淺析CO2汽提法尿素裝置合成系統的NH3／CO2

王付生

（安徽六國化工股份有限公司，安徽 銅陵 244000）

NH3／CO2是CO2汽提法尿素裝置合成系統中一個重要工藝指標。NH3／CO2控制得是否適宜將直接關系到裝置是否在安全、穩定、高產、低耗的狀態下運行。在此談談NH3／CO2的操作與控制。

1 NH3／CO2 的定義

NH3／CO2是指進入高壓甲銨冷凝器的NH3與CO2的摩爾比（分子比）。

2 CO2汽提法尿素裝置合成系統NH3／CO2的選定

根據NH3和CO2合成尿素的反應原理：

可知該反應為可逆反應，要使該反應能正常進行，氨與二氧化碳摩爾配比至少要等于2。要最大限度地使化學反應向正方向進行，最大可能地得到我們所要的產物尿素，增加反應物的量是有效途徑之一。因在該反應中每生成1mol尿素需要2mol氨和1mol CO2，所以，用增加反應物量來促進該反應向著正反應方向進行，選擇CO2為不過量物質，NH3為過量物質。原理上反應物NH3的量越多越有利于反應向著正方向進行，但在CO2汽提法尿素生產工藝中，由于汽提塔的進料要求，合成系統NH3／CO2選擇在2.89～3.2之間。

汽提塔為何對合成塔出液中的NH3／CO2要這樣特殊要求呢？原因如下。

高壓CO2汽提塔的原理 來自尿素合成塔的合成液經液位調節閥HV201控制LI201液位后進入汽提塔的上花板，在上花板上形成液位，由升氣管下端直徑3mm的小孔進入汽提塔的換熱列管。來自CO2壓縮機的原料CO2氣體進入汽提塔的底部，由氣體分布器均勻分布進入汽提塔的換熱列管。在換熱列管內，合成液自上而下沿管壁呈膜狀下滑，CO2氣體自下而上從管中心上升，在列管內CO2大大降低了下降液膜表面NH3的分壓，促使甲銨分解。所需熱量由列管殼側的高壓蒸汽提供。

汽提塔換熱管內沿管壁呈膜狀下滑的合成液因原料CO2的進入，降低了下降液膜表面的NH3分壓，故中間生成物甲銨開始分解，反應向著生成物方向移動。相反，若合成液中的NH3／CO2過高，那么合成塔出液中的NH3自然也增長很多，因進入汽提塔的原料CO2量是由系統決定而不可隨意調節，所以在汽提塔換熱列管內下降合成液中氨量增多，反應向反應物方向移動而減慢，汽提塔出液中氨會明顯上升，循環分解吸收負荷反而會增加。綜上，我們在提高反應物中過剩氨量來提高合成塔中原料CO2轉化率的同時，還要考慮CO2汽提塔的進料要求，最終選擇合成塔 NH3／CO2為2.89～3.2。

3 原始開車合成系統NH3／CO2配比投送

3.1 每1000m3原料CO2氣量，加氨量的計算

1000m3＝44642.85mol

投料以NH3／CO2＝3.0計算，對應的NH3應是

44642.85×3＝133928.5mol

對應的NH3應是2.276t

液氨溫度以8℃計算，液氨密度0.6275t／m3，2.276t液氨對應3.6m3。

3.2 原始開車NH3／CO2 的投送

高壓系統按照操作規程進行升溫，當合成塔各點壁溫升到125℃并且保持穩定4h，即可認定升溫鈍化合格。按照操作規程，合成系統升壓到8.0MPa即可以進行化工投料。在合成塔出料前氨泵加入合成系統的NH3／CO2按3.0計算，即每1000m3／h原料CO2量加入氨量約為3.6m3／h。當合成塔出料后，隨著合成塔出液閥開度正常和汽提塔逐漸轉為正常，因汽提塔分解出來的氨循環回收到合成系統，氨泵加入合成系統的氨量逐步減少，為每1000m3CO2氣量加入氨量約為2.4m3，即將 NH3／CO2降為2.05。

