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)
1.1 合成氨工業(yè)開發(fā)背景、能耗軟件開發(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、國務(wù)院也多次召開會議進(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。
合成氨的能耗計算向來重要,但是由于計算量大,計算復(fù)雜,利用圖例計算的準(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,利用合成氨能耗計算軟件,可以簡化能耗計算,優(yōu)化能源利用,最終提高利用率。通過實現(xiàn)合成氨能耗數(shù)據(jù),提出改良方案,從而實現(xiàn)能量的綜合利用,提高經(jīng)濟(jì)效益。
世界各國對合成氨評估的方法和理論進(jìn)行了廣泛的研究和探討,主要的評估方法主要有:經(jīng)驗法、邏輯推導(dǎo)法、指數(shù)法、計算機(jī)模擬和綜合評價法。合成氨綜合能源的計算分析,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,使能源消耗評估存在一定的局限性。因此,增強(qiáng)氨合成能源綜合評估方法的理論研究,并將其與計算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來,開發(fā)針對氨合成能源評估的綜合評估軟件,實現(xiàn)高效、快速的性能評估,可以在一定程度上彌補(bǔ)這種缺陷。
2.1.1 計算物料點流程
由于合成氨整個流程比較復(fù)雜,因此需要找到整個流程中的耗能最大的工段,再對工段的能耗進(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入塔氣作為計算基準(zhǔn)求出塔氣組分
由式(2-1)計算塔內(nèi)生成氨含量
合成率為
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)
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)
首先,輸入計算數(shù)據(jù),點擊〈計算〉之后,即顯示計算結(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 物料計算結(jié)果界面
圖3-12 物料計算比例圖界面
從圖中可以看出,出口處氫氣含量最大,氨氣含量相對較少。合成反應(yīng)中氫氣與氮氣的比例應(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。
圖3-21 氨分離器氣液計算界面
圖3-22 氨分離器氣液計算比例圖界面
同上操作,可以看出:經(jīng)過氨分離器之后,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。
圖3-31 冷交換氣液平衡計算界面
圖3-32 出口液組分比例界面
同上操作,可以看出:經(jīng)過冷交換器之后,經(jīng)過反應(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。同時可為實際生產(chǎn)提供可靠的理論依據(jù)。
1)本軟件通過分別從物料、氨分離器氣液平衡、冷交換器氣液平衡計算,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。本軟件能夠通過計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)計與設(shè)計手冊(下冊)[M],化學(xué)工業(yè)出版社,1994
[2]於子方,全國中氮情報協(xié)作組第29次技術(shù)交流會論文集[C],上海,2011:12-17
[3]孫華田、孫梅,第十七屆全國造氣技術(shù)年會論文集[C],山東,2009:53-66
[4]邱宇,基于計算機(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