液氮洗冷箱凍堵因素與改進措施

摘 要：在某些大型的合成氨生產環節當中，通過低溫甲醇洗的方式展開相應操作時，會存在對應的液氮洗工藝進行原料制造。液氮洗的作用在于更好地消除一氧化碳、甲烷等物質，然后留下氨合成原料氣體，這些氣體內部的惰性氣體量比較少，對于提升氨合成生產過程的質量具有明確作用。然而在實際的操作環節，液氮洗工藝本身會面臨某些影響因素的干擾出現凍堵現象，此類問題應該得到有效的改進與優化。

關鍵詞：液氮洗;冷箱凍堵;改進措施

0 引言

在近年來的一些大型煤化工合成氨項目當中液氮洗工藝得到了廣泛應用，也是目前最為有效的一種技術手段。但很多情況下液氮洗工藝和設備的維護工作當中存在著技術層面的問題，例如管理工作不到位引起的冷箱凍堵情況。一旦出現此類問題，就會給生產過程帶來嚴重的損失。

1 液氮洗的工作原理

1.1 吸附原理

吸附原理本身是一種物理現象，并不會產生化學反應，分子之間產生的引力作用可以在吸附劑的表面形成表面力。如果流動體經過時，就會和吸附表面發生反應，表面物質被吸引力所吸引后實現吸附效果。甲醛凈化過的氣體中，二氧化碳、甲醇的極性大于氫氣，因此這些物質就會被分子篩吸附。

1.2 混合制冷

氣體節流膨脹就會產生制冷現象，科學研究也表明，氣體在壓力足夠大的前提下，將其與另一種氣體進行混合后，就會發生制冷現象。此類情況的主要原因是因為系統總壓力并不會發生改變，氣體在混合物當中的分壓降低后，混合氣體組成部分的沸點均差也可以得到控制。因此液氮洗工藝中也應用了這一原理，將洗滌塔之內的產品制冷原料氣，并且將原料氣當中的甲烷、一氧化碳在轉化為出塔氣之后就會變成另一種方式，氮氣和原料氣在混合過程中也會獲得大部分的冷量。

1.3 液氮洗滌

液氮洗滌與多組分精餾有著相似之處，但與多組分精餾不同，利用的是氫氣、一氧化碳和甲烷等氣體，這些氣體沸點差異比較大，如果將這些氣體從氣象中溶解至液內，則可以起到脫除一氧化碳、甲烷、氫氣的效果。相對而言在這項工藝當中的冷凝溫度要保持一個較低的水平，如果無法滿足凈化要求，則溫度將控制在更低的水平。

2 冷箱凍堵產生的主要原因

影響因素：

從凍堵產生的影響因素來看，裂解氣在冷環境下逐漸降溫，如果冷箱內的溫度比裂解氣更低，那么水分達到露點溫度時就會自動凝結，長此以往，冷箱性能下降，嚴重情況下還會導致冷箱阻力增加，從而讓裂解氣當中的某些溫度較高的氣體降低溫度并吸附在冷箱當中。此外裂解氣在經過干燥器時會產生粉塵，進入冷箱后流通截面比較大，流速下降，粉塵容易出現沉降，在此情況下冷箱堵塞嚴重時還有報廢風險[1]。

3 冷箱堵塞的預防措施與優化設計

3.1 預防措施

從預防措施來看，壓縮機冷卻器應該采用不銹鋼材質為主，目的在于保障冷箱的防腐能力，相關設備在管理工作中也要注意日常的氮氣檢測，一旦出現問題后需要立即安排技術人員進行檢查和修理。另外壓縮機的出口區域可以設置一個在線分析儀，目的在于對現有的工藝程序做好監控。如果出現異常情況需要及時停機，并且避免因監控等問題導致的冷箱堵塞停車事故。此外，還需要加強對于分子篩當中的換熱器維護管理。無論是加熱器還是冷卻器在運行過程中都會一直處于熱脹冷縮的狀態，管道泄漏時加熱器當中的蒸汽和冷卻器當中的循環水會進入分子篩，從而導致吸附劑失去原有的作用，甚至會導致二氧化碳的穿透事故。相關技術人員在日常的工作當中也應該做好異常情況的處理，尤其是報告和組織搶修工作。分子篩中的吸附器時間在進行控制后，如果負荷仍然處于較高狀態，則二氧化碳超標后分子篩吸附器就會產生故障，花費更長的時間用于修復。操作環節中相關人員不可將含有二氧化碳等氣體進入液氮洗冷箱之內，例如緊急停車時操作不正確就會導致甲醇洗管線流入液氮洗冷箱當中，緊急停車狀態下分子吸附器和液氮洗冷箱也應該預防堵塞現象，從而確保設備可以在正常的狀態下維持運行[2]。

