專利名稱：放熱化學(xué)反應(yīng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用反應(yīng)中生成的熱氣體膨脹而作功(例如產(chǎn)生電能)的放熱化學(xué)反應(yīng)方法。
本發(fā)明具體地涉及在高壓(即高于大氣壓)下進行，并在高溫高壓下形成產(chǎn)物或中間產(chǎn)物氣流的放熱化學(xué)反應(yīng)方法。工業(yè)上有許多這類方法，包括基于空氣的化學(xué)反應(yīng)，例如制造硝酸時的氨的氧化以及硫酸生產(chǎn)中的硫的氧化。
所有這類方法的一個與本發(fā)明有關(guān)的特點是，它們都涉及進料氣(即參與反應(yīng)的氣體)、中間產(chǎn)物氣體、或再循環(huán)氣體的壓縮，以及通過熱過程排出的氣流或中間產(chǎn)物氣流的膨脹、例如在能量回收透平機中來作功。
能量回收透平機的輸出可以用來提供任何形式的軸輸出功，包括但不限于，內(nèi)部過程壓縮需求功、外部壓縮需求功、或發(fā)電。排出氣或中間產(chǎn)物氣流在進入能量回收透平機之前可先進行升溫，以便提高能量回收效率。不管是否進行升溫處理，這些過程的另一特點是具有生產(chǎn)排出氣與中間產(chǎn)物氣流容納不下的多余的高溫?zé)崃?如下一段中所定義的)，它適合于用其它歷程(例如產(chǎn)生供在功率回收透平機中膨脹的蒸汽)產(chǎn)生動力。
為了定義“多余的高溫?zé)崃俊?，有必要先談?wù)劇岸嘤嗟倪^程熱量”。這只能參照在例如“有效利用能量的過程綜合法使用指南”(IChemE，Rugby，UK，1982)中所敘述的“收縮技術(shù)”(Pinch Technology)方法來嚴(yán)格定義。若是需要冷卻以滿足和/或維持工藝操作條件的生產(chǎn)氣流和反應(yīng)器，它在“熱收縮(Pinch)溫度”和環(huán)境溫度與△Tmin之和的某個溫度之間的總發(fā)熱能力(即熱組合曲線在這兩個溫度之間的含變)，大于需要加熱以滿足和/或維持工藝操作條件的生產(chǎn)氣流在“冷收縮(Pinch)溫度”與環(huán)境溫度之間的總熱量需求(即冷組合曲線在這兩個溫度之間的含變)，則存在有“多余的過程熱量”?！鱐min是為了進行生產(chǎn)氣流之間的熱交換，體系所允許的最小溫差。這一多余的過程熱量可以用來加熱所謂的冷物，例如冷水、空氣、或鍋爐供水。
如果“多余的過程熱量”是在足夠高的溫度水平上，以致于冷物能被加熱到可用來產(chǎn)生動力，則是有“多余的高溫?zé)崃俊?。例如，在冷物為鍋爐供水的場合，“多余的高溫?zé)崃俊睍阋援a(chǎn)生蒸汽，它能夠通過蒸汽透平機膨脹，產(chǎn)生工廠內(nèi)通常用的有用功，但是可以用熱力學(xué)方法嚴(yán)格確定。這些方法中最權(quán)威和最重要的是收縮技術(shù)(PinchTechnology)(或過程綜合法)。在“有效使用能量的過程綜合法使用指南”(I.Chem.E.Rugby，U.K.，1982)中有這些具體方法的說明。
所有這類過程的工業(yè)化工廠都是設(shè)計成在所謂“滿負(fù)荷”條件下運行的。在這種條件下工廠是在反應(yīng)器的進料氣為最大可能流量(與工廠的設(shè)計相適應(yīng))，或工廠的產(chǎn)品為最大可能生產(chǎn)速度下運行的，這要看兩個標(biāo)準(zhǔn)中的那一個在經(jīng)濟上與運行上更為合算。在滿負(fù)荷條件下，反應(yīng)器將需要特定數(shù)量的進料氣，并有特定數(shù)量的中間產(chǎn)物、排出物或產(chǎn)物氣體。因此，會有最大數(shù)量的反應(yīng)生成氣可用于膨脹作功。
本發(fā)明的目的之一是提供一種放熱化學(xué)反應(yīng)方法，它所產(chǎn)生的功比先有技術(shù)的要高。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種放熱化學(xué)反應(yīng)過程，它在高于大氣壓的壓力下于一個設(shè)計在預(yù)定的滿負(fù)荷條件下運行的工廠內(nèi)進行，該過程進行的結(jié)果產(chǎn)生了多余的高溫?zé)崃?，此熱量的一部分用來對反?yīng)生成的壓縮氣體加熱，然后氣體膨脹作功，其中向所需的或過程生成的壓縮氣補充的適量壓縮氣，用一部分可利用的多余高溫?zé)崃考訜幔蛊渑蛎洸a(chǎn)生附加功。補加氣體的量應(yīng)使得膨脹氣體的總量大于在滿負(fù)荷條件下不供給補加氣進行此過程時可用于膨脹的氣體量。
