串联式合成氨厂变换工段各变换炉入口汽气比值测定系统

摘要

本发明涉及一种串联式合成氨厂变换工段各变换炉入口汽气比值测定系统，其包括带通讯功能的智能二次仪表组单元和气体成分分析单元，两相邻变换炉段之间设置有温度调节装置，温度调节方法分为添加蒸汽，喷水冷激和热交换；测定系统包括安装于若干串联的各变换炉段和管道上的传感器组单元，传感器组单元包括设置在待测的变换炉段前主管道内用于测定添加水蒸汽或冷激水前反应主管道内气体温度和压力的传感器组合，用于测定添加水蒸汽或冷激水后反应主管道内气体温度和压力的传感器组合以及设置在用于测定添加水蒸汽或冷激水管道内用于测量冷激水或水蒸汽温度和压力的传感器组合。本发明可静态、在线、自动连续测量各变换炉段的汽气比值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种合成氨厂的测试技术，特别涉及一种串联式合成氨厂变换 工段各变换炉入口汽气比值测定系统。

背景技术

合成氨厂一氧化碳(CO)变换工段工序是合成氨生产中关键的一步，其主 要任务是将变换气中的CO转换为CO₂和H₂。由于CO变化过程中是强放热过程， 必须分段进行以利于回收反应热，并控制变换工段变换炉段中出口残余CO含 量。此外，为方便控制CO变换工段各变换炉段的温度，同时为方便向各变换 炉段中添加反应物原料。目前，合成氨厂CO变换工段常采用多段结构，一般 是三段或四段结构。水蒸汽是CO变化工段主要的反应物和热介质，通常在第 一段变换炉段的入口添加水蒸汽。喷水冷激是变换炉段间常用的调温和增加水 蒸汽的手段，通常是在第一段和第二段变换炉段之间喷水激冷。第二段和第三 段或者第三段和第四段变换炉段之间不添加水蒸汽或不喷水。CO变换工段工 序中涉及到的水蒸汽和待测气体中其余干气的比值(以下简称汽气比值)是影 响能耗和操作稳定性的重要的工艺参数之一。

传统的汽气比值的测定方法有冷凝法、流量法。其中，冷凝法只能间断地 测量汽气比值。流量法不能满足汽气比值大范围变化和没有添加水蒸汽时汽气 比值测量的需要。除上述传统的汽气比值测定方法外，现有技术中还公开了多 种汽气比值测定控制仪器或测定方法。比如，现有技术公开了一种一氧化碳变 换过程中蒸汽比例测定控制仪技术，该技术只能测定特定工艺下的汽气比值， 特定工艺指的是CO变换工段工序中有饱和塔的变换流程，由于饱和塔对热量 的回收有限，且前期设备投资大，因此，在当今工业快速发展的形式下，已经 被新的技术代替。现有技术还公开了一种添加蒸汽过程中蒸汽和干气比值测定 仪，该测定仪仅仅能够用于测量第一段变换炉段入口水蒸汽添加过程中汽气比 值的测量，而对于第一段变换炉段外的其它变换炉段入口的汽气比值不能测 量，即对于第一段和第二段之间变换炉段之间喷水激冷过程中涉及的汽气比值 不能测定。现有技术还涉及一种测量水蒸汽和干气比值的湿度方法，该方法可 以测量多种条件下的蒸汽和干气比值，但由于传感器性能限制对于高温、高压 情况只能将待测气体引出进行测量，增加了测量成本且现有条件下对高于250 ℃的气体无法测定。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种可静态和在线测定且能够实现自动连 续测量的串联式合成氨厂变换工段各变换炉入口汽气比值测定系统。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种串联式合成氨厂 变换工段各变换炉入口汽气比值测定系统，其包括带通讯功能的智能二次仪表 组单元和气体成分分析单元，两相邻变换炉段之间设置有温度调节装置，温度 调节方法分为添加蒸汽，喷水冷激和热交换；其特征在于：所述测定系统包括 安装于若干串联的各变换炉段和管道上的传感器组单元，所述传感器组单元包 括设置在待测的所述变换炉段前主管道内用于测定添加水蒸汽或冷激水前反 应主管道内气体温度和压力的传感器组合，用于测定添加水蒸汽或冷激水后反 应主管道内气体温度和压力的传感器组合以及设置在用于测定添加水蒸汽或 冷激水管道内用于测量冷激水或水蒸汽温度和压力的传感器组合。

