CN110770161A - 包括吸收式制冷单元的装置，如合成氨装置 - Google Patents
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Abstract
一种化工装置(100)，包括包含吸收式制冷单元(105)的制冷系统，和包含一个或多个蒸汽发生器、蒸汽使用装置和至少一个蒸汽冷凝器(107)的蒸汽系统，其中，热交换器(108)布置成拦截流向所述蒸汽冷凝器(107)的蒸汽流(8)的至少一部分，并且所述热交换器(108)将热量传递给所述吸收式制冷单元(105)的工作流体(11)，以提供所述制冷系统运行所需的热输入的至少一部分。
Description
技术领域
本发明涉及一种包括蒸汽系统和包括吸收式制冷单元的制冷系统的化工装置、以及相关改造方法。本发明尤其涉及一种合成氨或甲醇装置。
背景技术
许多化工装置，例如氨合成装置，都包含蒸汽系统。
氨合成装置被理解为如下所述的装置：在该装置中通常在前端工段通过重整烃产生包含氢和氮的补充合成气，并将该补充合成气催化转化为氨产物气。
蒸汽系统通常包括一个或多个蒸汽发生器、蒸汽使用装置和至少一个蒸汽冷凝器。蒸汽发生器可以包括通过冷却热工艺物料流(例如，催化转化器的热流出物)来产生蒸汽的热交换器。蒸汽使用装置通常包括可产生能量或驱动诸如泵或压缩机等辅助设备的汽轮机。有些蒸汽也可以在工艺内部使用或输出。
蒸汽系统的冷凝器通常接收低压、低温的排出蒸汽，其绝对压力通常小于1bar，温度低于100℃。因此，所述冷凝器也称为排出蒸汽冷凝器(steam exhaust condenser)。
所述排出蒸汽冷凝器通过冷却水或空气进行冷却。排出蒸汽冷凝释放的热量被所述介质移除，然后排放到环境中，这从效率的角度来看是不利的，因为损失了大量能量。
吸收式制冷单元可以在适当的时候用于对工艺物料流进行制冷，例如，吸收式制冷单元在合成氨装置中用于补充合成气或氨产物气的制冷。
更详细地参照用于合成氨的装置，前端工段通常包括将烃原料转化为粗合成气的重整工段和包括一个或多个变换炉的纯化工段、二氧化碳脱除工段和可选的甲烷化工段。
来自所述纯化工段的纯化合成气是在比合成压力低得多的压力(例如15～30bar)下获得的；因此，纯化合成气在由蒸汽系统的涡轮机驱动的多级压缩机中被压缩到大约80～300bar的合成压力。
用于输送到重整工段的工艺空气、氨气、二氧化碳或天然气的压缩机也可以由蒸汽系统的汽轮机驱动。
合成氨装置蒸汽系统的冷凝器通常接收压力为0.2～0.7bar和温度为60～90℃的排出蒸汽。
发明内容
从能量的角度来看，本发明旨在提高上述化工装置的效率。
本发明的基本思想是使用送至排出蒸汽冷凝器的蒸汽的热量作为吸收式制冷机的热输入，所述吸收式制冷机可以有利地用于化工装置(例如，合成氨装置)中以提高其效率。尽管供给至所述排出蒸汽冷凝器的蒸汽的温度较低，但其仍可用于为所述吸收式制冷机提供热输入。从而，所述蒸汽的热含量在该过程中被有效地回收，而不是完全排放到周围环境中。
根据权利要求1的化工装置达到了这个目的。
所述化工装置包括制冷系统和蒸汽系统，其中，所述制冷系统包括至少一个吸收式制冷单元，并且所述蒸汽系统包括一个或多个蒸汽发生器、蒸汽使用装置和至少一个蒸汽冷凝器，所述化工装置的特征在于：
热交换器被布置成拦截至少部分流向所述蒸汽冷凝器的蒸汽流，并且
所述热交换器将热量传递给所述吸收式制冷单元的工作流体，以提供所述制冷系统运行所需热输入的至少一部分。
