موضوع هفتگی: چگونه نسبت هیدروژن به نیتروژن را به خوبی تنظیم کرد؟ (۱۰/۷----۱۶/۷)

چند روز پیش یک پست محبوب وجود داشت که درباره نسبت هیدروژن به کربن بود؛ من خلاصه‌ای از آن ارائه می‌دهم: انتخاب نسبت هیدروژن به کربن بستگی به شرایط عادی و غیرعادی دارد. در شرایط عادی، انتخاب این نسبت ابتدا بستگی به کیفیت گاز ورودی دارد؛ اگر کیفیت گاز بسیار خوب باشد، اصلاً نیازی به تخلیه گاز پس از توربین نیست و نسبت باید دقیقاً ۳:۱ باشد. اما اگر نیاز به تخلیه گاز وجود داشته باشد، این نسبت بسته به شرایط هر کارخانه متفاوت است؛ برخی آن را بین ۲.۸ تا ۲.۹ و برخی دیگر بین ۳.۱ تا ۳.۳ کنترل می‌کنند. من شخصاً ترجیح می‌دهم این نسبت بین ۲.۸ تا ۲.۹ باشد. در شرایط غیرعادی، مانند تغییرات ناگهانی بار یا میزان هیدروژن ورودی به برج، می‌توان نسبت هیدروژن به کربن را به طور موقت به طور قابل توجهی تغییر داد؛ اصل این است که میزان هیدروژن در گاز ورودی به برج دوباره به مقادیر عادی برگردانده شود ； به عنوان مثال، در شرایطی مانند میزان بالای گاز تازه، وجود آمونیاک در برج سنتز، و تفاوت دمای شدید، لازم است گاز تازه به طور موقت قطع شود؛ سیستم به حالت چرخش خودکار درآید و حتی از کوره الکتریکی برای حفظ دما استفاده شود.

پاسخ مرجع: می‌توانید نگاهی بیندازید؛ فقط برای مرجع است. نسبت هیدروژن به نیتروژن در گاز نیمه‌آبی، یکی از شاخص‌های کنترلی مهم در تولید آمونیاک است. وقتی نسبت حجم هیدروژن به نیتروژن ۳:۱ باشد، غلظت تعادلی آمونیا بیشترین مقدار را دارد. اگر یکی از اجزای هیدروژن و نیتروژن در مقدار بیشتری وجود داشته باشد، درصد گازهای هیدروژن و نیتروژنی که در واکنش شرکت می‌کنند، در مجموع گازها کاهش خواهد یافت. در شرایط عادی، هیدروژن و نیتروژن حدود ۸۰ درصد از گازهای ورودی به توربین سنتز را تشکیل می‌دهند. اگر گازهای بی‌فعال و آمونیاک موجود در گازهای چرخشی را کنار بگذاریم، هیدروژن و نیتروژن باقی‌مانده بر اساس نسبت ۳:۱ در واکنش سنتز استفاده خواهند شد؛ بنابراین، هیدروژن باید ۷۵ درصد و نیتروژن ۲۵ درصد از این گازها را تشکیل دهد. اگر مقدار هیدروژن ۳٪ بیشتر باشد، در این صورت میزان هیدروژن در ترکیب هیدروژن و نیتروژن ۷۸٪ و میزان نیتروژن ۲۲٪ خواهد بود. از این مقدار، تنها ۶۶٪ از هیدروژن با نیتروژن واکنش نشان می‌دهد؛ بنابراین، مجموع هیدروژن و نیتروژنی که در واکنش شرکت می‌کنند، ۸۸٪ از کل گازها را تشکیل می‌دهد. اگر میزان نیتروژن در مخلوط هیدروژن و نیتروژن بیشتر از ۳٪ باشد، ترکیب آن ۲۸٪ نیتروژن و ۷۲٪ هیدروژن خواهد بود. ۷۲٪ از هیدروژن تنها می‌تواند با ۲۴٪ از نیتروژن واکنش دهد؛ بنابراین در مجموع، ۹۶٪ از هیدروژن و نیتروژن در واکنش شرکت خواهند کرد. واضح است که مقدار بیشتر نیتروژن، بسیار بهتر از مقدار بیشتر هیدروژن است. علاوه بر این، از نظر سرعت واکنش سنتز آمونیاک، در حالت غیرتعادل، افزایش مناسب فشار جزئی نیتروژن به سرعت جذب نیتروژن توسط کاتالیست کمک می‌کند؛ زیرا جذب فعال نیتروژن گام کنترل‌کننده‌ای در فرآیند واکنش سنتز آمونیاک است. نسبت گازهای هیدروژن و نیتروژن کمی کمتر از «۳» باشد تا فشار جزئی نیتروژن در گاز افزایش یابد، در نتیجه مقدار بیشتری نیتروژن به سطح کاتالیزور نفوذ کرده و فرصت‌های جذب افزایش یافته و نرخ سنتز بالاتر می‌شود. به دلیل افزایش نرخ سنتز، مصرف برق کمپرسور نیز به تبع آن کاهش یافت. نسبت هیدروژن به نیتروژن بیش از حد، برای واکنش‌های سنتز بسیار مضر است. به عنوان مثال، در صورتی که در گاز چرخشی، ۷۵٪ هیدروژن، ۲۰٪ گازهای خنثی و ۵٪ نیتروژن وجود داشته باشد، ۵ بخش از نیتروژن تنها می‌تواند با ۱۵٪ هیدروژن واکنش دهد؛ یعنی تنها ۲۰٪ از اجزای موجود در گاز در واکنش شرکت می‌کنند و ۸۰٪ باقی‌مانده از گازها در واکنش شرکت نمی‌کنند. در نتیجه، نرخ سنتز به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد، فشار سنتز افزایش می‌یابد و مقدار گازهای تخلیه‌شده نیز بیشتر می‌شود. این امر نه تنها باعث اتلاف مقدار زیادی هیدروژن و تأثیر منفی بر تولید آمونیاک می‌شود، بلکه باعث افزایش شاخص‌های مربوط به مصرف سوخت نیز می‌گردد. بنابراین، کنترل نسبت هیدروژن به نیتروژن در گاز چرخشی در محدوده ۲.۴ تا ۲.۸ مناسب است. اما گازهای هیدروژن و نیتروژن با نسبت ۳:۱ برای تولید آمونیا ترکیب می‌شوند، بنابراین نسبت هیدروژن به نیتروژن در گازهای تأمینی نیز بهتر است «۳» باشد.

