【正文】 分以及低溫甲醇洗結(jié)合。甲烷化法是在催化劑存在下使少量CO、CO2與H2反應(yīng)生成CH4和H2O的一種凈化工藝，要求入口原料氣中碳的氧化物含量(體積分?jǐn)?shù))%。甲烷化法可以將氣體中碳的氧化物(CO+CO2)含量脫除到10cm3/m3以下，但是需要消耗有效成分H2，并且增加了惰性氣體CH4的含量。甲烷化反應(yīng)如下：[4]　　CO+3H2→CH4+H2O ΔH =　　CO2+4H2→CH4+2H2O ΔH =[6]將純凈的氫、氮混合氣壓縮到高壓，在催化劑的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨產(chǎn)品的工序，是整個合成氨生產(chǎn)過程的核心部分。氨合成反應(yīng)在較高壓力和催化劑存在的條件下進(jìn)行，由于反應(yīng)后氣體中氨含量不高，一般只有10%~20%，故采用未反應(yīng)氫氮?dú)庋h(huán)的流程。氨合成反應(yīng)式如下：　　N2+3H2→2NH3(g) ΔH =　 隨著合成氨工業(yè)的不斷發(fā)展，對合成氨工藝的要求也越來越高。但目前世界合成氨工業(yè)有許多方面還不成熟，氣體利用效率也不是太高，在生產(chǎn)過程中除了會產(chǎn)生多種有毒氣體外，合成氨的轉(zhuǎn)化率也不是太高，還能使催化劑中毒，設(shè)配老化。同時在世界各國呼吁保護(hù)環(huán)境，保護(hù)地球，保護(hù)我們共同家園的前提下，使環(huán)境不受污染也是一項(xiàng)研究必不可少的一個環(huán)節(jié)。鑒于以上原因，研究出一套合理合成氨工業(yè)方案迫在眉睫。在這里我們從幾個方面來研究：首先，我們從氨的轉(zhuǎn)化率來看，要使氮?dú)湎虬睔夥较蜣D(zhuǎn)化，就要增加氣體的量，由于反應(yīng)是放熱反應(yīng)，還要升高溫度，但又不能太高，如果溫度太高，一方面會使催化劑失去活性，另一方面會使設(shè)配性能發(fā)生變化。同時增大壓力也會使氣體轉(zhuǎn)化率提高。合成氨的基本理論：一、 合成氨的基本特點(diǎn)3H2+N2=2NH3+Q（1） 是可逆反應(yīng)。即在氫氣與氮?dú)夂铣缮砂睔獾耐瑫r，氨也分解生成氫氣和氮?dú)?。?） 是放熱反應(yīng)。在生成氨的同時放出熱量，反應(yīng)熱與溫度、壓力有關(guān)。（3） 是體積縮小的反應(yīng)。（4） 反應(yīng)需要有催化劑才能較快的進(jìn)行。二、 氨合成反應(yīng)的化學(xué)平衡（1） 平衡常數(shù)：降溫、加壓平衡常數(shù)增大。（2） 平衡氨含量反應(yīng)達(dá)到平衡時氨在混合氣體中的百分含量，稱為平衡氨含量，或氨的平衡產(chǎn)率。氫氮混合氣體所含的甲烷和氬等不參加氨合成反應(yīng)的氣體成分，稱為惰性氣體。提高平衡氨含量的措施為降低溫度，提高壓力，保持氫氮比等于3，并減少惰性氣體含量。三、 氨合成動力學(xué)反應(yīng)機(jī)理在催化劑的作用下，氫與氮生成的反應(yīng)是一種多相氣體催化反應(yīng)。由以下幾個步驟所組成：（1） 氣體反應(yīng)物擴(kuò)散到催化劑外表面；（2） 反應(yīng)物自催化劑外表面擴(kuò)散到毛細(xì)孔內(nèi)表面；（3） 氣體被催化劑表面（主要是內(nèi)表面）活性吸附（與普通吸附的區(qū)別在于有化學(xué)力參與在內(nèi)，并放出熱量）；（4） 吸附狀態(tài)的氣體在催化劑表面上起化學(xué)反應(yīng)，生成產(chǎn)物；（5） 產(chǎn)物自催化劑表面解吸；（6） 解吸后的產(chǎn)物從催化劑毛細(xì)孔向外表面擴(kuò)散；（7） 產(chǎn)物由催化劑外表面擴(kuò)散至氣相主流。