本發(fā)明涉及利用工業(yè)過程余熱余壓制冷的節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域，特別是合成氨、合成甲醇等工業(yè)過程需要采用低溫液化分離化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的方法。

背景技術(shù)：

合成氨、合成甲醇等加壓合成化學(xué)反應(yīng)工藝系統(tǒng)，反應(yīng)器出口高壓氣體混合物中含一定比例的產(chǎn)物與反應(yīng)物，在相同壓力下產(chǎn)物的液化溫度遠(yuǎn)高于反應(yīng)物，因此使氣體混合物冷卻降溫至低于產(chǎn)物的液化溫度，即可使產(chǎn)物液化分離、氣體反應(yīng)物循環(huán)返回反應(yīng)器。根據(jù)產(chǎn)物的熱力學(xué)性質(zhì)，系統(tǒng)壓力越高、溫度越低、越有利于產(chǎn)物液化分離。在系統(tǒng)壓力一定的前提下，強(qiáng)化分離主要靠降低物系溫度。溫度降至低于常溫冷卻水，則需要制冷提供低溫冷媒。溫度越低、制冷能耗就越大，這是制約現(xiàn)有技術(shù)液化分離溫度未能達(dá)到理想的產(chǎn)品得率所需低溫的主要因素。以13.0MPa合成氨工藝為例，現(xiàn)工藝液化分離溫度0℃，反應(yīng)器生成的合成氨液化分離產(chǎn)品得率不到80%、超過20%的產(chǎn)物殘流于循環(huán)氣又被帶回反應(yīng)器，降低了反應(yīng)器產(chǎn)能。突破此種制約的方法是利用化學(xué)反應(yīng)工藝系統(tǒng)內(nèi)部余熱余壓制冷，從而使液化分離溫度降低免受制冷能耗限制。特別是以高壓低溫分離所得的液化產(chǎn)物自身為制冷劑，在降壓進(jìn)入儲(chǔ)罐之前，發(fā)揮其所含壓力能的作用、吸收余熱提高焓值后絕熱膨脹做功，完成降壓過程的同時(shí)輸出機(jī)械功，一舉兩得。本發(fā)明方法基于上述原理利用化學(xué)工藝系統(tǒng)余熱余壓制冷強(qiáng)化反應(yīng)產(chǎn)物低溫液化分離，具有節(jié)能、減排、增產(chǎn)多重有利效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開一種利用化學(xué)反應(yīng)工藝系統(tǒng)余熱余壓制冷強(qiáng)化反應(yīng)產(chǎn)物低溫液化分離的方法，用反應(yīng)器出口工藝流體經(jīng)低溫t₄（-20~0℃）高壓p₄（4.5~24.5MPa）液化分離所得的反應(yīng)產(chǎn)物為冷媒，使循環(huán)使用的制冷劑從常溫降至制冷所需的低溫，冷媒溫升至t₀（55~65℃）后再吸收工藝系統(tǒng)的余熱升溫至t₅（135~185℃）又成為膨脹機(jī)工質(zhì)，絕熱膨脹至壓力p₆（0.01~2.0 MPa）、溫度t₆（0~60℃）、輸出機(jī)械功W₆（熱-功轉(zhuǎn)換率18%~33%）。膨脹機(jī)出口工質(zhì)在常溫空氣冷卻條件下液化后，既作為液化產(chǎn)物輸出，也用作制冷劑循環(huán)，還用作噴射器的工作流體：用作制冷劑時(shí)，在制冷溫度t₂（-10~10℃）或 t₃（-25 ~ -5℃）下吸熱汽化并被強(qiáng)制吸入噴射器、升壓到能夠用常溫空氣冷卻液化的壓力p₈（0.01~2.0 MPa）；用作噴射器的工作流體時(shí)，將其從p₈加壓到p₁₅（0.3~20 MPa），再利用工藝余熱使其汽化并過熱到t₁₅（135~185℃）從而具有足夠的能量進(jìn)入噴射器吸引t₂或 t₃溫度下汽化的制冷劑蒸汽，并與之混合升壓至p₈，在常溫空氣冷卻條件下液化，循環(huán)使用。

