液氮洗工序补充冷量的液氮流量选取液氮洗工序补充冷量的液氮流量选取
陈环琴，吴小飞
（杭州中泰深冷技术股份有限公司，浙江 杭州311402）
［摘 要］对合成氨装置配套的液氮洗净化工序进行了理论数据模拟分析，具体计算了300 kt/a和 700 kt/a 2种规模合成氨装置液氮洗工序不同补冷液氮流量的运行成本和换热器一次投资成本，提出选取补冷液氮流量的建议。
［关键词］ 液氮洗；流程理论模拟；补充冷量的液氮；流量选取；换热器；一次投资
［中图分类号］ TQ 113.26+4.3 ［文献标志码］ B ［文章编号］ 1004-9932（2015）
1 液氮洗工序概述
液氮洗是合成氨装置合成气净化的方法之一，因其高效、净化度高、节能环保等优点，近年来新上或改造合成氨装置大都采用该净化方法。液氮洗工序用于对上游低温甲醇洗工序来的净化气进一步净化，即脱除其中少量或微量的CO、CH4、Ar等杂质，并最终配制成氢氮比为 3∶1的纯净合成气作为下游合成氨生产的原料气。
液氮洗为物理吸收过程，原料气中含有的CO、CH4、Ar等杂质在低温下被吸收到溶剂液氮中。液氮洗工序不仅是要脱除净化气中的“非氢组分”，并且还要为氨合成工序配制适宜的H2、N2化学配比，故在液氮洗涤后，还须再经粗配氮和精配氮把N2配入净化后的原料气中。
2 液氮洗工艺原理介绍
液氮洗工艺流程见图1。
图1液氮洗工艺流程简图
低温甲醇洗来的净化气，经分子筛吸附器处理后，进入冷箱中的第一、二原料气体冷却器，在此被返流的冷物流冷却，然后进入氮洗塔下部，其中所含CO、CH4、Ar等在氮洗塔中被顶部来的液氮（吸收）脱除，净化后含有少量N2的氮洗气自塔顶离开，经过复热及配氮，达到氢氮比3∶1后，再经过复热，其中一部分引出至低温甲醇洗工序，送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预冷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，再经精配氮得到适宜的氢氮比后作为产品气送入氨合成工序。
中压氮气来自界区外的空分装置，经高压氮气预冷器和第一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，基本达到氢氮比3∶1；其余部分继续在第二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，将原料气体中的CO、CH4、Ar等杂质吸收脱除。
液氮洗工序在低温状态下运行，存在冷箱的保冷损失以及换热器的温差不可逆损失等，因此必须给系统补充冷量。在通常情况下，所需的冷量由中压氮气的节流膨胀（焦尔-汤姆逊效应，简称J-T效应）和液氮蒸发来提供。
本文主要讨论当原料气压力低时，由于中压氮气注入氮洗气中所产生的J-T效应不足以抵偿系统的保冷损失和热交换的温差损失，还需要在装置中补充液氮来提供冷量，即在换热器中需要设置“专门的液氮通道”，靠液氮的蒸发向装置提供所需的冷量（液氮物料在冷箱中换热器内的流路见图1中的液氮进出冷箱口）。
如上述流程所示，液氮洗工序的核心设备是由氮洗塔和3组换热器组成的冷箱（也有少数装置将板翅式换热器进行了合并，这里仅模拟分析设置3组换热器的情况）。由于板翅式换热器有传热效率高、结构紧凑、轻巧而牢固、适应性强、经济性好及能实现温差小等优点，现液氮洗流程中大都选用板翅式换热器作为传热设备。
3 液氮洗工序液氮补充量的选取分析
针对液氮洗工序冷量补充的特点，从能耗的角度考虑，液氮补充量越小越好，但冷量补充得越少，换热器的温差就越小，换热器的设计、制造及运行精准度就要求越高。如何在满足换热器温差和设计要求的情况下，合理设计所需液氮量是液氮洗工艺参数选取的重要步骤。
根据装置的具体情况，在流程设计和换热器设计计算时，应考虑尽可能减少补冷液氮的使用量，以降低装置运行时的能耗。
下面分别从2套不同规模装置的工艺流程模拟计算结果，分析补冷液氮流量不同时换热器的区别。补冷液氮流量不同，装置中其他参数有微小的差别，如回甲醇洗的合成气流量，本文暂不考虑，仅考虑补冷液氮流量和换热器参数的变化。
针对进装置的原料气的组分、压力等特点，应用化学工程模拟软件来建立模型，选用合适的状态方程，计算整体物料及能量平衡，然后根据流程模拟的每台换热器的物性、热负荷、温差等参数，采用板翅式换热器通用软件MUSE及开发的软件对换热器的传热性能进行模拟校核计算，计算结果见表1和表2。
更多内容请见《中氮肥》2015年第5期