為1 號反應(yīng)釜70℃～110℃和蒸餾罐60℃～70℃，且釜罐的加熱方式都為夾套式加熱。生產(chǎn)中夾套式反應(yīng)釜的加熱方式常用的有水蒸氣加熱、電加熱或油加熱等加熱方式，它們的主要優(yōu)缺點(diǎn)如表1 所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram

表1 加熱方式的優(yōu)缺點(diǎn)Tab.1 The advantages and disadvantages of the heating mode

從表1 中常用的加熱方式比較可知，對于本系統(tǒng)來說選擇油加熱較為合適，但需要優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高油加熱的降溫性能。

（3）冷卻方式的確定。減阻劑生產(chǎn)工藝中2 號反應(yīng)釜工作溫度為常溫常壓，但是入口處的中間產(chǎn)物溫度為70℃～110℃，因此必須對其冷卻，帶走多余的熱量以保證生產(chǎn)溫度。冷凝器是將蒸餾罐蒸餾出的氣體液化，液化過程中釋放出大量的熱量，這個(gè)熱量也需要通過冷卻水的的形式帶走，另外反應(yīng)釜1 和反應(yīng)釜2 列管冷凝器也需通冷卻水進(jìn)行冷凝?，F(xiàn)有的冷卻方式中有直流供水冷卻系統(tǒng)、循環(huán)供水冷卻系統(tǒng)以及新興的熱泵冷卻系統(tǒng)，其優(yōu)缺點(diǎn)如表2 所示。

從表2 中比較分析，本系統(tǒng)采用熱泵冷卻系統(tǒng)較為合適，現(xiàn)對其加以介紹。熱泵冷卻系統(tǒng)采用循環(huán)水冷卻方式，利用熱泵的冷端提取冷卻水中的熱量從而對其冷卻，同時(shí)將熱量經(jīng)熱端釋放到高溫循環(huán)系統(tǒng)中，對高溫循環(huán)系統(tǒng)中的水加熱到50℃～55℃[4～8]。因此，在減阻劑的溫度控制冷卻系統(tǒng)中采用熱泵冷卻系統(tǒng)。

表2 冷卻系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)Tab.2 The advantages and disadvantages of the cooling system

2 加熱、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其控制

（1）加熱回路的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用油熱系統(tǒng)保證1號反應(yīng)釜和蒸餾罐的所需溫度。熱油加熱有控溫準(zhǔn)確但是降溫困難的特點(diǎn)，結(jié)合減阻劑生產(chǎn)工藝流程，本著最大化節(jié)能、減排的理念設(shè)計(jì)了如圖2 所示的加熱回路[14，15]。

由于1 號反應(yīng)釜和蒸餾罐所需加熱溫度不同，采用兩套油加熱系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)，但控制復(fù)雜，成本過高，無法改變其固有缺點(diǎn)。因此在加熱回路中采用了一套油加熱系統(tǒng)，通過板式換熱器對高溫油降溫冷卻，使加熱油達(dá)到蒸餾罐加熱所需的溫度。板式換熱器以冷卻水為介質(zhì)吸收熱量，并對所吸收熱量加以利用。

（2）冷卻回路的設(shè)計(jì)。據(jù)前文分析，減阻劑生產(chǎn)系統(tǒng)采用熱泵冷卻系統(tǒng)保證個(gè)系統(tǒng)的冷卻要求。本著最大限度的回收余熱的目的，設(shè)計(jì)了如圖3 所示的冷卻回路。冷卻回路主要包括熱泵冷端循環(huán)系統(tǒng)和熱泵熱端循環(huán)系統(tǒng)，兩個(gè)循環(huán)系統(tǒng)通過熱泵連接。其中熱泵熱端循環(huán)系統(tǒng)又包括熱水系統(tǒng)1 和熱水系統(tǒng)2。

結(jié)合加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)分析可知，系統(tǒng)對現(xiàn)有的單一使用熱泵系統(tǒng)的制熱或者制冷加以改進(jìn)，一方面使用熱泵的冷端對余熱進(jìn)行提取，另一方面使用熱泵的熱端對水加熱從而產(chǎn)生了生活洗浴用水，同時(shí)使用了熱泵的熱端和冷端，充分發(fā)掘熱泵的應(yīng)用潛力。對同類企業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)升級改造中的余熱回收問題起到技術(shù)支持和一定的借鑒作用。

圖2 加熱回路Fig.2 The heating circuit

圖3 冷卻回路Fig.3 The cooling circuit

3 可回收余熱計(jì)算

在保證生產(chǎn)工藝的前提下，由冷卻回路可以看出可回收的熱量有2 號反應(yīng)釜、板式換熱器、冷凝器、成品出口換熱器、浴室水換熱器以及板1 號反應(yīng)釜冷凝器、2 號反應(yīng)釜冷凝器組成。