在先有技術(shù)中，所產(chǎn)生的功的數(shù)量完全取決于過程在滿負(fù)荷條件下產(chǎn)生的或需要的氣體量。與之相反，本發(fā)明使用適量的補加氣體，它與滿負(fù)荷下產(chǎn)生的或需要的氣體量無關(guān)。通常，補加的氣體量應(yīng)使可用于膨脹的氣體與沒有補充氣體供給時相比至少增加10%，至少20%更好，至少30%則還要好，最好是增加40%。一般，補加量為10-200%，10-100%更好(例如20-100%)。結(jié)果是，較大數(shù)量的加熱氣體通入到膨脹器中(例如能量回收透平機)，使輸出功增加。這一增加取決于補加氣體的數(shù)量，而后者又取決于可以利用的將補加氣熱至適于膨脹作功溫度的多余高溫?zé)崃康亩嗌?。這種可利用的多余高溫?zé)崃康亩嗌倏捎眠^程綜合法確定。
本發(fā)明主要涉及的放熱反應(yīng)是發(fā)生在500-1500℃(例如600-1000℃)，膨脹器入口的溫度因此也在此范圍，最好是600-850℃。氣體膨脹器的膨脹比最好是3∶1至20∶1。補加氣體的壓縮比最好也在3∶1至20∶1的范圍。
任何合適的氣體都可用作補加氣，當(dāng)然便宜的較理想。補加氣最好是與欲膨脹的熱氣體相適應(yīng)，以使它們可以即刻混合并一起膨脹。但是也有可能將兩組氣體分別加熱與膨脹。
補加氣最好也是反應(yīng)的進料氣。本發(fā)明特別可用于基于空氣的反應(yīng)，其中空氣是反應(yīng)的進料氣，補加氣也是空氣。
本發(fā)明適用的這類基于空氣的反應(yīng)的一個具體實例是通過氨的氧化生產(chǎn)硝酸。對于這樣一個過程，有可能確定在100%生產(chǎn)率(即滿負(fù)荷條件)時過程的空氣需求量，它等于反應(yīng)要達到所要求的轉(zhuǎn)化率(常為94-97%)所需的空氣量加上漂白空氣(為減少NOx排放物)的量。對于這樣一個過程，補加空氣的量通常為過程空氣需求量的20-100%(例如20-75%)。
作為對迄今描敘的過程的第一個變動可用于補加氣含氧的情形，此時可將一種燃料在補加氣或補加氣與熱的膨脹器進料氣的混合物中燃燒(例如直接點火)，以升高其溫度并由此增加它在膨脹階段的作功潛力。燃料可以用甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、天然氣、或廢氣。通過燃燒燃料，膨脹器的入口溫度通常是在500-1500℃的范圍，例如900-1200℃。
在常規(guī)過程中這種補充點火是不可能的，因為沒有補加空氣供應(yīng)，而且離開反應(yīng)器的空氣含有的氧太少，不足以進行燃燒。
作為對燃燒燃料的一種替代辦法，也可以使補加氣或補加氣與膨脹器熱進料氣的混合物與另一種氣體發(fā)生放熱催化反應(yīng)以產(chǎn)生熱量，一個具體實例是在制硝酸工藝中與氨反應(yīng)以除去NOx氣。
在第二個變動中，可以在熱氣體于其中膨脹的膨脹器中注入蒸汽。第二個變動的根據(jù)是將Cheng循環(huán)并入膨脹器循環(huán)。通過這一循環(huán)，高壓蒸汽注入氣體膨脹器中，與加熱了的氣體一起膨脹以產(chǎn)生額外的動力。
這兩個變動的、特別是在補加空氣中補充燃料燃燒的主要好處是，它使得過程熱量與功率之比(即，輸出熱量與凈輸出功率值之比)變得與生成功和熱的過程現(xiàn)場的要求相適應(yīng)或更接近于適應(yīng)。
本發(fā)明將參照附圖僅作進一步的舉例說明，其中

圖1(a)和1(b)是先有技術(shù)硝酸工藝的典型的組合曲線和總組合曲線;
圖2是一個典型的先有技術(shù)放熱化學(xué)過程的工藝流程圖，該過程在滿負(fù)荷條件下運行，并包括通過反應(yīng)生成的壓縮氣的膨脹來產(chǎn)生動力;
圖3與圖2相似，但它說明的是在“調(diào)低”條件下運行的過程;
圖4是說明在滿負(fù)荷條件下運行的本發(fā)明一個實施例的流程圖;
圖5與圖4類似，但表示的是在“調(diào)低”條件下運行的過程;
圖6-10表示圖4流程圖的改進型式;
圖11表示先有技術(shù)硝酸工藝;
圖12表示實施本發(fā)明的硝酸工藝;
圖13a與13b是先有技術(shù)硝酸工藝的典型的組合曲線;
圖14a與14b是實施本發(fā)明的硝酸工藝的組合曲線。
圖1(a)是對典型的硝酸生產(chǎn)工廠用過程綜合法得到的曲線，代表了不產(chǎn)生可膨脹作功的壓縮蒸汽的過程操作。曲線說明了“多余的高溫?zé)崃俊币辉~的含義。以圖1a的組合曲線所代表的過程為例。列出的是需要冷卻的(即可以供熱)過程“熱氣流”的組合曲線(曲線〔ⅰ〕)與需要加熱的過程“冷氣流”的組合曲線(曲線〔ⅱ〕)。這兩個曲線總起來稱為“過程組合曲線”。在任何指定的溫度，例如圖示的溫度T，如果熱組合氣流在T和THmax之間的含變(△HH)在數(shù)量上大于冷組合在T與Tcmax之間的焓變(△Hc)，則該過程具有可利用的多余熱。為了確保這一多余熱量的轉(zhuǎn)換實際可行，在供熱(熱組合)和需熱(冷組合)之間必須有一最小允許的溫度驅(qū)動力，例如△Tmin。因此熱組合曲線上的參考點必須變成T＊＝T+△Tmin而不是T。在這種情形下焓變△HH＊必須大于△Hc。
