[發明專利]低溫液氮用二級回熱多股流纏繞管式換熱裝備

有效

• 申請號: 201310361165.7
• 申請日: 2013-08-19
• 公開（公告）號: CN103438736A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 張周衛;汪雅紅;張小衛;薛佳幸;吳金群;駱名軍;王小成;趙剛
• 申請（專利權）人: 張周衛
• 主分類號: F28D7/10
• 分類號: F28D7/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明主要應用于合成氨低溫液氮工藝設備技術領域，涉及低溫液氮用二級六股流四管束螺旋纏繞管式換熱裝備技術，應用低溫液氮工藝中三級制冷裝置出口的－130.2℃、1.78MPa?H₂、－130.2℃、5.14MPa?N₂—H₂合成氣及－130.2℃、0.15MPa?N₂—A_r—CO—CH₄污氮冷卻－38℃、5.8MPa?N₂至－127.2℃、5.7MPa及冷卻來自低溫甲醇工藝的－63.3℃、5.26MPa?H₂—N₂—CO—A_r—CH₄凈化氣至－127.2℃、5.24MPa，即應用三級制冷裝置出口的N₂—H₂合成氣、高壓H₂及污氮的冷量回熱冷卻來流高壓N₂、低溫甲醇洗后的凈化氣，給三級制冷裝置提供溫度條件；其結構緊湊，換熱效率高，可用于－38℃～－127.2℃氣體帶相變低溫換熱領域，解決低溫液氮二級制冷技術難題，提高低溫液氮工藝系統的低溫回熱換熱效率。

背景技術

合成氨低溫液氮工藝包中的主換熱設備為多股流螺旋纏繞管式換熱器，主換熱工藝流程主要包括三個階段，主要由三個不同換熱溫區的換熱器組成，其中，第一個階段是將壓縮后的高壓氮氣進行預冷，即將42℃高壓氮氣預冷至－38℃；第二個階段是將高壓氮氣從－38℃冷卻至－63.6℃，再冷卻至－127.2℃，將H₂—N₂—CO—A_r—CH₄凈化氣從－63.6℃冷卻至－127.2℃，為三段制冷做準備；第三個階段是將－127.2℃高壓氮氣冷卻至－188℃并液化及將低溫甲醇工藝來的－127.2℃凈化氣冷卻至－188.2℃。三個過程可采用不同換熱設備。首先，目前大多低溫液氮洗工藝系統采用整體換熱方式，將三段制冷過程連接為一整體，換熱器高度可達60～80米，換熱效率得到明顯提高，但存在的問題是換熱工藝流程過于復雜，換熱設備體積過于龐大，給加工制造、現場安裝及運輸帶來嚴重不便，且一旦出現管道泄漏等問題，難于檢測，容易造成整臺換熱器報廢，成套工藝裝備停產，而本發明從三段式換熱裝備解決LN₂預冷液化問題入手，重點解決二段制冷裝置的低溫換熱問題。其次，由于普通列管式換熱器采用管板連接平行管束方式，結構簡單，自收縮能力較差，一般為單股流換熱，換熱效率較低，體積較大，溫差較小，難以將高壓N₂在一個流程內冷卻并液化，本發明則采用六股流四管束型螺旋纏繞管式換熱裝備進行多股流低溫集約換熱過程，可解決二級制冷多股流低溫換熱問題，減小換熱器數量，提高換熱效率。此外，由于二級制冷裝備換熱溫區介于－38℃～－130.2℃，傳統的發泡材料保溫層很難防止冷量傳遞，漏熱嚴重，造成高壓氮氣無法液化，回流流體溫度太高等問題，而本發明采用真空多層絕熱技術，結合多股流纏繞管式換熱特點，可確保二級換熱過程冷量損失最小。另外，傳統的氮氫配平方法是將制氮系統生產的氮增壓至5.14MPa時直接注入合成氣管束，達到1：3精確配平后，轉入一級制冷裝置，并最終滿足合成氨中氮氫的配比比例，此法需要5.14MPa增壓氮氣補充配平，需要另外添置多級氮壓縮機組。由于二級制冷裝置中擁有5.8MPa的高壓來流氮氣，本發明直接從二級換熱器殼側底部引出高壓氮氣，節流至5.14MPa后打入二級合成氣管束，達到精確配平氮氫比例的目的，不再增加氮多級壓縮系統，節約成本。最后，中段凈化氣進口溫度為－63.3℃，對數平均溫差3℃，若設定－63.3℃為二級制冷進口溫度，則一級制冷最大溫差為108.3℃，二級制冷最大溫差為66.9℃，三級制冷最大溫差為66.2℃，三個溫差比較后，由于一級制冷溫差較大，導致一級制冷裝置較二級及三級體積大，換熱負荷高，因此，為了合理設計三段式制冷裝置，需要合理分配換熱溫差。根據換熱量詳細計算過程，分配一級制冷最大溫差83℃，二級制冷最大溫差89℃，三級制冷最大溫差66.2℃，這樣可使三段換熱器外形大小相似，易于加工制造、運輸及安裝調試，所以，二級制冷裝置采用凈化氣中段打入方式換熱。本發明根據低溫液氮洗工藝技術特點及N₂二級低溫制冷特點，采用三級各自獨立的螺旋纏繞管式換熱器做為主要換熱設備，分段獨立制冷，重點針對第二級六股流四管束型螺旋纏繞管式換熱制冷工藝流程，研究開發溫區介于－38℃～－130.2℃之間的第二級制冷工藝技術及纏繞管式換熱裝備，解決二級高壓N₂低溫回熱與凈化氣預冷核心技術問題，即二級六股流四管束螺旋纏繞管式換熱裝備工藝流程及結構問題。