石墨换热器在合成氨生产中的应用

瞿国忠,周 军,邴贞杰,张国强

(1.江苏华昌化工股份有限公司,江苏 张家港 215634;2.青岛鸿源换热器有限公司,青岛 莱西 266602)

石墨换热器在合成氨生产中的应用

瞿国忠1,周 军1,邴贞杰2,张国强2

(1.江苏华昌化工股份有限公司,江苏 张家港 215634;2.青岛鸿源换热器有限公司,青岛 莱西 266602)

主要介绍了列管式石墨换热器在联碱工艺合成氨生产中对压缩机一段进口半水煤气进行冷却的应用情况,对换热器的优点、选型和流程等进行总结,分析了温度降低所带来的经济效益。

石墨换热器;合成氨;半水煤气;冷却;效益

面对严峻的市场形势,我公司将以扩大生产追求规模效益为主的方针,转变为以节能降耗为重点的内部挖潜改造的策略,为此将合成氨半水煤气技改作为突破口,采用溴化锂冷却机组与石墨换热器配套,来降低半水煤气温度,提高压缩机一段入口的打气量,取得了理想的节能效果。

众所周知,联碱生产是以合成氨为原料进行的,联碱生产的能耗水平主要由合成氨的工艺水平所决定,由于我公司地处长江以南地区,进入夏季以后合成氨产量大幅降低,造成纯碱产量也呈大幅下降趋势,其主要原因就是因为半水煤气经脱硫后进入洗气塔清洗,在长途输送、烈日暴晒下半水煤气进入压缩机一段入口温度往往超过40℃,甚至可达50℃,因而造成压缩机“出工不出力”,成为夏季联碱生产的瓶颈。

针对半水煤气夏季温度高,压缩机“有气无力”的问题我公司在反复考察和论证的基础上,大胆地将一种新型的换热设备——组合列管式石墨换热器成功引进,该材料以其不挂壁、耐腐蚀、传热好和管束可现场更换的优点,成为该工段节能降耗的首选设备。

下面分别将我公司的工艺状况和石墨设备的特点作一下简单介绍。

1 换热设备的选取

虽然经过了后静电除焦净化,半水煤气中仍含有较多的焦油、煤灰等杂质,且硫化氢含量、水蒸汽的分压都比较高,这都决定了半水煤气换热器容易堵塞、腐蚀、传热效果较差的特点,这也是脱硫工序普遍采用气液直接接触的方法来冷却半水煤气的原因,所以换热设备选取时必须考虑以上因素。

经过多方考察,我们选用了青岛鸿源换热器有限公司(原青岛金利康化工设备有限公司)研制生产的国家专利产品——组合列管式石墨换热器,专利号:200620116075.7,该石墨换热器采用弹性密封连接,将金属材料和非金属的石墨管束做到了有机的连接和结合,将金属的优势和非金属的特长合二为一,由经过内防腐的碳钢壳体、封头、管板,石墨管束和高弹性专利密封材料组成,具有以下优点:

1)具有高度的化学稳定性能。除了强氧化性酸及碱外,对大部分化学介质都是耐腐蚀的,特别含氯离子的介质。

2)具有极高的导热性能。石墨的导热系数为100～110W/m·K,其导热系数和铜、铝相仿,是普通碳钢2.5倍以上,是不锈钢的6倍以上。

3)在热稳定方面,石墨的使用温度可达到150℃,且其热膨胀系数很小,大约为0.4～0.45×10-4m/K,不容易受温差应力的影响。该石墨换热器的石墨管两端与弹性密封装置通过过盈配合与碳钢管板实行活性连接,做到每根管束都能自行进行热胀冷缩,彻底消除了管板与石墨管之间的内应力,大大减少了设备损坏和维修的几率;石墨管束能够做到现场更换,充分保证了设备有效实用面积不减少,确保了设备在工艺上的可靠性和稳定性。

4)由于石墨管内外壁很光滑,其绝对粗度仅是金属管的1/20～1/50,阻力降不超过300Pa;且石墨属于非金属,决定了石墨管跟大多数介质之间“亲和力”小,不会污染介质,管壁也不易结垢,因而扩展了其应用范围。在半水煤气冷却工艺上最大的优势就是解决了焦油挂壁影响换热效果的问题。

5)与处理同样半水煤气量的不锈钢列管换热器相比较,价格只有后者一半。

可见这种石墨换热器解决了半水煤气换热的疑难问题,并且由于此处压力较低,不用担心石墨的脆性缺陷,在此选用石墨换热器是切实可行的。

2 换热器的计算

2.1 已知条件

单机半水煤气流量:22000m3/h;

半水煤气温度:由40℃降到25℃;

溴化锂制冷水温度:由8℃升高到25℃。

2.2 热量计算

半水煤气进入换热器温度为40℃,离开为25℃,查有关书得40℃与25℃饱和半水煤气总热焓分别为222.95kJ/m3与103.7kJ/m3。

则得煤气在换热器中放出的总热量为:

煤气在冷却器中冷却产生冷凝液,以冷凝水计算(其它组分量少,忽略不计),则冷凝水量为:

冷凝水带走热量为:

总的需冷却热量(按2.5%热量损失率计算)

2.3 △t计算

2.4 K值取值

石墨换热器在半水煤气中 K值取500～700 kJ/(m2·h·℃),与实际测量结果相似,取 K值为620kJ/(m2·h·℃)进行面积计算。

2.5 换热器换热面积计算

加上5%的设计余量,约为248m2。

2.6 冷却水用量

最终确定选用248m2列管式石墨换热器,设备高度为5m,直径φ1450,气体按上进下出走管程,冷却水按低进高出走壳程,实行逆流换热,在每台压缩机进口设置1台。

3 改造前后流程对比

1)改造前压缩机半水煤气一进流程:

半水煤气经过半水煤气脱硫系统后,进入后静电除焦器,去除煤焦油以后,温度为40℃,直接去压缩机一段进口。__

2)改造后压缩机半水煤气一进流程:

半水煤气经过半水煤气脱硫系统后,进入后静电除焦器,去除煤焦油以后,经过石墨换热器,与溴化锂制冷装置来的冷冻水换热到25℃,再去压缩机一段进口。

4 效益分析

一期5台6M50压缩机配套石墨换热器投用后,夏季一进温度下降明显,甚至降到了20℃以下,成效显著,现对其应用情况分析:

我们采购的1台14.23MJ的溴化锂制冷机组和5台石墨换热器共投入380万元,加上安装费用总共约480万元。

根据克拉伯龙方程:PV=nRT可知,降低压缩机一段进气温度,可以提高压缩机打气量。一进温度由40℃下降到20℃,降温幅度为20℃,提高压缩机打气量6%左右,石墨换热器投用后可新增合成氨平均32t/d,高温季节按每年180d计算,则每年因此增加产量5760t。按目前合成氨利润300元/t,则每年增加效益:5760×300=172.8万元 。该装置设计寿命为12年,这里只按10年计算,新增效益为:172.8×10-480=1248万元,是投资额的1248/480=2.6倍,投资回报率为:260%。若按每年平均新增效益1248/10=124.8万元,折合标准无烟煤124.8/1500=832t。

之所以取得了较好的节能效果,除了溴化锂制冷机组的成功引进以外,石墨换热器的引进起到了举足轻重的作用。

5 结 论

在联碱工艺合成氨生产中,采用石墨换热器对对压缩机一段进口半水煤气进行冷却,具有投资省、见效快、不挂壁、耐腐蚀、寿命长和现场可单管更换的优点,是提高产量、节能降耗的理想设备。

TQ113.25

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1005-8370(2011)05-18-02

2011-06-13