中间换热式氨合成塔的优化设计及操作.pdf

1 1 9 No 5 l9 9 3-1 0 华求证工学院学报 J o ur n s l 0 f Ea s t Chi n s l ns：i t u t e of Ch e m i c sl Te c h no l og y ，一 用 张 错 朱 子 形 拍 ”一忻 提要：对 中问换 热式 氨合成塔触媒层建立 了一维非均相数学模型，利 用詈 话 催化 荆动 力学方程对该塔进行 了优化设计厦优化 操作的模拟 计算，得 出了最 龃 鋈 蒜 毓 裁 ，氩，关 毽 词：氢 夸 成 塔；优 化 设 计 优 化 操 作 彳 姿 、l 中 国 分 类 粤 2 31 2I 一 一 r 在台成氯生产工艺中，合成塔是整个生产系统的关键设备。中阀按热式氨合成塔在合成 氨生产工 艺中越来越被人们重_视I“。该塔气体 一般径 向流动，采用高 活性的小颗粒(粒度为 1 4 2 8 mm)催化剂，使合 成系 统压力大幅降低，氨净值提高。有关氨合成塔的模拟与优化，前人 已经 作了大量 的工 作”，然而针对 中间换热 式低压 氨合成塔的优化问题，迄令来见报 道。本文对 中问换热式氨合成塔进行了优化设计及优化操 5 作的模拟计算，以便掌握生产规律，提高生产 强度。l 模型建立 1 1 中间换热式氨合成塔流程描述 中问换热式氨台成塔结构如图I 所示。垒塔 由三段触媒及 L 下换热器构成。合成气从塔底 主进气管进 入，沿塔 体外环隙 向上 流动。然后 经中心管进 入下 换热 器的管程，被第二床层 出 口气体加 热后进 八上 部换热器的管程，进 一步 被第一床层出 口气 体加 热达 到反应 温度，进八 第一床 层反应。气体在床层内径向流动，反 后经 上部换热 器的壳程 冷却，进 入第二床层，从 第二床层出 来的气 体经过下 部换热器冷却进 八第三床层，最终反应气从底 部出 口管 精 芒 出塔 外。1 2 一维 数学模 型 不 考虑 外扩 散过程 对 宏观 反应 速 率的影 响，假定床层内径向流体分布均匀，流动中无 3 2 圈 l 中问装热 式氨台 墟塔 I-出气 管；0 一第 三床 层：3-第二席 层：4 一第 一床 屠；5-上 巍热器 降剐线：6-下接 热器 I 争l l 拽：7 一 中心 管：$-上接 热器：9 一下 巍热器；1 0 一 塔体外壳：1 l _ 一 主 进气 臂 维普资讯 http:/ 沟流、无短路，不存在轴 向与斜向的流动与扩 散 在 半径为 r处，。联厚 度 为 静 的环枉状微 元体分别 进行物料及热量衡 算司 得 dr=22 4警 (蜒 d r,)(1)N T 0、，苦 一 岳 -式(1)、(2)是一 阶常微 分方程 组，可用 龙格一 库塔 法求解，武中各项 a j 由 如 下 方法确 定：(1)速率表达 式：由捷 姆金方程 1 可得。c 1+Y S n 3，【一 等】其 中，I n K=一2 6 9 1 1 l n T+4 6 0 8 8 5 4 3 r一1 2 7 o 9 1 r +4 2 5 7 1 1 0 T 2+6 1 9 3 7 各组分的逸度 与温度 压 力、组成有关，计算方法详见 文献(5)。(2)本 征反应速 率常 数 及氯合成 反应热(一 日t)“：一 t T,e x p(一 古)一日 t=38 3 389+(0 2 3 7 3+3 5 6 6 1 7 +1 5 9 0 3 1 0。T P +2 2 3 8 6 4 T 1 0 5 7 2x1 0 T2 7 0 8 2 8 1 D 一 6 T (5)(3)催化剂颗粒的内表面利用率 f：可由文献(7)求得。(4)催化 j f 4 的活性校正系 数 C O R和频率 因子 k ：CO R 与偿化剂 的还原、使用时 间及 r 毒 情况有关，而。则 定于反应 物系 的本质，为一常数。从 式(1)、(3)、(4)可 知，CO R 与。是 以乘积的形式出现，所以可将 C O R k T。作为一个因子，由生产数据 反算而得。依据工厂实际工祝结果(表 1)，压力为 1 0 5 MP a，进塔气量为 5 4 3 5 4 1 m h，产量为 1 0 5 5 5 t d，进塔器组成 Y N 嘞 为 0 O 4；y H：为 0 6 0 9 ，-N 为 0 2 7 9；Y e l1 为 0 0 5 8，y 为 0 0 1 4。取 含钴 催化荆活化能 皇为 1 4 0 2 41 0 5 k J k mo l，对各床层 催化剂 进行反 算，求得 三 段 CO R k 0 的平均值分别为 9 8 7 31 0 P a h、9 5 1 51 0 P h和 8 7 9 8】0 P a*h。