СИСТЕМА И СПОСОБ АНАЛИЗА ОТХОДЯЩЕГО ГАЗА УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МОЧЕВИНЫ
SYSTEM AND METHOD OF ANALYZING OFF-GAS OF A PLANT FOR PRODUCING UREA

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к системе и способу анализа отходящего газа установки для получения мочевины, а также к установке для получения мочевины, оснащенной системой для анализа отходящего газа.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как известно, мочевину получают в промышленном масштабе способами, основанными на реакции, в условиях высокой температуры и высокого давления, между диоксидом углерода и аммиаком с образованием карбамата аммония, и последующей реакции разложения карбамата аммония с образованием мочевины и воды.
Эти процессы проводятся в установках (установках для получения мочевины), которые, как правило, включают: реактор для проведения синтеза, в котором протекает реакция между диоксидом углерода и аммиаком; секции очистки и выделения, в которых водный раствор мочевины, полученный в реакторе, постепенно концентрируется, с отделением и вовлечением в рециркуляцию непрореагировавших реагентов; и конечную секцию, где мочевина переводится в твердое состояние (например, в грануляторе или грануляционной башне).
Однако конструкция является такой, что установка для получения мочевины непрерывно образует отходящий газ, содержащий инертные непреобразованные вещества и также небольшие количества непрореагировавшего аммиака. В зависимости от применяемого в установке для получения мочевины способа, этот отходящий газ также может содержать кислород, введенный, в частности, для пассивации.
Например, установка для получения мочевины, приспособленная для технологии, известной как «процесс фирмы Snamprogetti», выделяет, более конкретно, из так называемой секции выделения при среднем давлении, непрерывный поток газа, обычно содержащий азот, кислород, аргон, метан, аммиак, водород и воду.
Возникает потребность в мониторинге отходящего газа установки для получения мочевины, в особенности когда этот отходящий газ содержит водород и кислород, в частности, чтобы удовлетворять требованиям безопасности, и, более конкретно, для удерживания вне пределов воспламеняемости.
Если выявляется опасная ситуация, производится воздействие на поток отходящего газа, например, добавлением пара или еще одной регулирующей текучей среды (инертного газа, природного газа или тому подобного), чтобы избежать образования взрывоопасной смеси.
Также, когда опасная ситуация была устранена, необходимо проверять, прекратилась ли подача регулирующей текучей среды (пара или тому подобного) по достижении безопасных условий.
Было предложено применение газового хроматографа в ходе эксплуатации установки для анализа потока отходящего газа, выходящего из установки для получения мочевины и содержащего аммиак.
Газохроматографический анализ часто применяется для отслеживания процессов, так как позволяет идентифицировать и количественно определять большое число компонентов одновременно. Индивидуальные компоненты образца проходят через колонку с различными скоростями и последовательно регистрируются детектором. Время, прошедшее между введением образца и регистрацией вещества детектором (время удерживания), является характеристическим для вещества и используется для его идентификации. Величина сигнала детектора представляет собой меру объемной концентрации компонента в анализируемой текучей среде.
Однако применение газового хроматографа имеет некоторые недостатки в плане конкретного использования для анализа отходящего газа установки для получения мочевины.
Во-первых, присутствие сконденсированного пара или другой регулирующей текучей среды в анализируемом газовом потоке (ситуация, которая возникает после введения пара или еще одной текучей среды для выхода из диапазона пределов воспламеняемости) искажает газохроматографическое измерение компонентов газовой смеси, в особенности количественный анализ аммиака.
Кроме того, явления, связанные с конденсацией-испарением пара (или любых других текучих сред) в газовом хроматографе, могут вредить механической целостности прибора.
