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1、2012年6月第35卷第3期Large Scale Nitrogenous Fertilizer IndustryJun.2012Vol.35No.3探讨液氮洗原料气中氮气含量的高限值高峰，尹俊杰（航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司，甘肃兰州730050）摘要：应用Aspen Plus 流程模拟软件，采用RK-Aspen 热力学模型，完成对原液氮洗工艺流程的模拟，并与原设计值相比较，从而验证所选模型的合理性。然后运用此模型对多组工况进行模拟分析，得出液氮洗工艺原料气中氮气含量的高限值。关键词：液氮洗流程模拟氮气含量高限值1概述航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司甚至不能再适用。本文以液氮
2、洗装置的设计数据为基础，应用设计的河南晋开化工投资控股集团有限责任公司年产50万吨合成氨及配套工程，以煤为原料，气化采用航天粉煤加压气化工艺（HTL）造气，变换采用宽温耐硫变换工艺，脱硫脱碳采用大连理工大学的低温甲醇洗工艺，硫回收采用托普索WSA 制酸工艺，气体精制采用法国液空液氮洗涤工艺，氨合成采用卡萨利150MPa 低压氨合成工艺。原料煤经气化、变换、脱硫脱碳工序后，净化气中除了H 2和N 2外，还含有极少量的其他化合物，如CO 、CO 2、CH 3OH 等，这些都是氨合成催化剂的毒物，COCO2含量大于10106就会使合成氨催化剂中毒，所以在进入氨合成塔之前必须彻底清除1。目前，在合成氨
3、工业中脱除净化原料气中CO 的方法主要有化学法和物理法两类，化学法最常用的是甲烷化法和铜氨液吸收法，物理法最常用的是液氮洗涤法2。液氮洗涤法是在低温下，以液氮为吸收剂，将原料气中与氮沸点接近的组分CO 、Ar 、Aspen Plus 流程模拟软件，采用RKAspen热力学模型，对该厂的液氮洗工艺装置进行模拟分析，在此基础上通过改变进液氮洗原料气后组分中N 2、CO 含量设计多组工况，并对这些工况进行模拟，探讨原料气中N 2含量的高限值，然后对模拟结果做出评价。2工艺流程介绍从低温甲醇洗工序来的原料气首先进入分子筛吸附器的一组，将CO 2、CH 3OH 、H 2O 等杂质除去后，进入铝合金板翅式
4、换热器E2，与液氮洗涤塔顶部来的净化气、塔底液以及闪蒸气回收氢逆流换热，冷却到一定温度后进入铝合金板翅式换热器E3继续冷却，换热后的气体进入液氮洗涤塔底部。在液氮洗涤塔中原料气用液氮洗涤，气体中CO 、CH 4、Ar 等杂质被液氮溶解后得到精制气，从液氮洗涤塔顶出来经E3换热后，用比例调节方式对其进行粗配氮，然后进入E2回收冷量。换热到一定温度后分为两路，一路去甲醇洗工序回收冷量，然后返回液氮洗系统；另一路则经氮气冷却器（E1）换热后，与从甲醇洗工序回来的另一路汇合，一起收稿日期：20120202；收到修改稿日期：20120416。作者简介：高峰，男，1982年9月出生，助理工程师，硕士学位，
5、2010年毕业于大连理工大学化学工艺专业。现在航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司从事煤化工工程设计工作。联系电话：09312662129；Email：gao9014163com。CH 4吸收，以液态排出体外回收冷量后离开系统3。与甲烷化法和铜氨液吸收法相比，由于在低温甲醇洗脱除酸性气体组分后再采用液氮洗涤法脱除CO 、Ar 和CH 4等杂质，具有冷量利用合理，流程简化等良好的节能优点。所以目前低温甲醇洗工艺配液氮洗净化工艺在国内外被广泛采用4，5。但是，研究发现，进液氮洗原料气组分中N 2、CO 含量增加到一定程度，液氮洗工艺流程的优势将逐渐减弱，2012年第35卷送往氨合成压缩机，加压后
6、去氨合成工序。从空分来的压力（绝压）为3900kPa ，温度为入分离罐V1进行气液分离。分离后的气相经E3、E2、E1回收冷量，然后至甲醇洗工序循环气压缩机回收氢。分离后的液相则减压至420kPa ，与补充液氮混合后进入分离罐V2，分离后的气相、液相经E3回收冷量后混合，然后再经E2和E1回收冷量后，进入燃料气系统。液氮洗净化系统工艺流程如图1所示。40的中压氮气经E1与E2冷却后分成两路，一路经减压膨胀后对精制气进行粗配氮并补充冷量，另一路进入E3冷却成液氮进入液氮洗涤塔作洗涤液用。液氮洗涤塔塔底液减压至绝压1150kPa ，进图1液氮洗净化系统工艺流程3对原流程的模拟采用Aspen Plu
7、s 流程模拟软件，采用RK表1流股号参数温度压力MPaAspen 热力学模型对上述流程进行模拟，几个主要流股模拟结果与原设计结果对比见表1。净化气、回收氢、燃料系统流股参数及组成流量（m 3h 1）摩尔分率，%H 291.498283.988285.29622.30983.158075.000075.0022N 27.409114.631513.561686.866186.146024.999224.9972CO 1.03961.34761.117510.294210.17320.00000.0000Ar 0.03350.00730.00130.33440.33040.00060.0006CH
