模块换热器
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氨合成系统冷交换器面积配置探讨点击：1935 日期：[ 2014-04-26 22:55:13 ] |
| 作者：平惠强,刘银强,黄 晖(浙江工业大学机械厂,浙江杭州 310014)摘 要:对氨合成系统冷交换器的热平衡进行了编程计算,分析和探讨了冷交换热面积的合理配置;通过计算实例,对进出口温度、换热面积和氨冷耗氨进行了比较。结果表明,在投资许可的情况下配置较大的冷交换热面积在合成流程中是合理的。关键词:冷交换器;换热面积;氨冷氨耗;氨合成系统 随着我国合成氨工业的发展,越来越多的小氮肥企业由于能耗较高而不断改进系统设备技术,扩大生产规模来降低能耗。但有些企业在合成系统的扩建或设备改造时往往忽略了冷交设备的重要性,殊不知冷交面积的大小直接影响到氨冷的液氨消耗和氨合成塔的进口氨含量,进而影响氨合成塔的应用效果。因此,合理的系统设备配置,对提高氨合成效率,降低消耗有着事半功倍的效果。笔者通过对氨合成系统中冷交换器的热平衡计算,探讨冷交的合理换热面积及其对整个合成系统的影响。1 流程简介氨合成系统冷却部分设备较常用的流程示意见图1。由图1可知,从水冷氨分后过来的气体进入冷交上部换热器管内,与氨冷来的冷气体换热,出冷交的热气体(包含部分冷却的液氨)进入氨冷器进一步被冷却至符合合成塔进口氨含量的设计要求,气液混合物进入冷交下部分离器分离液氨,冷气体进入冷交上部换热器管间与管内来自水冷后的热气体换热,出冷交后经循环机加压入合成塔。由于各厂的放空和补气位置有所不同,本文计算物料和热量平衡时,放空和补气的位置均在冷交出口氨冷进口的管道上。2 模型的建立与编程2.1 冷交内气液两相热量分析式中,热量Ｑ均为温度ｔ的函数。在对应的压力和进口氨含量(考虑过饱和度)下,氨冷气体出口温度是一定的。根据拉尔逊公式:ｌｇｙＮＨ3=4.1856+(5.987879 ｐ)-(1099.544 Ｔ),可以计算出冷气进口的温度。水冷器出口的温度设为35℃,因此Ｑ热气进口、Ｑ冷气进口为已知,上式可以表示为:Ｑ=ｆ(ｔ冷出)+ｆ(ｔ热出)2.2 换热面积的计算式中,Ｋ可以根据气量及冷交内部结构计算;△ｔｍ为对数平均温度。上述各式中,由于温度ｔ冷出和ｔ热出均为未知,在计算中需先假设ｔ热出为一定值,然后通过试差法来计算ｔ冷出。但计算得出的ｔ冷出不一定是最佳的温度,从理论分析当冷交面积足够大时,ｔ冷出较接近ｔ热进时,ｔ热出温度就越低,说明冷交换热效率高,冷量利用较好,冷交中冷凝的液氨较多,对应一定的产量下氨冷器所需的液氨消耗也就越少。当(ｔ热进-ｔ冷出)→0时,ｔ热出→ｔｍｉｎ,这时氨冷耗氨最小,但冷交的换热面积Ｓ→∞,这显然是不经济的,也是不可能实现的。笔者通过举例对各个ｔ冷出,ｔ热出温度下氨冷耗氨的计算,用以探讨冷交面积的合理配置。该部分电算优化编程的框图见图2。3 计算举例与分析计算条件为:年产10万ｔ合成氨,有效工作日为310ｄ,补充气ＣＨ4=1.5%,Ａｒ=0.5%,ｎ(Ｈ2)∶ｎ(Ｎ2)=3,入塔气ＮＨ3=3%,ＣＨ4=16%,出塔氨含量根据内件积分计算,补气温度为35℃,合成操作压力为30ＭＰａ,放空气和补充气的位置均为冷交出口氨冷进口,水冷出口气体温度为35℃。冷交换热器部分按列管换热器计算,计算出的换热系数为1591～1758ｋＪ ｍ2·ｈ·℃,为计算中方便对比,统一取值Ｋ=1675ｋＪ ｍ2·ｈ·℃。按照上述条件,编程计算结果见表1。 将表1中热气出口温度、冷交面积与氨冷耗氨之间的关系绘制的曲线见图3,虚线表示5万ｔ ａ合成氨时热气出口温度与冷交面积的关系。从图3可以看出,冷交面积随着热气出口温度的降低而增大,是一个双曲线方程,在热气出口温度小于18℃后冷交面积迅速增大,而氨冷耗氨随热气出口温度的降低为直线方程，呈等差下降趋势。图3中冷交面积为230ｍ2时,氨冷中液氨的消耗约为9500ｋｇ ｈ,热气出口温度约为22℃;当冷交面积增大到600ｍ2时,氨冷中液氨的消耗约为8050ｋｇ ｈ,热气出口温度约为18.3℃。随着冷交换热面积增加到370ｍ2,氨冷液氨消耗节约了1450ｋｇ ｈ,氨冷器的负荷也相应减小,这对降低进口氨含量,提高氨合成率大有好处。另外,通过10万ｔ ａ和5万ｔ ａ热气出口温度与冷交面积关系图对比发现,在系统设计时,热气出口温度设计值在18～19℃比较合理(水冷温度为35℃),即设计能力为10万ｔ ａ时,冷交换热面积应大于460ｍ2;设计能力为5万ｔ ａ时,冷交换热面积应大于250ｍ2。4 结语(1)随着我国化肥工业的不断进步,企业进行技术改造是优化工艺系统,充分发挥设备能力,提高科技水平的必要手段,合理优化的设备配置对小氮肥行业节能降耗尤为重要。(2)应该认识到合成系统的运行好坏不仅是一个氨合成塔所能决定的,整个流程中合理的设备配置对能耗的降低也起到较为重要的作用。(3)举例计算结果表明,在合成系统设备改造时,在资金许可情况下应尽可能地加大冷交换热面积,以降低液氨消耗,提高合成效率。 |
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