ВОДОАММИАЧНАЯ СИСТЕМА АБСОРБЦИОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
AMMONIA-WATER ABSORPTION COOLING SYSTEM

Область техники
Изобретение относится к водоаммиачной системе абсорбционного охлаждения и способу ее модернизации. Предпочтительной областью применения системы абсорбционного охлаждения является охлаждение технологического газа в установке синтеза аммиака.
Уровень техники
Водоаммиачная система абсорбционного охлаждения в общем включает:
аммиачный испаритель, в котором испаряется по существу чистый жидкий аммиак;
абсорбер, в котором пары аммиака из испарителя поглощаются обедненным раствором аммиака и воды (водоаммиачный раствор) с получением обогащенного раствора с передачей некоторого количества тепла охлаждающей среде;
десорбер, в котором из обогащенного раствора извлекается газообразный аммиак, а упомянутый выше обедненный раствор отделяется для дальнейшего использования в абсорбере;
конденсатор, в котором газообразный аммиак, отведенный из десорбера, конденсируется для получения жидкого аммиака, который снова направляется в испаритель.
Испарение аммиака в испарителе создает требуемый охлаждающий эффект, например, извлечением теплоты из другого потока.
Движущей силой данного технологического процесса является теплота, подводимая в десорбер для отделения паров хладагента от обогащенного раствора. В сравнении с обычной парокомпрессионной холодильной системой (VCRS - от англ. vapor compression refrigeration system), в абсорбционной холодильной системе используется низкопотенциальное тепло вместо электрической энергии в качестве источника энергии для получения охлаждающего эффекта.
Описанная система также известна как водоаммиачная холодильная установка (AARP - англ. aqua ammonia refrigeration plant).
Испаритель и абсорбер работают при первом давлении; десорбер и устройство воздушного охлаждения работают при втором давлении, причем второе давление выше первого. Обычно первое давление находится в интервале от разрежения до 5 бар.
Термины обедненный раствор и обогащенный раствор относятся к содержанию аммиака в водном растворе, т.е., в обедненном растворе аммиака содержится меньше, чем в обогащенном растворе.
Системы абсорбционного охлаждения используются, среди прочего, для охлаждения технологического газа в установках получения аммиака. Соответственно, технологический газ передает тепло в аммиачный испаритель. Например, аммиачным испарителем является непрямой теплообменник, в котором технологический газ подвергается охлаждению с одной стороны, а испаряющийся аммиак находится с другой стороны.
2
2
Установка получения аммиака в основном содержит головную секцию для вырабатывания подпиточного синтез-газа, содержащего Н и N, из углеводородного сырья, секцию сжатия для повышения давления подпиточного газа до давления синтеза, и контур синтеза для каталитической конверсии подпиточного газа в газообразный продукт, преимущественно состоящий из аммиака.
Указанные подпиточный газ и газообразный продукт получаются при повышенных температурах, и теплосодержание (энтальпия) обычно рекуперируется в ряде последовательно установленных теплообменников, включая, например, котлы-утилизаторы и/или нагреватели питательной воды для котлов (BFW, сокр. от англ. boiler feed water). Обычно системы абсорбционного охлаждения используются для охлаждения газообразного продукта ниже по потоку от водяного охладителя или газо-газового теплообменника, для конденсации и отделения аммиака от указанного газообразного продукта.
Существует потребность модернизации существующих установок получения аммиака, направленной на повышение их текущей или потенциальной производительности, и/или снижения потребления энергии или иных ценных ресурсов.
В водоаммиачной системе охлаждения, абсорбер отдает тепло и, поэтому, требует охлаждающей среды. Этой охлаждающей средой в большинстве случаев (в частности, в аммиачном производстве) является пресная охлаждающая вода. Однако количество охлаждающей воды может быть ограничено, и ее использование в качестве охлаждающей среды может потребовать больших затрат. Поэтому, при планировании модернизации установки синтеза аммиака также целесообразно усовершенствовать водоаммиачную систему охлаждения.
Водяное абсорбционное охлаждение раскрыто, например, в WO 2012/042496.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является устранение описанных выше недостатков существующей технологии. Изобретение направлено на повышение эффективности водоаммиачной системы охлаждения. В частности, изобретение направлено на снижение потребления охлаждающей воды для охлаждения абсорбера. Изобретение также направлено на способ модернизации водоаммиачной системы охлаждения, в частности, когда эта система охлаждения является частью установки получения аммиака и используется для охлаждения по меньшей мере одного технологического газа синтеза аммиака.
