氨合成塔進出口工藝氣的分析方法改進

王業(yè)超

（海洋石油富島有限公司，海南 東方 572600）

對于美國KBR 合成氨工藝來講，由于合成塔進出口工藝氣的組成是H2、N2、Ar、CH4和NH3等，這些氣體所占的比例會對氨合成轉(zhuǎn)化率產(chǎn)生直接的影響。通常情況下，進出口氣體的分析數(shù)據(jù)是工藝裝置調(diào)節(jié)相應(yīng)工藝參數(shù)的依據(jù)，以此能夠使氨轉(zhuǎn)化率達到最大，這樣也能夠提供更加準確的數(shù)據(jù)。但是傳統(tǒng)的方法存在著精準度差的問題，因此對氨合成塔進出口工藝氣進行了改進，以求解決精準度方面的問題，從而使其達到更好的效果。

1 實驗部分

1.1 實驗方法原理

利用氣相色譜儀法對合成塔的進出口氣進行測定，以H2為載氣，在一閥一柱的作用下，能夠使氣體達到分離的狀態(tài)[1]。首先，氣體樣品通過硫酸過濾瓶將氨氣吸收，除氨后的樣品氣通過六通閥定量管進樣，然后直接進入5A 柱子，Ar、N2、CH4經(jīng)過5A 柱分離成單一組分，并在TCD 檢測器的作用下記錄相應(yīng)的譜峰。最后，依次記錄這些氣體譜峰的峰面積進行定量分析。

1.2 實驗儀器

氣相色譜儀；取樣工具；鋁箔球和球膽。

1.3 分析步驟

在具體的實驗過程中，安排6 人在同一時間段內(nèi)分別對合成塔進口（105D1）和出口（105D2）取樣分析，算出每位檢測者相對全部檢測者的相對偏差。105D1 和105D2 分析標準操作：

1）硫酸過濾瓶斷開置換15 s；

2）置換硫酸過濾瓶時保證出口有氣冒出；

3）進樣時排氣管末端氣體要求進樣時排氣管末端剛好不冒泡，當排氣管末端剛好不冒氣泡時要求同時按儀器“開始”鍵進樣；

4）每次取樣前取樣點排放置換管線5 min 以上；

5）每次更換載氣后等待2 h 以上分析樣品；

6）樣品的放置時間在30 min 內(nèi)必須進樣分析；

7）取樣袋選擇質(zhì)量穩(wěn)定的鋁箔袋，取樣時確保取到足夠多的氣樣，以保證進樣置換時取樣袋處于正壓狀態(tài)，及時更換老舊或破損的取樣袋。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 實驗結(jié)果

將最大相對偏差的絕對值降至≤0.5%作為實驗?zāi)繕?，根?jù)表1 的結(jié)果可知，105D1 分析結(jié)果最大相對偏差的絕對值為1.50%，105D2 分析結(jié)果最大相對偏差的絕對值為1.45%。

表1 取樣分析結(jié)果

2.2 實驗結(jié)果的影響因素分析

2.2.1 硫酸過濾瓶排氣置換狀態(tài)

由于硫酸過濾瓶上面的氣體空間較大，采取對硫酸過濾瓶斷開置換和不斷開置換的方式，測量N2含量是否存在差異和斷開時間長短的影響[2]。在硫酸過濾瓶連接置換的情況下105D1 出現(xiàn)最大的相對偏差為1.30%，105D2 出現(xiàn)最大的相對偏差為1.22%，隨著硫酸過濾瓶斷開時間的延長，105D1 和105D2 的N2含量趨于平穩(wěn)。最終得出結(jié)論：硫酸過濾瓶的排氣置換狀態(tài)是影響分析結(jié)果的主要原因。