在從T環(huán)境至THmax的溫度范圍內(nèi)的這一多余的可利用熱量的圖形構(gòu)成了圖1b中所謂的總組合曲線(ⅲ)。如果此多余熱量發(fā)生在充分高的溫度，則可用它來加熱鍋爐供水以產(chǎn)生動力用的蒸汽，如該圖(圖1b)所示。
參照圖2，圖示的流程圖包括一個放熱反應(yīng)過程1(它包括一個反應(yīng)器、分離、輔助設(shè)施、熱回收網(wǎng)絡(luò)的主體、和其它可用的熱源)，經(jīng)由管路2和3供應(yīng)壓縮的反應(yīng)氣。通常放熱反應(yīng)過程是基于空氣的反應(yīng)，由管線2供應(yīng)的氣體為被壓縮機4壓縮的空氣。
反應(yīng)過程1中產(chǎn)生的熱氣體沿管線5輸送，在回到反應(yīng)過程1之前先通到熱交換器6和7。沿管線8向熱交換器6供應(yīng)鍋爐供水，以產(chǎn)生蒸汽，而熱交換器7則用來對從反應(yīng)過程排出的(沿管線9)熱排出氣加熱，然后這些氣體沿管線10輸送到能量回收透平機11中以便作功。在透平機11內(nèi)，熱的排出氣膨脹到低壓，常常是大氣壓。應(yīng)該指出，在熱氣流上的熱回收交換器序列(即6和7)僅為說明用。
圖示的流程圖包括在壓縮機4下游的一條氣體旁路管線12。氣體可以從管線12經(jīng)過閥13直接通入管線10，或者，在另一實施例中，經(jīng)過管線14進入管線9。
這個先有技術(shù)工藝過程在滿負(fù)荷操作條件下運行時，閥13是關(guān)閉的，壓縮機4提供了可用于反應(yīng)過程的最大數(shù)量(指定為100%)的壓縮進料氣。膨脹器進料氣也用名義上的100%表示，代表要輸送到膨脹器11的最大數(shù)量的氣體?；厥盏脚蛎浧鬟M料氣流(流經(jīng)管線10)中的熱量通常取決于進入膨脹器的氣體入口溫度的限制，而這一般受結(jié)構(gòu)考慮的約束。但是，支配此圖的是熱回收設(shè)備7的設(shè)計或運行能力。這是現(xiàn)有設(shè)計的一個重要特點。
如果工廠的生產(chǎn)量大大低于滿負(fù)荷條件(即工廠在“調(diào)低”條件下運行)，能輸送到膨脹器11的來自反應(yīng)工藝過程11的氣體量減少，有可能在膨脹器中造成波動狀態(tài)。如果仍壓縮同樣數(shù)量的進料氣，但打開閥13，使得在極限情形下到膨脹器11的流量恢復(fù)到100%條件(如圖3所示)，則可避免此問題發(fā)生。這時有X%的進料氣通過閥門13。但是，在“調(diào)低”條件下輸送到膨脹器中的氣體量一般要比100%極限情形的少，則好足以使膨脹器免于波動。
在“調(diào)低”的條件下，流經(jīng)閥13的氣體或是直接注入膨脹器11，或是沿管線14在膨脹之前于交換器7中先加熱。在前一種情形，膨脹器入口溫度會降低，使產(chǎn)生的功減少。在后一種情形，可采用以下作法(a)如果旁路壓縮氣體(流經(jīng)管線14)的溫度低于進入熱回收系統(tǒng)的當(dāng)時溫度，膨脹器入口溫度將下降，其輸出功減小;
(b)如果旁路壓縮氣體的溫度高于氣流9到熱回收系統(tǒng)的現(xiàn)有入口溫度，那么，取決于該設(shè)備的熱學(xué)性能，只要膨脹器的操作限制允許，熱回收設(shè)備的出口溫度將上升。如果可以這樣，膨脹器的功率輸出將比無旁路的情形增加，但是此增加嚴(yán)格地與壓縮機4出口溫度及熱回收設(shè)備的熱學(xué)性能有關(guān)。如果不允許出口溫度增加，則在旁路壓縮氣體注入現(xiàn)有的熱回收設(shè)備之前必須將其冷卻，膨脹器的輸出功不會增加。
在以上的所有情形里，都使用同樣的熱回收設(shè)備來加熱膨脹器進料氣，膨脹器的入口溫度由熱回收設(shè)備的熱學(xué)性能決定。該設(shè)備是設(shè)計得能在100%生產(chǎn)能力(即滿負(fù)荷)設(shè)計條件下達到最大允許的膨脹器入口溫度。所需要的熱轉(zhuǎn)換面積有時可加上10-15%的設(shè)計安全系數(shù)，以保證其性能符合要求。但是，膨脹器的輸出功率仍然嚴(yán)格地由該設(shè)備的實際性能和可用于膨脹的氣體總量一起決定。
現(xiàn)在參照圖4，它是根據(jù)本發(fā)明的一個工藝流程圖。它與圖2的流程圖整體上相似，圖4中與圖2的相應(yīng)部件相似的那些部件用一個比圖2中相應(yīng)部件大100的標(biāo)記數(shù)表示。例如，圖4中放熱反應(yīng)過程被指定為標(biāo)記數(shù)101。
但是圖2與圖4的安排有一些重要的區(qū)別。具體是(a)壓縮機104和膨脹器111都分別比壓縮機4和膨脹器11的功率大。
(b)為旁路氣體提供了附加的熱回收能力115;
(c)熱交換器106的負(fù)荷較熱交換器6的小。
附加的熱回收能力115可以通過在先有技術(shù)熱回收設(shè)備7上增加表面積，或一個新的分離的熱回收設(shè)備來提供。
