阅读说明：本技术 一种化工反应低温热制冷系统和方法 (A kind of chemical reaction low temperature heat cooling system and method ) 是由 孙晓彤 李奎 仇艳华 刘戈 刘伟 聂平英 李冰洁 袁琳红 单超 于 2019-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种化工反应低温热制冷系统和方法。该化工反应低温热制冷系统包括：反应系统、循环水系统和吸收式制冷系统；所述循环水系统利用循环水将反应系统的低温热吸收并导出,将吸热后的循环水引入所述吸收式制冷系统中作为热源放热用以制冷；放热后的循环水再次循环进入反应系统中。本发明使用循环水将化工反应中的低温热导出,并作为吸收式制冷系统的热源用以制冷,所制取的冷量可用于供给该化工反应需要制冷的单元使用,以替代原有的压缩制冷；也可以用以供给第三方冷负荷用户。本发明一方面将原为废热的化工反应低温热加以利用,另一方面解决了制冷系统的热源问题。(The invention discloses a kind of chemical reaction low temperature heat cooling system and method.The chemical reaction low temperature heat cooling system includes: reaction system, circulation and absorption system；The circulation by the low temperature heat absorption of reaction system and is exported using recirculated water, and the recirculated water after heat absorption is introduced into the absorption system as heat source heat release to freeze；Recirculated water after heat release is recycled into reaction system again.The present invention is exported the Low Temperature Thermal in chemical reaction using recirculated water, and as the heat source of absorption system to freeze, and the cooling capacity produced can be used for supplying the unit that the chemical reaction needs to freeze and use, to substitute original compression refrigeration；It can also be to supply third party refrigeration duty user.One aspect of the present invention will be that the chemical reaction Low Temperature Thermal of waste heat is used originally, on the other hand solve the heat source of refrigeration system.)

一种化工反应低温热制冷系统和方法

技术领域

本发明涉及化工低温热利用领域，或者化工装置节能领域；具体涉及一种化工反应低温热制冷系统和方法。

背景技术

为践行国家的节能减排号召，同时执行“节约成本就是创造利润”的经营理念，充分挖掘化工装置的节约潜能。

硫酸二甲酯合成反应中的低温热一般会被视作废热，用循环水冷却将热量移出。硫酸二甲酯毒性很高，对其合成过程中的低温热利用存在安全风险，此部分低温热一直未能得到利用，造成一种能源的浪费。

吸收式制冷是利用某些具有特殊性质的工质对，通过一种物质对另一种物质的吸收和释放，产生物质的状态变化，从而伴随吸热和放热过程。吸收式制冷装置由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、循环泵、节流阀等部件组成，工作介质包括制取冷量的制冷剂和吸收、解吸制冷剂的吸收剂，二者组成工质对。较为常用的吸收式制冷为溴化锂吸收式制冷机

溴化锂吸收式制冷机是以溴化锂溶液为吸收剂，以水为制冷剂，利用水在高真空下蒸发吸热达到制冷的目的。为使制冷过程能连续不断地进行下去，蒸发后的冷剂水蒸气被溴化锂溶液所吸收，溶液变稀，这一过程是在吸收器中发生的，然后以热能为动力，将溶液加热使其水份分离出来，而溶液变浓，这一过程是在发生器中进行的。发生器中充有溴化锂溶液，且压力较低，稍加热时，水便从溴化锂溶液中蒸发由来(水比溴化锂易蒸发)。蒸发出来的水蒸汽在冷凝器中冷凝，成为制冷剂水，经节流阀在蒸发器中蒸发。带走箱内的热量，蒸发出的水气又被吸收器中的溴化锂溶液吸收(溴化锂溶液特易吸收水气)，此溶液再在发生器中加热蒸发，就这样不断循环，实现制冷循环。发生器中得到的蒸汽在冷凝器中凝结成水，经节流后再送至蒸发器中蒸发。如此循环达到连续制冷的目的。

