尿素裝置中甲銨液粘度和密度測量研究

張 超，李 芳，常 武

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

0 引言

斯塔米卡邦二氧化碳氣提法尿素工藝通常由7個工序組成：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)過加壓后進入合成系統(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個主要設備。合成系統(tǒng)的壓力為14MPa～15MPa，反應溫度為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、氨等反應熔融物，它們通過氣提塔被二氧化碳氣提，甲銨在氣提塔中分解為NH3和CO2，然后進入高壓甲銨冷凝器，尿液經(jīng)氣提后流至精溜塔。合成塔頂出來的氣體在高壓洗滌器內(nèi)被來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反應形成甲銨液，甲銨液可以進一步在合成塔內(nèi)生成尿素。尿素從氣提塔出來以后，經(jīng)過精餾、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%，再通過尿素泵將其輸入到造粒塔進行噴淋造粒，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)出來以后進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)。當中大概九成的稀氨水進入到水解系統(tǒng)進行尿素的水解，再通過精餾塔進行濃縮之后進入到低壓甲銨冷凝器；其余的稀氨水于中壓吸收塔內(nèi)吸收來自高壓洗滌的尾氣至某個濃度后，也進入到低壓甲銨冷凝器。它們在冷凝器形成甲銨濃溶液，再被輸送到合成系統(tǒng)[1]。

然而在尿素生產(chǎn)過程中，能耗的高低不僅取決于高壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率，同時還取決于回收系統(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，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)的負荷。由于當前合成塔出液含氨質(zhì)量分數(shù)只有7.0%～7.5%，低于設計值（8.0%），而且汽提效率達到80%以上，說明汽提時尿液中沒有足夠的氨揮發(fā)出來吸收熱量以降低尿液自身溫度[3]。因此，可適當增加高壓系統(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，測量尿素系統(tǒng)中甲銨液的濃度對尿素的生產(chǎn)具有重要的意義[4]。

甲銨液具有腐蝕性強、凝固點高，在溫度稍降低時即會產(chǎn)生結晶的特性。經(jīng)過研究，高溫下的甲銨液本身具有強腐蝕性，并且在合成尿素的過程中會產(chǎn)生異構氰酸銨和腐蝕性很強的氰酸[3]，不僅僅會對儀表造成一定腐蝕及堵塞，也會對管道造成一定腐蝕。因此，測量甲銨液的儀表不僅要具有較高的耐腐蝕性和精度，同時也要有防堵塞機構。在實際生產(chǎn)中，為了測量中壓甲銨泵出口、高壓甲銨泵入口的甲銨液密度和粘度，往往在需要測量密度的介質(zhì)管線上專門設置一條回流管線，用于測量甲銨液的密度和粘度，具體設計如圖1所示。按照圖1所示的測量甲銨液濃度和密度的質(zhì)量流量計就要選擇特殊材質(zhì)，同時考慮管道伴熱、防結晶措施、大管線回流等造成能源的浪費，因此在滿足工藝要求的情況下選擇新型的測量。

圖1 工藝PID圖Fig.1 Process PID diagram

1 新型甲銨液粘度測量儀表

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，有利于氣相中的氨的冷凝吸收，同時也保證了該冷凝器不會發(fā)生結晶現(xiàn)象。在氨耗指標范圍之內(nèi)將氣相氨含量控制在0.65%左右，甲銨液的密度較低，其他各項工藝指標也滿足系統(tǒng)要求。

尿素溶液中的甲銨濃度越高，其腐蝕性就越強。這是因為甲銨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，越容易破壞不銹鋼表面的氧化膜。甲銨液對不銹鋼具有很強的晶間腐蝕能力，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，會加劇晶間腐蝕的程度。這是由于尿素甲銨液會使不銹鋼產(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，晶間析出了碳化鉻（不銹鋼的敏化溫度是450℃～850℃）。由于鉻的擴散速度小于碳的擴散速度，在晶間形成或析出碳化鉻后，碳很快補充到晶間附近，而鉻則來不及擴散到晶間，于是產(chǎn)生晶間貧鉻區(qū)，貧鉻區(qū)的優(yōu)先腐蝕導致產(chǎn)生晶間腐蝕。另外在尿素甲銨液中，不銹鋼會由于晶間硅、磷等元素的偏析富集而產(chǎn)生非敏化態(tài)的晶間腐蝕[5]。