В дополнение, газовый хроматограф представляет собой громоздкий прибор, и к тому же должен быть кондиционирован, и тем самым, как правило, он не может быть размещен непосредственно на магистрали, в которой циркулирует анализируемый газовый поток, но должен быть размещен в подходящей конструкции в отдаленном месте и соединен с магистралью специально проложенным трубопроводом, который также может быть относительно длинным. Все это, наряду с очевидным усложнением монтажа оборудования, также может ухудшать точность измерения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одна цель настоящего изобретения состоит в создании системы и способа анализа отходящего газа установки для получения мочевины, которые позволяют преодолеть вышеупомянутые недостатки известной технологии.
В частности, одна цель изобретения заключается в создании системы и способа анализа отходящего газа установки для получения мочевины, которые позволяют быстро, точно и достоверно анализировать отходящий газ при всех эксплуатационных режимах установки для получения мочевины, даже в случае значительных вариаций, например, вследствие нагнетания пара или еще одной регулирующей текучей среды в отходящий газ.
Тем самым настоящее изобретение относится к системе и к способу анализа отходящего газа установки для получения мочевины, как определяется в основных понятиях в пунктах 1 и 13 прилагаемой формулы изобретения, соответственно, и к установке для получения мочевины, оснащенной системой для анализа отходящего газа, как определено в пункте 12 формулы изобретения.
Дополнительные предпочтительные характеристики изобретения показаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с изобретением, для анализа отходящего газа установки для получения мочевины применяется спектроскопический метод анализа, в частности, рамановская спектроскопия.
Рамановская спектроскопия представляет собой аналитический метод, основанный на колебательной и вращательной энергии молекул, и позволяет однозначно идентифицировать присутствующие в образце химические частицы и их относительные количества.
В рамановской спектроскопии анализируемый образец подвергают воздействию монохроматического электромагнитного излучения, обычно испускаемого лазерным источником, и детектируют и анализируют частоты излучения, рассеиваемого образцом.
При взаимодействии с электронами в молекулах образца электромагнитное излучение вызывает изменения колебательной и вращательной энергии молекул, с последующим рассеянием падающего излучения. Анализируя рассеянное излучение, можно идентифицировать компоненты с различными уровнями энергии.
Анализ на основе рамановской спектроскопии выполняется с помощью специальных приборов (рамановских спектроскопов).
До сих пор этот аналитический метод вообще никак не привлекался для применения на установках для получения мочевины, в частности, для анализа отходящего газа при риске образования взрывоопасных смесей, ввиду конструкционных ограничений рамановских спектроскопов, которые по существу непригодны для этой цели.
Авторы настоящего изобретения выявили следующие проблемы, связанные с рамановскими спектроскопами:
а) оптоволоконные зонды, которыми оснащены рамановские спектроскопы, имеют относительно низкие расчетные температуры (предположительно, около 80°С), и тем самым в приборы не могут подаваться образцы при более высоких температурах, которые вызывали бы механическое повреждение при контакте с зондами. Анализируемый отходящий газ установки для получения мочевины, особенно после впрыскивания пара или тому подобного для восстановления исключающих воспламенение условий, имеет температуры, безусловно более высокие, чем порог разрушения зондов рамановских спектроскопов;
b) анализируемый отходящий газ установки для получения мочевины содержит водный конденсат, который уносил с собой аммиак: поэтому в анализируемом газовом потоке присутствует конденсируемое производное аммония, которое может поглощаться водой и осаждаться опять в основном потоке технологического газа. Впоследствии на образец, анализированный рамановским спектроскопом, влияло бы количественное осаждение одного из анализируемых компонентов, снижая точность измерения.
Изобретение обеспечивает возможность проведения анализа на действующей установке, и даже по существу непрерывно или с высокой частотой отбора образцов, отходящего газа при риске образования взрывоопасных смесей в установке для получения мочевины.
Анализ проводится с использованием рамановского спектроскопа, по обстоятельствам сконструированного и смонтированного таким образом, чтобы обеспечивать совершенно достоверные результаты, даже в случае отклонений от нормальных эксплуатационных условий установки для получения мочевины, например, после нагнетания пара (или еще одной регулирующей текучей среды) в анализируемый газовый поток, чтобы избежать образования возможных взрывоопасных смесей.