Эти задачи решаются способом в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения. Изобретение видоизменяет стадию абсорбции, вводя предварительную стадию, осуществляемую в испарительном конденсаторе. Стадия абсорбции включает: смешивание газообразного аммиака из стадии испарения и обедненного раствора аммиака с получением двухфазной смеси; по меньшей мере частичная конденсация этой двухфазной смеси в по меньшей мере одном испарительном конденсаторе; подачу полученной таким образом и по меньшей мере частично сконденсированной смеси в абсорбер, где любой оставшийся газообразный аммиак может быть поглощен в обедненном растворе.
Другой особенностью изобретения является водоаммиачная система охлаждения в соответствии с формулой изобретения.
Еще одной особенностью изобретения является способ модернизации (переоборудования) водоаммиачной системы охлаждения в соответствии с формулой изобретения.
Некоторые предпочтительные варианты осуществления представлены приложенными зависимыми пунктами формулы.
Газообразный аммиак и обедненный раствор, согласно разным вариантам осуществления, могут смешиваться перед поступлением в испарительный конденсатор, либо могут смешиваться непосредственно в испарительном конденсаторе.
Испарительный конденсатор обеспечивает передачу тепла от смеси газообразного аммиака и обедненного раствора к испаряющейся среде, роль которой обычно играет вода, косвенным путем (т.е., без прямого контакта) в замкнутом контуре. Эта вода, в свою очередь, передает тепло окружающему воздуху посредством прямого контакта.
Предпочтительно, упомянутая двухфазная смесь газообразного аммиака и обедненного раствора входит внутрь по меньшей мере одной секции теплообмена испарительного конденсатора; охлаждающая вода распыляется по наружной поверхности этой секции теплообмена; внутри испарительного конденсатора циркулирует окружающий воздух, имеющий прямой контакт с распыленной охлаждающей водой. За счет тепломассообмена с окружающим воздухом происходит охлаждение воды, которую можно многократно пропускать через замкнутый контур. Соответственно, можно сказать, что фактическим теплоотводом испарительного конденсатора является окружающий воздух, и достижимый охлаждающий эффект зависит от температуры и влажности этого окружающего воздуха.
Внутри секции теплообмена проходит упомянутая смесь, а на ее внешнюю поверхность воздействуют испаряющаяся охлаждающая вода и воздух. Этой секцией теплообмена может быть, например конденсаторная трубка, более предпочтительно, змеевик. Для улучшения теплообмена эта секция теплообмена может иметь ребра. Вода распыляется на поверхность секции теплообмена, вызывая испарение по меньшей мере части распыляемой воды и отведение тепла. Предпочтительно распыляемая вода и поток воздуха поступают в противотоке, причем вода движется вниз, а поток воздуха поднимается вверх. На дне испарительного конденсатора воду можно собирать.
Испарительный конденсатор обеспечивает по меньшей мере частичную конденсацию двухфазной смеси аммиачного газа и обедненного раствора, уменьшая количество тепла для удаления в абсорбере, например, передачей к охлаждающей воде абсорбера. Соответственно, тем самым снижается количество охлаждающей воды, требующейся для работы абсорбера.
В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере один испарительный конденсатор обеспечивает частичную конденсацию смеси. Первая часть газообразного аммиака, содержащегося в этой двухфазной смеси, конденсируется в упомянутом по меньшей мере одном испарительном конденсаторе, а вторая часть газообразного аммиака конденсируется в абсорбере. Предпочтительно, первая часть и вторая часть составляют или в основном составляют общее количество (например, по меньшей мере 99%) газообразного аммиака, исходно содержащегося в смеси.
В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере один испарительный конденсатор обеспечивает полную конденсацию смеси. Термин полная конденсация означает, что газообразный аммиак подвергся полной конденсации, за исключением остаточного количества несконденсированного аммиака из-за наличия равновесия жидкость-пар в конденсаторе и присутствия неконденсируемой фракции. В варианте осуществления с полной конденсацией, предпочтительно конденсируется по меньшей мере 99% газообразного аммиака.