以上七個步驟中，（1）、（7）為外擴(kuò)散過程；（2）、（6）為內(nèi)擴(kuò)散過程；（3）、（4）和（5）總稱為化學(xué)動力學(xué)的過程。N2（氣相）N2（吸附）2NH（吸附）2NH2(吸附）2NH3（吸附）2NH3(氣相)氣相中的H2氣相中的H2氣相中的H2脫 吸氨氣的轉(zhuǎn)化率實(shí)際上就是氮?dú)浔鹊目刂茊栴}，目前，國內(nèi)以天然氣為原料的大型裝置采用的是Kellogg傳統(tǒng)蒸汽轉(zhuǎn)化合成氨工藝的大約占50％；在此工藝中氮?dú)浔日{(diào)節(jié)大都由DCS實(shí)現(xiàn)，由于該控制回路的基本單元未能脫離常規(guī)PID控制算法，同時常規(guī)PID控制算法也不能實(shí)現(xiàn)參數(shù)自整定；故不能及時將工況控制在最佳狀態(tài)，有時反而造成系統(tǒng)波動，不得不將回路切到手動，導(dǎo)致目前氫氮比自控投用率極低；進(jìn)而影響合成氨裝置的穩(wěn)定和產(chǎn)量。 氮?dú)浔仁荎ellogg工藝合成氨裝置最為關(guān)鍵的參數(shù)之一，保持其始終處于最佳狀態(tài)是提高合成氨產(chǎn)量的有效措施。 氨合成反應(yīng)式為N2+3H2—2NH3+Q，其特點(diǎn)是反應(yīng)放熱，體積縮小，反應(yīng)可逆。 ；而從平衡角度則以3為最高，—3范圍內(nèi)最有利于氨的合成，—。，若持續(xù)時間較長，可能導(dǎo)致床層溫度失控。 目前，國內(nèi)多數(shù)Kellogg傳統(tǒng)蒸汽轉(zhuǎn)化工藝合成氨裝置氮?dú)浔瓤刂朴蒁CS常規(guī)PID控制算法實(shí)現(xiàn)，在波動較大、干擾較強(qiáng)、大時滯的情況下，PID參數(shù)不適應(yīng)此狀況。同時常規(guī)PID控制算法也不能實(shí)現(xiàn)參數(shù)自整定，故不能及時將工況控制在最佳狀態(tài)，有時反而造成系統(tǒng)波動，不得不將回路切到手動，導(dǎo)致目前氮?dú)浔茸钥赝队寐蕵O低。而操作工手動調(diào)節(jié)氮?dú)浔纫淮我?0—40min才能反映出調(diào)節(jié)效果，幾個周期下來，就會使系統(tǒng)長時間處于非優(yōu)化控制狀態(tài)，從而影響合成氨的穩(wěn)定和產(chǎn)量。[5]先進(jìn)控制是對那些不同于常規(guī)控制，并具有比常規(guī)PID控制更好的控制效果策略的統(tǒng)稱，而非專指某種計算機(jī)控制算法。通過實(shí)施先進(jìn)控制，可以改善過程動態(tài)控制的性能、減少過程變量的波動幅度；使之更能接近其優(yōu)化目標(biāo)值，從而使生產(chǎn)裝置在接近其約束邊界的條件下運(yùn)行，最終達(dá)到增強(qiáng)裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性、保證產(chǎn)品質(zhì)量的均勻性、提高目標(biāo)產(chǎn)品收率、增加裝置處理量、降低運(yùn)行成本、減少環(huán)境污染。優(yōu)化控制技術(shù)是一門針對過程控制的實(shí)用技術(shù)，優(yōu)化控制技術(shù)只有投入到實(shí)際應(yīng)用中并顯示出較好的控制效果才能真正體現(xiàn)出優(yōu)化控制技術(shù)的意義。優(yōu)化控制與先進(jìn)控制完成的目標(biāo)是一致的，先進(jìn)控制較優(yōu)化控制層次高。