【文章內容簡介】 一方面會使設配性能發(fā)生變化。 10 同時增大壓力也會使氣體轉化率提高。 合成氨的基本理論： 一、 合成氨的基本特點 3H2+N2=2NH3+Q （ 1） 是可逆反應。即在氫氣與 氮氣合成生成氨氣的同時，氨也分解生成氫氣和氮氣。 （ 2） 是放熱反應。在生成氨的同時放出熱量，反應熱與溫度、壓力有關。 （ 3） 是體積縮小的反應。 （ 4） 反應需要有催化劑才能較快的進行。 二、 氨合成反應的化學平衡 （ 1） 平衡常數： 降溫、加壓平衡常數增大。 （ 2） 平衡氨含量 反應達到平衡時氨在混合氣體中的百分含量，稱為平衡氨含量，或氨的平衡產率。 氫氮混合氣體所含的甲烷和氬等不參加氨合成反應的氣體成分，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 反應機理 在催化劑的作用下，氫與氮 生成的反應是一種多相氣體催化反應。由以下幾個步驟所組成： （ 1） 氣體反應物擴散到催化劑外表面； （ 2） 反應物自催化劑外表面擴散到毛細孔內表面； （ 3） 氣體被催化劑表面（主要是內表面）活性吸附（與普通吸附的區(qū)別在于有化學力參與在內，并放出熱量）； 11 （ 4） 吸附狀態(tài)的氣體在催化劑表面上起化學反應，生成產物； （ 5） 產物自催化劑表面解吸； （ 6） 解吸后的產物從催化劑毛細孔向外表面擴散； （ 7） 產物由催化劑外表面擴散至氣相主流。 以上七個步驟中，（ 1）、（ 7）為外擴散過程；（ 2）、（ 6）為內擴散過程；（ 3）、（ 4）和（ 5）總稱為化學動力學的過程。 氨氣的轉化率實際上就是氮氫比的控制問題，目前，國內以天然氣為原料的大型裝置采用的是 Kellogg 傳統(tǒng)蒸汽轉化合成氨工藝的大約占 50％；在此工藝中氮氫比調節(jié)大都由 DCS 實現，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 控制算法也不能實現參數自整定；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，導致目前氫氮比自控投用率極低；進而影響合成氨裝置的穩(wěn)定和產量。 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 12 氮氫比是 Kellogg 工藝合成氨裝置最為關鍵的參數之一，保持其始終處于最佳狀態(tài)是提高合成氨產量的有效措施。 氨合成反應式為 N2+3H2— 2NH3+Q，其特點是反應放熱，體積縮小，反應可逆。 從氨合成催化劑的活性角度分析進塔氣最適宜的氮氫比在 左右；而從平衡角度則以 3 為最高，所以 氮 氫比在 — 3 范圍內最有利于氨的合成，正常的最佳氮氫比為 — 。低于 或大于 會使合成塔床層溫度下降，若持續(xù)時間較長，可能導致床層溫度失控。 目前，國內多數 Kellogg傳統(tǒng)蒸汽轉化工藝合成氨裝置氮氫比控制由 DCS常規(guī) PID控制算法實現，在波動較大、干擾較強、大時滯的情況下， PID 參數不適應此狀況。同時常規(guī) PID 控制算法也不能實現參數自整定，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，導致目前氮氫比自控投用率極低。而操作工手動調節(jié)氮氫比一次要 10— 40min 才能反映出調節(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)定和產量。 [5] 控制方法 先進控制 先進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 種計算機控制算法。通過實施先進控制，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)化目標值，從而使生產裝置在接近其約束邊界的條件下運行，最終達到增強裝置運行的穩(wěn)定性和安全性、保證產品質量的均勻性、提高目標產品收率、增加裝置處理量、降低運行成本、減少環(huán)境污染。 13 優(yōu)化控制 優(yōu)化控制技術是一門針對過程控制的實用技術，優(yōu)化控制技術只有投入到實際應用中并顯示出較好的控制效果才能真正體現出優(yōu)化控制技術的意義。優(yōu)化控制與先進控制完成的目標是一致的，先進控制較優(yōu)化控制層次高。