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(guò)程煳分析雷云霞馮霄(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傭分析模型。對(duì)甲醇洗系 統(tǒng)進(jìn)行了炯分析并且與能量分析進(jìn)行了比較分析系統(tǒng)用能的薄弱之處提出相應(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(lèi)號(hào):TQ113.26文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B.文章編號(hào):1002-5782( 2006 )05-0335-04在凈化氫氣的一系列工段中,需要耗費(fèi)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)的炯為冷區(qū)和熱區(qū)。冷區(qū)由甲醇洗滌塔、二氧化碳解分析法對(duì)凈化氫氣工藝中的低溫甲醇洗工段進(jìn)吸塔和硫化氫濃縮塔組成熱區(qū)由甲醇熱再生塔行分析。和甲醇/水分離塔組成流程如圖1。-H[S2tOH國(guó)avE1h1C| C4C5[$923 5Qm-圖1低溫甲醇洗系統(tǒng)流程C1一甲醇洗滌塔;C2一二氧化碳解吸塔;C3- 硫化氫濃縮塔;C4-甲醇熱再生塔;C5-甲醇/水分離塔;S1一原料氣;S2-尾氣S3- -CO2S4-產(chǎn)品氣S5- -N2 S6- -H2SS7-廢水S8-甲醇S9- -H2 S10-來(lái)自液氮洗工段進(jìn)行換熱的合成氣S11-換熱后的合成氣E1一原料氣冷卻器;E2- 甲醇氨冷器;E3-循環(huán)甲醇冷卻器;E4-甲醇冷卻器;V1- -甲醇/水分離罐;V2-1*循環(huán)氣閃蒸罐;V3- -2" 循環(huán)氣閃蒸罐;V4-硫化氫分 離罐;V5-甲醇閃蒸罐整個(gè)系統(tǒng)主要是為了凈化來(lái)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(duì)于低溫甲醇洗系統(tǒng),它的能量平衡方程I]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EHo- EH= EQ;- 2W。(1)硫化物都是合成氨催化劑的毒物然而CO2又是式中:ZHo一所有離開(kāi)系統(tǒng)物流的焓總和kJ/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8期2006-03-07收到修改稿8期2006-07-25.凈H2的同時(shí),又對(duì)它們分別脫出并加以回收利作者簡(jiǎn)介:雷云霞，女,1980 年出生,西安交通大學(xué)化學(xué)工程用。專(zhuān)業(yè)碩士研究生。E-mail jyxlei @ stu. xjtu. edu.cno3362006年第29 卷大氛肥EH;- -所有進(jìn)入系統(tǒng)物流的焓總和kJ/h;Exc為來(lái)自上一工段( -氧化碳變換工段)EQ-系統(tǒng)從外界所得到的熱量總和,包括進(jìn)入系統(tǒng)的原料氣炯,ExPCI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煳,Expca2為來(lái)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 ;的合成氣炯Expc2為進(jìn)行換熱的合成氣輸出系統(tǒng)2 Wo一壓縮機(jī)與泵消耗的電能kJ/ho的炯,ExEI 為供給泵與壓縮機(jī)的電能,E、2為泵與能量平衡分析2]以熱力學(xué)第一定律效率η。壓縮機(jī)因摩擦而損失的那部分電能,ExN. 為汽提(即熱效率)作為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則,ηr為系統(tǒng)利用的能量CO2時(shí)輸入的N2的炯,E為來(lái)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)的煙,Exo1 為蒸汽系統(tǒng)供入的蒸汽傭Ex02為系統(tǒng)輸出蒸汽的炯,EMr為ηr=E.x 100%(2)辯識(shí)使用能量的薄弱環(huán)節(jié)的分析準(zhǔn)則是能量外界供入的貧甲醇溶液炯,Exc為系統(tǒng)得到的冷量炯,Ex為與外部物流換熱后系統(tǒng)輸出的炯,損失系數(shù)x。,簡(jiǎn)稱(chēng)能損系數(shù)。x。 為某環(huán)節(jié)的能Exg;為換熱時(shí)散熱損失的炯,Exc;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CO2、H2S)擁Exc2為排出系統(tǒng)的物X。=(3)流(廢水、廢氣)煙。