對于圖4的流程圖，壓縮機104供應(yīng)的氣體量總是比工廠滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)所需要的數(shù)量大。在滿負(fù)荷運行下，標(biāo)稱100%的氣體通入反應(yīng)工藝過程，Y%的額外量沿旁路管線112連續(xù)通過。應(yīng)該強調(diào)，這Y%是多出和高于工藝反應(yīng)的需求的。這個旁路氣流(即補加氣)被多余高溫?zé)崃考訜岵⑼ㄈ氲脚蛎浧?11。因此，最大允許的膨脹器入口溫度可以通過將補加氣熱至此極限值來維持。這樣，膨脹器的功率輸出將總是比先有技術(shù)的高。功率輸出的增加與滿負(fù)荷運行100%需求量之外的補加壓縮氣的數(shù)量(Y%)成正比。
在“調(diào)低”條件下(見圖5)，壓縮氣體的量仍是(100+Y%)，但輸送到反應(yīng)過程101的氣體量與滿負(fù)荷條件相比要減少Z%。這額外的Z%沿管線112流動，如果旁路氣體熱量回收系統(tǒng)(115)有足夠的能力，可以用它將氣體加熱到最大允許的膨脹器入口溫度，或是經(jīng)過管線114重新注入裝置107以達到同樣結(jié)果。
在先前的圖2的安排中，膨脹器所生成的功，有或沒有旁路可供使用，都嚴(yán)格地受膨脹器進料氣流10上的熱回收設(shè)備的熱學(xué)性能和由放熱反應(yīng)過程直接輸出的該氣流流量的限制。壓縮機4和膨脹器11的大小由這些限制決定。
就本發(fā)明而言，流到膨脹器111的氣體流量與滿負(fù)荷或部分負(fù)荷條件下的工藝要求無關(guān)(即Y%的選擇直到一最大值都不受工藝考慮的限制)，因此輸入到膨脹器進料氣流中的熱量(以及因此膨脹器的功率輸出)不受上一段中提到的限制的約束。于是，Y%的值可以根據(jù)經(jīng)濟合算性一直增加到該過程向旁路氣流提供多余反應(yīng)熱能力的熱力學(xué)極限。
向旁路氣體供應(yīng)額外的熱量需要消耗可供產(chǎn)生蒸汽用的多余熱量。但在某些熱條件下，這樣一種體系的凈額外功率輸出可能增加，即，額外的膨脹器功率輸出減去額外的旁路氣壓縮功大于因產(chǎn)汽量及蒸汽作功能力減少而造成的功率輸出損失。
雖然圖2(先有技術(shù))和圖4(本發(fā)明)的流程圖在圖形上相似，它們的基本原理根本不同。先有技術(shù)的方案是根據(jù)壓縮機4與膨脹器11的能力以及對膨脹器進料氣的熱回收能力而設(shè)計的，以使通過壓縮機和/或膨脹器的氣體流量的上限發(fā)生在滿負(fù)荷產(chǎn)量時。在本發(fā)明中有超出此產(chǎn)量的額外的壓縮機，膨脹器及熱回收能力，以便利用由受熱壓縮氣膨脹提供輸出功的熱力學(xué)優(yōu)越性，這比產(chǎn)生蒸汽并使之膨脹要好。
在工廠如前面提到的(圖5)按照本發(fā)明輕負(fù)荷運行(“調(diào)低”狀態(tài))期間，膨脹器進料氣的數(shù)量仍維持在100%生產(chǎn)量之上，而且以最大允許的溫度注入膨脹器111。因此膨脹器的功率輸出得以維持。
對圖4中布置的各種變動見圖6-10。
圖4中布置的一個缺陷是使用單個壓縮機104，這意味著所有的進料氣和旁路氣體都被壓縮到反應(yīng)過程101所要求的壓力，而這將在此過程中形成一個壓力降(△P過程)，說明補加氣體(Y%)無須壓縮到這樣高的壓力。在圖6的布置中，用一個次級壓縮機116供應(yīng)壓力為P12的補加氣體，反應(yīng)用的氣體則用主壓縮機117以壓力P2供應(yīng)(P12＜P2)。圖6底部的三行表示P12與△P過程無關(guān)，因此總的功率效率比圖4有改進。
這樣一種布置也能用于帶有內(nèi)部壓縮的過程，此時工藝過程排出氣出口壓力P13高于初級氣體入口壓力P2。這圖示于圖7，其中內(nèi)部壓縮由壓縮機118完成。或者，在帶有內(nèi)部壓縮的過程中，如圖8所示，用一個放大的初級壓縮機119完成對氣體的壓縮，使之到進料壓力P2，對補加氣體施以第二步壓縮，使它由進料壓力增至排出氣出口壓力。
圖9表示了對以上流程圖的進一步的重要改動。在這一布置中，補加氣被壓縮到比膨脹器120入口處壓力P3高得多的壓力P5。照這樣，次級氣體被加熱時的壓力可以與可能是不合適的過程排出氣出口壓力脫離關(guān)系。加熱過的氣體然后在膨脹器121中進行第一階段膨脹，在引入膨脹器120之前降至排出氣膨脹器入口壓力。另一種膨脹流程圖示于圖10，其中排出氣和補加氣分別膨脹而不混合。
作為上述一般流程圖的一個實施方案的更具體的實例，討論示于圖11的流程圖。這是許多硝酸工廠之中的一個典型。它與圖7中的一般流程圖相似，但不含補加氣體壓縮(即未用本發(fā)明)。進料氣和補加氣均為空氣。
