赵卫强，陈 辉，王计兵，杨师缘，刘 刚

(1.沈阳建筑大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.苏家屯职教中心，辽宁 沈阳 110165)

0 引言

减阻剂是一种广泛应用于原油、成品油管道输送的化学添加剂，它可以有效地提高管道的输送量，降低管道的压力，节约能源，提高管道运行的安全系数[1]。中国石油管道公司科技中心经过近10年研制成功的EP 系列减阻剂在15～30mg/L 的添加量下，使原有管道增输15%～35%，成品油管道增输30%～50%[2,3]，具有广阔的市场应用前景和巨大的商业价值。热泵系统是将低温循环系统的热量提取并泵送到高温循环系统使其可在生活、生产领域使用的系统[4～8]。随着时代的发展，保证减阻剂生产工艺的同时保证其生产工艺环保、节能的问题也被提上了日程。本文就中国石油管道公司减阻剂生产采用热泵技术进行余热回收的工艺可行性进行了研究。

1 生产工艺分析

（1）生产流程。减阻剂的生产工艺流程如图1 所示，1 号物料和2 号物料在反应釜1 中反应生成中间产物；中间产物和3 号物料在2 号反应釜中反应生成含减阻剂成品的物料，经沉淀、蒸馏得成品。由各反应温度可知，系统可分为加热系统和冷却系统。

（2）加热方式的确定。减阻剂生产中需要加热的釜罐的工作温度较低分别为1 号反应釜70℃～110℃和蒸馏罐60℃～70℃，且釜罐的加热方式都为夹套式加热。生产中夹套式反应釜的加热方式常用的有水蒸气加热、电加热或油加热等加热方式，它们的主要优缺点如表1 所示。

图1 工艺流程图Fig.1 Process flow diagram

表1 加热方式的优缺点Tab.1 The advantages and disadvantages of the heating mode

从表1 中常用的加热方式比较可知，对于本系统来说选择油加热较为合适，但需要优化系统设计，提高油加热的降温性能。

（3）冷却方式的确定。减阻剂生产工艺中2 号反应釜工作温度为常温常压，但是入口处的中间产物温度为70℃～110℃，因此必须对其冷却，带走多余的热量以保证生产温度。冷凝器是将蒸馏罐蒸馏出的气体液化，液化过程中释放出大量的热量，这个热量也需要通过冷却水的的形式带走，另外反应釜1 和反应釜2 列管冷凝器也需通冷却水进行冷凝。现有的冷却方式中有直流供水冷却系统、循环供水冷却系统以及新兴的热泵冷却系统，其优缺点如表2 所示。

从表2 中比较分析，本系统采用热泵冷却系统较为合适，现对其加以介绍。热泵冷却系统采用循环水冷却方式，利用热泵的冷端提取冷却水中的热量从而对其冷却，同时将热量经热端释放到高温循环系统中，对高温循环系统中的水加热到50℃～55℃[4～8]。因此，在减阻剂的温度控制冷却系统中采用热泵冷却系统。

表2 冷却系统的优缺点Tab.2 The advantages and disadvantages of the cooling system

2 加热、冷却系统的设计及其控制

（1）加热回路的设计。本系统采用油热系统保证1号反应釜和蒸馏罐的所需温度。热油加热有控温准确但是降温困难的特点，结合减阻剂生产工艺流程，本着最大化节能、减排的理念设计了如图2 所示的加热回路[14，15]。

由于1 号反应釜和蒸馏罐所需加热温度不同，采用两套油加热系统可以实现，但控制复杂，成本过高，无法改变其固有缺点。因此在加热回路中采用了一套油加热系统，通过板式换热器对高温油降温冷却，使加热油达到蒸馏罐加热所需的温度。板式换热器以冷却水为介质吸收热量，并对所吸收热量加以利用。

（2）冷却回路的设计。据前文分析，减阻剂生产系统采用热泵冷却系统保证个系统的冷却要求。本着最大限度的回收余热的目的，设计了如图3 所示的冷却回路。冷却回路主要包括热泵冷端循环系统和热泵热端循环系统，两个循环系统通过热泵连接。其中热泵热端循环系统又包括热水系统1 和热水系统2。

结合加热系统和冷却系统分析可知，系统对现有的单一使用热泵系统的制热或者制冷加以改进，一方面使用热泵的冷端对余热进行提取，另一方面使用热泵的热端对水加热从而产生了生活洗浴用水，同时使用了热泵的热端和冷端，充分发掘热泵的应用潜力。对同类企业的系统设计及系统升级改造中的余热回收问题起到技术支持和一定的借鉴作用。

图2 加热回路Fig.2 The heating circuit

图3 冷却回路Fig.3 The cooling circuit

3 可回收余热计算

在保证生产工艺的前提下，由冷却回路可以看出可回收的热量有2 号反应釜、板式换热器、冷凝器、成品出口换热器、浴室水换热器以及板1 号反应釜冷凝器、2 号反应釜冷凝器组成。

