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低温甲醇洗过程煳分析雷云霞冯霄(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佣分析模型。对甲醇洗系 统进行了炯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出相应的改进措施。关键词低温甲醇洗系统佣分析改进途径中图分类号:TQ113.26文献标识码:B.文章编号:1002-5782( 2006 )05-0335-04在净化氢气的一系列工段中,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炯为冷区和热区。冷区由甲醇洗涤塔、二氧化碳解分析法对净化氢气工艺中的低温甲醇洗工段进吸塔和硫化氢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1。-H[S2tOH国avE1h1C| C4C5[$923 5Qm-图1低温甲醇洗系统流程C1一甲醇洗涤塔;C2一二氧化碳解吸塔;C3- 硫化氢浓缩塔;C4-甲醇热再生塔;C5-甲醇/水分离塔;S1一原料气;S2-尾气S3- -CO2S4-产品气S5- -N2 S6- -H2SS7-废水S8-甲醇S9- -H2 S10-来自液氮洗工段进行换热的合成气S11-换热后的合成气E1一原料气冷却器;E2- 甲醇氨冷器;E3-循环甲醇冷却器;E4-甲醇冷却器;V1- -甲醇/水分离罐;V2-1*循环气闪蒸罐;V3- -2" 循环气闪蒸罐;V4-硫化氢分 离罐;V5-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I]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EHo- EH= EQ;- 2W。(1)硫化物都是合成氨催化剂的毒物然而CO2又是式中:ZHo一所有离开系统物流的焓总和kJ/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8期2006-03-07收到修改稿8期2006-07-25.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 jyxlei @ stu. xjtu. edu.cno3362006年第29 卷大氛肥EH;- -所有进入系统物流的焓总和kJ/h;Exc为来自上一工段( -氧化碳变换工段)EQ-系统从外界所得到的热量总和,包括进入系统的原料气炯,ExPCI为出系统的产品气蒸汽系统提供的蒸汽,与外界物流换热的换热器煳,Expca2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 ;的合成气炯Expc2为进行换热的合成气输出系统2 Wo一压缩机与泵消耗的电能kJ/ho的炯,ExEI 为供给泵与压缩机的电能,E、2为泵与能量平衡分析2]以热力学第一定律效率η。压缩机因摩擦而损失的那部分电能,ExN. 为汽提(即热效率)作为评价准则,ηr为系统利用的能量CO2时输入的N2的炯,E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)的烟,Exo1 为蒸汽系统供入的蒸汽佣Ex02为系统输出蒸汽的炯,EMr为ηr=E.x 100%(2)辩识使用能量的薄弱环节的分析准则是能量外界供入的贫甲醇溶液炯,Exc为系统得到的冷量炯,Ex为与外部物流换热后系统输出的炯,损失系数x。,简称能损系数。x。 为某环节的能Exg;为换热时散热损失的炯,Exc;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CO2、H2S)拥Exc2为排出系统的物X。=(3)流(废水、废气)烟。其中:式中:Er,-i环节的能量损失。EE、in= EPC1+ ExpC2+ Exe1+ExN,+ExH,+ExQ1+ ExME+ Exco(7)3系统的炯衡算方程式2Exout= E<2+ Ece1+ Exrc1+ Exrc2+ ExB对低温甲醇洗系统其炯衡算方程3为:(8)EExin= EE、om+ EE、(4)EEx12= Exc2+ Exe:+ Exe2(9)式中:ZE、in- 输入系统的总炳值kJ/h;作为煳分析的评价准则[2飞煳效率),只能对EExmu- -系统输出有用的总炯值,kJ/h;用能设备或系统的整体耗能状态做出宏观评价,EE-系统损失的总炯值,kJ/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炯值45]为:别。辨识能量转换、传递和使用过程合理性的准EEx= EE.u1+ EE、12(5)则是分析准则。