合成氨裝置取樣系統設計的探討

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

分析化驗是監督和檢測化工裝置生產正常運行的方法和手段。通過對化工裝置運行過程中關鍵路徑上的樣品進行化驗，根據分析結果可以確定化工裝置運行是否平穩，并及時調整操作方案，保障裝置安全、穩定運行。如何能夠及時、準確、安全、方便地得到具有代表性的樣品，則是分析化驗工作能順利開展的前提條件，對整個化工裝置生產都具有極為重要的意義，尤其是在化工裝置開車和性能考核階段。

本文通過對合成氨裝置的樣品特點、取樣點的設置、樣品采集容器的選擇、采樣置換廢樣的處理方式、取樣流程設計等幾個方面進行討論和總結，對現場取樣系統的設計提供一定的借鑒作用。

1 合成氨裝置的樣品特點

氨合成的主反應為：

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

無論是天然氣還是煤做原料，對于合成氨裝置來說，都要先制得H2、N2原料氣，而制取的氫、氮原料氣中都含有硫化合物、一氧化碳、二氧化碳等雜質，這些雜質不僅能腐蝕設備，而且能使氨合成催化劑中毒，因此，在氫、氮原料氣送入合成塔之前，必須進行凈化處理，除去各種雜質，獲得純凈的氫氮混合氣。整個過程所處理的工藝介質均為連續流體，以氣體或液體的形式存在。

以天然氣制合成氨的一般流程見圖1。

圖1 天然氣制合成氨一般流程

按照工藝生產的控制要求，合成氨裝置需要分析的樣品根據其介質形態、成分、分析項目、取樣溫度及壓力等可以分為以下幾類：①溫度>60 ℃、氣體、含水、易燃/易爆/有毒，如蒸汽轉化工藝氣、變換工藝氣、甲烷化出口氣等，主要干基氣體組分為H2、N2、Ar、CH4、CO2、CO等；②溫度>60 ℃、氣體、不含水、易燃/易爆/有毒，如脫硫天然氣、脫碳高壓閃蒸氣、凈化工藝氣、合成氣等，主要氣體組分為H2、N2、Ar、CH4、CO2、CO等；③溫度>60 ℃、氣體、不含水、無毒，如煙氣、脫碳低壓閃蒸氣、CO2汽提塔出口氣等，主要氣體組分為CO2、N2等；④溫度<60 ℃、氣體、易燃/易爆/有毒，如原料天然氣、脫碳出口工藝氣、凈化工藝氣、分子篩進口氣、干燥器出口氣、熱氨產品、氨洗滌塔出口氣、氨精餾塔出口氣等，主要氣體組分為H2、N2、Ar、CH4、CO2、CO、NH3等；⑤溫度<60 ℃、氣體、無毒/不污染環境，如CO2產品、儀表空氣、儀表氮氣、凈化后氮氣等，主要氣體組分為CO2、N2等；⑥溫度>60 ℃、液體、無毒/不揮發，如蒸汽、鍋爐給水、工藝冷凝液、脫碳高壓閃蒸液等，主要成分為水、脫碳液等；⑦溫度<60 ℃、液體、無毒/不揮發，如工藝冷凝液、脫碳液、汽提冷凝液等，主要成分為水、脫碳液等；⑧液氨產品。

2 取樣點的設置

2.1 取樣點的位置

合成氨裝置取樣點位置的設置應滿足工藝生產的監測要求，并能夠取到代表系統真實情況的樣品。因此，對于取樣點的位置設置一般遵循以下要求：①一般設置在工藝主管上，并且要在分支之前，不能在流體死角處；②取樣點與設備和泵的出口、工藝主管道之間不宜太遠，否則介質滯留量多，取樣時必須把滯留介質放掉或處理掉；③取樣點的工藝介質循環效果要好，取樣要具代表性，須防止取樣點出來的樣品不真實，從而對工藝操作產生誤導；④取樣點與工藝主管應至少有一道根部閥隔斷，對于高溫高壓的介質，還應采用雙根部閥；⑤取樣主要是人為手動操作，取樣點應設置在操作方便，并且安全的地方。

2.2 取樣點引管的設置

合成氨裝置中的氣體取樣點和液體取樣點的取樣設置中，對取樣點的引管要求是不一樣的，具體的設計可以參考如下要求[1]。

(1)氣體取樣：①水平管段上，取樣管一般從管道上方引出；②垂直管段上，當氣體自下而上流動，取樣管應從垂直管斜向上45°夾角引出；③垂直管段上，當氣體自上而下流動，取樣管與垂直管垂直引出。氣體取樣引管設置方式見圖2。