可见溴化锂吸收式制冷机主要是由吸收器、发生器、冷凝器和蒸发器四部分组成的。从吸收器出来的溴化锂稀溶液，由溶液泵(即发生器泵)，升压经溶液热交换器，被发生器出来的高温浓溶液加热温度提高后，进入发生器。在发生器中受到传热管内热源蒸汽加热，溶液温度提高直至沸腾，溶液中的水份逐渐蒸发出来，而溶液浓度不断增大。单效溴化锂吸收式制冷机的热源蒸汽压力一般为0.098MPa(表压)。发生器中蒸发出来的冷剂水蒸气向上经挡液板进入冷凝器，挡液板起汽液分离作用，防止液滴随蒸汽进入冷凝器。冷凝器的传热管内通入冷却水，所以管外冷剂水蒸气被冷却水冷却，冷凝成水，此即冷剂水。

溴化锂吸收式制冷机除了上述冷剂水和溴化锂溶液两个内部循环外，还有三个系统与外部相联，这就是：①热源系统；②冷却水系统；③冷冻水系统。

热源蒸汽(或热水)通入发生器，在管内流过，加热管外溶液使其沸腾并蒸发出冷剂蒸汽，而热源蒸汽放出汽化潜热后凝结成水排出。一般情况下，应将该凝结水回收并送回锅炉加以利用。

本发明考虑充分利用硫酸二甲酯合成反应中的低温热来制取装置所需冷负荷，如此可以实现“变废为宝”。本法明的思路是将该部分“废热”作为吸收式制冷的热源加以利用。从理论上实现了“废热”的再利用，从经济上实现了“废物”处理支出变成了“热源”的经济收入，以往被忽略的化工反应“废热”被回收利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种化工反应低温热制冷系统和方法。本发明针对现有化工行业工艺装置低温热源负荷小和热负荷用处难找等缺点，提出首先选择低温热制冷，再寻找冷负荷用户的思路和方案，或者选择低温热制冷替代既定存在的压缩制冷的思路和办法。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一方面提供一种化工反应低温热制冷系统，该化工反应低温热制冷系统包括：反应系统、循环水系统和吸收式制冷系统；

所述循环水系统利用循环水将反应系统的低温热吸收并导出，将吸热后的循环水引入所述吸收式制冷系统中作为热源放热用以制冷；放热后的循环水再次循环进入反应系统中重复以上过程。

本发明的化工反应低温热制冷系统使用循环水将化工反应中的低温热导出，并作为吸收式制冷系统的热源用以制冷，所制取的冷量可用于供给该化工反应需要制冷的单元使用，以替代原有的压缩制冷；也可以用以供给第三方冷负荷用户。采用循环水将化工反应中的低温热导出，可避免进入制冷系统的热源与化工反应中的物料接触，避免了潜在危险，例如化工原料的毒性问题、对于制冷系统的腐蚀等问题。

本发明的化工反应低温热制冷系统，一方面将原为废热的化工反应低温热加以利用，另一方面解决了制冷系统的热源问题。

优选地，所述反应系统包括反应器；

所述循环水系统包括循环水泵和位于所述反应器内的冷却器；

循环水在所述循环水泵的作用下实现循环，在所述冷却器中将反应器内的低温热吸收，然后在吸收式制冷系统中放热制冷。

优选地，所述循环水系统还包括缓冲罐；放热后的循环水流入所述缓冲罐，循环水自所述缓冲罐经过所述循环水泵升压后送入所述冷却器。

优选地，所述循环水系统中的循环水为软水；采用软水可避免循环水系统结垢。

优选地，所述反应器内进行硫酸二甲酯合成反应；所述反应器包括：位于上部的液相进料口、位于下部的气相进料口、位于顶部的气相溢出口和位于底部的反应液相输出口。

硫酸二甲酯合成反应的操作温度约130℃，放热量约120kJ/mol；硫酸二甲酯反应低温热按照装置需要制取冷量(7℃～12℃)，所得冷量可用于厂内吸收和结晶等单元。硫酸二甲酯毒性很高，将其直接作为传热介质进行利用存在安全风险，使用软水经过反应器中的冷却器将反应过程中的低温热吸收导出，并导入吸收式制冷系统中作为热源，此过程安全可靠，对原本的反应装置的改动也较小。

