本发明涉及一种合成氨制尿素的节能工艺及其系统，解决了现有合成氨制尿素工艺中高压能消耗大的问题。本发明充分利用合成氨高压分离后液氨的压力能，使减压前液氨的高压力能得到充分利用，使氨合成和尿素工艺流程实现了有机结合，分离产生的液氨和液氨产品流量基本相同，避免了被增压流体的波动，通过压力交换器缸体两端阀门组有规律的调控，实现了连续稳定增压。本发明工艺简单、高压能利用率高、可连接性操作、投资成本和运行成本低、设备安装运行可靠性高。
1.一种合成氨制尿素的节能系统，包括合成氨回路和尿素装置，其特征在于，还包括有压力交换器，所述压力交换器包括高压端控制阀组、上、下压力交换器缸体以及低压端止回阀组；所述合成氨回路的粗氨管路经高压氨分离器、高压端控制阀组分别与上压力交换器缸体和下压力交换器缸体的一端连接；所述上压力交换器缸体和下压力交换器缸体的一端还经高压端控制阀组、中压氨闪蒸槽、氨增压泵与加热器连接；所述加热器经低压端止回阀组分别与上压力交换器缸体和下压力交换器缸体的另一端连接；所述上压力交换器缸体和下压力交换器缸体的另一端还经低压端止回阀组、高压氨泵与尿素装置连接。
2.如权利要求1所述的合成氨制尿素的节能系统，其特征在于，所述高压端控制阀组由四个控制阀组成，第一控制阀安装在上压力交换器缸体的一端与高压氨分离器连接管道上，第二控制阀安装在上压力交换器缸体的一端与中压氨闪蒸槽连接的管道上，第三控制阀安装在下压力交换器缸体的一端与高压氨分离器连接管道上，第四控制阀安装在下压力交换器缸体的一端与中压氨闪蒸槽连接的管道上。
3.如权利要求1所述的合成氨制尿素的节能系统，其特征在于，所述低压端止回阀组由四个止回阀组成，第一止回阀安装在上压力交换器缸体的另一端与尿素装置连接管道上，第二止回阀安装在上压力交换器缸体的另一端与加热器的连接管道上，第三止回阀安装在下压力交换器缸体的另一端与尿素装置连接管道上，第四止回阀安装在下压力交换器缸体的另一端与加热器的连接管道上。
4.如权利要求1-3任一项所述的合成氨制尿素的节能系统，其特征在于，所述上压力交换器缸体和下压力交换器缸体的两端均设有位置开关。
5.如权利要求4所述的合成氨制尿素的节能系统，其特征在于，所述位置开关与控制系统的输入端连接，所述控制系统的输出端与所述高压端控制阀组的控制器连接。
6.如权利要求4所述的合成氨制尿素的节能系统，其特征在于，所述位置开关为磁耦合开关，所述上压力交换器缸体和下压力交换器缸体内的活塞上嵌与磁耦合开关对应的环形永磁体。
7.如权利要求1-3任一项所述的合成氨制尿素的节能系统，其特征在于，所述加热器为冷冻回路中的液氨加热器。
8.一种合成氨制尿素的节能工艺，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的合成氨制尿素的节能系统，处于第一工作状态时，上压力交换器缸体的活塞位于缸体内的一端，下压力交换器缸体的活塞位于缸体内的另一端，所述合成氨回路生产的粗氨进入高压氨分离器分离出高压液氨，高压液氨经高压端控制阀组进入上压力交换器缸体的一端，推动缸体内的活塞由一端向另一端移动，使上压力交换器缸体内的低压液氨被增压后形成增压液氨排出缸体并经低压端止回阀组、高压氨泵送入尿素装置，同时经加热器加热后的低压液氨经低压端止回阀组、进入下压力交换器缸体的另一端，推动缸体内的活塞由另一端向一端移动，使下压力交换器缸体内的高压液氨被泄压形成泄压液氨后被排出缸体，泄压液氨经中压闪蒸槽、氨增压泵送入加热器中加热；此时，处于第二工作状态时，上压力交换器缸体的活塞位于缸体内的另一端，下压力交换器缸体的活塞位于缸体内的一端，所述高压氨分离器分离出高压液氨经高压端控制阀组进入下压力交换器缸体的一端，推动缸体内的活塞由一端向另一端移动，使下压力交换器缸体内的低压液氨被增压形成增压液氨排出缸体并经低压端止回阀组、高压氨泵送入尿素装置，同时经加热器加热后的低压液氨经低压端止回阀组进入上压力交换器缸体的另一端，推动缸体内的活塞由另一端向一端移动，使上压力交换器缸体内的高压液氨被泄压形成泄压液氨被排出缸体，泄压液氨经中压闪蒸槽、氨增压泵送入加热器，上述两个工作状态交替进行；所述高压氨分离器分离出高压液氨的压力为11～14MpaG，所述低压液氨的压力为2～6MpaG，所述泄压液氨的压力为2～5MpaG，所述增压液氨的压力为10～14MpaG。
