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        煤化工應(yīng)用氨吸收制冷技術(shù)分析

        2014-12-31 12:18:00曲兆庚王承學(xué)
        山西化工 2014年5期
        關(guān)鍵詞:冷器冷凝器煤化工

        曲兆庚, 路 薇, 王承學(xué)

        (1.中煤興安能源化工有限公司,內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400;2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130012)

        引 言

        煤化工是以煤為原料,經(jīng)化學(xué)加工將煤轉(zhuǎn)化為各種煤氣、合成氨、甲醇、焦油、焦炭,進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為尿素、烯烴等氣體、液體和固體化工產(chǎn)品的過(guò)程。煤化工工藝一般包括煤的氣化、一氧化碳的變換、煤氣凈化和產(chǎn)品氣的合成等工序,從高溫的氣化、變換到低溫的凈化以及合成氣的降溫過(guò)程都有大量的工業(yè)余熱可以利用,低溫操作的煤氣凈化及合成氣降溫冷凝又需要外供冷量。目前,煤化工行業(yè)普遍采用氨壓縮制冷工藝,如何將可以利用工業(yè)余熱的氨吸收制冷工藝應(yīng)用到煤化工生產(chǎn)中,是每個(gè)煤化工項(xiàng)目設(shè)計(jì)者都應(yīng)認(rèn)真考慮的。本文舉例分析了工業(yè)余熱的氨吸收制冷工藝應(yīng)用到煤化工生產(chǎn)的工藝計(jì)算結(jié)果[1]。

        1 氨吸收制冷的機(jī)理

        壓縮制冷是逆卡諾循環(huán)過(guò)程,在兩溫度極限間??ㄖZ循環(huán)代表理想的熱機(jī)循環(huán),熱的利用率最高,但卡諾循環(huán)具有可逆性,若使其逆行,逆行的卡諾循環(huán)即為理想的冷凍循環(huán),其冷凍系數(shù)亦最高。見(jiàn)圖1所示。

        圖1 逆行卡諾循環(huán)的T-S圖

        氣體在氣缸中,由1開(kāi)始,以等熵過(guò)程壓縮至2,再以等溫過(guò)程壓縮至3。在此等溫過(guò)程中氣體向冷卻水放熱。氣體由3以等熵過(guò)程膨脹到4,再以等溫過(guò)程膨脹回到1,完成一個(gè)閉口循環(huán)。由4到1的等溫膨脹過(guò)程中,氣體被冷卻物系吸取熱量。設(shè)Q1為低溫時(shí)吸取的熱量,Q2為高溫時(shí)放出的熱量,T1與T2分別為冷凍劑吸取熱量時(shí)與放出熱量時(shí)的絕對(duì)溫度(K)。圖1中,Q1=T1(S1-S4),如面積1-4-5-6-1。而Q2=T2(S2-S3),吸熱與放熱之差Q2-Q1,如圖1中面積1-2-3-4-1。它等于外界凈功加入的當(dāng)量值。上述的逆卡諾循環(huán),為一切冷凍操作的物理基礎(chǔ),稱(chēng)之為理想冷凍循環(huán)。在此循環(huán)中所得到的冷效應(yīng),為吸取的熱量Q1,而所消耗的能量為外界凈功的當(dāng)量值,或補(bǔ)充熱量Q2-Q1。

        氨吸收制冷與壓縮制冷原理類(lèi)似,利用水對(duì)氨的吸收作用和脫吸作用,將氨蒸汽由低壓的蒸發(fā)器取出,而傳于高壓的冷凝器。

        氨吸收制冷包括發(fā)生、精餾、冷凝、節(jié)流膨脹、蒸發(fā)、過(guò)冷、吸收、泵輸送及溶液熱交換等過(guò)程,其工藝計(jì)算流程見(jiàn)圖2。

        圖2 工藝計(jì)算流程

        2 案例分析

        某公司合成氨裝置利用變換氣為熱源,設(shè)置氨吸收制冷裝置,為低溫脫碳裝置提供冷量。

        2.1 供熱條件計(jì)算

        1)變換氣參數(shù)

        進(jìn)口溫度:166℃,進(jìn)口壓力:2.74MPa,流量:3.551×104kg/h。

        出口溫度:115℃,出口壓力:2.73MPa。

        2)變換氣各組分摩爾分?jǐn)?shù)(見(jiàn)表1)

        3)熱量計(jì)算

        166 ℃變換氣帶入的熱量Q1為3.289×107kJ/h;

        115 ℃變換氣帶出的熱量Q2為10.46×106kJ/h;

        表1 變換氣各組分摩爾分?jǐn)?shù) %

        冷凝水帶走的熱量Q3為4.357×106kJ/h;

        冷損失Q4為3.829×104kJ/h(按變換氣帶入熱量的1%計(jì))。

        4)變換氣換熱量

        5)其他設(shè)計(jì)條件

        冷卻水回水溫度tv=28℃;

        蒸發(fā)終了溫度t8=-8℃,P8.S=0.286 6MPa;開(kāi)車(chē)蒸汽,1.0MPa~1.3MPa飽和蒸汽;

        計(jì)算按th=180℃,P=1.023MPa,r=2.014×103kJ/kg;