В соответствии с изобретением, рамановский спектроскоп связан с пробоотборным участком, находящимся выше по потоку относительно рамановского спектроскопа и оснащенным системой регулирования температуры.
Изобретение обеспечивает возможность достижения следующих основных преимуществ:
- результаты анализа, как качественного, так и количественного, которые являются точными и достоверными в любых эксплуатационных условиях, даже в случае нагнетания пара или еще одной регулирующей текучей среды в анализируемый газовый поток: на измерения, проводимые с использованием рамановского спектроскопа, не влияет содержание пара или еще одной регулирующей текучей среды, так как они основываются на атомных/пространственных свойствах химических веществ, и не на их термодинамических характеристиках, как это иначе имело бы место в газохроматографическом анализе;
- как правило, анализ возможен на действующей установке, гарантируя точность измерения и механическую целостность прибора, даже при наличии отклонений от нормальных режимов работы установки и/или колебаний давления, температуры и относительного содержания химических веществ;
- сравнительно с измерениями, проводимыми с использованием газового хроматографа, времена отклика являются более быстрыми, измерения являются более точными, и техническое обслуживание является менее дорогостоящим;
- рамановский спектроскоп размещается непосредственно на магистрали, в которой циркулирует анализируемый газовый поток, и к которой он присоединен простым ответвлением; вспомогательный трубопровод для подведения анализируемого газового потока к отдаленному положению не требуется.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Дополнительные характеристики и преимущества настоящего изобретения станут более ясными из описания нижеследующих неограничивающих вариантов осуществления, со ссылкой на фигуры в сопроводительных чертежах, в которых:
- Фигура 1 представляет схематический вид установки для получения мочевины, оснащенной системой для анализа отходящего газа в соответствии с изобретением; и
- Фигура 2 представляет схематический вид системы для анализа отходящего газа установки для получения мочевины в соответствии с изобретением.
НАИЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фигура 1 показывает, сугубо схематически и упрощенно, установку 1 для получения мочевины, или, скорее, установку для получения мочевины, оснащенную системой 2 для анализа отходящего газа, образованного в установке 1 для получения мочевины.
Могут быть нескольких типов установки 1 для получения мочевины, а также исполняемого в ней способа получения мочевины.
Здесь приводится ссылка, только в качестве примера, на установку/способ получения мочевины согласно известной технологии «Snamprogetti». Должно быть понятно, что изобретение также применимо и к другим установкам/способам получения мочевины.
В показанной неограничивающей, но не обязательной, конфигурации, установка 1 для получения мочевины включает: реактор 4 для синтеза мочевины, где протекает реакция синтеза мочевины из аммиака и диоксида углерода; секции 5, 6 и 7 выделения, в частности, секцию 5 выделения при высоком давлении, секцию 6 выделения при среднем давлении и секцию 7 выделения при низком давлении, где раствор мочевины, образованный в реакторе 4, постепенно концентрируется с удалением непрореагировавших аммиака и диоксида углерода и воды, и отделенные компоненты вовлекаются в рециркуляцию; секцию 8 вакуумного концентрирования, соединенную с обрабатывающей секцией 9 для обработки конденсатов (в основном воды); и конечную секцию 10 отверждения, включающую, например, гранулятор или грануляционную башню.
3
2
В реактор 4 через соответствующие подводящие трубопроводы 12 и 13 подаются NH и СО. Магистраль 14 для мочевины соединяет патрубок для выпуска продукта из реактора 4 с секциями 5, 6 и 7 выделения, и с секцией 8 концентрирования.
3
Циркуляционный контур 16 соединяет секции 5, 6 и 7 выделения и секцию 8 концентрирования друг с другом и с трубопроводом 12 для подачи NH, для рециркуляции в реактор 4 непрореагировавших компонентов, отделенных в секциях 5, 6 и 7 выделения.
