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氨合成系統冷交換器面積配置探討

點擊:1448 日期:[ 2014-04-26 22:55:13 ]
作者:平惠強,劉銀強,黃 暉(浙江工業大學機械廠,浙江杭州 310014)摘 要:對氨合成系統冷交換器的熱平衡進行了編程計算,分析和探討了冷交換熱面積的合理配置;通過計算實例,對進出口溫度、換熱面積和氨冷耗氨進行了比較。結果表明,在投資許可的情況下配置較大的冷交換熱面積在合成流程中是合理的。關鍵詞:冷交換器;換熱面積;氨冷氨耗;氨合成系統  隨著我國合成氨工業的發展,越來越多的小氮肥企業由于能耗較高而不斷改進系統設備技術,擴大生產規模來降低能耗。但有些企業在合成系統的擴建或設備改造時往往忽略了冷交設備的重要性,殊不知冷交面積的大小直接影響到氨冷的液氨消耗和氨合成塔的進口氨含量,進而影響氨合成塔的應用效果。因此,合理的系統設備配置,對提高氨合成效率,降低消耗有著事半功倍的效果。筆者通過對氨合成系統中冷交換器的熱平衡計算,探討冷交的合理換熱面積及其對整個合成系統的影響。1 流程簡介氨合成系統冷卻部分設備較常用的流程示意見圖1。由圖1可知,從水冷氨分后過來的氣體進入冷交上部換熱器管內,與氨冷來的冷氣體換熱,出冷交的熱氣體(包含部分冷卻的液氨)進入氨冷器進一步被冷卻至符合合成塔進口氨含量的設計要求,氣液混合物進入冷交下部分離器分離液氨,冷氣體進入冷交上部換熱器管間與管內來自水冷后的熱氣體換熱,出冷交后經循環機加壓入合成塔。由于各廠的放空和補氣位置有所不同,本文計算物料和熱量平衡時,放空和補氣的位置均在冷交出口氨冷進口的管道上。2 模型的建立與編程2.1 冷交內氣液兩相熱量分析式中,熱量Q均為溫度t的函數。在對應的壓力和進口氨含量(考慮過飽和度)下,氨冷氣體出口溫度是一定的。根據拉爾遜公式:lgyNH3=4.1856+(5.987879 p)-(1099.544 T),可以計算出冷氣進口的溫度。水冷器出口的溫度設為35℃,因此Q熱氣進口、Q冷氣進口為已知,上式可以表示為:Q=f(t冷出)+f(t熱出)2.2 換熱面積的計算式中,K可以根據氣量及冷交內部結構計算;△tm為對數平均溫度。上述各式中,由于溫度t冷出和t熱出均為未知,在計算中需先假設t熱出為一定值,然后通過試差法來計算t冷出。但計算得出的t冷出不一定是最佳的溫度,從理論分析當冷交面積足夠大時,t冷出較接近t熱進時,t熱出溫度就越低,說明冷交換熱效率高,冷量利用較好,冷交中冷凝的液氨較多,對應一定的產量下氨冷器所需的液氨消耗也就越少。當(t熱進-t冷出)→0時,t熱出→tmin,這時氨冷耗氨最小,但冷交的換熱面積S→∞,這顯然是不經濟的,也是不可能實現的。筆者通過舉例對各個t冷出,t熱出溫度下氨冷耗氨的計算,用以探討冷交面積的合理配置。該部分電算優化編程的框圖見圖2。3 計算舉例與分析計算條件為:年產10萬t合成氨,有效工作日為310d,補充氣CH4=1.5%,Ar=0.5%,n(H2)∶n(N2)=3,入塔氣NH3=3%,CH4=16%,出塔氨含量根據內件積分計算,補氣溫度為35℃,合成操作壓力為30MPa,放空氣和補充氣的位置均為冷交出口氨冷進口,水冷出口氣體溫度為35℃。冷交換熱器部分按列管換熱器計算,計算出的換熱系數為1591~1758kJ m2·h·℃,為計算中方便對比,統一取值K=1675kJ m2·h·℃。按照上述條件,編程計算結果見表1。  將表1中熱氣出口溫度、冷交面積與氨冷耗氨之間的關系繪制的曲線見圖3,虛線表示5萬t a合成氨時熱氣出口溫度與冷交面積的關系。從圖3可以看出,冷交面積隨著熱氣出口溫度的降低而增大,是一個雙曲線方程,在熱氣出口溫度小于18℃后冷交面積迅速增大,而氨冷耗氨隨熱氣出口溫度的降低為直線方程,呈等差下降趨勢。圖3中冷交面積為230m2時,氨冷中液氨的消耗約為9500kg h,熱氣出口溫度約為22℃;當冷交面積增大到600m2時,氨冷中液氨的消耗約為8050kg h,熱氣出口溫度約為18.3℃。隨著冷交換熱面積增加到370m2,氨冷液氨消耗節約了1450kg h,氨冷器的負荷也相應減小,這對降低進口氨含量,提高氨合成率大有好處。另外,通過10萬t a和5萬t a熱氣出口溫度與冷交面積關系圖對比發現,在系統設計時,熱氣出口溫度設計值在18~19℃比較合理(水冷溫度為35℃),即設計能力為10萬t a時,冷交換熱面積應大于460m2;設計能力為5萬t a時,冷交換熱面積應大于250m2。4 結語(1)隨著我國化肥工業的不斷進步,企業進行技術改造是優化工藝系統,充分發揮設備能力,提高科技水平的必要手段,合理優化的設備配置對小氮肥行業節能降耗尤為重要。(2)應該認識到合成系統的運行好壞不僅是一個氨合成塔所能決定的,整個流程中合理的設備配置對能耗的降低也起到較為重要的作用。(3)舉例計算結果表明,在合成系統設備改造時,在資金許可情況下應盡可能地加大冷交換熱面積,以降低液氨消耗,提高合成效率。
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