MEA吸收CO2过程用能分析及节能途径探讨.pdf
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1、大连理工大学_硕士学位论文_MEA吸收C0,2过程用能分析及节能途径附 大连理工大学硕士学位论文摘 要化工过程中分离过程所消耗的能量往往占过程总能耗的主要部分,因而对分离过程 的节能研究具有重要意义。在过程节能研究中,需要对过程进行热力学分析,以了解能 量利用程度。有效能分析是近几年来得到迅速发展的极其有用的热力学分析方法,通过 有效能分析,可以了解某一过程或装置能量利用的完善程度,找出节能降耗的有效途径。用一乙醇胺回收烟道气中的C02是众多C02回收方法中应用最广泛的一种,但该方 法在吸收液再生过程中需要消耗大量的热量。所以,如何减少再生过程中的能耗成了当 前需要解决的问题之一。本文利用大型
2、稳态模拟系统ASPEN PLUS对MEA吸收C02的传统流程进行模拟计 算,分析全系统及各子系统有效能消耗、全流程的热力学效率以及有效能损失,并用逐 板有效能分析法分析解吸塔中每块塔板上有效能利用情况,进而提出三种节能改造措 施,第一种是采用合理利用外部损失能的双效精微流程,第二种是采用从因减小吸收的 传质推动力进而减少吸收剂用量的方面来降低能耗的分段吸收流程,最后一种是采用靠 消耗一定机械能来提高低温蒸气能位的热泵精储流程。本文先从理论上分析这三种节能流程的可行性,进而用ASPEN PLUS对这三种流 程进行模拟,并对其进行有效能分析。结果表明,在CO?回收率和回收纯度要求分别为 80%和9
3、8%的条件下,和传统流程相比,这三种改进流程均有不同程度的节能效果,并且 双效精播流程和分段吸收流程的节能效果较热泵精馈流程更加明显,前者分别节约有效 能 21.30%和 25.06%,后者节约 13.28%关键词:有效能;双效精储;分段吸收;热泵精储-I-MEA吸收C6过程用能分析及节能途径探讨An alysis o f En ergy Co n sumptio n an d Appro ach es to Savin g En ergy in th e Pro cess o f CO2 Abso rptio n by MEAAbst r actEn ergy co n sumptio n
4、o f ch emical separatio n pro cess is th e main o f to tal en ergy co n sumptio n,so en ergy-savin g h as a great sign ality to separatio n pro cess.In o rder to kn o w th e en ergy efficien cy,it n eeds to do th ermo dyn amic an alysis in en ergy-savin g research.Th e rapid develo pmen t available
5、en ergy an alysis is extremely useful th ermo dyn amic an alysis in recen t years.It can be kn o w th e en ergy efficien cy in o n e pro cess o r equipmen t th ro ugh available en ergy an alysis.Th en,its po ssible to search fo r th e way o f en ergy savin g an d lo ss reducin g.Th e tech n o lo gy
6、o f CO2 recycle based o n MEA is th e mo st po pular meth o d in th e reco very o f CO2,h o wever,so lutio n regen eratio n co n sume much en ergy.So,h o w to decrease th e en ergy co n sumptio n n o w is gen erally co n sidered as o n e o f th e mo st impo rtan t pro blems urgen tly required to be
7、settled.Th e traditio n al pro cess o f CO2 abso rptio n by MEA was simulated by th e ch emical en gin eerin g simulatio n so ftware ASPEN PLUS.Based o n th e simulatio n results,th e available en ergy co n sumptio n fo r th e wh o le pro cess an d each equipmen t,th ermo dyn amic efficien cy o f th
8、 e wh o le pro cess an d th e lo ss o f available en ergy were an alyzed,it also an alyses tray efficien cy by plate-to-plate available en ergy an alysis meth o d,an d th en,th ree suggestio n s fo r pro cess impro vin g were put fo rward.Th e first meth o d is do uble-effect distillatio n usin g ex
9、tern al en ergy,th e seco n d meth o d is gradin g abso rptio n,wh ich en ergy co n sumin g was decreased by less th e amo un t o f so lutio n,wh ich can be derived by lo wer mass tran sfer impulse,an d th e last meth o d is h eat pump distillatio n wh ich depen ds o n co n sumin g so me mech an ica
10、l en ergy to rise lo w temperature steam.Th is paper firstly an alyses th e th eo retical po ssibility o f th e th ree en ergy-savin g meth o ds,th en th e th ree pro cesses were simulated by ASPEN PLUS,mean wh ile,available en ergy an alysis is co n ducted.Th e results sh o w th at,o n th e basis o
11、 f th e CO2 reco very an d pro duct purity are 80%an d 98%respectively,th e th ree n ew pro cesses,co mpared with traditio n al pro cess,ach ieve differen t en ergy savin g effect.Amo n g th em,do uble-effect distillatio n,gradin g abso rptio n an d h eat pump distillatio n are 21.30%,25.06%an d 13.