4 合成系統NH3／CO2異常的癥狀和判定

表1列出了一般NH3／CO2偏離的癥狀和現象。但發生這些現象時不一定就是NH3／CO2偏離，即不一定就是NH3／CO2偏高或者偏低。具體原因如下。

表1 NH3／CO2偏離的癥狀和現象

4.1 系統壓力PI204

當NH3／CO2偏高或者偏低時，系統壓力都上升。NH3／CO2偏高時系統壓力上升得慢，NH3／CO2偏低時系統壓力上升得快。但系統壓力還受其他因素影響。低壓蒸汽包壓力PI213偏高時系統壓力上升，PI213偏低時系統壓力偏低。低壓汽包液位LI205偏高時系統壓力有所下降，LI205偏低時系統壓力有所上升。高壓洗滌器放空調節閥HV202開度過大時系統壓力下降，HV202開度過小時系統壓力上升。甲銨液濃度偏高時系統壓力上升，甲銨液濃度偏低時系統壓力下降。甲銨泵來的量過多系統壓力下降，甲銨泵來的量過少系統壓力上升。CO2氣體純度偏低時系統壓力上升，CO2氣體純度高時系統壓力下降。液氨噴射泵壓差調節合理時系統壓力平穩，液氨噴射泵壓差調節不合理時系統壓力上升。高調水溫度控制適宜時系統壓力平穩，高調水溫度控制偏高時系統壓力上升。H2O／CO2偏高時系統壓力下降，H2O／CO2偏低時系統壓力上升。

4.2 TI002／1與TI002／5

NH3／CO2偏高、偏低，TI002／1與 TI002／5溫度都下降。系統壓力PI204上升時TI002／1與TI002／5溫度有所上升，系統壓力PI204下降時TI002／1與 TI002／5溫度有所下降。H2O／CO2偏高時TI002／1與TI002／5溫度有所上升，H2O／CO2偏低時 TI002／1與TI002／5溫度有所下降。

4.3 TI002／8溫度的變化

TI002／8溫度對 NH3／CO2的變化十分敏感，NH3／CO2偏高時TI002／8下降，NH3／CO2偏低 時 TI002／8 上 升。但 TI002／8 對 壓 力PI204、對H2O／CO2的變化同樣十分敏感，所以說當TI002／8溫度發生變化時并不一定是NH3／CO2發生變化。當系統壓力PI204上升時，TI002／8也上升；當PI204壓力下降時TI002／8也下降。當系統 H2O／CO2上升時TI002／8上升，當系統H2O／CO2下降時TI002／8下降。除此之外，低壓蒸汽包壓力PI213偏高TI002／8上升，PI213偏低時TI002／8偏低。低壓汽包液位LI205偏高時TI002／8有所下降，LI205偏低時TI002／8有所上升。

4.4 高調水溫差（TI901與 TI002／3溫差）與TI002／4溫度的變化

當NH3／CO2偏離不是太多時（一般5.0以下），NH3／CO2偏高高調水溫差增大，TI002／4升高。NH3／CO2偏低高調水溫差減小，TI002／4降低。當CO2氣體純度降低時高調水溫差降低，TI002／4降低。當甲銨液濃度降低時高調水溫差增大，TI002／4升高。當高壓洗滌器放空調節閥開度過大時高調水溫差增大，TI002／4升高。當液氨噴射泵壓差不足時高調水溫差減小，TI002／4下降。

當 NH3／CO2高于5.0時，高調水溫差、TI002／4不但不繼續增大，反而減小，這是因為高壓洗滌器內的熱負荷主要來自NH3與CO2的反應熱。當合成系統NH3／CO2在一定范圍內增大時，進入高壓洗滌器內的NH3相對于CO2來說增大，有利于NH3與CO2反應生成甲銨，反應熱量增多，高調水溫差、TI002／4增大。但若NH3／CO2超過5.0，大量的過剩NH3進入高壓洗滌器，改變了甲銨液的組成，此時高調水溫差、TI002／4不但不增大反而下降。