优选地，所述吸收式制冷系统包括发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器；所述循环水作为热源在所述发生器内放热制冷。

优选地，所述吸收式制冷系统还包括冷冻水循环；

所述冷冻水循环包括用户冷却器、冷冻水缓冲罐和冷冻水循环泵，所述吸收式制冷系统制取的冷量以冷冻水为载体从所述蒸发器中导出，先后通过用户冷却器使冷量放出，再汇集到冷冻水缓冲罐中，通过冷冻水循环泵升压后返回所述蒸发器，从而实现冷冻水的稳态循环。

优选地，所述吸收式制冷系统为溴化锂吸收式制冷机。

优选地，所述吸收式制冷系统为单效制冷或多效制冷。

本发明吸收式制冷系统采用成熟溴化锂吸收制冷包整体，包括蒸发器、吸收器、发生器、冷凝器和节流阀及相应的溶液泵、工质循环泵等组成，可依据低温热温度选择单效或多效制冷，在此不做赘述，依托技术供货进行选择。

本发明另一方面提供一种上述化工反应低温热制冷系统进行制冷的方法，包括以下步骤：

通过循环水将反应系统中的低温热吸收并导出，将吸热后的循环水引入吸收式制冷系统中作为热源放热用以制冷；放热后的循环水再次循环进入反应系统中重复以上过程。

优选地，所述循环水为软水；所述反应系统中进行硫酸二甲酯合成反应。

优选地，在满足反应器操作温度和换热面积适当的条件，所述循环水入反应器内冷却器时的温度不低于70℃，循环水温升＞5℃。本领域技术人员容易理解的，所述循环水入反应器内冷却器时的温度即出制冷系统发生器时的温度。

例如实施例中软水进反应器温度为85℃，出反应器温度100℃，温度上升了15℃；吸收式制冷系统所需循环水的温度为上水30℃，回水37℃，用以减少换热面积。

优选地，在满足换热面积适当且较大操作空间条件下，冷冻水入制冷系统蒸发器的温度为10～15℃，冷冻水出制冷系统蒸发器的温度为5～10℃。

例如实施例中冷冻水入制冷系统蒸发器的温度为12℃，出制冷系统蒸发器的温度为5℃。

本发明中，硫酸二甲酯反应热用软水吸收导出，结合吸收式制冷系统制取冷量，以供需要制冷的单元使用；与单独设置制冷机来制取工艺冷量的工艺方案而言，其工艺方案更优化，不仅能够节约固定资产投资，同时能够使操作成本更低，降低公辅消耗对于装置节能降耗增加收益效果十分显著。

附图说明

图1为本发明优选实施例中的化工反应低温热制冷系统示意图。

附图标记说明：

R101，反应器；

E101，冷却器；

P101，软水循环泵；

V101，软水缓冲罐；

E201，发生器；

E202，冷凝器；

E203，蒸发器；

V201，吸收器；

P201，溶液循环泵；

P202，蒸发循环泵；

E205，热交换器；

E301，用户冷却器；

V301，冷冻水缓冲罐；

P301，冷冻水循环泵。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明在此提供一个优选实施例，如图1所示，该化工反应低温热制冷系统包括：反应系统、循环水系统和吸收式制冷系统；

所述循环水系统利用循环水将反应系统的低温热吸收并导出，将吸热后的循环水引入所述吸收式制冷系统中作为热源放热用以制冷；放热后的循环水再次循环进入反应系统中重复以上过程。

