从设备、管线布置施工谈化工生产装置节能改造

郭新忠,曹战龙

(东营华泰化工集团有限公司，山东 东营 257091)

1 前言

节约能源作为一项基本国策一直受到国家层面的高度重视，1997年全国人民代表大会常务委员会专门立法通过了《中华人民共和国节约能源法》，之后又通过了3次修订。并且2005年由国家发改委出台了首部《产业结构调整指导目录》作为指导能源节约的纲领性文件，其后又经过3次调整。以国家立法为基础的节约能源政策逐步按规划实施，也起到了很好的引领作用。在具体的工艺设备、管线如何布置缺乏相应的标准、规范，出现了相同的工艺，但能耗差别较大的现象。合理的工艺设备、管线布置可以充分利用流体在流动过程中各种形式机械能之间的相互转换关系，合理布局从而降低物料在输送过程中的能耗。文章就东营华泰化工集团有限公司(以下简称“公司”)生产中物料输送的过程谈一谈合理的工艺设备、管线布局对节能的影响。

2 物料输送过程中影响能耗的因素

在流体输送过程中的基本参数有：位能、动能、静压能、机械能等。参数之间的关系由伯努利方程修正式表示：

故可以通过改变物料在输送过程中的位能、动能等降低物料在输送过程中的能耗。

3 氯碱生产中物料的输送量

在氯碱生产中，精制盐水、回盐水、32%成品烧碱、31%成品盐酸等物料需要通过泵向另一个罐输送，并且输送量较大。

(1)输送的精盐水及回盐水量

在使用直流电电解食盐水生产烧碱、氯气等产品的氯碱生产工艺中，进入电解槽的阳极液并不是全部参与了反应，只是一部分氯化钠进行了分解，阳极液中的水分一部分随着钠离子透过离子交换膜迁移到阴极，一部分水在温度升高的作用下，形成饱和蒸汽和生成的氯气一起被称为湿氯气，大部分的盐和水以淡盐水的形式返回系统，经脱氯处理后作为化盐水返回化盐系统中重新参与生产、反应。此部分的量大约为入槽精制盐水的0.7倍左右。

返回盐水的量可以按硫酸根的含量进行测算，是比较准确的数值。入槽盐水硫酸根含量为5 g/L[2]，出槽淡盐水的硫酸根含量为7 g/L[3]。

则入槽盐水量V入×5=V出×7

精盐水在电解槽内参与反应后，大约有0.7倍的精制盐水未参与到反应的淡盐水会返回系统。

生产1 t折百的烧碱，理论上需要1.462 5 t NaCl。

按精盐水含NaCl量310 g/L[4]。则生产1 t折百的烧碱需要的精盐水数量为：

1.462 5×1 000÷310=4.72(m3)

输送的回盐水量为：4.72×0.7=3.3(m3)

(2)输送的产品的量

32%烧碱输送量：32%的烧碱在40 ℃时的密度为1.336 2 kg/L[5]。则1 t折百烧碱折合为32%烧碱时体积为：1÷32%÷1.336 2=2.34 m3

31%盐酸输送量：

80 71

1X

X=1×71÷80=0.887 5 t

取阳极效率为98%则每生产1 t折百烧碱，能够产生0.887 5×0.98=0.869 75 t氯气。按95%的液化效率计算，则会有0.043 5 t氯气用于生产盐酸，取40 ℃时密度为1.17 kg/L[6]，生成的31%盐酸量为：

0.043 5÷71×73÷31%÷1.17=0.123 m3

(3)总输送量

4.72+3.3+2.34+0.123=10.48 m3，也就是说每生产1 t折百的烧碱就会有10.48 m3的物料需要使用离心泵进行进罐的输送。公司的生产规模是75万t烧碱(折百)/a，物料的输送量非常大，所以如何降低动力电耗输送这部分物料，具有非常可观的经济效益。

4 目前公司工艺设备、管线安装现状

(1)公司目前设备、管线安装、布置情况

公司在安装时，电解的淡盐水到化盐池的路线走向示意图如图1。电解淡盐水管线自电解到盐水进入化盐池时，管道通过管廊跨过两条马路。淡盐水自配水罐的顶部进入，然后配水罐内淡盐水再经化盐泵加压后进入化盐池用于溶解原料原盐。

图1 化盐水管道原设计图Fig.1 Original design drawing of pipeline of melt saline water

(2)目前布置存在的不足

此安排布局没有很好地进行综合考虑。不利于动力电耗的降低和设备的综合利用。原设计有两个方面的缺陷：一是由电解的淡盐水到盐水的配水罐没有考虑伯努利方程理论利用利用虹吸现象降低动力设施的动力电耗；二是自盐水的配水罐进入化盐池需要经过一个管廊。使用泵的输送才能达到最终目的，增加了运转设备的运行数量。这样的工艺布置有以上两个问题有待商榷，没有实现最大可能的降低动力电耗的目的。

