2006年10月Oct,2006第29卷第5期Large Scale Nitrogenous Fertilizer IndustryVol 29 No 5低溫甲醇洗過程爛分析雷云霞馮霄(西安交通大學(xué)化工系陜西西安,710049)摘要根據(jù)某化肥廠合成氨系統(tǒng)中的低溫甲醇洗工段的工藝建立了爛分析模型。對甲醇洗系統(tǒng)進(jìn)行了烱分析并且與能量分析進(jìn)行了比較分析系統(tǒng)用能的薄弱之處提岀相應(yīng)的改進(jìn)措施。關(guān)鍵詞低溫甲醇洗系統(tǒng)傭分析改進(jìn)途徑中圖分類號:rQ113.26文獻(xiàn)標(biāo)識碼B文章編號:002-578x200605-0335-04在凈化氬氣的一系列工段中需要耗費大量1低溫甲醇洗系統(tǒng)的組成的能量。為了揭示系統(tǒng)用能的合理性達(dá)到節(jié)能低溫甲醇洗系統(tǒng)采用林德技術(shù)五塔流程分的目的本文采用以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)的烔為冷區(qū)和熱區(qū)。冷區(qū)由甲醇洗滌塔、二氧化碳解分析法對凈化氬氣工藝中的低溫甲醇洗工段進(jìn)吸塔和硫化氬濃縮塔組成;熱區(qū)由甲醇熱再生塔行分析和甲醇/水分離塔組成流程如圖1SIcCHE3SIc圖1低溫甲醇洗系統(tǒng)流程CI—甲醇洗滌塔匯2—二氧化碳解吸塔;3—-硫化氬濃縮塔;4—甲醇熱再生塔;5—甲醇/水分離塔;I-原料氣;2一尾氣3-CO3δ4一產(chǎn)品氣δ5一N2S6-H2S7一廢水8—甲醇⑧9一—H2S10—來自液氮洗工段進(jìn)行換熱的合成氣“1|一換熱后的合成氣配—原料氣冷卻器Σ一甲醇氨冷器霪3—循環(huán)甲醇冷卻器;4—甲醇冷卻器;—甲醇/水分離罐;V2-1循環(huán)氣閃蒸罐;3一2*循環(huán)氣閃蒸罐;4—硫化氬分離罐;5一甲醇閃蒸罐整個系統(tǒng)主要是為了凈化來自一氧化碳變換2系統(tǒng)的能量衡算方程式工段的進(jìn)料氣。由于一氧化碳變換后的變換氣中對于低溫甲醇洗系統(tǒng),它的能量平衡方程1除了含有氨合成反應(yīng)所需要的H2、N2以外還含為有CO、CO2、H2S以及COS等成分這些氧化物和中國煤化工:w(1)硫化物都是合成氨催化劑的毒物然而CO2又是式THCNMHG物流的焓總和A/h生產(chǎn)尿素的原料而且一氧化碳、硫化物又可進(jìn)步回收利用故在此采用低溫甲醇洗滌法得到純收稿日期2006-03-07收到修改稿日期200607-25。凈H2的同時,又對它們分別脫出并加以回收利作者簡介雷云霞女,1980年出生,西安交通大學(xué)化學(xué)工程用專業(yè)碩士研究生。E- mail yxlei@ stu. xJtu,edu,cn2006年第29卷∑H一所有進(jìn)入系統(tǒng)物流的焓總和kJ/hEsr為來自上一工段(一氧化碳變換工段)∑Q一系統(tǒng)從外界所得到的熱量總和,包括進(jìn)入系統(tǒng)的原料氣嫻,E1為出系統(tǒng)的產(chǎn)品氣蒸汽系統(tǒng)提供的蒸汽與外界物流換熱的換熱器嫻,E、為來自液氮洗工段的進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行換熱所得到的熱量以及換熱器的散熱損失kJ/h的合成氣,E為進(jìn)行換熱的合成氣輸出系統(tǒng)∑W一壓縮機與泵消耗的電能kJ/h的,E、E為供給泵與壓縮機的電能,E為泵與能量平衡分析2以熱力學(xué)第一定律效率n壓縮機因摩擦而損失的那部分電能,EN為汽提(即熱效率作為評價準(zhǔn)則,為系統(tǒng)利用的能量CO2時輸入的N2的嫻,EM為來自液氮洗工段的與供給系統(tǒng)的總能量的比值即循環(huán)氣主要成分為氫氣)的烔,E、o為蒸汽系統(tǒng)E7r=p×100%(2)供入的蒸汽烔,E2為系統(tǒng)輸出蒸汽的煩,E3M為外界供入的貧甲醇溶液烔,E3c為系統(tǒng)得到的冷辯識使用能量的薄弱環(huán)節(jié)的分析準(zhǔn)則是能量量爛,E為與外部物流換熱后系統(tǒng)輸岀的燸損失系數(shù)κ。