己內(nèi)酰胺制備中反應(yīng)熱綜合利用的節(jié)能設(shè)計思路

趙云(浙江工程設(shè)計有限公司，浙江 杭州 310002)

0 引言

己內(nèi)酰胺是一種常見的有機化工原料，它的應(yīng)用非常廣泛。在己內(nèi)酰胺制備中，若能采用一種新的節(jié)能設(shè)計思路，利用化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量作為其他工序的熱源，便可節(jié)約用來加熱該工序物料的蒸汽和用來冷卻此反應(yīng)熱的循環(huán)水[1]。所以，己內(nèi)酰胺制備過程中反應(yīng)熱的綜合利用有著非常重要的研究價值。

1 節(jié)能設(shè)計在化工領(lǐng)域應(yīng)用的重要性

化工行業(yè)的進步離不開能源的節(jié)約和利用，現(xiàn)在全球可再生資源匱乏，并且正不斷減少，因此若能在化工行業(yè)中應(yīng)用節(jié)能技術(shù)，第一，將會提升能源在化工行業(yè)中的利用率，增加能源使用的期限，從而促進中國化工行業(yè)的發(fā)展；第二，可以降低化工行業(yè)的成本消耗。采用節(jié)能設(shè)計不但能降低能源成本，還可增加能源的使用率，提高整個化工企業(yè)的經(jīng)濟效益；第三，化工行業(yè)和環(huán)境保護相互結(jié)合。化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，極易出現(xiàn)環(huán)境污染問題[2]。如果應(yīng)用節(jié)能減耗技術(shù)，就能夠減少硫化物的排放量，降低環(huán)境污染，改善生態(tài)環(huán)境，讓化工工業(yè)與環(huán)境保護相結(jié)合。

2 節(jié)能設(shè)計在化工行業(yè)中的應(yīng)用

2.1 化學(xué)反應(yīng)熱的利用

在我們的生活、工作、學(xué)習(xí)和生產(chǎn)中，化學(xué)反應(yīng)可謂無處不在，而化學(xué)反應(yīng)熱又是化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)能量變化的體現(xiàn)，是可以被人類直接和間接利用的能量。比如我們可以用燃燒煤及煤氣產(chǎn)生的熱量來燒水或發(fā)電；也可以用液氫和液氧的燃燒熱給火箭提供推動力[4]；還可以用蓄電池的反應(yīng)熱轉(zhuǎn)換為電能，給電動汽車提供動力。

2.2 污水回收利用技術(shù)

在化工生產(chǎn)中，污水的排放是水資源污染的重要因素之一，想要合理地利用水資源，減少污染，并對水資源進行有效地回收和利用，成為當(dāng)今化工行業(yè)需要解決的重要問題[5]。目前我國的工業(yè)污水絕大部分都是通過建設(shè)規(guī)模比較大的污水處理廠進行集中處理的。在處理工業(yè)污水的實際過程中，既要對排出的廢水、污水進行收集，還要對其進行集中深度地加工處理，以供企業(yè)再次循環(huán)利用，改善工業(yè)污水超量的嚴(yán)峻形勢。工業(yè)生產(chǎn)污水中含有大量的氮、磷、鉀等微量元素，而這些微量元素可以為植物提供所需的養(yǎng)分，即使污水已經(jīng)過濾處理，但是在水體中仍然存在著各種微量元素。將處理后的工業(yè)污水應(yīng)用到土壤灌溉中，可以很好地提高土壤肥力，讓污水中各種微量元素充分發(fā)揮作用，促使植物更好地生長。

2.3 化工新技術(shù)與新設(shè)備

在目前的化工生產(chǎn)中，我們可以發(fā)明一些新的設(shè)備和利用新技術(shù)來進行節(jié)能減耗，避免資源的浪費。對于新的技術(shù)和設(shè)備來講，它們的操作相對來說比較簡單，但是效果卻非常好，不僅能夠節(jié)能減耗還能提升化工行業(yè)的產(chǎn)量。我們常見的化工新設(shè)備有很多，例如高效集熱分餾塔、高效螺旋分餾塔、低能耗電動機等。