Таким образом, может быть создан по меньшей мере один испарительный конденсатор для обеспечения полной конденсации при нормальной работе; расположенный далее в технологическом процессе абсорбер может обеспечивать переохлаждение отходящего потока конденсата и может предотвращать возможность того, что некоторое количество газообразного аммиака останется в отходящем потоке испарительного конденсатора, например из-за условий работы, не совсем подходящих для конденсации аммиака.
В результате смешивания газообразного аммиака из испарителя аммиака и обедненного раствора аммиака получается двухфазная смесь, имеющая, предпочтительно, паровую фракцию от 5% до 20%. Паровая фракция состоит, преимущественно, из газообразного аммиака.
Заявитель установил, что эта смесь имеет относительно высокую температуру, примерно 50°С, например, в интервале от 45 до 65°С. Настоящее изобретение основано на утверждении, что эта смесь может быть охлаждена и частично сконденсирована в испарительном конденсаторе благодаря ее относительно высокой температуре по сравнению с температурой окружающей среды.
Например, в предпочтительном варианте осуществления, испарительный конденсатор может быть приспособлен для охлаждения смеси паров аммиака и обедненного раствора до температуры от 30 до 40°С.
В предпочтительном варианте осуществления, в испарительном конденсаторе паровая фракция этой двухфазной смеси сокращается на по меньшей мере 30%, предпочтительно, на по меньшей мере 50%. Соответственно, смесь на входе испарительного конденсатора имеет первую паровую фракцию, а смесь, отходящая после испарительного конденсатора, имеет вторую паровую фракцию, составляющую от 0,5 до 0,7 от первой паровой фракции.
Питательный поток испарительного конденсатора может содержать полное количество газообразного аммиака из испарительного конденсатора и обедненного раствора из десорбера, или только часть их. Предпочтительно, используется полное количество газообразного аммиака.
В некоторых вариантах осуществления, обедненный раствор разделяется между испарительным конденсатором и абсорбером. В частности, первая часть обедненного раствора смешивается с газообразным аммиаком с получением питательного потока испарительного конденсатора, а вторая часть обедненного раствора смешивается с отходящим потоком испарительного конденсатора. Первая часть обедненного раствора, которая составляет предпочтительно от 20% до 100%, вторая часть обедненного раствора образует оставшуюся разницу до 100%.
Разделение обедненного раствора может быть выгодным в некоторых вариантах осуществления, позволяя снизить капитальные расходы на испарительный конденсатор.
В соответствии с вышеизложенным, часть процесса абсорбции также происходит в испарительном конденсаторе, где газообразный аммиак конденсируется в жидкую фазу и переходит в водный раствор, тем самым, обогащая его.
В существующей технологии, тепло, отводимое от газообразного аммиака и обедненного раствора, полностью передается охлаждающей воде абсорбера. В настоящем изобретении, напротив, часть тепла выделяется в окружающую среду через испарительный конденсатор. Таким образом, снижается потребность в охлаждающей воде.
Еще одним преимуществом является то, что способность обедненного раствора поглощать газообразный аммиак зависит не только от концентрации аммиака в растворе, но также и от температуры раствора. В частности, более низкой температуре соответствует более высокая способность абсорбции аммиака. Поэтому, охлаждение раствора в испарительном конденсаторе улучшает работу расположенного ниже по потоку абсорбера, а именно, увеличивая количество аммиака, которое может быть передано в раствор.
Другим преимуществом изобретения является то, что сэкономленная охлаждающая вода, более не требующаяся абсорберу, может быть направлена на другие нужды. Например, в установке синтеза аммиака сэкономленная охлаждающая вода может быть использована для придания дополнительной охлаждающей способности в одной или более водоаммиачной холодильной установке (AARP), или в Li-Br абсорбционном блоке.
Преимущества изобретения будут более понятны при ознакомлении с приведенным ниже подробным описанием, относящимся к предпочтительному варианту осуществления.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 представлена упрощенная схема водоаммиачной абсорбционной холодильной установки в соответствии с уровнем техники;
на фиг. 2 представлена схема, показанная на фиг. 1, измененная в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
на фиг. 3 изображен другой вариант осуществления изобретения;
на фиг. 4 изображен другой вариант осуществления изобретения.