所述测定系统还包括设置在待测的所述变换炉段上或者待测的所述变换 炉段前一变换炉段上的由通用传感器组成的反应热点温度的热点温度检测传 感器组。

所述气体成分分析单元包括设置在合成氨厂变换系统入口半水煤气主管 道上的半水煤气成分分析仪，以及设置在待测的所述变换炉段前一段变换炉段 出口的CO浓度测定仪。

所述智能二次仪表组单元包括用于接收所述传感器组单元采集到的温度 和压力信号的信号调理电路、所述信号调理电路包括A/D转换模块和CPU，CPU 的输出端分别连通D/A转换模块、环路电流输出模块、通讯模块、显示模块和 键盘。除安装于变换系统入口的其他所述变换炉段的汽气比值测定装置可以且 必须和前一段所述变换炉段的汽气比值测定仪通讯以获取前一段所述变换炉 段入口汽气比值从而得出待测段的所述变换炉段汽气比值。

所述气体成分分析单元中的半水煤气成分分析仪或CO浓度测定仪缺失 时，采用人工分析并通过所述键盘手动输入至所述所述智能二次仪表组单元中 以对测量结果进行校正。

由于采取以上技术方案，其达到的技术效果是：由于本发明可用于第一段 变换炉段，或同时用在第一段变换炉段和第二段变换炉段，或同时用于第一段 变换炉段、第二段变换炉段和第三段变换炉段，并以此类推，可安装于变换系 统的全部变换炉段，因此，在合成氨厂各变换炉段入口不论是添加蒸汽还是喷 水或者不添加任何反应物料均能够通过本发明获取入口处的汽气比值。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明的传感器组单元和气体成分分析单元的整体结构示意图；

图2是本发明的智能二次仪表组单元的整体结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明提供的一种串联式合成氨厂变换工段各变换炉 段入口汽气比值测定系统包括气体成分分析单元、传感器组单元和智能二次仪 表组单元。其中，气体成分分析单元包括设置在第一段变换炉段1入口前段的 半水煤气成分分析仪20，以及设置在第一段变换炉段1出口的CO浓度测定仪 21。传感器组单元包括设置在第一段变换炉段1入口前段主管道上用于测量喷 水或加蒸汽前的气体温度和压力的温度压力传感器组合3-0，设置在用于向主 管道输送水蒸汽的管道上且用于测量待添加的水蒸汽的温度和压力的温度压 力传感器组合3-1，设置在管道后方主管道上用于测量干气与水蒸汽混合后的 混合气体的温度和压力的温度压力传感器组合3-2，设置在第一段变换炉段1 入口的主管道上的温度传感器3-3，设置在第一段变换炉段1外壁上的热点温 度检测传感器组3-4，热点温度检测传感器组3-4中的传感器的数量至少为3 个。

经第一段变换炉段1处理过的混合气体经冷激蒸发器4输送至第二段变换 炉段5内，混合气体在进入冷激蒸发器4之前通常喷水激冷或加蒸汽处理。本 发明提供的一种串联式合成氨厂变换工段各变换炉入口汽气比值测定系统中 涉及的传感器组单元还包括设置在第一段变换炉段1与冷激蒸发器4之间主管 路上用于测量进入冷激蒸发器4之前未经喷水冷激处理或加蒸汽处理的气体 温度和压力的温度压力传感器组合3-5，设置在连通冷激蒸发器4管路上用于 测量准备添加的冷激水或水蒸汽的温度和压力的温度压力传感器组合3-6。经 冷激蒸发器4处理后的混合气体由管路输送至第二段变换炉段5，冷激蒸发器 4和第二段变换炉段5之间的管路上设置用于测量混合后的气体温度和压力的 温度压力传感器组合3-7。第二段变换炉段5的炉壁上同样设置热点温度检测 传感器组3-4，热点温度检测传感器组3-4的中传感器的数量至少为3个。

如图2所示，智能二次仪表组单元为连接传感器组单元的计算机系统，其 包括用于接收传感器组单元采集到的温度、压力信号以及其他信号的信号调理 电路6-0、信号调理电路6-0包括A/D转换模块6-1和CPU6-2，CPU6-2的输 出端分别连通D/A转换模块6-3、环路电流输出模块6-4、通讯模块6-5、显 示模块6-6和键盘6-7。

