低温甲醇洗过程(火用)分析

2006年10月Oct,2006第29卷第5期Large Scale Nitrogenous Fertilizer IndustryVol 29 No 5低温甲醇洗过程爛分析雷云霞冯霄(西安交通大学化工系陕西西安,710049)摘要根据某化肥厂合成氨系统中的低温甲醇洗工段的工艺建立了爛分析模型。对甲醇洗系统进行了烱分析并且与能量分析进行了比较分析系统用能的薄弱之处提岀相应的改进措施。关键词低温甲醇洗系统佣分析改进途径中图分类号:rQ113.26文献标识码B文章编号:002-578x200605-0335-04在净化氬气的一系列工段中需要耗费大量1低温甲醇洗系统的组成的能量。为了揭示系统用能的合理性达到节能低温甲醇洗系统采用林德技术五塔流程分的目的本文采用以热力学第二定律为基础的烔为冷区和热区。冷区由甲醇洗涤塔、二氧化碳解分析法对净化氬气工艺中的低温甲醇洗工段进吸塔和硫化氬浓缩塔组成;热区由甲醇热再生塔行分析和甲醇/水分离塔组成流程如图1SIcCHE3SIc图1低温甲醇洗系统流程CI—甲醇洗涤塔汇2—二氧化碳解吸塔;3—-硫化氬浓缩塔;4—甲醇热再生塔;5—甲醇/水分离塔;I-原料气;2一尾气3-CO3δ4一产品气δ5一N2S6-H2S7一废水8—甲醇⑧9一—H2S10—来自液氮洗工段进行换热的合成气“1|一换热后的合成气配—原料气冷却器Σ一甲醇氨冷器霪3—循环甲醇冷却器;4—甲醇冷却器;—甲醇/水分离罐;V2-1循环气闪蒸罐;3一2*循环气闪蒸罐;4—硫化氬分离罐;5一甲醇闪蒸罐整个系统主要是为了净化来自一氧化碳变换2系统的能量衡算方程式工段的进料气。由于一氧化碳变换后的变换气中对于低温甲醇洗系统,它的能量平衡方程1除了含有氨合成反应所需要的H2、N2以外还含为有CO、CO2、H2S以及COS等成分这些氧化物和中国煤化工:w(1)硫化物都是合成氨催化剂的毒物然而CO2又是式THCNMHG物流的焓总和A/h生产尿素的原料而且一氧化碳、硫化物又可进步回收利用故在此采用低温甲醇洗涤法得到纯收稿日期2006-03-07收到修改稿日期200607-25。净H2的同时,又对它们分别脱出并加以回收利作者简介雷云霞女,1980年出生,西安交通大学化学工程用专业硕士研究生。E- mail yxlei@ stu. xJtu,edu,cn2006年第29卷∑H一所有进入系统物流的焓总和kJ/hEsr为来自上一工段(一氧化碳变换工段)∑Q一系统从外界所得到的热量总和,包括进入系统的原料气娴,E1为出系统的产品气蒸汽系统提供的蒸汽与外界物流換热的换热器娴,E、为来自液氮洗工段的进入系统进行换热所得到的热量以及换热器的散热损失kJ/h的合成气,E为进行换热的合成气输出系统∑W一压缩机与泵消耗的电能kJ/h的,E、E为供给泵与压缩机的电能,E为泵与能量平衡分析2以热力学第一定律效率n压缩机因摩擦而损失的那部分电能,EN为汽提(即热效率作为评价准则,为系统利用的能量CO2时输入的N2的娴,EM为来自液氮洗工段的与供给系统的总能量的比值即循环气主要成分为氢气)的烔,E、o为蒸汽系统E7r=p×100%(2)供入的蒸汽烔,E2为系统输出蒸汽的烦,E3M为外界供入的贫甲醇溶液烔,E3c为系统得到的冷辩识使用能量的薄弱环节的分析准则是能量量爛,E为与外部物流换热后系统输岀的燸损失系数κ。简称能损系数。X。为某环节的能E、.为换热时散热损失的,E、c为进入其他工段量损失与供给系统的总能量的比值即的物流(脱出的CO2H2S娴,E2为排出系统的物EX,=E=×100%(3)流废水、废气冰用。其中式中:E1,一i环节的能量损失∑E、m=E、P1+E、P+EE1+EN+E3H,+E3系统的煳衡算方程式∑E3xmt=E、+En+EP1+E2+E对低温甲醇洗系统其畑衡算方程3)为(8)∑Exmn=∑Exm+∑E(4)∑E、12=E2+E、E+E、B(9)式中E、一输入系统的总焆值kJ/h作为爛分析的评价准则嫻效率)只能对∑E、灬一系统输出有用的总爛值kJ/h用能设备或系统的整体耗能状态做出宏观评价ΣE、』一系统损失的总焆值忒J/h而对用能过程的各个环节是否合理不能做出判且系统损失的总佣值451为别。