本發(fā)明技術(shù)路線是：反應(yīng)器出口壓力p₀（5~25 MPa）、產(chǎn)物含量摩爾百分?jǐn)?shù)y₀（5~20%）的混合氣體，通過前置換熱設(shè)備降溫到T₀（35~45℃）后，在循環(huán)冷卻器1中被溫度t₄（-20~0℃）的低溫循環(huán)氣冷卻降溫至T₁（15~25℃），繼續(xù)在一級低溫?fù)Q熱器2中被t₂（-10~10℃）溫度下汽化的制冷劑吸熱冷卻降溫至T₂（-5~15℃），繼續(xù)在二級低溫?fù)Q熱器3中被t₃（-25 ~ -5℃）溫度下汽化的制冷劑吸熱冷卻降溫至產(chǎn)物液化分離所需的低溫T₃（-20~0℃），然后在氣液分離器4中分離，得到壓力p₄（4.5~24.5MPa）、溫度t₄（-20~0℃）的液化產(chǎn)物和同溫同壓的循環(huán)氣，循環(huán)氣中殘余產(chǎn)物的含量y₄比反應(yīng)器出口含量 y₀低85%以上。循環(huán)氣通過循環(huán)換熱器1回收冷量后其溫度提升至高于30℃，再通過前置換熱設(shè)備進(jìn)一步升溫至高于50℃返回反應(yīng)器循環(huán)。

氣液分離器4得到的壓力p₄（4.5~24.5MPa）、溫度t₄（-20~0℃）的低溫液化產(chǎn)物首先作為冷媒吸收從常溫儲(chǔ)罐8循環(huán)去一級低溫?fù)Q熱器2和二級低溫?fù)Q熱器3的制冷劑的熱量后，再在前置換熱設(shè)備被反應(yīng)器來的混合氣體加熱溫升至t₀（55~65℃），再通過余熱回收器5加熱至t₅（135~185℃），又成為膨脹機(jī)的工質(zhì)進(jìn)入膨脹機(jī)6絕熱膨脹輸出機(jī)械功W₆（熱-功轉(zhuǎn)換率18%~33%），膨脹機(jī)出口工質(zhì)壓力p₆（0.01~2.0 MPa）、溫度t₆（0~60℃），通過常溫空氣冷卻器7冷凝為壓力p₈（0.01~2.0 MPa）、溫度t₈（0~60℃）的液體，進(jìn)入常溫儲(chǔ)罐8緩沖暫存后作為液化產(chǎn)物輸出，或作為制冷劑及噴射器的工作流體循環(huán)使用。

從常溫儲(chǔ)罐8循環(huán)去一級低溫?fù)Q熱器2和二級低溫?fù)Q熱器3的制冷劑被氣液分離器4得到的冷媒降溫到t₉= t₁₀（-15~5℃）而達(dá)到過冷狀態(tài)，分別通過減壓閥9和10進(jìn)入一級低溫?fù)Q熱器2和二級低溫?fù)Q熱器3吸熱汽化制冷，成為各自汽化溫度t₂（-10~10℃）和t₃（-25 ~ -5℃）下的飽和制冷劑蒸汽，被強(qiáng)制吸入對應(yīng)吸入壓力的一級噴射器11和二級噴射器12。用加壓泵16將噴射器工作流體從常溫儲(chǔ)罐8的壓力p₈加壓到p₁₅（0.3~20 MPa），在前置換熱設(shè)備被反應(yīng)器來的混合氣體余熱加熱溫升至55~65℃后再通過余熱回收器15加熱汽化并過熱到t₁₅（135~185℃），然后分別進(jìn)入一級噴射器11和二級噴射器12吸引各自對應(yīng)的一級低溫?fù)Q熱器2和二級低溫?fù)Q熱器3來的飽和制冷劑蒸汽，并通過混合使之升壓到常溫空氣冷卻器13和14對應(yīng)的冷凝壓力p₈（0.01~2.0 MPa），液化并進(jìn)入常溫儲(chǔ)罐8。噴射器工作流體質(zhì)量流量與吸入的制冷劑蒸汽質(zhì)量流量之比0.8~1.8。

