張 超，李 芳，常 武

（河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

0 引言

斯塔米卡邦二氧化碳?xì)馓岱蛩毓に囃ǔＳ?個(gè)工序組成：CO2壓縮和H2脫除、液氨升壓、合成尿素及CO2汽提、低壓循環(huán)、解吸水解、尿液蒸發(fā)造粒、產(chǎn)品包裝與儲(chǔ)存等工序。合成尿素的原料主要包括氨和二氧化碳，它們與尿素裝置本身回收的甲銨溶液經(jīng)過(guò)加壓后進(jìn)入合成系統(tǒng)。合成系統(tǒng)包括合成塔、氣提塔、高壓甲銨冷凝器和高壓洗滌器等4個(gè)主要設(shè)備。合成系統(tǒng)的壓力為14MPa～15MPa，反應(yīng)溫度為180℃～185℃，氨碳比約為2.95，可以完成約60%二氧化碳轉(zhuǎn)化率。合成塔出料中含尿素、甲銨、CO2、氨等反應(yīng)熔融物，它們通過(guò)氣提塔被二氧化碳?xì)馓?，甲銨在氣提塔中分解為NH3和CO2，然后進(jìn)入高壓甲銨冷凝器，尿液經(jīng)氣提后流至精溜塔。合成塔頂出來(lái)的氣體在高壓洗滌器內(nèi)被來(lái)自回收塔的甲銨濃溶液吸收后，再與原料液氨一同流至高壓甲銨冷凝器，氨與CO2反應(yīng)形成甲銨液，甲銨液可以進(jìn)一步在合成塔內(nèi)生成尿素。尿素從氣提塔出來(lái)以后，經(jīng)過(guò)精餾、閃蒸、一段蒸發(fā)及二段蒸發(fā)后，使尿液中的尿素濃縮至濃度約99.7%，再通過(guò)尿素泵將其輸入到造粒塔進(jìn)行噴淋造粒，從而制得顆粒狀的尿素成品。NH3、CO2和水蒸氣從精餾塔蒸發(fā)出來(lái)以后進(jìn)入到低壓甲銨冷凝器，將這些蒸出的氣體冷凝到氨水槽內(nèi)。當(dāng)中大概九成的稀氨水進(jìn)入到水解系統(tǒng)進(jìn)行尿素的水解，再通過(guò)精餾塔進(jìn)行濃縮之后進(jìn)入到低壓甲銨冷凝器；其余的稀氨水于中壓吸收塔內(nèi)吸收來(lái)自高壓洗滌的尾氣至某個(gè)濃度后，也進(jìn)入到低壓甲銨冷凝器。它們?cè)诶淠餍纬杉卒@濃溶液，再被輸送到合成系統(tǒng)[1]。

然而在尿素生產(chǎn)過(guò)程中，能耗的高低不僅取決于高壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率，同時(shí)還取決于回收系統(tǒng)的好壞[2]。甲銨液濃度的高低直接影響到CO2的轉(zhuǎn)化率，對(duì)系統(tǒng)能耗及產(chǎn)量有直接影響，中、低壓甲銨液的循環(huán)量對(duì)合成塔轉(zhuǎn)化率影響不大，而且能夠讓更多的甲銨液參與高壓合成反應(yīng)，不僅提高了中壓系統(tǒng)的吸收能力，降低了中壓甲銨液的結(jié)晶溫度，增大了中壓系統(tǒng)的操作彈性，而且可降低水解系統(tǒng)的負(fù)荷。由于當(dāng)前合成塔出液含氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有7.0%～7.5%，低于設(shè)計(jì)值（8.0%），而且汽提效率達(dá)到80%以上，說(shuō)明汽提時(shí)尿液中沒(méi)有足夠的氨揮發(fā)出來(lái)吸收熱量以降低尿液自身溫度[3]。因此，可適當(dāng)增加高壓系統(tǒng)的氨量，即增大氨碳比，既可保持合成塔有較高的轉(zhuǎn)化率，又可降低汽提塔的出液溫度。因此，測(cè)量尿素系統(tǒng)中甲銨液的濃度對(duì)尿素的生產(chǎn)具有重要的意義[4]。