当气体成分分析单元中缺少一个或全部仪表时，采用人工分析并通过键盘 6-7手动输入至智能二次仪表组单元中。通讯模块6-5用于获取待测变换炉段 前一个变换炉段入口的汽气比值，为得到待测变换炉段入口汽气比值提供基础 数据。

由上述各温度压力传感器组合获取的温度、压力数据以及由气体成分分析 单元获取的气体成分数据，在智能二次仪表组单元中进行以下处理以获取最终 汽气比值：

水蒸汽和待测气体中其余干气的比值计算公式为：

$R=\frac{v_{H_{2}O}}{v-v_{H_{2}O}}=\frac{p_{H_{2}O}}{p-p_{H_{2}O}}---\left(1\right)$

式中，v为气体总体积；为水蒸汽组分体积；p为气体压力；为水 蒸汽分压。

设第一段变换炉段1入炉汽气比值为R₀，在第一段变换炉段1发生如下反 应：

上述反应为等摩尔的放热反应，其反应平衡常数K_p为温度的函数：

$\mathrm{Kp}=\exp (\frac{50250.163}{T}-0.0936\times \ln T+1.4555\times {10}^{-3}-2.4887\times {10}^{-7}{T}^2-6.2894)---\left(3\right)$

式中，T＝热点温度+平衡温距，热点温度由设置在第一段变换炉段1炉壁 上的热点温度检测传感器组3-4中的传感器测量得到，取传感器测量的最高温 度为热点温度；平衡温距的选取为本技术领域人员公知的方法，在此不再赘述。

且：

$\mathrm{Kp}=\frac{p_{c{o}_2}·p_{H_2}}{p_{\mathrm{co}}·p_{H_{2}O}}=\frac{(C+\mathrm{AXp})(D+\mathrm{AXp})}{(A-\mathrm{AXp})(B-\mathrm{AXp})}---\left(4\right)$

式中，为干气中二氧化碳的分压；p_co为干气中一氧化碳的分压；为 干气中氢气的分压；X_p为一氧化碳平衡变换率，氧含量很低时可以忽略。

设A、B、C、D分别为一氧化碳、水、二氧化碳和氢气的初始浓度，由气 体成分分析单元测得，在变化不大时也可通过键盘6-7手动输入至智能二次仪 表组单元。

对X_p解方程(3)和(4)并设：

U＝Kp(A+B)(C+D)  (5)

W＝Kp-1  (6)

V＝KpAB-CD  (7)

$q=\sqrt{U^2-4\mathrm{WV}}---\left(8\right)$

$\mathrm{Xp}=\frac{U-q}{2\mathrm{AW}}---\left(9\right)$

由于入炉气体成分主要由造气工段决定且基本保持恒定。所以X_p主要由温 度决定。

为判断热点温度，在一个变换炉段里插入不少于三个热点温度检测传感 器，其中一个在变换炉段入口，其他的均匀分布在变换触媒层内。当热点温度 检测传感器检测到的触媒层温度不高于变换炉段入口温度时，认为是第一段变 换炉段1的入口；否则，是后续变换炉段的入口。

设第一段变换炉段1出口汽气比值为R₁：

$R_1=\frac{(1-\mathrm{Xp})}{(1+\mathrm{Xp})}{R}_0---\left(10\right)$

在第一段变换炉段1的出口和第二段变换炉段5的进口之间，为调节温度 和补充第一段变换炉段1反应消耗掉的蒸汽，一般采用冷激喷水或加蒸汽，根 据热力学定理并设定：

在每1摩尔的上述出口气中混入了X摩尔水或蒸汽，有：

$\underset{P_{1i}{T}_i}{\overset{P_{m^i}{T}_m}{\int }}C(p,t)\mathrm{dt}=18·X({\mathrm{\Delta H}}_W-\Delta H_m)---\left(11\right)$

式中，P_mi为第i段变换炉段混合后的各组分气体的分压；P_1i为第i段变换炉 段喷水或加蒸汽前的各组分的分压；T₁为喷水或加蒸汽前的气体的温度； 为喷水或加蒸汽前的混合气体的比热容，其中Y_i喷水或加蒸汽 前的各组分的摩尔分率；i＝CO，CO2，H20，H2，C4H4，Ar，N2；(微含量组分对结果影 响甚微可不予考虑)。