12、28%separately,th e effectiven ess o f do uble-effect distillatio n an d gradin g abso rptio n are mo re remarkable th an h eat pump distillatio n.-11-大连理工大学硕士学位论文Key Words:Avail abl e Energy;Doubl e-effect Distil l ation;Grading Absorption;Heat Pump Distil l ation-in-大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明:所呈交的学位论文,是
13、本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果(尽我所知,除文中已经注明引用内容和致谢的地方外,本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果,也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果.与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处,本人愿意承担相关法律责任._大连理工大学硕士学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定,在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学,允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库
14、进行检索,可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。,大连理工大学硕士学位论文引 言自1973年石油危机以来,世界各国普遍开始重视过程节能技术研究,并与节省资 源问题相互配合,在钢铁、炼油、化学工业等行业取得很大成绩,由此导致了各企业开 始合理利用资源、降低成本。化工过程节能,是指达将到预定目的所必须的能量消耗降 至最低水平。热力学第二定律表明,在可逆过程中节能可达到最大程度。因此,实际的 工艺过程应在经济容许的范围内尽量接近可逆过程,就是说,通过增大过程热回收或者 把有效能损失控制在最小限度的办法,能够达到节能目的。其具体办法是尽量避免向大 气散热等不可逆变化,或将热交换的温
15、差等各种操作推动力控制在最小限度内。在处理 节能问题时,作为能量有效利用科学基础的热力学实际上起到了很大作用。过去不少方 法是依据热力学第一定律,从能的量的方面来分析的。近年来从能的质的方面分析逐渐 活跃起来,特别是根据热力学第二定律的有效能概念,为解决包括外界环境条件在内的 工程学问题是很有用的。节能并不简单地意味着少用能源,其实质是充分有效地发挥能 源的作用,使同样数量的能源,可以利用更多的有效能,从而生产出更多、更好的产品,创造出更多的产值和利润。烟道气中C6的回收具有以下特点:(1)气体流量大;(2)CO2分压低;(3)含有大量的 惰性气体N2;(4)主要杂质气体为02、S02等。目前
16、,回收烟道气中CO?的方法很多,主 要有溶剂吸收法、膜分离法和吸附法。溶剂吸收法是回收烟道气中CO?应用最广泛的方 法。作为吸收剂的是以一乙醇胺(MEA)为代表的烷醇胺。该法具有吸收速度快、吸收能 力大及投资少等优点。但存在胺降解损耗大、设备腐蚀严重和能耗较高等技术难题。本文对MEA回收烟道气中的C02的节能措施从三个方面着手,第一是改传统工艺流 程为双效精储工艺流程,双效精馈工艺流程使用潜热回收的方式,即将高压塔塔顶蒸气 作为相邻低压塔再沸器的热源,从而达到节能降耗的目的。第二是采用分段吸收工艺流 程,它是从通过合理分配过程的传质推动力进而减少回收剂的用量上来到达节能的目 的。最后采用热泵精
17、镭工艺流程,该流程也是通过潜热回收的方式达到节能目的,它将 温度较低的塔顶蒸气经压缩后作为塔底再沸器的热源,热泵精储是靠消耗一定机械能来 提高低温蒸气的能位而对其加以利用的,因此消耗单位机械能所能回收的热量是一项重 要的经济指标,称为性能系数。本文利用化工模拟软件ASPEN PLUS对MEA回收CO?的 传统流程以及三个改进流程进行模拟,利用有效能分析法对不同流程的模拟结果进行用 能分析。探寻其节能的可行性和所能达到的节能效果。-1 MEA吸收C02过程用能分析及节能途径探讨1文献综述1.1 过程系统的模拟在实际化工生产中,一套化工生产装置的合理设计或实际化工生产装置的优化操 作、生产故障的分
18、析论断,以及生产装置生产能力的预测或评价等均离不开过程系统的 模拟。所谓模拟(Simulatio n),就是采用能反映研究对象本质和内在联系,与原型具有客 观的一致性,且可再现原型发生的本质过程和特性的模型,来进行研究和设计原型过程 的方法。这里所谓模型可以是一小型或微型实验装置,也可以是一描述原型的数学方程 组。前者称之模型装置,后者称数学模型。故采用实验室模型装置进行研究为实验模拟,采用数学模型进行研究则称之为数学模拟。数学模拟可视为在计算机上进行实验研究,具有明显的优势。与实验装置上的模拟相比显得经济、灵活得多。可以减少中间放大实 验,缩短了开发周期,同时能够获得难以在实验条件得到的重要