2.4 數(shù)據(jù)支持

除了上面幾種新技術(shù)和新設(shè)備等節(jié)能減耗的方法以外，要想控制好在化工行業(yè)轉(zhuǎn)化中的外部壓力，還需要數(shù)據(jù)的支持。在化工生產(chǎn)中，要對數(shù)據(jù)進行實時地計算，通過化學(xué)方程式的特征進行計算和評估，同時還要對化工工藝轉(zhuǎn)化中的外部壓力的最大值進行分析，再通過數(shù)據(jù)的支持，對化工工藝流程和轉(zhuǎn)化進行計算和規(guī)劃，控制好壓力值，最終達到節(jié)能減耗的目的。

3 己內(nèi)酰胺制備的節(jié)能設(shè)計

經(jīng)實驗測得，氨肟化反應(yīng)熱為300 kJ/mol肟，重排反應(yīng)熱為260 kJ/mol肟。按15萬t/a己內(nèi)酰胺制備規(guī)模(年操作時間8 000 h，環(huán)己酮投料量16 875 kg/h(172 kJ/h))的反應(yīng)熱計算結(jié)果如表1所示。

表1 15萬噸/年己內(nèi)酰胺制備的氨肟化反應(yīng)和貝克曼反應(yīng)的放熱量

3.1 氨肟化反應(yīng)熱的綜合利用

3.1.1 設(shè)計思路

己內(nèi)酰胺的中間產(chǎn)品環(huán)己酮肟制備方法有很多，但目前國內(nèi)最常用的當(dāng)屬環(huán)己酮氨肟化法，即環(huán)己酮、雙氧水、氨氣按一定比例加入到肟化反應(yīng)器中，在85 ℃左右，0.2～0.3 MPa及催化劑作用下直接反應(yīng)生成環(huán)己酮肟。環(huán)己酮氨肟化反應(yīng)為放熱反應(yīng)，目前工業(yè)上這些熱量未被利用，反應(yīng)熱均需要大量的循環(huán)水來冷卻移走，不僅浪費大量的熱量，還浪費大量冷量。如果我們利用己內(nèi)酰胺萃取后的粗苯與氨肟化反應(yīng)物直接進行換熱，不但能夠節(jié)約蒸粗苯用的蒸汽，還可以節(jié)約大量用于取走反應(yīng)熱的循環(huán)水，既利用了熱量，又節(jié)約了冷量。

氨肟化主要反應(yīng)方程式如下：

3.1.2 工藝計算

(1)設(shè)計條件。氨肟化反應(yīng)溫度為85 ℃左右，放熱量為11 935 407 kcal/h，折合蒸汽當(dāng)量約24 t/h，可以考慮作為塔釜溫度小于75～80 ℃再沸器熱源。這里我們選擇苯蒸餾和苯汽提塔作為肟化反應(yīng)熱的利用對象。

(2)計算過程及結(jié)果。①用于苯蒸餾塔。苯蒸餾單元進料量為87 t/h(102 m3/h)，進料溫度80 ℃，采用雙效蒸餾，蒸汽用量為12.6 t/h。因此，可以將原雙效苯蒸餾塔改為一臺減壓塔，塔釜溫度控制在65 ℃，采用氨肟化的反應(yīng)熱直接作為苯蒸餾塔的再沸器，此時需要的熱負(fù)荷為7 426 588 kcal/h?？紤]到塔釜苯中含有重組分，控制塔釜苯含量 95% 左右進入苯殘液蒸餾塔進一步回收苯。改造后，苯蒸餾塔完全采用氨肟化反應(yīng)熱，不再采用蒸汽加熱，可以節(jié)省蒸汽 12.0 t/h，原則流程如圖1所示。

圖1 苯蒸餾塔原則流程圖

②用于苯汽提塔。氨肟化反應(yīng)熱經(jīng)苯蒸餾塔利用后，剩余約188 406 kJ/h，目前苯汽提塔進料量約為 55 t/h，常壓操作，進料采用0.6 MPa蒸汽由80 ℃預(yù)熱至92.3 ℃(蒸汽量未給)，根據(jù)模擬，預(yù)熱需要的蒸汽量約為 1.0 t/h，再沸器蒸汽用量為3.3 t/h，共計4.3 t/h。苯汽提塔改為減壓操作，塔釜溫度控制在75 ℃左右，進料不再采用蒸汽預(yù)熱。苯汽提塔釜液直接去加氫，加氫溫度約90 ℃，苯汽提塔改為減壓后，塔釜溫度在75 ℃左右，需要加熱至 90 ℃去加氫，需要熱量3 016 kJ/h(折合蒸汽1.44 t/h)。這部分熱量有兩種加熱方式，一種簡單的改造方式是將原預(yù)熱苯汽提塔進料的蒸汽加熱取消，改為預(yù)熱汽提塔塔釜物料，改造完可以比原來節(jié)約3.3 t/h蒸汽；另一種是將三效蒸發(fā)冷凝后的110 ℃的烷液體將苯汽提塔塔釜液體預(yù)熱至90 ℃，此時，節(jié)約蒸汽4.3 t/h。原則流程如圖2所示。

