液氮洗冷箱凍堵因素與改進(jìn)措施

摘 要：在某些大型的合成氨生產(chǎn)環(huán)節(jié)當(dāng)中，通過低溫甲醇洗的方式展開相應(yīng)操作時，會存在對應(yīng)的液氮洗工藝進(jìn)行原料制造。液氮洗的作用在于更好地消除一氧化碳、甲烷等物質(zhì)，然后留下氨合成原料氣體，這些氣體內(nèi)部的惰性氣體量比較少，對于提升氨合成生產(chǎn)過程的質(zhì)量具有明確作用。然而在實(shí)際的操作環(huán)節(jié)，液氮洗工藝本身會面臨某些影響因素的干擾出現(xiàn)凍堵現(xiàn)象，此類問題應(yīng)該得到有效的改進(jìn)與優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：液氮洗;冷箱凍堵;改進(jìn)措施

0 引言

在近年來的一些大型煤化工合成氨項目當(dāng)中液氮洗工藝得到了廣泛應(yīng)用，也是目前最為有效的一種技術(shù)手段。但很多情況下液氮洗工藝和設(shè)備的維護(hù)工作當(dāng)中存在著技術(shù)層面的問題，例如管理工作不到位引起的冷箱凍堵情況。一旦出現(xiàn)此類問題，就會給生產(chǎn)過程帶來嚴(yán)重的損失。

1 液氮洗的工作原理

1.1 吸附原理

吸附原理本身是一種物理現(xiàn)象，并不會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，分子之間產(chǎn)生的引力作用可以在吸附劑的表面形成表面力。如果流動體經(jīng)過時，就會和吸附表面發(fā)生反應(yīng)，表面物質(zhì)被吸引力所吸引后實(shí)現(xiàn)吸附效果。甲醛凈化過的氣體中，二氧化碳、甲醇的極性大于氫氣，因此這些物質(zhì)就會被分子篩吸附。

1.2 混合制冷

氣體節(jié)流膨脹就會產(chǎn)生制冷現(xiàn)象，科學(xué)研究也表明，氣體在壓力足夠大的前提下，將其與另一種氣體進(jìn)行混合后，就會發(fā)生制冷現(xiàn)象。此類情況的主要原因是因?yàn)橄到y(tǒng)總壓力并不會發(fā)生改變，氣體在混合物當(dāng)中的分壓降低后，混合氣體組成部分的沸點(diǎn)均差也可以得到控制。因此液氮洗工藝中也應(yīng)用了這一原理，將洗滌塔之內(nèi)的產(chǎn)品制冷原料氣，并且將原料氣當(dāng)中的甲烷、一氧化碳在轉(zhuǎn)化為出塔氣之后就會變成另一種方式，氮?dú)夂驮蠚庠诨旌线^程中也會獲得大部分的冷量。

1.3 液氮洗滌

液氮洗滌與多組分精餾有著相似之處，但與多組分精餾不同，利用的是氫氣、一氧化碳和甲烷等氣體，這些氣體沸點(diǎn)差異比較大，如果將這些氣體從氣象中溶解至液內(nèi)，則可以起到脫除一氧化碳、甲烷、氫氣的效果。相對而言在這項工藝當(dāng)中的冷凝溫度要保持一個較低的水平，如果無法滿足凈化要求，則溫度將控制在更低的水平。

2 冷箱凍堵產(chǎn)生的主要原因

影響因素：

從凍堵產(chǎn)生的影響因素來看，裂解氣在冷環(huán)境下逐漸降溫，如果冷箱內(nèi)的溫度比裂解氣更低，那么水分達(dá)到露點(diǎn)溫度時就會自動凝結(jié)，長此以往，冷箱性能下降，嚴(yán)重情況下還會導(dǎo)致冷箱阻力增加，從而讓裂解氣當(dāng)中的某些溫度較高的氣體降低溫度并吸附在冷箱當(dāng)中。此外裂解氣在經(jīng)過干燥器時會產(chǎn)生粉塵，進(jìn)入冷箱后流通截面比較大，流速下降，粉塵容易出現(xiàn)沉降，在此情況下冷箱堵塞嚴(yán)重時還有報廢風(fēng)險[1]。