圖11的裝置的主要部件是反應(yīng)器201、熱交換部件202和203，吸收器204，排出氣體膨脹器205，蒸汽透平機206，壓縮機207與208(用由膨脹器205和透平機206生成的功驅(qū)動)。所用的熱交換器網(wǎng)絡(luò)僅為舉例說明用，其實際安排要用適當(dāng)?shù)木C合方法確定。
在過程運行時，壓縮機207壓縮的空氣在進入反應(yīng)器201之前先與反應(yīng)物混合，在反應(yīng)器中發(fā)生放熱催化反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)生的熱氣體(這里稱為產(chǎn)物氣體)流經(jīng)熱交換器202與203，然后，在分離與通入到壓縮機208之前，再通過熱交換器209與210。在壓縮后，產(chǎn)物氣體冷卻(在交換器211中)并進入吸收器204的底部，由頂部通入水用來吸收。水溶液產(chǎn)物沿管線212離開吸收器204，而洗凈的冷排出氣沿管線213離開吸收器，相繼進入熱交換器209與203，然后通入到膨脹器205。
離開吸收器204的尾氣的溫度比在反應(yīng)器201中產(chǎn)生的產(chǎn)物氣體的溫度低，于是尾氣在流經(jīng)熱交換器209與203期間被加熱(通過與產(chǎn)物氣體熱交換)。接著，加熱過的尾氣通入到膨脹器205中，氣體在這里膨脹，產(chǎn)生的功用來驅(qū)動壓縮機207與208。在膨脹之后，可將尾氣排入大氣，或者匯集回到過程之中，如果這對熱回收和總經(jīng)濟效益有利的話。
此外，鍋爐供水流過熱交換器202以產(chǎn)生高壓蒸汽，它的一部分可用來通過蒸汽透平機206產(chǎn)生驅(qū)動壓縮機207與208用的輔助功，其余部分則輸送到工廠的其它地方使用。從透平機206排放出中壓或低壓蒸汽以備工廠內(nèi)其它地方可能使用，或?qū)⑵淅淠?br> 應(yīng)該清楚，雖然熱交換器202與203被圖示成實際上不同的部件，反應(yīng)氣順序地由交換器202進入交換器203，但事實上它們可以是一個更復(fù)雜的熱交換設(shè)備的一部分，其中不必服從這一順序。為了使尾氣和蒸汽達到符合工藝規(guī)程約束的出口溫度指標(biāo)和有效地利用熱交換表面積，可能需要這樣作。
這些先有技術(shù)雙重壓力制硝酸工藝通常在正常(或“滿負(fù)荷”)運行時不使用任何旁路裝置。在工廠處于“調(diào)低”狀態(tài)，即當(dāng)硝酸生產(chǎn)量需要降低時，利用將多余的空氣經(jīng)過閥214引入壓縮機208的低壓區(qū)的方法以維持膨脹器入口處的排出氣流量，則膨脹器205可以免受波動?；蛘哂靡粋€“增壓壓縮機”215來達到同樣目的。此壓縮機平常不開動，僅在輕負(fù)荷(或“調(diào)低”)情況下使用。
圖12畫出了圖11的裝置的一部分，但依照圖8中本發(fā)明的一個實施方案作了修改。圖11與圖12的相同部件用同樣的標(biāo)記數(shù)字表示，在某些情形用字母“a”作下標(biāo)(在圖12中)來表示該部件與圖11所示的相應(yīng)部件的功率或尺寸不同。可以看出，圖12的布置中包括了一個壓縮機215a，用于壓縮輸往膨脹器205a的補加空氣。
下面具體參照硝酸生產(chǎn)，詳細(xì)討論并比較了兩種情形(圖11和12)的工藝過程。
兩個工藝過程在熱力學(xué)上都可以用收縮技術(shù)(PinchTechnology)方法通過熱與冷組合曲線來表示。這是在代表滿負(fù)荷(即100%生產(chǎn)量)產(chǎn)量的流量下繪制的，該產(chǎn)量通常由工廠設(shè)計流程技術(shù)規(guī)范(即保證的工廠生產(chǎn)能力)或基于實際運行經(jīng)驗的生產(chǎn)能力而確定的。這一生產(chǎn)能力通常按硝酸干重(即無水)的產(chǎn)量表示。
對于先有技術(shù)的情形，典型的組合曲線如圖13a和13b所示。包括在圖13b中的是產(chǎn)生所需蒸汽的熱需求量，蒸汽的產(chǎn)生則是為了平衡可用來產(chǎn)生動力的多余過程熱量。這一蒸汽形成直到它使得兩個組合曲線彼此接近到某個特定的(或最佳的)最小允許接近溫度(△Tmin)時達到最大值。這就確定了最大可能的蒸汽產(chǎn)量。
在這樣的生產(chǎn)能力狀況下，所謂的反應(yīng)空氣需求量可以限定在一個很窄的可接受的流量范圍內(nèi)。所有的現(xiàn)代工廠都設(shè)計成轉(zhuǎn)化效率在94%-98%之間。這只能在容許的氨/空氣進料質(zhì)量比的很窄的范圍內(nèi)達到。通常這大約為0.06/1.0。在100%生產(chǎn)能力時反應(yīng)器空氣入口流量加上漂白空氣(為了與NOx氣體反應(yīng))的結(jié)合被定義為“工藝過程空氣需求量”。這也確定了自吸收器排出的尾氣流量一般在約為工藝過程空氣流量的0.87倍的一個狹窄范圍內(nèi)。