優(yōu)化控制是在DCS的單回路控制基礎(chǔ)之上，利用DCS內(nèi)部現(xiàn)有的功能塊構(gòu)建出一個優(yōu)化控制回路，協(xié)調(diào)控制多個關(guān)鍵參數(shù)；適應(yīng)負(fù)荷大范圍的波動。優(yōu)化控制實(shí)施成本較低，可以為實(shí)施先進(jìn)控制打下基礎(chǔ)。 y(k+1)y(k)= Φ（k）T[u(k)u(k1)] (1)公式（1）是黑龍江大學(xué)韓志剛教授提出的無模型先進(jìn)控制算法所依賴的“泛模型”公式?！胺耗Ｐ汀钡暮x是希望其能描述所有或絕大多數(shù)控制對象的行為和特性。式中y、ψ、u是向量，y是系統(tǒng)輸出，u是系統(tǒng)輸入，ψ是時變增益參數(shù)。公式（2）是根據(jù)“泛模型”公式（1）推導(dǎo)出來適用于氫氮比控制的無模型先進(jìn)控制算法公式。式中y、ψ、u是向量，y（k）是系統(tǒng)輸出，u（k）是系統(tǒng)輸入，ψ（k）是時變增益參數(shù)，α是正參數(shù)，λk是人為可調(diào)整的參數(shù)， （k）是ψ（k）的估計值。 氮?dú)浔葻o模型先進(jìn)控制算法是由基于公式（1）泛模型對特征參量ψ（k）的辨識算法和公式（2）基本控制算法在線交互進(jìn)行二組成的。當(dāng)經(jīng)過辨識到（k）值之后，即可以應(yīng)用公式（2）基本控制算法對系統(tǒng)進(jìn)行反饋控制，控制的結(jié)果將得到一組新的觀測數(shù)據(jù)，在已有數(shù)據(jù)中添加這一組新的數(shù)據(jù)，再對（k+1）進(jìn)行辨識如此繼續(xù)下去就可實(shí)現(xiàn)辨識與控制的一體化。伴隨著預(yù)測啟發(fā)式控制、模型算法控制、動態(tài)矩陣控制在工業(yè)過程控制中的大量實(shí)際運(yùn)用，出現(xiàn)了許多非參數(shù)模型預(yù)估控制的工程化軟件包。經(jīng)過模型辨識、優(yōu)化算法、控制結(jié)構(gòu)分析、參數(shù)整定和有關(guān)穩(wěn)定性和魯棒性等一系列研究，基于非參數(shù)模型預(yù)估控制的工程化軟件包成為目前過程中應(yīng)用最成功，也最具有前途的先進(jìn)控制策略。[13]國外許多著名的軟件公司推出了基于非參數(shù)模型預(yù)估控制的多變量約束協(xié)調(diào)控制軟件包，如Stpoin Inc的SMAC及其核心軟件IDCOMM。上述控制軟件包均可實(shí)現(xiàn)氫氮比控制，但購買控制軟件包費(fèi)用昂貴，對使用方技術(shù)人員素質(zhì)要求高，同時對使用方技術(shù)人員而言實(shí)施控制過程為“黑箱”，伴隨工藝變化需要軟件公司技術(shù)支持，服用費(fèi)用較高。（PID）的氮?dú)浔瓤刂苹趦?yōu)化常規(guī)過程控制（PID）的氮?dú)浔瓤刂频脑O(shè)計思路，是利用DCS內(nèi)部現(xiàn)有的工程的功能塊構(gòu)建出優(yōu)化控制回路。C回路的基于優(yōu)化常規(guī)過程控制（PID）的氮?dú)浔葍?nèi)部復(fù)雜控制是一套具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力、抗干擾能力和客服大時滯現(xiàn)象的“前饋比值三串級”調(diào)節(jié)系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)以水\碳控制系統(tǒng)的總碳流量FX0204 ＰＶ作為該系統(tǒng)的前饋信號，由合成氣Ｈ２∕Ｎ２調(diào)節(jié)器AIC41新鮮氣的Ｈ２∕Ｎ２調(diào)節(jié)器AIC410與工藝空氣流量調(diào)節(jié)器ＦＩＣ００３組成三串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對進(jìn)入二段爐（１０３－Ｄ）的工藝空氣流量進(jìn)行控制；以此來調(diào)節(jié)新鮮氣Ｈ２∕Ｎ２和合成氣Ｈ２∕Ｎ２。