簡稱能損系數(shù)。X。為某環(huán)節(jié)的能E、.為換熱時散熱損失的,E、c為進(jìn)入其他工段量損失與供給系統(tǒng)的總能量的比值即的物流(脫出的CO2H2S嫻,E2為排出系統(tǒng)的物EX,=E=×100%(3)流廢水、廢氣冰用。其中式中:E1,一i環(huán)節(jié)的能量損失∑E、m=E、P1+E、P+EE1+EN+E3H,+E3系統(tǒng)的煳衡算方程式∑E3xmt=E、+En+EP1+E2+E對低溫甲醇洗系統(tǒng)其畑衡算方程3)為(8)∑Exmn=∑Exm+∑E(4)∑E、12=E2+E、E+E、B(9)式中E、一輸入系統(tǒng)的總焆值kJ/h作為爛分析的評價準(zhǔn)則嫻效率)只能對∑E、灬一系統(tǒng)輸出有用的總爛值kJ/h用能設(shè)備或系統(tǒng)的整體耗能狀態(tài)做出宏觀評價ΣE、』一系統(tǒng)損失的總焆值忒J/h而對用能過程的各個環(huán)節(jié)是否合理不能做出判且系統(tǒng)損失的總傭值451為別。辨識能量轉(zhuǎn)換、傳遞和使用過程合理性的準(zhǔn)∑E、=∑E、M+∑E、n2(5)則是分析準(zhǔn)則。分析準(zhǔn)則有兩種:損系數(shù)x和式中E、1一系統(tǒng)的內(nèi)部損失總煳值kJ/h傭損率σ?！艵、』2一系統(tǒng)的外部損失總煳值kJ/h烱損系數(shù)x為系統(tǒng)內(nèi)某環(huán)節(jié)的畑損失與系統(tǒng)的為系統(tǒng)的效率可以表明系統(tǒng)對輸入總輸入的比。對每一環(huán)節(jié)的損系數(shù)進(jìn)行分燈的有效利用程度其數(shù)學(xué)表達(dá)式6為析、評價后即可指出系統(tǒng)用能的不合理之處。100%(6)∑E×100%(10)∑E、其爛效率反映了實際過程接近理想過程的程煩損率σ為系統(tǒng)某環(huán)節(jié)的畑損與系統(tǒng)總損度表明了過程的熱力學(xué)完善度從而指明改善過的比即程的可能性3∑E,×100%分析的模型6如圖2所示。4能量平衡與爛平衡計算結(jié)果倨某化肥廠提供的生產(chǎn)數(shù)據(jù),對低溫甲醇)-0-0-000中國煤化工衡算68]其計算結(jié)果如CNMHG所有物流焆的計算是EEE以T=25℃、P0=101.325kPa的狀態(tài)為基準(zhǔn)態(tài)籽氣c出十o-m利用 Aspen Plus10.2查取的相應(yīng)物流的焓熵值,預(yù)冷HS閃蒸HS再生水分離并利用 Aspen Plus10.2對換熱器和輸入的蒸汽進(jìn)圖2爛分析模型行模擬從而得到其末狀態(tài)的值最終求得它們的第5期雷云霞等.低溫甲醇洗過程爛分析337損值5計算結(jié)果分析表1低溫甲醇洗系統(tǒng)能量平衡計算結(jié)果1)從表1計算結(jié)果可以看出,系統(tǒng)的第一定項目能量/Hh1能損系數(shù),%律效率n為81.051%,從表2結(jié)果可以看出系輸入能量統(tǒng)的煙效率n為68.829%兩者的值相差很大輸入系統(tǒng)物流的焓值和1.35986×103原因是在系統(tǒng)中把與系統(tǒng)內(nèi)部物流換熱的換熱器蒸汽系統(tǒng)輸入蒸汽的熱量3.19757×10假定其中的大部分是理想換熱沒有熱量的損失外界供入的電能3,44550×10°小計2.18226x10實際上通過表2的計算結(jié)果可以看出這部分換輸出能量熱器是有傭損的,而且其損失的值還比較大。