圖2 苯汽提塔原則流程圖

3.2 重排熱的綜合利用

3.2.1 設(shè)計思路

己內(nèi)酰胺生產(chǎn)過程中需要經(jīng)過環(huán)己酮氨肟化反應(yīng)生成環(huán)己酮肟，環(huán)己酮肟在20%的發(fā)煙硫酸存在下，發(fā)生貝克曼分子重排反應(yīng)，形成己內(nèi)酰胺硫酸溶液，并放出大量的熱。目前工業(yè)上這些熱量未被利用，反應(yīng)熱均需要大量的循環(huán)水來冷卻移走，不僅浪費大量的熱量，而且還浪費大量冷量。因此，對反應(yīng)熱進行綜合利用具有重要的經(jīng)濟意義。重排反應(yīng)熱為260 kJ/mol肟，其反應(yīng)過程如式(2)：

3.2.2 工藝計算

(1)設(shè)計條件。經(jīng)過實驗所得，重排反應(yīng)熱為260 kJ/mol肟，倘若可以利用此反應(yīng)熱來產(chǎn)生環(huán)己烷蒸汽，并作為蒸餾或蒸發(fā)的熱源，代替水蒸氣，便能夠節(jié)約蒸汽和循環(huán)水。由表1可知，貝克曼重排反應(yīng)總放熱量為 10 344 019 kcal/h(折合蒸汽20 t/h)(134 ℃水的汽化熱為2 164 kJ/kg)，實際生產(chǎn)中15萬t裝置環(huán)己烷蒸汽量為 80 000 kg/h(130 ℃環(huán)己烷氣化熱為318.16 kJ/kg，潛熱約為 6 000 000 kcal/h(折合12 t/h蒸汽)。

(2)計算過程及結(jié)果。由于烷蒸汽溫度最高 130 ℃，考慮節(jié)能做成三效，為了匹配加熱熱源烷蒸汽的壓力、溫度條件，我們對三效的操作條件進行了調(diào)整，將原三效塔釜己內(nèi)酰胺塔釜出料中CPL 含量由 90%左右調(diào)整至含 CPL84%左右，塔釜溫度控制在 74 ℃左右，使一效塔在微正壓操作，采用烷蒸汽加熱，二效和三效均采用減壓，兩塔操作壓力不同，一效的塔頂蒸汽作為二效熱源，二效塔頂蒸汽作為三效塔塔釜熱源，可通過一效塔再沸器冷凝后的烷液體進入三效塔塔釜再沸器繼續(xù)加熱。三效蒸發(fā)可以使用貝克曼重排產(chǎn)生的烷蒸汽加熱。改造后，可以節(jié)省蒸汽12 t，改造后原則流程圖如圖3所示。

圖3 改造后原則流程圖

3.2.3 運行情況及經(jīng)濟效益評估

在進行熱負(fù)荷的統(tǒng)計中，可以發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)熱綜合利用后共節(jié)約蒸汽28.3 t/h，蒸汽單價以100元/t計，年節(jié)省蒸汽費用2 264萬元(年操作時間以8 000 h計)；除此之外，還可以節(jié)省反應(yīng)熱移出需要的循環(huán)水量2 228 t/h，循環(huán)水單價以0.12元/t計，可以節(jié)省214萬元/a，節(jié)省電費約60萬元/a(電費以0.5元/kW·h計)。

4 結(jié)語

化工是一種需要耗費巨大能源的行業(yè)，所以在化工生產(chǎn)中，應(yīng)用節(jié)能設(shè)計是至關(guān)重要的，這關(guān)系到整個行業(yè)的發(fā)展。文章對己內(nèi)酰胺制備的節(jié)能設(shè)計思路進行了描述，通過對工藝的分析，明確了己內(nèi)酰胺制備的節(jié)能設(shè)計思想和方向，除了降低裝置的能源消耗外，還最大程度上減少了資源的浪費，同時也節(jié)約了化工企業(yè)生產(chǎn)的資源成本，提升了企業(yè)的核心競爭力和市場地位。