NH3与CO2的摩尔比连续自动测定系统应用

刘芳，卢喜华

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

工业中用NH3和CO2在一定条件下合成尿素，尿素合成反应是一个可逆反应：

根据化学反应平衡原理可知，增加反应物NH3的物质的量，必然提高CO2转化为尿素的转化率，而水的增加会使尿素生产反应向逆反应方向移动。提高反应物料中水与CO2的摩尔比，即水碳比，CO2转化率将下降，物料中水碳比每增加0.1，CO2转化率下降1.5%～2.0%。合成系统物料中NH3与CO2的摩尔比xNH3/xCO2，在尿素生产工艺中，提高xNH3/xCO2值能提高CO2转化率，在压力14.3 MPa，水碳比=0.49，xNH3/xCO2对CO2转化率的影响见表1所列。

提高xNH3/xCO2值能抑制缩二脲的生成，保证产品质量，同时减轻甲铵液对高压设备的腐蚀，但是由表1可知，当xNH3/xCO2值超过3.35时，CO2转化率反而下降，因此过高的xNH3/xCO2值也是不合适的。并且，xNH3/xCO2值增大时，物料对应的饱和蒸气压也会升高，从而需要提高合成系统的操作压力才能保持物质处于液态，使CO2机组和NH3泵、甲铵泵的负荷提高；同时提高xNH3/xCO2值也增加了未反应NH3的循环量，从而减少了合成塔的有效反应空间，降低了合成塔的处理能力，加大了回收工序的负荷和能耗。因此，控制合理的xNH3/xCO2值，对于提高尿素的生成率，在尿素合成系统中获得一个平衡、高效的操作，是十分必要的。

表1 xNH3/xCO2对CO2转化率的影响 %

随着国内尿素装置规模越来越大，尿素装置的长周期稳定运行显得尤为重要。而尿素合成塔的xNH3/xCO2值作为尿素装置稳定运行的重要参数，如果能实现自动连续准确测定将有助于提高装置的运行平稳性和增产增效。目前国内绝大部分尿素装置通过手动取样分析来测定高压圈合成塔的xNH3/xCO2值。这种操作方法存在分析周期长、人为干扰多、准确性较差、不能及时准确判断装置的运行状况、不能保证装置在最佳状态运行等缺点。也有工厂采用色谱分析仪、重力分析仪等在线气相分析方法，但都不能解决结晶堵塞、腐蚀仪器、精确度不高等问题，使用效果不理想。

内蒙古某项目0.52 Mt/a尿素装置采用连续自动测定尿素溶液xNH3/xCO2值的系统是一种流程简单、省投资、易于操作、不易结晶、抗腐蚀性强的工艺系统，在实际运用中取得良好的效果。

1 系统工作原理

由于冷却水温度在白天和夜晚不同，CO2压缩机在夜间效率提高，合成氨装置能生产的CO2相应增多，从而造成了xNH3/xCO2值的变化。如图1所示，在一定的温度和压力条件下，尿素合成塔流出物的密度与xNH3/xCO2值呈线性关系。通过测量尿素合成塔流出物的密度，再经过数学模型运算，即可得出xNH3/xCO2值。

图1 尿素合成塔出口试样xNH3/xCO2值示意

2 系统工艺流程

连续自动测定尿素溶液xNH3/xCO2值的系统工艺流程如图2所示，通过组合阀从尿素合成塔到汽提塔的尿素溶液主管上连续不断的引出尿素溶液试样，试样温度为183 ℃，压力为14.0 MPa。组合阀为集成2台手动阀和2台开关阀的三阀组，其中开关阀接高压冲洗水泵，冲洗取样管线的目的是防止试样管线结晶堵塞。当试样流量过小或温度过高或压力过高时高压冲洗水泵均会自动启动，高压冲洗冷凝液就会送入开关阀冲洗试样通路。2个手动阀门为试样通路，通过分别关闭通路上不同的阀门可以分别冲洗去xNH3/xCO2值控制柜管线及去尿素溶液主管的取样管线，防止管线结晶。由组合阀引出的试样通过取样冷却器后温度降低到50 ℃，所用冷却介质为38 ℃的脱盐水，通过控制脱盐水量来严格控制试样温度，误差不超过±1 ℃。试样降温后通过后，压力降到2.1 MPa，减压装置为毛细管，介质高速流过减压装置将压力从14.0 MPa降到2.1 MPa。再由压力控制阀将经过减压装置后的试样压力控制在(2.1±0.1)MPa。经减温减压后，50 ℃及2.1 MPa的试样进入科里奥利质量流量计。将流量计实测的密度信号输送至PLC，经过数学模型计算出试样的xNH3/xCO2值，并将计算结果传送至DCS进行监视。操作人员通过实时测出的xNH3/xCO2值，可以及时手动调整进高压圈合成塔的NH3流量，使xNH3/xCO2值稳定在最佳范围内。