3 冷箱堵塞的預(yù)防措施與優(yōu)化設(shè)計

3.1 預(yù)防措施

從預(yù)防措施來看，壓縮機(jī)冷卻器應(yīng)該采用不銹鋼材質(zhì)為主，目的在于保障冷箱的防腐能力，相關(guān)設(shè)備在管理工作中也要注意日常的氮?dú)鈾z測，一旦出現(xiàn)問題后需要立即安排技術(shù)人員進(jìn)行檢查和修理。另外壓縮機(jī)的出口區(qū)域可以設(shè)置一個在線分析儀，目的在于對現(xiàn)有的工藝程序做好監(jiān)控。如果出現(xiàn)異常情況需要及時停機(jī)，并且避免因監(jiān)控等問題導(dǎo)致的冷箱堵塞停車事故。此外，還需要加強(qiáng)對于分子篩當(dāng)中的換熱器維護(hù)管理。無論是加熱器還是冷卻器在運(yùn)行過程中都會一直處于熱脹冷縮的狀態(tài)，管道泄漏時加熱器當(dāng)中的蒸汽和冷卻器當(dāng)中的循環(huán)水會進(jìn)入分子篩，從而導(dǎo)致吸附劑失去原有的作用，甚至?xí)?dǎo)致二氧化碳的穿透事故。相關(guān)技術(shù)人員在日常的工作當(dāng)中也應(yīng)該做好異常情況的處理，尤其是報告和組織搶修工作。分子篩中的吸附器時間在進(jìn)行控制后，如果負(fù)荷仍然處于較高狀態(tài)，則二氧化碳超標(biāo)后分子篩吸附器就會產(chǎn)生故障，花費(fèi)更長的時間用于修復(fù)。操作環(huán)節(jié)中相關(guān)人員不可將含有二氧化碳等氣體進(jìn)入液氮洗冷箱之內(nèi)，例如緊急停車時操作不正確就會導(dǎo)致甲醇洗管線流入液氮洗冷箱當(dāng)中，緊急停車狀態(tài)下分子吸附器和液氮洗冷箱也應(yīng)該預(yù)防堵塞現(xiàn)象，從而確保設(shè)備可以在正常的狀態(tài)下維持運(yùn)行[2]。

3.2 優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計可以從多個方面進(jìn)行。首先是在分子篩的出口微量控制過程中，要保障其穩(wěn)定運(yùn)行。一旦冷箱出現(xiàn)堵塞，不僅會導(dǎo)致液氮洗系統(tǒng)的阻力加大，還會導(dǎo)致停車并對冷箱展開復(fù)熱和解凍。因而在優(yōu)化設(shè)計方面需要讓二氧化碳的含量保持在一個較低的水平（1×10-6）。在其他工序的設(shè)計方面，高壓管道和設(shè)備開停車氮?dú)庵脫Q合格之后，就需要將其和低壓氮?dú)夤苤g切斷，然后增加盲板，否則會導(dǎo)致分子篩再生氣不合格的現(xiàn)象。分子篩在導(dǎo)氣之前也需要對出口凈化氣進(jìn)行多次的取樣分析，且和二氧化碳吸收塔出口在線分析儀的PV值展開對比。在系統(tǒng)的開車初期，可以加大分子篩入口的再生低壓氮?dú)夥治鲱l率。但需要注意讓但其保持在正壓封閉狀態(tài)。當(dāng)調(diào)整再生低壓氮?dú)獾牧髁亢蜏囟戎螅涂梢跃S持分子篩的運(yùn)行性能[3]。如果要展開液位控制，首先要讓氮洗塔的液位處于正常運(yùn)行狀態(tài)，且調(diào)節(jié)閥也應(yīng)該用于維持氮洗塔液位的穩(wěn)定性。此時應(yīng)避免液氮洗滌環(huán)節(jié)的一氧化碳等雜質(zhì)在塔內(nèi)堆積，造成塔內(nèi)積存并再次產(chǎn)生解吸現(xiàn)象。