所述冷凝器优选接收例如从汽轮机排放的排出蒸汽。因此，在下面的描述中，所述蒸汽冷凝器也将被称为排出蒸汽冷凝器。
所述冷凝器不是所述吸收式制冷单元的一部分。因此，本发明的一个特征在于，将最初要去进行冷凝的蒸汽流的至少一部分的热含量传递到所述吸收式制冷单元。最初要释放到冷凝器冷却介质中的热量在内部以更有效的方式用于驱动所述制冷单元。例如，所述热量被传递给所述吸收式制冷单元的工作流体。在优选实施例中，热量传递给平均温度高于所述冷凝器的冷凝温度的所述工作流体。
优选地，上述热交换器安装在通往所述排出蒸汽冷凝器的蒸汽管道内。所述热交换器提供所述蒸汽和所述吸收式制冷单元的工作流体之间的热交换。所述热交换器优选包括蛇管(coil)或管束(bundle)，所述蛇管或管束暴露于所述蒸汽中并且其内部有所述工作流体穿过。
优选地，进入所述热交换器的蒸汽的温度在60～90℃的范围内，更优选在75～85℃的范围内。
所述工作流体优选为由制冷剂和吸收剂组成的二元溶液。所述二元溶液优选包括溴化锂(LiBr)和水，所述LiBr作为吸收剂，水作为制冷剂。所述制冷剂可以是被吸收的流体(absorbed fluid)。
根据本发明的一个实施例，所述吸收式制冷单元将液态制冷剂(例如，水)提供给冷却器，在所述冷却器中所述液态制冷剂被加热，从而对工艺物料流进行制冷。
所述吸收式制冷单元主要包括：
吸收器，在该吸收器中，制冷剂蒸气被吸收剂(例如，LiBr)的浓溶液吸收，从而产生吸收剂稀溶液并释放一些热量；
再生器，在该再生器中，所述制冷剂从所述稀溶液中蒸发出来，并且上述浓溶液被分离出来以进一步用于所述吸收器中；
冷凝器，在该冷凝器中，从所述稀溶液中提取的制冷剂蒸气通过冷却介质(例如，冷却水)冷凝；
蒸发器，在该蒸发器中，冷凝的所述制冷剂在较低的压力下蒸发，从而冷却上述液态制冷剂，冷却后的所述液态制冷剂之后可用于例如冷却器中的制冷过程。
根据本发明的另一实施例，所述吸收式制冷单元直接冷却工艺物料流，而无需将所述液态制冷剂提供给冷却器。
所述吸收器和所述冷凝器排出低温热量，通常通过间接热交换将其传递给冷却水流。
所述过程的驱动力是提供给所述再生器的用于将所述制冷剂蒸气从所述稀溶液中分离出来以提供吸收剂浓溶液的热量。
根据一实施例，被引导至所述排出蒸汽冷凝器的蒸汽用于在所述吸收器提供的稀溶液进入所述再生器之前于适当的加热器中对其进行加热。根据另一实施例，被引导至所述排出蒸汽冷凝器的蒸汽可用于在所述再生器自身内部使所述稀溶液沸腾。
因此，可以避免或有利地减少对所述再生器的外部热输入。这代表了本发明的显著优点。
根据本发明的各个实施例，除了上述吸收式制冷单元之外，所述制冷系统还可包括另外的吸收式制冷单元和/或压缩式制冷机。
根据优选实施例，本发明提供的化工装置为合成氨装置。
合成氨装置还包括用于生成补充合成气的前端工段和用于将所述补充合成气转化为含氨产物的合成工段。所述补充合成气的生成优选通过烃原料的重整来进行，所述重整可以包括用蒸汽进行一段重整，以及在合适的氧化剂流(例如，空气流)的存在下进行二段重整。
合成氨装置的所述吸收式制冷单元可以用于所述空气流、所述补充合成气和所述含氨产物的制冷。
根据另一优选实施例，所述化工装置为用于合成甲醇的装置。
本发明的其他目的是根据所附权利要求的改造方法。