分析准则有两种:拥损系数x和式中:2E、一系统的内部损失总炯值,kJ/h ;佣损率σ。EE、12-系统的外部损失总炯值;kJ/ho煳损系数x为系统内某环节的炯损失与系统ηe为系统的炯效率,可以表明系统对输入总输入炯的比。对每一环节的煳损系数进行分析、评价后,即可指出系统用能的不合理之处。炯的有效利用程度其数学表达式6]为:7ex=E.2E、w ,(6)x=..x100%..(10)其炯效率反映了实际过程接近理想过程的程的比,即:炯损率σ为系统某环节的拥损与系统总炯损度表明了过程的热力学完善度,从而指明改善过程的可能性[3]。、。x 100%(11)习Ex⊥炯分析的模型(6]如图2所示。E:qz ExrGnEjpcaExEO ExO14能量平衡与煳平衡计算结果ExPGI根据某化肥厂提供的生产数据,对低温甲醇ExPor* -EEi洗工段进行了能量衡算与炯衡算(68]其计算结果ExE-0-0~0- 0-0-0-ExE:如表1、表2所示。在此，对所有物流炯的计算是ExN,-以To=25C、P。= 101. 325kPa的状态为基准态,EnmlEnol ExmE Excol进料气Co2十富液cox/中薛审幕门利用Aspen Plus 10.2 查取的相应物流的焓熵值,预冷HzS闪蒸HzS再生 水分离并利用Aspen Plus 10.2对换热器和输入的蒸汽进吸收图2炯分析模型行模拟，从而得到其末状态的值最终求得它们的第5期雷云霞等.低温甲醇洗过程炯分析337佣损值。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-定律效率η。为81.051%，从表2结果可以看出系页目能量/kJ h-'能损系数 ,%统的炯效率ηes 为68.829%，两者的值相差很大。输入能量输入系统物流的焓值和- 1.35986x 107原因是在系统中把与系统内部物流换热的换热器蒸汽系统输入蒸汽的热量3. 19757x 107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3.450x 10*小计2.18226x 10'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烟损的,而且其损失的炯值还比较大。系统输出物流的焓值和- 9.60188x 10*因此,由热力学第-定律的效率得知的系统结构系统输出蒸汽的热量6. 46450x 10*与外界物流换热的换2.08248 x 107设置以及操作条件很合理的结论,只是-种表面热器放出的热量现象,它没有真正揭示系统实际的用能情况。1.76874x 107损失量2 )从计算结果烟损率可以看出,内部烟损是与系统内物流没有完全9.62594x 1054.411主要环节其炯损率为92.549% ,而 外部炯损率只换热的散热损失系统排出的废气、废水的焓值和9. 19116x 104.211有7.451%所以减少内部炯损失是节能的主要环泵与压缩机损失的能量7.69580x 103.527其他热损失1.48384x 10*6.8004.13513x 10*18.949 .3)在内部炯损失中,5个塔的煳损失很大。热效率η, ,%81 .05181.051因为在此过程中塔内气体的吸收、解吸过程需表2低温甲醇洗系 统炯平衡计算结果要有传质和传热推动力才能进行,而这种传质和能量/用损系用损传热推动力依赖于塔内的浓度差和温度差所以项目kJ h-'数,%率,%塔内的传热和传质引起了5塔的内部烟损失。输入爛EE4)除了5个塔引起的拥损失之外换热器的进入系统的原料气E.rca6.54712x 10煳损失也很大。其中与内部物流完全换热的换热进入系统进行换热的气体Espa2 3.69672x 10?进入系统的其他物流炯1.65136x 10°器煳损率占24.694% ,气液分离器的炯损率占蒸汽系统供入蒸汽炯Exu .8. 74530x 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ExE3.44550 x 106程的总拥损失,可以认为是冷热流体间的温差传进入系统的冷量拥值和ExcO1.63744x 10°1. 17918x 108热引起的烟损失和冷热流体的散热煳损失引起输出有用炯习Exm的9。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Exrea4.00471x 10'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Exmo2 3.48699 x 10'换热后引起了炯损失。进入其他工段的气体Eean .2. 87909 x 10*系统输出蒸汽的炯E'021. 15504x 10°5)放空气体及排出废水引起的拥损失。与外部物流换热输出炯E'和n2. 