辨识能量转换、传递和使用过程合理性的准∑E、=∑E、M+∑E、n2(5)则是分析准则。分析准则有两种:损系数x和式中E、1一系统的内部损失总煳值kJ/h佣损率σ。∑E、』2一系统的外部损失总煳值kJ/h烱损系数x为系统內某环节的畑损失与系统的为系统的效率可以表明系统对输入总输入的比。对每一环节的损系数进行分灯的有效利用程度其数学表达式6为析、评价后即可指出系统用能的不合理之处。100%(6)∑E×100%(10)∑E、其爛效率反映了实际过程接近理想过程的程煩损率σ为系统某环节的畑损与系统总损度表明了过程的热力学完善度从而指明改善过的比即程的可能性3∑E,×100%分析的模型6如图2所示。4能量平衡与爛平衡计算结果倨某化肥厂提供的生产数据,对低温甲醇)-0-0-000中国煤化工衡算68]其计算结果如CNMHG所有物流焆的计算是EEE以T=25℃、P0=101.325kPa的状态为基准态籽气c出十o-m利用 Aspen Plus10.2查取的相应物流的焓熵值,预冷HS闪蒸HS再生水分离并利用 Aspen Plus10.2对换热器和输入的蒸汽进图2爛分析模型行模拟从而得到其末状态的值最终求得它们的第5期雷云霞等.低温甲醇洗过程爛分析337损值5计算结果分析表1低温甲醇洗系统能量平衡计算结果1)从表1计算结果可以看出,系统的第一定项目能量/Hh1能损系数,%律效率n为81.051%,从表2结果可以看出系输入能量统的烟效率n为68.829%两者的值相差很大输入系统物流的焓值和1.35986×103原因是在系统中把与系统內部物流换热的换热器蒸汽系统输入蒸汽的热量3.19757×10假定其中的大部分是理想换热没有热量的损失外界供入的电能3,44550×10°小计2.18226x10实际上通过表2的计算结果可以看出这部分换输出能量热器是有佣损的,而且其损失的值还比较大。系统输岀物流的焓值和系统输出蒸汽的热量因此由热力学第一定律的效率得知的系统结构6,46450×10与外界物流换热的换2,08248×设置以及操作条件很合理的结论只是一种表面热器放出的热量小计1.76874×107现象它没有真正揭示系统实际的用能情况损失量2)从计算结果损率可以看出内部炸损是与系统内物流没有完全4.411换热的散热损失主要环节其煳损率为92.549%而外部爛损率只系统排出的废气、废水的焓值和9.19116×1054.211有7.451%所以减少内部爛损失是节能的主要环泵与压缩机损失的能量节其他热损失小计4.13513×10°3)在内部煳损失中5个塔的损失很大热效率n,%81.05181.051因为在此过程中塔內气体的吸收、解吸过程需表2低温甲醇洗系统平衡计箅结果要有传质和传热推动力才能进行而这种传质和能量/爛损系爛损传热推动力依赖于塔内的浓度差和温度差,所以目ki h数,%率%塔内的传热和传质引起了5塔的内部爛损失。输入≮用∑E4)除了5个塔引起的畑损失之外换热器的进入系统的原料气Ei6.54712×107进入系统进行换热的气体Ema3.69672×103畑损失也很大。其中与內部物流完全换热的换热进入系统的其他物流煳器娴损率占24.694%,气液分离器的煳损率占蒸汽系统供入蒸汽8.74530×10°8.957%。在此低温甲醇洗过程中换热器传热过外界供入的电能E程的总煳损失,可以认为是冷热流体间的温差传进入系统的冷量慵值和E、1.17918×10热引起的损失和冷热流体的散热煳损失引起输出有用∑E的。。例如:来自液氮洗工段的合成气进入到甲系统输出的原料气Ei4.00471×103醇洗工段与含CO2的甲醇液以及进口的原料气进行换热输出系统的气体E23,.48699×107进入其他工段的气体E换热后引起了损失系统输出蒸汽的≮用E25)放空气体及排出废水引起的娴损失。与外部物流换热输出E2.21013×10°6)从表2可以看出理论上的内部煳损值为计8.11613×107损失≮用∑E。L3.40180×103kJ/K(即理论上的烔损=输入煳-输内部煳损出有用煳-外部煳损)比实际计算得到的佣损值与内部物流完全换热的9.07685×10°7.69824.694有所偏低。