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(dāng)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(fù)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(fù)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(zhǔn)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(zhǔn)確性較差、不能及時準(zhǔn)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(dāng)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(yán)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(xì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dāng)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(jìn)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(jìn)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。控制柜內(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(jìn)行顯示，從PLC操作站通過網(wǎng)線傳送到DCS操作站進(jìn)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?xì)管進(jìn)行沖洗，高壓下帶毛細(xì)管進(jìn)行沖洗。

5 系統(tǒng)運行故障處理

1)發(fā)現(xiàn)毛細(xì)管堵塞后需進(jìn)行不少于20 min的沖洗，同時顛倒毛細(xì)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(jìn)入吸入管線，例如： 由于閥門泄漏導(dǎo)致空氣的進(jìn)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(jìn)入低壓系統(tǒng)的氨耗顯著減少，降低了低壓循環(huán)負(fù)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(jì)效益有著積極作用。