        變換氣發(fā)生器參數(shù)按P=2.7MPa,t=166℃。

        2.2 工藝計(jì)算

        2.2.1 狀態(tài)參數(shù)ξ確定(以1kg液氨為基準(zhǔn))

        1)冷凝狀態(tài)(點(diǎn)6)

        式中:Δtw為冷卻水溫升,取6℃;ΔT6為熱端溫差,3℃~4℃。

        進(jìn)冷凝器的氨氣濃度ξ5″=0.998≈1=ξ6′(液)

        2)發(fā)生器終態(tài)(點(diǎn)2)

        溫度取t2=115℃(變換氣出口溫度115℃)。

        壓力P2=P6+ΔP2=1.52MPa,h2=420kJ/kg,ξ2=0.315。

        3)蒸汽狀態(tài)(點(diǎn)8)

        直接蒸發(fā)終了溫度t8′=-8℃,取Δt8=2℃~3℃,蒸發(fā)溫升。

        則,蒸發(fā)初溫t8′=t8′+Δt8=-10℃。

        終了狀態(tài)下的氨氣焓h8:

        4)吸收狀態(tài)(點(diǎn)4)

        吸收終溫t4=tw+Δt4=28+6=34℃

        式中:Δt4為吸收器冷端溫差6℃。

        壓力P4=P8-ΔP8=0.29-0.03=0.26MPa

        ΔP8系統(tǒng)阻力降=0.03MPa

        5)放氣范圍

        6)吸收器前稀氨液(點(diǎn)3)

        式中:Δt3為冷端溫差,取11℃。

        此時(shí),飽和壓力應(yīng)為0.19MPa<P4=0.26MPa。

        7)出換熱器濃氨水(1a點(diǎn))

        8)過(guò)冷器后氨氣(點(diǎn)8a)

        冷凝溫度t6=38℃;

        蒸發(fā)溫度t8=-8℃;

        過(guò)冷器制冷量修正系數(shù)v=0.085;

        9)出過(guò)冷器氨液狀態(tài)(6a)

        10)發(fā)生開(kāi)始狀態(tài)(1點(diǎn))

        氨水ξ1′=0.425,P=1.52MPa。

        查h-ξ圖,t1′=94 ℃,h1′=326kJ/kg。

        氨氣利用輔助線,查得h1″=1 834kJ/kg,ξ1″=0.962。

        11)塔頂氣氨狀態(tài)(5點(diǎn))

        查h-ξ圖,T5=52℃

        2.2.2 熱量平衡計(jì)算(單位負(fù)荷)

        1)精餾塔熱負(fù)荷qR(回流冷凝器的熱負(fù)荷)

        式中:ηp為精餾效率,一般為0.70~0.92,取0.8。

        2)發(fā)生器的熱負(fù)荷qK

        3)吸收器熱負(fù)荷qA

        4)冷凝器熱負(fù)荷qC

        5)溶液熱交換器的熱負(fù)荷qTW

        6)溶液熱交換器的熱損失ΔqTW

        7)過(guò)冷器熱負(fù)荷qN

        8)單位制冷量qon(蒸發(fā)器的單位熱負(fù)荷)

        9)熱平衡

        吸熱等于放熱。

        2.2.3 物料衡算

        1)發(fā)生器蒸發(fā)量

        2)濃溶液循環(huán)量Gr

        3)溶液的體積流量Vr

        式中:γr為濃溶液密度,kg/m3,

        4)稀溶液循環(huán)量Ga

        5)回流量

        2.2.4 設(shè)備熱負(fù)荷

        1)發(fā)生器熱負(fù)荷Qk=2.3×107kJ/h。

        2)吸收器熱負(fù)荷QA=G氨×qA=10 578×1 781.75=1.88×107kJ/h。

        3)冷凝器熱負(fù)荷QC=G氨×qC=10 578×1 118=1.18×107kJ/h。

        4)回流冷凝器熱負(fù)荷QR=G氨×qR=10 578×301.64=3.2×106kJ/h。

        5)蒸發(fā)器熱負(fù)荷QO=G氨×qon=10 578×1 114.4=1.18×107kJ/h。

        6)制冷量(考慮到5%冷損失):1.18×107×95%=1.12×107kJ/h。

        7)過(guò)冷器熱負(fù)荷QN=G氨×qM=10 578×87.32=9.23×105kJ/h。

        8)溶液熱交換器熱負(fù)荷QTW=G氨×qTW=10 578×1 658.1=1.75×107kJ/h。

        2.2.5 主要消耗量

        1)冷卻水量W

        由冷卻水帶走的熱量

        2)電耗量

        泵的軸功率

        2.3 過(guò)程的狀態(tài)參數(shù)表(見(jiàn)表2)

        表2 過(guò)程的狀態(tài)參數(shù)表

        3 結(jié)論

        通過(guò)案例分析,利用變換氣余熱2.3×107kJ/h,通過(guò)氨吸收制冷裝置,可為外界提供1.13×107kJ/h冷量,因此,利用變換氣余熱設(shè)置氨吸收制冷裝置,為低溫凈化裝置提供冷量是可行的。

        [1] 王文善.氨吸收制冷原理與設(shè)計(jì)[J].化肥工業(yè),1980(3):36-43.

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