5 合理工艺布局对降低动力电耗的可行性分析

(1)降低动力电耗的解决措施

公司在利用伯努利方程充分讨论了能耗的影响因素及局部实验的基础上，提出了两种改良的措施，主要从以下几个方面着手，如：通过改变进口位置，充分利用虹吸现象，降低泵的有效扬程；通过改变管道流通直径，改变物料流速，降低泵所必需提供的机械能；通过改变设备布局，达到减少动力设备运行数量，从而降低动力电耗的目的。改造后的流程示意图如图2、图3(注：以下公式、论述中均不考虑管道的摩擦阻力)。

图2 改造后化盐水管道布置图Fig.2 Layout of transformed melt saline water pipeline

图3 改造后化盐水管道布置图Fig.3 Layout of transformed melt saline water pipeline

(2)措施一。通过降低配水罐的进口位置，由顶部进入改为由底部进入，可以通过虹吸现象有效的降低淡盐水泵的有效扬程，从而达到降低离心泵功率、降低动力电耗的效果。

根据方程，研究一下物料自罐顶和罐底进入时消耗的动能的区别。如图4、图5。

图4 物料自罐顶和罐底进入时消耗的动能分析示意图Fig.4 Schematic diagram of kinetic energy analysis consumed when materials enter from tank top and tank bottom

物料自罐顶进罐时，物料进罐的压力取截面1-1′处的压力，记作p1。物料自罐底进罐时，物料进罐的压力取截面2-2′处的压力，记作p2。则有：

因：u1=u2，则有：p1-p2=ρg(z2-z1)<0

也就是说，物料自罐底进入时，由于虹吸管的作用，1-1′截面出的压力会出现真空的情况。

但物料自罐顶进入时，由于物料需要流动，p1始终大于零。设自物料自罐顶进入时，2-2′压力为p顶，自罐底进入时，2-2′压力为p底,根据前面的论证有p顶>p底。取在罐顶进口处相同点比较泵所必需提供的机械能的差别。

图5 泵与管道配位图Fig.5 Layout of pump and pipeline

不考虑管道能量损耗，则泵所需提供的机械能为：

因u2=u1，高度h相同，泵入口压力相同，则p2分别取p顶、p底时，会出现泵的机械能的差别。则物料从顶部进入时，泵所提供的机械能w顶要大于物料自底部进入时，泵所提供的机械能w底。即：w顶>w底。

结论。物料自罐底进入时，由泵所提供的机械能要小于自罐顶进入时所必需的机械能。

(3)措施二。 适当改变进罐管道直径，改变物料流速，进而降低泵所需提供的机械能(图6)。

图6 改变进罐管道直径示意图Fig.6 Schematic diagram of changing the diameter of the inlet pipe of tank

因为物料在管道内连续性流动，所以在截面1-1′和截面2-2′处，两者的流体质量相等。因为截面1-1′的直径d1小于截面2-2′处的直径d2，则有截面1-1′的流体流速μ1小于截面2-2′处的流速μ2。即：μ1<μ2。

(4)措施三。通过改动设备的位置，减少动力设备运行数量，达到降低动力电耗，节省能源的目的。

改变电解来的淡盐水单纯进入配水罐的模式既可以进配水罐也可以直接进入化盐池，这样可以省去由配水罐输送至化盐池所必须的动力设施——化盐水泵，达到降低动力电耗的目的。

将配水罐和化盐池就近布置，这样就可以省去了化盐泵，当生产条件发生改变或刚开车不正常时，电解来的淡盐水进配水罐，化盐水通过配水罐再进入化盐池。正常生产后，电解来的淡盐水直接进化盐池，配水罐基本可以空置不用，可以调节化盐用水的平衡。比较适用于生产装置的初期安装。

配水罐和化盐池之间有马路，必须通过管廊才能到达的。电解来的淡盐水直接进入化盐池，配水罐仍是起调节作用，在刚开车和生产条件变化时，淡盐水进配水罐临时缓冲。配水罐内收集的水可通过化盐水泵输送至化盐池，设置化盐水泵的目的主要也是调节的作用，平时该设备不运行。这种改造比较适宜于在原设备安装完成后的改造项目。

6 节能效果分析

崔方水等[9]论述了利用虹吸现象降低循环水泵扬程的可行性和产生的巨大效益。可以为上述措施一、措施二中关于设备布置位置、管线进口位置、管径改变等的改造提供理论支持，也间接说明了工艺布置的小改动，可以创造较大的经济效益。

对于措施三而言，可以直接利用停运的离心泵的功率、以及运行时间测算改造后的节能效果。

7 结语

综上所述，同样的生产工艺，但在具体安装过程中改变储存设备的进口方位便可起到降低动力电耗的目的。由氯碱生产推广到其他凡是涉及到物料输送的单元操作中，均有相同的效果。所以说降低能源消耗，可以通过很多的途径进行不同程度的实现。通过更新更节能的新型节能设备，也可以通过淘汰落后的生产工艺使用更加节能环保的新工艺达到节省能源的目的，这些都是在大的层面进行的宏观控制。在具体实施层面，工艺设备的布置、工艺管线的铺设同样会对动力设施的能耗起到非常重要的影响。总体工艺确定后，施工人员针对施工现场具体的情况，审定更节能的工艺布置并及时和设计院取得联系、沟通也是非常重要的。