以上提到的流量決定了輔助空氣壓縮機與尾氣膨脹器的設(shè)計容量和裝機容量。壓縮機與膨脹器的需求馬力數(shù)和裝機馬力數(shù)之間的任何差別都是由于設(shè)計安全系數(shù)或設(shè)備“機身大小”的考慮。裝機容量很少會高出設(shè)計需要值的10%以上。
上述的空氣和排出氣流量也確定了尾氣熱回收裝置(交換器203)的設(shè)計基礎(chǔ)。此外，該裝置可以有高于計算面積需求值的設(shè)計安全系數(shù)，以確保符合保證性能技術(shù)要求。一般，安全系數(shù)可以是10%至15%。它應(yīng)設(shè)計得使出口溫度等于最大允許膨脹器入口溫度。
現(xiàn)有工藝工廠的旁路(或再循環(huán))氣流僅在工廠硝酸需求產(chǎn)量遠(yuǎn)低于生產(chǎn)能力時才運行。必須降低氨的進料速度，而且為了維持合乎要求的反應(yīng)器產(chǎn)量(以及安全運行狀態(tài))，輸往反應(yīng)器的空氣流量必須減少。這就相應(yīng)地減少了輸往膨脹器的排出氣流量?？赡苄枰蜷_旁路管線以便將空氣由空氣壓縮機排出口引向尾氣熱交換器入口，然后通到膨脹器以消除波動。工廠操作人員也可以選擇維持空氣壓縮機在或接近于其生產(chǎn)能力下運行，同時把反應(yīng)不需要的空氣引入旁路管線。將空氣引入旁路管線的能力受以下因素的限制(a)空氣壓縮機的容量;或(b)膨脹器入口的流通能力。
在每一種情形，熱交換器氣體出口溫度都可能不高于膨脹器的最大允許入口溫度。這意味著氣體膨脹器的功率輸出可能不比旁路系統(tǒng)關(guān)閉，以100%生產(chǎn)能力運行時的高。
對于本發(fā)明的工藝過程，在設(shè)備和流程設(shè)計基礎(chǔ)(以及裝機大小)以及運行原理方面有幾點主要差別。這些差別的大小將取決于被認(rèn)為是經(jīng)濟上合算的“補加空氣”的百分?jǐn)?shù)(如先前定義的)。但在理論上此補加空氣可以高達上述工藝過程空氣需求量的約75%。以此作為一個極端的例子，對于任何指定的工廠的硝酸生產(chǎn)量，其結(jié)果如下(ⅰ)增壓壓縮機215a將比壓縮機215大約大6至8倍;
(ⅱ)空氣壓縮機207a的容量將比壓縮機207的大75%左右;
(ⅲ)排出氣膨脹器(205a)的額定容量比膨脹器205大約高95%;
(ⅳ)蒸汽透平機(206a)的功率是蒸汽透平機206的約25%;
(ⅴ)熱交換器(203a)的設(shè)計負(fù)荷為交換器203的大約兩倍;
(ⅵ)熱交換器(202a)的設(shè)計負(fù)荷約為交換器202的約25%;
(ⅶ)旁路管線將在滿工藝負(fù)荷條件下運行，以使輸入到膨脹器氣體入口氣流中的熱量最大，氣流的流量由放熱反應(yīng)的能力決定，將膨脹器入口氣體加熱到最高允許溫度與反應(yīng)器空氣需求量無關(guān)。
在排出氣中引入壓縮空氣使得通過熱交換器203a的氣體流量比通過交換器203的大。熱交換器203a比熱交換器203具有更大的熱交換容量，這一容量差別使得可以將流過203a的較多量的氣體加熱到與流過交換器203的氣體相同的溫度。因為交換器202a的熱交換容器的相應(yīng)減小(與交換器202相比)?？梢钥紤]增加交換器202a的熱負(fù)荷需求。
離開熱交換器203a的氣體現(xiàn)在通入到氣體膨脹器205a。因為這些氣體的質(zhì)量流速大于由交換器203流出的，所以自氣體透平機205a得到較大數(shù)量的功。
如上面所指出的，熱交換器202a的熱負(fù)荷較熱交換器202的低。因此，圖12的這一修改系統(tǒng)的蒸汽生成能力要比圖11的低。但是，如果氣體透平機205a的入口溫度采用適當(dāng)，則由于通過量的增加造成的膨脹器輸出功的增加將超過壓縮補加空氣所需的附加功率。這就使得對蒸汽透平機的功率要求降低，同時其尺寸和蒸汽消耗也因之減小。
再者，在某些適當(dāng)?shù)呐蛎浧魅肟跍囟认?，蒸汽透平機蒸汽需求量的減少將超過蒸汽發(fā)生器(交換器202a)的蒸汽產(chǎn)量的減少。這時，圖12的修改過的工藝過程將比圖11所示的產(chǎn)生更多的輸出蒸汽。這相當(dāng)于在使用蒸汽來產(chǎn)生動力的通常情形下增加了動力輸出。隨著旁路空氣量增加，可以去掉蒸汽透平機206a。進一步增加空氣流量將減少蒸汽輸出，但借助于氣體膨脹增加了動力輸出。圖7、9和10中所示的另幾種設(shè)備配置可用于本具體實例。
圖12的工藝過程的一組有代表性的組合曲線示于圖14a和14b中，可以看出它們與“先有技術(shù)”工藝過程的(圖13a與13b)顯著不同。
雖然這一實例列舉了應(yīng)用本發(fā)明的一種極限情形，但它確實說明了與不用本發(fā)明的工廠設(shè)計相比，用本發(fā)明設(shè)計的工廠如何能有一個完全不同的熱回收網(wǎng)絡(luò)、不同的氣體壓縮和氣體膨脹系統(tǒng)、不同的產(chǎn)汽與膨脹系統(tǒng)，以及因此有很不同的動力產(chǎn)生特點。
