石墨換熱器在合成氨生產中的應用

瞿國忠,周 軍,邴貞杰,張國強

(1.江蘇華昌化工股份有限公司,江蘇 張家港 215634;2.青島鴻源換熱器有限公司,青島 萊西 266602)

石墨換熱器在合成氨生產中的應用

瞿國忠1,周 軍1,邴貞杰2,張國強2

(1.江蘇華昌化工股份有限公司,江蘇 張家港 215634;2.青島鴻源換熱器有限公司,青島 萊西 266602)

主要介紹了列管式石墨換熱器在聯堿工藝合成氨生產中對壓縮機一段進口半水煤氣進行冷卻的應用情況,對換熱器的優點、選型和流程等進行總結,分析了溫度降低所帶來的經濟效益。

石墨換熱器;合成氨;半水煤氣;冷卻;效益

面對嚴峻的市場形勢,我公司將以擴大生產追求規模效益為主的方針,轉變為以節能降耗為重點的內部挖潛改造的策略,為此將合成氨半水煤氣技改作為突破口,采用溴化鋰冷卻機組與石墨換熱器配套,來降低半水煤氣溫度,提高壓縮機一段入口的打氣量,取得了理想的節能效果。

眾所周知,聯堿生產是以合成氨為原料進行的,聯堿生產的能耗水平主要由合成氨的工藝水平所決定,由于我公司地處長江以南地區,進入夏季以后合成氨產量大幅降低,造成純堿產量也呈大幅下降趨勢,其主要原因就是因為半水煤氣經脫硫后進入洗氣塔清洗,在長途輸送、烈日暴曬下半水煤氣進入壓縮機一段入口溫度往往超過40℃,甚至可達50℃,因而造成壓縮機“出工不出力”,成為夏季聯堿生產的瓶頸。

針對半水煤氣夏季溫度高,壓縮機“有氣無力”的問題我公司在反復考察和論證的基礎上,大膽地將一種新型的換熱設備——組合列管式石墨換熱器成功引進,該材料以其不掛壁、耐腐蝕、傳熱好和管束可現場更換的優點,成為該工段節能降耗的首選設備。

下面分別將我公司的工藝狀況和石墨設備的特點作一下簡單介紹。

1 換熱設備的選取

雖然經過了后靜電除焦凈化,半水煤氣中仍含有較多的焦油、煤灰等雜質,且硫化氫含量、水蒸汽的分壓都比較高,這都決定了半水煤氣換熱器容易堵塞、腐蝕、傳熱效果較差的特點,這也是脫硫工序普遍采用氣液直接接觸的方法來冷卻半水煤氣的原因,所以換熱設備選取時必須考慮以上因素。

經過多方考察,我們選用了青島鴻源換熱器有限公司(原青島金利康化工設備有限公司)研制生產的國家專利產品——組合列管式石墨換熱器,專利號:200620116075.7,該石墨換熱器采用彈性密封連接,將金屬材料和非金屬的石墨管束做到了有機的連接和結合,將金屬的優勢和非金屬的特長合二為一,由經過內防腐的碳鋼殼體、封頭、管板,石墨管束和高彈性專利密封材料組成,具有以下優點:

1)具有高度的化學穩定性能。除了強氧化性酸及堿外,對大部分化學介質都是耐腐蝕的,特別含氯離子的介質。

2)具有極高的導熱性能。石墨的導熱系數為100～110W/m·K,其導熱系數和銅、鋁相仿,是普通碳鋼2.5倍以上,是不銹鋼的6倍以上。

3)在熱穩定方面,石墨的使用溫度可達到150℃,且其熱膨脹系數很小,大約為0.4～0.45×10-4m/K,不容易受溫差應力的影響。該石墨換熱器的石墨管兩端與彈性密封裝置通過過盈配合與碳鋼管板實行活性連接,做到每根管束都能自行進行熱脹冷縮,徹底消除了管板與石墨管之間的內應力,大大減少了設備損壞和維修的幾率;石墨管束能夠做到現場更換,充分保證了設備有效實用面積不減少,確保了設備在工藝上的可靠性和穩定性。