2.2.2 進樣時排氣管末端氣體的控制程度

將式（6）代入式（7），可以得到式（8）。通過式（8）可以看出，在寬帶偵察應(yīng)用中，一本振與射頻的差在掃頻的過程中會產(chǎn)生二鏡頻，而這種鏡頻產(chǎn)生的激勵模式往往會被忽略。這種情況如果電路設(shè)計不當，就會導(dǎo)致頻譜偵察與檢測過程會發(fā)生信號誤判的現(xiàn)象。對于這一問題的處理只有加強對二中濾波器帶外鏡頻的抑制，如果鏡頻抑制要求高，對應(yīng)的中頻信道電路往往需要兩級串聯(lián)使用，才能達到指標的要求。

在色譜儀進樣的瞬間，由于切斷樣品氣的操作不一樣，很有可能會出現(xiàn)定量環(huán)取到的樣品存在誤差。這種情況主要表現(xiàn)為色譜儀排氣口出現(xiàn)有氣泡冒出、剛好不冒氣泡和排氣口出現(xiàn)負壓三種情況，具體的分析結(jié)果在有氣泡冒出時相對偏差均大于0.5%，105D1為0.58%，105D2 為0.61%。最終得出結(jié)論：進樣時排氣管末端氣體的控制是影響分析結(jié)果的主要原因。

2.2.3 樣品置換定量環(huán)時間

當定量環(huán)置換時間為60 s 時，105D1 分析結(jié)果出現(xiàn)最大相對誤差為0.40%，當定量環(huán)置換時間為30 s時，105D2 分析結(jié)果出現(xiàn)最大相對誤差0.30%。最終得出結(jié)論：樣品置換定量環(huán)時間不是影響分析結(jié)果的主要原因。

2.2.4 取樣時取樣點的排放時間

當取樣點置換5 min 之后，105D1 和105D2 的N2含量趨于穩(wěn)定。105D1 和105D2 的最大相對偏差的絕對值為1.67%、1.94%，得出的結(jié)論為：取樣時的排放時間是影響分析結(jié)果的主要原因。

2.2.5 取樣置換時氣閥開關(guān)狀態(tài)

當取樣點在微開或關(guān)閉狀態(tài)下取樣時，105D1 和105D2 的最大相對偏差的絕對值為0.40%、0.44%，并且得出結(jié)論為：取樣置換時氣閥開關(guān)狀態(tài)不是影響分析結(jié)果的主要原因。

由于儀器使用的載氣為氫氣，在氫氣消耗完后，需要對載氣進行更換。在更換的過程中，經(jīng)常會有空氣帶入載氣，從而使儀器信號波動[3]。在實驗的時候，采取的是氮氣氣體體積分數(shù)為24.70%的標準氣檢驗更換載氣并等待一定時間后進樣是否對分析結(jié)果有影響，得出結(jié)論：在等待時間1.0 h 后進樣出現(xiàn)最大相對偏差值5.33%，即更換載氣后的等待進樣時間是影響分析結(jié)果的主要原因。

2.2.7 樣品的放置時間的影響

如果樣品取回放置時間過長，那么會發(fā)生滲漏，從而使樣品組份含量出現(xiàn)波動[4]。如表2 的實驗結(jié)果可知，由于105D1 和105D2 的N2氣體體積分數(shù)的結(jié)果隨著樣品放置時間的延長而增大，105D1 的最大相對誤差的絕對值為3.53%，105D2 的最大相對誤差的絕對值為3.38%，得出結(jié)論：樣品的放置時間是影響分析結(jié)果的主要原因。

表2 鋁箔袋（圖1）和球膽（圖2）取樣分析對結(jié)果造成的影響

2.2.8 取樣工具的影響

使用不同的取樣工具取樣，在取樣置換時或樣品放置時間不一樣的狀況下，很有可能導(dǎo)致不同的取樣工具取樣分析結(jié)果造成誤差[5]。鋁箔袋（圖1）和球膽（圖2）的N2含量均隨著放置時間的延長而增大，且球膽增大的幅度比鋁箔袋增大的幅度大，用鋁箔袋取105D1 和105D2 樣品分析的最大相對偏差的絕對值分別為2.87%、2.20%。用球膽取105D1 和105D2 樣品分析的最大相對偏差的絕對值分別為4.92%、4.57%。得出結(jié)論：取樣工具是影響分析結(jié)果的主要原因。

