NH3與CO2的摩爾比連續(xù)自動測定系統(tǒng)應(yīng)用

劉芳，盧喜華

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

工業(yè)中用NH3和CO2在一定條件下合成尿素，尿素合成反應(yīng)是一個可逆反應(yīng)：

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)平衡原理可知，增加反應(yīng)物NH3的物質(zhì)的量，必然提高CO2轉(zhuǎn)化為尿素的轉(zhuǎn)化率，而水的增加會使尿素生產(chǎn)反應(yīng)向逆反應(yīng)方向移動。提高反應(yīng)物料中水與CO2的摩爾比，即水碳比，CO2轉(zhuǎn)化率將下降，物料中水碳比每增加0.1，CO2轉(zhuǎn)化率下降1.5%～2.0%。合成系統(tǒng)物料中NH3與CO2的摩爾比xNH3/xCO2，在尿素生產(chǎn)工藝中，提高xNH3/xCO2值能提高CO2轉(zhuǎn)化率，在壓力14.3 MPa，水碳比=0.49，xNH3/xCO2對CO2轉(zhuǎn)化率的影響見表1所列。

提高xNH3/xCO2值能抑制縮二脲的生成，保證產(chǎn)品質(zhì)量，同時減輕甲銨液對高壓設(shè)備的腐蝕，但是由表1可知，當xNH3/xCO2值超過3.35時，CO2轉(zhuǎn)化率反而下降，因此過高的xNH3/xCO2值也是不合適的。并且，xNH3/xCO2值增大時，物料對應(yīng)的飽和蒸氣壓也會升高，從而需要提高合成系統(tǒng)的操作壓力才能保持物質(zhì)處于液態(tài)，使CO2機組和NH3泵、甲銨泵的負荷提高；同時提高xNH3/xCO2值也增加了未反應(yīng)NH3的循環(huán)量，從而減少了合成塔的有效反應(yīng)空間，降低了合成塔的處理能力，加大了回收工序的負荷和能耗。因此，控制合理的xNH3/xCO2值，對于提高尿素的生成率，在尿素合成系統(tǒng)中獲得一個平衡、高效的操作，是十分必要的。

表1 xNH3/xCO2對CO2轉(zhuǎn)化率的影響 %

隨著國內(nèi)尿素裝置規(guī)模越來越大，尿素裝置的長周期穩(wěn)定運行顯得尤為重要。而尿素合成塔的xNH3/xCO2值作為尿素裝置穩(wěn)定運行的重要參數(shù)，如果能實現(xiàn)自動連續(xù)準確測定將有助于提高裝置的運行平穩(wěn)性和增產(chǎn)增效。目前國內(nèi)絕大部分尿素裝置通過手動取樣分析來測定高壓圈合成塔的xNH3/xCO2值。這種操作方法存在分析周期長、人為干擾多、準確性較差、不能及時準確判斷裝置的運行狀況、不能保證裝置在最佳狀態(tài)運行等缺點。也有工廠采用色譜分析儀、重力分析儀等在線氣相分析方法，但都不能解決結(jié)晶堵塞、腐蝕儀器、精確度不高等問題，使用效果不理想。

內(nèi)蒙古某項目0.52 Mt/a尿素裝置采用連續(xù)自動測定尿素溶液xNH3/xCO2值的系統(tǒng)是一種流程簡單、省投資、易于操作、不易結(jié)晶、抗腐蝕性強的工藝系統(tǒng)，在實際運用中取得良好的效果。

1 系統(tǒng)工作原理

由于冷卻水溫度在白天和夜晚不同，CO2壓縮機在夜間效率提高，合成氨裝置能生產(chǎn)的CO2相應(yīng)增多，從而造成了xNH3/xCO2值的變化。如圖1所示，在一定的溫度和壓力條件下，尿素合成塔流出物的密度與xNH3/xCO2值呈線性關(guān)系。通過測量尿素合成塔流出物的密度，再經(jīng)過數(shù)學(xué)模型運算，即可得出xNH3/xCO2值。

圖1 尿素合成塔出口試樣xNH3/xCO2值示意

2 系統(tǒng)工藝流程

連續(xù)自動測定尿素溶液xNH3/xCO2值的系統(tǒng)工藝流程如圖2所示，通過組合閥從尿素合成塔到汽提塔的尿素溶液主管上連續(xù)不斷的引出尿素溶液試樣，試樣溫度為183 ℃，壓力為14.0 MPa。組合閥為集成2臺手動閥和2臺開關(guān)閥的三閥組，其中開關(guān)閥接高壓沖洗水泵，沖洗取樣管線的目的是防止試樣管線結(jié)晶堵塞。當試樣流量過小或溫度過高或壓力過高時高壓沖洗水泵均會自動啟動，高壓沖洗冷凝液就會送入開關(guān)閥沖洗試樣通路。2個手動閥門為試樣通路，通過分別關(guān)閉通路上不同的閥門可以分別沖洗去xNH3/xCO2值控制柜管線及去尿素溶液主管的取樣管線，防止管線結(jié)晶。由組合閥引出的試樣通過取樣冷卻器后溫度降低到50 ℃，所用冷卻介質(zhì)為38 ℃的脫鹽水，通過控制脫鹽水量來嚴格控制試樣溫度，誤差不超過±1 ℃。試樣降溫后通過后，壓力降到2.1 MPa，減壓裝置為毛細管，介質(zhì)高速流過減壓裝置將壓力從14.0 MPa降到2.1 MPa。再由壓力控制閥將經(jīng)過減壓裝置后的試樣壓力控制在(2.1±0.1)MPa。經(jīng)減溫減壓后，50 ℃及2.1 MPa的試樣進入科里奧利質(zhì)量流量計。將流量計實測的密度信號輸送至PLC，經(jīng)過數(shù)學(xué)模型計算出試樣的xNH3/xCO2值，并將計算結(jié)果傳送至DCS進行監(jiān)視。操作人員通過實時測出的xNH3/xCO2值，可以及時手動調(diào)整進高壓圈合成塔的NH3流量，使xNH3/xCO2值穩(wěn)定在最佳范圍內(nèi)。