Компоненты различных секций и соединительных трубопроводов между ними, которые сами по себе известны, не показаны и подробно не описываются.
3
2
3
2
Например, но без необходимости, магистраль 14 для мочевины последовательно соединяет (соответствующими трубопроводными сегментами): реактор 4, где протекает реакция синтеза из аммиака и диоксида углерода; отпарную колонну секции 5 выделения при высоком давлении, где непрореагировавшие NH и СО и карбамат аммония отделяются и возвращаются в реактор 4 через циркуляционный контур 16; деструктор среднего давления в секции 6 выделения при среднем давлении и деструктор низкого давления в секции 7 выделения при низком давлении, в которых карбамат разлагается с образованием NH и СО, которые возвращаются в реактор 4 через циркуляционный контур 16; и один или многие обменники/концентраторы в секции 8 концентрирования, где раствор мочевины, вышедший из секции 7 выделения при низком давлении, концентрируется перед направлением в гранулятор или грануляционную башню конечной секции 10 отверждения, для гранулирования или таблетирования.
В установке 1 для получения мочевины, в частности, в секциях 5, 6 и 7 выделения и в секции 8 концентрирования, образуется отходящий газ, также содержащий аммиак. С установкой 1 для получения мочевины соединена система 2 для приема и анализа по меньшей мере одного потока отходящего газа, образованного в установке 1 для получения мочевины.
В неограничивающем, но не обязательном, показанном примере система 2 принимает и анализирует отходящий газ, поступающий из секции 6 выделения при среднем давлении, и, в частности, газ, выходящий из деструктора среднего давления и направляемый в магистраль 20.
Когда, помимо прочих компонентов, этот отходящий газ содержит водород и кислород, могут образовываться взрывоопасные смеси, и тем самым магистраль 20 соединяется с нагнетательным устройством 21 для введения регулирующей текучей среды, например, пара или еще одной текучей среды, срабатывающим (вручную оператором через управляющее устройство в диспетчерской, или автоматически блоком управления), когда система 2 детектирует потенциально опасные условия для формирования взрывоопасных смесей.
Должно быть понятно, что система 2 может быть использована для анализа других вытекающих потоков и/или газовых потоков, образованных в установке 1 для получения мочевины (которая, как уже указывалось, также может иметь конфигурации, которые отличаются от показанной здесь в качестве примера). Поэтому система 2 может быть размещена в положениях, отличающихся от описываемого и показанного здесь в качестве примера, а также в установке для получения мочевины иного типа.
Со ссылкой также на Фигуру 2, система 2 включает рамановский спектроскоп 22 и пробоотборный участок 23, который соединяет спектроскоп 22 с магистралью 20, в которой циркулирует анализируемый отходящий газ.
Спектроскоп 22 по своей сути представляет собой известный прибор, и поэтому для простоты подробно не описывается и не иллюстрируется.
В принципе спектроскоп 22 включает: по меньшей мере один источник электромагнитного излучения, в частности, лазерный источник, который направляет монохроматическое электромагнитное излучение на анализируемый образец в аналитической камере; по меньшей мере один зонд, в частности, оптоволоконный зонд, который принимает рассеянное образцом излучение; и анализатор, который анализирует частоты, присутствующие в рассеянном образцом излучении.
Спектроскоп 22 преимущественно размещается над магистралью 20.
Пробоотборный участок 23 включает пробоотборный патрубок 24, который соединяет магистраль 20 со спектроскопом 22 для пропускания непрерывного потока 25 газового образца из магистрали 20 в спектроскоп 22; устройство 26 регулирования температуры, управляемое температурным контроллером 27, и воздействующее по меньшей мере на один участок 28 термообработки патрубка 24 для корректирования температуры потока 25 образца, циркулирующего в патрубке 24; конденсирующее устройство 29 для возвращения фракции конденсата из потока 25 образца, который сконденсировался после охлаждения потока 25 образца на участке 28, обратно в магистраль 20; и блок 30 обработки и управления, предназначенный для расчета количества конденсируемых веществ, возвращаемых в магистраль 20.