本發(fā)明所述壓力值均指絕對壓力，所述工藝余熱的利用溫區(qū)為（65℃~200℃），所述大氣溫度在（-20℃~40℃）范圍。

附圖說明

附圖1是本發(fā)明提供的利用化學(xué)反應(yīng)工藝系統(tǒng)余熱余壓制冷強(qiáng)化反應(yīng)產(chǎn)物低溫液化分離方法的示意圖。圖中：1-循環(huán)換熱器；2-一級低溫?fù)Q熱器；3-二級低溫?fù)Q熱器；4-氣液分離器；5、15-余熱回收器；6-膨脹機(jī)；7、13、14-常溫空氣冷卻器；8-常溫液體產(chǎn)物儲(chǔ)罐；9、10-減壓閥；11-一級噴射器；12-二級噴射器；16-加壓泵。

具體實(shí)施方案

以下結(jié)合但不限于實(shí)施例闡述本發(fā)明具體實(shí)施方式

實(shí)施例1 日產(chǎn)1320噸氨合成塔出口氣體中產(chǎn)品氨的液化分離

氨合成塔出口氣體物流：總流量23926.5 kmol/h，含氨4228.3 kmol/h，其余為氮、氫氣

氨合成塔出口氣體總壓：13.0 MPa

氨分離后循環(huán)氣總壓：12.2 MPa

余熱熱源1：變換工序收集185℃水蒸汽冷凝液，137120 kg/h

余熱熱源2：廢熱鍋爐產(chǎn)185℃，1.0MPa飽和水蒸汽，20000 kg/h

日產(chǎn)1320噸氨合成塔出口壓力p₀（≤13.0MPa）、氨含量摩爾百分?jǐn)?shù)y₀（≥17.67%）的混合氣體23926.5 kmol/h，通過前置換熱設(shè)備降溫到T₀（35℃）后，在循環(huán)冷卻器1中被溫度t₄（-10℃）的低溫循環(huán)氣冷卻降溫至T₁（24℃），繼續(xù)在一級低溫?fù)Q熱器2中被t₂（0℃）溫度下液氨汽化吸熱冷卻降溫至T₂（10℃），繼續(xù)在二級低溫?fù)Q熱器3中被t₃（-16℃）溫度下液氨汽化吸熱冷卻降溫至混合氣體中產(chǎn)品氨液化分離所需的低溫T₃（≤-10℃），進(jìn)入氣液分離器4中分離，得到壓力p₄（≤12.2MPa）、溫度t₄（≤-10℃）的液氨3594 kmol/h和同溫同壓的循環(huán)氣，循環(huán)氣中殘余氨含量y₄（≤2.38%）比反應(yīng)器出口y₀低86.5%以上。循環(huán)氣通過循環(huán)換熱器1回收冷量后其溫度提升至31℃，再通過前置換熱設(shè)備進(jìn)一步升溫至55℃返回氨合成塔循環(huán)。

