液氮洗冷箱的Aspen Plus模拟与分析

2018-09-29黄荣

上海化工 2018年9期

黄荣

上海华谊能源化工有限公司（上海 200241）

1 工艺流程简述

液氮洗冷箱工艺流程如图1所示。

经分子筛吸附器处理后的原料气被送入冷箱中的1＃原料气体冷却器和2＃原料气体冷却器，在此被返流的氮洗气、燃料气和循环氢气冷却，然后进入氮洗塔下部。其中所含的 CO、氩（Ar）和甲烷等在氮洗塔中被顶部来的液氮洗出，净化后的含有少量N2的氮洗气自氮洗塔塔顶离开，经2＃原料气体冷却器复热，然后将高压氮气管线中来的N2配入（即气相配氮），基本达到H2，N2化学当量比为3∶1后，再经1＃原料气体冷却器复热：其中一部分引出至低温甲醇洗工序，交回由原料气体自低温甲醇洗工序带来的冷量；另一部分继续在高压氮气冷却器中复热至环境温度后出冷箱，并与来自低温甲醇洗工序复热后的合成气汇合，再经细配氮实现正确的H2，N2化学配比后作为产品气体送入氨合成工序。

高压N2来自界区外的空分装置，经高压氮气冷却器和1＃原料气体冷却器被返流气体冷却后，其中大部分经节流直接与自氮洗塔顶部来的氮洗气混合，基本达到 H2，N2化学配比为 3∶1；其余部分继续在2＃原料气体冷却器中冷却并液化，液氮进入氮洗塔顶部，作为洗涤剂，在氮洗塔中将原料气中的CO，Ar和CH4等杂质洗下。

氮洗塔底部的液体经过减压后在氢气分离器中闪蒸，气相作为循环H2，经过2＃原料气体冷却器、1＃原料气体冷却器和高压氮气冷却器复热后出冷箱，送至低温甲醇洗工序的循环气压缩机加压后再回收利用；由氢气分离器底部排出的液体，经过2＃原料气体冷却器、1＃原料气体冷却器和高压氮气冷却器复热后出冷箱，作为燃料气送至全厂燃料气系统。

2 冷量的来源

由于液氮洗涤CO，CH4等气体是在-192℃的低温下操作的，系统除维持自身的冷量需求外，不可避免地需要补偿其他的冷量损失，如加热/冷却物料换热不完全、换热器的热端温差，以及与外界的冷热交换等。因此，为了保证装置的平衡运行，需要一定的冷量来源。液氮洗制冷的重要方法就是高压N2及尾液的节流效应。

图1 液氮洗冷箱工艺流程

在一定条件下，将一中制冷工质压缩至一定压力，再节流膨胀，产生焦耳-汤姆逊效应（J-T效应），即可进行制冷。在节流过程中，物流既不做功，又没有与环境进行热交换，故为等焓进程。科学实践已证明：将一种气体在足够高的压力下与另一种气体混合，这种气体也能制冷。这是因为在系统总压力不变的情况下，气体在掺入混合物中后分压是降低的，相互混合气体的主要组分（如 H2与 N2，CO，CH4，Ar等）的沸点至少平均相差33℃，最好相差57℃，这样更有利于低沸点组分H2的提纯和低、高沸点组分的分离，并且能量消耗也低。

液氮洗就是运用了上述原理：在换热器中，用来自氮洗塔的产品合成净化气冷却进入液氮洗冷箱的高压N2和来自低温甲醇洗的合成气；而在氮洗塔中，使合成气和液氮逆流接触，在此过程中，不仅将合成气中的CO，CH4，Ar等洗涤下来，同时也配入部分N2。配入的N2并不能使出氮洗塔的产品净化气中的 n（H2）∶n（N2）达到 3∶1，因此，还有另外一种配氮方式使 n（H2）∶n（N2）最终达到 3∶1；同时，在 N2与合成气混合的整个过程中，使N2配到合成气中的分压下降，产生J-T效应，从而获得液氮洗所需的绝大部分冷量。N2的焦耳-汤姆逊转变曲线如图2所示。

节流效应可用焦耳-汤姆逊系数μJT表示。

图2 N2的焦耳-汤姆逊转变曲线

μJT代表恒焓下温度对压力的变化率。当μJT＞0时，节流后温度下降；μJT＜0 时，节流后温度上升；μJT=0时，温度不发生变化。

3 液氮洗冷箱主要设备简介

液氮洗工序的主要设备集中在冷箱内，包括氮洗塔和3组板翅式换热器。

氮洗塔是氮洗冷箱中的关键设备之一,设计压力为6.0 MPa，设计温度为-196℃。氮洗塔为筛板塔，内径为1.2 m，塔高约18 m，共60块塔盘，板间距为250 mm，塔盘为小孔筛板，塔的底部还有一块泡罩塔盘。

