合成氨装置取样系统设计的探讨

2019-05-15 07:40
化肥设计 2019年2期
关键词:钢瓶液氨合成氨

(中国五环工程有限公司,湖北 武汉 430223)

分析化验是监督和检测化工装置生产正常运行的方法和手段。通过对化工装置运行过程中关键路径上的样品进行化验,根据分析结果可以确定化工装置运行是否平稳,并及时调整操作方案,保障装置安全、稳定运行。如何能够及时、准确、安全、方便地得到具有代表性的样品,则是分析化验工作能顺利开展的前提条件,对整个化工装置生产都具有极为重要的意义,尤其是在化工装置开车和性能考核阶段。

本文通过对合成氨装置的样品特点、取样点的设置、样品采集容器的选择、采样置换废样的处理方式、取样流程设计等几个方面进行讨论和总结,对现场取样系统的设计提供一定的借鉴作用。

1 合成氨装置的样品特点

氨合成的主反应为:

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

无论是天然气还是煤做原料,对于合成氨装置来说,都要先制得H2、N2原料气,而制取的氢、氮原料气中都含有硫化合物、一氧化碳、二氧化碳等杂质,这些杂质不仅能腐蚀设备,而且能使氨合成催化剂中毒,因此,在氢、氮原料气送入合成塔之前,必须进行净化处理,除去各种杂质,获得纯净的氢氮混合气。整个过程所处理的工艺介质均为连续流体,以气体或液体的形式存在。

以天然气制合成氨的一般流程见图1。

图1 天然气制合成氨一般流程

按照工艺生产的控制要求,合成氨装置需要分析的样品根据其介质形态、成分、分析项目、取样温度及压力等可以分为以下几类:①温度>60 ℃、气体、含水、易燃/易爆/有毒,如蒸汽转化工艺气、变换工艺气、甲烷化出口气等,主要干基气体组分为H2、N2、Ar、CH4、CO2、CO等;②温度>60 ℃、气体、不含水、易燃/易爆/有毒,如脱硫天然气、脱碳高压闪蒸气、净化工艺气、合成气等,主要气体组分为H2、N2、Ar、CH4、CO2、CO等;③温度>60 ℃、气体、不含水、无毒,如烟气、脱碳低压闪蒸气、CO2汽提塔出口气等,主要气体组分为CO2、N2等;④温度<60 ℃、气体、易燃/易爆/有毒,如原料天然气、脱碳出口工艺气、净化工艺气、分子筛进口气、干燥器出口气、热氨产品、氨洗涤塔出口气、氨精馏塔出口气等,主要气体组分为H2、N2、Ar、CH4、CO2、CO、NH3等;⑤温度<60 ℃、气体、无毒/不污染环境,如CO2产品、仪表空气、仪表氮气、净化后氮气等,主要气体组分为CO2、N2等;⑥温度>60 ℃、液体、无毒/不挥发,如蒸汽、锅炉给水、工艺冷凝液、脱碳高压闪蒸液等,主要成分为水、脱碳液等;⑦温度<60 ℃、液体、无毒/不挥发,如工艺冷凝液、脱碳液、汽提冷凝液等,主要成分为水、脱碳液等;⑧液氨产品。

2 取样点的设置

2.1 取样点的位置

合成氨装置取样点位置的设置应满足工艺生产的监测要求,并能够取到代表系统真实情况的样品。因此,对于取样点的位置设置一般遵循以下要求:①一般设置在工艺主管上,并且要在分支之前,不能在流体死角处;②取样点与设备和泵的出口、工艺主管道之间不宜太远,否则介质滞留量多,取样时必须把滞留介质放掉或处理掉;③取样点的工艺介质循环效果要好,取样要具代表性,须防止取样点出来的样品不真实,从而对工艺操作产生误导;④取样点与工艺主管应至少有一道根部阀隔断,对于高温高压的介质,还应采用双根部阀;⑤取样主要是人为手动操作,取样点应设置在操作方便,并且安全的地方。

