毛大军
（呼伦贝尔金新化工有限公司，内蒙古 呼伦贝尔021506）
［摘 要］呼伦贝尔金新化工有限公司尿素合成塔液相氨碳比分析仪采用荷兰Stamicarbon公司研发的专利技术，并委托AMEC SPIE公司生产氨碳比分析系统，可实现尿素合成塔出液氨碳比的实时在线监测，但由于氨与CO2反应生成尿素需要较长的时间，直接采用尿素合成塔出液氨碳比控制存在一定的滞后性。为此，金新化工对其尿素装置氨碳比控制系统进行了设计优化——将进料氨碳比与液氨量设计成串级控制回路，进料氨碳比为主变量，高压氨泵（P102A）透平转速或液氨流量（FT1202）为副变量，即通过调控尿素合成塔进料氨碳比来间接控制尿素合成塔出液氨碳比。尿素装置氨碳比控制系统优化设计后，尿素合成系统氨碳比实现了自动控制，实验室分析次数有效减少，尿素装置运行更加稳定，工艺操作难度明显降低，为实现尿素装置的节能降耗与生产效益最大化发挥了积极的作用。
［关键词］CO2汽提法尿素装置；氨碳比分析系统；氨碳比控制系统；设计优化；工作原理；串级控制回路；应用效果
［中图分类号］TQ441.41 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2022）02-0043-04
0 引 言
在尿素合成系统中，氨与CO2反应生成甲铵、甲铵再脱水生成尿素，为保证尿素合成塔内能量的平衡以及尿素合成系统的稳定运行，提高CO2转化率、降低系统能耗，在汽提法尿素工艺控制中，要求对尿素合成塔出液氨碳比进行很好地控制，以使各反应物浓度保持一个固定的比值。传统的尿素合成塔出液氨碳比采用人工取样分析或使用气相色谱在线分析的方式，存在测量滞后或氨碳比不能直接显示等弊端。
呼伦贝尔金新化工有限公司（简称金新化工）800 kt/a尿素装置采用荷兰Stamicarbon公司CO2汽提工艺，尿素合成塔液相氨碳比分析仪采用的是Stamicarbon公司研发的专利技术，并委托AMEC SPIE公司生产氨碳比分析系统。在一定的温度和压力条件下，尿素合成塔出液密度与氨碳比呈线性关系，通过测量尿液的密度可得出相应的氨碳比，从而可实现尿素合成塔出液氨碳比的实时在线监测。然而，由于氨与CO2反应生成尿素需要较长的时间，直接采用尿素合成塔出液氨碳比控制存在一定的滞后性，因此还有必要通过尿素合成塔进料氨碳比（即原料液氨与CO2的摩尔比）来间接控制尿素合成塔出液氨碳比。
1 尿素合成系统工艺流程简介
金新化工尿素合成系统工艺流程简图见图1。氨合成界区来的液氨经高压氨泵（P102A/B）进入高压喷射器（J201），与高压洗涤器内的甲铵液以及汽提塔（E201）顶部出来的NH3和CO2汽提气一起进入卧式高压池式冷凝器（E205）混合，在此NH3和CO2大部分冷凝生成甲铵，并有部分甲铵脱水生成尿素，生成的甲铵和尿素混合液与未冷凝的气体分别从池式冷凝器（E205）顶部的液相管和气相管离开，进入尿素合成塔（R201）底部。尿素合成塔（R201）是一个直立式高压反应器，物料自下而上由塔底到塔顶，从R201顶部出来的NH3、CO2和惰性气体混合物进入高压洗涤器（E203），气体中的NH3和CO2被稀甲铵液吸收后进入高压喷射器（J201）；R201上部的尿液混合物，从塔内上升到正常液位后，经溢流管离开R201，进入汽提塔（E201）顶部，汽提后从汽提塔底部经调节阀（LV2102）控制后进入循环系统精馏塔（C303）。
2 氨碳比分析系统工作原理及其构成
2.1 氨碳比分析系统工作原理
氨碳比分析仪的工作原理基于共振频率技术（使用管式振动），可测量出非常准确、稳定的尿液密度值，且维护工作量小，经初始调试后可长期运行。氨碳比实质是尿液中氨与CO2的摩尔数之比，在一定条件下，尿素合成塔液相的密度与氨碳比之间呈线性关系，如图2。氨碳比分析仪密度池的设计工作条件是温度为50 ℃、压力为2.0 MPa、流量40～70 L/h，氨碳比从2.50～3.50分别对应4～20 mA的电流信号。为了达到最佳的分析条件，氨碳比分析系统设计了降温减压装置和防止管路结晶的冲洗设备等。
氨碳比分析系统的核心设备是密度传感器，其他设备和工艺设施都是为了使样品在密度传感器中达到设计工作条件，经密度传感器测量后输出4～20 mA电流信号至DCS系统显示，以指导主控人员调整进料比例，或直接参与先进控制方案达到实时在线控制系统运行的目的。
2.2 氨碳比分析系统的构成
金新化工尿素合成塔出液压力约14 MPa、温度175～185 ℃，因此氨碳比分析系统需要对样品进行相应的处理，达到样品分析条件，以保证尿液密度与氨碳比之间的最佳线性关系。
氨碳比分析系统的主要构成如图3。尿素合成塔出口液相管线的尿液样品经过2个截止阀和1个整体阀（整体阀是一个带夹套的三通阀，其中2个为手动型常开阀，另外1个是气动控制的常关阀XV2301）后进入取样系统，样品首先经冷却器冷却［通过DCS系统控制冷却器入口调节阀（TV2301）来控制进入冷却器的水量］至50 ℃，然后经分析柜中的毛细管减压器大幅减压，并将样品流量控制在60 L/h左右，最后由安装在密度传感器下游的背压式调节阀（PICV2303）将样品压力控制在2.0 MPa。
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