液氮洗冷箱冻堵因素与改进措施

摘 要：在某些大型的合成氨生产环节当中，通过低温甲醇洗的方式展开相应操作时，会存在对应的液氮洗工艺进行原料制造。液氮洗的作用在于更好地消除一氧化碳、甲烷等物质，然后留下氨合成原料气体，这些气体内部的惰性气体量比较少，对于提升氨合成生产过程的质量具有明确作用。然而在实际的操作环节，液氮洗工艺本身会面临某些影响因素的干扰出现冻堵现象，此类问题应该得到有效的改进与优化。

关键词：液氮洗;冷箱冻堵;改进措施

0 引言

在近年来的一些大型煤化工合成氨项目当中液氮洗工艺得到了广泛应用，也是目前最为有效的一种技术手段。但很多情况下液氮洗工艺和设备的维护工作当中存在着技术层面的问题，例如管理工作不到位引起的冷箱冻堵情况。一旦出现此类问题，就会给生产过程带来严重的损失。

1 液氮洗的工作原理

1.1 吸附原理

吸附原理本身是一种物理现象，并不会产生化学反应，分子之间产生的引力作用可以在吸附剂的表面形成表面力。如果流动体经过时，就会和吸附表面发生反应，表面物质被吸引力所吸引后实现吸附效果。甲醛净化过的气体中，二氧化碳、甲醇的极性大于氢气，因此这些物质就会被分子筛吸附。

1.2 混合制冷

气体节流膨胀就会产生制冷现象，科学研究也表明，气体在压力足够大的前提下，将其与另一种气体进行混合后，就会发生制冷现象。此类情况的主要原因是因为系统总压力并不会发生改变，气体在混合物当中的分压降低后，混合气体组成部分的沸点均差也可以得到控制。因此液氮洗工艺中也应用了这一原理，将洗涤塔之内的产品制冷原料气，并且将原料气当中的甲烷、一氧化碳在转化为出塔气之后就会变成另一种方式，氮气和原料气在混合过程中也会获得大部分的冷量。

1.3 液氮洗涤

液氮洗涤与多组分精馏有着相似之处，但与多组分精馏不同，利用的是氢气、一氧化碳和甲烷等气体，这些气体沸点差异比较大，如果将这些气体从气象中溶解至液内，则可以起到脱除一氧化碳、甲烷、氢气的效果。相对而言在这项工艺当中的冷凝温度要保持一个较低的水平，如果无法满足净化要求，则温度将控制在更低的水平。

2 冷箱冻堵产生的主要原因

影响因素：

从冻堵产生的影响因素来看，裂解气在冷环境下逐渐降温，如果冷箱内的温度比裂解气更低，那么水分达到露点温度时就会自动凝结，长此以往，冷箱性能下降，严重情况下还会导致冷箱阻力增加，从而让裂解气当中的某些温度较高的气体降低温度并吸附在冷箱当中。此外裂解气在经过干燥器时会产生粉尘，进入冷箱后流通截面比较大，流速下降，粉尘容易出现沉降，在此情况下冷箱堵塞严重时还有报废风险[1]。

3 冷箱堵塞的预防措施与优化设计

3.1 预防措施

从预防措施来看，压缩机冷却器应该采用不锈钢材质为主，目的在于保障冷箱的防腐能力，相关设备在管理工作中也要注意日常的氮气检测，一旦出现问题后需要立即安排技术人员进行检查和修理。另外压缩机的出口区域可以设置一个在线分析仪，目的在于对现有的工艺程序做好监控。如果出现异常情况需要及时停机，并且避免因监控等问题导致的冷箱堵塞停车事故。此外，还需要加强对于分子筛当中的换热器维护管理。无论是加热器还是冷却器在运行过程中都会一直处于热胀冷缩的状态，管道泄漏时加热器当中的蒸汽和冷却器当中的循环水会进入分子筛，从而导致吸附剂失去原有的作用，甚至会导致二氧化碳的穿透事故。相关技术人员在日常的工作当中也应该做好异常情况的处理，尤其是报告和组织抢修工作。分子筛中的吸附器时间在进行控制后，如果负荷仍然处于较高状态，则二氧化碳超标后分子筛吸附器就会产生故障，花费更长的时间用于修复。操作环节中相关人员不可将含有二氧化碳等气体进入液氮洗冷箱之内，例如紧急停车时操作不正确就会导致甲醇洗管线流入液氮洗冷箱当中，紧急停车状态下分子吸附器和液氮洗冷箱也应该预防堵塞现象，从而确保设备可以在正常的状态下维持运行[2]。