其中:式中:Er,-i環(huán)節(jié)的能量損失。EE、in= EPC1+ ExpC2+ Exe1+ExN,+ExH,+ExQ1+ ExME+ Exco(7)3系統(tǒng)的炯衡算方程式2Exout= E<2+ Ece1+ Exrc1+ Exrc2+ ExB對(duì)低溫甲醇洗系統(tǒng)其炯衡算方程3為:(8)EExin= EE、om+ EE、(4)EEx12= Exc2+ Exe:+ Exe2(9)式中:ZE、in- 輸入系統(tǒng)的總炳值kJ/h;作為煳分析的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則[2飛煳效率),只能對(duì)EExmu- -系統(tǒng)輸出有用的總炯值,kJ/h;用能設(shè)備或系統(tǒng)的整體耗能狀態(tài)做出宏觀評(píng)價(jià),EE-系統(tǒng)損失的總炯值,kJ/h;而對(duì)用能過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)是否合理不能做出判且系統(tǒng)損失的總炯值45]為:別。辨識(shí)能量轉(zhuǎn)換、傳遞和使用過(guò)程合理性的準(zhǔn)EEx= EE.u1+ EE、12(5)則是分析準(zhǔn)則。分析準(zhǔn)則有兩種:擁?yè)p系數(shù)x和式中:2E、一系統(tǒng)的內(nèi)部損失總炯值,kJ/h ;傭損率σ。EE、12-系統(tǒng)的外部損失總炯值;kJ/ho煳損系數(shù)x為系統(tǒng)內(nèi)某環(huán)節(jié)的炯損失與系統(tǒng)ηe為系統(tǒng)的炯效率,可以表明系統(tǒng)對(duì)輸入總輸入炯的比。對(duì)每一環(huán)節(jié)的煳損系數(shù)進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)后,即可指出系統(tǒng)用能的不合理之處。炯的有效利用程度其數(shù)學(xué)表達(dá)式6]為:7ex=E.2E、w ,(6)x=..x100%..(10)其炯效率反映了實(shí)際過(guò)程接近理想過(guò)程的程的比,即:炯損率σ為系統(tǒng)某環(huán)節(jié)的擁?yè)p與系統(tǒng)總炯損度表明了過(guò)程的熱力學(xué)完善度,從而指明改善過(guò)程的可能性[3]。、。x 100%(11)習(xí)Ex⊥炯分析的模型(6]如圖2所示。E:qz ExrGnEjpcaExEO ExO14能量平衡與煳平衡計(jì)算結(jié)果ExPGI根據(jù)某化肥廠提供的生產(chǎn)數(shù)據(jù),對(duì)低溫甲醇ExPor* -EEi洗工段進(jìn)行了能量衡算與炯衡算(68]其計(jì)算結(jié)果ExE-0-0~0- 0-0-0-ExE:如表1、表2所示。在此，對(duì)所有物流炯的計(jì)算是ExN,-以To=25C、P。= 101. 325kPa的狀態(tài)為基準(zhǔn)態(tài),EnmlEnol ExmE Excol進(jìn)料氣Co2十富液cox/中薛審幕門(mén)利用Aspen Plus 10.2 查取的相應(yīng)物流的焓熵值,預(yù)冷HzS閃蒸HzS再生 水分離并利用Aspen Plus 10.2對(duì)換熱器和輸入的蒸汽進(jìn)吸收?qǐng)D2炯分析模型行模擬，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(guò)程炯分析337傭損值。5計(jì)算結(jié)果分析表1低溫甲醇洗系 統(tǒng)能量平衡計(jì)算結(jié)果1)從表1計(jì)算結(jié)果可以看出系統(tǒng)的第-定律效率η。為81.051%，從表2結(jié)果可以看出系頁(yè)目能量/kJ h-'能損系數(shù) ,%統(tǒng)的炯效率ηes 為68.829%，兩者的值相差很大。輸入能量輸入系統(tǒng)物流的焓值和- 1.35986x 107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. 19757x 107假定其中的大部分是理想換熱沒(méi)有熱量的損失。外界供入的電能3.450x 10*小計(jì)2.18226x 10'實(shí)際上通過(guò)表2的計(jì)算結(jié)果可以看出,這部分換輸出能量熱器是有煙損的,而且其損失的炯值還比較大。系統(tǒng)輸出物流的焓值和- 9.60188x 10*因此,由熱力學(xué)第-定律的效率得知的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)輸出蒸汽的熱量6. 46450x 10*與外界物流換熱的換2.08248 x 107設(shè)置以及操作條件很合理的結(jié)論,只是-種表面熱器放出的熱量現(xiàn)象,它沒(méi)有真正揭示系統(tǒng)實(shí)際的用能情況。