بر اساس آنالیزورهای آنلاین: بررسی کنید که نسبت هیدروژن به نیتروژن در گاز چرخشی آیا در محدوده ۲.۸ تا ۲.۹ است یا خیر؛ اگر در این محدوده نباشد، با تنظیم نسبت هیدروژن به نیتروژن در گاز تازه، نسبت مورد نیاز را در گاز چرخشی برقرار کنید. اگر در محدوده باشد، کافی است نسبت هیدروژن به نیتروژن در گاز تازه را روی ۳:۱ نگه داریم! اگر میزان آمونیاک ورودی به برج از حد مجاز فراتر رود، ابتدا با تنظیم خط‌های فرعی یا کاهش میزان چرخش مایع، دمای بستر حفظ می‌شود؛ در عین حال باید به سطح مایع در مخزن جداسازی، سطح مایع و دما و فشار در خنک‌کننده آمونیاک توجه کرد تا این مقادیر در محدوده مشخص شده باشند. اگر فشار در خنک‌کننده آمونیاک در محدوده مورد نظر نباشد، باید توان موتور یخ‌ساز را افزایش داد!

۱) طرح کنترل (Control Scheme) بر اساس فرآیندهای موجود در محل و الزامات کارخانه، یک طرح کنترل تنظیمی سری سه‌مسیره ارائه داده است. مدار اصلی (ARC6)، مدار کنترل نسبت هیدروژن به نیتروژن است؛ ورودی آن، مقدار واقعی نسبت هیدروژن به نیتروژن است. مقدار تعیین‌شده برای این نسبت، توسط DCS از طریق ارتباطات ارائه می‌شود؛ خروجی نیز به عنوان مقدار تعیین‌شده برای مدار فرعی در نظر گرفته می‌شود ； مدار فرعی (ARC3)، مدار کنترل میزان هیدروژن در خروجی تبدیل‌کننده با تغییرات کم است؛ ورودی آن میزان هیدروژن در خروجی تبدیل‌کننده است و خروجی آن به عنوان مقدار تعیین‌شده برای مدار فرعی دوم در نظر گرفته می‌شود ； مدار فرعی دوم (FRC3)، مدار کنترل جریان هوا است؛ ورودی آن جریان هواست و مقدار خروجی به صورت مستقیم از طریق ارتباطات به DCS ارسال می‌شود، سپس DCS آن را به شیر کنترل جریان هوا در محل ارسال می‌کند. همزمان، سه مقدار که تأثیر زیادی بر مسیر بازگشت دارند، به عنوان مقادیر پیش‌خور ارائه شدند. بر اساس شرایط واقعی محل، تأخیر مدار اول حدود ۱۰ تا ۱۵ دقیقه است، تأخیر مدار دوم حدود ۲۰ دقیقه است و تأخیر مدار سوم بسیار کم است. بنابراین، دو مدار اول باید تا حد امکان به‌طور پایدار تنظیم شوند تا از خروج از محدوده تنظیم جلوگیری شود، و همچنین فیدبک باید به مدار فرعی اضافه شود تا جریان هوا بتواند به‌موقع تنظیم گردد. طرح کنترل همان‌گونه که در شکل ۱ نشان داده شده است. شکل (۴) طرح کنترلی: در هر سه مدار، از روش کنترل بدون مدل استفاده شده است. سه مقدار پیش‌خوری که به مدارهای فرعی اضافه می‌شوند عبارتند از: جریان گاز حاصل از میدان نفتی (FRC!)، مقدار بازگشت گاز توسط روش پریسون، و تغییر دمای گاز در حال چرخش (TD106).