Подробное описание осуществления изобретения
На фиг. 1 показана водоаммиачная абсорбционная холодильная система, включающая: аммиачный испаритель 1, абсорбер 2, десорбер 3 с теплообменником 4, конденсатор 5, насос 6 раствора аммиака, клапаны 7 и 8 сброса давления.
Жидкий аммиак 10 испаряется в аммиачном испарителе 1. При испарении жидкого аммиака 10 образуется газообразный аммиак (пары аммиака) 11 и происходит охлаждение потока 12, с созданием охлаждающего эффекта. Потоком 12 является, например, технологический поток из реакции синтеза аммиака.
Газообразный аммиак 11 поглощается в абсорбере 2 в обедненном водном растворе аммиака 13. Смесь газообразного аммиака и обедненного раствора отдает тепло в охлаждающую воду 14 абсорбера 2. Этим абсорбером 2 является, например, кожухотрубный аппарат, в котором охлаждающая вода циркулирует в его трубном пространстве.
Обогащенный раствор 15 аммиака отводится из абсорбера 2. Этот обогащенный раствор 15 нагнетается насосом 6 раствора аммиака в теплообменник 4 и далее в десорбер 3.
Подаваемый насосом 6 обогащенный раствор 16 высокого давления подогревается в теплообменнике 4 и попадает в десорбер 3.
Этот десорбер 3 извлекает газообразный аммиак 17 из обогащенного раствора и восстанавливает обедненный раствор аммиака 18. Для процесса десорбции требуется поступление тепла, которое создается теплоносителем 19, например, потоком низкого давления.
Десорбером 3 в предпочтительном варианте осуществления может служить ректификационная колонна, в которой газообразный аммиак выходит через верх колонны, а регенерированный обедненный раствор отводится из ее нижней части.
Обедненный водный раствор аммиака 18 подогревает поступающий обогащенный раствор в теплообменнике 4 и, после снижения давления в клапане 8 сброса давления, образует поток 13 обедненного раствора, направленный в абсорбер 2.
Газообразный аммиак 17, извлеченный из десорбера 3, конденсируется в конденсаторе 5, которым, например, является конденсатор с воздушным охлаждением. В полученном таким образом жидком аммиаке 20 высокого давления снижают давление посредством клапана 7 сброса давления с образованием потока 10 жидкого аммиака, направленного в испаритель 1.
Перед конденсацией в конденсаторе 5 может выполняться стадия охлаждения газообразного аммиака 17. Кроме того, может происходить регенерация тепла между жидким аммиаком 10 и газообразным аммиаком 11.
Следует понимать, что основная энергия из процесса поступает с теплоносителем 19, который обеспечивает теплом регенерацию обедненного раствора. С другой стороны, в процессе передается значительное количество тепла в охлаждающую воду 14 и, таким образом, требуется большое количество этой воды.
Испаритель 1 и абсорбер 2 работают при первом давлении, а десорбер 3 и конденсатор 5 работают при втором давлении, превышающем первое. Насос 6 и клапаны 7, 8 определяют уровень высокого давления и низкого давления в процессе. В обычных вариантах осуществления, низкое давление составляет в интервале от 100 до 450 кПа, а высокое давление составляет в интервале от 900 до 1400 кПа.
На фиг. 2 представлена схема, измененная в соответствии с вариантом осуществления изобретения. На фиг. 2 использованы те же цифровые обозначения, что и на фиг. 1, для соответствующих признаков, которые поэтому не требуется описывать снова.
Между испарителем 1 и абсорбером 2 устанавливается испарительный конденсатор 30. Этот испарительный конденсатор относится к низконапорной части установки, т.е., работает приблизительно при том же давлении, что и абсорбер.
Испарительный конденсатор 30 содержит змеевик 31 и распылитель 32. Вода 33 собирается с нижней части конденсатора 30 и распыляется на змеевик 31 насосом 34. Испарительный конденсатор 30 также имеет впуск для окружающего воздуха 35.
Газообразный аммиак 11 и обедненный раствор 13 смешиваются для формирования двухфазной смеси 36, которая подается в змеевик 31. Протекая по трубке 31, смесь 36 охлаждается и частично конденсируется благодаря передаче тепла воде 33, распыленной на змеевик 31, которая частично испаряется.