甲銨液具有腐蝕性強(qiáng)、凝固點(diǎn)高，在溫度稍降低時(shí)即會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶的特性。經(jīng)過(guò)研究，高溫下的甲銨液本身具有強(qiáng)腐蝕性，并且在合成尿素的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生異構(gòu)氰酸銨和腐蝕性很強(qiáng)的氰酸[3]，不僅僅會(huì)對(duì)儀表造成一定腐蝕及堵塞，也會(huì)對(duì)管道造成一定腐蝕。因此，測(cè)量甲銨液的儀表不僅要具有較高的耐腐蝕性和精度，同時(shí)也要有防堵塞機(jī)構(gòu)。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了測(cè)量中壓甲銨泵出口、高壓甲銨泵入口的甲銨液密度和粘度，往往在需要測(cè)量密度的介質(zhì)管線上專(zhuān)門(mén)設(shè)置一條回流管線，用于測(cè)量甲銨液的密度和粘度，具體設(shè)計(jì)如圖1所示。按照?qǐng)D1所示的測(cè)量甲銨液濃度和密度的質(zhì)量流量計(jì)就要選擇特殊材質(zhì)，同時(shí)考慮管道伴熱、防結(jié)晶措施、大管線回流等造成能源的浪費(fèi)，因此在滿(mǎn)足工藝要求的情況下選擇新型的測(cè)量。

圖1 工藝PID圖Fig.1 Process PID diagram

1 新型甲銨液粘度測(cè)量?jī)x表

常壓閃蒸冷凝液冷凝后的液相返回到低壓甲銨冷凝液回收槽中，該液相的濃度直接影響到甲銨液的密度。將冷凝吸收液的流量從1.05m3/h提高到1.3m3/h時(shí)，有利于氣相中的氨的冷凝吸收，同時(shí)也保證了該冷凝器不會(huì)發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象。在氨耗指標(biāo)范圍之內(nèi)將氣相氨含量控制在0.65%左右，甲銨液的密度較低，其他各項(xiàng)工藝指標(biāo)也滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

尿素溶液中的甲銨濃度越高，其腐蝕性就越強(qiáng)。這是因?yàn)榧卒@濃度越高則液相中的氨基甲酸根離子的總數(shù)越多，則還原性越強(qiáng)，越容易破壞不銹鋼表面的氧化膜。甲銨液對(duì)不銹鋼具有很強(qiáng)的晶間腐蝕能力，尤其是焊接接頭的熔合線處被腐蝕成刀口狀。溶液中的硫化物和水含量的增加，會(huì)加劇晶間腐蝕的程度。這是由于尿素甲銨液會(huì)使不銹鋼產(chǎn)生敏化態(tài)和非敏化態(tài)的晶間腐蝕。敏化態(tài)晶間腐蝕的產(chǎn)生是由于不銹鋼在敏化態(tài)（焊接）時(shí)，晶間析出了碳化鉻（不銹鋼的敏化溫度是450℃～850℃）。由于鉻的擴(kuò)散速度小于碳的擴(kuò)散速度，在晶間形成或析出碳化鉻后，碳很快補(bǔ)充到晶間附近，而鉻則來(lái)不及擴(kuò)散到晶間，于是產(chǎn)生晶間貧鉻區(qū)，貧鉻區(qū)的優(yōu)先腐蝕導(dǎo)致產(chǎn)生晶間腐蝕。另外在尿素甲銨液中，不銹鋼會(huì)由于晶間硅、磷等元素的偏析富集而產(chǎn)生非敏化態(tài)的晶間腐蝕[5]。

針對(duì)尿素工段這種特殊介質(zhì)，如何準(zhǔn)確測(cè)量甲銨液的粘度和密度，對(duì)工藝操作及其重要。在認(rèn)真閱讀參考文獻(xiàn)[6]和[7]后，分析介質(zhì)特性，深入了解現(xiàn)場(chǎng)工藝情況，最終選擇新型甲銨液粘度測(cè)量?jī)x表（艾默生FVM插入式粘度計(jì)），采用插入方式，可用于管道、敞口或密閉貯罐中液體粘度的測(cè)量。不同于質(zhì)量流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、毛細(xì)管粘度計(jì)等其他類(lèi)型粘度測(cè)量?jī)x表，新型粘度計(jì)的測(cè)量元件僅由一個(gè)金屬振動(dòng)音叉構(gòu)成，無(wú)其他外部輔助部件，結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單可靠，所需的維護(hù)量較小，但是對(duì)介質(zhì)的流速度有一定要求。因此，在安裝時(shí)要考慮介質(zhì)特性、安裝方式等。

1.1 測(cè)量原理

FVM插入式粘度計(jì)是一種精確的粘度測(cè)量?jī)x表，可用于管道、敞口或密閉貯罐中液體粘度的測(cè)量。不同于旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、毛細(xì)管粘度計(jì)等其他類(lèi)型的粘度測(cè)量?jī)x表，F(xiàn)VM粘度計(jì)的測(cè)量元件僅由一個(gè)金屬振動(dòng)音叉構(gòu)成，無(wú)其他外部輔助部件，結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單可靠。因此，該類(lèi)型的粘度測(cè)量?jī)x表所需的維護(hù)量較低。