2.2 取样点引管的设置

合成氨装置中的气体取样点和液体取样点的取样设置中,对取样点的引管要求是不一样的,具体的设计可以参考如下要求[1]。

(1)气体取样:①水平管段上,取样管一般从管道上方引出;②垂直管段上,当气体自下而上流动,取样管应从垂直管斜向上45°夹角引出;③垂直管段上,当气体自上而下流动,取样管与垂直管垂直引出。气体取样引管设置方式见图2。

图2 气体取样引管设置方式

(2)液体取样:①水平管段上,取样管一般从管道侧面引出;②垂直管段上,当液体自下而上流动,取样管与垂直管垂直引出;③垂直管段上,当液体自上而下流动,尽量不设置取样点。

图3 液体取样引管设置方式

3 样品采集容器的选择

样品通过取样系统后进入样品采集容器内,再拿到实验室进行后续分析。下面就分别对气体和液体样品的采集进行讨论。

3.1 气体采集容器

气体的采样容器有取样钢瓶、球胆、铝箔袋等。合成氨装置大部分的样品为气体样品,通常情况各种采样容器都可以使用,但是针对高温、高压或者有毒、有害的气体,一般建议选择钢瓶来取样。在钢瓶取样过程中,连接好取样系统后,可以打开钢瓶两端的阀门,用样品气将取样钢瓶置换一段时间,再关闭阀门,所取到的样品比较有代表性,安全性比较高,而且也符合现阶段国家对环保排放的高要求。目前已有较多商业化的密闭取样器,基本都是采用钢瓶来取样的。

对于一些有特殊分析要求的样品,还得根据实际情况来选取。比如含微量硫化氢的气体,如果使用钢瓶或球胆,会对样品中的硫化氢产生一定的吸附,使得样品中的硫含量在分析时偏小或没有,从而对工艺操作产生误导,应尽量选择不吸附硫的取样容器,比如铝箔袋或者硫钝化钢瓶[2]。而对于一些气体样品压力过低,如CO2的产品气,若使用钢瓶采样,则样品在实验室进色谱分析的时候,因为样品气的压力过低,样品气无法通过色谱柱,导致难以分析,此时应使用球胆取样比较好。

3.2 液体采集容器

液体采样容器有PTFE瓶、玻璃瓶或者液体取样钢瓶等。对于合成氨装置,液体样品种类较为单一,基本都是水样,只有少量的脱碳液样品,一般使用PTFE瓶就可以满足要求了。

图4 液氨取样钢瓶

而对于液氨产品就比较特殊了,因为液氨样品温度很低,非常容易气化挥发,而液氨也是危险化学品,与空气混合浓度达到15.7%~27.7%时,会发生爆炸。因此,液氨的取样须遵循GB/T 8570《液体无水氨实验室样品的采取》中的方式进行,为使样品更具代表性, 应按照要求选用液氨不锈钢瓶来取样,该液氨取样钢瓶为根据标准要求特制的[3](见图4)。

4 置换废样的处理

在取样系统的设计中,对于置换废样的处理需要重点考虑。一方面由于目前国家对于环保要求很高,工厂的排放控制比较严格;另一方面出于对取样操作人员的安全考虑,所以现在常用的取样方式就是密闭取样,即操作人员在整个取样过程中,包括样品的置换过程,不与取样介质进行任何接触,通常是按照样品介质的成分来综合考虑的。

对于合成氨装置来说,大多数气体样品含有H2、CH4、CO、NH3中的一种或者几种等,对于这些易燃、易爆或者有毒、有害的介质,一般采取的是将这些样品的取样废气通过管道送至火炬系统烧掉,使其对工厂环境的影响降至最低。

而对于CO2产品,仪表氮气等是对人体不造成损害且不污染环境的气体样品,一般不送向火炬系统,而考虑在高点安全处放空即可。

合成氨装置的液体样品一般是水样和脱碳液。水样是蒸汽、锅炉水、冷凝液等冷却后的样品,其置换样品的废液通常是可以直接就地排放或排向地沟。需要注意的是,在北方寒冷地区,不宜直接排放,以防止冬天结冰,危害取样人员的人身安全。脱碳液较为昂贵,直接排放的话,损耗太大,所以一般都要求将置换废液收集后,倒入收集槽,或者直接用喇叭口收集后,排至收集槽。

