氨合成在線分析儀的設(shè)計(jì)選型與應(yīng)用問(wèn)題分析

任國(guó)良

（東華工程科技股份有限公司，安徽合肥230024）

氨是化肥工業(yè)和基本有機(jī)化工的主要原料。合成氨項(xiàng)目中氨合成塔進(jìn)出口氣中的氫和氨的體積分?jǐn)?shù)是判斷合成反應(yīng)的直接參數(shù)，為操作提供了可靠的依據(jù)。某合成氨尿素裝置在熱交換器的進(jìn)出口設(shè)置了在線分析點(diǎn)，實(shí)際使用中，該處分析儀經(jīng)常出現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)不穩(wěn)、波動(dòng)跳變現(xiàn)象，但分析儀校驗(yàn)正常。筆者在設(shè)計(jì)中對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題所在。

1 氨合成工藝原理

氨合成指由氮和氫在高溫高壓和催化劑作用下直接合成氨，為一種基本無(wú)機(jī)化工流程。氨合成反應(yīng)式如下：

氨合成是可逆、體積減小的放熱反應(yīng)，它和其他化學(xué)反應(yīng)一樣，溫度對(duì)反應(yīng)速度和化學(xué)平衡有雙重的影響。隨著溫度的增加，反應(yīng)速率會(huì)加快，但會(huì)降低平衡濃度。壓力對(duì)反應(yīng)速度和化學(xué)平衡具有正作用，氨的體積分?jǐn)?shù)將隨壓力的提高而增加，同時(shí)反應(yīng)速度也隨壓力的升高而加速，但是提高壓力將增加壓縮機(jī)功耗。工藝包中要求操作表壓小于14.5 MPa，入塔氣溫度為180～200℃，出塔氣溫度為430～450℃。

2 在線分析儀選型

氨合成塔進(jìn)出口氣體組分為H2，N2，NH3和少量Ar，其中氨合成工段要求測(cè)量進(jìn)口氣和出口氣中φH2，φNH3。根據(jù)HG/T 20507—2014自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范[1]，該處φH2測(cè)量選用熱導(dǎo)式氫氣分析儀，φNH3測(cè)量選用紅外線氣體分析儀。該工段共設(shè)2臺(tái)熱導(dǎo)式分析儀和2臺(tái)紅外分析儀。進(jìn)/出口熱導(dǎo)分析儀和紅外分析儀共用取樣和預(yù)處理系統(tǒng)。之前在該處設(shè)置1臺(tái)色譜分析儀，并采用雙流路分別測(cè)量進(jìn)口氣和出口氣的中的φH2，φNH3，與該測(cè)量方案相比，采用熱導(dǎo)分析儀和紅外分析儀分別測(cè)量φH2，φNH3，具有維護(hù)簡(jiǎn)單、成本低、測(cè)量實(shí)時(shí)性高的優(yōu)點(diǎn)。

3 測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)問(wèn)題分析

對(duì)業(yè)主反映的測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)的現(xiàn)象進(jìn)行分析，分析儀校驗(yàn)正常，說(shuō)明分析儀設(shè)備本體是正常的。推測(cè)可能為預(yù)處理不合適，導(dǎo)致進(jìn)分析儀氣體組分不穩(wěn)定。首先對(duì)工藝流程進(jìn)行梳理，根據(jù)工藝流程圖PFD，合成工段簡(jiǎn)化流程如圖1所示。

圖1 合成工段簡(jiǎn)化流程示意

氣體出塔后進(jìn)入廢熱鍋爐，用以產(chǎn)生中壓蒸汽，同時(shí)使出合成塔的氣體溫度降低。之后通過(guò)一系列換熱器，將氣體冷凝后進(jìn)入分離器。在分離器中冷凝下來(lái)的氨和氣體分離，液氨通過(guò)底部引出，氣體從頂部進(jìn)入壓縮機(jī)再循環(huán)段，與原料氣混合后重新進(jìn)入合成塔。根據(jù)管道及儀表工藝流程，熱交換器的出口為水冷器，水冷器至分離器之間管道均標(biāo)注為37℃的兩相流。由此推測(cè)：分析取樣的氣體在進(jìn)入分析儀前，其中的氨可能發(fā)生了冷凝。根據(jù)工藝包數(shù)據(jù)，進(jìn)出口氣參數(shù)見(jiàn)表1所列。

表1 進(jìn)出口氣參數(shù)

根據(jù)道爾頓分壓定律，混合氣體的總壓等于混合氣體中各組分氣體的分壓之和。進(jìn)口氣和出口氣中NH3的絕壓分別為0.35 MPa和2.73 MPa。查NH3的飽和蒸氣壓表，進(jìn)口氣和出口氣中NH3的分壓對(duì)應(yīng)的飽和溫度分別約為-5℃和62℃。即當(dāng)溫度低于以上溫度時(shí)NH3將發(fā)生冷凝，部分冷凝為液態(tài)。因?yàn)槿狱c(diǎn)與分析儀并不在同一位置，之間的取樣管道并非平直，所以當(dāng)NH3發(fā)生冷凝時(shí)將在最低點(diǎn)形成液袋。此時(shí)將會(huì)出現(xiàn)取樣失真，進(jìn)分析儀氣體組分發(fā)生波動(dòng)。這與業(yè)主反映的測(cè)量數(shù)據(jù)不穩(wěn)，有波動(dòng)跳變的現(xiàn)象一致。因?yàn)闃託鈮毫Ω?，所以在取樣管線上設(shè)置了預(yù)處理減壓裝置，預(yù)處理后氣體表壓為0.5 MPa，在該壓力下出口氣對(duì)應(yīng)冷凝溫度約為-30℃，該溫度低于當(dāng)?shù)刈畹蜏囟?。出口氣中φNH3高于進(jìn)口氣，預(yù)處理后進(jìn)口氣對(duì)應(yīng)冷凝溫度將更低，故預(yù)處理后低壓氣體不會(huì)出現(xiàn)冷凝。

根據(jù)以上分析，為防止取樣過(guò)程中NH3發(fā)生冷凝，要求取樣點(diǎn)與樣氣預(yù)處理箱之前的高壓取樣管線采用一體化電伴熱管纜，出口氣取樣管線及對(duì)應(yīng)預(yù)處理箱伴熱溫度不低于70℃，進(jìn)口氣取樣管線及對(duì)應(yīng)預(yù)處理箱伴熱溫度不低于10℃。預(yù)處理減壓后管線無(wú)需伴熱，出口氣取樣管線要求夏季伴熱。

4 結(jié)束語(yǔ)

合成氨項(xiàng)目為傳統(tǒng)化肥項(xiàng)目，隨著技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)的項(xiàng)目均已設(shè)置在線分析儀表。在線分析可為操作員提供比化驗(yàn)室分析更為快速有效的數(shù)據(jù)。因色譜分析儀的維護(hù)量大、維護(hù)難度高，所以采用熱導(dǎo)分析儀和紅外分析儀分別測(cè)量φH2和φNH3的方案具有較好的性價(jià)比。氨合成在線分析的樣氣比較潔凈，氣體組分相對(duì)固定，樣氣處理也比較簡(jiǎn)單。根據(jù)上文中的分析只要預(yù)處理減壓之前的樣氣溫度高于冷凝溫度，避免取樣管線中出現(xiàn)NH3冷凝，就能夠保證分析測(cè)量的準(zhǔn)確穩(wěn)定。