这是因为计算过程中忽略了管道阻换热器煩损失力、节流阀和过滤器引起的爛损失。3.29213×102.7928.95物流在五塔内部烟损失68×10315.44949.560其他损失3.43225×10°2.9119.336改进措施与建议小计3.40180×1028.84992外部损失中国煤化工算与蜩衡算结果的分与内部物流不完全换热的9.65720×1050.8192.730析CNMH提高系统的煳效率。输出系统外物流Es21)优化系统的流程结构,优化系统的操作条41×10°0.8512.627泵与压缩机引起损失7.658×1矿06532.o4件。在甲醇洗涤塔的上部吸收CO2的甲醇溶液小计273871×°2、3237451在第49块塔板处溶液温度升高到-17.1℃,先将灯用效率68.82968.829其引入甲醇氨冷器冷至-25.5℃再将其经换热2006年第29卷器B3冷却至-41.9℃后进入塔中继续吸收CO3。为代价。因此此处的换热从煳分析角度是不可如果将其中的甲醇氨冷器去掉,直接使溶液进入取的换热器E3中换热则结果为:与其换热的贫甲醇5)将甲醇/水分离塔排出的高温废水,用以溶液岀E3的温度为-10.1α(在此贫甲醇液被加预热其他的原料加以回收利用其所含的能量,可热原来的温度为-54.1℃),此时计算换热器E3以减少系统的外部娴损失。的爛损失和与之相关的甲醇闪蒸罐ⅴ5的煳损失均减少具体分析见表3。7结论表3有、无氨冷器分析对照1)佣效率比热效率更能全面的体现出系统目有氨冷器去掉氨冷器用能的情况渊效率高就表明系统对能量的有效换热器E3放热/kJh243554×102,98956×利用程度高。热效率高不一定意味着系统用能与之换热的贫甲醇出口温度/℃-15.3很合理。换热器E3的损失量/kJh5.8645×1056.7315×104V5的损失量/kJh1.8566×101.3789×10°2)佣分析能指出系统利用能量与损失能量E3与v的燸损失总量/h2.44305×10°1.442×10的具体环节,以利于对系统中某设备的改进。后比前损减少量/kJh9.96830×103)在此低温甲醇洗过程中減少换热器的煩在原来有氨冷器的工况下氨冷器可以得到损失是提高系统佣效率的主要途径。的冷量为9.96770×105kJ/h,所以在去掉氨冷器的情况下烔损失有所减少从能量利用的角度参考文献来说是有利的但还要考虑系统冷平衡。1陈五平.无机化工工艺学(一).合成氨.第二版北京北化学2)针对换热器引起的煳损失可以采取以下工业出版社1995郝小红,生物质超临界水气化制氢.西安:西安交通大学的措施。对占主要部分的温差传热爛损失可以合理匹配换热网络、合理的设定换热温差或者适当3冯霄李勤凌,化工节能原理与技术,北京北化学工业出版增加换热面积以降低换热温差減少不必要的过社,1998高的工质流速改进换热器设计以减少局部阻力;4吴志泉涂晋林等化工工艺计算,上海华东化工学院出版使用热绝缘性能好的材料以减少换热器与环境的社,9925徐国峰庄正宁等,锅炉的能量平衡分析,热力发电,2004,热量交换条件允许的话可以考虑使用热回收设(9)13备以减少散热损失,防止换热器的结垢等06薛银皎.注汽锅炉系统用能分析及改进建议,特种油气藏减少换热器引起的损失队从而减少系统的内部2005,1x3)11损失7高洪亮.制冷装置的爛效率分析.冷藏技术J999(3):133)改善变换气进入洗涤塔时气液分离器的8徐土鸣二基子热力学第二定律的吸收式制冷循环分分离效果減少进入系统的水分含量从而减少气析.大连理工大学学报,998381)70的烔损失分析,淮海工学院学报液分离器的灯损失[1200091):144)来自液氮洗工段的合成气进入到甲醇洗10马吉民王洪泳等.换热器佣分析计算和娴焓图表示制冷过程中吸收了热量,但是却以减少了品质高的煳与空调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中国煤化工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