CN103570039B - 一种合成氨生产过程中的制冷的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种合成氨生产过程中的新型制冷的方法，包括：a、106℃的反应气经氨蒸发器降至68℃，进入水冷却器降至30℃；b、反应气进入冷交换器降至10℃，经过氨冷凝器降低至-2℃，进入氨分装置分离其中的液氨送氨储罐。C、氨冷凝器蒸发出0.17Mpa的低压气氨进入氨喷射器吸入室，氨蒸发器中蒸发出2.1Mpa气氨，作为氨喷射器的喷射动力代替冰机压缩动力，以高流速经喷射器喷嘴与低压气氨混合压力约1.2Mpa，进入蒸发式冷凝器冷凝成液氨进入氨储槽。本发明最发的优点是整个过程中无任何动力消耗，液氨气化，转化为气氨的动能，经喷射器做功后，转化为压力能，高压液化冷凝。与以往靠电驱动的制冷冰机相比，节省了大量的电耗。
Description
技术领域：
本发明涉及一种合成氨生产方法及装置，特别涉及合成氨生产中新型无动力消耗制冷方法及装置。
背景技术：
现有合成氨回路系统中制冷流程为：
a、现合成氨回路中，循环气（合成反应气体）经热交换器回收高位热能后，温度仍然有106℃左右，直接进入水冷却器。
b、氨冷凝器中蒸发出的气氨被制冷机抽吸，经压缩加压后，动能和压力能提高后，进入蒸发式冷凝器，气氨冷凝成液氨，进入氨储槽，循环制冷。
此制冷工艺上存在的缺点是：a、高温的循环气直接进入水冷却器，浪费大量的热能；b、循环冷却水系统热负荷较重，水温难降。水冷后循环气温度较高，增加了冷交换器后氨冷凝器的冷却负荷。现用电力驱动制冷剂循环压缩机制冷，耗费大量的电能。吨合成氨成本综合能耗上升。
发明内容：
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的需要电力制冷以及热能浪费较大的缺点，提供一种合成氨生产中新型制冷方法及装置。
本发明采取的技术方案如下：
一种合成氨生产过程中的新型制冷的方法，其特征在于包括以下步骤：
a、出合成塔的合成反应气经过换热器回收高位热能后降为106℃，反应气再经过氨蒸发器的管程进行冷却，氨蒸发器从下部壳程中加入液氨制冷剂至壳程一半的位置，液氨在氨蒸发器壳程上部蒸发出2.1mpa、80℃的中压气氨，反应气经过氨蒸发器的管程后温度降低为68℃，然后进入水冷却器，经水冷却器冷却后反应气降为30℃；
b、出水冷却器的反应气进入冷交换器后冷却到10℃，再进入氨冷凝器的管程进行冷却，氨冷凝器从下部壳程中加入液氨制冷剂至壳程一半的位置，液氨在氨冷凝器壳程上部蒸发出1.7mpa、5℃的低压气氨，反应气经过氨冷凝器的管程降低至-2℃、然后进入冷交换器下部壳程中的氨液分离装置（冷交换器下部壳程中设置的丝网、旋流板），-2℃的反应气作为冷却介质对进入冷交换器管程的反应气进行冷却，分离的液氨送至液氨储罐，反应气剩余的其它气体（氢气、氮气、甲烷、少量氨气）作为循环气去循环机，返回到合成塔；
c、氨冷凝器蒸发出的0.17Mpa、5℃的低压气氨进入氨喷射器的吸入室，氨蒸发器中蒸发出2.1Mpa、80℃的中压气氨做为推动力进入氨喷射器的喷射室，在喷射器中抽吸0.17Mpa的低压气氨并混合扩压至1.2Mpa、55℃后从喷射器出口高速流出，进入蒸发式冷凝器冷凝成30℃液氨后，进入氨储槽。
本发明还提供了一种合成氨生产过程中的新型制冷装置，包括在换热器出口连接的水冷却器，水冷却器出口连接冷交换器，其特征在于包括：
a、一台卧式列管式氨蒸发器，其进口端管程与换热器出口相连、出口端管程和水冷却器进口相连，氨蒸发器的壳程进口与液氨泵相连、壳程出口与氨喷射器的喷射室相连；
b、一台卧式列管式氨冷凝器，其管程进口与冷交换器的管程出口相连，
其管程出口与冷交换器的壳程入口相连，冷交换器壳程的下部出口与液氨储槽相连、上部出口与系统循环机相连，氨冷凝器的壳程进口与液氨泵相连相连、壳程出口与氨喷射器的吸入室相连，冷交换器的壳程下部设有丝网及旋流板作为氨液分离装置；
c、一台氨喷射器，其喷射室入口与氨蒸发器的壳程出口相连，氨喷射器的吸入室与氨冷凝器壳程出口相连；
d、一台蒸发冷凝器，其一端与氨喷射器出口相连、另一端与氨储槽相连。
本发明中，液氨作为制冷剂经过氨蒸发器时，在气化过程中吸收反应气热量、对反应气进行冷却，液氨气化获得压力能和动能，以氨蒸发器出来的约2.1MPa压力下气氨为喷射动力，抽吸氨冷凝器蒸发出的气氨。氨冷凝器中的液氨工作原理也是相同的，只是温度、压力有所差别。
经喷射器喷嘴和低压气氨混合扩压后，低压气氨压力能下降，高压气氨压力能上升，混合后进入蒸发式冷凝器，冷凝成液氨后，焓值下降，循环制冷。