系統(tǒng)輸岀物流的焓值和系統(tǒng)輸出蒸汽的熱量因此由熱力學(xué)第一定律的效率得知的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6,46450×10與外界物流換熱的換2,08248×設(shè)置以及操作條件很合理的結(jié)論只是一種表面熱器放出的熱量小計1.76874×107現(xiàn)象它沒有真正揭示系統(tǒng)實際的用能情況損失量2)從計算結(jié)果損率可以看出內(nèi)部炸損是與系統(tǒng)內(nèi)物流沒有完全4.411換熱的散熱損失主要環(huán)節(jié)其煳損率為92.549%而外部爛損率只系統(tǒng)排出的廢氣、廢水的焓值和9.19116×1054.211有7.451%所以減少內(nèi)部爛損失是節(jié)能的主要環(huán)泵與壓縮機損失的能量節(jié)其他熱損失小計4.13513×10°3)在內(nèi)部煳損失中5個塔的損失很大熱效率n,%81.05181.051因為在此過程中塔內(nèi)氣體的吸收、解吸過程需表2低溫甲醇洗系統(tǒng)平衡計箅結(jié)果要有傳質(zhì)和傳熱推動力才能進(jìn)行而這種傳質(zhì)和能量/爛損系爛損傳熱推動力依賴于塔內(nèi)的濃度差和溫度差,所以目ki h數(shù),%率%塔內(nèi)的傳熱和傳質(zhì)引起了5塔的內(nèi)部爛損失。輸入≮用∑E4)除了5個塔引起的畑損失之外換熱器的進(jìn)入系統(tǒng)的原料氣Ei6.54712×107進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行換熱的氣體Ema3.69672×103畑損失也很大。其中與內(nèi)部物流完全換熱的換熱進(jìn)入系統(tǒng)的其他物流煳器嫻損率占24.694%,氣液分離器的煳損率占蒸汽系統(tǒng)供入蒸汽8.74530×10°8.957%。在此低溫甲醇洗過程中換熱器傳熱過外界供入的電能E程的總煳損失,可以認(rèn)為是冷熱流體間的溫差傳進(jìn)入系統(tǒng)的冷量慵值和E、1.17918×10熱引起的損失和冷熱流體的散熱煳損失引起輸出有用∑E的。。例如:來自液氮洗工段的合成氣進(jìn)入到甲系統(tǒng)輸出的原料氣Ei4.00471×103醇洗工段與含CO2的甲醇液以及進(jìn)口的原料氣進(jìn)行換熱輸出系統(tǒng)的氣體E23,.48699×107進(jìn)入其他工段的氣體E換熱后引起了損失系統(tǒng)輸出蒸汽的≮用E25)放空氣體及排出廢水引起的嫻損失。與外部物流換熱輸出E2.21013×10°6)從表2可以看出理論上的內(nèi)部煳損值為計8.11613×107損失≮用∑E。L3.40180×103kJ/K(即理論上的烔損=輸入煳-輸內(nèi)部煳損出有用煳-外部煳損)比實際計算得到的傭損值與內(nèi)部物流完全換熱的9.07685×10°7.69824.694有所偏低。這是因為計算過程中忽略了管道阻換熱器煩損失力、節(jié)流閥和過濾器引起的爛損失。3.29213×102.7928.95物流在五塔內(nèi)部煙損失68×10315.44949.560其他損失3.43225×10°2.9119.336改進(jìn)措施與建議小計3.40180×1028.84992外部損失中國煤化工算與蜩衡算結(jié)果的分與內(nèi)部物流不完全換熱的9.65720×1050.8192.730析CNMH提高系統(tǒng)的煳效率。輸出系統(tǒng)外物流Es21)優(yōu)化系統(tǒng)的流程結(jié)構(gòu),優(yōu)化系統(tǒng)的操作條41×10°0.8512.627泵與壓縮機引起損失7.658×1礦06532.o4件。在甲醇洗滌塔的上部吸收CO2的甲醇溶液小計273871×°2、3237451在第49塊塔板處溶液溫度升高到-17.1℃,先將燈用效率68.82968.829其引入甲醇氨冷器冷至-25.5℃再將其經(jīng)換熱2006年第29卷器B3冷卻至-41.9℃后進(jìn)入塔中繼續(xù)吸收CO3。為代價。因此此處的換熱從煳分析角度是不可如果將其中的甲醇氨冷器去掉,直接使溶液進(jìn)入取的換熱器E3中換熱則結(jié)果為:與其換熱的貧甲醇5)將甲醇/水分離塔排出的高溫廢水,用以溶液岀E3的溫度為-10.1α(在此貧甲醇液被加預(yù)熱其他的原料加以回收利用其所含的能量,可熱原來的溫度為-54.1℃),此時計算換熱器E3以減少系統(tǒng)的外部嫻損失。