氨合成流程模擬及操作指標(biāo)優(yōu)化

馬文亮，左艷玲

（云南解化清潔能源開(kāi)發(fā)有限公司解化化工分公司，云南 開(kāi)遠(yuǎn) 661600）

氨合成流程模擬及操作指標(biāo)優(yōu)化

馬文亮，左艷玲

（云南解化清潔能源開(kāi)發(fā)有限公司解化化工分公司，云南 開(kāi)遠(yuǎn) 661600）

通過(guò)合成氨流程模擬的建立，分析了水冷器出口溫度及氨冷器出口溫度對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)能及能耗的影響。根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化得出最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行溫度為：水冷器出口溫度為35～37℃，氨冷器出口溫度為-8～-6℃。

合成氨；流程模擬；溫度；水冷器；能耗

從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，我國(guó)在全國(guó)各地建設(shè)了一大批小型合成氨廠(chǎng)。1972年，我國(guó)又先后從美國(guó)、日本、意大利、荷蘭等國(guó)引進(jìn)了17套年產(chǎn)300kt的合成氨成套裝置。目前，我國(guó)已經(jīng)擁有多種原料、不同流程的大、中、小型合成氨廠(chǎng)1000多家。其中，年產(chǎn)30萬(wàn)噸的合成氨裝置有40多套，氨產(chǎn)量已居世界第一［1］。

但是，我國(guó)的大型合成氨裝置絕大多數(shù)都還存在著設(shè)備有缺陷、操作不夠熟練、外部條件不夠完善等一系列問(wèn)題，導(dǎo)致裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)效率不高，生產(chǎn)能耗一般達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。近幾年來(lái)，合成氨在開(kāi)發(fā)節(jié)能型新技術(shù)、新設(shè)備、新催化劑的同時(shí)，又在裝置操作靈活性、生產(chǎn)可靠性、節(jié)省投資上取得了新的進(jìn)展，用新技術(shù)改造舊裝置的生產(chǎn)能力、提高舊裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)效率、降低舊裝置的能耗也在努力開(kāi)拓中。

本文采用過(guò)程穩(wěn)態(tài)模擬方法，利用 Aspen Hysys模擬氨合成生產(chǎn)流程，并對(duì)氨冷器和水冷器的換熱出口氣體溫度的模擬結(jié)果進(jìn)行敏感性分析，以得出氨產(chǎn)量和制冷能耗間的關(guān)系，從而提出節(jié)能增產(chǎn)的運(yùn)行及改造建議，達(dá)到提高產(chǎn)量增加效益的目的。

1 流程模擬及軟件

將由許多過(guò)程單元組成的化工流程用數(shù)學(xué)模型表現(xiàn)，在計(jì)算機(jī)上解算其物料及能量平衡，并進(jìn)一步計(jì)算各單元設(shè)備尺寸及設(shè)備運(yùn)行狀況稱(chēng)之為過(guò)程模擬。過(guò)程模擬是系統(tǒng)工程最基本的技術(shù)，不論過(guò)程的分析和優(yōu)化，還是系統(tǒng)綜合，都是以過(guò)程模擬為基礎(chǔ)的。按是否考慮模擬對(duì)象的特性與時(shí)間之間的關(guān)系，可分為動(dòng)態(tài)模擬和穩(wěn)態(tài)模擬。穩(wěn)態(tài)模擬是化工過(guò)程過(guò)程模擬研究中發(fā)展最早和應(yīng)用最為普普遍的一種重要技術(shù)，他包括物料和能量衡算、設(shè)備尺寸和費(fèi)用計(jì)算以及過(guò)程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。從數(shù)學(xué)角度看，其實(shí)質(zhì)是求解非線(xiàn)性方程組［2］。該方程組由單元模塊方程、流程連接方程和約束方程構(gòu)成。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，眾多動(dòng)態(tài)模擬軟件紛紛推出，如美國(guó)普度大學(xué)的BOSS、英國(guó)劍橋大學(xué)的CHEMSIM、Linde公司的 OPISIM等。加拿大Hyprotech公司的 HYSIS同時(shí)兼有動(dòng)態(tài)模擬和穩(wěn)態(tài)模擬的功能，用戶(hù)可以很方便的在穩(wěn)態(tài)模擬和動(dòng)態(tài)模擬之間切換。HYSYS軟件在國(guó)內(nèi)應(yīng)用非常廣泛，國(guó)內(nèi)用戶(hù)總數(shù)已超過(guò)50家。ASPEN公司流程模擬是目前為止通用的、功能強(qiáng)大的、實(shí)用方便的、用戶(hù)界面十分友好的將穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬合而為一的軟件。