氮洗塔材料的选择有2种方案：（1）奥氏体不锈钢（0Cr18Ni9）；（2）铝镁合金（5083）。

选用奥氏体不锈钢，其优点是材料设计数据充分（经计算，筒体、封头壁厚为28 mm），原材料规格齐全、货源好落实，设备筒体、封头制造经验成熟。存在的问题有：（1）奥氏体不锈钢设备与铝镁合金换热器的连接比较困难，到目前为止国内还没有厂家能生产异种材料的大口径管接头，但可以使用进口接头解决该问题；（2）塔内件制造加工（冲孔、整平）存在较大的困难，塔盘支撑圈型材还有待开发；（3）奥氏体不锈钢与铝镁合金的线膨胀系数相差较大（约为31%），采用不同材料时的冷补偿问题比较突出，在冷箱设计中补偿问题处理起来难度很大，这样会导致设备或管道局部应力集中，容易引起设备或管道的疲劳破坏或泄漏。

选用铝镁合金，其优点是：在冷箱整体设计中，系统的泄漏问题、冷补偿问题、内件的加工问题均可以得到较好的解决。存在的问题主要是氮洗塔制造用的厚板材和相应锻件，目前尚缺少准确的机械性能参数，给设计带来一些困难。

在实际生产中，氮洗塔的操作温度和气液比是2个至关重要的工艺指标。为了保证恰当的气液比和便于设备的安装制造，氮洗塔塔内件结构设计中，采用的结构设计基本上与空分装置精馏塔相似；为了便于塔盘的安装制造，在塔盘结构设计中采用分体加工制造、整体铆接的办法，来严格控制塔盘的制造公差。

板翅式换热器传热效率高，在一台设备中可实现多股物流的热量相互交换，同时还具有结构紧凑、轻巧、节省材料等优点，因此被广泛应用于低温、多股流、带相变的换热场合。根据液氮洗工序的特点，冷箱内三组换热器采用板翅式换热器。

4 物性方程选择

在深冷条件下对气体进行分离，针对这一类过程，Aspen Plus建议使用的物性方法为：PR-BM（Peng-Robinson with Boston-Mathias alpha function），SRK （Soave-Redlich-Kwong），RK-ASPEN（Redlich-Kwong-Aspen），RK-SOAVE （Redlich-Kwong-Soave）等。此外，本次模拟流程的主要组分是H2和N2，均为非极性气体。

在CO去除方面，4种物性方法均可采用。SRK物性方法下，所得CO的含量减少得最多，PR-BM物性方法下，CO的含量减少得最少。

在CH4去除方面，4种物性方法去除的CH4气体均达到了目标要求，基本可以忽略不计。其中,SRK物性方法下CH4的含量减少得最多，而PR-BM物性方法下CH4的含量减少得最少。

在Ar去除方面：RK-SOAVE物性方法模拟条件下，Ar含量减少得最多；PR-BM物性方法模拟条件下，Ar含量减少得最少。

PR-BM，SRK，RK-ASPEN，RK-SOAVE 4 种物性方法相比较，RK-ASPEN和PR-BM物性方法在原料气消耗和净化方面均表现良好，考虑到产品气中CO的含量是重要指标，模拟计算时最终选定RK-ASPEN物性方程。

5 模拟计算结果与分析

5.1 设计工况的模拟结果与分析

采用Aspen Plus化工流程模拟软件，并选用RK-ASPEN物性方法对液氮洗冷箱在设计工况下进行了模拟，对比结果如表1所示。

通过表1可以看出，液氮洗冷箱装置主要物料点的Aspen模拟结果与设计值非常接近。

从产品产量看，用于生产合成氨的合成气（标准状态下）设计流量为114 221 m3/h，模拟计算值为114442 m3/h。模拟计算合成气产量比设计值略高，完全满足要求。

表1 设计工况模拟计算对比表

通过模拟计算结果与设计值的对比可见，采用Aspen Plus化工流程模拟软件，并选用RK-ASPEN物性方法对液氮洗冷箱进行模拟计算是可行的，且模拟计算结果具有参考价值。

5.2 合成气冷量的利用

在液氮洗冷箱设计中，经过液氮洗涤的净化合成气从塔顶送出，该股物流是液氮洗冷箱主要的冷量来源。净化合成气依次经过2#原料气换热器换热、粗配氮、1#原料气换热器换热后，复温至-66.3℃。设计中将该股-66.3℃的合成气分流出70%的气量至低温甲醇洗回收冷量，然后再以30℃气态返回至液氮洗冷箱出口与剩余30%的合成气合并，经过细配氮控制H2，N2物质的量比后送入合成氨装置。若将该70%气量的合成气全部送入高压氮气冷却器用于冷却高压N2，则该合成气出冷箱时的温度由原30℃降至-38℃，由此可判断液氮洗合成气-66℃级别的冷量有较大的富余。将该股冷量与低温甲醇洗进行耦合是比较合理的设计，同时也说明在设计液氮洗装置时，该股富余冷量的利用也必须结合其他装置整体考虑。

净化合成气冷量自用和耦合的对比结果如表2所示。