圖2 連續(xù)自動測定尿素溶液xNH3/xCO2值的系統(tǒng)工藝流程示意

為了保證尿素溶液試樣在密度測量裝置的溫度恒定在50 ℃，連續(xù)自動測定尿素溶液xNH3/xCO2值的系統(tǒng)測量柜內(nèi)安裝了電加熱器，當機柜內(nèi)空氣溫度低于50 ℃時自動啟動電加熱器使柜內(nèi)溫度保持恒定。

3 系統(tǒng)集成

系統(tǒng)的控制柜內(nèi)上半部分設(shè)密閉的單獨加熱柜，加熱柜內(nèi)裝有減壓裝置、密度計、檢測試樣減壓后管線的壓力和溫度儀表。加熱柜外的控制柜內(nèi)裝有取樣冷卻器，取樣冷卻器進出口管線上的溫度測量儀表、壓力測量儀表、流量測量儀表、溫度控制閥等儀表，進單獨加熱柜的儀表空氣管線上裝有轉(zhuǎn)子流量計和自力式控制閥?？刂乒駜?nèi)管線布置緊湊，遵循取壓管線不能彎曲，盡可能短的原則，以防結(jié)晶。

該系統(tǒng)的控制柜安裝簡便，僅需要把尿素溶液試樣出、入口管線，蒸汽冷凝液入口管線，儀表空氣入口管線，工藝介質(zhì)放空管線，廢液排放管線等，通過法蘭與控制柜側(cè)法蘭連接即可，大幅地減少了現(xiàn)場的施工量。系統(tǒng)控制柜結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 連續(xù)自動測定尿素溶液xNH3/xCO2值的系統(tǒng)控制柜示意

控制系統(tǒng)采用PLC系統(tǒng)控制，采用1只獨立的PLC現(xiàn)場控制柜與連續(xù)自動測定尿素溶液xNH3/xCO2值的系統(tǒng)控制柜并排放置。PLC現(xiàn)場控制柜通過光纖傳送到PLC操作站進行顯示，從PLC操作站通過網(wǎng)線傳送到DCS操作站進行顯示、監(jiān)控。

4 系統(tǒng)投用前的必要條件

該系統(tǒng)投用前的必要條件如下： 合成塔出料后至少30 min以上；合成塔出液溫度175～180 ℃；高壓系統(tǒng)壓力14～18 MPa；合成塔液位至少在50%處；沖洗水溫度至少為50 ℃， 90 ℃最佳；沖洗整個系統(tǒng)的所有管線直至?xí)惩?，低壓下不帶毛細管進行沖洗，高壓下帶毛細管進行沖洗。

5 系統(tǒng)運行故障處理

1)發(fā)現(xiàn)毛細管堵塞后需進行不少于20 min的沖洗，同時顛倒毛細管安裝方向。

2)發(fā)現(xiàn)取樣管線中尿素溶液試樣的溫度不在50 ℃±1 ℃范圍內(nèi)后，需采取下列措施： 檢查冷卻水溫度，若冷卻水溫度過高，需要打開冷卻水放空，同時檢查冷卻器中的盤管是否損壞；檢查冷卻水流量，判斷是否為冷卻水系統(tǒng)泄漏或者無流量；檢查取樣冷卻器入口處的溫度控制閥，判斷閥門是否打開；清潔冷卻器盤管上的結(jié)垢，結(jié)垢可能降低換熱性能。

3)發(fā)現(xiàn)沖洗水泵壓力低于工藝操作壓力0.5 MPa后，需采取下列措施：

a)檢查所有沖洗水管線上的閥門都打開，確保沖洗水流通。

b)檢查沖洗水泵中是否有足夠的潤滑劑和液壓油，及時更換液壓油和齒輪箱油；檢查沖洗水泵的薄膜是否損壞。

c)檢查是否有空氣進入吸入管線，例如： 由于閥門泄漏導(dǎo)致空氣的進入。

4)發(fā)現(xiàn)xNH3/xCO2值不正確后，需采取下列措施： 將系統(tǒng)連續(xù)自動測定xNH3/xCO2值和手動檢測的實驗室數(shù)據(jù)對比，至少對比3 d；檢查經(jīng)過減溫減壓裝置后的尿素溶液試樣的溫度是否為49～51 ℃；沖洗系統(tǒng)并檢查水的密度值，在50 ℃時水的密度約為997 kg/m3。

6 結(jié)束語

采用連續(xù)自動測定尿素溶液xNH3/xCO2值的系統(tǒng)后，尿素裝置合成塔中的xNH3/xCO2值一直處于優(yōu)化的控制狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)尿素裝置的穩(wěn)定運行，同時提高了合成塔的效率，使蒸汽消耗降低4%。由高壓系統(tǒng)進入低壓系統(tǒng)的氨耗顯著減少，降低了低壓循環(huán)負荷。該系統(tǒng)的應(yīng)用對降低能耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高經(jīng)濟效益有著積極作用。