冷熱媒在化工企業(yè)中的應(yīng)用

冷熱媒在化工企業(yè)中的應(yīng)用

1汽化、凝結(jié)水系統(tǒng)在中國(guó)的一些化工公司中，原料化工工藝通常采用生理鹽水冷卻和蒸汽加熱的過(guò)程（見(jiàn)圖1）。物料冷凝時(shí),將鹽水通入純化器,不斷循環(huán),待冷凝工序完成后,為將冷凝器盤(pán)管內(nèi)殘留的鹽水排入冷凍系統(tǒng),須用壓縮空氣將鹽水排入排液箱,再經(jīng)排液泵注入系統(tǒng)。當(dāng)物料被汽化時(shí),將蒸汽通入純化器盤(pán)管,待汽化過(guò)程完成后,再用壓縮空氣將盤(pán)管中的凝結(jié)水吹掃干凈,以防止鹽水通入時(shí)濃度變化引起凝固點(diǎn)改變。該流程存在以下不足:1)由于冷卻介質(zhì)(冷媒)采用了鹽水,而鹽水對(duì)金屬的腐蝕性較強(qiáng)(溫度≤80℃,年腐蝕率為0.05～0.5mm/a),因此設(shè)備和管道有被腐蝕而發(fā)生泄漏事故的可能性。為防止事故發(fā)生,必須增加設(shè)備和管道的壁厚,工程造價(jià)提高。2)由于加熱和冷卻采用不同工質(zhì),在冷凝、汽化工序轉(zhuǎn)換時(shí)操作程序復(fù)雜,工作周期延長(zhǎng)。2冷凍、加熱系統(tǒng)汽化工序的特點(diǎn)采用同一種介質(zhì)作為冷/熱媒,在物料被冷凝時(shí),將冷媒通入純化器,冷凝工序完成后,切換冷凍、加熱系統(tǒng)閥門(mén),進(jìn)行汽化過(guò)程。流程見(jiàn)圖2。相對(duì)采用不同介質(zhì)的冷凍、加熱系統(tǒng),該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):1)采用同一種工質(zhì)作為冷熱媒,冷凝、汽化工序轉(zhuǎn)化操作簡(jiǎn)單。2)對(duì)系統(tǒng)的管理、自控儀表的檢測(cè)更具先進(jìn)性。3乙二醇的特性理想的冷/熱媒應(yīng)具有的特性:1)在該系統(tǒng)的工作溫度范圍內(nèi),所選的冷/熱媒是液體狀態(tài),其凝固點(diǎn)應(yīng)比該系統(tǒng)中制冷劑蒸發(fā)溫度低4～8℃,其沸點(diǎn)應(yīng)高于系統(tǒng)可能達(dá)到的最高溫度。2)比熱容大。傳輸一定熱量時(shí),比熱容大的工質(zhì)流量小,可以減少輸送工質(zhì)循環(huán)泵的功率消耗。3)密度小。當(dāng)流量一定時(shí)輸送密度小的介質(zhì),其循環(huán)泵的功率消耗小。4)化學(xué)穩(wěn)定性好。在大氣條件下不分解,不與空氣中的氧化合,不改變其物理化學(xué)性質(zhì)。5)對(duì)設(shè)備、管道及附件腐蝕性小。6)液態(tài)和氣態(tài)時(shí)均無(wú)毒。乙二醇的特性見(jiàn)表1～表5。通過(guò)上述分析可知,乙二醇水溶液作為冷/熱媒應(yīng)用于該類(lèi)工程是安全可靠的。4采用乙二醇溶液為冷熱媒體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)4.1凝固點(diǎn)/熔點(diǎn)的選擇在某工程物料裝置的乙二醇系統(tǒng)中,其工作溫度為-25～100℃,因此乙二醇水溶液的濃度首先要滿(mǎn)足凝固點(diǎn)-30℃以下、沸點(diǎn)105℃以上的基本要求,其次要考慮對(duì)應(yīng)溫度下的密度、比熱容及黏度對(duì)系統(tǒng)的影響。從表6可看出,乙二醇水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48%時(shí),凝固點(diǎn)為-33℃,沸點(diǎn)為106℃,可滿(mǎn)足使用要求。該質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化較小,但黏度隨溫度的變化較大,在設(shè)計(jì)中需考慮此因素。4.2泵性能修正系數(shù)普通離心泵是在一定流量下,根據(jù)揚(yáng)程確定電機(jī)功率的,且均以水的黏度作為參考值。由于乙二醇水溶液在低溫狀態(tài)下的黏度較大,因此在選擇泵時(shí)要充分考慮黏度的影響。通過(guò)泵在不同黏度下對(duì)流量、揚(yáng)程、效率修正系數(shù)確定冷媒泵的電機(jī)功率。圖3所示為離心泵輸送黏性液體時(shí)泵性能的修正系數(shù)。