图2 连续自动测定尿素溶液xNH3/xCO2值的系统工艺流程示意

为了保证尿素溶液试样在密度测量装置的温度恒定在50 ℃，连续自动测定尿素溶液xNH3/xCO2值的系统测量柜内安装了电加热器，当机柜内空气温度低于50 ℃时自动启动电加热器使柜内温度保持恒定。

3 系统集成

系统的控制柜内上半部分设密闭的单独加热柜，加热柜内装有减压装置、密度计、检测试样减压后管线的压力和温度仪表。加热柜外的控制柜内装有取样冷却器，取样冷却器进出口管线上的温度测量仪表、压力测量仪表、流量测量仪表、温度控制阀等仪表，进单独加热柜的仪表空气管线上装有转子流量计和自力式控制阀。控制柜内管线布置紧凑，遵循取压管线不能弯曲，尽可能短的原则，以防结晶。

该系统的控制柜安装简便，仅需要把尿素溶液试样出、入口管线，蒸汽冷凝液入口管线，仪表空气入口管线，工艺介质放空管线，废液排放管线等，通过法兰与控制柜侧法兰连接即可，大幅地减少了现场的施工量。系统控制柜结构如图3所示。

图3 连续自动测定尿素溶液xNH3/xCO2值的系统控制柜示意

控制系统采用PLC系统控制，采用1只独立的PLC现场控制柜与连续自动测定尿素溶液xNH3/xCO2值的系统控制柜并排放置。PLC现场控制柜通过光纤传送到PLC操作站进行显示，从PLC操作站通过网线传送到DCS操作站进行显示、监控。

4 系统投用前的必要条件

该系统投用前的必要条件如下： 合成塔出料后至少30 min以上；合成塔出液温度175～180 ℃；高压系统压力14～18 MPa；合成塔液位至少在50%处；冲洗水温度至少为50 ℃， 90 ℃最佳；冲洗整个系统的所有管线直至畅通，低压下不带毛细管进行冲洗，高压下带毛细管进行冲洗。

5 系统运行故障处理

1)发现毛细管堵塞后需进行不少于20 min的冲洗，同时颠倒毛细管安装方向。

2)发现取样管线中尿素溶液试样的温度不在50 ℃±1 ℃范围内后，需采取下列措施： 检查冷却水温度，若冷却水温度过高，需要打开冷却水放空，同时检查冷却器中的盘管是否损坏；检查冷却水流量，判断是否为冷却水系统泄漏或者无流量；检查取样冷却器入口处的温度控制阀，判断阀门是否打开；清洁冷却器盘管上的结垢，结垢可能降低换热性能。

3)发现冲洗水泵压力低于工艺操作压力0.5 MPa后，需采取下列措施：

a)检查所有冲洗水管线上的阀门都打开，确保冲洗水流通。

b)检查冲洗水泵中是否有足够的润滑剂和液压油，及时更换液压油和齿轮箱油；检查冲洗水泵的薄膜是否损坏。

c)检查是否有空气进入吸入管线，例如： 由于阀门泄漏导致空气的进入。

4)发现xNH3/xCO2值不正确后，需采取下列措施： 将系统连续自动测定xNH3/xCO2值和手动检测的实验室数据对比，至少对比3 d；检查经过减温减压装置后的尿素溶液试样的温度是否为49～51 ℃；冲洗系统并检查水的密度值，在50 ℃时水的密度约为997 kg/m3。

6 结束语

采用连续自动测定尿素溶液xNH3/xCO2值的系统后，尿素装置合成塔中的xNH3/xCO2值一直处于优化的控制状态，能够实现尿素装置的稳定运行，同时提高了合成塔的效率，使蒸汽消耗降低4%。由高压系统进入低压系统的氨耗显著减少，降低了低压循环负荷。该系统的应用对降低能耗，提高产品质量，提高经济效益有着积极作用。