以循环气38℃温差（进氨蒸发器106℃、出68℃的循环气）为推动力，作为氨喷射器的喷射动力代替冰机压缩动力，以很高的流速经喷射器喷嘴与低压气氨（氨冷凝器蒸发出的约0.17Mpa的低压气氨）混合扩压后，压力1.0Mpa进入蒸发式冷凝器冷凝成液氨后，进入氨储槽。
以循环气38℃温差为推动力，在氨蒸发气中蒸发出约2.1Mpa气氨，作为氨喷射器的喷射动力代替冰机压缩动力，
b、以氨蒸发器出来的约2.1MPa压力下气氨为喷射动力，抽吸氨冷凝器蒸发出的气氨。
c、经喷射器喷嘴和低压气氨混合扩压后，低压气氨压力能下降，高压气氨压力能上升，混合后进入蒸发式冷凝器，冷凝成液氨后，焓值下降，循环制冷。
本发明的优点在于：本发明充分回收了氨合成回路的的低温热能，转化为气氨的动能，经喷射器做功后，抽吸低压气氨，实现制冷循环，实现整个制冷循环无任何动力消耗。大大降低了合成氨生产成本。
附图说明：
图1是本发明的结构原理图。
具体实施方式
一、如图1所示，本发明提供的一种合成氨生产过程中的新型制冷装置，包括原有的换热器、水冷却器,在此基础上，还包括：
a、一台卧式列管式氨蒸发器，其进口端管程与换热器出口相连、出口端管程和水冷却器进口相连，氨蒸发器的壳程进口与液氨泵相连（液氨泵与液氨储槽相连）、壳程出口与氨喷射器的喷射室相连；
b、一台卧式列管式氨冷凝器，其管程进口与冷交换器的管程出口相连，
其管程出口与冷交换器的壳程入口相连，冷交换器壳程的下部出口与液氨储槽相连、上部出口与系统循环机相连，氨冷凝器的壳程进口与液氨泵相连相连（液氨泵与液氨储槽相连）、壳程出口与氨喷射器的吸入室相连，冷交换器的壳程下部设有丝网及旋流板作为氨液分离装置；
c、一台氨喷射器，其喷射室入口与氨蒸发器的壳程出口相连，氨喷射器的吸入室与氨冷凝器壳程出口相连；
d、一台蒸发冷凝器，其一端与氨喷射器出口相连、另一端与氨储槽相连。
二、本发明提供的一种合成氨生产过程中的新型制冷方法，其特征在于包括以下步骤：
a、出合成塔的合成反应气经过换热器回收高位热能后降为106℃，反应气再经过氨蒸发器的管程进行冷却，氨蒸发器从下部壳程中加入液氨制冷剂至壳程一半的位置，液氨在氨蒸发器壳程上部蒸发出2.1mpa、80℃的中压气氨，反应气经过氨蒸发器的管程后温度降低为68℃，然后进入水冷却器，经水冷却器冷却后反应气降为30℃；
b、出水冷却器的反应气进入冷交换器后冷却到10℃，再进入氨冷凝器的管程进行冷却，氨冷凝器从下部壳程中加入液氨制冷剂至壳程一半的位置，液氨在氨冷凝器壳程上部蒸发出1.7mpa、5℃的低压气氨，反应气经过氨冷凝器的管程降低至-2℃、然后进入冷交换器下部壳程中的氨液分离装置（冷交换器下部壳程中设置的丝网、旋流板），-2℃的反应气作为冷却介质对进入冷交换器管程的反应气进行冷却，分离的液氨送至液氨储罐，反应气剩余的其它气体（氢气、氮气、甲烷、少量氨气）作为循环气去循环机，返回到合成塔；
c、氨冷凝器蒸发出的0.17Mpa、5℃的低压气氨进入氨喷射器的吸入室，氨蒸发器中蒸发出2.1Mpa、80℃的中压气氨做为推动力进入氨喷射器的喷射室，在喷射器中抽吸0.17Mpa的低压气氨并混合扩压至1.2Mpa、55℃后从喷射器出口高速流出，进入蒸发式冷凝器冷凝成30℃液氨后，进入氨储槽。
本发明的方法中，反应气经过氨蒸发器回收热量，液氨获得压力能和动能，以氨蒸发器出来的约2.1MPa中压气氨为喷射动力，抽吸氨冷凝器蒸发出的低压气氨。
以循环气38℃温差（进氨蒸发器106℃、出68℃的循环气）为推动力，作为氨喷射器的喷射动力代替冰机压缩动力，以很高的流速经喷射器喷嘴与低压气氨（氨冷凝器蒸发出的约0.17Mpa的低压气氨）混合扩压后，压力1.0Mpa进入蒸发式冷凝器冷凝成液氨后，冷凝成液氨后进入氨储槽，焓值下降，循环制冷。
效果分析：
（一）分析 新型喷射制冷技术：已知本公司合成氨装置，合成回路中循环气量150000NM3，合成气比热容为32.3kj/Kmol*℃;进氨冷凝器循环器温度为8℃，出氨冷凝器温度为-2℃，为计算结果回复如下：
1、入热。
进气量为150000m3/h,压力为29Mpa,温度12℃，含NH3为15.7%，合成塔进口气含氨3.5%，气体的比热容32.3kj/Kmol*℃
Q1=150000/22.4*12*32.3=2.595×106KJ/h
在氨冷器中氨冷凝量=150000*（0.157-0.035）/1-0.035=18963 M3/h
=864kmol=14.391吨氨
分离液氨14.391吨/小时，放出冷凝热，液氨在此温度下放出的冷凝热为1195.5kj/kg氨.