針對尿素工段這種特殊介質(zhì)，如何準確測量甲銨液的粘度和密度，對工藝操作及其重要。在認真閱讀參考文獻[6]和[7]后，分析介質(zhì)特性，深入了解現(xiàn)場工藝情況，最終選擇新型甲銨液粘度測量儀表（艾默生FVM插入式粘度計），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量。不同于質(zhì)量流量計、旋轉(zhuǎn)粘度計、毛細管粘度計等其他類型粘度測量儀表，新型粘度計的測量元件僅由一個金屬振動音叉構成，無其他外部輔助部件，結構上簡單可靠，所需的維護量較小，但是對介質(zhì)的流速度有一定要求。因此，在安裝時要考慮介質(zhì)特性、安裝方式等。

1.1 測量原理

FVM插入式粘度計是一種精確的粘度測量儀表，可用于管道、敞口或密閉貯罐中液體粘度的測量。不同于旋轉(zhuǎn)粘度計、毛細管粘度計等其他類型的粘度測量儀表，F(xiàn)VM粘度計的測量元件僅由一個金屬振動音叉構成，無其他外部輔助部件，結構上簡單可靠。因此，該類型的粘度測量儀表所需的維護量較低。

艾默生FVM插入式粘度計由位于音叉底部的兩個壓電晶體構成，如圖2所示。一個壓電晶體激勵使其維持振動，另一個壓電晶體用于檢測其振動頻率，內(nèi)置PT100熱電阻用于測量溫度并對測量結果進行修正。

圖2 測量元件外形圖Fig.2 Outline drawing of measuring element

首先，使用額定能量激勵音叉以諧振頻率（振幅最大）振動，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音叉振動，獲得在1/2振幅處（-3db點）曲線上A點的頻率，如圖3測量原理所示。根據(jù)這兩個測量值，計算出相應的帶寬（B-A）和諧振頻率（A+B）/2參數(shù)，進而得到品質(zhì)因數(shù)Q，見公式（1）。最終，根據(jù)品質(zhì)因數(shù)Q計算出流體的動力粘度Q1和Q2。通過對上述粘度計工作方式的分析可知，該粘度測量所依據(jù)的就是能量衰減原理，即振動能量衰減隨液體粘度的增加而增加。

圖3 測量原理Fig.3 Measurement principle

根據(jù)Q（質(zhì)量因數(shù)）計算出被測流體的動力粘度η，粘度計算公式如下：

其中，V0，V1，V2是粘度計的儀表校準系數(shù)，通過工廠校準獲得。根據(jù)兩次測量得到的頻率帶寬并結合儀表校準系數(shù)，就得到當前被測液體的動力粘度。根據(jù)振動式密度計的原理，諧振頻率是液體密度的函數(shù)，通過測量振動元件在液體中的振動頻率，可以得到液體的密度。因此，F(xiàn)VM插入式粘度計在測量粘度的同時測量液體的密度。根據(jù)液體的動力粘度與密度，就能夠計算出運動粘度Kcst。由于該粘度計內(nèi)置PT100熱電阻，除了做溫度補償外，還可以測量液體的溫度。

通過以上的分析可知，使用FVM插入式粘度計，可以同時獲得動力粘度、密度和溫度3個測量值，以及據(jù)此得到的運動粘度計算值。因此，安裝一臺測量儀表可以獲得4個過程量，這極大地方便了工藝操作。由于FVM插入式粘度計僅有兩個mA輸出通道，可以選擇直接輸出任兩個過程量測量結果，其他測量結果可以通過Modbus通訊或Hart通訊方式獲取。