根据本发明的实施例，所述热交换器的安装包括：移除通往所述排出蒸汽冷凝器的原始蒸汽管道的一部分，所述部分与所述排出蒸汽冷凝器相邻；以及在所述蒸汽管道的剩余部分和所述排出蒸汽冷凝器之间安装所述热交换器。所述原始蒸汽管道为例如汽轮机的排放管。
根据另一实施例，所述热交换器的安装包括用较小长度的新蒸汽管道代替所述原始管道，以及在新安装的管道和所述排出蒸汽冷凝器之间安装所述热交换器。
新安装的热交换器优选包括蛇管或管束，所述蛇管或管束暴露于所述蒸汽中并且所述工作流体在其内部穿过。有利地，所述热交换器包括用于所述工作流体在所述蛇管或管束内部循环的入口和出口。
本发明的主要优点在于，被引导至所述蒸汽系统的排出蒸汽冷凝器的蒸汽被用作使吸收式制冷单元的工作流体再生的热源。因此，在该过程中有效地回收了蒸汽的热含量。
由所述吸收式制冷单元冷却的液态制冷剂可以在所述装置内使用。例如，在合成氨装置中，所述液态制冷剂可用作合成气或工艺空气的冷却媒介，从而提高了装置本身的能源效率。
由于送入排出蒸汽冷凝器的蒸汽的热含量较低，因此，冷凝所需的冷却介质较少。当使用冷却水作为冷却介质时，这是特别有利的，因为节省的冷却水的量可以用于其他目的，例如，用于移除由吸收式制冷单元的吸收器和冷凝器排出的热量。
另外，由于送入排出蒸汽冷凝器的蒸汽的热含量较低，因此，可以降低所述排出蒸汽冷凝器的工作压力。这样可以提高其他蒸汽使用装置的效率。
借助于以下关于优选实施例的详细描述，本发明的优点将更加清楚地显现。
附图说明
图1是根据本发明优选实施例的合成氨装置的简化框图。
图2示出了根据本发明优选实施例的图1中所示装置的吸收式制冷单元的简化框图。
图3示出了根据现有技术的合成氨装置的排出蒸汽冷凝器。
图4示出了根据本发明实施例的合成氨装置的排出蒸汽冷凝器。
具体实施方式
图1示出了合成氨装置100的简化流程图。
烃原料1在前端工段101中重整，产生补充合成气2。所述合成气2是在前端工段101中在15～30bar或更高的压力下获得的，并通过多级合成气压缩机103送入合成回路102中。合成回路102在约80～300bar的合成压力下工作。
合成回路102产生含氨产物3。所述合成回路102包含冷却器104，所述冷却器104被供给由吸收式制冷单元105提供的冷液态制冷剂5，用于冷却所述含氨产物3。然后，所得的热液态制冷剂6返回到所述吸收式制冷单元105。
合成氨装置100还包括蒸汽系统，所述蒸汽系统通常包括蒸汽发生器和汽轮机。蒸汽发生器包括例如热交换器，所述热交换器从前端工段101(例如，从热重整气)移除热量。汽轮机包括例如涡轮机106，所述涡轮机106与所述多级合成气压缩机103相连并且被供应有蒸汽7。为简单起见，在附图的示例中，仅示出了汽轮机106。
所述蒸汽系统还包括排出蒸汽冷凝器107，所述排出蒸汽冷凝器107接收从一个或多个汽轮机排出的蒸汽，例如，蒸汽13。
所述蒸汽系统可以进一步提供蒸汽9，所述蒸汽9提供热输入到所述吸收式制冷单元105，并且所述单元105可以返回具有较低热含量的蒸汽10。
对所述吸收式制冷单元105的热量输入的至少一部分由蒸汽8在排出蒸汽冷凝器107中冷凝前通过热交换器108提供。
更具体而言，所述吸收式制冷单元105利用工作流体运行。根据吸收式制冷机的已知技术，所述工作流体需要热量来进行再生。在图1～4的例子中，将参考LiBr水溶液，其中，LiBr作为吸收剂，水作为制冷剂。