9.如权利要求8所述的合成氨制尿素的节能工艺，其特征在于，所述第一工作状态时，高压端控制阀组的第一控制阀和第四控制阀开启，第二控制阀和第三控制阀关闭；所述第二工作状态时，高压端控制阀组的第二控制阀和第三控制阀开启，第一控制阀和第四控制阀关闭。
10.如权利要求8或9所述的合成氨制尿素的节能系统，其特征在于，所述经加热器加热后的低压液氨的温度为18～22℃。
一种合成氨制尿素的节能工艺及其系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种合成氨制尿素工艺及其系统，具体的说是一种合成氨制尿素的节能工艺及其系统。
背景技术
[0002] 近年来随着煤炭、电力等能源价格的大幅度上涨，导致合成氨尿素这一高耗能产业生产成本的明显增加，电价等的上涨要求整个氮肥产业需进一步在设计中优化流程，确立切实可行的节能措施，降低能源消耗，这对于优化整个氮肥行业的产能具有重要意义。
[0003] 目前工业上先进的氨合成工艺技术均采用中低压氨合成流程，冷冻循环采用封闭式循环回路，氨合成生产的液氨产品经过直接换热后送至尿素装置；尿素制备一般采用CO2气提工艺，液氨产品经高压氨泵加压后经高压喷射器注入冷凝器。其中氨合成过程的操作压力通常为12～15MPaG，尿素合成的操作压力也在13～14MPaG，产生高压能的消耗在整个系统运行中占很大比重，是影响产品成本的主要因素之一，因此探求合理的工艺技术降低高压能耗从而降低产品成本十分必要。
[0004] 氨合成塔出来经冷却后的粗氨几乎具有与合成过程同等的压力水平，为11～14 MPaG，粗氨一般要经过高压分离和中压分离产出液氨产品，在液氨由高压分离11～14 MPaG至中压分离2～5 MPaG这一过程中，一般直接采用减压阀、孔板减压，液体压力能被白白损失掉，而产品液氨送至尿素合成又需要将液氨产品增压至15～18MPaG，如此反复增加了装置消耗，尤其是此条件下的高压氨泵一般还需要进口，成本和消耗都非常大，因此如何合理利用粗氨中的高压能，对于大幅降低整个合成氨尿素系统运行消耗及产品成本均具有重要的现实意义。
发明内容
[0005] 本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种工艺简单、高压能利用率高、可连接性操作、投资成本和运行成本低、设备安装运行可靠性高的合成氨制尿素的节能工艺。
[0006] 本发明还提供一种用于上述工艺的合成氨制尿素的节能系统。
[0007] 本发明系统包括合成氨回路和尿素装置，还包括有压力交换器，所述压力交换器包括高压端控制阀组、上、下压力交换器缸体以及低压端止回阀组；所述合成氨回路的粗氨管路经高压氨分离器、高压端控制阀组分别与上压力交换器缸体和下压力交换器缸体的一端连接；所述上压力交换器缸体和下压力交换器缸体的一端还经高压端控制阀组、中压氨闪蒸槽、氨增压泵与加热器连接；所述加热器经低压端止回阀组分别与上压力交换器缸体和下压力交换器缸体的另一端连接；所述上压力交换器缸体和下压力交换器缸体的另一端还经低压端止回阀组、高压氨泵与尿素装置连接。
[0008] 所述高压端控制阀组由四个控制阀组成，第一控制阀安装在上压力交换器缸体的一端与高压氨分离器连接管道上，第二控制阀安装在上压力交换器缸体的一端与中压氨闪蒸槽连接的管道上，第三控制阀安装在下压力交换器缸体的一端与高压氨分离器连接管道上，第四控制阀安装在下压力交换器缸体的一端与中压氨闪蒸槽连接的管道上。