艾默生FVM插入式粘度計(jì)由位于音叉底部的兩個(gè)壓電晶體構(gòu)成，如圖2所示。一個(gè)壓電晶體激勵(lì)使其維持振動(dòng)，另一個(gè)壓電晶體用于檢測(cè)其振動(dòng)頻率，內(nèi)置PT100熱電阻用于測(cè)量溫度并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。

圖2 測(cè)量元件外形圖Fig.2 Outline drawing of measuring element

首先，使用額定能量激勵(lì)音叉以諧振頻率（振幅最大）振動(dòng)，獲得其在液體中的諧振頻率。然后，再以額定能量的一半激勵(lì)音叉振動(dòng)，獲得在1/2振幅處（-3db點(diǎn)）曲線上A點(diǎn)的頻率，如圖3測(cè)量原理所示。根據(jù)這兩個(gè)測(cè)量值，計(jì)算出相應(yīng)的帶寬（B-A）和諧振頻率（A+B）/2參數(shù)，進(jìn)而得到品質(zhì)因數(shù)Q，見(jiàn)公式（1）。最終，根據(jù)品質(zhì)因數(shù)Q計(jì)算出流體的動(dòng)力粘度Q1和Q2。通過(guò)對(duì)上述粘度計(jì)工作方式的分析可知，該粘度測(cè)量所依據(jù)的就是能量衰減原理，即振動(dòng)能量衰減隨液體粘度的增加而增加。

圖3 測(cè)量原理Fig.3 Measurement principle

根據(jù)Q（質(zhì)量因數(shù)）計(jì)算出被測(cè)流體的動(dòng)力粘度η，粘度計(jì)算公式如下：

其中，V0，V1，V2是粘度計(jì)的儀表校準(zhǔn)系數(shù)，通過(guò)工廠校準(zhǔn)獲得。根據(jù)兩次測(cè)量得到的頻率帶寬并結(jié)合儀表校準(zhǔn)系數(shù)，就得到當(dāng)前被測(cè)液體的動(dòng)力粘度。根據(jù)振動(dòng)式密度計(jì)的原理，諧振頻率是液體密度的函數(shù)，通過(guò)測(cè)量振動(dòng)元件在液體中的振動(dòng)頻率，可以得到液體的密度。因此，F(xiàn)VM插入式粘度計(jì)在測(cè)量粘度的同時(shí)測(cè)量液體的密度。根據(jù)液體的動(dòng)力粘度與密度，就能夠計(jì)算出運(yùn)動(dòng)粘度Kcst。由于該粘度計(jì)內(nèi)置PT100熱電阻，除了做溫度補(bǔ)償外，還可以測(cè)量液體的溫度。

通過(guò)以上的分析可知，使用FVM插入式粘度計(jì)，可以同時(shí)獲得動(dòng)力粘度、密度和溫度3個(gè)測(cè)量值，以及據(jù)此得到的運(yùn)動(dòng)粘度計(jì)算值。因此，安裝一臺(tái)測(cè)量?jī)x表可以獲得4個(gè)過(guò)程量，這極大地方便了工藝操作。由于FVM插入式粘度計(jì)僅有兩個(gè)mA輸出通道，可以選擇直接輸出任兩個(gè)過(guò)程量測(cè)量結(jié)果，其他測(cè)量結(jié)果可以通過(guò)Modbus通訊或Hart通訊方式獲取。

表2 溫度測(cè)量精度Table 2 Temperature measurement accuracy

1.2 安裝要求及精度

由于FVM插入式粘度計(jì)是基于能量衰減的工作原理，為保證測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性及準(zhǔn)確性，需要控制液體流速在較低的范圍內(nèi)流動(dòng)，避免液體流速對(duì)測(cè)量結(jié)果的額外影響，同時(shí)也要考慮工藝介質(zhì)特性，儀表的適應(yīng)性、安裝方式等。通過(guò)多次試驗(yàn)以及與廠家的溝通，液體流速控制在0.3m/s～0.5m/s時(shí)，效果最佳，既能滿(mǎn)足工藝對(duì)響應(yīng)速度的要求，又可以獲得最佳的測(cè)量性能。另外FVM插入式粘度計(jì)測(cè)量的是工況條件下的動(dòng)力粘度、密度以及溫度，為降低溫度差異的影響，需要在儀表以及安裝管道上做保溫處理。