在图1的示例中，所述工作流体11优选经由泵(未示出)进入所述热交换器108，在所述热交换器108中，所述工作流体11被蒸汽8加热。如此获得的加热后的工作流体12返回到所述吸收式制冷单元105，离开所述热交换器108的低热含量的蒸汽13被送至排出蒸汽冷凝器107。所述排出蒸汽冷凝器107提供蒸汽冷凝液14。
如图2所示，所述吸收式制冷单元105主要包括再生器201、冷凝器202、蒸发器203和吸收器204。
在所述热交换器108中被预热之后，所述工作流体12通过阀205闪蒸，然后进入再生器201，在所述再生器201中，水蒸气23与LiBr浓溶液24分离。所述浓溶液24被再循环至吸收器204。。
根据图2的示例，将蒸汽9作为额外的热输入提供给再生器201，以更好地再生所述工作流体，并且从所述吸收式制冷单元105中输出低热量的蒸汽10。
从所述再生器201提取的水蒸气23被送到所述冷凝器202，在所述冷凝器202中水蒸气23被冷却介质25(例如，冷却水)冷凝，从而提供冷凝液26。所述冷凝液26通过阀206被供应到所述蒸发器203。所述蒸发器203还被提供有从所述冷却器104获得的热液态制冷剂6，在冷却器104中所述热液态制冷剂6再生。因此，在所述蒸发器203内部，所述冷凝液26在低压下蒸发，从而提供水蒸气27，并且所述液态制冷剂6被冷却，因此可再次用于冷却器104中的制冷过程。
所述水蒸气27被供应到所述吸收器204，在所述吸收器204中所述水蒸气27借助于冷却水28被所述LiBr浓溶液24吸收。所述吸收器204提供LiBr稀溶液11，所述LiBr稀溶液11进料至所述热交换器108，在所述热交换器108中被蒸汽8加热，从而获得物料流12。
根据本发明的另一实施例，所述吸收式制冷单元直接冷却含氨产物3，而无需将液态制冷剂5提供给冷却器。
在图4中描绘了一优选实施例中的所述热交换器108。该实施例可以有利地由图3中所示的系统的改造得到。
根据图3，所述冷凝器107从多个导管109、110、111(例如，汽轮机的排出管)接收蒸汽，并提供蒸汽冷凝液14。所述冷凝器107中使用的冷却介质15为例如冷却水。
根据图4所示的实施例的改造方法包括：将一个或多个导管109～111(例如，将导管109)替换为较小长度的新排出管109a；在管109a和冷凝器107的管口113之间安装所述热交换器108；在所述热交换器108的壳体112内安装蛇管(coil)或管束114，以使来自所述吸收式制冷单元105的工作流体11循环。
根据另一实施例，所述改造方法可包括移除导管109的一部分并且随后安装热交换器108以代替所述去除的部分。
根据本发明，从合成氨装置的汽轮机提取的所述蒸汽8的热含量被回收并且有利地用于所述吸收式制冷单元105中，而不是通过蒸汽8的冷凝而排放到排出蒸汽冷凝器107中。因此，在排出蒸汽冷凝器107内冷凝的是从热交换器108排出的比蒸汽8具有较小热含量的蒸汽13，由此形成蒸汽冷凝液14。
Claims (14)
1.一种化工装置(100)，包括制冷系统和蒸汽系统，其中，所述制冷系统包括至少一个吸收式制冷单元(105)，并且，所述蒸汽系统包括一个或多个蒸汽发生器、蒸汽使用装置和至少一个蒸汽冷凝器(107)，其特征在于：
热交换器(108)被布置成拦截至少部分流向所述蒸汽冷凝器(107)的蒸汽流(8)，及
所述热交换器(108)将热量传递给所述吸收式制冷单元(105)的工作流体(11)，以提供所述制冷系统运行所需的热输入的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的化工装置，其特征在于，所述热交换器安装在通往所述蒸汽冷凝器(107)的蒸汽管道(109a)内。
