高天真 湯松臻 劉園園 劉廣鑫 李鎮(zhèn)威 楊靜怡

(鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001)

1 背景概述

1.1 合成氨工業(yè)開(kāi)發(fā)背景、能耗軟件開(kāi)發(fā)與工藝現(xiàn)狀

現(xiàn)如今經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使節(jié)能減排工作受到高度重視，黨中央、國(guó)務(wù)院也多次召開(kāi)會(huì)議進(jìn)行部署，不斷加強(qiáng)節(jié)能減排的目標(biāo)和任務(wù)。因此，合成氨工業(yè)必須走低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展之路。

合成氨的能耗計(jì)算向來(lái)重要，但是由于計(jì)算量大，計(jì)算復(fù)雜，利用圖例計(jì)算的準(zhǔn)確度低并且單機(jī)效率低，工藝技術(shù)落后，壓縮機(jī)技術(shù)跟不上，促使能量的利用率低。因此，利用合成氨能耗計(jì)算軟件，可以簡(jiǎn)化能耗計(jì)算，優(yōu)化能源利用，最終提高利用率。通過(guò)實(shí)現(xiàn)合成氨能耗數(shù)據(jù)，提出改良方案，從而實(shí)現(xiàn)能量的綜合利用，提高經(jīng)濟(jì)效益。

世界各國(guó)對(duì)合成氨評(píng)估的方法和理論進(jìn)行了廣泛的研究和探討，主要的評(píng)估方法主要有:經(jīng)驗(yàn)法、邏輯推導(dǎo)法、指數(shù)法、計(jì)算機(jī)模擬和綜合評(píng)價(jià)法。合成氨綜合能源的計(jì)算分析，是多因素共同作用的結(jié)果，不少方法都忽略了某些影響因素以及各因素間相互的影響，使能源消耗評(píng)估存在一定的局限性。因此，增強(qiáng)氨合成能源綜合評(píng)估方法的理論研究，并將其與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，開(kāi)發(fā)針對(duì)氨合成能源評(píng)估的綜合評(píng)估軟件，實(shí)現(xiàn)高效、快速的性能評(píng)估，可以在一定程度上彌補(bǔ)這種缺陷。

2 合成氨能耗分析計(jì)算研究

2.1 物料衡算

2.1.1 計(jì)算物料點(diǎn)流程

由于合成氨整個(gè)流程比較復(fù)雜，因此需要找到整個(gè)流程中的耗能最大的工段，再對(duì)工段的能耗進(jìn)行分析研究，如圖2-1所示:

圖2-1 帶物料點(diǎn)流程示意圖1、2、3、4、5—精煉氣;6、7、8、9、10、11、12、14、17、18—合成氣;13—放空氣;20—馳放氣;15、16、19、21—液氨

2.1.2 合成塔入口氣組分

表2-1 入塔氣組分含量(%)

2.1.3 合成塔出口氣組分

以1000kmol入塔氣作為計(jì)算基準(zhǔn)求出塔氣組分

由式(2-1)計(jì)算塔內(nèi)生成氨含量

合成率為

2.2 氨分離器氣液平衡計(jì)算

設(shè)氨分離器進(jìn)口氣液混合F，進(jìn)口物料組分m(i);分離氣相組分y(i)，氣量V;分離液相組分x(i)，液量L，其中進(jìn)口物料組分m(i)等于合成塔出口氣體組分。根據(jù)氣液平衡原理，以1kmol進(jìn)口物料為計(jì)算基準(zhǔn)，即F=1kmol。由氣液平衡原理:

式中:K(i)——組分i平衡常數(shù)

根據(jù)分離物料之間的相關(guān)聯(lián)系，可以求出分離器入口，分離器出口的各相關(guān)參數(shù)，由于氨的分離，出口成分包括氣體與液體兩相，因此成分如表2-2所示:

表2-2 分離器入口混合物組分m(i)

2.3 冷交換器氣液平衡計(jì)算

根據(jù)氣液平衡原理x(i)=y(i)+K(i)，由于冷交換器第二次出口氣體含量等于合成塔進(jìn)口氣體含量，由合成塔入口氣體含量y(i)和操作條件下的分離溫度可查出K(i)，便可解出x(i)。

表2-3 t=-10℃，P=28.028MPa的平衡常數(shù)

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 物料計(jì)算

首先，輸入計(jì)算數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊〈計(jì)算〉之后，即顯示計(jì)算結(jié)果(圖3-11);其次，可以查看出口氣比例圖(圖3-12);最后，單擊〈清空〉，即可將界面內(nèi)的數(shù)據(jù)清空。

圖3-11 物料計(jì)算結(jié)果界面

圖3-12 物料計(jì)算比例圖界面

從圖中可以看出，出口處氫氣含量最大，氨氣含量相對(duì)較少。合成反應(yīng)中氫氣與氮?dú)獾谋壤龖?yīng)控制在符合生產(chǎn)要求的比例范圍內(nèi)，才能使合成氨的生產(chǎn)效率有所提高。

3.2 氨分離器氣液平衡計(jì)算

圖3-21 氨分離器氣液計(jì)算界面

圖3-22 氨分離器氣液計(jì)算比例圖界面

同上操作，可以看出:經(jīng)過(guò)氨分離器之后，液體中氨的含量最大，氣體中仍是氫氣含量最大，大部分的氨氣均融入水中，便于氨與氣體的分離。

3.3 冷交換氣液平衡計(jì)算

圖3-31 冷交換氣液平衡計(jì)算界面

圖3-32 出口液組分比例界面

同上操作，可以看出:經(jīng)過(guò)冷交換器之后，經(jīng)過(guò)反應(yīng)和溶解，液體中氨的含量進(jìn)一步增加，達(dá)到98%的高含量，可以初步判斷生產(chǎn)物料的反應(yīng)消耗獲得有效利用，產(chǎn)率較高。同時(shí)可為實(shí)際生產(chǎn)提供可靠的理論依據(jù)。

4 結(jié)論

1)本軟件通過(guò)分別從物料、氨分離器氣液平衡、冷交換器氣液平衡計(jì)算，用以分析并降低合成氨工藝中的能耗。

2)用MATLAB模擬合成氨綜合能耗，在此基礎(chǔ)上用以分析并合成氨工藝中的能耗。本軟件能夠通過(guò)計(jì)算分析為合成氨生產(chǎn)企業(yè)提供可靠數(shù)據(jù)。

［1］梅安華.小合成氨廠工藝設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)手冊(cè)(下冊(cè))［M］，化學(xué)工業(yè)出版社，1994

［2］於子方，全國(guó)中氮情報(bào)協(xié)作組第29次技術(shù)交流會(huì)論文集［C］，上海，2011:12-17

［3］孫華田、孫梅，第十七屆全國(guó)造氣技術(shù)年會(huì)論文集［C］，山東，2009:53-66

［4］邱宇，基于計(jì)算機(jī)流程模擬的氨合成工段節(jié)能減排分析［J］，化工環(huán)保，2008，28(5)

［5］徐松華等，探討節(jié)能減排技術(shù)在合成氨生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］，科技信息，2011，25