（1）2 號反應(yīng)釜可回收熱量。由工藝流程圖可知，2 號反應(yīng)釜可回收的熱量就等于1 號反應(yīng)釜加熱所需的熱量，設(shè)可回收熱量為Q1，則有：

Q1=μ1C1m1△t1m1=ρ1V1△t1=t11-t12

其中： μ1—熱量轉(zhuǎn)換效率（μ1=80%）；C1—1 號反應(yīng)釜中物料比熱容（C1=1.71KJ/Kg℃）；m1—1 號反應(yīng)釜中物料的質(zhì)量；△t1—1 號反應(yīng)釜物料加熱前后的溫差；ρ1—1號反應(yīng)釜中物料密度，ρ1=0.97g/ml=0.97×103Kg/m3；V1—1 號反應(yīng)釜體積，V1=1.5m3；t11—物料升溫后溫度（t11=90℃，取70℃～110℃中間值）；t12—物料升溫前溫度（t12=25℃，取常溫）。即在一個(gè)減阻劑生產(chǎn)周期中，2 號反應(yīng)釜可回收的熱量為： Q1=1.29×105KJ。

（2）板式換熱器可回收熱量。由于熱油進(jìn)出口溫差為5℃，罐內(nèi)物料和熱油進(jìn)口溫差為10℃，因此在穩(wěn)定時(shí)采用對1 號釜通入熱油溫度為100℃，以保證物料的溫度在90℃的中間狀態(tài)，此時(shí)其出口溫度為95℃.在蒸餾罐中為保證物料的溫度為65℃的中間狀態(tài)，其進(jìn)口油溫應(yīng)保持在75℃，因此在1 號反應(yīng)釜熱油出口和蒸餾罐熱油進(jìn)口之間需要通過板式換熱器對其進(jìn)行降溫，提取的熱量儲存在熱水系統(tǒng)2 中，這個(gè)過程可回收的熱量：

Q2=μ2C2m2△t2m2=V T0△t2=t21-t22

其中： μ2—熱量轉(zhuǎn)換效率（μ2=90%）；C2—加熱油比熱容 （C2=2.219KJ/Kg℃）；m2—一個(gè)蒸餾周期中流過板式換熱器的加熱油質(zhì)量；△t2—板式換熱器加熱油進(jìn)出口溫差；V—板式換熱器加熱油質(zhì)量流量（V=1.19Kg/s）；T0—蒸餾罐加熱周期，T0=6h =21600s；t21為板式換熱器加熱油進(jìn)口油溫（t21=95℃）；t22—板式換熱器加熱油出口溫度（t22=75℃）；故在蒸餾罐一個(gè)加熱周期內(nèi)板式換熱器吸收熱量為： Q2=10.27×105KJ。

（3）冷凝器及成品出口換熱器可回收熱量。設(shè)蒸餾罐每個(gè)周期可吸收熱量為Q3，由于其所吸收熱量分為兩部分，一是對蒸餾罐內(nèi)物料的加熱，另一部分是物料揮發(fā)帶走的熱量，因此冷凝器和成品出口換熱器可回收的熱量和即為蒸餾罐一個(gè)周期可吸收熱量Q3，蒸餾罐每個(gè)周期可吸收熱量：

Q3=μ3C3m3△t3m3=V T1△t3=t31-t32

其中：μ3—熱量轉(zhuǎn)換效率（μ3=75%）；C3—加熱油比熱容（C3=2.219KJ/Kg℃）；m3—一個(gè)蒸餾周期中流過蒸餾罐的加熱油質(zhì)量；△t3—蒸餾罐加熱油進(jìn)出口溫差；V—蒸餾罐加熱油質(zhì)量流量（V=1.19Kg/s）；T1—蒸餾罐工作周期，T1=6h=21600s；t31—蒸餾罐加熱油進(jìn)口油溫（t31=75℃）；t32—蒸餾罐加熱油出口溫度（t32=70℃）；故蒸餾罐一個(gè)周期內(nèi)吸收熱量即冷凝器和成品出口換熱器一個(gè)周期內(nèi)可回收熱量為： Q3=2.14×105KJ。

（4）浴室可回收熱量。由規(guī)范設(shè)計(jì)要求和人們洗浴習(xí)慣可知，洗浴用水溫度在40℃左右，洗浴廢水溫度則在32℃左右，對洗浴廢水的余熱回收利用是十分必要的。要計(jì)算可回收熱必須知道原有的升溫到55℃的熱水量。

（5）減阻劑生產(chǎn)過程中每天余熱可產(chǎn)生55℃熱水量。設(shè)在一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)減阻劑生產(chǎn)過程中可回收的熱量為Q，則有： Q=Q1+Q2+Q3。熱泵將回收的熱量用于加熱生產(chǎn)和生活用水, 設(shè)每個(gè)生產(chǎn)周期可提供的高溫水質(zhì)量為m4，則：