[0009] 所述低压端止回阀组由四个止回阀组成，第一止回阀安装在上压力交换器缸体的另一端与尿素装置连接管道上，第二止回阀安装在上压力交换器缸体的另一端与加热器的连接管道上，第三止回阀安装在下压力交换器缸体的另一端与尿素装置连接管道上，第四止回阀安装在下压力交换器缸体的另一端与加热器的连接管道上。
[0010] 所述上压力交换器缸体和下压力交换器缸体的两端均设有位置开关。
[0011] 所述位置开关与控制系统的输入端连接，所述控制系统的输出端与所述高压端控制阀组的控制器连接。
[0012] 所述位置开关为磁耦合开关，所述上压力交换器缸体和下压力交换器缸体内的活塞上嵌与磁耦合开关对应的环形永磁体。
[0013] 所述加热器为冷冻回路中的液氨加热器。
[0014] 本发明合成氨制尿素的节能工艺，采用上述合成氨制尿素的节能系统，处于第一工作状态时，上压力交换器缸体的活塞位于缸体内的一端，下压力交换器缸体的活塞位于缸体内的另一端，所述合成氨回路生产的粗氨进入高压氨分离器分离出高压液氨，高压液氨经高压端控制阀组进入上压力交换器缸体的一端，推动缸体内的活塞由一端向另一端移动，使上压力交换器缸体内的低压液氨被增压后形成增压液氨排出缸体并经低压端止回阀组、高压氨泵送入尿素装置，同时经加热器加热后的低压液氨经低压端止回阀组、进入下压力交换器缸体的另一端，推动缸体内的活塞由另一端向一端移动，使下压力交换器缸体内的高压液氨被泄压形成泄压液氨后被排出缸体，泄压液氨经中压闪蒸槽、氨增压泵送入加热器中加热；此时，处于第二工作状态时，上压力交换器缸体的活塞位于缸体内的另一端，下压力交换器缸体的活塞位于缸体内的一端，所述高压氨分离器分离出高压液氨经高压端控制阀组进入下压力交换器缸体的一端，推动缸体内的活塞由一端向另一端移动，使下压力交换器缸体内的低压液氨被增压形成增压液氨排出缸体并经低压端止回阀组、高压氨泵送入尿素装置，同时经加热器加热后的低压液氨经低压端止回阀组进入上压力交换器缸体的另一端，推动缸体内的活塞由另一端向一端移动，使上压力交换器缸体内的高压液氨被泄压形成泄压液氨被排出缸体，泄压液氨经中压闪蒸槽、氨增压泵送入加热器，上述两个工作状态交替进行。
[0015] 所述第一工作状态时，高压端控制阀组的第一控制阀和第四控制阀开启，第二控制阀和第三控制阀关闭；所述第二工作状态时，高压端控制阀组的第二控制阀和第三控制阀开启，第一控制阀和第四控制阀关闭。
[0016] 所述高压氨分离器分离出高压液氨的压力为11～14 MpaG，所述低压液氨的压力为2～6 MpaG，所述泄压液氨的压力为2～5 MpaG，所述增压液氨的压力为10～14 MpaG。
[0017] 所述经加热器加热后的低压液氨的温度为18～22℃。
[0018] 通过泄压后的泄压液氨进入中压闪蒸槽，中压闪蒸槽能够对泄压液氨进一步净化提纯，同时也为泄压液氨、低压液氨起到缓冲作用，之后再通过氨增压泵，使得在对一压力交换器缸体增压的同时，另一缸体的泄压液氨得以排放，由于闪蒸气的量微小，因此上、下压力交换器缸体两侧的流量基本一致，从而降低了系统运行操作的复杂性。
[0019] 利用控制高压端控制阀组相应阀门的开闭以及低压端止回阀组的配合使两个压力交换器缸体即功交换容器交替工作，使液氨产品能够被连续增压、泄压，使液氨能够被连续排放，保证工艺的连续性。
[0020] 泄压液氨通过冷冻回路中的液氨加热器与冷冻回路中液氨进行热交换，使泄压液氨升温至18～22℃，即能解决本工艺中泄压液氨的升温要求，又能解决冷冻回路中液氨的降温要求。
[0021] 在上、下压力交换器缸体的两端设置磁耦合开关作为位置开关，以检测活塞在缸体内的位置，并将检测位置的信号输入控制系统，通过控制系统的比较判定输出控制信号给高压端控制阀组，控制各阀门的开闭，成功实现每一步的精确控制。在保证始终有一个压力交换器缸体处于高压状态前提下，泄压过程需要的时间和增压过程需要的时间更接近，使得被增压的液氨产品的流量供给更连续，且无须担心需要保证阀门的开启和关闭需要同步进行的问题。
