Рис. 4. Количество выбросов с соковым паром в окружающую среду: а – до внедрения системы; б – после внедрения системы

Авторы: Л.Ю. Довгалов, А.В. Ушакова, Е.Ю. Ушакова (ООО НТП «Экор»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №7/2018

В статье представлены новые современные методы мониторинга технологических процессов в производстве аммиачной селитры. Использование специализированных контроллеров позволяет вывести мониторинг процесса на качественно новый уровень: повысить надежность и точность измерений, а также обеспечить передачу данных в аналоговом и цифровом виде в системы SCADA.

Системы контроля процессов нейтрализации и массовой доли воды в плаве аммиачной селитры позволяют осуществить контроль и автоматизацию основных процессов, хорошо интегрируются в систему автоматизации производства и позволяют оптимизировать важные технологические процессы.

В производстве аммиачной селитры требуется не только контроль параметров технологического процесса, но и автоматическое поддержание их в оптимальном режиме. Важнейшим процессом в производстве аммиачной селитры является процесс нейтрализации. Рациональное ведение процесса нейтрализации дает возможность снизить расход азотной кислоты и аммиака, уменьшить их выбросы в окружающую среду с соковым паром, снизить коррозионные разрушения оборудования, повышает безопасность производства, поскольку при нарушениях возможны взрывы и пожары (из-за присутствия нитритов или самопроизвольного терморазложения аммиачной селитры) [1].

Оптимальным для процесса нейтрализации является стехиометрическое соотношение азотной кислоты и аммиака. Избыток азотной кислоты приводит к ее повышенным потерям, терморазложению и увеличению коррозионного изнашивания оборудования. Избыток аммиака также приводит к его повышенным потерям и резкому загрязнению окружающей среды, а также к образованию взрывоопасного нитрита аммония.

Таким образом, чем точнее осуществляется контроль и регулирование процесса, тем более эффективно производство. Требования к точности регулирования в настоящее время еще более возрастают при переходе на новые технологии получения аммиачной селитры.

Известные способы управления процессом нейтрализации по рН раствора аммиачной селитры [2] и рН сокового пара имеют недостатки. Они связаны, прежде всего, с необходимостью предварительной подготовки пробы (разбавление, охлаждение, конденсация). Поскольку на подготовку пробы требуется время, возникает задержка между изменением состава среды и измерением. Это не дает возможности качественно управлять процессом. Существенным недостатком также является потеря работоспособности датчиков рН вследствие образования загрязнений и осадков. Кроме того, замер рН не дает возможности количественного определения концентрации кислоты или аммиака.

Использование электрохимических методов позволило создать уникальную систему контроля процессов нейтрализации [3], свободную от перечисленных недостатков.

Работа системы основана на определении ряда электрохимических параметров:

  • редокс-потенциала технологической среды;
  • токов окисления ОН-ионов и восстановления Н+-ионов;
  • потенциала поверхности оборудования.

Редокс-потенциал (рис. 1) раствора аммиачной селитры, токи окисления и восстановления ионов (рис.2), потенциал оборудования зависят от состава технологической среды. Кроме того, потенциал оборудования характеризует его коррозионное состояние.

Рис. 1. Зависимость редокс-потенциала коррозионно-стойкой стали от добавок азотной кислоты и аммиака в растворе аммиачной селитры при 160°С
Рис. 1. Зависимость редокс-потенциала коррозионно-стойкой стали от добавок азотной кислоты и аммиака в растворе аммиачной селитры при 160°С

Как видно из рис. 1, редокс-потенциал зависит от концентрации аммиака и азотной кислоты. С уменьшением концентрации аммиака и увеличением концентрации азотной кислоты редокс-потенциал увеличивается, а в нейтральной области наблюдается скачок потенциала.