对于液氨样品,一般是将置换废氨引至火炬系统烧掉。

5 取样流程设计

取样流程的设计是取样系统设计的主要部分,针对不同的样品,应该采用符合样品特点的取样流程。综合考虑合成氨装置样品的取样温度及压力、介质形态、成分、分析项目、样品采集容器、置换废样的处理方式等因素,并结合前面的样品分类,大致可以分为以下几种取样流程。

5.1 取样冷却器+气液分离罐+钢瓶取样+废气去火炬

该取样流程(见图5)适用于高温、高压以及有毒、有害、易燃的含水气体样品,样品依次经过根部阀、取样减压阀、取样冷却器后,气体中的水汽冷凝下来,再经过气液分离罐,干基气体样品由其顶部出去,而水则冷凝下来由气液分离罐底部排出。此时,样品先经路径A排向火炬系统,以置换取样管线里面的样品,然后关闭路径A,并将取样钢瓶两端采用卡套连接,依次打开阀门,连通路径B,置换取样钢瓶内的样品一段时间后,则钢瓶内取得的即为具有代表性的样品。此时可依次关闭各阀门,取下钢瓶,拿到实验室使用色谱进样进行干基气体分析。

图5 取样流程1

5.2 取样冷却器+钢瓶取样+废气去火炬/高点安全处放空

该取样流程(见图6)适用于高温以及有毒、有害、易燃的不含水气体样品(置换废气须接入火炬系统)或者高温无害非易燃的气体样品(置换废气可在高点安全处放空)。样品依次经过根部阀、取样减压阀、取样冷却器后,其流程与第一种取样流程中气液分离罐之后的流程一致。

需要注意的是,要分析脱硫后的工艺气中微量硫含量时,应采用硫钝化钢瓶,以减少取样对分析结果的干扰。也可以将路径B中的取样钢瓶更换为铝箔袋取样。

图6 取样流程2

5.3 钢瓶取样+废气去火炬/高点安全处放空

该取样流程(见图7)适用于常温以及有毒、有害、易燃的气体样品(置换废气须接入火炬系统)或者常温无害非易燃的气体样品(置换废气可在高点安全处放空)。样品依次经过根部阀、取样减压阀后,其流程与第一种取样流程中气液分离罐之后的流程一致。

需要注意的是在样品的压力接近常压的时候,在条件允许的情况下,宜将路径B中的取样钢瓶更换为球胆取样,这样可避免钢瓶压力较低时,样品无法进入色谱的情况发生。

图7 取样流程3

5.4 取样冷却器+敞口取样

该取样流程(见图8)适用于高温、无毒、不易挥发的液体样品,样品依次经过根部阀、取样减压阀、取样冷却器后,排放置换一段时间即可直接露天采样。

需要注意的是对于非水液体,如脱碳液,其取样置换废液不宜直接排放,在取样时可在取样点旁放置废液收集桶,来收集废液。或者在取样口下方,设置废液收集喇叭口,由管道引至废液收集槽集中收集。

图8 取样流程4

5.5 直接敞口取样

该取样流程(见图9)适用于常温、无毒、不易挥发的液体样品、仪表空气或者仪表氮气等,样品依次经过根部阀、取样减压阀后,排放置换一段时间即可直接露天采样。液体采用取样瓶取样,气体可采用球胆或者铝箔袋取样。

图9 取样流程5

5.6 液氨取样

液氨取样流程(见图10)仅适用于液氨管线或者氨罐内液氨样品的采取,样品经过根部阀、取样减压阀之后,先经过路径A,对管线内的液氨置换一段时间,之后关闭路径A,再连通路径B,按照GB 8570.1—2008的步骤来取样[3]。

当液氨仅需分析纯度的时候,可以采用李森科瓶来分析,此时,可以采用图9的流程来采样,分析结果准确度也很高。

图10 取样流程6

6 结语

在设计合成氨装置的取样系统时,应了解各样品介质的理化性质,同时结合介质的温度、压力、相态、分析的目标,确定使用的样品采集容器以及置换废液的处理方式,进而确定合理的取样流程,最终保证样品采集过程的操作便利性和所采集样品的典型性,为后续分析结果的可靠性提供坚实的基础,并为整个装置开车及稳定运行提供有力的保障。

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