（1）2 号反应釜可回收热量。由工艺流程图可知，2 号反应釜可回收的热量就等于1 号反应釜加热所需的热量，设可回收热量为Q1，则有：

Q1=μ1C1m1△t1m1=ρ1V1△t1=t11-t12

其中： μ1—热量转换效率（μ1=80%）；C1—1 号反应釜中物料比热容（C1=1.71KJ/Kg℃）；m1—1 号反应釜中物料的质量；△t1—1 号反应釜物料加热前后的温差；ρ1—1号反应釜中物料密度，ρ1=0.97g/ml=0.97×103Kg/m3；V1—1 号反应釜体积，V1=1.5m3；t11—物料升温后温度（t11=90℃，取70℃～110℃中间值）；t12—物料升温前温度（t12=25℃，取常温）。即在一个减阻剂生产周期中，2 号反应釜可回收的热量为： Q1=1.29×105KJ。

（2）板式换热器可回收热量。由于热油进出口温差为5℃，罐内物料和热油进口温差为10℃，因此在稳定时采用对1 号釜通入热油温度为100℃，以保证物料的温度在90℃的中间状态，此时其出口温度为95℃.在蒸馏罐中为保证物料的温度为65℃的中间状态，其进口油温应保持在75℃，因此在1 号反应釜热油出口和蒸馏罐热油进口之间需要通过板式换热器对其进行降温，提取的热量储存在热水系统2 中，这个过程可回收的热量：

Q2=μ2C2m2△t2m2=V T0△t2=t21-t22

其中： μ2—热量转换效率（μ2=90%）；C2—加热油比热容 （C2=2.219KJ/Kg℃）；m2—一个蒸馏周期中流过板式换热器的加热油质量；△t2—板式换热器加热油进出口温差；V—板式换热器加热油质量流量（V=1.19Kg/s）；T0—蒸馏罐加热周期，T0=6h =21600s；t21为板式换热器加热油进口油温（t21=95℃）；t22—板式换热器加热油出口温度（t22=75℃）；故在蒸馏罐一个加热周期内板式换热器吸收热量为： Q2=10.27×105KJ。

（3）冷凝器及成品出口换热器可回收热量。设蒸馏罐每个周期可吸收热量为Q3，由于其所吸收热量分为两部分，一是对蒸馏罐内物料的加热，另一部分是物料挥发带走的热量，因此冷凝器和成品出口换热器可回收的热量和即为蒸馏罐一个周期可吸收热量Q3，蒸馏罐每个周期可吸收热量：

Q3=μ3C3m3△t3m3=V T1△t3=t31-t32

其中：μ3—热量转换效率（μ3=75%）；C3—加热油比热容（C3=2.219KJ/Kg℃）；m3—一个蒸馏周期中流过蒸馏罐的加热油质量；△t3—蒸馏罐加热油进出口温差；V—蒸馏罐加热油质量流量（V=1.19Kg/s）；T1—蒸馏罐工作周期，T1=6h=21600s；t31—蒸馏罐加热油进口油温（t31=75℃）；t32—蒸馏罐加热油出口温度（t32=70℃）；故蒸馏罐一个周期内吸收热量即冷凝器和成品出口换热器一个周期内可回收热量为： Q3=2.14×105KJ。

（4）浴室可回收热量。由规范设计要求和人们洗浴习惯可知，洗浴用水温度在40℃左右，洗浴废水温度则在32℃左右，对洗浴废水的余热回收利用是十分必要的。要计算可回收热必须知道原有的升温到55℃的热水量。

（5）减阻剂生产过程中每天余热可产生55℃热水量。设在一个生产周期内减阻剂生产过程中可回收的热量为Q，则有： Q=Q1+Q2+Q3。热泵将回收的热量用于加热生产和生活用水, 设每个生产周期可提供的高温水质量为m4，则：

Q=C水m4△t4/μ4△t4=t40-t41

其中： μ4—热量转换效率（μ4=90%）；C水—水的比热容 （C水=4.2KJ/Kg℃）；△t4—水加热前后的温差；t40为水所需加热到的温度 （t40=55℃）；t41—水开始加热的温度，为常温，t41=25℃。于是有： m4=9785.71Kg。由于一个减阻剂生产周期为25h （由各阶段反应时间可得），将一个生产周期余热可产生的55℃热水换算为每天24h 可产生的热水量，设为m5，则有： m5=9394.29Kg。

（6）洗浴用水回收热可产生55℃热水量。洗浴时淋浴同时设有热水管和凉水管，经手动调节到40℃，这个过程中需加入一定量的凉水，也就是将55℃的水通过注入一定量的冷水使温度中和至40℃，设其质量为m6，则有：