2 氨合成系統(tǒng)流程模擬的建立

以我公司5＃合成塔實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行模擬，系統(tǒng)壓力 ≤31.4 MPa，液氨放出壓力≤1.7 MPa；合成塔出口溫度≤370℃，液氨設(shè)計(jì)產(chǎn)量18.85t/h，w（NH3）≥99.5%，新鮮氣溫度40℃ ，壓力29MPa。新鮮氣與循環(huán)氣混合后進(jìn)入冷凝塔，然后再進(jìn)入氨冷凝器。新鮮氣組分見(jiàn)表1。

表1 合成氨新鮮氣組分Table.1 Fresh gas component of ammonia

2.1 氨合成建模

利用Aspen Hysys模擬氨合成工段生產(chǎn)流程，工藝流程參照5＃氨合成塔實(shí)際流程。合成塔入口壓力30.55 MPa（A），一床層入口溫度350℃，新鮮氣量為55 000 m3/h。反應(yīng)方程式采用動(dòng)力學(xué)方程，物性方法采用Peng-R。氨合成工段模擬工藝流程見(jiàn)圖1。

2.2 模擬結(jié)果

按照5＃氨合成塔實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果見(jiàn)表2。

圖1 氨合成工段工藝流程模擬Fig.1 Process simulation of ammonia synthesis section

表2 流程模擬工藝指標(biāo)Table.2 Process simulation and process indicators

從表1看出，模擬結(jié)果與實(shí)際相符，說(shuō)明Aspen Hysys可以準(zhǔn)確的模擬合成氨生產(chǎn)。

3 節(jié)能降耗分析

影響系統(tǒng)節(jié)能的主要設(shè)備為：廢鍋、水冷器、氨冷器。影響系統(tǒng)增產(chǎn)的主要因素為氫氣損失。廢鍋將合成氣體降溫后，熱量轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝⒒叵到y(tǒng)使用，本次模擬不做分析。本此主要分析熱量移除并無(wú)法回收的水冷器和氨冷器中的氣體溫度對(duì)節(jié)能和增產(chǎn)的影響。

控制氨冷溫度，可有效調(diào)節(jié)制冷量及放空氣量；而水冷器出口氣體溫度變化，可體現(xiàn)循環(huán)水的用量及液氨的用量。因此，在保持合成新鮮氣總量不變及催化劑反應(yīng)活性相同的情況下，對(duì)氨冷器、水冷器采用靈敏度進(jìn)行分析，即可分析出系統(tǒng)節(jié)能、增產(chǎn)情況。

3.1 水冷器出口溫度對(duì)系統(tǒng)能耗的影響

當(dāng)其它工藝指標(biāo)不變，水冷器出口溫度由31℃增長(zhǎng)到45℃時(shí)，對(duì)氨產(chǎn)量、循環(huán)水及氨制冷系統(tǒng)總能耗、氨冷器液氨用量、循環(huán)水量的敏感性見(jiàn)表3，敏感性曲線(xiàn)見(jiàn)圖2、圖3。循環(huán)水及氨制冷系統(tǒng)總能耗為氨制冷系統(tǒng)電耗加上水冷器循環(huán)水電耗。

表3 水冷器出口溫度敏感性表Table.3 Water cooler outlet temperature sensitivity table

圖2 水冷器出口溫度對(duì)氨冷器液氨用量和循環(huán)水用量的影響Fig.2 Effect of outlet temperature of water coolers on the amount of ammonia of ammonia cooler and the amount of recycled water

圖3 水冷器出口溫度對(duì)液氨產(chǎn)量和循環(huán)水及氨制冷系統(tǒng)總能耗的影響Fig.3 Effect of outlet temperature of water coolers on the ammonia production and recycled water and total energy consumption of ammonia refrigeration system

由圖2可見(jiàn)，隨著水冷器出口溫度的增加，循環(huán)水用量減少，而氨冷器用氨量增加。由圖3可見(jiàn)，隨著水冷器出口溫度的增加，循環(huán)水及氨制冷系統(tǒng)總能耗增加，氨產(chǎn)量下降。降低水冷器出口溫度，雖然會(huì)使循環(huán)水用量增加，但從整體能量消耗來(lái)看是降低的，且氨產(chǎn)量有所增加。因此，工藝操作上應(yīng)盡可能的降低水冷器出口溫度。由于受循環(huán)水上水溫度影響，最佳的水冷器出口溫度為35℃～37℃。35℃與最高45℃時(shí)相比，循環(huán)水及氨制冷系統(tǒng)總能耗可節(jié)約3.18%，產(chǎn)量增加0.85%。

3.2 氨冷器出口溫度對(duì)系統(tǒng)能耗的影響

當(dāng)其它工藝指標(biāo)不變，氨冷器出口溫度由-10℃增長(zhǎng)到5℃時(shí)，氨產(chǎn)量、氨冷器液氨用量、循環(huán)水及氨制冷系統(tǒng)總能耗、氨凈值、循環(huán)水量的敏感性見(jiàn)表4，敏感性曲線(xiàn)見(jiàn)圖4、圖5。