ارزیابی جامع از طریق تحلیلگرهای آنلاین، تحلیل دستی، دمای نقاط حرارتی کولون سنتز و فشار سیستم

همگی می‌دانند که مسیر فرآیند، از تولید گاز تا سنتز، طولانی است؛ وقتی هیدروژن حاصل از سنتز دچار تغییر می‌شود، باید دوباره از مرحله تولید گاز تنظیمات لازم انجام شود که این امر اغلب با تأخیر همراه است. بنابراین، تشخیص میزان هیدروژن پس از تبدیل (که در آن زمان آن را هیدروژن تبدیل‌شده می‌نامیدیم) و تنظیم نسبت هیدروژن به نیتروژن بر اساس این داده‌ها، بسیار بهتر است.

روش‌های تنظیم نسبت هیدروژن به نیتروژن بر اساس فرآیندهای مختلف، نیز باید متفاوت باشد. به عنوان مثال، کارخانه ما از فرآیندهای تبدیل، کربنیزاسیون، متانول و شستشوی مس استفاده می‌کند؛ در شرایط عادی، تنها با کنترل مناسب میزان کربن مونوکسید در خروجی فرآیندهای تبدیل و متانول، نسبت هیدروژن به نیتروژن نیز پایدار خواهد بود و دچار نوسانات شدیدی نخواهد شد. در چنین شرایطی، موضوع عمدتاً مربوط به کنترل فرآیند تولید گاز است； اما به محض اینکه میزان کربن مونوکسید خروجی از حد مجاز فراتر رود، باعث افزایش بار متانول می‌شود؛ زیرا واکنش تولید متانول نیازمند مقدار زیادی هیدروژن است. این امر معمولاً با علائمی مشخص می‌شود: ابتدا دمای متانول بالا می‌رود، سپس نسبت هیدروژن به نیتروژن به طور مستقیم کاهش می‌یابد و کیفیت واکنش تولید متانول پایین می‌آید ； در فرآیند تنظیم، بازیابی هیدروژن به عنوان روش کمکی استفاده می‌شود ； اگر وضعیت کوره تولید گاز خوب نباشد، تنظیم نسبت هیدروژن به نیتروژن برای رسیدن به مقادیر مورد نظر بسیار دشوار است.

تنظیم نسبت هیدروژن به نیتروژن به صورت خودکار انجام می‌شود و در خروجی مخزن گاز، خروجی حذف گوگرد، خروجی تصفیه، ورودی سنتز و خروجی برج سنتز، شاخص‌های هیدروژن نصب شده‌اند. روش تنظیم، اعمال تغییرات بر روی زمان بازیابی در مرحله دمیدن، از طریق پارامترهای ذکر شده است. وضعیت استفاده عموماً پایدار است؛ هنگامی که خطاها زیاد می‌شود، کارگران تولید گاز می‌توانند با اصلاح آن‌ها مشکل را برطرف کنند. تنظیم خودکار نسبت هیدروژن به نیتروژن، زمانی که کل سیستم تولید در وضعیت پایداری قرار دارد، عملکردی پایدار و طبیعی دارد؛ اما در صورت بروز نوسانات شدید، این تنظیم خودکار نیز مستعد ایجاد انحرافات می‌شود. در موقعیت‌های سنتز، تنظیم جریان بازیابی هیدروژن تنها زمانی در نظر گرفته می‌شود که نسبت هیدروژن به نیتروژن اختلاف قابل توجهی داشته باشد (با تنظیم میزان تخلیه گاز چرخشی، به منظور تنظیم ترکیب گاز).