Аналогично меняется и потенциал поверхности оборудования из коррозионно-стойкой стали. При этом потенциал поверхности коррозионно-стойкой стали характеризует ее коррозионное состояние, поскольку имеется четкая зависимость скорости коррозии от потенциала поверхности стали [4]. При нерациональном ведении процесса нейтрализации (т.е. высоком содержании избыточной азотной кислоты) потенциал оборудования смещается в положительную сторону и находится в области локальной коррозии.

Рис. 2. Зависимость токов окисления–восстановления, измеренных на платиновом электроде, от концентрации избыточной кислоты и аммиака в аммиачной селитре при 160°С
Рис. 2. Зависимость токов окисления–восстановления, измеренных на платиновом электроде, от концентрации избыточной кислоты и аммиака в аммиачной селитре при 160°С

На рис. 2 представлены зависимости ток–потенциал для раствора аммиачной селитры с различным содержанием азотной кислоты и аммиака. Как видно, при определенных потенциалах имеется линейная зависимость токов восстановления Н+-ионов от концентрации азотной кислоты и токов окисления ОН-ионов от концентрации аммиака. По значению токов окисления–восстановления система позволяет количественно (в г/дм3) определять концентрацию азотной кислоты и аммиака в широком диапазоне концентраций.

Система обеспечивает контроль процессов нейтрализации на всех стадиях производства аммиачной селитры и состоит из необходимого числа измерительных каналов (порядка 10).

Измерительный канал системы включает датчик, барьер искрозащиты, потенциостат, контроллер (рис. 3). Информация передается в рабочую станцию в SCADA.

Рис. 3. Система контроля процессов нейтрализации в производстве аммиачной селитры
Рис. 3. Система контроля процессов нейтрализации в производстве аммиачной селитры

Датчики устанавливаются непосредственно в аппараты и трубопроводы производства аммиачной селитры. Например, в аппарате использования тепла нейтрализации (аппарат ИТН) датчики установлены в реакционной зоне аппарата и в трубопроводе выхода раствора из аппарата. Датчик состоит из измерительного поляризуемого электрода и электрода сравнения. Конструкция датчика концентрации обеспечивает его эксплуатацию при повышенных температурах (до 195°С) и давлениях (до 2 МПа). В загрязненных средах имеется возможность непрерывной электрохимической и механической (вибрационной) очистки измерительного электрода от загрязнений и осадков.

Работу датчика обеспечивает потенциостат, который управляет датчиком и получает от информацию об электрохимических параметрах рабочей среды (окислительно-восстановительный потенциал раствора в реакционной зоне, потенциал поверхности оборудования, токи окисления ОН-ионов и восстановления Н+-ионов, а также соотношение этих токов).

Контроллер управляет работой потенциостата, обрабатывает полученную от него информацию и определяет состав среды в точке контроля. По измеренным параметрам контроллер вычисляет концентрацию азотной кислоты или аммиака в технологическом потоке и выдает управляющий сигнал на регулятор расхода азотной кислоты или аммиака, тем самым поддерживая оптимальное протекание процесса нейтрализации.

Контроллеры позволяют организовать автономные измерительные каналы, повысить надежность и точность измерений, а также обеспечить передачу данных в аналоговом и цифровом виде в системы SCADA.

Для обеспечения искрозащиты используются барьеры.

Система внесена в Реестр средств измерений Российской Федерации.

В настоящий момент система внедрена на производствах аммиачной селитры в Российской Федерации, Украине, Казахстане, Узбекистане, Грузии, Литве, Сербии, Польше, Алжире.

По отзывам, применение системы дало возможность снизить выбросы в окружающую среду, повысить качество аммиачной селитры, снизить энергозатраты, уменьшить коррозионные разрушения оборудования.

Рис. 4. Количество выбросов с соковым паром в окружающую среду: а – до внедрения системы; б – после внедрения системы
Рис. 4. Количество выбросов с соковым паром в окружающую среду:
а – до внедрения системы; б – после внедрения системы

На рис. 4 показано снижение выбросов в окружающую среду с конденсатом сокового пара в ПАО «Северодонецкое объединение «Азот».

