[发明专利]低温液氮用二级回热多股流缠绕管式换热装备

说明书

技术领域

本发明主要应用于合成氨低温液氮工艺设备技术领域，涉及低温液氮用二级六股流四管束螺旋缠绕管式换热装备技术，应用低温液氮工艺中三级制冷装置出口的－130.2℃、1.78MPa H₂、－130.2℃、5.14MPa N₂—H₂合成气及－130.2℃、0.15MPa N₂—A_r—CO—CH₄污氮冷却－38℃、5.8MPa N₂至－127.2℃、5.7MPa及冷却来自低温甲醇工艺的－63.3℃、5.26MPa H₂—N₂—CO—A_r—CH₄净化气至－127.2℃、5.24MPa，即应用三级制冷装置出口的N₂—H₂合成气、高压H₂及污氮的冷量回热冷却来流高压N₂、低温甲醇洗后的净化气，给三级制冷装置提供温度条件；其结构紧凑，换热效率高，可用于－38℃～－127.2℃气体带相变低温换热领域，解决低温液氮二级制冷技术难题，提高低温液氮工艺系统的低温回热换热效率。

背景技术

合成氨低温液氮工艺包中的主换热设备为多股流螺旋缠绕管式换热器，主换热工艺流程主要包括三个阶段，主要由三个不同换热温区的换热器组成，其中，第一个阶段是将压缩后的高压氮气进行预冷，即将42℃高压氮气预冷至－38℃；第二个阶段是将高压氮气从－38℃冷却至－63.6℃，再冷却至－127.2℃，将H₂—N₂—CO—A_r—CH₄净化气从－63.6℃冷却至－127.2℃，为三段制冷做准备；第三个阶段是将－127.2℃高压氮气冷却至－188℃并液化及将低温甲醇工艺来的－127.2℃净化气冷却至－188.2℃。三个过程可采用不同换热设备。首先，目前大多低温液氮洗工艺系统采用整体换热方式，将三段制冷过程连接为一整体，换热器高度可达60～80米，换热效率得到明显提高，但存在的问题是换热工艺流程过于复杂，换热设备体积过于庞大，给加工制造、现场安装及运输带来严重不便，且一旦出现管道泄漏等问题，难于检测，容易造成整台换热器报废，成套工艺装备停产，而本发明从三段式换热装备解决LN₂预冷液化问题入手，重点解决二段制冷装置的低温换热问题。其次，由于普通列管式换热器采用管板连接平行管束方式，结构简单，自收缩能力较差，一般为单股流换热，换热效率较低，体积较大，温差较小，难以将高压N₂在一个流程内冷却并液化，本发明则采用六股流四管束型螺旋缠绕管式换热装备进行多股流低温集约换热过程，可解决二级制冷多股流低温换热问题，减小换热器数量，提高换热效率。此外，由于二级制冷装备换热温区介于－38℃～－130.2℃，传统的发泡材料保温层很难防止冷量传递，漏热严重，造成高压氮气无法液化，回流流体温度太高等问题，而本发明采用真空多层绝热技术，结合多股流缠绕管式换热特点，可确保二级换热过程冷量损失最小。另外，传统的氮氢配平方法是将制氮系统生产的氮增压至5.14MPa时直接注入合成气管束，达到1：3精确配平后，转入一级制冷装置，并最终满足合成氨中氮氢的配比比例，此法需要5.14MPa增压氮气补充配平，需要另外添置多级氮压缩机组。由于二级制冷装置中拥有5.8MPa的高压来流氮气，本发明直接从二级换热器壳侧底部引出高压氮气，节流至5.14MPa后打入二级合成气管束，达到精确配平氮氢比例的目的，不再增加氮多级压缩系统，节约成本。最后，中段净化气进口温度为－63.3℃，对数平均温差3℃，若设定－63.3℃为二级制冷进口温度，则一级制冷最大温差为108.3℃，二级制冷最大温差为66.9℃，三级制冷最大温差为66.2℃，三个温差比较后，由于一级制冷温差较大，导致一级制冷装置较二级及三级体积大，换热负荷高，因此，为了合理设计三段式制冷装置，需要合理分配换热温差。根据换热量详细计算过程，分配一级制冷最大温差83℃，二级制冷最大温差89℃，三级制冷最大温差66.2℃，这样可使三段换热器外形大小相似，易于加工制造、运输及安装调试，所以，二级制冷装置采用净化气中段打入方式换热。本发明根据低温液氮洗工艺技术特点及N₂二级低温制冷特点，采用三级各自独立的螺旋缠绕管式换热器做为主要换热设备，分段独立制冷，重点针对第二级六股流四管束型螺旋缠绕管式换热制冷工艺流程，研究开发温区介于－38℃～－130.2℃之间的第二级制冷工艺技术及缠绕管式换热装备，解决二级高压N₂低温回热与净化气预冷核心技术问题，即二级六股流四管束螺旋缠绕管式换热装备工艺流程及结构问题。