19、信息,可利用现有的理 论成果来研究复杂的过程系统。但是,数学模拟的基础仍源于实验研究和工程研究”.叫过程系统模型的确认,一般要经过如下步骤:明确模型的目的和要求;收集和处理 系统的有关数据;根据过程原理,形成模型,找出描述系统中各个部件在各时刻的状态 的有关变量(包括输入变量、状态变量和输出变量)或参数,确定各部件之间相互作用 和影响的规则,即这些描述变量之间的关系:根据所得数据确定或估计模型中的参数,选择模型的初始状态;编制和调试计算机程序;收集和整理计算试验结果,并做出解释;模型确认,检验由模型所得结果与真实系统的性能数据的一致性程度任认按过程系统模型的计算模式不同,可分为模拟型、设计型和
20、综合型。模型所涉及的 参数集有以下几种:输入参数集/,结构参数集C,操作参数集P,输出参数集。和 优化要求集M0不同计算模式定义如下:模拟型:给出/和C,在指定P下计算出。;设计型:给出。和C,在指定/下计算出达到某种下的P;综合型:给出/和。,找出达到某种”下的C和相应的P。-2-大连理工大学硕士学位论文1.2 流程模拟软件ASPEN PLUS简介及应用1.2.1 ASPEN PLUS软件的功能ASPEN PLUS是一个通用过程模拟系统,用于计算稳态过程的物料平衡及能量平 衡、设备尺寸,并对过程投资进行经济成本分析。在已经开发成功的模拟软件中,ASPEN PLUS是比较先进的,在大型化工和热
21、工系统模拟中更展现了它的优势吩-。ASPEN PLUS提供3种过程来进行模拟:除了有内置的单元操作模型外,还有用户 自己定义的FORTRAN模块以及设计规定(design-specificatio n)。ASPEN PLUS提供 了一个很宽的单元操作模型范围。必要时,用户可以利用自己的模型作为一个 FORTRAN的子程序。在整个ASPEN流程中,除了可以处理物流外,还可以给模块设定功流和热流,既 可以模拟质量平衡也可以确保整个系统的能量平衡。并且通过物性分析,可以获得物流 组分、温度、压力及热负荷参数,从而预测所选模型、物流类型、物性方法的正确性。为了计算相平衡、热力学性质及传递性质,ASPE
22、N PLUS提供了一个广泛的物性模 型程序库,包括1773种有机物、2450种无机物、3314种固体物、900种水溶电解质的 基本物性参数。由于能自动地从一个大的物性数据库里检索,因此避免了工程师们对物 性数据的繁重查寻工作。对于不在数据库中的组分,ASPEN PLUS提供了一个数据回归 系统,用以从实验数据中拟合常数。ASPEN PLUS有处理石油试验的分析能力,能建立 产生石油储分的物性常数的关联式。ASPEN PLUS主要有以下几个功能建立基本流程模拟模型Flo wsh eet是ASPEN PLUS最常用的运行类型。可以使用基本的工程关系式,如质 量和能量平衡、相态和化学平衡以及反应动力
23、学去预测一个工艺过程。只要给定合理的 热力学数据、实际的操作条件和严格的ASPEN平衡模型,就能够模拟实际装置的现象。按如下几个步骤:定义流程一计算全局信息的规定一规定组分一选择物性方法一规定物 流一单元操作模型的参数设置一运行模拟程序-生成报告的顺序逐一完成。灵敏度分析此功能在Data Bro wser页面下的Sen sitivity Fo rm表单中设定。其目的是测定某个变 量对我们的目标值的影响程度。设计规定在灵敏度分析的基础上,当确定了一个关键因素,并且希望它对系统的影响达到一 个所希望的精确值时,就可通过设计规定来实现。对于这样的一个过程,需按以下步骤-3-MEA吸收COz过程用能分
24、析及节能途径探讨来执行:选择撕裂流股一定义收敛模块使撕裂流股、设计规定收敛一确定一个包括所有 单元操作和收敛模块的次序。物性分析确定各组分的相态及物性是否和你所选择的物性方法相适应。可通过3种方法使用 物性分析:单独运行,即在运行类型中就设置为Pro perty An alysis;在流程图中运行;在数据回归中运行。可使用To o l菜单下的An alysis命令来交互生产物性分析,也可在 Data Bro wser的An alysis文件夹中使用窗口手动生成。物性估计估计物性所必需的参数有:标准沸点温度(R)、分子量(MW)和分子结构。为 了获得最佳的参数估计,应尽可能地输入所有可提供的实验
25、数据。(6)物性数据回归数据回归系统会基于你所选择的物性或数据类型,指定合理的标准偏差的缺省值,也可以自行定义。回归的结果在Data Bro wser页的Regressio n文件夹的Results中。关于FORTRAN模块ASPEN允许编写外部用户FORTRAN子程序,在编译子程序后,模拟运行时会动 态地链接它们。1.2.2 ASPEN PLUS软件的单元操作模型ASPEN PLUS用单元操作模块来表示实际装置的各个设备,共包括二十多个单元操 作模型。如混合、分割、换热、闪蒸等,另外它还包括:间歇反应器、多塔精储、灵敏 度分析和工况分析模块网。要运行一个流程模拟,必须至少规定一个单元操作模块
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