3.2 優化設計

優化設計可以從多個方面進行。首先是在分子篩的出口微量控制過程中，要保障其穩定運行。一旦冷箱出現堵塞，不僅會導致液氮洗系統的阻力加大，還會導致停車并對冷箱展開復熱和解凍。因而在優化設計方面需要讓二氧化碳的含量保持在一個較低的水平（1×10-6）。在其他工序的設計方面，高壓管道和設備開停車氮氣置換合格之后，就需要將其和低壓氮氣管之間切斷，然后增加盲板，否則會導致分子篩再生氣不合格的現象。分子篩在導氣之前也需要對出口凈化氣進行多次的取樣分析，且和二氧化碳吸收塔出口在線分析儀的PV值展開對比。在系統的開車初期，可以加大分子篩入口的再生低壓氮氣分析頻率。但需要注意讓但其保持在正壓封閉狀態。當調整再生低壓氮氣的流量和溫度之后，就可以維持分子篩的運行性能[3]。如果要展開液位控制，首先要讓氮洗塔的液位處于正常運行狀態，且調節閥也應該用于維持氮洗塔液位的穩定性。此時應避免液氮洗滌環節的一氧化碳等雜質在塔內堆積，造成塔內積存并再次產生解吸現象。

在液氮洗冷箱的冷量平衡控制工作當中，很多雜質都是在-190℃的低溫條件下進行，且系統在維持自身冷量需求的前提下還需要做好冷量損失的控制。當出現物料換熱不完全、外界冷熱交換情況出現問題后，為了保障裝置的平穩運行，就需要獲取冷量來源。很多工序內部的冷量來源于粗配氮產生的節流效應，但冷量不足本身會導致冷箱內的各點溫度增加，特別是氮洗塔內部的溫度過高，影響洗滌效果。長期冷量過剩會導致冷箱保護氮出現冷凝現象，長期冷量過剩還加劇了保護氮和低溫流體的換熱，例如冷箱外殼在低溫環境下就會有液氮出現。因此，我們可以通過調整但其分離器液相排放量的方式來實現冷量平衡[4]。

在一氧化氮的控制上，我們需要考慮到一氧化氮本身的毒性，且合成氣當中的氧化物在達到某個閾值之后就會導致氮合成工序停車，控制合成氣當中的CO含量對于合成氮裝置的平穩運行具有顯著功能，在延長催化劑使用壽命方面的作用也非常突出。如果要調節洗滌氮量，一方面要控制好氮洗塔壓差的穩定性，另一方面就需要讓負荷維持在一個相對穩定的水平。工藝氣負荷一定時，我們可以考慮降低合成氣壓縮機的轉速來起到降低冷箱負荷的作用。經過不斷的分析和總結后我們可以得知，在冷量不足的情況下首先要考慮加大洗滌氮含量，其次通過調整去低溫甲醇洗工藝氣量的方式實現冷量平衡。一旦冷量過剩，先考慮減少洗滌氮量在考慮調整粗配氮和精配氮的冷量分配問題。

3.3 氫氮比優化

冷箱的重要任務在于調節合成塔入口區域的氫氮比，一旦這項指標失調，則氨合成的反應速度會有明顯下降趨勢，從而導致氨合成反應熱減少，回路壓力上升，合成塔溫度也會因此而出現下降。氫氣和氮氣在液氨中的溶解度存在差異，循環氣比例和空氣之間也存在差異，在進行管控時循環氣氫氮比要比新鮮氣更低，將合成塔入口區域的氫氮比穩定在2.9-3.1左右。

4結語

液氮洗冷箱作為合成氨裝置當中的核心設備，其運行的穩定性直接影響到合成氨裝置的使用性能和使用周期。例如冷箱運行環節當中，我們既要考慮到入口區域的二氧化碳含量保持在一個較低的水平，同時洗滌氮量的調整要根據符合和合成氣當中的二氧化碳情況進行綜合評估，減少冷量過剩、冷量不足的現象?？偠灾谌魏吻闆r下都不可讓過量的二氧化碳進入冷箱當中，從而影響到裝置的滿負荷運行狀態。

參考文獻：

[1]張學懿，侯晶晶，霍吉生.液氮洗裝置運行問題分析及處理[J].小氮肥，2019，047（001）：24-27.

[2]秦燕，孔翔，鄔依婷.中低壓液氮洗冷箱的裸冷試驗[J].深冷技術，2013，000（006）：16-19.

[3]王克星，蒲昭廷，荊三偉.采用液氮進行液氮洗冷箱的裸冷及其效益分析[J].中氮肥，2017（2）：9-10.

[4]周寒秋，余景羽，徐志明，等.液氮洗冷箱內密封氣液化分析和故障處理[J].杭氧科技，2016（04）：23-27.

作者簡介：

吳嘉（1985- ），男，漢族，浙江杭州人，職稱：工程師，本科學歷，研究方向：總體設計。