3.2 优化设计

优化设计可以从多个方面进行。首先是在分子筛的出口微量控制过程中，要保障其稳定运行。一旦冷箱出现堵塞，不仅会导致液氮洗系统的阻力加大，还会导致停车并对冷箱展开复热和解冻。因而在优化设计方面需要让二氧化碳的含量保持在一个较低的水平（1×10-6）。在其他工序的设计方面，高压管道和设备开停车氮气置换合格之后，就需要将其和低压氮气管之间切断，然后增加盲板，否则会导致分子筛再生气不合格的现象。分子筛在导气之前也需要对出口净化气进行多次的取样分析，且和二氧化碳吸收塔出口在线分析仪的PV值展开对比。在系统的开车初期，可以加大分子筛入口的再生低压氮气分析频率。但需要注意让但其保持在正压封闭状态。当调整再生低压氮气的流量和温度之后，就可以维持分子筛的运行性能[3]。如果要展开液位控制，首先要让氮洗塔的液位处于正常运行状态，且调节阀也应该用于维持氮洗塔液位的稳定性。此时应避免液氮洗涤环节的一氧化碳等杂质在塔内堆积，造成塔内积存并再次产生解吸现象。

在液氮洗冷箱的冷量平衡控制工作当中，很多杂质都是在-190℃的低温条件下进行，且系统在维持自身冷量需求的前提下还需要做好冷量损失的控制。当出现物料换热不完全、外界冷热交换情况出现问题后，为了保障装置的平稳运行，就需要获取冷量来源。很多工序内部的冷量来源于粗配氮产生的节流效应，但冷量不足本身会导致冷箱内的各点温度增加，特别是氮洗塔内部的温度过高，影响洗涤效果。长期冷量过剩会导致冷箱保护氮出现冷凝现象，长期冷量过剩还加剧了保护氮和低温流体的换热，例如冷箱外壳在低温环境下就会有液氮出现。因此，我们可以通过调整但其分离器液相排放量的方式来实现冷量平衡[4]。

在一氧化氮的控制上，我们需要考虑到一氧化氮本身的毒性，且合成气当中的氧化物在达到某个阈值之后就会导致氮合成工序停车，控制合成气当中的CO含量对于合成氮装置的平稳运行具有显著功能，在延长催化剂使用寿命方面的作用也非常突出。如果要调节洗涤氮量，一方面要控制好氮洗塔压差的稳定性，另一方面就需要让负荷维持在一个相对稳定的水平。工艺气负荷一定时，我们可以考虑降低合成气压缩机的转速来起到降低冷箱负荷的作用。经过不断的分析和總结后我们可以得知，在冷量不足的情况下首先要考虑加大洗涤氮含量，其次通过调整去低温甲醇洗工艺气量的方式实现冷量平衡。一旦冷量过剩，先考虑减少洗涤氮量在考虑调整粗配氮和精配氮的冷量分配问题。

3.3 氢氮比优化

冷箱的重要任务在于调节合成塔入口区域的氢氮比，一旦这项指标失调，则氨合成的反应速度会有明显下降趋势，从而导致氨合成反应热减少，回路压力上升，合成塔温度也会因此而出现下降。氢气和氮气在液氨中的溶解度存在差异，循环气比例和空气之间也存在差异，在进行管控时循环气氢氮比要比新鲜气更低，将合成塔入口区域的氢氮比稳定在2.9-3.1左右。

4结语

液氮洗冷箱作为合成氨装置当中的核心设备，其运行的稳定性直接影响到合成氨装置的使用性能和使用周期。例如冷箱运行环节当中，我们既要考虑到入口区域的二氧化碳含量保持在一个较低的水平，同时洗涤氮量的调整要根据符合和合成气当中的二氧化碳情况进行综合评估，减少冷量过剩、冷量不足的现象。总而言之，在任何情况下都不可让过量的二氧化碳进入冷箱当中，从而影响到装置的满负荷运行状态。

参考文献：

[1]张学懿，侯晶晶，霍吉生.液氮洗装置运行问题分析及处理[J].小氮肥，2019，047（001）：24-27.

[2]秦燕，孔翔，邬依婷.中低压液氮洗冷箱的裸冷试验[J].深冷技术，2013，000（006）：16-19.

[3]王克星，蒲昭廷，荆三伟.采用液氮进行液氮洗冷箱的裸冷及其效益分析[J].中氮肥，2017（2）：9-10.

[4]周寒秋，余景羽，徐志明，等.液氮洗冷箱内密封气液化分析和故障处理[J].杭氧科技，2016（04）：23-27.

作者简介：

吴嘉（1985- ），男，汉族，浙江杭州人，职称：工程师，本科学历，研究方向：总体设计。