的爛損失和與之相關(guān)的甲醇閃蒸罐ⅴ5的煳損失均減少具體分析見表3。7結(jié)論表3有、無氨冷器分析對照1)傭效率比熱效率更能全面的體現(xiàn)出系統(tǒng)目有氨冷器去掉氨冷器用能的情況淵效率高就表明系統(tǒng)對能量的有效換熱器E3放熱/kJh243554×102,98956×利用程度高。熱效率高不一定意味著系統(tǒng)用能與之換熱的貧甲醇出口溫度/℃-15.3很合理。換熱器E3的損失量/kJh5.8645×1056.7315×104V5的損失量/kJh1.8566×101.3789×10°2)傭分析能指出系統(tǒng)利用能量與損失能量E3與v的燸損失總量/h2.44305×10°1.442×10的具體環(huán)節(jié),以利于對系統(tǒng)中某設(shè)備的改進(jìn)。后比前損減少量/kJh9.96830×103)在此低溫甲醇洗過程中減少換熱器的煩在原來有氨冷器的工況下氨冷器可以得到損失是提高系統(tǒng)傭效率的主要途徑。的冷量為9.96770×105kJ/h,所以在去掉氨冷器的情況下烔損失有所減少從能量利用的角度參考文獻(xiàn)來說是有利的但還要考慮系統(tǒng)冷平衡。1陳五平.無機化工工藝學(xué)(一).合成氨.第二版北京北化學(xué)2)針對換熱器引起的煳損失可以采取以下工業(yè)出版社1995郝小紅,生物質(zhì)超臨界水氣化制氫.西安:西安交通大學(xué)的措施。對占主要部分的溫差傳熱爛損失可以合理匹配換熱網(wǎng)絡(luò)、合理的設(shè)定換熱溫差或者適當(dāng)3馮霄李勤凌,化工節(jié)能原理與技術(shù),北京北化學(xué)工業(yè)出版增加換熱面積以降低換熱溫差減少不必要的過社,1998高的工質(zhì)流速改進(jìn)換熱器設(shè)計以減少局部阻力;4吳志泉涂晉林等化工工藝計算,上海華東化工學(xué)院出版使用熱絕緣性能好的材料以減少換熱器與環(huán)境的社,9925徐國峰莊正寧等,鍋爐的能量平衡分析,熱力發(fā)電,2004,熱量交換條件允許的話可以考慮使用熱回收設(shè)(9)13備以減少散熱損失,防止換熱器的結(jié)垢等06薛銀皎.注汽鍋爐系統(tǒng)用能分析及改進(jìn)建議,特種油氣藏減少換熱器引起的損失隊從而減少系統(tǒng)的內(nèi)部2005,1x3)11損失7高洪亮.制冷裝置的爛效率分析.冷藏技術(shù)J999(3):133)改善變換氣進(jìn)入洗滌塔時氣液分離器的8徐土鳴二基子熱力學(xué)第二定律的吸收式制冷循環(huán)分分離效果減少進(jìn)入系統(tǒng)的水分含量從而減少氣析.大連理工大學(xué)學(xué)報,998381)70的烔損失分析,淮海工學(xué)院學(xué)報液分離器的燈損失[1200091):144)來自液氮洗工段的合成氣進(jìn)入到甲醇洗10馬吉民王洪泳等.換熱器傭分析計算和嫻焓圖表示制冷過程中吸收了熱量,但是卻以減少了品質(zhì)高的煳與空調(diào)2002(3)5THE EXERGY ANALYSIS OF RECTISOL PROCESSLei Yunxia and Feng XiaoDepartment of Chemical Engineering Xi' an Jiaotong University Xi'an 710049)Abstract A model of exergy analysis was establ中國煤化工In the ammonia synof a chemical fertilizer plant. DetailedCNMHGcompared with energy analysis the irrational segment of the system was found and relativewere proposed for improvementKey words rectisol system exergy analysis improving ways