FVM插入式粘度計(jì)的安裝方式：依據(jù)FVM插入式粘度計(jì)的工作原理，該粘度計(jì)既可以安裝在水平管道（粘度計(jì)位于管道側(cè)面），也可以安裝在豎直管道上，安裝方式如圖4、圖5所示。圖4為粘度計(jì)音叉的開(kāi)口與地面垂直，采用此安裝方式時(shí)，過(guò)程流體的流速應(yīng)小于0.5m/s。如果被測(cè)流體的流速超過(guò)0.5m/s，可采用如圖5所示的旁路分流安裝方式。經(jīng)過(guò)與工藝人員的確認(rèn)，本次采用圖5所示的方式安裝，并增加保溫、伴熱，在降低流速的同時(shí)，保證甲銨液不結(jié)晶，有效地保證了測(cè)量?jī)x表的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。由于該儀表為多功能儀表，因而該儀表可以對(duì)甲銨液動(dòng)力粘度、溫度、壓力進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度見(jiàn)表1～表3。

圖4 密度安裝方式圖Fig.4 Density installation diagram

圖5 流出超過(guò)0.5 m/s時(shí)的安裝方式Fig.5 Installation method when the outflow exceeds 0.5 m/s

表1 動(dòng)力粘度測(cè)量精度Table 1 Dynamic viscosity measurement accuracy

表3 壓力測(cè)量精度Table 3 Pressure measurement accuracy

2 運(yùn)行效果

自2021年2月份尿素裝置開(kāi)車(chē)以來(lái)，經(jīng)過(guò)1年多時(shí)間的運(yùn)行，目前該儀表運(yùn)行穩(wěn)定，與工藝的估算值相吻合。在尿素裝置運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，截取該測(cè)量?jī)x表一天的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入EXCEL進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。甲銨液的粘度、密度測(cè)量結(jié)果如圖6、圖7所示，通過(guò)圖6、圖7可以看出，甲銨液粘度、密度測(cè)量結(jié)果偏波動(dòng)較小，粘度基本保持在2.85上下線波動(dòng)，密度保持在11070kg/m3上下線波動(dòng)，與工藝的穩(wěn)定運(yùn)行相吻合。通過(guò)與工藝人員溝通，尿素甲銨液粘度和密度的準(zhǔn)確測(cè)量，為工藝人員的操作提供了可靠的依據(jù)，對(duì)提高甲銨液濃度以及CO2轉(zhuǎn)化率等有了一定的數(shù)據(jù)參考。同時(shí)，也證明了采用FVM插入式粘度計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖6 甲銨液粘度測(cè)量圖Fig.6 Viscosity measurement chart of methylammonium solution

圖7 甲銨液密度測(cè)量Fig.7 Density measurement of methylammonium solution

3 結(jié)論

能耗的高低不僅取決于高壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率，同時(shí)還取決于回收系統(tǒng)的好壞。提高低壓甲銨液濃度，有效地解決了實(shí)際生產(chǎn)中遇到的難題。本文從低壓壓力、溫度，低調(diào)水溫度等因素的控制出發(fā)，總結(jié)出提高甲銨液濃度的方法，從而提高CO2轉(zhuǎn)化率[8]。

對(duì)于工藝復(fù)雜，具有強(qiáng)腐蝕性，容易結(jié)晶的介質(zhì)，在選擇新型測(cè)量?jī)x表時(shí)，必須首先弄清楚介質(zhì)特性，所選儀表的適應(yīng)性，以及安裝要求，并結(jié)合工藝人員了解其測(cè)量的必要性。其次，根據(jù)儀表的測(cè)量原理、安裝方式，采用回流管線或者其他的引出方式，降低（或提高）其流速、溫度等，保證儀表的測(cè)量精度。最后，對(duì)新型儀表運(yùn)行進(jìn)行長(zhǎng)期的觀測(cè)，尤其是在工藝介質(zhì)波動(dòng)較大時(shí)，觀測(cè)儀表測(cè)量精度以及反應(yīng)速度，并進(jìn)行分析，不斷地總結(jié)優(yōu)化。

本文通過(guò)對(duì)甲銨液介質(zhì)和艾默生羅斯蒙特FVM插入式粘度計(jì)的測(cè)量原理和安裝方式進(jìn)行分析，并結(jié)合工藝人員明確了甲銨液粘度和密度測(cè)量的重要性。分析儀表測(cè)量需要條件，在工藝介質(zhì)的流速不能滿(mǎn)足儀表測(cè)量需求時(shí)，構(gòu)建回流管線安裝測(cè)量?jī)x表，同時(shí)考慮伴熱等防護(hù)措施。從運(yùn)行效果看，目前采用新型FVM插入式粘度計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量精度滿(mǎn)足工藝使用要求，為尿素的穩(wěn)定生產(chǎn)提供重要監(jiān)測(cè)參數(shù)。同時(shí)，也為在該工藝情況下的儀表選擇積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。