其中，反应系统包括反应器R101；反应器R101内进行硫酸二甲酯合成反应，包括：位于上部的液相进料口、位于下部的气相进料口、位于顶部的气相溢出口和位于底部的反应液相输出口；各口均连接有管线。顶部气相溢出管线送至气相吸收塔，底部反应产物液相送至产品分离系统。

循环水系统的循环水为软水，包括软水循环泵P101、软水缓冲罐V101和位于反应器R101内的冷却器E101。以往多直接选择循环水冷却，本发明为避免取热系统结垢选择软水系统取热。软水在软水循环泵P101的作用下进行强制循环，在冷却器E101中将反应器内的低温热吸收，然后在吸收式制冷系统的发生器E201内放热制冷。放热后的软水流入软水缓冲罐V101，软水自软水缓冲罐V101经过软水循环泵P101升压后送入冷却器E101。

本优选实施例中的吸收式制冷系统选用成熟溴化锂吸收制冷包整体，包括发生器E201、冷凝器E202，蒸发器E203、吸收器V201，以及蒸发器自带蒸发循环泵P202以及溶液循环泵P201、热交换器E205等；可依据低温热温度选择单效或多效制冷，在此不做赘述，依托技术供货进行选择。

吸收式制冷系统进一步还包括冷冻水循环；冷冻水循环包括用户冷却器E301、冷冻水缓冲罐V301和冷冻水循环泵P301，所述吸收式制冷系统制取的冷量以冷冻水为载体从所述蒸发器E203中导出，先后通过用户冷却器E301使冷量放出，再汇集到冷冻水缓冲罐V301中，通过冷冻水循环泵升压后返回所述蒸发器E203，从而实现冷冻水的稳态循环。

实例说明：

结合某年产10万吨/年的硫酸二甲酯装置，计算其反应热。

CH₃OCH₃+SO₃→(CH₃)₂SO₄

放热约135kJ/mol(扣除产品输出所携带热量及热耗散约放热120kJ/mol)；硫酸二甲酯分子量：126.14g/mol；年操作8000小时计，折算反应放热3.7MW。项目实际需要热负荷2.1MW，鉴于低温热制冷效率为0.7，因此低温热源是富余的，最大制冷能力为2.6MW。

为了能够减少换热面积和节省投资，选择软水进出口温度较为关键，现初步设定为进反应器温度为85℃，出反应器温度100℃。

吸收式制冷系统所需循环水的温度为上水30℃，回水37℃，用以减少换热面积。

吸收式制冷系统的冷冻水入蒸发器的温度为12℃，出蒸发器的温度为5℃。

以产生2.1MW的低温热和显示最大制冷量为目标，对比低温热制冷和制冷机组方案，具体消耗值详见表1。

表1.独立方案和余热方案操作消耗对比表

注1：鉴于制冷机组的水冷式和空冷式的差异性，但是整体能耗差异不多的特征，本实例仅比较水冷机组；

注2：333kW为按照《GB19577-2015水冷机组能效限定值与能效等级》一级能效，COP不低6.3考虑；

在结合某厂技术经济分析所采用的运行成本数据，以产出2.1MW低温热为目标，则可计算制冷机组方案操作成本265.8元/h；低温热制冷方案为85.56元/h。按照年操作时间8000小时计，将两方案进行对比，每年节约操作成本144.2万元。

在两种方案，设备投资成本差异不大的前提下，可见低温热制冷方案效益十分可观。利用低温热制冷，会使部分换热的有效温差降低，增加换热器的换热面积和采购成本；但是压缩制冷压缩机成本和维护成本较高。对于该方案主要看操作成本，而且操作成本对于设备投资相对不大的前提下，操作成本影响十分显著。

经过计算，虽然装置规模较小，尽管余热制冷热量不匹配，但是可以实现利用反应热制冷和减少取出反应热的循环水消耗的双重作用，获取双重经济效益。数据显示不仅经济效果明显，同时也为节能减排创造了贡献，同时提高了单位能耗产值。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。