Патрубок 24 соединяет магистраль 20 со спектроскопом 22; в частности, патрубок 24 соединен с соединительным элементом 31, установленным на магистрали 20, и с впускным каналом 32 спектроскопа 22, и, более конкретно, с аналитической камерой спектроскопа 22.
Патрубок 24 преимущественно отходит вертикально от магистрали 20, и/или является протяженным по существу вертикально или наклонно вверх от соединительного элемента 31.
Устройство 26 регулирования температуры может быть одним из нескольких типов. Как правило, устройство 26 предназначено для снижения температуры потока 25 образца, когда она является слишком высокой, и могла бы повредить компоненты спектроскопа 22, в частности, его оптоволоконный зонд.
Например, устройство 26 включает: охлаждающий контур 33, размещенный вокруг участка 28 патрубка 24, и в котором циркулирует охлаждающая текучая среда (например, воздух или вода); и по меньшей мере один циркуляционный элемент 34, управляемый температурным контроллером 27, для циркуляции охлаждающей текучей среды в охлаждающем контуре 33.
Температурный контроллер 27 (который также может быть встроен в блок 30 обработки и управления спектроскопа 22) предпочтительно относится к так называемому типу «дуальной петли», и соединен с парой температурных датчиков 35 и 36, соответственно размещенных выше по потоку и ниже по потоку относительно участка 28 патрубка 24 по направлению циркуляции потока 25 образца в патрубке 24 (например, температурные датчики 35 и 36 размещаются на впускном канале патрубка 24 и на впускном канале 32 спектроскопа 22, соответственно), для детектирования температуры газового потока, поступающего из установки 1 для получения мочевины через магистраль 22, и потока 25 образца, анализируемого в спектроскопе 22, соответственно.
В частности, температурный контроллер 27 представляет собой контроллер пропорционально-интегрально-дифференциального типа.
Температурный контроллер 27 настраивается на температуру (например, 70°С), более низкую, чем пороговая температура, при которой компоненты спектроскопа 22 могли бы становиться поврежденными (в частности, оптоволоконный зонд или зонды).
Устройство 26 предпочтительно включает также нагревательный элемент 37, например, электрическое сопротивление, размещенный в патрубке 24 ниже по потоку (всегда со ссылкой на направление циркуляции потока 25 образца) относительно участка 28 и охлаждающего контура 33, и, в свою очередь, управляемый температурным контроллером 27 и/или блоком 30 обработки и управления, для повышения температуры (на несколько градусов, предположительно 1-5°С) потока 25 образца после охлаждения, проведенного охлаждающим контуром 33, чтобы выдерживать поступающий в спектроскоп 22 поток 25 образца вне условий насыщения.
Охлаждение, производимое устройством 26, может вызывать конденсацию химических веществ в потоке 25 образца. Фракция конденсата стекает обратно в магистраль 20 через конденсирующее устройство 29. Например, конденсирующее устройство 29 включает сборный участок 38 патрубка 24; участок 38 размещается выше магистрали 20 и ниже участка 28 термообработки патрубка 24, и пролегает по существу вертикально или наклонно в сторону магистрали 20 так, что фракция конденсата стекает через него в находящуюся ниже магистраль 20 под действием силы тяжести.
Блок 30 обработки и управления предназначен для расчета количества конденсируемых веществ, которые вовлекаются в рециркуляцию в магистрали 20, посредством подходящих расчетных алгоритмов на основе термодинамических моделей процесса, проводимого в установке 1 для получения мочевины, и эксплуатационных параметров этого процесса.
Необязательно, система также включает автоматический предохранительный отсечный клапан 39, размещенный во впускном канале 32 спектроскопа 22 или вдоль патрубка 24, для прерывания подачи потока 25 образца в спектроскоп 22 в случае отказа/сбоя температурного контроллера 27; клапан 39 автоматически вмешивается после любого неконтролируемого повышения температуры (выше предварительно настроенного опасного порога), для защиты спектроскопа 22.
