氨合成在線分析儀的設計選型與應用問題分析

任國良

（東華工程科技股份有限公司，安徽合肥230024）

氨是化肥工業和基本有機化工的主要原料。合成氨項目中氨合成塔進出口氣中的氫和氨的體積分數是判斷合成反應的直接參數，為操作提供了可靠的依據。某合成氨尿素裝置在熱交換器的進出口設置了在線分析點，實際使用中，該處分析儀經常出現測量數據不穩、波動跳變現象，但分析儀校驗正常。筆者在設計中對該問題進行了分析，發現了問題所在。

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，為一種基本無機化工流程。氨合成反應式如下：

氨合成是可逆、體積減小的放熱反應，它和其他化學反應一樣，溫度對反應速度和化學平衡有雙重的影響。隨著溫度的增加，反應速率會加快，但會降低平衡濃度。壓力對反應速度和化學平衡具有正作用，氨的體積分數將隨壓力的提高而增加，同時反應速度也隨壓力的升高而加速，但是提高壓力將增加壓縮機功耗。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

氨合成塔進出口氣體組分為H2，N2，NH3和少量Ar，其中氨合成工段要求測量進口氣和出口氣中φH2，φNH3。根據HG/T 20507—2014自動化儀表選型設計規范[1]，該處φH2測量選用熱導式氫氣分析儀，φNH3測量選用紅外線氣體分析儀。該工段共設2臺熱導式分析儀和2臺紅外分析儀。進/出口熱導分析儀和紅外分析儀共用取樣和預處理系統。之前在該處設置1臺色譜分析儀，并采用雙流路分別測量進口氣和出口氣的中的φH2，φNH3，與該測量方案相比，采用熱導分析儀和紅外分析儀分別測量φH2，φNH3，具有維護簡單、成本低、測量實時性高的優點。

3 測量數據波動問題分析

對業主反映的測量數據波動的現象進行分析，分析儀校驗正常，說明分析儀設備本體是正常的。推測可能為預處理不合適，導致進分析儀氣體組分不穩定。首先對工藝流程進行梳理，根據工藝流程圖PFD，合成工段簡化流程如圖1所示。

圖1 合成工段簡化流程示意

氣體出塔后進入廢熱鍋爐，用以產生中壓蒸汽，同時使出合成塔的氣體溫度降低。之后通過一系列換熱器，將氣體冷凝后進入分離器。在分離器中冷凝下來的氨和氣體分離，液氨通過底部引出，氣體從頂部進入壓縮機再循環段，與原料氣混合后重新進入合成塔。根據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注為37℃的兩相流。由此推測：分析取樣的氣體在進入分析儀前，其中的氨可能發生了冷凝。根據工藝包數據，進出口氣參數見表1所列。

表1 進出口氣參數

根據道爾頓分壓定律，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，進口氣和出口氣中NH3的分壓對應的飽和溫度分別約為-5℃和62℃。即當溫度低于以上溫度時NH3將發生冷凝，部分冷凝為液態。因為取樣點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NH3發生冷凝時將在最低點形成液袋。此時將會出現取樣失真，進分析儀氣體組分發生波動。這與業主反映的測量數據不穩，有波動跳變的現象一致。因為樣氣壓力高，所以在取樣管線上設置了預處理減壓裝置，預處理后氣體表壓為0.5 MPa，在該壓力下出口氣對應冷凝溫度約為-30℃，該溫度低于當地最低溫度。出口氣中φNH3高于進口氣，預處理后進口氣對應冷凝溫度將更低，故預處理后低壓氣體不會出現冷凝。

根據以上分析，為防止取樣過程中NH3發生冷凝，要求取樣點與樣氣預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應預處理箱伴熱溫度不低于70℃，進口氣取樣管線及對應預處理箱伴熱溫度不低于10℃。預處理減壓后管線無需伴熱，出口氣取樣管線要求夏季伴熱。

4 結束語

合成氨項目為傳統化肥項目，隨著技術的發展，近年來的項目均已設置在線分析儀表。在線分析可為操作員提供比化驗室分析更為快速有效的數據。因色譜分析儀的維護量大、維護難度高，所以采用熱導分析儀和紅外分析儀分別測量φH2和φNH3的方案具有較好的性價比。氨合成在線分析的樣氣比較潔凈，氣體組分相對固定，樣氣處理也比較簡單。根據上文中的分析只要預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NH3冷凝，就能夠保證分析測量的準確穩定。