روش‌های تنظیم نسبت هیدروژن به نیتروژن در فرآیندهای مختلف نیز باید متفاوت باشد. به عنوان مثال، کارخانه ما از فرآیندهای تبدیل، حذف کربن، متانول و متان استفاده می‌کند؛ در شرایط عادی، تنها با کنترل مناسب میزان کربن مونوکسید در خروجی فرآیندهای تبدیل و متانول، نسبت هیدروژن به نیتروژن نیز پایدار خواهد بود و دچار نوسانات شدیدی نخواهد شد. در چنین شرایطی، موضوع عمدتاً مربوط به کنترل فرآیند تولید گاز است； اما به محض اینکه میزان کربن مونوکسید خروجی از حد مجاز فراتر رود، باعث افزایش بار متانول می‌شود؛ زیرا واکنش تولید متانول نیازمند مقدار زیادی هیدروژن است. این امر معمولاً با علائمی مشخص می‌شود: ابتدا دمای متانول بالا می‌رود، سپس نسبت هیدروژن به نیتروژن به طور مستقیم کاهش می‌یابد و کیفیت واکنش تولید متانول پایین می‌آید ； در فرآیند تنظیم، بازیابی هیدروژن به عنوان روش کمکی استفاده می‌شود

پاسخ به ۱# TH373637: اصل تنظیم نسبت هیدروژن به نیتروژن، این است که در مرحله بادزدایی، دودکش را زودتر ببندیم (یعنی آن را بازیابی کنیم) تا هیدروژن و نیتروژن بازیابی شوند. تنظیم موقت عمدتاً با روش پاکسازی دستی یا ترکیب آن با افزودن نیتروژن، یا همزمان استفاده از افزودن نیتروژن و پاکسازی و بازیابی، به صورت انعطاف‌پذیر انجام می‌شود. هنگام تنظیم نیتروژن، افزایش و کاهش جریان باد بازیابی را نباید در یک کوره متمرکز کرد. دستگاه‌های گازی با تولید ناپایدار، تا حد امکان نباید برای استفاده به عنوان کوره با نسبت هیدروژن به نیتروژن به کار روند. هنگام تنظیم هیدروژن، باید بار تولیدی محیطی و زمان اثربخشی آن را در نظر داشت و از پیامدهای افزایش یا کاهش بار و همچنین توقف دستگاه‌ها پیش‌بینی کرد؛ تنظیمات باید به موقع و به شکل مناسب انجام شود. تنها با آگاهی به‌موقع از وضعیت عملکرد اجاق گاز، تغییرات مواد خام و حفظ پایداری شرایط اجاق، می‌توان پایداری گاز نیمه‌آبی را تضمین کرد. برای کنترل نسبت هیدروژن به نیتروژن در هیدروژن چرخشی، باید تغییرات هیدروژن چرخشی را بر اساس تغییرات هیدروژن تأمین‌کننده تخمین زد؛ همچنین باید محور پایدار هیدروژن تأمین‌کننده پیدا شود تا عملیات در نزدیکی این محور، پایداری هیدروژن چرخشی را تضمین کند. البته، این محور نسبی است و با تغییراتی مانند نسبت الکل به آمونیاک، بار تولیدی، و سنتز گازهای خنثی، تغییر می‌کند. عوامل متعددی بر کاهش هیدروژن تأثیر می‌گذارند؛ دمای پایین کوره، وضعیت نامناسب لایه آتش، عملکرد غیرطبیعی اجاق گاز، فرورفتگی یا واژگونی لایه سوخت، وجود سوراخ‌های تهویه یا اکسیژن بیش از حد در نواحی خاص، همگی می‌توانند باعث کاهش سریع هیدروژن شوند. علاوه بر این، کاهش بار بادبندی، عدم پایداری میزان بخار مصرفی، تداخل بین فرآیندهای بادبندی و تمیزکاری، و همچنین خرابی‌های تجهیزات مانند باز نماندن یا بسته نشدن شیرهای دودکش، باز نماندن یا بسته نشدن شیرهای باد ثانویه، و عدم فعالیت شیر بخار کلی، همگی می‌توانند باعث عدم پایداری هیدروژن شوند. همچنین، تغییرات نرخ تبدیل کربن مونوکسید در کوره‌های تبدیل بخش پسین، و میزان دی‌اکسید کربن موجود در گازهای حاصل از فرآیند ضدکربن‌سازی، بر پایداری هیدروژن نیز تأثیر می‌گذارد. بنابراین، کنترل نسبت هیدروژن به نیتروژن مستلزم در نظر گرفتن شرایط مختلف و عملکرد پیش‌بینانه است تا این نسبت در سطحی نسبتاً پایدار حفظ شود.