上述三種氫氮比控制方案設(shè)計思路不同，控制目標(biāo)相同，不同之處如下：表2 三種氫氮比控制比較設(shè)計方案基于先進(jìn)控制算法的氫氮比控制基于先進(jìn)控制軟件的氫氮比控制基于優(yōu)化常規(guī)過程控制（PID）的氮?dú)浔瓤刂?A公司B公司Ｃ公司設(shè)計成本（萬元）８０２００１５外設(shè)成本（萬元）３２０無優(yōu)點(diǎn)基于過程數(shù)學(xué)控制；適用于大滯后多變量；適用于常規(guī)控制無法滿足要求的復(fù)雜控制和基于工藝原理的模型頂估；可以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)基于非參數(shù)模型預(yù)估控制的工程化軟件包是目前過程控制中應(yīng)用最成功的先進(jìn)策略；經(jīng)驗(yàn)豐富，技術(shù)實(shí)力雄厚；可以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)簡單無模型單回路技術(shù)人員較容易理解，實(shí)施有把握；投資少可充分利用C公司技術(shù)人員可自行維護(hù)控制缺點(diǎn)數(shù)學(xué)方法過于復(fù)雜，核心算法掌握在開發(fā)商手里，Ａ公司員工無人掌握該核心內(nèi)容；系統(tǒng)的維護(hù)和調(diào)整十分被動，在工況發(fā)生變化的情況下只能靠源源不斷的投資進(jìn)行調(diào)整；投資較大?？刂七^程對Ｂ公司技術(shù)人員基本是“黑箱”；維護(hù)基本需要軟件開發(fā)公司支持；適用于大型煉油化工裝置系統(tǒng)優(yōu)化；投資大。各控制之間的參數(shù)　計算和系統(tǒng)各串級回路的參數(shù)計算復(fù)雜。優(yōu)化控制與先進(jìn)控制完成的目標(biāo)是一致的，但先進(jìn)控制較優(yōu)化控制層次高，他是借助計算機(jī)的飛速發(fā)展，通過計算機(jī)高速的計算能力，利用現(xiàn)代控制理論，用數(shù)學(xué)模型模擬出裝置的特點(diǎn)，預(yù)測出整個裝置各個參數(shù)的關(guān)聯(lián)變化，統(tǒng)一協(xié)調(diào)優(yōu)化整個系統(tǒng)。但ＤＣＳ的單回路控制水平較高，單回路調(diào)節(jié)要求靈敏準(zhǔn)確，都投在自動狀態(tài)，裝置在高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，通過傳統(tǒng)的控制手段已無法提高生產(chǎn)能力、節(jié)能降耗，所以必須借助于先進(jìn)控制。[8]比較而言，優(yōu)化控制更適合目前裝置的運(yùn)行水平，適合負(fù)荷大范圍波動，能夠協(xié)調(diào)控制幾個關(guān)鍵參數(shù)；實(shí)施成本較低，并且為最終實(shí)施先進(jìn)控制打下基礎(chǔ)。3．溫度 反應(yīng)速度隨溫度升高顯著加快，將某種催化劑在一定成產(chǎn)條件下具有最高生產(chǎn)率的溫度稱為最適宜溫度，最適宜溫度與空間速度、壓力等有關(guān)。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐得出氨合成操作溫度控制在470—520度較為適宜。[14]80604020 對合成氨溫度的控制實(shí)際上是對氨合成塔溫度的控制。在我國，中小型合成