圖1 鋁箔袋

圖2 球膽

3 改進的具體措施

根據(jù)上述的分析可知，能夠?qū)嶒灲Y(jié)果產(chǎn)生影響的因素，主要有6 種，即硫酸過濾瓶排氣置換狀態(tài)、進樣時排氣管末端氣體的控制程度、取樣時取樣點的排放時間、更換載氣后的等待進樣時間、樣品的放置時間和取樣工具，應(yīng)對的措施如下：

3.1 規(guī)范硫酸過濾瓶排氣操作標準

規(guī)范硫酸過濾瓶排氣操作標準，要求置換時保證硫酸過濾瓶出口有氣冒出，硫酸過濾瓶出口斷開置換15 秒以上。安排一人對105D1 和105D2 各分析5 次平行樣，105D1 的最大相對偏差的絕對值由原來的1.30%降至0.42%，105D2 的最大相對偏差的絕對值由原來的1.22%降至0.46%，105D1 和105D2 的最大相對偏差均小于0.50%，這證明了這種方式是有效的。

3.2 規(guī)范進樣操作標準

規(guī)范進樣操作標準，要求進樣時排氣管末端剛好不冒泡，當排氣管末端剛好不冒氣泡時要求同時按儀器“開始”鍵進樣[6]。安排一人對105D1 和105D2 各分析4 次平行樣，105D1 的最大相對偏差的絕對值由原來的0.58%降至0.48%，105D2 的最大相對偏差的絕對值由原來的0.61%降至0.47%，105D1 和105D2 的最大相對偏差均小于0.50%，這證明了這種方式是有效的。

3.3 規(guī)定取樣時取樣點的排放時間

每次取樣前取樣點排放置換管線5 min 以上。安排一人對105D1 和105D2 各分析5 次平行樣，105D1的最大相對偏差的絕對值由原來的1.67%降至0.44%，105D2 的最大相對偏差的絕對值由原來的1.94%降至0.31%，105D1 和105D2 的最大相對偏差均小于0.50%，這證明了這種方式是有效的。

3.4 規(guī)定更換載氣后的等待進樣時間

每次更換載氣后等待2 h 以上分析樣品。安排一人更換載氣后間隔2 h 以上不同時間段分析標準氣，最大相對偏差的絕對值由原來的5.33%降至0.40%，最大相對偏差小于0.50%，這證明了這種方式是有效的。

3.5 規(guī)定樣品的放置時間

規(guī)定樣品的放置時間，要求每次取樣后30 min內(nèi)必須進樣分析。安排一人對105D1 和105D2 各分析5 次平行樣，105D1 的最大相對偏差的絕對值由原來的3.53%降至0.48%，105D2 的最大相對偏差的絕對值由原來的3.38%降至0.47%，105D1 和105D2 的最大相對偏差均小于0.50%，這證明了這種方式是有效的。

3.6 選擇質(zhì)量穩(wěn)定的鋁箔袋作為取樣工具

選擇質(zhì)量穩(wěn)定的鋁箔袋作為取樣工具，取樣時確保取到足夠多的氣樣，以保證進樣置換時取樣袋處于正壓狀態(tài)，更換老舊或破損的取樣袋。安排一人對105D1 和105D2 各分析5 次平行樣，105D1 的最大相對偏差的絕對值由原來的4.92%降至0.44%，105D2的最大相對偏差的絕對值由原來的4.57%降至0.42%，105D1 和105D2 的最大相對偏差均小于0.50%，這證明了這種方式是有效的[7]。

4 結(jié)語

通過對氨合成塔進出口工藝氣的分析方法改進可知，應(yīng)當將重點放在各種影響因素方面，從而得到的實驗結(jié)果出發(fā)，采取相應(yīng)的應(yīng)對措施，從而保證分析數(shù)據(jù)的精密度得到提升。與此同時，還要注意加強班組人員對標準操作方法的培訓(xùn)；加強監(jiān)督考核，確保操作人員嚴格執(zhí)行標準操作方法；定期開展實驗室內(nèi)部比對等，及時發(fā)現(xiàn)問題并整改完善。