4.5 外送蒸汽流量FI202

當NH3／CO2偏離不是很多時（一般認為NH3／CO2在5.0以下），NH3／CO2偏高時高甲冷產蒸汽多，外送蒸汽量較多。NH3／CO2偏低時高甲冷產蒸汽少，外送蒸汽量下降較多。但當NH3／CO2嚴重偏低或者偏高時，低壓蒸汽包產蒸汽量均為下降。

綜上所述，在操作中當NH3／CO2發生偏離時，我們千萬不可只簡單地判斷，而是要總覽全局綜合考慮才行。

5 NH3／CO2偏離的防范措施

5.1 原料CO2流量的測定與投送

原始開車時CO2流量計要準確。我們校正CO2流量計是否準確，一方面要聯系儀表檢查校正，另一方面我們也根據壓縮機的負荷來計算。

例如，安徽六國化工尿素裝置設計日產1000t，CO2壓縮機設計打氣量134m3／min，按70%負荷投料，開啟2臺CO2壓縮機負荷應該是11600m3／h。

因開啟2臺壓縮機送氣，所以每臺壓縮機送氣量為5800m3／h。

壓縮機設計最大負荷為0.30MPa，設計打氣量為134m3／min，那么送5800m3／h氣量時的負荷為0.188MPa。

這樣，我們開啟兩臺壓縮機時，查一下各級排油水閥門無泄漏，五級放空無泄漏、密封墊片無泄漏、壓縮機填料無泄漏時，每臺壓縮機負荷加到0.188MPa，那么五出總管流量計應該在11600m3／h，而不會有大的波動。從這個負荷也可以判斷CO2流量。

另外，查看汽提塔底部CO2放空閥是否內漏。如閥門后管道結霜，證明調節閥內漏，可以將根部閥關閉。

5.2 原料液氨的投送

（1）聯系儀表校正液氨流量計準確。

（2）用氨泵變頻來查液氨流量是否準確。

例如，安徽六國化工尿素裝置液氨泵設計打量55m3／h，當氨泵變頻數為70%時，氨泵流量計算為38.5m3／h。

（3）查看氨泵副線，應完全關閉。

（4）當合成塔出料后還要查看回收系統：汽提塔、循環系統、解吸水解系統是否工作正常。

6 NH3／CO2偏離的處理措施

（1）首先要判定NH3／CO2是偏高還是偏低。

（2）一般在NH3／CO2偏離不是很嚴重的情況下，用加氨的方式處理。

根據CO2流量推算，短時間加氨量大于理論加氨量。如果系統壓力有下降的趨勢，說明合成系統NH3／CO2偏低，要繼續適當加大氨量，直到系統壓力恢復正常才能將加氨量減至正常值。如果采取適當加大氨量的方法系統壓力還繼續上升并且上升速度更快，說明合成系統NH3／CO2偏高，這時可以把加氨量減少到低于理論值。

（3）合成塔出液取樣分析。這是比較可靠和直接判定NH3／CO2偏高還是偏低的方法，根據分析結果處理。

（4）若合成系統壓力嚴重高于指標值，這種情況可以從合成塔出氣適當放空，控制壓力不再上升的方法來維持，贏得處理時間。但當NH3／CO2嚴重偏離時，如果NH3／CO2偏高，我們可以采取加CO2的方法來調節。如果NH3／CO2偏低，我們可以采取加氨的方法來調節。無論是NH3／CO2偏高還是偏低的處理，我們一定要用合成塔出氣放空方法來控制高壓系統壓力不得超過15.0MPa，然后耐心調節。因為汽提塔出氣直接循環到高甲冷，所以系統調節到正常很慢，一般需要3～5h。