4)由于石墨管內外壁很光滑,其絕對粗度僅是金屬管的1/20～1/50,阻力降不超過300Pa;且石墨屬于非金屬,決定了石墨管跟大多數介質之間“親和力”小,不會污染介質,管壁也不易結垢,因而擴展了其應用范圍。在半水煤氣冷卻工藝上最大的優勢就是解決了焦油掛壁影響換熱效果的問題。

5)與處理同樣半水煤氣量的不銹鋼列管換熱器相比較,價格只有后者一半。

可見這種石墨換熱器解決了半水煤氣換熱的疑難問題,并且由于此處壓力較低,不用擔心石墨的脆性缺陷,在此選用石墨換熱器是切實可行的。

2 換熱器的計算

2.1 已知條件

單機半水煤氣流量:22000m3/h;

半水煤氣溫度:由40℃降到25℃;

溴化鋰制冷水溫度:由8℃升高到25℃。

2.2 熱量計算

半水煤氣進入換熱器溫度為40℃,離開為25℃,查有關書得40℃與25℃飽和半水煤氣總熱焓分別為222.95kJ/m3與103.7kJ/m3。

則得煤氣在換熱器中放出的總熱量為:

煤氣在冷卻器中冷卻產生冷凝液,以冷凝水計算(其它組分量少,忽略不計),則冷凝水量為:

冷凝水帶走熱量為:

總的需冷卻熱量(按2.5%熱量損失率計算)

2.3 △t計算

2.4 K值取值

石墨換熱器在半水煤氣中 K值取500～700 kJ/(m2·h·℃),與實際測量結果相似,取 K值為620kJ/(m2·h·℃)進行面積計算。

2.5 換熱器換熱面積計算

加上5%的設計余量,約為248m2。

2.6 冷卻水用量

最終確定選用248m2列管式石墨換熱器,設備高度為5m,直徑φ1450,氣體按上進下出走管程,冷卻水按低進高出走殼程,實行逆流換熱,在每臺壓縮機進口設置1臺。

3 改造前后流程對比

1)改造前壓縮機半水煤氣一進流程:

半水煤氣經過半水煤氣脫硫系統后,進入后靜電除焦器,去除煤焦油以后,溫度為40℃,直接去壓縮機一段進口。__

2)改造后壓縮機半水煤氣一進流程:

半水煤氣經過半水煤氣脫硫系統后,進入后靜電除焦器,去除煤焦油以后,經過石墨換熱器,與溴化鋰制冷裝置來的冷凍水換熱到25℃,再去壓縮機一段進口。

4 效益分析

一期5臺6M50壓縮機配套石墨換熱器投用后,夏季一進溫度下降明顯,甚至降到了20℃以下,成效顯著,現對其應用情況分析:

我們采購的1臺14.23MJ的溴化鋰制冷機組和5臺石墨換熱器共投入380萬元,加上安裝費用總共約480萬元。

根據克拉伯龍方程:PV=nRT可知,降低壓縮機一段進氣溫度,可以提高壓縮機打氣量。一進溫度由40℃下降到20℃,降溫幅度為20℃,提高壓縮機打氣量6%左右,石墨換熱器投用后可新增合成氨平均32t/d,高溫季節按每年180d計算,則每年因此增加產量5760t。按目前合成氨利潤300元/t,則每年增加效益:5760×300=172.8萬元 。該裝置設計壽命為12年,這里只按10年計算,新增效益為:172.8×10-480=1248萬元,是投資額的1248/480=2.6倍,投資回報率為:260%。若按每年平均新增效益1248/10=124.8萬元,折合標準無煙煤124.8/1500=832t。

之所以取得了較好的節能效果,除了溴化鋰制冷機組的成功引進以外,石墨換熱器的引進起到了舉足輕重的作用。

5 結 論

在聯堿工藝合成氨生產中,采用石墨換熱器對對壓縮機一段進口半水煤氣進行冷卻,具有投資省、見效快、不掛壁、耐腐蝕、壽命長和現場可單管更換的優點,是提高產量、節能降耗的理想設備。

TQ113.25

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1005-8370(2011)05-18-02

2011-06-13