在液氮洗冷箱的冷量平衡控制工作當(dāng)中，很多雜質(zhì)都是在-190℃的低溫條件下進(jìn)行，且系統(tǒng)在維持自身冷量需求的前提下還需要做好冷量損失的控制。當(dāng)出現(xiàn)物料換熱不完全、外界冷熱交換情況出現(xiàn)問題后，為了保障裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，就需要獲取冷量來源。很多工序內(nèi)部的冷量來源于粗配氮產(chǎn)生的節(jié)流效應(yīng)，但冷量不足本身會導(dǎo)致冷箱內(nèi)的各點(diǎn)溫度增加，特別是氮洗塔內(nèi)部的溫度過高，影響洗滌效果。長期冷量過剩會導(dǎo)致冷箱保護(hù)氮出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象，長期冷量過剩還加劇了保護(hù)氮和低溫流體的換熱，例如冷箱外殼在低溫環(huán)境下就會有液氮出現(xiàn)。因此，我們可以通過調(diào)整但其分離器液相排放量的方式來實(shí)現(xiàn)冷量平衡[4]。

在一氧化氮的控制上，我們需要考慮到一氧化氮本身的毒性，且合成氣當(dāng)中的氧化物在達(dá)到某個閾值之后就會導(dǎo)致氮合成工序停車，控制合成氣當(dāng)中的CO含量對于合成氮裝置的平穩(wěn)運(yùn)行具有顯著功能，在延長催化劑使用壽命方面的作用也非常突出。如果要調(diào)節(jié)洗滌氮量，一方面要控制好氮洗塔壓差的穩(wěn)定性，另一方面就需要讓負(fù)荷維持在一個相對穩(wěn)定的水平。工藝氣負(fù)荷一定時，我們可以考慮降低合成氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來起到降低冷箱負(fù)荷的作用。經(jīng)過不斷的分析和總結(jié)后我們可以得知，在冷量不足的情況下首先要考慮加大洗滌氮含量，其次通過調(diào)整去低溫甲醇洗工藝氣量的方式實(shí)現(xiàn)冷量平衡。一旦冷量過剩，先考慮減少洗滌氮量在考慮調(diào)整粗配氮和精配氮的冷量分配問題。

3.3 氫氮比優(yōu)化

冷箱的重要任務(wù)在于調(diào)節(jié)合成塔入口區(qū)域的氫氮比，一旦這項指標(biāo)失調(diào)，則氨合成的反應(yīng)速度會有明顯下降趨勢，從而導(dǎo)致氨合成反應(yīng)熱減少，回路壓力上升，合成塔溫度也會因此而出現(xiàn)下降。氫氣和氮?dú)庠谝喊敝械娜芙舛却嬖诓町?，循環(huán)氣比例和空氣之間也存在差異，在進(jìn)行管控時循環(huán)氣氫氮比要比新鮮氣更低，將合成塔入口區(qū)域的氫氮比穩(wěn)定在2.9-3.1左右。

4結(jié)語

液氮洗冷箱作為合成氨裝置當(dāng)中的核心設(shè)備，其運(yùn)行的穩(wěn)定性直接影響到合成氨裝置的使用性能和使用周期。例如冷箱運(yùn)行環(huán)節(jié)當(dāng)中，我們既要考慮到入口區(qū)域的二氧化碳含量保持在一個較低的水平，同時洗滌氮量的調(diào)整要根據(jù)符合和合成氣當(dāng)中的二氧化碳情況進(jìn)行綜合評估，減少冷量過剩、冷量不足的現(xiàn)象?？偠灾?，在任何情況下都不可讓過量的二氧化碳進(jìn)入冷箱當(dāng)中，從而影響到裝置的滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]秦燕，孔翔，鄔依婷.中低壓液氮洗冷箱的裸冷試驗(yàn)[J].深冷技術(shù)，2013，000（006）：16-19.

[3]王克星，蒲昭廷，荊三偉.采用液氮進(jìn)行液氮洗冷箱的裸冷及其效益分析[J].中氮肥，2017（2）：9-10.

[4]周寒秋，余景羽，徐志明，等.液氮洗冷箱內(nèi)密封氣液化分析和故障處理[J].杭氧科技，2016（04）：23-27.

作者簡介：

吳嘉（1985- ），男，漢族，浙江杭州人，職稱：工程師，本科學(xué)歷，研究方向：總體設(shè)計。