1.76874x 107損失量2 )從計(jì)算結(jié)果煙損率可以看出,內(nèi)部煙損是與系統(tǒng)內(nèi)物流沒(méi)有完全9.62594x 1054.411主要環(huán)節(jié)其炯損率為92.549% ,而 外部炯損率只換熱的散熱損失系統(tǒng)排出的廢氣、廢水的焓值和9. 19116x 104.211有7.451%所以減少內(nèi)部炯損失是節(jié)能的主要環(huán)泵與壓縮機(jī)損失的能量7.69580x 103.527其他熱損失1.48384x 10*6.8004.13513x 10*18.949 .3)在內(nèi)部炯損失中,5個(gè)塔的煳損失很大。熱效率η, ,%81 .05181.051因?yàn)樵诖诉^(guò)程中塔內(nèi)氣體的吸收、解吸過(guò)程需表2低溫甲醇洗系 統(tǒng)炯平衡計(jì)算結(jié)果要有傳質(zhì)和傳熱推動(dòng)力才能進(jìn)行,而這種傳質(zhì)和能量/用損系用損傳熱推動(dòng)力依賴(lài)于塔內(nèi)的濃度差和溫度差所以項(xiàng)目kJ h-'數(shù),%率,%塔內(nèi)的傳熱和傳質(zhì)引起了5塔的內(nèi)部煙損失。輸入爛EE4)除了5個(gè)塔引起的擁?yè)p失之外換熱器的進(jìn)入系統(tǒng)的原料氣E.rca6.54712x 10煳損失也很大。其中與內(nèi)部物流完全換熱的換熱進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行換熱的氣體Espa2 3.69672x 10?進(jìn)入系統(tǒng)的其他物流炯1.65136x 10°器煳損率占24.694% ,氣液分離器的炯損率占蒸汽系統(tǒng)供入蒸汽炯Exu .8. 74530x 10°8.957%。在此低溫甲醇洗過(guò)程中換熱器傳熱過(guò)外界供入的電能ExE3.44550 x 106程的總擁?yè)p失,可以認(rèn)為是冷熱流體間的溫差傳進(jìn)入系統(tǒng)的冷量擁值和ExcO1.63744x 10°1. 17918x 108熱引起的煙損失和冷熱流體的散熱煳損失引起輸出有用炯習(xí)Exm的9。例如:來(lái)自液氮洗工段的合成氣進(jìn)入到甲系統(tǒng)輸出的原料氣Exrea4.00471x 10'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Exmo2 3.48699 x 10'換熱后引起了炯損失。進(jìn)入其他工段的氣體Eean .2. 87909 x 10*系統(tǒng)輸出蒸汽的炯E'021. 15504x 10°5)放空氣體及排出廢水引起的擁?yè)p失。與外部物流換熱輸出炯E'和n2. 21013x 10°6)從表2可以看出,理論上的內(nèi)部煳損值為8.11613x 1073.40180x 107 kJ/HK即理論上的炯損=輸入傭-輸損失炯ZE?！蛢?nèi)部炯損出有用煳-外部煳損),比實(shí)際計(jì)算得到的擁?yè)p值與內(nèi)部物流完全換熱的有所偏低。這是因?yàn)橛?jì)算過(guò)程中忽略了管道阻9.07685x10* 7.698 24.694換熱器煙損失力、節(jié)流閥和過(guò)濾器引起的炯損失。氣液分離器炯損失3. 29213x1002.792 8.957物流在五塔內(nèi)部炯損失1. 82168x107 15.449 49. 560其他煙損失.3.43225x10* 2.911 9.3386改進(jìn)措施與建議3.40180x 10728.849 92.549通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的能量衡算與炯衡算結(jié)果的分外部炯損失與內(nèi)部物流不完全換熱的析提出改進(jìn)措施與建議,以提高系統(tǒng)的煙效率。9.65720x10 0.819 2.730炯Exe1)優(yōu)化系統(tǒng)的流程結(jié)構(gòu),優(yōu)化系統(tǒng)的操作條輸出系統(tǒng)外物流炯Ex21.00341x10 0.851 2.627泵與壓縮機(jī)引起煳損失7.69580x 10* 0.653 2.094件。在甲醇洗滌塔的上部吸收CO2的甲醇溶液,2.73871 x10° 2.323 7.451在第49塊塔板處溶液溫度升高到- 17.1C ,先將炯效率7. %68.829 68 .829其引入甲醇氨冷器冷至-25.5C,再將其經(jīng)換熱3382006年第29 卷大氛肥器E3冷卻至-41.9C后進(jìn)入塔中繼續(xù)吸收CO2。為代價(jià)。因此此處的換熱從炯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,用以溶液出E3的溫度為-10.1C(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(lái)的溫度為-54.1C ),此時(shí)計(jì)算換熱器E3以減少系統(tǒng)的外部煙損失。