[0022] 本发明所述工艺能充分利用合成氨高压分离后液氨的压力能，使减压前液氨的高压力能得到充分利用，使氨合成和尿素工艺流程实现了有机结合，分离产生的液氨和液氨产品流量基本相同，避免了被增压流体的波动，通过压力交换器缸体两端阀门组有规律的调控，实现了连续稳定增压，本发明装置在运行过程中并不再附加其它外界能量的输入，使尿素用高压氨泵的负荷尽最大程度上得到降低，避免进口设备的高成本，同时压差降低也降低了泵连续运行中的高电耗。在本发明设计中充分考虑了操作的安全性，利用压力交换器缸体中的活塞分隔开两端流体，避免了粗氨中微量组分可能对尿素合成产生的影响。
[0023] 此工艺压力能的交换效率可达90～95%，使得整个系统运行能耗更少、更经济。以一“5080”规模的合成氨尿素装置而言，优化后的方案比原方案能耗降低接近600kW，仅此一项每年能节省约300万人民币的运行成本，由此可见本发明应用后的节能效果明显。本发明系统能轻松与合成氨回路、冷冻回路以及尿素合成装置对接，满足各回路及装置液氨的工艺要求，整个系统结构简单、操作简便、节能降耗、可靠性好。
附图说明
[0024] 图1为本发明工艺流程图暨系统结构图。
[0025] 图2为本发明压力交换器的第一工作状态的控制使用示意图。
[0026] 图3为本发明压力交换器的第二工作状态的控制使用示意图。
[0027] 图4为隔离活塞的剖视图。
[0028] 图5为控制原理图。
[0029] 其中，1—高压氨分离器、2— 中压氨闪蒸槽、3-上压力交换器缸体、4—下压力交换器缸体、5— 氨增压泵、6—冷冻回路、6.1-液氨加热器、7— 高压氨泵、8—高压端控制阀组、XV01-第一控制阀、XV02-第二控制阀、XV03-第三控制阀、XV04-第四控制阀、9—低压端止回阀组、CV01-第一止回阀、CV02-第二止回阀、CV03-第三止回阀、CV04-第四止回阀、10—隔离活塞、ZS01-第一位置开关、ZS02-第二位置开关、ZS03-第三位置开关、ZS04-第四位置开关、11-合成氨回路、12-尿素装置、13-环形永磁体。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图对本发明系统及工艺过程作进一步解释说明：
[0031] 本发明系统包括合成氨回路11和尿素装置12，还包括有压力交换器，所述压力交换器包括高压端控制阀组8、上、下压力交换器缸体3、4以及低压端止回阀组9；所述合成氨回路11的粗氨管路经高压氨分离器1、高压端控制阀组8分别与上压力交换器缸体3和下压力交换器缸体4的一端连接；所述上压力交换器缸体3和下压力交换器缸体4的一端还经高压端控制阀组8、中压氨闪蒸槽2、氨增压泵5与冷冻回路6中的液氨加热器6.1连接；所述冷冻回路6中的液氨加热器6.1经低压端止回阀组9分别与上压力交换器缸体3和下压力交换器缸体4的另一端连接；所述上压力交换器缸体3和下压力交换器缸体4的另一端还经低压端止回阀组9、高压氨泵7与尿素装置12连接。
[0032] 参照图2，所述高压端控制阀组8由四个控制阀组成，第一控制阀XV01安装在上压力交换器缸体3的一端与高压氨分离器1连接管道上，第二控制阀XV02安装在上压力交换器缸体3的一端与中压氨闪蒸槽2连接的管道上，第三控制阀XV03安装在下压力交换器缸体4的一端与高压氨分离器1连接管道上，第四控制阀XV04安装在下压力交换器缸体4的一端与中压氨闪蒸槽2连接的管道上。
[0033] 参照图2，所述低压端止回阀组9由四个止回阀组成，第一止回阀CV01安装在上压力交换器缸体3的另一端与尿素装置12连接管道上，可实现上压力交换器缸体3内的液体向尿素装置12方向的单向流动；第二止回阀CV02安装在上压力交换器缸体3的另一端与液氨加热器6.1的连接管道上，可实现液氨加热器6.1内的液体向上压力交换器缸体3方向的单向流动；第三止回阀CV03安装在下压力交换器缸体4的另一端与尿素装置12的连接管道上，可实现下压力交换器缸体4内的液体向尿素装置12方向的单向流动；第四止回阀CV04安装在下压力交换器缸体4的另一端与液氨加热器6.1的连接管道上，可实现液氨加热器6.1内的液体向下压力交换器缸体4方向的单向流动。