В настоящее время система получила развитие в части новых методов и средств контроля. Так, система была дополнена методами контроля, которые позволили определять следующие параметры:

  • скорость терморазложения аммиачной селитры;
  • рН плава, подаваемого на грануляцию, по редокс-потенциалу;
  • массовую долю воды в плаве по температуре кристаллизации.

Для определения интенсивности терморазложения используется зависимость токов восстановления продуктов терморазложения аммиачной селитры от скорости терморазложения при определенных потенциалах (см. рис. 2) [5].

Контроль скорости терморазложения позволяет уменьшить потери аммиачной селитры, так как при неоптимальном ведении процесса они могут достигать существенных значений (в денежном выражении – несколько сотен тысяч долларов в год для агрегата АС-72).

При производстве аммиачной селитры требуется упаривание раствора аммиачной селитры до плава необходимой концентрации (95,0–99,8%) для дальнейшего получения гранул. Контроль процесса выпарки необходим для снижения энергозатрат и обеспечения качества товарного продукта (снижения брака).

В настоящее время контроль плава после стадии выпарки выполняется периодически с помощью трудоемкого лабораторного анализа. Это не дает возможности своевременно выявлять причины и источники попадания влаги в конечный продукт.

Для непрерывного автоматического контроля процесса выпарки была разработана система контроля массовой доли воды в плаве аммиачной селитры. Работа системы основана на зависимости температуры кристаллизации плава от концентрации в нем воды (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость температуры кристаллизации плава аммиачной селитры от массовой доли воды
Рис. 5. Зависимость температуры кристаллизации плава аммиачной селитры от массовой доли воды

Измерительный канал системы состоит из датчика концентрации, контроллера фазового перехода, клапана подачи хладагента (рис. 6). Датчик концентрации устанавливается в поток плава аммиачной селитры и представляет собой теплообменник с датчиком температуры. Через датчик осуществляется проток плава. В теплообменник периодически по сигналу с контроллера с помощью клапана подается хладагент, например воздух. При этом плав охлаждается до температуры кристаллизации.

Рис. 6. Система контроля массовой доли воды в плаве аммиачной селитры
Рис. 6. Система контроля массовой доли воды в плаве аммиачной селитры

Контроллер по кривой охлаждения определяет температуру кристаллизации и массовую долю воды в плаве и передает данные в цифровом и аналоговом виде в SCADA.

Система позволяет в онлайн режиме контролировать процесс выпарки, что позволяет обеспечить качество конечного продукта (снизить количество брака), снизить энергозатраты на выпарку, а также заменить трудоемкий лабораторный анализ.

Кроме того, система позволяет своевременно определять причины и источники попадания влаги в плав аммиачной селитры.

Системы контроля процессов нейтрализации и массовой доли воды в плаве аммиачной селитры позволяют осуществить контроль и автоматизацию основных процессов, хорошо интегрируются в систему автоматизации производства и позволяют оптимизировать важные технологические процессы.

Список литературы

  1. Справочник азотчика. 2-е изд. М.: Химия, 1987, 464 с.
  2. Иванов М.Е., Олевский В.М., Поляков Н.Н. и др. Технология аммиачной селитры. М.: Химия, 1978, 312 с.
  3. Пат. Украины №43404. МПК (2006) G01N 27/48. Спосiб автоматичного управлiння процесом нейтралiзацii у виробництвi амiачно? селiтри в апаратi використання тепла нейтралiзацii.
  4. Новицкий В.С., Писчик Л.М. Коррозионный контроль технологического оборудования. Киев: Вид. Наукова думка. 2001. 172 с.
  5. Пат. Украины № 59482. МПК (2006) G01N 27/48. Спосiб вольтамперометричного визначення оксидiв азоту в кислих середовищах.