氣液分離器4得到的低溫液氨61098 kg/h首先作為冷媒吸收從常溫儲(chǔ)罐8循環(huán)去一級低溫?fù)Q熱器2和二級低溫?fù)Q熱器3作為制冷劑的液氨的熱量后，繼續(xù)在前置換熱設(shè)備被氨合成塔來的混合氣體余熱加熱溫升至t₀（≥60℃），再通過余熱回收器5用137120 kg/h水蒸汽冷凝液（185℃）余熱加熱至t₅（180℃），作為膨脹機(jī)工質(zhì)進(jìn)入膨脹機(jī)6絕熱膨脹輸出機(jī)械功W₆（14076.6 MJ/h，熱-功轉(zhuǎn)換率≥20.6%），膨脹機(jī)出口工質(zhì)壓力p₆（2.0 MPa）、溫度t₆（50℃）通過常溫空氣冷卻器7冷凝為壓力p₈（≤2.0 MPa）、溫度t₈（≤50℃）的液氨，進(jìn)入常溫儲(chǔ)罐8緩沖暫存后作為液氨產(chǎn)品輸出61098 kg/h。

作為制冷劑從常溫儲(chǔ)罐8循環(huán)去一級低溫?fù)Q熱器2和二級低溫?fù)Q熱器3的液氨34860 kg/h首先被氣液分離器4得到的低溫液氨降溫到t₉= t₁₀（-5℃）而達(dá)到過冷狀態(tài)，然后分別通過減壓閥9和10進(jìn)入一級低溫?fù)Q熱器2（15810 kg/h）和二級低溫?fù)Q熱器3（19050 kg/h）吸熱汽化制冷，成為各自汽化溫度t₂（0℃）和t₃（-16℃）下的飽和氨蒸汽，并被強(qiáng)制吸入各自對應(yīng)的一級噴射器11和二級噴射器12。用加壓泵16將作為噴射器工作流體的41000 kg/h液氨從常溫儲(chǔ)罐8的壓力p₈加壓到p₁₅（≤8.0 MPa），在前置換熱設(shè)備被氨合成塔來的混合氣體余熱加熱溫升至60℃后再通過余熱回收器15用廢熱鍋爐產(chǎn)飽和水蒸汽20000 kg/h（185℃）加熱汽化并過熱到t₁₅（180℃），然后分別進(jìn)入一級噴射器11（15800 kg/h）和二級噴射器12（25200 kg/h）吸引各自對應(yīng)的一級低溫?fù)Q熱器2和二級低溫?fù)Q熱器3來的飽和氨蒸汽，并通過混合使噴射器出口達(dá)到常溫空氣冷卻器13和14對應(yīng)的冷凝壓力p₈（2.0 MPa），液化返回常溫儲(chǔ)罐8。

本實(shí)施例利用合成氨工藝系統(tǒng)余熱（185℃水蒸汽冷凝液137120 kg/h和185℃廢熱蒸汽20000 kg/h）制冷，強(qiáng)化合成塔出口混合氣體低溫冷凝液化分離合成氨產(chǎn)品，與現(xiàn)有技術(shù)相比，獲得的有益效果是：