Распыленная вода падает вниз в противотоке и в прямом контакте с воздухом 35. В результате, некоторое количество водяного пара передается в воздух, увеличивая его влажность, а температура воды снижется. Воздух покидает конденсатор в виде воздушного потока 37, имеющего большую влажность, чем входной поток 35. Предпочтительно, выходящий поток 37 является насыщенным или близким к насыщенному.
Вода 33 заключена в замкнутом контуре, за исключением добавления 38, компенсирующего количество, передаваемое воздуху.
Охлажденная и частично сконденсированная двухфазная смесь выходит из испарительного конденсатора 30 в виде потока 39, направляемого к расположенному далее в технологической цепи абсорберу 2.
Должно быть понятно, что тепло, которое может быть отведено испарительным конденсатором 30, зависит, в конечном итоге, от температуры окружающего воздуха 35 по шарику влажного термометра. Температура шарика влажного термометра зависит от температуры и влажности в соответствии с известным соотношением.
Например, если температура окружающего воздуха 35 составляет 28°С и относительная влажность составляет 65%, температура на влажном шарике равна 22,5°С. Если принять перепад температуры на концах испарительного конденсатора равным 14°С, поступающая смесь 36 может быть охлаждена примерно до 36,5°С.Смесь 36 в большинстве случаев имеет температуру в интервале от 45 до 65°С. Это означает, что испарительный конденсатор 30 может значительно снизить температуру смеси 36 и, таким образом, может значительно сократить производительность абсорбера и количество охлаждающей воды 14, требующейся для его работы.
Например, поступающая смесь имеет паровую фракцию примерно 12%, в то время как в выходной смеси 39 паровая фракция составляет примерно от 6% до 7%.
При определенных условиях пониженной температуры воздуха, испарительный конденсатор может позволить отвести от смеси значительное количество тепла, не используя воду 33. В этом случае, распыление воды 33 может быть временно прекращено, в результате чего испарительный конденсатор будет работать как аппарат воздушного охлаждения.
2
2
Изобретение может быть применено для модернизации установки синтеза аммиака, включающей водоаммиачную холодильную установку (AARP), как это показано на фиг. 1. Потоком 12 в этом случае является технологический поток процесса синтеза аммиака. Например, потоком 12 может быть горячий подпиточный газ (содержащий N и Н) для синтеза аммиака, или аммиачный газ, получаемый в аммиачном конвертере.
Способ модернизации может включать установку испарительного конвертера 30 между аммиачным испарителем 1 и абсорбером 2, и соответствующие трубные соединения, например, как на фиг. 2.
Обедненный раствор 13 и газообразный аммиак 11 могут смешиваться в подходящем устройстве.
На фиг. 3 иллюстрируется вариант осуществления, где для смешивания обедненного раствора и газообразного аммиака, направленных в конденсатор 30, используется эжектор 40.
В частности, в показанном варианте осуществления, в эжектор 40 подается только часть 13а обедненного раствора. Оставшаяся часть 13b обедненного раствора направляется в абсорбер 2, где он распыляется в межтрубное пространство распылителем 41.
Отходящий поток 39 испарительного конденсатора 30 подается в газожидкостный сепаратор 42. Жидкая фракция 43 направляется в распылитель 41 вместе с обедненным раствором 13b, в то время как газовая фракция 44 подается в межтрубное пространство для конденсации.
Фиг. 4 иллюстрирует другой вариант осуществления, в котором используется контактная камера 50, установленная перед испарительным конденсатором 30. В контактной камере 50 газообразный аммиак 11 вводится в контакт с обедненным раствором 13а. Смесь 36, направляемая в испарительный конденсатор 30, отбирается из камеры 50. Поток газообразного аммиака 51, выходящий сверху камеры 50, направляется в межтрубное пространство абсорбера 2. Отходящий поток 39 испарительного конденсатора 30 смешивается с обедненным раствором 13b, формируя жидкий питательный поток, распыляемый в абсорбере 2 распылителем 41.
Пример
Далее приводится пример для сравнения. В Таблице 1 приведены данные для базовой схемы в соответствии с уровнем техники (фиг. 1), в то время как Таблице 2 приведены данные варианта осуществления изобретения в соответствии с фиг. 2. Сравнение показывает, что требуемое количество охлаждающей воды (поток 14) сокращено на 50%.