本發(fā)明免除了現(xiàn)行設(shè)計實踐中的約束，即，將空氣壓縮機、尾氣膨脹器和尾氣熱回收設(shè)備的生產(chǎn)能力限制在由只供應(yīng)工藝過程在100%生產(chǎn)率時所需的空氣所決定的水平上。
1)沒有補加氣，則通過排出氣體的加熱與膨脹所能產(chǎn)生的動力數(shù)量受工藝過程排出氣量的限制。常常由于排出氣的質(zhì)量流速比進料氣低(因產(chǎn)物除去)和對膨脹器入口能達到的溫度的限制(因結(jié)構(gòu)材料或反應(yīng)溫度限制)，能投入排出氣流的高溫反應(yīng)熱比氣流能吸收的要多。引入補加氣克服了這一限制。
2)在工藝過程任何方便的地方都能與補加氣相混合的能力，使得對引入該氣體的熱力學(xué)的與經(jīng)濟的動機評價，能夠不受通常支配排出氣膨脹的過程壓力與溫度限制的約束。也就是說，補加氣的排放壓力、膨脹器入口溫度等，可以完全不考慮過程的排放氣流。這就有可能研究一個更寬的、經(jīng)濟上更有價值的條件范圍。實際上它甚至可能導(dǎo)致工藝條件本身的改變，從而創(chuàng)造出經(jīng)濟上更有利的綜合工藝過程系統(tǒng)。
3)本發(fā)明無論在新設(shè)計中還是在現(xiàn)有工廠的改造中都最大限度地利用了現(xiàn)有的產(chǎn)生動力的流程。這是因為本發(fā)明有效地疊加在現(xiàn)有的產(chǎn)生動力的結(jié)構(gòu)之上，從而免除了固定的或基礎(chǔ)的開支，并且使通過增加(臨界的)成本而增加產(chǎn)生的動力的花費變得經(jīng)濟合算。在一個新設(shè)計的修正方案中，動力的增加主要通過在減小了蒸汽透平機的功率和輔助產(chǎn)汽設(shè)備的大小的同時，增大的氣體壓縮機、氣體膨脹器馬力及用于加熱補加氣的熱交換器表面積增大來達到的。
4)本發(fā)明能得到比先有技術(shù)工廠高得多的輸出功率/輸出蒸汽比，而且能使這一比例比現(xiàn)行可能的更適合于現(xiàn)場功率/熱之比。在操作方面，它通過簡單地改變補加空氣的流量，可以改進各種現(xiàn)場功率/熱要求的適應(yīng)性。
討論一個模型的先有技術(shù)硝酸工藝過程。假定在權(quán)衡了資金與能量的利弊關(guān)系之后，發(fā)現(xiàn)總組合曲線30°F最小接近溫度是常規(guī)工藝過程的最佳情形。假定采用以下的工藝及設(shè)備操作參數(shù)尾氣膨脹器等熵效率85%入口壓力148磅/平方英寸(10.2巴)出口壓力15.2磅/平方英寸(1.05巴)最大允許入口溫度1373°F(745℃)尾氣流量＝231880磅/小時(105180公斤/小時)MW1＝28.192初級空氣壓縮機等熵效率80%入口溫度59°F(15℃)入口壓力14.7磅/平方英寸(1.01巴)排放壓力47磅/平方英寸(3.24巴)分兩階段壓縮，中間冷卻到86°F(30℃)空氣流量＝294740磅/小時(133693公斤/小時)蒸汽系統(tǒng)在856磅/平方英寸(59巴)與932°F(500℃)下產(chǎn)汽。
透平機廢汽壓力＝145磅/平方英寸(10.0巴)等熵效率＝75%
常規(guī)工廠具有以下的壓縮與動力消耗特性初級空氣壓縮＝7075馬力(5275千瓦)膨脹器功率輸出＝17130馬力(12775千瓦)產(chǎn)汽＝54600磅/小時(24766公斤/小時)功率輸出＝3415馬力(2545千瓦)對于中間反應(yīng)產(chǎn)物氣體另有一定的附加過程壓縮需求量(所謂NOx壓縮)。取其為6000馬力。
于是，工廠的凈功率輸出＝膨脹器輸出+蒸汽透平機輸出-初級空氣壓縮-NOx壓縮＝17130+3415-7075-6000＝7470馬力(5570千瓦)現(xiàn)在討論在相同的硝酸產(chǎn)量下使用本發(fā)明的同一硝酸工藝過程。為舉例說明起見，選擇旁路流量為初級空氣壓縮流量的附加的50%。采用分兩階段、每階段都中間冷卻至86°F的方法壓縮旁路空氣。
排放壓力＝152.3磅/平方英寸(10.5巴)等熵效率＝80%次級空氣流量＝147370磅/小時(66845公斤/小時)修改過的工藝過程的壓縮與動力消耗特點計算結(jié)果如下初級空氣壓縮＝10610馬力(7910千瓦)次級空氣壓縮＝3600馬力(2685千瓦)膨脹器動力輸出＝27880馬力(20750千瓦)產(chǎn)汽＝25500磅/小時(11566公斤/小時)
動力輸出＝1610馬力(1200千瓦)NOx壓縮＝6000馬力(4475千瓦)改造過的工廠的凈動力輸出＝27830+1610-10610-3600-6000＝9230馬力(6880千瓦)這樣，本發(fā)明的實施使工藝過程的動力產(chǎn)量增加了1760馬力(1310千瓦)或原動力輸出能力的23.6%。
權(quán)利要求
