氨碳比分析在斯塔米卡邦尿素装置中的应用及收益

氨碳比分析仪在斯塔米卡邦尿素装置中的应用及收益
作者/来源：王红(荷兰荷丰公司，北京，100016) 日期：2001-6-16 点击率：81
1 尿素反应器测量系统
为了优化尿素产量，保持尿素汽提过程中反应物的比率一定，及保证尿素合成段稳定的操作，使反应器内部能量自给自足，提高尿素的产量，要求控制反应器内的各组分在一固定的比率上，此比率通常叫做氨碳摩尔比(N／C)。

ThIS和斯塔米卡邦公司(DSM附属专利权益受理公司)联手研制开发了N／C测量系统。

其目的是运用各方所有的理论和实践知识，把N／C分析仪设计成“装上即用”的现成产品。

自1986年以来，ThIS公司已为许多尿素工厂提供了N／C分析仪。

经ThIS公司试运行，这些仪表运转良好，达到或超过了所有的预期指标。

表现在：准确、连续读取／输出N／C；不需维护、无需校验，使用寿命长(N／C分析仪照片见《大氮肥》2000年期刊封面)。

2 使用N／C分析仪的收益
要达到尿素生产的最优产量，反应器的组分比必须由共混合物N／C来控制。

用气相色谱在气相状态下测量N／C不适合在线控制，因为N／C在排出气体中及反应器液相中不成线性关系，为了超越气相色谱的限制和满足更多的需求，斯塔米卡邦开发了N／C分析仪。

N／C分析仪由ThIS公司在荷兰的Breda生产，利用反应器中排出物料密度与N／C的关系，在一定温度和压力下两者成线性关系(见图1)。

利用最新的密度测量技术，使用管式振动，可以得到非常准确的读数。

这一仪表精密且稳定，初次调整后可以操作很多年不需再校验。

取样系统没有气相色谱复杂，容许连续液相测量。

使用N／C分析仪，原料和公用工程消耗的受益要在长时间运行以及仪器准确的条件下才能精确计算。

斯塔米卡邦尿素技术的用户发现使用N ／C分析仪可以显著减少可变成本。

2.1 降低成本
图2反应器中N／C波动曲线在许多工厂中都可以观察到，它主要由于温度的日夜变化引起的，应用N／C分析仪后，曲线大幅度减小。

如果自动控制比率，N／C值可进二步稳定，通过控制系统来完成。

该系统也可以执行其他先进控制回路，如控制水在甲铵溶液中的含量，及合成段的NH3／CO2进料比及尿素反应器液面控制等，发挥其作用。

以两个先进控制回路为例，自动控制N／C和水在甲铵溶液中含量，由于减少了蒸汽及原料消耗，也就降低了成本，增加了产量。

由于反应器中的N／C振幅变窄，蒸汽的消耗减少2％，氨的流失减少到大约60％。

以1500t／d尿素装置100％负荷运行为例：
1)假设装置每年运行330天，以能源消耗来计算节省量，蒸汽消耗为14$／t，总值为11×104$／a。

2)假设HP洗涤器下游工段没有安装吸收器，NH3流失到空气中的量减少到约60％，每年节省大约为
2.9万美元。

3)分析实验只在重大检测及重新校验时进行。

假设一般情况下每周在汽提塔或反应器出口取样，如果安装N／C分析仪，可减少到两个月一次。

这样达到的节省为1.92×104$／a。

4)水在甲铵循环液中的量应越少越好，因为它对尿素在合成段的转化起反作用，每相对于100份甲铵液中含水量，蒸汽消耗量减少为2.5％，相应的节省量为14×104$／a。

能源和原材料消耗的总节省量为30×104$／a。

5)如安装先进控制回路，非常有可能使生产产量增加1％，每年可得到额外的利润，约为45万美元。

6)所有操作员以相同的控制参数来操作；多变量测量，得出更好的管理信息；正是有紧密的控制规范，操作流程会更接近最优化操作条件，也产生更高的生产能力。

综上所述，每年的总节省可达到74.8万美元。

由于更高效的生产及生产能力的增加，斯塔米卡邦公司已证明在一年之内就可收回总投资。

2.2 使用效果事例
以下是几个N／C分析仪用户的反馈事例：
1)加拿大SASKFERCO工厂
①使用N／C分析仪，严密的控制N／C的范围，可以达到每天产量增加40t尿素的高生产水平，在每日的操作中可以快速并更稳定的达到理想的高峰值(n CO2)；②N／C分析仪改进了汽提塔周围的操作从而减少蒸汽消耗4％～5％，高压蒸汽节省又被以上提到的增加的更多的产率交换掉，并这一增加量包括在以上数值内：③安装N／C分析测量系统后，NH3和CO2的流失量有所减少，具体数值取决于汽提塔，大约节省6％；④从未取过GC样。