3.根据权利要求1或2所述的化工装置，其特征在于，所述热交换器(114)包括暴露于所述蒸汽(8)中并且被所述工作流体(11)从内部穿过的蛇管或管束。
4.根据前述权利要求中任一项所述的化工装置，其特征在于，在所述热交换器(108)的入口处的蒸汽的温度在60～90℃的范围内，优选地在75～85℃的范围内。
5.根据前述权利要求中任一项所述的化工装置，其特征在于，所述吸收式制冷单元的所述工作流体是由制冷剂和吸收剂组成的二元溶液。
6.根据权利要求5所述的化工装置，其特征在于，所述二元溶液包括溴化锂和水。
7.根据前述权利要求中任一项所述的化工装置，其特征在于，所述化工装置适于氨的合成并且还包括用于生成补充合成气(2)的前端工段(101)和将所述补充合成气(2)转化为含氨产物(3)的合成工段(102)，所述补充合成气(2)的生成优选通过烃原料的重整来实现，且所述转化任选地在工艺空气的存在下进行。
8.根据权利要求7所述的化工装置，其特征在于，所述吸收式制冷单元(105)用于所述补充合成气(2)或所述含氨产物(3)或所述工艺空气的制冷。
9.根据权利要求1～6中任一项所述的化工装置，其特征在于，所述化工装置适于甲醇的合成。
10.化工装置(100)的改造方法，所述化工装置包括制冷系统和蒸汽系统，其中，所述蒸汽系统包括一个或多个蒸汽发生器、蒸汽使用装置和至少一个蒸汽冷凝器(107)，
所述改造方法的特征在于：
在所述制冷系统上安装吸收式制冷单元(105)，
安装热交换器(108)，所述热交换器(108)布置成拦截至少部分流向所述蒸汽冷凝器(107)的蒸汽流(8)，
其中，所述热交换器(108)将热量传递给所述吸收式制冷单元(105)的工作流体(11)，以提供所述制冷系统运行所需的热输入的至少一部分。
11.化工装置(100)的改造方法，所述化工装置包括制冷系统和蒸汽系统，其中：
所述制冷系统包括吸收式制冷单元(105)，且
所述蒸汽系统包括一个或多个蒸汽发生器、蒸汽使用装置和至少一个蒸汽冷凝器(107)，
所述改造方法的特征在于：
安装热交换器(108)，所述热交换器(108)布置成拦截至少部分流向所述蒸汽冷凝器(107)的蒸汽流(8)，
其中，所述热交换器(108)将热量传递给所述吸收式制冷单元(105)的工作流体(11)，以提供所述制冷系统运行所需的热输入的至少一部分。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述热交换器(112)的安装包括：
移除原先通往所述蒸汽冷凝器(107)的蒸汽管道(109)，并安装较小长度的新蒸汽管道(109a)，及
在新安装的蒸汽管道109a和所述蒸汽冷凝器(107)之间安装所述热交换器(112)。
13.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述热交换器(112)的安装包括：
移除通往所述蒸汽冷凝器(107)的蒸汽管道(109)的一部分，所述部分在所述蒸汽冷凝器(107)附近，及
将所述热交换器(112)安装在所述移除部分的位置。
14.根据权利要求10～13中任一项所述的方法，其特征在于，所述热交换器(112)包括用于所述工作流体的入口和出口。
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