2 优 化 设 计 2 1 目标 函散及奠鹪法 三段 中间换 热式合成 塔，目标 函数为 3 】R T=_ I：u f f 口 I i(6)I一 1 I l 由于 各段反砬 气体标准状 况下初始体 积 u。都相 等，故催化剂 总用量 ”是 各段 始柬 温度 及进出 口浓度 的多元 函数。对每一段绝 热催化床，有 进出 口浓度 及 进 出 口 温度 四个 变 量，但每 一床层 服从 热量衡算。出一Tf 进：a(y N H i 出一 H H 3 i 进)(T)加 上多段 中间热换式台成塔的操作特 征，即上一段 出口氯浓度与 下一段 进 口 氯裱 度相 等，同时考虑到 台成塔进 出 口浓度 为定 值，所以独立 变量数为 4，；一，；一(玮一1)一2=积 一l。维普资讯 http:/ 对三段巾闸换 热式台成 塔印为 5个，为了简 化 起 见，分 月 取 一、二、三段 的进 口 温度 及 一、二 段床 层 长度 为独 立 变 量，采 用 n 斐 多 l i 体 法”直 接搜索 日标 函数的最小血。在 计算过程 中，限制床层 各点温度 均低予 催化剂 的耐热 度，计算过程 如图 2所示。2 2 计算结果 厦讨论 设计产嘬 为 1 0 5 5 5 t d，压力和流量分别 为 1 O 5 MP a,5 4 3 5 4 1 m h，进塔气 组成和实 际工况相同。待优化参数为 一、二、三段 的进 口温度 及一、二段床层 长度。计 算结 果和实 际 操作工 况如表 1所示。从表 l可知，宴际 工 况 催化剂 总用 量为 8 9 9 m，而 优化 设计结果为 8 8 1 9 m3，节约催 化剂甩量 1 7 1 。各段催化剂甩量的分配与 实 际工 况也有差别。对本优化设计而言，第一$3 S 囤 2 优化设 计计算框 图 段 催化剂利用量 占 总用 量的 t 9 5 ，和 实际工 况十分 接近；第二段催化剂 用量 占总用量的 3 6 6 5 ，较实 际工 况多 3 7 5 第三段催化剂 用 量占 总用 量的 4 3 8 5 ，较实际工 况少 4 0 5 。这样，优 化设计将较多的催化剂 集于 第二段，由于 第二段氨浓度 较低，能维持较高 的反应速 率，从而 使总的催化剂用量减少。再看温度分布，优化 设计方案，各段进出 口温度 低，出 口平衡温距 高，离平衡较远，反应速率 侠；而实 际工 况，各段进出 口温度 较高，出 口 平衡温距低，离平衡较近，反应速率慢。显 然，本优化 设计 催f 用量分配致 温度分 布更加 台 理。表 1 优化设计结果和工厂实 际工 况 注：()为 工厂实 际工况 3 中间换 热式合成塔的优化操作探 讨 3 1 目标函数及其解 法 操作最优化问题是 各床层 尺寸 已定的情况下，寻 求使产量达到 最大 的操 作条件，所以待 优化的 目标 函数是床层 的产 量。由于各床层的 氏度巳定，故独立变量效应为 聃 一1 一(一1)=，对三段中间换热式即 维普资讯 http:/ 53 B 为3，分 取各段进 口温度为独立变量，同样 采用可变 多面体直 接搜索寻 优，在搜索过程巾 限制 各点 温度 均低 于催化剂 的耐热温度，计算 框 图如 圈 3所示。3 2 计算结果及讨论 压力，流量及进塔气 组成和工厂 实际工 况 一致，三 段催化剂 用量 已知，分别为1 7 2 6 m，2 9 5 8 m，4 3 0 6 。三段进 口温度为待 优化 参数，优化操作计算结果如表 2所示。从 表 2可 看出，在合成塔同样的结构条 件 下，采用 优化操 作，调整 各段 温度，可 以提 高生产 强度，使产 量 从 每 天 1 0 5 5 5t 提高到 厨 3 优化摊f#计算枉田 1 0 6 2 6 t。建 议工厂适当降低 各段进 出口温度，以提高 氨净值。表 2 优化操 作计 算结 果和工厂 实际工 况 注：，为工厂实 际工况 比较表 1、表 2三 种工 况的生产 强度，催化剂 利用效率显然是 优化 设计工 况最好，优化 操作居中，现有实 际工 况最差。4 负荷及 H。N。值对 最大生产 强度 的影 响 4 1 负荷的影 响 负荷随压力的改变而 改变。对透平循环机而言，流量与压力成线性关系。在 进塔 组成 不 变的条件下，在不 同的压 力及对应 的流量下 对合成塔进行优化操作计算，可得到相应的温 度、浓度分布及最大生产 强度，如表 s、图 4所示。由此可见，压力对生产 强度的影 响十分 敏 感。