表2 溫度測量精度Table 2 Temperature measurement accuracy

1.2 安裝要求及精度

由于FVM插入式粘度計是基于能量衰減的工作原理，為保證測量結果的重復性及準確性，需要控制液體流速在較低的范圍內(nèi)流動，避免液體流速對測量結果的額外影響，同時也要考慮工藝介質(zhì)特性，儀表的適應性、安裝方式等。通過多次試驗以及與廠家的溝通，液體流速控制在0.3m/s～0.5m/s時，效果最佳，既能滿足工藝對響應速度的要求，又可以獲得最佳的測量性能。另外FVM插入式粘度計測量的是工況條件下的動力粘度、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插入式粘度計的安裝方式：依據(jù)FVM插入式粘度計的工作原理，該粘度計既可以安裝在水平管道（粘度計位于管道側面），也可以安裝在豎直管道上，安裝方式如圖4、圖5所示。圖4為粘度計音叉的開口與地面垂直，采用此安裝方式時，過程流體的流速應小于0.5m/s。如果被測流體的流速超過0.5m/s，可采用如圖5所示的旁路分流安裝方式。經(jīng)過與工藝人員的確認，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，保證甲銨液不結晶，有效地保證了測量儀表的長周期穩(wěn)定運行。由于該儀表為多功能儀表，因而該儀表可以對甲銨液動力粘度、溫度、壓力進行測量，測量精度見表1～表3。

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

圖5 流出超過0.5 m/s時的安裝方式Fig.5 Installation method when the outflow exceeds 0.5 m/s

表1 動力粘度測量精度Table 1 Dynamic viscosity measurement accuracy

表3 壓力測量精度Table 3 Pressure measurement accuracy

2 運行效果

自2021年2月份尿素裝置開車以來，經(jīng)過1年多時間的運行，目前該儀表運行穩(wěn)定，與工藝的估算值相吻合。在尿素裝置運行穩(wěn)定時，截取該測量儀表一天的運行數(shù)據(jù)，并導入EXCEL進行統(tǒng)計分析。甲銨液的粘度、密度測量結果如圖6、圖7所示，通過圖6、圖7可以看出，甲銨液粘度、密度測量結果偏波動較小，粘度基本保持在2.85上下線波動，密度保持在11070kg/m3上下線波動，與工藝的穩(wěn)定運行相吻合。通過與工藝人員溝通，尿素甲銨液粘度和密度的準確測量，為工藝人員的操作提供了可靠的依據(jù)，對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，也證明了采用FVM插入式粘度計測量的準確性。

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

圖7 甲銨液密度測量Fig.7 Density measurement of methylammonium solution

3 結論

能耗的高低不僅取決于高壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率，同時還取決于回收系統(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)，總結出提高甲銨液濃度的方法，從而提高CO2轉(zhuǎn)化率[8]。

對于工藝復雜，具有強腐蝕性，容易結晶的介質(zhì)，在選擇新型測量儀表時，必須首先弄清楚介質(zhì)特性，所選儀表的適應性，以及安裝要求，并結合工藝人員了解其測量的必要性。其次，根據(jù)儀表的測量原理、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，保證儀表的測量精度。最后，對新型儀表運行進行長期的觀測，尤其是在工藝介質(zhì)波動較大時，觀測儀表測量精度以及反應速度，并進行分析，不斷地總結優(yōu)化。

本文通過對甲銨液介質(zhì)和艾默生羅斯蒙特FVM插入式粘度計的測量原理和安裝方式進行分析，并結合工藝人員明確了甲銨液粘度和密度測量的重要性。分析儀表測量需要條件，在工藝介質(zhì)的流速不能滿足儀表測量需求時，構建回流管線安裝測量儀表，同時考慮伴熱等防護措施。從運行效果看，目前采用新型FVM插入式粘度計運行穩(wěn)定，測量精度滿足工藝使用要求，為尿素的穩(wěn)定生產(chǎn)提供重要監(jiān)測參數(shù)。同時，也為在該工藝情況下的儀表選擇積累了一定的經(jīng)驗。