全低溫變換工藝換熱方式的選擇

朱中華，孫南屏

（杭州龍山化工有限公司，浙江杭州 311228）

全低溫變換工藝換熱方式的選擇

朱中華，孫南屏

（杭州龍山化工有限公司，浙江杭州 311228）

介紹一種適用于聯(lián)堿廠的高壓全低溫變換工藝，并建議以熱交換器代替飽和熱水塔；同時對主熱交換器、半水煤氣與變換氣三出第二次換熱的臥式熱交換器的設(shè)備選型進行了分析。

全低溫變換；飽和熱水塔；熱交換器

目前的變換工藝有：中溫變換、中串低、全低及中低低4種工藝，本文推薦一種適用于聯(lián)堿廠的全低溫變換工藝。

1 中溫變換

初期中溫變換裝置，由于鐵系催化劑的活性溫度較高，為了達到工藝要求的變換率和確保一定的反應(yīng)速度，只能提高反應(yīng)的汽氣比，來增加反應(yīng)推動力，要求汽氣比為0.7～1.2，其噸氨蒸汽消耗：

式中：每噸氨消耗半水煤氣3 300 Nm3，中變汽氣比為1.2。

而變換用于化學(xué)反應(yīng)的蒸汽只有：

高汽氣比導(dǎo)致三段出口的變換氣中蒸汽過剩1 000 kg／t氨，使飽和熱水塔回收的負荷很重，熱能回收效率不高，表現(xiàn)在熱水塔出口變換氣溫度較高。

2 低溫變換

低溫高活性的鈷－鉬耐硫變換催化劑的開發(fā)成功，大大提高了反應(yīng)推動力和反應(yīng)速率，降低了反應(yīng)汽氣比，杭州龍山化工有限公司于1996年實施全低變工藝，把聯(lián)堿煅燒的中壓蒸汽冷凝水補入變換循環(huán)熱水系統(tǒng)（飽和熱水塔系統(tǒng)），使整個變換系統(tǒng)不需要補加蒸汽，其工藝流程為：段間換熱流程，飽和塔出口的半水煤氣中汽氣比已達0.42，顯然，飽和熱水塔的貢獻非常巨大。

3 第三代全低變工藝的開發(fā)

3.1 熱力學(xué)基礎(chǔ)

在變換爐中CO、O2與H2O（g）之間的反應(yīng)

1）如果1 kmol CO進行變換反應(yīng)，放出熱：

2）半水煤氣中CO含量為30%，O2含量為0.3 %。即含有1 kmol CO的半水煤氣中也含有0.01 kmol O2，O2與H2O反應(yīng)放出熱：

3）反應(yīng)熱用于蒸發(fā)聯(lián)堿煅燒冷凝水，可得到3.0 MPa、233.9℃飽和蒸汽：

煅燒冷凝水溫度180～200℃，焓為908.29 kJ／kg；飽和蒸汽焓為2 804.2 kJ／kg。

而1 kmol CO參與變換反應(yīng)理論需要18 kg水蒸汽，顯然利用變換反應(yīng)和抗氧爐溫升放熱汽化得到的蒸汽24.28 kg，完全能滿足變換反應(yīng)需要，而且蒸汽過剩26%左右。故變換換熱工藝流程的設(shè)計關(guān)鍵是如何加入更多的聯(lián)堿煅燒冷凝水。

3.2 飽和熱水塔的作用分析

3.2.1 飽和熱水塔的弊端

飽和熱水塔的設(shè)計主要是針對回收變換反應(yīng)過量蒸汽，特別是在高汽氣比的變換中，飽和熱水塔為變換的節(jié)能降耗作出了較大貢獻，在全低變的段間換熱工藝中，大幅降低蒸汽消耗的同時，也帶來了較多的問題：

1）循環(huán)熱水中的總固體（硫酸鹽和碳酸鹽）通過帶水霧進入變換爐一段，由于變換觸媒層溫度為200～400℃，鹽類物質(zhì)都沉淀在催化劑上，這就是系統(tǒng)阻力增加、催化劑壽命短的主要原因。

2）水加熱器因酸性腐蝕而泄露，造成雜質(zhì)進入低變催化劑床層，導(dǎo)致催化劑失活，阻力增加等。

3）全低變的段間換熱的工藝流程長，設(shè)備多、占地多，整個系統(tǒng)阻力大，投資大。

3.2.2 取消飽和熱水塔

1）全低變噴水流程的應(yīng)用，2010年我公司一期工程0.8 MPa變換工藝裝置開車，正常生產(chǎn)情況下，飽和塔出口半水煤氣溫度108～110℃，維持適當(dāng)汽氣比所需的蒸汽量為0.14×3 300×18／22.4＝371 kg／t氨。傳統(tǒng)的段間換熱工藝流程飽和熱水塔所需的蒸汽量為1 110～1 180 kg／t氨，兩者相差3倍。

以上數(shù)據(jù)說明傳統(tǒng)利用冷凝和蒸發(fā)原理直接接觸的飽和熱水塔，回收潛熱的意義已經(jīng)不大，已失去了原始依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，取消飽和熱水塔，用噴水增濕來代替水加熱器回收變換的顯熱，其能力品位的損失，不會使變換系統(tǒng)的蒸汽消耗有明顯的增加。

2）取消飽和熱水塔后，由于沒有循環(huán)熱水液體介質(zhì)，半水煤氣中O2與硫化物處于無水狀態(tài)，不會生成硫酸鹽和碳酸鹽，半水煤氣中H2S無法在水中溶解和電離，可大大減少對設(shè)備的酸性腐蝕。氣體純度提高了，對催化劑的使用壽命和失活、減少系統(tǒng)阻力等都有利。