Q=C水m4△t4/μ4△t4=t40-t41

其中： μ4—熱量轉(zhuǎn)換效率（μ4=90%）；C水—水的比熱容 （C水=4.2KJ/Kg℃）；△t4—水加熱前后的溫差；t40為水所需加熱到的溫度 （t40=55℃）；t41—水開始加熱的溫度，為常溫，t41=25℃。于是有： m4=9785.71Kg。由于一個(gè)減阻劑生產(chǎn)周期為25h （由各階段反應(yīng)時(shí)間可得），將一個(gè)生產(chǎn)周期余熱可產(chǎn)生的55℃熱水換算為每天24h 可產(chǎn)生的熱水量，設(shè)為m5，則有： m5=9394.29Kg。

（6）洗浴用水回收熱可產(chǎn)生55℃熱水量。洗浴時(shí)淋浴同時(shí)設(shè)有熱水管和涼水管，經(jīng)手動(dòng)調(diào)節(jié)到40℃，這個(gè)過程中需加入一定量的涼水，也就是將55℃的水通過注入一定量的冷水使溫度中和至40℃，設(shè)其質(zhì)量為m6，則有：

C水m6△t5=C水m5△t6△t5=t51-t52△t6=t61-t62

其中： C水—水的比熱容（C水=4.2KJ/Kg℃）；m6—所需通入冷水的質(zhì)量；△t5—冷水升溫前后溫差；m5—每天生產(chǎn)線可提供55℃熱水的質(zhì)量，m5=9394.29Kg；△t熱—熱水降溫前后溫差；t51—冷水升溫后溫度（t51=40℃）；t52—冷水升溫前溫度 （t52=25℃）；t61—熱水降溫前溫度 （t61=55℃）；t62—熱水降溫后溫度 （t62=40℃）。于是有：m6=m5=9394.29Kg。即每天洗浴用水總質(zhì)量：m7=m5+m6=18788.58Kg。

洗浴過后溫度由40℃降到32℃，通過板式換熱器將其冷卻到常溫25℃，設(shè)過程中可回收熱量為Q4，這部分熱量經(jīng)熱泵轉(zhuǎn)化后產(chǎn)生為55℃的熱水，設(shè)產(chǎn)生熱水量為m8，則：

Q4=μ5C水m7△t7△t7=t71-t72Q4=C水m8△t轉(zhuǎn)/μ6

其中：△t8=t81-t82；μ5—熱量轉(zhuǎn)換效率（μ5=90%）；C水—水的比熱容 （C水=4.2KJ/Kg℃）；m7—洗浴用水的總質(zhì)量（m7=24198.10Kg）；△t7—洗浴用廢水余熱回收前后溫差；t71—洗浴用廢水降溫前溫度 （△t71=32℃）；t72—洗浴用廢水降溫后溫度（△t72=25℃）；μ6—熱量轉(zhuǎn)換效率（μ6=90%）；m8—洗浴用廢水回收余熱轉(zhuǎn)化為洗浴用55℃熱水的質(zhì)量；△t8—洗浴用熱水溫度和水源溫度溫差；t81—洗浴用熱水溫度（△t81=55℃）；t82水源溫度（△t82=25℃）；于是有：Q4=4.97×105KJ，m8=3551.04Kg。即每天經(jīng)回收洗浴用廢水熱量可產(chǎn)生新的55℃熱水質(zhì)量為m8=3551.04Kg。

（7）每天通過余熱回收可產(chǎn)生的熱水量。通過上文的分析可知，余熱回收包括減阻劑生產(chǎn)過程和洗浴廢水余熱回收兩部分，設(shè)每天回收余熱可產(chǎn)生55℃熱水的質(zhì)量為M，體積為V，則：M=m5+m8，V=Mρ。其中： m5—減阻劑生產(chǎn)過程中每天回收余熱轉(zhuǎn)化為55℃熱水的質(zhì)量（m5=9394.29Kg）；m8—對洗浴過后廢水余熱回收每天可轉(zhuǎn)化為55℃熱水的質(zhì)量，m8=3551.04Kg，ρ—水的密度（ρ=1Kg/L）。即：M=12945.337Kg，V=12945.33L。按每人每天洗浴使用55℃熱水80L 計(jì)算，可供161 人洗浴使用。

4 結(jié)論

（1）通過對減阻劑生產(chǎn)工藝的分析及其實(shí)際使用條件選定并設(shè)計(jì)了加熱回路和冷卻回路，加熱采用經(jīng)過優(yōu)化的油熱系統(tǒng)，冷卻采用熱泵技術(shù)達(dá)到節(jié)能減排改善員工生活條件的目的。

（2）運(yùn)用熱泵對生產(chǎn)中的各部分可回收熱量回收并加以利用，每天產(chǎn)出55℃的熱水12945.33L，可供該廠生產(chǎn)車間職工161 人洗浴使用。

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