21013x 10°6)从表2可以看出,理论上的内部煳损值为8.11613x 1073.40180x 107 kJ/HK即理论上的炯损=输入佣-输损失炯ZE。⊥内部炯损出有用煳-外部煳损),比实际计算得到的拥损值与内部物流完全换热的有所偏低。这是因为计算过程中忽略了管道阻9.07685x10* 7.698 24.694换热器烟损失力、节流阀和过滤器引起的炯损失。气液分离器炯损失3. 29213x1002.792 8.957物流在五塔内部炯损失1. 82168x107 15.449 49. 560其他烟损失.3.43225x10* 2.911 9.3386改进措施与建议3.40180x 10728.849 92.549通过对系统的能量衡算与炯衡算结果的分外部炯损失与内部物流不完全换热的析提出改进措施与建议,以提高系统的烟效率。9.65720x10 0.819 2.730炯Exe1)优化系统的流程结构,优化系统的操作条输出系统外物流炯Ex21.00341x10 0.851 2.627泵与压缩机引起煳损失7.69580x 10* 0.653 2.094件。在甲醇洗涤塔的上部吸收CO2的甲醇溶液,2.73871 x10° 2.323 7.451在第49块塔板处溶液温度升高到- 17.1C ,先将炯效率7. %68.829 68 .829其引入甲醇氨冷器冷至-25.5C,再将其经换热3382006年第29 卷大氛肥器E3冷却至-41.9C后进入塔中继续吸收CO2。为代价。因此此处的换热从炯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,用以溶液出E3的温度为-10.1C(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-54.1C ),此时计算换热器E3以减少系统的外部烟损失。的烟损失和与之相关的甲醇闪蒸罐V5的炯损失均减少具体分析见表3。7结论表3有、无氨冷器拥分析对照1 )拥效率比热效率更能全面的体现出系统项目有氨冷器去掉氨冷器用能的情况煳效率高就表明系统对能量的有效换热器E3放热/kJ h-'2.43554x 10’2 .98956x 107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/C .- 15.3- 10.1很合理。换热器E3的炯损失量/kJj h-15.8645x 10% 6.7315x 10+V5的炯损失量/kJ h-11. 8566x 10*1. 3789x 10°2)炯分析能指出系统利用能量与损失能量E3与V5的炯损失总量/kJ h-'2.44305x 10° 1.44622x 10°的具体环节,以利于对系统中某设备的改进。后比前炯损减少量/kJ h-19.96830x 10%3)在此低温甲醇洗过程中,减少换热器的炯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炯效率的主要途径。的冷量煳为9.96770x 10°kJ/h ,所以在去掉氨冷参考文献器的情况下拥损失有所减少,从 能量利用的角度来说是有利的,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:化学.2)针对换热器引起的烟损失可以采取以下.工业出版社,1995的措施。对占主要部分的温差传热炯损失可以合2郝小红.生物质超临界水气化制氢.西安:西安交通大学,2004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:化学工业出版增加换热面积以降低换热温差;减少不必要的过社,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:华东化工学院出版社,1992使用热绝缘性能好的材料以减少换热器与环境的热量交换条件允许的话可以考虑使用热回收设徐国峰庄正宁等.锅炉的能量平衡分析.热力发电,2004 ,(9):3备以减少散热损失,防止换热器的结垢等10] ,以6薛银皎.注汽锅炉系统用能分析及改进建议.特种油气藏,减少换热器引起的烟损失,从而减少系统的内部2005 ,12X3):11炯损失。7高洪亮 .制冷装置的烟效率分析.冷藏技术19999 (3):133徐士鸣袁基于热力学第二定律的吸收式制冷循环分3)改善变换气进入洗涤塔时气液分离器的分离效果减少进入系统的水分含量,从而减少气析.大连理工大学学报1998 38(1)709邵理堂,舒伟.换热器的烟损失分析.淮海工学院学报,液分离器的烟损失[1。2000 9( 1):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.换热器炯分析计算和炯焓图表示.制冷过程中吸收了热量,但是却以减少了品质高的炯与空调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