C水m6△t5=C水m5△t6△t5=t51-t52△t6=t61-t62

其中： C水—水的比热容（C水=4.2KJ/Kg℃）；m6—所需通入冷水的质量；△t5—冷水升温前后温差；m5—每天生产线可提供55℃热水的质量，m5=9394.29Kg；△t热—热水降温前后温差；t51—冷水升温后温度（t51=40℃）；t52—冷水升温前温度 （t52=25℃）；t61—热水降温前温度 （t61=55℃）；t62—热水降温后温度 （t62=40℃）。于是有：m6=m5=9394.29Kg。即每天洗浴用水总质量：m7=m5+m6=18788.58Kg。

洗浴过后温度由40℃降到32℃，通过板式换热器将其冷却到常温25℃，设过程中可回收热量为Q4，这部分热量经热泵转化后产生为55℃的热水，设产生热水量为m8，则：

Q4=μ5C水m7△t7△t7=t71-t72Q4=C水m8△t转/μ6

其中：△t8=t81-t82；μ5—热量转换效率（μ5=90%）；C水—水的比热容 （C水=4.2KJ/Kg℃）；m7—洗浴用水的总质量（m7=24198.10Kg）；△t7—洗浴用废水余热回收前后温差；t71—洗浴用废水降温前温度 （△t71=32℃）；t72—洗浴用废水降温后温度（△t72=25℃）；μ6—热量转换效率（μ6=90%）；m8—洗浴用废水回收余热转化为洗浴用55℃热水的质量；△t8—洗浴用热水温度和水源温度温差；t81—洗浴用热水温度（△t81=55℃）；t82水源温度（△t82=25℃）；于是有：Q4=4.97×105KJ，m8=3551.04Kg。即每天经回收洗浴用废水热量可产生新的55℃热水质量为m8=3551.04Kg。

（7）每天通过余热回收可产生的热水量。通过上文的分析可知，余热回收包括减阻剂生产过程和洗浴废水余热回收两部分，设每天回收余热可产生55℃热水的质量为M，体积为V，则：M=m5+m8，V=Mρ。其中： m5—减阻剂生产过程中每天回收余热转化为55℃热水的质量（m5=9394.29Kg）；m8—对洗浴过后废水余热回收每天可转化为55℃热水的质量，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℃热水80L 计算，可供161 人洗浴使用。

4 结论

（1）通过对减阻剂生产工艺的分析及其实际使用条件选定并设计了加热回路和冷却回路，加热采用经过优化的油热系统，冷却采用热泵技术达到节能减排改善员工生活条件的目的。

（2）运用热泵对生产中的各部分可回收热量回收并加以利用，每天产出55℃的热水12945.33L，可供该厂生产车间职工161 人洗浴使用。

[1] 孙玮，陈慧文.采用热泵技术对顺丁橡胶装置进行改造[J].石油和化工节能，2009，3.

[2] 陶亮亮，胡瑞，骂雄，等.油气管输中减阻剂的应用现状及发展趋势[J].石油化工应用，2011，30.

[3] 戴福俊，鲍旭晨，张志恒，等.成品油管道应用减阻剂研究[J].油气储运，2009，1.

[4] 薛岑，由世俊，张欢，等.利用蒸汽双效溴化锂吸收式热泵回收热电厂余热的研究[J].暖通空调HV&AC,2014，44.

[5] 霍威，胡晓洁，王冲，等.基于热泵技术的热冲压系统余热回收分析[J].石油化工应用，2012，31.

[6] 王志刚，郑法，赵薇，等.某工厂利用热泵技术回收工业余热的技术改造[J].发电与空调，2014，35.

[7] Jaedo SONG,Kwangho LEE,Youngman JEONG,Seongir CHEONG,Jaekeun LEE，Yujin HWANG，Yeongho LEE & Donghyuk LEE.Heating performance of a ground source heat pump system installed in a school building[J].Technological Sciences，2010，53.

[8] CHEN Zeshao,TAO Wenquan,ZHU Yanwen&HU Peng.Performance analysis of air-water dual source heat pump water heater with heat recovery[J].Technological Sciences，2012，55.

[9] 于明进，李亚莉，房锦效，等.浅谈导热油加热方式在轮胎硫化机上的应用[J].橡塑技术与装备，2013，39.

[10] 张晓涛.机械搅拌压力釜加热方式的探讨[J].有色设备，2013，5.

[11] 濮发祥，吴琴英.司盘-80.反应釜加热工艺技术改进[J].化工生产与技术，2013，20.

[12] 廖志义，葛富荣.6300t 油船热媒油加热系统的设计与计算[J].江苏船舶，2013，30.

[13] 赵云驰，王东海，李京，等.二次循环冷却系统应用于滨海核电厂可行性分析[J].给水排水，2012，38.

[14] D.Ifezue·F，H. Tobins·V，C. Nettikaden.CUI Failure of a Hot Oil Line Due to Intermittent Operation[J].J Fail.Anal.and Preven，2014，14.

[15] Tae-In Ohm，Jong-Seong Chae，Jae-Ho Lim and Sung-Hyun Moon. Evaluation of a hot oil immersion drying method for the upgrading of crushed low-rank coal[J].Journal of Mechanical Science and Technology，2012，26.