使日產(chǎn)1320噸氨合成塔產(chǎn)量提高到1460噸，產(chǎn)能增加10.6%；

節(jié)約機(jī)械壓縮制冷能耗11274 MJ/h并且輸出機(jī)械功14076 MJ/h，合計(jì)節(jié)能25350MJ/h；

節(jié)約冷卻水2000噸/每小時(shí)。

實(shí)施例2 日產(chǎn)300噸甲醇合成塔出塔氣中產(chǎn)品甲醇的液化分離

甲醇合成塔出塔氣：總流量6080.9 kmol/h，含甲醇433 kmol/h，含水38.3 kmol/h，其余為不凝性合成氣

甲醇合成塔出塔氣總壓：≤5.0 MPa

甲醇合成塔循環(huán)氣總壓：≤4.88 MPa

余熱熱源1：變換工序收集185℃水蒸汽冷凝液，10500 kg/h

余熱熱源2：廢熱鍋爐產(chǎn)185℃，1.0MPa飽和水蒸汽，1560 kg/h

日產(chǎn)300噸甲醇合成塔出塔壓力p₀（≤5.0MPa）、甲醇含量摩爾百分?jǐn)?shù)y₀（≤7.12%）的混合氣體6080.9 kmol/h，通過前置換熱設(shè)備降溫到T₀（40℃）后，在循環(huán)冷卻器1中被溫度t₄（0℃）的低溫循環(huán)氣冷卻降溫至T₁（15℃），繼續(xù)在一級低溫?fù)Q熱器2中被t₂（-10℃）溫度下的制冷劑甲醇汽化吸熱冷卻降溫至T₂（≤0℃），進(jìn)入氣液分離器4中分離，得到壓力p₄（≤4.88MPa）、溫度t₄（≤0℃）的甲醇液428.4 kmol/h（13708.7 kg/h）和同溫同壓的低溫循環(huán)氣，低溫循環(huán)氣中殘余甲醇含量y₄（≤0.082%）比甲醇合成塔出口y₀低98.8%。低溫循環(huán)氣通過循環(huán)換熱器1回收冷量后其溫度提升至35℃，通過前置換熱設(shè)備返回甲醇合成塔。

氣液分離器4得到的低溫甲醇液13708.7 kg/h首先作為冷媒吸收從常溫（65℃）儲(chǔ)罐8循環(huán)去一級低溫?fù)Q熱器2作為制冷劑的甲醇液的熱量后，在前置換熱設(shè)備被甲醇合成塔來的混合氣體余熱加熱溫升至t₀（65℃），再通過余熱回收器5用10500 kg/h水蒸汽冷凝液（185℃）余熱加熱至t₅（180℃），作為膨脹機(jī)工質(zhì)進(jìn)入膨脹機(jī)6絕熱膨脹輸出機(jī)械功W₆（1091.8 MJ/h，熱-功轉(zhuǎn)換率≥22%），膨脹機(jī)出口工質(zhì)壓力p₆（0.105 MPa）、溫度t₆（65℃）通過常溫空氣冷卻器7冷凝為壓力p₈（0.105MPa）、溫度t₈（≤65℃）的甲醇液，進(jìn)入常溫儲(chǔ)罐8緩沖暫存后作為產(chǎn)品甲醇輸出13708.7 kg/h。

作為制冷劑從常溫儲(chǔ)罐8循環(huán)去一級低溫?fù)Q熱器2的65℃甲醇液1778.6 kg/h首先被氣液分離器4得到的低溫甲醇液降溫到t₉（3℃）達(dá)到過冷狀態(tài)，然后通過減壓閥9進(jìn)入一級低溫?fù)Q熱器2吸熱汽化制冷，成為汽化溫度t₂（≤-10℃）下的飽和甲醇蒸汽，并被強(qiáng)制吸入一級噴射器11。用加壓泵16將作為噴射器工作流體的2976.8 kg/h甲醇液從常溫儲(chǔ)罐8的壓力p₈加壓到p₁₅（≤0.9 MPa），在余熱回收器15中用廢熱鍋爐產(chǎn)（185℃）飽和水蒸汽1560 kg/h加熱汽化并過熱到t₁₅（180℃），然后進(jìn)入一級噴射器11吸引一級低溫?fù)Q熱器2汽化來的飽和甲醇蒸汽，并通過混合使噴射器出口達(dá)到常溫空氣冷卻器13對應(yīng)的冷凝壓力p₈（≥0.105 MPa），液化返回常溫儲(chǔ)罐8。

本實(shí)施例利用甲醇工藝系統(tǒng)余熱（185℃水蒸汽冷凝液10500 kg/h和185℃廢熱蒸汽1560 kg/h）制冷，強(qiáng)化甲醇合成塔出口混合氣體低溫冷凝液化分離，與現(xiàn)有技術(shù)相比，獲得的有益效果是：

使日產(chǎn)300噸甲醇合成塔產(chǎn)量提高到329噸，產(chǎn)能增加9.67%；

使循環(huán)氣含水降至0.005%以下；

輸出機(jī)械功1091.8 MJ/h；

節(jié)約冷卻水500噸/每小時(shí)。

本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，其技術(shù)方案已在發(fā)明內(nèi)容部分予以說明。