硝铵生产装置中管式反应器的控制与联锁逻辑解析

2015-01-15白珍龙耿继宏段煜洲

化工自动化及仪表 2015年12期

白珍龙耿继宏段煜洲

(中海油山东化学工程有限责任公司，济南 250101)

常见的硝酸铵生产方法有常压中和法[1]、加压中和法和管式反应器。近年来，大多企业生产的稀硝酸浓度达55%～63%，该浓度的硝酸需采用管式加压反应器和加压中和法生产。理论上，1mol氨气和1mol硝酸在一定温度和压力下生成1mol的硝铵为最佳反应状态[2]。但实际生产过程中，因实际工况的不确定性和复杂性，很难达到理想效果。为此，设计硝铵管式反应器的开停车、吹扫和正常生产联锁逻辑，以保证氨气和硝酸的反应效率和最终产品的质量。

管式反应器的控制流程如图1所示。来自氨预热器的气氨和硝酸按比例进入管式反应器F1201并进行放热反应，生成物进入闪蒸槽F1202，工艺蒸气从硝铵溶液中分离出来，硝铵溶液则留在底部(浓度高于78%)。

图1 管式反应器控制流程

可调比率与硝酸流量构成比值控制系统控制气氨的质量流量，氨的质量流量是主调节，也是硝酸流量调节的给定值，若没有气氨流量，硝酸就不会进入管式反应器。比值调节系统可以保证氨气和硝酸流量比值的稳定，但是不能保持两个流量的负荷稳定。为此，将管式反应器闪蒸槽液位引入控制系统，反应器闪蒸槽内液位与氨气流量之间为串级控制系统，这样闪蒸槽内液位与氨气流量就得以均匀控制，达到在控制氨和硝酸比例的同时控制氨和硝酸流量稳定的目的。

硝酸流量由流量元件FT1202测得，并通过FIC1202控制调节阀FV1202，流量低时，FAL1202在DCS低报警；再低时，FSLL1202报警并停止中和反应，切断气氨流量开关阀HV1201和硝酸流量开关阀HV1202。流量高时FAH1202报警；再高时，FSHH202报警并停止中和反应，切断HV1201和HV1202。

氨体积流量由流量元件FT1201测量，FT1201流量信号、PI1201压力和TE1201的温度都送入计算器FFY1201，经过温度和压力补偿后转换成质量流量，作为进入管式反应器F1201的主动量。气氨流量由FIC1201控制，比值计算器FFY1202的输出值作为硝酸流量FIC1202的给定值，硝酸流量作为随动量跟着气氨流量变化。

气氨流量低时，FAL1201在DCS报警；再低时，FSLL1201报警并中断反应，切断气氨和硝酸。氨流量高时，FAH1201报警；超高时，FSHH1201报警并切断气氨和硝酸。

气氨压力低时，PAL1201在DCS上报警；过低时，PSLL1201在DCS上报警并中断反应。FV1201阀前压力高时，PAH1201在DCS上报警；进管式反应器的气氨压力高时，PSH1202报警并中断反应。

管式反应器入口气氨温度由TIC1201通过调节氨预热器E1201的工艺蒸汽进行控制，温度低时，TAL201在DCS报警。硝铵约在220℃时开始分解，为安全起见，管式反应器的最高温度不应超过205℃。管式反应器内的温度由表面温度计TE1202A～C三取二获得，温度过高时，TSH1202报警并中断反应(切断氨与硝酸的进量)。

闪蒸槽F1202的液位由LI1201测量，液位则通过FIC1201增减负荷控制。液位高时，LSH1201在DCS报警并中断反应。液位低时，LAL1201在DCS报警；超低时，LSLL1201在DCS报警，并关闭闪蒸槽F1202出口液位调节阀LV1401。

闪蒸槽的压力是通过控制工艺蒸气实现的。安全阀PSV1202保护闪蒸槽不超压，闪蒸槽内压力由PI1204测得，压力过低时真空阀PSV1201将起作用。

闪蒸槽内工艺蒸气的pH值控制可以帮助操作工判断中和反应的进展情况，该控制是通过测量工艺蒸气中的氨含量实现的。pH值低或高，均在DCS系统报警(AAL1201/AAH1201)。pH值由pH计AE1201连续测量冷凝过的工艺蒸气得到，由AIC1201调节阀门AV1201控制气氨小旁路的流量，以使气氨流量调整到接近反应要求的最佳值。出于安全考虑，pH值控制在9.5，以使硝铵溶液和工艺蒸气中含少量的氨。此外，在闪蒸槽F1202底部设置了一套手动加氨系统，可方便地对出口硝铵液进行pH值调整。

闪蒸槽出口工艺蒸气温度在TI1207就地显示，槽底部的硝铵溶液温度则在TI1205中控显示。硝铵溶液温度根据中控显示TI1206由FIC1301控制。温度低或高时，TAL1206与TAH1206在DCS报警，温度过高时TSHH1206报警同时全开FV1301，将大量洗液返回到闪蒸槽。