[0034] 所述上压力交换器缸体3的一端设第二位置开关ZS02，另一端设第一位置开关ZS01，下压力交换器缸体4的一端设第四位置开关ZS04，另一端设第三位置开关ZS03，所述位置开关为磁耦合开关，参照图4，所述上压力交换器缸体3和下压力交换器缸体内4的隔离活塞10上嵌与磁耦合开关对应的环形永磁体13，当隔离活塞10靠近某一位置开关时，则环形永磁体13会被对应的位置开关检测到。参照图5，所有所述位置开关均与控制系统的输入端连接，所述控制系统的输出端与所述高压端控制阀组的控制器连接。所述控制系统优选DCS控制系统。所述高压端控制阀组8中的四个控制阀优选采用气动轨道球阀，所述低压端止回阀组9由四个止回阀优选采用对夹旋启式止回阀。
[0035] 工艺过程：
[0036] 参照图2，处于第一工作状态时，上压力交换器缸体3的隔离活塞10位于缸体内的一端，下压力交换器缸体4的隔离活塞10位于缸体内的另一端，从而被第二位置开关ZS02和第三位置开关ZS03检测到，该位置信号被传送至控制系统，控制系统控制高压端控制阀组的第一控制阀和第四控制阀开启，第二控制阀和第三控制阀关闭；所述合成氨回路11生产的粗氨E（压力为11～14MPaG，温度为-5～0℃）进入高压氨分离器1分离出高压液氨A（压力为11～14MPaG、温度为-5～0℃，分离出的循环气F回送至合成氨回路11），高压液氨A经高压端控制阀组的第一控制阀XV01进入上压力交换器缸体3的一端，推动缸体内的隔离活塞10由一端向另一端移动，使上压力交换器缸体3内的低压液氨C被增压后形成增压液氨D（压力为10～14MPaG。温度为18～22℃）排出缸体并经低压端止回阀组的第一止回阀CV01、高压氨泵7增压至15～18MpaG后送入尿素装置12，同时经冷冻回路6的液氨加热器6.1与冷冻回路6中的液氨进行热交换后的低压液氨（温度为18～22℃、压力为2～6 MpaG）经低压端止回阀组9的第四止回阀CV04进入下压力交换器缸体4的另一端，推动缸体内的隔离活塞10由另一端向一端移动，使下压力交换器缸体4内泄压的高压液氨A排出缸体形成泄压液氨B（压力为2～5 MpaG，温度为-5～0℃）并经中压闪蒸槽2（在2～5MpaG的压力下进行闪蒸，微量闪蒸气G回送至合成氨回路11）闪蒸、产品液氨经氨增压泵增压至2.5～6MpaG再送入加热器中加热至18-22℃；参照图3，此时，处于第二工作状态，上压力交换器缸体3的隔离活塞10位于缸体内的另一端，下压力交换器缸体4的隔离活塞10位于缸体内的一端，从而被第一位置开关ZS01和第四位置开关ZS04检测到，该位置信号被传送至控制系统，控制系统控制高压端控制阀组9的第二控制阀XV02和第三控制阀XV03开启，第一控制阀XV01和第四控制阀XV04关闭；所述高压氨分离器1分离出高压液氨A经高压端控制阀9组进入下压力交换器4缸体的一端，推动缸体内的隔离活塞10由一端向另一端移动，使下压力交换器4缸体内的低压液氨C被增压形成增压液氨D排出缸体并经低压端止回阀组的第三止回阀CV03、高压氨泵7增压至15～18MpaG后送入尿素装置12，同时经液氨加热器6.1加热后的低压液氨C经低压端止回阀组9的第二止回阀CV02进入上压力交换器缸体3的另一端，推动缸体内的隔离活塞10由另一端向一端移动，使上压力交换器缸体3内的泄压的高压液氨A被排出缸体形成泄压液氨B后并经中压闪蒸槽2、氨增压泵5送入冷冻回路6的液氨加热器6.1与冻冻回路6中的液氨进行换热升温。
此时，上、下压力交换器缸体3、4中的隔离活塞位置回到第一工作状态，控制系统控制两个工作状态交替进行，两个压力交换器缸体中的增压和泄压过程是交替进行的，一个缸体增压同时另一缸体进行泄压，双缸始终处于相反的工作状态，以保证液氨产品进料流量的连续，使得整个过程连续稳定的进行。