压 力 增加，产 量增 加；但 压 力 升 高也 影 响 氨功 耗的 大 小，所 以操 作 压 力不 宜 太高。4 2 Hj N2 的影 响 在进塔氨 含量不变的情 况下，图 5给出了不同负荷 下氢 氮比对 生产 强度 的影 响结 果。最 适宜氢氮比基本上不随负荷的改变而改变，均保持在 2 2 左右，在低负荷下，氢氮比对生产 强度的影响不十分显著。所以合成塔的操作应尽可能保证在最适宜 氢氮比下进行，低负荷 时，氧氮 比可以进一步降低，对生产 节能有利。维普资讯 http:/ 表 3 不 同负荷下床层 温度 及氨浓度 分柏 5 3 g O E O 5 0 P MP 田 压力对 鼍大生产 强度的 髟响 E I 2 O?1 0 o 。8 0 圈 5不同 负荷下 H 2 N 2对生产 强度的 掌响 符号说明 _|一 C0 一值化 搁活性 柱正 系 数 CP 一气悻 混合物 恒压 热容，J t ri o I 一活化 能J t mo l ，i f 组 丹逸 度(f=NH，H2 N2)P a G一生产 强度，k g m h 一H t 一氨合 成反 应热，J rea l ，一循 女 K t 一吐矗 度 表示的平铺常 载，P t T一反 逮卓常 数 pa o S h T0 一顿卓 日子，Pa o Vh L一床 县长度，m 一*，T 0 一葺丹解基撼啻向摩尔谎t，mo l h P 一。Pe P 0D一产 t，t t d r一床 ，m l 一气体常 皴，B a 1 4 J tool K r一温崖，K i 殷进 口温度。K 一气 悻靠 量，m Vh I T 一催化荆茸甩t，m ”RI 第 f段僵化 赫甩 量(1=1，2，3)，m I n 标准艟祝下韧蚺组成最合 气体 体积流t，m h N H 3 氮赦 度 一催亿 村表 面耳 簟 甫辜 A一垄 邑热置升，K f 0 j 第 i 殷 标准接量 时间，h 参 考 文 献 1孙茂起 等 大氮肥，1 9 9 0，7 5(6)：1 2 1 5 ：S a i d SEl n a s h a i 0 e t a j J n d E n g Ch e m R e 5 9 8 8，2 7：2 0 1 5 2 0 2 2 维普资讯 http:/ 华束化工学院芈撬 J O n f n l 0 t Ea s t Cb l o l I ns t i t u t e o f Ch e mi c a l te=bn o l o ty Vo I 1 9 No 5 19 9 3-1 0 M affs a on B e t aI I n d Eng Che m Pr oce&Des De v19 8625：5 965 Dys on D C and Si m on 2 M T nd Eng Che m Funda 馐 1 9 68，7：60 5 朱 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g t o n i t r o g e o n m x i mi f m p r o d u c l i o a s t t e ng t h we r e a n a l y z e d 、Ke y wo r d s：a mmo n i a c o n v e r t e r；o p t i mu m d e s i g n；o p mu m o p e r a tio n Re c e i ve d d s t e 1 9 9 2-0 g-1 5 液膜法提取硝酸水溶液中 A g 的工艺过程，1 1 张 平 路琼华 孛盘生 、鲁 7 一(化 丁 0 A提 要；液 膜 的 组 成 为：2 石 油 硫 醚 一 4 墨 多 丁=酰 亚 胺 一 9 4 煤 1油，内 相 试 剂为：i 2 m o l L的氨水溶液。较寿适宜的操作 条件为：乳水出寿 l3 内油 比寿0 8：1；外相硝酸浓度寿0 5 ,-t mo l L 常温操作。当料液中l的壤离子浓 度 小于 8 0 0 p p m 时，一 次提取率 可达 9 7 笳以上。本工艺具有分 离速 度快，效率 高、选择性好等优 最。葶 壁 ：喽；段 煞；石油 硫醚；提 取 中 图 分 类 号：TQ0 2 8 、目 q 酸 工 业上 含银废液 往往都是 硝酸溶液。从 中回 收银 的方 法有多种，但甩液膜法 回收硝酸水 溶液中的银离予，目前 同内外文献 巾还未见报导。液膜 法提取溶液中银离予 的原 理与苹取法 相似，但它具有萃 取剂(载体)用量少，萃取和反革可 同时进 行，并且不受萃取平衡的限制 维普资讯 http:/