3）噴頭的高效霧化對氣液間傳熱傳導(dǎo)影響極大，噴頭的成功應(yīng)用為取消飽和熱水塔提供了條件。

3.3 壓力等級的選取

壓力對變換反應(yīng)的平衡幾乎沒有影響。單就平衡而言，加壓并無好處。但從動力學(xué)角度，加壓可提高反應(yīng)速率，大幅減少催化劑裝填量。從能量消耗上看，加壓也是有利。由于半水煤氣體積數(shù)小于變換氣的體積數(shù)30%，所以，先壓縮原料氣后再進行變換的能耗，比先變換再進行壓縮的能耗底。具體操作壓力的數(shù)值，應(yīng)根據(jù)中小型氨廠的特點，特別是工藝蒸汽的壓力及壓縮機各段壓力的合理配置而定。一般氨廠為1.8～2.0 MPa。

由于壓力等級的提高，根據(jù)享利定律，氣體的溶解度是與壓力成正比，隨著壓力的提高，循環(huán)熱水中溶解的O2和H2S濃度增加了，因而會加快腐蝕。若采用段間換熱流程，，循環(huán)熱水溫度最高可達170℃，隨著溫度的提高，硫化氫的電離度也增加，故循環(huán)熱水中H＋濃度增加，對設(shè)備的腐蝕加快，所以高壓全低溫變換工藝要求取消飽和熱水塔。適用于聯(lián)堿廠的全低變工藝流程如圖1：

圖1 無飽和塔低汽耗簡化工藝流程

4 變換熱交工藝設(shè)計

換熱器是實現(xiàn)變換系統(tǒng)能量平衡的關(guān)鍵設(shè)備，降低變換系統(tǒng)的蒸汽消耗完全由換熱器實現(xiàn)，故全低變工藝設(shè)計必然要求換熱設(shè)備設(shè)計達最優(yōu)化。

4.1 主熱交

對于0.8 MPa壓力等級的變換主熱交，可采用原傳統(tǒng)的設(shè)計，因為2007年我們?yōu)榘不拯S山龍勝化工有限公司設(shè)計和安裝全低變裝置，將二段出口變換氣進熱效修改為變換一段出口進熱交，使用5年證明效果很好。

4.2 熱交換器的布置

適用于聯(lián)堿廠的全低變流程中的臥式熱交（半水煤氣與變換氣三段出口第二次換熱）是降低變換系統(tǒng)的蒸汽消耗最關(guān)鍵設(shè)備，要最大限度回收變換氣三段出口含有0.12～0.15汽氣比（相當(dāng)于回收蒸汽350 kg／t氨）的能量。

由理論推導(dǎo)可得（推導(dǎo)過程略），對于膜狀冷凝，換熱管壁覆蓋著一層液膜，形成壁面和冷凝蒸汽之間的傳熱阻力，換熱器垂直（立式）布置液膜厚度大。水平（臥式）布置，由于大部分換熱管管徑較小，液膜沿管外壁流動距離短，又由于重力的作用，易形成液滴而落下，形式飛濺和起攪動作用力。傳熱面大部分未被冷凝液覆蓋，故傳熱阻力很小。所以在實際生產(chǎn)中伴有相等的換熱器設(shè)計，應(yīng)盡量選用設(shè)備臥式布置。

4.3 臥式熱交“流程”的選擇

需要冷凝的變換氣三段出口氣進入水平傳熱管時（走管程），若管子較長，最后凝液會充滿管截面，故冷凝傳熱系數(shù)也隨之變化。冷凝傳熱系數(shù)通常從管進口端的高值，變化到出口端的低值。從水平管的進口端到出口端，冷凝傳熱膜系數(shù)的變化可以到一個數(shù)量級，故一般對清潔需冷凝流體都要求走殼程。但對污垢嚴(yán)重的流體，就沒有必要過分追求提高傳熱膜系數(shù)或降低管壁熱阻，應(yīng)該設(shè)法盡量減輕或預(yù)防污垢的產(chǎn)生和清理方便，如聯(lián)堿的爐氣冷凝塔為爐氣走管程冷卻水走殼程。

5 結(jié) 語

壓力等級為0.8 MPa和2.0 MPa的全低溫變換工藝都要求取消飽和熱水塔，并同樣能實現(xiàn)蒸汽低消耗。從工藝流程可知，換熱設(shè)備在變換裝置中占60%以上，節(jié)能挖潛潛力巨大，建議設(shè)計制造單位和使用單位的工程技術(shù)人員提高認識，精心設(shè)計，使變換系統(tǒng)的節(jié)能潛力挖掘最大化。

［1］ 李小定，張雄斌，李新懷，等.全低變工藝二十年進展［C］.第二十屆全國化肥－甲醇技術(shù)年會會議資料，2010：184～193

［2］ 石家莊正元塔器設(shè)備有限公司.中低低變換工藝及配套設(shè)備的進展［C］.第二十屆全國化肥－甲醇技術(shù)年會會議資料，2010

［3］ 孫南屏.全低變工藝使用二周年總結(jié)［J］.小氮肥設(shè)計技術(shù)，1999（3）：31～33

［4］ 孫南屏.換熱器工藝設(shè)計問題的探討［C］.南昌氮肥會議資料，2008

［5］ 孫南屏，李林，朱中華.合成氨能量平衡分析（造氣部分）［J］.純堿工業(yè)，2010（4）

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