的煙損失和與之相關(guān)的甲醇閃蒸罐V5的炯損失均減少具體分析見(jiàn)表3。7結(jié)論表3有、無(wú)氨冷器擁分析對(duì)照1 )擁效率比熱效率更能全面的體現(xiàn)出系統(tǒng)項(xiàng)目有氨冷器去掉氨冷器用能的情況煳效率高就表明系統(tǒng)對(duì)能量的有效換熱器E3放熱/kJ h-'2.43554x 10’2 .98956x 107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/C .- 15.3- 10.1很合理。換熱器E3的炯損失量/kJj h-15.8645x 10% 6.7315x 10+V5的炯損失量/kJ h-11. 8566x 10*1. 3789x 10°2)炯分析能指出系統(tǒng)利用能量與損失能量E3與V5的炯損失總量/kJ h-'2.44305x 10° 1.44622x 10°的具體環(huán)節(jié),以利于對(duì)系統(tǒng)中某設(shè)備的改進(jìn)。后比前炯損減少量/kJ h-19.96830x 10%3)在此低溫甲醇洗過(guò)程中,減少換熱器的炯在原來(lái)有氨冷器的工況下氨冷器可以得到損失是提高系統(tǒng)炯效率的主要途徑。的冷量煳為9.96770x 10°kJ/h ,所以在去掉氨冷參考文獻(xiàn)器的情況下?lián)頁(yè)p失有所減少,從 能量利用的角度來(lái)說(shuō)是有利的,但還要考慮系統(tǒng)冷平衡。1陳五平.無(wú)機(jī)化工工藝學(xué)(一).合成氨.第二版.北京:化學(xué).2)針對(duì)換熱器引起的煙損失可以采取以下.工業(yè)出版社,1995的措施。對(duì)占主要部分的溫差傳熱炯損失可以合2郝小紅.生物質(zhì)超臨界水氣化制氫.西安:西安交通大學(xué),2004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: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(guò)社,1998高的工質(zhì)流速,改進(jìn)換熱器設(shè)計(jì)以減少局部阻力;4吳志泉涂晉林等.化工工藝計(jì)算.上海:華東化工學(xué)院出版社,1992使用熱絕緣性能好的材料以減少換熱器與環(huán)境的熱量交換條件允許的話(huà)可以考慮使用熱回收設(shè)徐國(guó)峰莊正寧等.鍋爐的能量平衡分析.熱力發(fā)電,2004 ,(9):3備以減少散熱損失,防止換熱器的結(jié)垢等10] ,以6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,減少換熱器引起的煙損失,從而減少系統(tǒng)的內(nèi)部2005 ,12X3):11炯損失。7高洪亮 .制冷裝置的煙效率分析.冷藏技術(shù)19999 (3):133徐士鳴袁基于熱力學(xué)第二定律的吸收式制冷循環(huán)分3)改善變換氣進(jìn)入洗滌塔時(shí)氣液分離器的分離效果減少進(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(bào)1998 38(1)709邵理堂,舒?zhèn)?換熱器的煙損失分析.淮海工學(xué)院學(xué)報(bào),液分離器的煙損失[1。2000 9( 1):144)來(lái)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.換熱器炯分析計(jì)算和炯焓圖表示.制冷過(guò)程中吸收了熱量,但是卻以減少了品質(zhì)高的炯與空調(diào)2002(3)5THE EXERGY ANALYSIS OF RECTISOL PROCESSLei Yunxia and Feng Xiao( Department of Chemical Engineering , Xi' an Jiaotong University ，Xi' an ,710049 )AbstractA model of exergy analysis was established for rectisol section in the ammonia syn-thesis system of a chemical fertilizer plant. Detailed exergy analysis of rectisol system was made andcompared with energy analysis , the irrational segment of the system was found , and relative measureswere proposed for improvement .Key words rectisol system exergy analysis , improving ways