優(yōu)化控制是在 DCS 的單回路控制基礎之上，利用 DCS 內部現有的功能塊構建出一個優(yōu)化控制回路，協(xié)調控制多個關鍵參數；適應負荷大范圍的波動。優(yōu)化控制實施成本較低，可以為實施先進控制打下基礎。 氮 氫 比控制方案設計 基于先進控制算法的 氮 氫 比控制 y(k+1)y(k)= Φ（ k） T[u(k)u(k1)] (1) 公式（ 1）是黑龍江大學韓志剛教授提出的無模型先進控制算法所依賴的“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。 公式（ 2）是根據“泛模型”公式（ 1）推導出來適用于氫氮比控制的無模型先進控制算法公式。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，α是正參數，λ k 是人為可調整的參數， （ k）是ψ（ k）的估計值。 氮氫比無模型先進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行二組成的。當經過辨識到 （ k） 14 值之后，即可以應用公式（ 2）基本控制算法對系 統(tǒng)進行反饋控制，控制的結果將得到一組新的觀測數據，在已有數據中添加這一組新的數據，再對 （ k+1）進行辨識如此繼續(xù)下去就可實現辨識與控制的一體化。 基于先進控制軟件包的氮 氫 比控制 伴隨著預測啟發(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際運用，出現了許多非參數模型預估控制的工程化軟件包。經過模型辨識、優(yōu)化算法、控制結構分析、參數整定和有關穩(wěn)定性和魯棒性等一系列研究，基于非參數模型預估控制的工程化軟件包成為目前過程中應用最成功，也最具有前途的先進控制策略。 [13] 國外許多著名的軟 件公司推出了基于非參數模型預估控制的多變量約束協(xié)調控制軟件包，如 Stpoin Inc 的 SMAC 及其核心軟件 IDCOMM。上述控制軟件包均可實現氫氮比控制，但購買控制軟件包費用昂貴，對使用方技術人員素質要求高，同時對使用方技術人員而言實施控制過程為“黑箱”，伴隨工藝變化需要軟件公司技術支持，服用費用較高。 基于優(yōu)化常規(guī)過程控制（ PID）的氮氫比控制 基于優(yōu)化常規(guī)過程控制（ PID）的氮氫比控制的設計思路，是利用 DCS 內部現有的工程的功能塊構建出優(yōu)化控制回路。 C 回路的基于優(yōu)化常規(guī)過程控制（ PID） 的氮氫比內部復雜控制是一套具有較強的自適應能力、抗干擾能力和客服大時滯現象的“前饋 比值 三串級”調節(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調節(jié)器 AIC41新鮮氣的Ｈ２∕Ｎ２調節(jié)器 AIC410 與工藝空氣流量調節(jié)器ＦＩＣ００３組成三串級調節(jié)系統(tǒng)，對進入二段爐（１０３－Ｄ）的工藝空氣流量進行控制；以此來調節(jié)新鮮氣Ｈ２∕Ｎ２和合成氣Ｈ２∕Ｎ２。 15 氫氮比控制方案比較 上述三種氫氮比控制方案設計思路不同，控制目標相同，不同之處如下： 表 2 三種氫氮比控制比較 設計 方案 基于先進控制算法的氫氮比控制 基于先進控制軟件的氫氮比控制 基于優(yōu)化常規(guī)過程控制（ PID）的氮氫比控制 A公司 B 公司 Ｃ公司 設計成本（萬元） ８０ ２００ １５ 外設成本 （萬元） ３ ２０ 無 優(yōu)點 基于過程數學控制；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雜控制和基于工藝原理的模型頂估；可以實現控制目標 基于非參數模型預估控制的工程化軟件包是目前過程控制中應用最成功的先進策略；經驗豐富，技術實力雄厚；可以實現控制目標 實現簡單無模型單回路技術人員較容易理解，實施有把握；投資少可充分利用 C 公司技術人員可自行維護控制 缺點 數學方法過于復雜，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容；系統(tǒng)的維護和調整十分被動，在工況發(fā)生變化的情況下只能靠源源不斷的投資進行調整；投資較大。 