Q2=14391×1195.5=1.72×107kj/h
出热：，
出气量为131037m3压力为29.5Mpa，温度-2℃，气体的比热容cp=34.44kj/ Kmol*℃
Q3=131037/22.4*34.44*(-2)=-4.03×105 kj/h
Q4为气氨移走的热量。
热量平衡Q4=Q1+Q2-Q3=2.02×107KJ/h
吨氨需冷量为1438398kj，折合34.41万大卡。
现利用合成自身循环回路喷喷射吸收制冷，每小时冷凝器蒸发气氨被抽吸量为5100kg，可以移走循环气中热量，达到制冷的目的
Q5=5500×1195.5=6.57×106KJ/h
因在冰机在此工况下冰机蒸发冷冷凝温度为40℃，开氏温度为273+30=303K
氨冷器制冷温度为-2℃，开氏温度为273+（-2）=271K
制冷系数N=t/T-t=271/313-271=6.45
以往用冰机制冷吨氨用电量为=344100/6.45/3600*4.18=61.9kwh
用合成循环气热量推动喷射器制冷吨氨可节电为61.9*6.57/20.2=20.13kwh
（二）结果
1、利用合成循环气热量推动喷射器制冷吨氨可节电20.13kwh，按照年产150000吨合成氨计算，共计节电3019500kwh，节约冰机用物料及维护保养及修理费用1元/吨氨，工业用电按照1元/kwh核算，
2.年经济效益约301.95+15=316.95万元。
如果把合成氨系统其余地方的低位余热利用，氨合成制冷工段全部实现喷射制冷，完全取代制冷冰机，年可实现经济效益928.5+15=943.5万元
投入生产调试成功后，经济效益可观。
Claims (3)
1.一种合成氨生产过程中的制冷方法，其特征在于包括以下步骤：
a、出合成塔的合成反应气经过换热器回收高位热能后降为106℃，反应气再经过氨蒸发器的管程进行冷却，氨蒸发器从下部壳程中加入液氨制冷剂，液氨在氨蒸发器壳程上部蒸发出2.1MPa、80℃的气氨，反应气经过氨蒸发器的管程后温度降为68℃，然后进入水冷却器，经水冷却器冷却后反应气降为30℃ ；
b、出水冷却器的反应气进入冷交换器后冷却到10℃，再进入氨冷凝器的管程进行冷却，氨冷凝器从下部壳程中加入液氨制冷剂，液氨在氨冷凝器壳程上部蒸发出1.7MPa、5℃的气氨，反应气经过氨冷凝器的管程降低至-2℃、然后进入冷交换器下部的氨液分离装置，分离其中的液氨，送至液氨储罐，剩余的反应气作为循环气去循环机，返回到合成塔；
c、氨蒸发器中蒸发出2.1MPa、80℃的中压气氨进入氨喷射器的喷射室，氨冷凝器蒸发出的0.17MPa、5℃的低压气氨进入氨喷射器的吸入室，在喷射器中中低压气氨混合扩压至1.2 MPa、55℃后，进入蒸发式冷凝器冷凝成30℃液氨后，进入氨储槽。
2.一种合成氨生产过程中的制冷装置，包括在换热器出口连接的水冷却器，水冷却器出口连接冷交换器，其特征在于包括：
a、一台卧式列管式氨蒸发器，其进口端管程与换热器出口相连、出口端管程和水冷却器进口相连，氨蒸发器的壳程进口与液氨泵相连、壳程出口与氨喷射器的喷射室相连；
b、一台卧式列管式氨冷凝器，其管程进口与冷交换器的管程出口相连，
其管程出口与冷交换器的壳程入口相连，冷交换器壳程的下部出口与液氨储槽相连、上部出口与系统循环机相连，氨冷凝器的壳程进口与液氨泵相连相连、壳程出口与氨喷射器的吸入室相连；
c、一台氨喷射器，其喷射室入口与氨蒸发器的壳程出口相连，氨喷射器的吸入室与氨冷凝器壳程出口相连；
d、一台蒸发冷凝器，其一端与氨喷射器出口相连、另一端与氨储槽相连。
3.根据权利要求2 所述的一种合成氨生产过程中的制冷装置，其特征在于：冷交换器的壳程下部设有丝网及旋流板作为氨液分离装置。
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