2)爱尔兰IFI工厂
①安装了外部压力为0.7MPa的缓冲器，NH3的流失有了显著的改进，但N／C分析仪确实帮助在开车后更快的稳定装置；②自从安装后从未再校正过；③在正常操作下分析仪性能良好，稳定。

总体评论这是一台非常有用的监测合成条件，减少流出物及氨的流失的设备。

3)美国路易斯安那TRIAD工厂
①自从N／C分析仪投入使用后，合成工段操作得非常好，反应效率增加了，汽提塔效率增加了，蒸汽效率也增加了。

少量的氨从合成工段排出，减少了再循环工段的负荷。

负荷的减量允许增加反应率，同时不需要从循环系统排出氨，而在合成段将这些氨重新利用。

预计氨效率增加量为 0.002t／t尿素，蒸汽效率为0.087t／t尿素。

②N／C分析仪是更好操作尿素装置的一个很有效的工具，氨流失量减少和生产量增加的受益比预计的还要好，认为在这之前许多操作中出现的问题都是因为反应器中的比率失调造成的。

4)沙特阿拉伯化肥公司
N／C分析仪满足需求，能连续的给出读数并不需任何校验，N／C读数总是和实验室测试结果相吻合。

3 先进过程控制系统进一步使受益最大化
节省和收益只有在尿素装置利用先进过程控制系统时才能最大化。

先进控制的设计原理可使尿素装置在更少操作间断中运行并提供更好、更快的装置管理信息，由物理平衡数据来计算推理测量值产生直接的装置信息，如浓度、尿素合成段和再循环段的关键比值。

这一连续的控制和信息将改进装置的稳定性及减少实验室分析次数。

所有关键变量可通过投有所报的专用的、灵活的 Fixtrak一体化mini DCS先进过程控制系统控制。

3.1 反应器液位控制(液面)
反应器液位控制的目的是即使在装置的负荷有极少的变化(通过改变汽提塔的入口阀)或其他控制方式情况下，也能达到一个稳定的反应器液位。

由于反应器液位的负面反应，在操纵排出阀 (USO)时，正常(自动)液面反馈控制是不能实现的。

反应器液位“控制器”既可控制NH3进料又可控制CO2进料的设定点，这种算法(偶合算法)设计的目的是确保进料比保持不变。

这一前馈控制的优点是不管液位控制器的控制性能如何，反应器的摩尔比保持不变。

控制反应器摩尔比的目的是控制液相的摩尔比在3.0～3.1之间(通过安装在下游管线的N／C分析仪来测量)。

反应器摩尔比控制器可控制NH3和CO2两者进料的流量控制器的设定点。

(偶合)算法设计的目的是不管反应器摩尔比控制器的流量比设定值如何，保证加到合成段的总量稳定。

校正原料流的摩尔比是通过(纯)CO2和NH3流量的质量计算来实现的。

3.2 对HP汽提塔O2／CO2的控制
若没有合适的预防措施，控制CO2流量会导致O2含量波动。

为了保证摄入充足的空气阻止合成设备起化学变化，需要校正CO2进料(前馈控制)。

最终的调整(由回料控制)由想要达到的浓度和氧气分析仪测定的实际数值来确定。

3.3 反应器顶部惰性气体的控制
其目的是通过调节由合成部分进料的惰性气体总量来控制惰性气体物料平衡。

惰性气体的存在对反应器中的转化起反作用，因此应保持越低越好。

因为不能直接测量惰性气体，所以控制回路是完全前馈的。

3.4 低压甲铵冷凝器
在尿素装置的再循环阶段大部分未转化的NH3和CO2从尿素溶液中除去。

甲铵溶液从液位槽经高压甲铵泵循环到高压洗涤器。

其中水量的多少对反应器中反应的转化率起反作用。

如果其中不存在水，这一操作是不可能的，因为混合物会结晶。

对LPCC这样操作的目的是使流回HP洗涤塔的甲铵液含有31％的水从而符合低压甲铵冷凝器对当前装置负荷的要求。

可操作性是通过甲铵液中自动计算量的比例来改进的(以HP甲铵泵吸入管线的密度测量及现存压力和温度测量为基础，然后通过加入水量的多少来调节)。

这一分析也可给出NH3和CO2在循环甲铵液中(控制在N／C>2.06)的比率读数。

4 结论
通过缩小N／C在反应器中的变量，发现如果安装先进过程系统：高压蒸汽消耗可减少2％， NH3散失量可减少1.6个系数，实验室分析的次数显著减少。

通过先进过程系统减少循环甲铵液中水的含量：随着水含量减少2.5％，高压蒸汽消耗也随之减少。

严格的控制制度，使可操作流程更接近规范量，从而达到更高的生产能力。

安装先进过程系统更有可能，使装置产量增加1％。