1.一種放熱化學(xué)反應(yīng)方法，在設(shè)計成在預(yù)定的滿負(fù)荷條件下運行的工廠內(nèi)于高于大氣壓下進行，這種操作方法產(chǎn)生了多余的高溫?zé)幔@種熱的一部分用來將反應(yīng)生成的壓縮氣加熱，該氣體然后膨脹作功，用一部分可利用的多余高溫?zé)釋⒀a充到方法所需氣或生成氣中的適量壓縮氣加熱，使該壓縮氣膨脹以產(chǎn)生附加功，此補加氣的數(shù)量使膨脹氣體的總量大于該方法在滿負(fù)荷條件下運行但未加補加氣時可用于膨脹的氣體量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中補加氣體的數(shù)量使可用于膨脹的氣體比不加補加氣時至少增加10%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中補加氣體的數(shù)量使可用于膨脹的氣體比不加補加氣時至少增加20%。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中補加氣體的數(shù)量使可用于膨脹的氣體增加20%至100%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4的任何一個所述的方法，其中欲膨脹的氣體處在500-1500℃的溫度下。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中欲膨脹的氣體處在600-850℃的溫度下。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6的任何一個所述的方法，其中補加氣與反應(yīng)的進料氣相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7的任何一個所述的方法，其中離開反應(yīng)過程的熱氣體的壓力比進料氣的壓力低，而補加氣被加壓到低于進料氣的壓力。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7的任何一個所述的方法，其中由放熱反應(yīng)過程產(chǎn)生的要膨脹的熱氣體的壓力比進料氣壓力高，而補加氣體被加壓到高于進料氣的壓力。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中補加氣先被壓縮到與進料氣的壓力相同，接著在加熱與膨脹之前進一步加壓。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10的任何一個所述的方法，其中反應(yīng)是以空氣為進料氣的氧化反應(yīng)，補加氣也是空氣。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中的反應(yīng)是制造硝酸中的氨的氧化。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中補加空氣的量為工廠在滿負(fù)荷條件下運行時空氣需要量的20-75%。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至12的任何一個所述的方法，其中補加氣與反應(yīng)過程產(chǎn)生的熱氣體分別地膨脹。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至12的任何一個所述的方法，其中補加氣在第一階段與反應(yīng)生成的熱氣體分別地膨脹，而在第二階段與該熱氣體一起膨脹。
16.根據(jù)權(quán)利要求1中的方法，其中補加氣為空氣，在膨脹之前于補加空氣中或補加空氣與反應(yīng)生成的熱氣體的混合物中燃燒一種燃料。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中蒸汽與欲膨脹的熱氣體相混合。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至15的任何一個所述的方法，其中補加氣為空氣，該氣體與反應(yīng)生成的熱氣體的混合物和一種燃料進行催化放熱反應(yīng)。
全文摘要
在利用放熱反應(yīng)方法生成的熱氣體膨脹作功方面所作的改進，該放熱反應(yīng)方法以具有多余高溫?zé)崃繛樘厣?，并且在高于大氣壓的壓力下進行。改進方法是向過程在滿負(fù)荷條件下運行時所需的或產(chǎn)生的氣體中補加壓縮氣體，用部分可利用的多余高溫?zé)崃繉⒃撗a加氣加熱，然后使氣體膨脹作功。補加氣體的數(shù)量使所膨脹的氣體總量大于過程在滿負(fù)荷條件下運行但不加補加氣時可用于膨脹的氣體量。
文檔編號F01K27/02GK1044515SQ8910046
公開日1990年8月8日 申請日期1989年1月27日 優(yōu)先權(quán)日1989年1月27日
發(fā)明者博多·林霍夫, 約翰·艾力克·迪勒爾, 布魯斯·倫納德·普雷蒂 申請人:國家研究發(fā)展公司