如果系統(tǒng)輸送質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48%的乙二醇水溶液流量為30m3/h,揚(yáng)程40m,溶液的黏度為27.3mPa·s,則可從圖3中查出對(duì)應(yīng)的流量、揚(yáng)程、效率修正系數(shù)CQ,CH和Cη分別為0.99,0.95和0.78,水泵效率取80%,則輸送乙二醇水溶液所需的軸功率(kW)為Ν軸乙=QρΗ3600×102CQCΗCηη=30×1086×403600×102×0.99×0.95×0.78×0.8=6.0(1)式中:Q,ρ和H分別為水泵流量、流體密度及揚(yáng)程。同樣流量和揚(yáng)程下輸送介質(zhì)為水的軸功率(kW)為Ν軸水=30×1086×403600×102×0.8=4.4因此輸送乙二醇水溶液時(shí)應(yīng)考慮介質(zhì)對(duì)水泵性能的影響。4.3加熱形式的確定本工程采用蒸汽加熱形式,蒸汽壓力為0.3MPa(表壓),此時(shí)蒸汽飽和溫度為120℃。4.4氣體壓延系統(tǒng)的配置4.4.1電熱泵汽蝕在熱媒加熱系統(tǒng)中,需將乙二醇水溶液加熱至100℃,而48%乙二醇水溶液常壓下沸點(diǎn)(760mmHg)為106.7℃。由于加熱設(shè)備內(nèi)介質(zhì)溫度梯度的存在及管道的阻力損失等因素,可能使乙二醇水溶液汽化,造成熱媒泵汽蝕,直接影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為加強(qiáng)系統(tǒng)可靠性,在加熱罐液面上方充入氮?dú)?提高整個(gè)系統(tǒng)的壓力,以此提高工作介質(zhì)的沸點(diǎn)。4.4.2天然氣壓力的確定氮?dú)鈮毫Φ拇_定應(yīng)考慮2個(gè)方面的因素:防止溶液沸騰和防止溶液泵汽蝕。1系統(tǒng)的也有蒸發(fā)熵的點(diǎn)klnp-lnp0=ΔΗvR(1Τb-1Τ)(2)式中:p為系統(tǒng)中工質(zhì)沸點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力(mmHg);p0為正常沸點(diǎn)壓力(760mmHg);R為氣體常數(shù)(8.31J/(K·mol));Tb為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下介質(zhì)的沸點(diǎn)(K);T為系統(tǒng)中工質(zhì)的沸點(diǎn)(K);ΔHv為溶液在760mmHg的蒸發(fā)熵(J/mol)。在某工程中,加熱蒸汽溫度為120℃,故乙二醇水溶液的最高溫度不會(huì)超過(guò)此溫度,即T=120+273=393K由于被加熱介質(zhì)為乙二醇水溶液,因此ΔHv可通過(guò)計(jì)算得出:ΔH水=40756ΔH乙二醇=49671則ΔHv=40756×0.52+49671×0.48=45035.2由(2)式可求出p=1236mmHg=16.5kPa由于系統(tǒng)管道和設(shè)備的壓力損失Δp=120kPa,考慮一定安全系數(shù),系統(tǒng)中氮?dú)舛▔毫?kPa)為p定=(p+Δp)×1.1=1502kpa/pv壓力和回用壓力Δh=pa-pvρg+v122g-Ηg(3)式中:Δh為允許汽蝕余量(m);pa為作用于吸水面的絕對(duì)壓力(kPa);pv為液體溫度下的汽化壓力(kPa);ρ為液體的密度(kg/m3);v1為水泵吸入口的平均流速(m/s);g為重力加速度(m/s);Hg為水泵制造廠提供的允許吸上高度(m)。比較式(2)與式(3)的計(jì)算結(jié)果,取其較大值為系統(tǒng)的定壓值。4.5腐蝕速度的測(cè)試在選擇冷凝器盤(pán)管材料及乙二醇系統(tǒng)管道材料時(shí),對(duì)48%乙二醇水溶液對(duì)金屬的腐蝕速度進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明乙二醇水溶液對(duì)不銹鋼及碳鋼的腐蝕性均屬耐腐蝕級(jí)。由于不銹鋼導(dǎo)熱性能較碳鋼差(100℃時(shí)前者λ=16.3W/(m·℃),后者λ=51.8W/(m·℃)且價(jià)格較高,故在設(shè)計(jì)中應(yīng)采用碳鋼材料。5金屬管道及設(shè)備腐蝕某工程采用乙二醇水溶液作為冷/熱媒應(yīng)用于氣體純化工藝,管道及純化器采用不銹鋼材料