Спектроскоп 22, или более конкретно, его аналитическая камера, имеет впускной канал 40, который соединен с возвратным трубопроводом 41; возвратный трубопровод 41 соединен с магистралью 20 и, в частности, смонтирован на магистрали 20 ниже по потоку относительно соединительного элемента 31 по направлению циркуляции отходящего газа, циркулирующего в магистрали 20, для возвращения потока 25 образца, который прошел через спектроскоп 22, обратно в магистраль 20.
При применении газовый поток, составленный образованным в установке 1 для получения мочевины отходящим газом, циркулирует в магистрали 20.
Газовый поток содержит, сугубо в качестве примера, азот, кислород, аргон, метан, аммиак, водород и воду, и имеет температуру приблизительно 50-170°С.
Часть газового потока циркулирует через патрубок 24 и составляет поток 25 образца, направляемый, предпочтительно непрерывно, в спектроскоп 22.
Если температура потока 25 образца является более низкой, чем предварительно заданная пороговая температура (как при нормальных условиях работы установки 1 для получения мочевины), температурный контроллер 27 не приводит в действие устройство 26 регулирования температуры, и поток 25 образца поступает в спектроскоп 22.
Спектроскоп 22 выполняет качественный и количественный анализ потока 25 образца.
Если анализ выявляет условия для возможного образования взрывоопасных смесей, система 2 подает аварийный сигнал, на основе которого нагнетательное устройство 21 (вручную или автоматически) активируется для впрыскивания пара (предположительно, при температуре 200-250°С) или еще одной регулирующей текучей среды в поток газа, циркулирующий в магистрали 20.
Нагнетание пара или еще одной регулирующей текучей среды повышает температуру газового потока, и поэтому также температуру потока 25 образца, а также изменяет его состав, но система 2 предназначена для эффективной и правильной работы также в измененных условиях.
Фактически, если температурный контроллер 27 детектирует с помощью температурных датчиков 35 и 36 температуру потока 25 образца выше пороговой температуры, температурный контроллер 27 приводит в действие устройство 26 регулирования температуры для охлаждения потока 25 образца и доведения температуры потока 25 образца обратно до уровня ниже пороговой температуры.
По обстоятельствам, затем срабатывает устройство 26, посредством нагревательного элемента 37, для небольшого нагревания (на несколько градусов, предположительно 1-5°С) предварительно охлажденного потока 25 образца (в любом случае поддерживая температуру ниже пороговой температуры), чтобы удерживать поток 25 образца вне условий насыщения.
Любая фракция конденсата из потока 25 образца стекает обратно в магистраль 20 через конденсирующее устройство 29.
Система 2 анализирует поток 25 образца. Спектроскоп 22 проводит измерения через предварительно определенные интервалы времени, или действует по существу непрерывно, в зависимости от условий измерения и быстродействия прибора; поток 25 образца, после прохода через патрубок 24 и поступления в спектроскоп 22, возвращается в магистраль 20 через возвратный трубопровод 41, более конкретно (предпочтительно) ниже по потоку по направлению циркуляции отходящего газа, циркулирующего в магистрали 20, относительно соединительного элемента 31, или, скорее, места отбора образца, где поток 25 образца отбирается из магистрали 20 и направляется в спектроскоп 22.
Когда система 2 детектирует, что условия возможного образования взрывоопасных смесей устранены, система 2 выдает сигнал отбоя, на основе которого нагнетание регулирующей текучей среды (пара или тому подобного) в магистраль 20 прекращается (вручную или автоматически).
Наконец, понятно, что дополнительные модификации и вариации могут быть сделаны относительно системы и способа анализа отходящего газа установки для получения мочевины, и описанной и иллюстрированной здесь установки для получения мочевины, без выхода за пределы области пунктов прилагаемой формулы изобретения.