8、 40.01960.02530.02340.19480.19250.00000.00001原料气设计值模拟值2循环氢3燃料气4合成气设计值模拟值设计值模拟值设计值模拟值-53.5038.0037.03常温2.831.151.150.300.302.582.58187500697.9688.218843.919084.4227383.7227152.937.03常温31.53拟软件，采用RKAspen热力学模型方法对多组相应工况进行研究6。图2表示的是液氮洗涤塔各塔板上的实际焓值与理想状态下焓值的对比曲线，可以看出，18块板的实际焓值曲线与理想状态下焓值曲线几乎重合，913块板的差距逐渐变大，第
9、14块板的焓图2液氮洗涤塔焓值分布对比曲线值又与理想状态下的焓值重合。图3表示的是液氮洗涤塔各塔板的水力学参数曲线，图2与图3对比发现，图2的实际焓值曲线与图3的水力学参数曲线趋势相同，从而也相互验证了模拟结果对比结果显示，模拟值与原设计值很接近，在允许的误差范围之内，从而验证了所选物性方法的合理性和可靠性，可以运用Aspen Plus 流程模第3期的统一性、合理性。要的是等温节流膨胀，这也说明了液氮流股进入液氮洗涤塔之前节流膨胀后温度基本保持不变的原因。由图5可见，随着原料气中含氮量的升高，液氮洗涤塔的温度会逐渐升高，一定氮含量下，塔顶与塔底温度基本相同。由图6可见，随着原料气中CO 含量的
10、升高，液氮洗涤塔的温度也会逐渐升高，一定氮含量下，塔顶与塔底温度稍有差别，根图3液氮洗涤塔水力学参数分布曲线据文献7表述，在液氮洗涤塔中，由于CO 冷凝热与N 2蒸发热基本相同，所以洗涤过程可视为在恒温恒压下进行。4节流膨胀及液氮洗涤塔的模拟分析在整个低温液氮洗流程中，核心设备是液氮洗涤塔，其运行情况直接影响出口净化气中CO 的含量，最主要的参数是温度。原料气中N 2、CO 含量直接影响液氮洗涤塔的温度，当N 2、CO 含量过高时直接影响液氮洗冷箱系统中的冷量回收，甚至导致整个液氮洗工艺系统不能正常运行，须补入更多的液氮以保持冷量平衡。节流膨胀TS曲线以及液氮洗涤塔的温度、原料气含氮量、CO
11、含量关系曲线分别见图4、图5、图6。5原料气中N 2含量对液氮洗系统的影响众所周知，气化工艺中的输煤气是CO 2或N 2。当采用氮气输煤时，进液氮洗系统原料气中的N 2含量会较高。从图5可见，N 2含量升高会导致液氮洗涤塔温度升高，所以，原料气中N 2含量达到一定程度，合成氨工艺流程中，液氮洗流程将不再有优势，甚至不能再使用。为此，设置了四种工况，具体分析N 2含量的高临界值。表2为四种工况结果显示，随着原料气中N 2图4节流膨胀T S 图含量的升高，液氮洗涤塔塔顶、塔底的温度逐渐升高，出E3的热流股7和8温度均为189。工况一为原设计工况，E3冷流股5与热流股7和8的温差为23807。工况二
12、至工况四为模拟工况。工况二下，E3冷流股5与热流股7、8的温差为22657；工况三下，E3冷流股5与热流股7和8的温差为16966；工况四下，E3冷流股5与热流股7和8的温差为11408。液氮洗工艺冷箱中的关键设备是氮洗塔和板图5液氮洗涤塔的温度、原料气含氮量曲线翅式换热器。板翅式换热器传热系数一般为管壳式换热器的3倍，而且即使在小温差（152）下，热（冷）量回收效果还是较好，能满足液氮洗流程的实际工况要求。温差再小的话，单纯理论计算热（冷）量回收率还是可以满足要求，但考虑到液氮洗装置操作运行时的实际工况，温差过小将会导由图4可见，压力从P 1降至P 2，有绝热节流和等温节流两个过程可以选择。
13、绝热节流过程温度降低，熵值增大，焓值不变；等温节流过程温度不变，熵值增大，焓值增大。液氮洗系统中要求通过节流膨胀补入更多的冷量，所以液氮洗系统中需1842012年第35卷致E3必须做的很大才能满足要求，不符合实际情况。所以理论联系实际，15左右可以作为板翅式换热器在液氮洗流程中温差的低限条件。但也不是说温差越大就越好，板翅式换热器还有些自身限制特点，即：温度变化的速率一般不能超过25表2工况流股温度/流量（kmol h 1）原料气摩尔分率，%一h ，而且任何一个换热器单元任何端部，任何两个物流间的最大温差都不得超过50，否则，板翅式换热器经受的热应力过大时会损坏。原料气中N 2含量多少不是造成较大温差的主要原因，所以这里不再模拟讨论。原料气中N 2含量对液氮洗涤塔温度影响二三四5-191.38078501.4966-191.2832845.57165-191.26578489.9236-191.2413857.14505-190.69668445.3866-190.6228901.68165-190.14088400.9486-190.0215946.1205H 2N 2CO Ar CH 4注：压力为272MPa 。91.49827.40911.03960.03350.019690.90738.00001.0396