2 联锁逻辑

当温度超过220℃时，硝铵发生热分解。通常开始时分解较慢，但反应热使温度和压力升高后分解加快。物料中存在游离氧化氮、氯化物和有机化合物时，会助长分解反应发生。这些混合物会使硝铵在很低的温度下发生分解，而水和氨可抑制分解反应。

尽管硝铵在管式反应器中的停留时间非常短，安全系数较大，但必须考虑到可能有有机物和氧化物被带入系统。为安全起见，对管式反应器设计如图2所示的开停车和正常生产联锁逻辑，ZSL-1203A为气氨管线蒸汽吹扫直通阀阀位信号；<2>ZSL-1203B为气氨管线蒸汽吹扫三通阀阀位信号；<3>FSHH-1201为硝酸流量高联锁信号；<4>FSHH-1202为气氨流量高联锁信号；<5>TSH-1202为管式反应器反应温度高联锁(三取二)信号；<6>LSH-1201为管式反应器闪蒸槽液位高联锁信号；<7>PSHH-1202为进管式反应器气氨压力高联锁信号；<8>ZSL-1205A为硝酸管线蒸汽吹扫直通阀阀位信号；<9>ZSL-1205B为硝酸管线蒸汽吹扫三通阀阀位信号；<10>HS-1001为紧急停车按钮；<14>PSLL-1921仪表空气压力低联锁信号；<15>FSLL-1201气氨流量低联锁信号；<16>FSLL-1202硝酸流量低联锁信号；<17>PSLL-1201气氨压力低联锁信号；<62>TSHH-1206为管式反应器闪蒸槽温度高联锁信号；HS-1002为开车按钮；HV-1201为气氨管线切断阀；HV-1202为硝酸管线切断阀；FY-1201B为气氨流量调节阀的电磁阀；FY-1202B为硝酸流量调节阀的电磁阀；AY-1201B为气氨旁路调节阀的电磁阀。

图2 管式反应器联锁逻辑

当<1>～<10>、<14>～<17>、<62>满足开车条件，即送入与门信号均为1时，按动开车按钮HS-1002，信号经过单稳与延时器(a)后，输出信号1，使HV-1201与HV-1202打开，电磁阀FY-1201B与FY-1202B延时5s后带电，AY-1201B再延时10s后带电。其中延时器(a)的延时时间要根据<15>～<17>达到并超过超低值的时间设置。

当<1>～<10>、<14>～<17>、<62>任一条件不正常时，即送入与门信号为0时，立即切断HV-1201与HV-1202，经过延时后电磁阀FY-1201B与FY-1202B失电，FV1201与FV-1202关闭。再经10s延时，电磁阀AY-1201B失电，AV-1201关闭。

在工艺条件正常时，联锁不动作，执行机构的电磁阀带电。在正常工作状态下，每个工艺参数都是高电位或开状态。当控制参数中的任意一个发生变化，联锁程序启动，首先关闭切断阀HV1201和HV1202，经5s延时后电磁阀FY1201B和FY1202B失电，流量调节阀FV1201和FV1202关闭，再经10s延时后pH值调节阀AV1201的电磁阀AY1201B失电，AV1201关闭。

根据工艺要求，管式反应器停车后，需要对管式反应器和管道进行蒸汽吹扫，自动吹扫逻辑如图3所示。低压蒸汽经开关阀HV1205A/B到达硝酸管道进入管式反应器，延时后低压蒸汽从开关阀HV1203A/B到达气氨管道进入管式反应器。

管式反应器停车后，气氨管线切断阀HV1201和硝酸管线切断阀HV1202闭合，阀位信号ZSL1201、ZSL1202与DCS中的软开关HS1205进行与运算后输出高电平，经过延时，脉冲触发器触发双稳态S端，双稳态瞬时跳变，Q端输出高电平，HV1205A打开。双稳态跳变后，经延时，使电磁阀HV1205B带电，HV1205B直通方向打开，HV1205A/B两阀都打开，蒸汽经硝酸管道进入管式反应器。

图3 管式反应器吹扫逻辑

在双稳态跳变后的延时期间，HV1205A已打开，HV1205B的排液口是打开的，这段时间的蒸汽(也可能是冷凝液)返回回收系统或排入地沟。双稳态触发器跳变后，其高电平信号经延时后返回双稳态触发器的R端，使双稳态触发器二次翻转，Q端恢复到低电平，使HV1205A/B关闭，蒸汽吹扫过程结束。氨管道向管式反应器吹扫蒸汽的过程与从酸管道向管式反应器吹扫蒸汽完全一样，按工艺要求需错时处理。吹扫过程中的延时和错时要由工艺人员确定。

当HV1203A/B、HV1205A/B打开后，阀位信号ZSL1203A/B、ZSL1204A/B反馈到管式反应器的联锁系统，保证管式反应器在吹扫期间是停车状态，保证了装置的安全和可靠性。