控制過程對Ｂ公司技術人員基本是“黑箱”；維護基本需要軟件開發(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 計算和系統(tǒng)各串級回路的參數計算復雜。 16 推薦合成氨裝置氫氮比優(yōu)化控制設計方案 優(yōu)化控制與先進控制完成的目標是一致的，但先進控制較優(yōu)化控制層次高，他是借助計算機的飛速發(fā)展，通過計算機高速的計算能力，利用現代控制理論，用數學模型模擬出裝置的特點，預測出整個裝置各個參數的關聯(lián)變化，統(tǒng)一協(xié)調優(yōu)化整個系統(tǒng)。但ＤＣＳ的單回路控制水平較高，單回路調節(jié)要求靈敏準確，都投在自動狀態(tài)，裝置在高負荷狀態(tài)下運行，通過傳統(tǒng)的控制手段已無法提高生產能力、節(jié)能降耗，所以必須借助于先進控制。 [8] 比較而言，優(yōu)化控制更適合目 前裝置的運行水平，適合負荷大范圍波動，能夠協(xié)調控制幾個關鍵參數；實施成本較低，并且為最終實施先進控制打下基礎。 17 3． 溫度 反應速度 反應速度 隨溫度升高顯著加快，將某種催化劑在一定成產條件下具有最高生產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。經生產實踐得出氨合成操作溫度控制在 470— 520 度較為適宜。 [14] 對溫度的控制 對合成氨溫度的控制實際上 是對氨合成塔溫度的控制。在我國，中小型合成氨裝 18 置占絕大多數，但裝置自動化程度非常低。主要原因是：過去愛先進控制軟件售價昂貴，國內中小型企業(yè)承擔不起，中小型裝置硬件水平低，設備與儀表缺乏維護與保養(yǎng)，可靠性差，生產不穩(wěn)定，增加了自動化控制軟件的投運難度。 連續(xù)冷管換熱式氨合成塔由于全塔只有一個熱點，不存在段間耦合，控制復雜度較小，因此有部分此類氨合成塔溫度實現了自動控制，其控制方案主要有：串級 PD控制、前饋反饋控制、分程控制和增益調度控制等。但這些控制方案難以推廣到多段冷激式氨合成塔上，主要原因在于：①氨合 成塔溫度控制回路是一個大慣性、大純滯后系統(tǒng)， PD 控制器在這類系統(tǒng)中應用效果不佳。②沒有考慮多段冷激式氨合成塔內部各段溫度之間的耦合作用。③對氨合成塔床層溫度的影響因素考慮不夠全面。 多段冷激式氨合成塔溫度先進控制 根據多段冷激式氨合成塔 工藝特點，設計全塔溫度先進控制方案： [9] ①階梯式廣義預測控制器對于大慣性、大純滯后、強干擾工業(yè)過程對象應用效果好。使用它代替 PD 控制器，在氨合成塔床層溫度控制上會取得良好的控制效果。 ②充分考慮四段床層溫度之間的耦合作用，將每段熱點溫度作為下一段熱點溫度控 制回路的前饋。 ③一段床層溫度是全塔溫度控制的關鍵，采用選擇控制方案，對冷副熱氣閥、冷副冷氣閥、循環(huán)近路閥分別設計 GPC（ generalized predictive control）控制器，選擇按控制順序的要求判斷并選擇當前控制器和控制閥。 ④充分考慮影響合成塔床層溫度的外部因素，分析他們對各段溫度影響的強弱，對一段溫度引入操作壓力、入塔氣體溫度、循環(huán)氫、氨冷溫度前饋，消除這些因素對床層溫度的影響，穩(wěn)定一段溫度，在一段溫度穩(wěn)定的前提下，二、三、四段只需引入操作壓力和循環(huán)前饋，保證床層溫度能夠應對負荷大幅度 加量或減量即可。 四段冷激式氨合成塔溫度先進控制方案如圖 3 所示： 19 圖 3 四段冷激式氨合成塔溫度先進控制方案 20 強 對于一個反應前后系數不相等的化學反應來說，壓力在整個反應過程中起著非常重要的作用。合成氨反應是一個氣體體積縮小的反應，在反應過程中，依據化學平衡的基本規(guī)律，增加反應物的量能使氣體向氣體體積縮小的方向移動，使生成物的量加大。由于壓縮機型式、操作壓力、氨分離析冷凝級數、熱能回收形式以及各部分相對位置差異，氨合成工藝流程也不相同。操作壓力在 6001000 MPa 稱高壓法，在 2040MPa 稱中壓法。 1020 MPa 稱為低壓法。中壓法氨合成的工藝流程，在技術和經濟上都比較優(yōu)越，因此目前國內外普遍采用中壓法，在一定空速下，合成壓力越高，出口氨濃度越高，氨凈值（合成塔出入口氨含量之差）越高，合成塔的生產能力也就越大。氨合成系統(tǒng)的能量消耗主要包括原料氣壓縮，循環(huán)氣壓縮功和氨分離的冷凍功。實踐證明，