表4 氨冷器出口溫度敏感性分析Table.4 Ammonia condenser outlet temperature sensitivity analysis

圖4 氨冷器出口溫度對(duì)液氨產(chǎn)量和氨凈值的影響Fig.4 Effect of outlet temperature of ammonia coolers on the ammonia production and ammonia net

圖5 氨冷器出口溫度對(duì)氨冷器氨用量和循環(huán)水及氨制冷系統(tǒng)總能的影響Fig.5 Effect of outlet temperature of ammonia coolers on the ammount of ammonia and total energy consumption of ammonia refrigeration system

由圖4可見(jiàn)，隨著氨冷器出口溫度的增加，氨凈值增加，但液氨產(chǎn)量降低，兩曲線(xiàn)交叉點(diǎn)在-6℃。由圖5可見(jiàn)，隨著氨冷器出口溫度的增加，循環(huán)水及氨制冷系統(tǒng)總能耗減少，氨冷器用氨量也下降。雖然，降低水冷器出口溫度會(huì)使循環(huán)水及氨制冷系統(tǒng)的總能耗增加，但對(duì)氨產(chǎn)量增加有較大貢獻(xiàn)。兩曲線(xiàn)交叉點(diǎn)在-8℃，低于-8℃時(shí)能耗增加速度較高，使得氨制冷成本增加。因此，工藝操作上應(yīng)控制氨冷器出口溫度，最佳的水冷器出口溫度為-8～-6℃。-8℃與0℃時(shí)相比，液氨產(chǎn)量增加0.386 t，增幅1.92%；循環(huán)水及氨制冷系統(tǒng)總能耗增加632.5 kW，增幅64.4%。

液氨產(chǎn)品的增加是由于系統(tǒng)氨凈值減少換來(lái)的，增量的成本為系統(tǒng)增加的電耗。若按每度電0.5元計(jì)，增加的成本632.5*0.5＝316.3元；氨按售價(jià)2500元/t，增加的銷(xiāo)售額0.386*2500＝965元，毛利增加965-316.3＝648.7元，則每年將有519萬(wàn)元的毛利。

4 運(yùn)行建議

4.1 加強(qiáng)水冷器的清洗 保證水冷器的換熱效果

通過(guò)模擬分析得知，水冷器出口溫度越低，對(duì)系統(tǒng)節(jié)能和氨產(chǎn)量增加越有利。目前，水冷器的出口溫度為40～42℃，換熱器投用初期換熱效果較好，可達(dá)到36℃。因此，建議生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中加強(qiáng)水冷器的清洗工作，以保證水冷器的換熱效果。

4.2 提高冰機(jī)效率 降低氨冷溫度

目前，制冷系統(tǒng)的氨冷溫度為0℃。在-10 ～5℃時(shí)，模擬的降低氨冷器出口溫度能夠增加氨產(chǎn)量，增加經(jīng)濟(jì)效益。因此，建議提高冰機(jī)效率，把氨冷溫度控制在-8～-6℃之間為宜。

4.3 在氨冷器之前增加冷凍水裝置

從模擬的運(yùn)行情況看，若在氨冷器之前增加冷凍水裝置（對(duì)循環(huán)氣體降溫）有利于制冷能耗的降低，并降低合成氨成本。因此，可以考慮進(jìn)行技術(shù)改造，增加能效較高的冷凍水制備裝置，進(jìn)一步對(duì)循環(huán)氣體降溫，以達(dá)到降低氨制冷系統(tǒng)能耗的目的。

［1］丁振亭.大型節(jié)能氨合成塔的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［J］.化肥工業(yè).2004，25（4）：

［2］劉鏡遠(yuǎn).合成氣工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

［3］解化化工分公司合成崗位工藝操作手冊(cè)［Z］.

Ammonia Synthesis Process Simulation and Operating Indicator Optimization

MA Wen-liang，Zuo Yan-ling

（Yunnan Jianhua clean energy Chemical Development Co.，Ltd.Subsidiary，Kaiyuan 661600，China）

Through the establishment of the ammonia process simulations，the impact of water cooler outlet temperature and the ammonia cooling outlet temperature on system capacity and energy consumption are analyzed.According to the actual situation，the most optimized economic operating temperature is：water cooler outlet temperature 35～37℃，ammonia cooler outlet temperature-8～-6℃.

ammonia；process simulation；water coolers；temperature；energy

TQ113.2

A

1004-275X（2015）04-0063-04

12.3969/j.issn.1004-275X.2015.04.018

收稿：2015-03-27

馬文亮（1983-），男，黑龍江望奎人，工程師，主要從事化工工藝工作。