圖2 氣體取樣引管設置方式

(2)液體取樣：①水平管段上，取樣管一般從管道側面引出；②垂直管段上，當液體自下而上流動，取樣管與垂直管垂直引出；③垂直管段上，當液體自上而下流動，盡量不設置取樣點。

圖3 液體取樣引管設置方式

3 樣品采集容器的選擇

樣品通過取樣系統后進入樣品采集容器內，再拿到實驗室進行后續分析。下面就分別對氣體和液體樣品的采集進行討論。

3.1 氣體采集容器

氣體的采樣容器有取樣鋼瓶、球膽、鋁箔袋等。合成氨裝置大部分的樣品為氣體樣品，通常情況各種采樣容器都可以使用，但是針對高溫、高壓或者有毒、有害的氣體，一般建議選擇鋼瓶來取樣。在鋼瓶取樣過程中，連接好取樣系統后，可以打開鋼瓶兩端的閥門，用樣品氣將取樣鋼瓶置換一段時間，再關閉閥門，所取到的樣品比較有代表性，安全性比較高，而且也符合現階段國家對環保排放的高要求。目前已有較多商業化的密閉取樣器，基本都是采用鋼瓶來取樣的。

對于一些有特殊分析要求的樣品，還得根據實際情況來選取。比如含微量硫化氫的氣體，如果使用鋼瓶或球膽，會對樣品中的硫化氫產生一定的吸附，使得樣品中的硫含量在分析時偏小或沒有，從而對工藝操作產生誤導，應盡量選擇不吸附硫的取樣容器，比如鋁箔袋或者硫鈍化鋼瓶[2]。而對于一些氣體樣品壓力過低，如CO2的產品氣，若使用鋼瓶采樣，則樣品在實驗室進色譜分析的時候，因為樣品氣的壓力過低，樣品氣無法通過色譜柱，導致難以分析，此時應使用球膽取樣比較好。

3.2 液體采集容器

液體采樣容器有PTFE瓶、玻璃瓶或者液體取樣鋼瓶等。對于合成氨裝置，液體樣品種類較為單一，基本都是水樣，只有少量的脫碳液樣品，一般使用PTFE瓶就可以滿足要求了。

圖4 液氨取樣鋼瓶

而對于液氨產品就比較特殊了，因為液氨樣品溫度很低，非常容易氣化揮發，而液氨也是危險化學品，與空氣混合濃度達到15.7%～27.7%時，會發生爆炸。因此，液氨的取樣須遵循GB/T 8570《液體無水氨實驗室樣品的采取》中的方式進行，為使樣品更具代表性， 應按照要求選用液氨不銹鋼瓶來取樣，該液氨取樣鋼瓶為根據標準要求特制的[3](見圖4)。

4 置換廢樣的處理

在取樣系統的設計中，對于置換廢樣的處理需要重點考慮。一方面由于目前國家對于環保要求很高，工廠的排放控制比較嚴格；另一方面出于對取樣操作人員的安全考慮，所以現在常用的取樣方式就是密閉取樣，即操作人員在整個取樣過程中，包括樣品的置換過程，不與取樣介質進行任何接觸，通常是按照樣品介質的成分來綜合考慮的。

對于合成氨裝置來說，大多數氣體樣品含有H2、CH4、CO、NH3中的一種或者幾種等，對于這些易燃、易爆或者有毒、有害的介質，一般采取的是將這些樣品的取樣廢氣通過管道送至火炬系統燒掉，使其對工廠環境的影響降至最低。

而對于CO2產品，儀表氮氣等是對人體不造成損害且不污染環境的氣體樣品，一般不送向火炬系統，而考慮在高點安全處放空即可。

合成氨裝置的液體樣品一般是水樣和脫碳液。水樣是蒸汽、鍋爐水、冷凝液等冷卻后的樣品，其置換樣品的廢液通常是可以直接就地排放或排向地溝。需要注意的是，在北方寒冷地區，不宜直接排放，以防止冬天結冰，危害取樣人員的人身安全。脫碳液較為昂貴，直接排放的話，損耗太大，所以一般都要求將置換廢液收集后，倒入收集槽，或者直接用喇叭口收集后，排至收集槽。

對于液氨樣品，一般是將置換廢氨引至火炬系統燒掉。

5 取樣流程設計

取樣流程的設計是取樣系統設計的主要部分，針對不同的樣品，應該采用符合樣品特點的取樣流程。綜合考慮合成氨裝置樣品的取樣溫度及壓力、介質形態、成分、分析項目、樣品采集容器、置換廢樣的處理方式等因素，并結合前面的樣品分類，大致可以分為以下幾種取樣流程。