ΔH_w＝φ(P_w，T_w)为添加的水或蒸汽的焓，其中，P_w为准备添加的水或蒸汽的绝 对压力，T_w为准备添加的水或蒸汽的温度；ΔH_m＝φ(P_m，T_m)为添加的那部分水或蒸 汽在混合后的焓，其中，P_m为添加那部分水或蒸汽混合后的绝对压力，T_m为混 合后的气体温度。

将ΔH_w＝φ(P_w，T_w)、ΔH_m＝φ(P_m，T_m)代入方程11，采用迭 代法解出X，加上原有蒸汽的贡献有：

R＝(1+R₁)·X+R₁  (12)

式中，R为第二段变换炉段5入口汽气比值。

实施例：下面以某合成氨厂CO变换工段工序中第一变换炉段1入口、第 二变换炉段5入口和末段变换炉段入口汽气比值的测定为例来详细说明本发 明。

实施例1：

第一段变换炉段1入口汽气比值测定：由于第一段变换炉段1没有前段也 就没有式(2)的变换反应，这时由温度传感器3-3测量得到第一段变换炉段 1入口的温度T0，热点温度探测传感器组3-4接于入口冷煤气管道一点处。本 发明变为现有技术公开的一种添加蒸汽过程中蒸汽和干气比值测定仪的测定 方法，可测得汽气比值为R₀，并通过现场总线和第二段变换炉段5入口的本发 明装置通讯。

实施例2：

第二段变换炉段5入口的汽气比值测定：由入口处半水煤气成分分析仪 20获得入炉气体的组分Yi；实施例1得到第一段变换炉段入口的汽气比值为 R₀；在第一段变换炉段1内发生了以下反应：

这时通过插入触媒层的热点温度探测传感器组3-4；通过比较选取温度最 高点的温度为热点温度T，以“T+平衡温距”代入式(3)计算得到K_p，再加 上式(4)～(10)得出第一段变换炉段1出口的汽气比值。在第一段变换炉段 1和第二段变换炉段5之间通常通过喷水冷激以调节温度和增加水蒸汽，本发 明通过温度压力传感器组合3-6测量冷激水或水蒸汽的温度Tw和压力Pw，通 过温度压力传感器组合3-5测量未经喷水激处理或加蒸汽处理的气体温度T1 和压力P1，通过温度压力传感器组合3-7测量喷水后的混合气的温度Tm和P2， 通常P1和P2近似时，可取P1＝P2。由式(11)和式(12)计算得到第二段变 换炉段5入口的汽气比值。

由设置在第一段变换炉段1入口前段的半水煤气成分分析仪20测量入炉 气体的各组分为：CO，30.28％；CO₂，8.35％；H₂，38.47％；N₂，21.3％；CH₄+Ar， 1.2％；O₂，0.4％；采用本发明提供的测定系统和已有方法测量第一段变换炉段1 的汽气比值R₀＝0.5，通过热点温度探测传感器组3-4测量各点的温度并通过比 较取温度最高者为热点温度T＝420℃，变换成湿气：A＝20.19％；B＝33.33％； C＝5.57％；D＝25.66％；N₂＝14.20％；CH₄+Ar＝0.8％；O₂＝0.27％。T+平衡温距 ＝420+30＝450℃。由式(4)～(10)得：K_p＝7.455；U＝430.22；W＝6.455；V＝4873.79； q＝243.41；X_p＝71.67％；R₁＝0.1648。

由于水的蒸发潜热比较大，少量的水即可达到降温的目的，目前大部分合 成氨厂变换炉段段间气体降温均采用冷激喷水的方式。下面以冷激喷水的方式 详细说明本发明第二段变换炉段5入口的汽气比值：通过传感器测量得到 T1＝390℃，P1＝2.5MPa；Tw＝30℃，Pw＝2.8MPa；Tm＝250℃。由公式(11)和(12) 得X＝0.110；最后得到第二段入炉汽气比值为：R＝0.2929。并将数据通过现场 总线传给第三变换炉段(图中未示出)。

实施例3：

从实施例2获取第二段变换炉段5入口汽气比，由于在第二段变换炉段5 出口和第三变换炉段入口之间没有喷水和添加蒸汽，所以由公式(11)和(12) 得到X＝0；按上述算法只需得到R₁，即R＝R₁即为第三段的入炉汽气比值。

上述实施方式旨在举例说明本发明可为本领域专业技术人员实现或使用， 对上述实施方式进行修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，故本 发明包括但不限于上述实施方式，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合 与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本发 明的保护范围之内。