5.1 取樣冷卻器+氣液分離罐+鋼瓶取樣+廢氣去火炬

該取樣流程(見圖5)適用于高溫、高壓以及有毒、有害、易燃的含水氣體樣品，樣品依次經過根部閥、取樣減壓閥、取樣冷卻器后，氣體中的水汽冷凝下來，再經過氣液分離罐，干基氣體樣品由其頂部出去，而水則冷凝下來由氣液分離罐底部排出。此時，樣品先經路徑A排向火炬系統，以置換取樣管線里面的樣品，然后關閉路徑A，并將取樣鋼瓶兩端采用卡套連接，依次打開閥門，連通路徑B，置換取樣鋼瓶內的樣品一段時間后，則鋼瓶內取得的即為具有代表性的樣品。此時可依次關閉各閥門，取下鋼瓶，拿到實驗室使用色譜進樣進行干基氣體分析。

圖5 取樣流程1

5.2 取樣冷卻器+鋼瓶取樣+廢氣去火炬/高點安全處放空

該取樣流程(見圖6)適用于高溫以及有毒、有害、易燃的不含水氣體樣品(置換廢氣須接入火炬系統)或者高溫無害非易燃的氣體樣品(置換廢氣可在高點安全處放空)。樣品依次經過根部閥、取樣減壓閥、取樣冷卻器后，其流程與第一種取樣流程中氣液分離罐之后的流程一致。

需要注意的是，要分析脫硫后的工藝氣中微量硫含量時，應采用硫鈍化鋼瓶，以減少取樣對分析結果的干擾。也可以將路徑B中的取樣鋼瓶更換為鋁箔袋取樣。

圖6 取樣流程2

5.3 鋼瓶取樣+廢氣去火炬/高點安全處放空

該取樣流程(見圖7)適用于常溫以及有毒、有害、易燃的氣體樣品(置換廢氣須接入火炬系統)或者常溫無害非易燃的氣體樣品(置換廢氣可在高點安全處放空)。樣品依次經過根部閥、取樣減壓閥后，其流程與第一種取樣流程中氣液分離罐之后的流程一致。

需要注意的是在樣品的壓力接近常壓的時候，在條件允許的情況下，宜將路徑B中的取樣鋼瓶更換為球膽取樣，這樣可避免鋼瓶壓力較低時，樣品無法進入色譜的情況發生。

圖7 取樣流程3

5.4 取樣冷卻器+敞口取樣

該取樣流程(見圖8)適用于高溫、無毒、不易揮發的液體樣品，樣品依次經過根部閥、取樣減壓閥、取樣冷卻器后，排放置換一段時間即可直接露天采樣。

需要注意的是對于非水液體，如脫碳液，其取樣置換廢液不宜直接排放，在取樣時可在取樣點旁放置廢液收集桶，來收集廢液。或者在取樣口下方，設置廢液收集喇叭口，由管道引至廢液收集槽集中收集。

圖8 取樣流程4

5.5 直接敞口取樣

該取樣流程(見圖9)適用于常溫、無毒、不易揮發的液體樣品、儀表空氣或者儀表氮氣等，樣品依次經過根部閥、取樣減壓閥后，排放置換一段時間即可直接露天采樣。液體采用取樣瓶取樣，氣體可采用球膽或者鋁箔袋取樣。

圖9 取樣流程5

5.6 液氨取樣

液氨取樣流程(見圖10)僅適用于液氨管線或者氨罐內液氨樣品的采取，樣品經過根部閥、取樣減壓閥之后，先經過路徑A，對管線內的液氨置換一段時間，之后關閉路徑A，再連通路徑B，按照GB 8570.1—2008的步驟來取樣[3]。

當液氨僅需分析純度的時候，可以采用李森科瓶來分析，此時，可以采用圖9的流程來采樣，分析結果準確度也很高。

圖10 取樣流程6

6 結語

在設計合成氨裝置的取樣系統時，應了解各樣品介質的理化性質，同時結合介質的溫度、壓力、相態、分析的目標，確定使用的樣品采集容器以及置換廢液的處理方式，進而確定合理的取樣流程，最終保證樣品采集過程的操作便利性和所采集樣品的典型性，為后續分析結果的可靠性提供堅實的基礎，并為整個裝置開車及穩定運行提供有力的保障。