淺談尿素高壓系統的控制和池式冷凝器的應用

代玲玲

摘? ?要：尿素高壓系統是裝置的核心控制中樞，將直接影響裝置的安全穩定運行，高壓系統中池式冷凝器的控制方式與傳統的高壓甲銨冷凝器不完全一樣。結合部分生產經驗提出見解和各位同仁探討，共同提高工藝知識，有利于裝置在開車過程中安全穩定運行，保證實現開車投料成功。

關鍵詞：尿素;高壓系統;控制;池式冷凝器;應用

某裝置工藝是采用荷蘭Stamicarbon公司的新一代改進型二氧化碳氣提法工藝。裝置主要生產過程包括：原料氨和二氧化碳壓縮機、脫氫系統、合成氣提、循環系統、解吸水解系統、尿液蒸發、塔式造粒等工序。高壓系統設備有：合成塔、汽提塔、高壓洗滌器、池式冷凝器，以上高壓系統設備是奧地利SBN公司制造，主要材料采用Safurex耐高溫耐腐蝕新型尿素級不銹鋼;高壓系統大部分工藝管線采用焊接連接，設備位差順序是合成塔→高壓洗滌器→池式冷凝器→汽提塔，從位差來看高壓洗滌器位置比較低，一旦合成塔滿液后很快就會滿液到高壓洗滌器;將影響高壓洗滌器的正常工作;生產中需要嚴格控制合成塔的液位。合成塔液位計和汽提塔液位計采用雷達液位計;并且在合成塔溢流管喇叭口上安裝了導波管，汽提塔→池式冷凝器氣相管線采用“U”管設計，避免停車時池式冷凝器尿液和甲銨液倒入汽提塔;合成塔溢流管安裝了氨碳比分析儀來觀察和控制出料氨碳比，進料氨碳比根據CO2流量、壓力、溫度的修正值和NH3流量、溫度修正值減去系統加入的空氣量計算出來的N/C值，是尿素裝置氨碳比的重要參考值;聯鎖是采用ESD緊急停車系統，ESD緊急停車系統按照安全獨立原則要求，獨立于DCS集散控制系統，其安全級別高于DCS。在正常情況下，ESD系統是處于靜態的，不需要人為干預。只有當生產裝置出現緊急情況時，不需要經過DCS系統，而直接由ESD發出保護聯鎖信號，對現場設備進行安全保護，避免危險擴散造成巨大損失。目前裝置各項技術指標均處于國內先進水平。

尿素裝置在操作上具有特殊性，我們是無法改變的，只有通過不斷提高操作技能、不斷積累豐富的操作經驗，才能確保裝置的穩定性和工藝控制。

1? ? 高壓系統的控制方法

1.1? 合成塔

合成塔是一個直立式高壓反應器，反應器內分兩部分反應：一部分反應是甲銨的生成，另一部分是甲銨的脫水反應生成尿素，熱量是自熱平衡，它被7塊塔板分成不同的小室，在每個小室反應物鼓泡通過氣體均勻混合，塔板作用是防止物料在塔內返混，延長停留時間。設計停留時間為1 h，塔板上有汽相分布小孔，上面的塔板開孔率比下面的塔板低一些，因為合成反應生成塔尿素由下至上，所以塔上部汽相會逐漸減少，按設計上合成塔轉化率是58%～60% ;合成塔液位采用 “雷達液位計”測量，0位于“溢流管口”以上1 m，測量范圍4.5 m;生產過程中嚴格控制好合成塔液位，當合成塔液位排空，CO2通過進入合成塔造成氣體走短路，當合成塔滿液，由于位差的關系容易造成高壓洗滌器滿液將影響正常工作，發生這些情況將給系統造成較大幅度的波動，嚴重時會使合成壓力超壓聯鎖動作。

1.2? 高壓洗滌器

合成塔未反應的汽相進入通過高壓甲銨泵送入的循環系統回收液進行洗滌吸收，通過高壓調溫水冷卻為液相返回池式冷凝器。通過操作中高壓洗滌器的工作情況我們可以觀察高壓調溫水的進出口溫差大小，進口溫度控制為115～120 ℃、進出口溫差是15 ℃左右，溫差大冷凝吸收效果好，同時要觀察池式冷凝器和合成塔工作情況，如果它們反應效果差，那么出來的汽相多和質量分數大，與高壓調溫水溫差大有關，看溫差也是相對的、有條件的，另外，還可以觀察閥開度和系統的壓力。

1.3? 汽提塔

經合成塔溢流管出來的尿液混合物由調節閥控制進入汽提塔分布器，再把合成塔來的尿液均勻分配到立管中，液位正常的時候，應該控制在20%～40%，因為汽提塔加熱蒸汽溫度較高，如果尿液停留時間較長，則加劇縮二脲的生成。汽提塔尿液停留時間較短，液位控制一般采取的方式是用閥位對應該液位值后改為“自動”控制。另外汽提塔出液溫度指標是非常重要的，直接反映了汽提塔效率，正常生產中應該為167～170 ℃，如果溫度升至172 ℃以上，循環系統負荷較重，嚴重時循環系統會超壓，從而影響低壓和高壓系統，當然汽提塔的工作情況和合成系統的轉化率有直接關系。汽提塔內的甲銨分解采用2.0 MPa蒸汽進行加熱，控制壓力1.6～2.0 MPa，這也是和系統負荷高低有對應關系，生產過程中嚴格控制好液位，當液位排空后過熱蒸汽進入汽提塔，造成聯鎖動作，按設計要求材質最高溫度是240 ℃。

1.4? 合成系統水量的控制

尿素生產中未反應物的回收也是以水溶液形式返回高壓系統的，尿素生成副產物也有水的存在，水的存在是不可避免的。因此，控制系統的水量顯得非常重要，在控制方法上沒有一個統一標準，只是從原理、反應機理去探討。

1.5? N/C控制原理

在尿素工藝中N/C是非常重要的控制點，氨碳比直接影響整個尿素工藝的穩定和優化，所以，現在尿素裝置都采用N/C控制系統，其優點是方便、直觀，可以實時監控系統調整系統，對系統的優化操作有決定性作用，首先談論N/C控制原理，一般采用進料N/C和出料N/C分析儀，N/C分析儀是連接在合成塔溢流管尿液管線上的，將尿液減壓至2.5 MPa，溫度降至（50±2）℃，進入分析儀進行采樣，實時分析結果，準確度高，同時便于操作人員監控，分析儀附件有冷卻器、循環泵、高壓沖洗水泵。但是分析儀是在合成塔出液管線上，合成塔出液過程需要1 h，也就是不能提前知道進料的氨碳比情況，所以采用進料N/C進行控制。

2? ? 池式冷凝器的應用

2.1? 池式冷凝器的結構及特點

池式冷凝器由奧地利SBN公司制造，CO2通過汽提塔進入池式冷凝器底部，內部有翅狀分配器，中心管和翅狀分配器上有若干個小孔，1 166根U型列管集束在中下部，分布器在介質浸沒狀態下發生鼓泡湍動，有利于傳質和傳熱，并且有一定的停留時間，使尿素得以有效生成。池式冷凝器流程受到廣泛的青睞，在于它有明顯的優勢。

2.2? 基本操作要點

由于系統空間很大，高壓系統升溫到125 ℃以上即可完成升溫鈍化;投料前池式冷凝器加水2.5 h（高壓沖洗水泵打量10～12 m3/h））淹沒分布器;常壓開車，系統壓力上升平穩，不需要特別擔心超壓而引起放空，N/C在2.9～3.4（出料氨碳比）系統都能維持運行;根據生產廠家經驗數據，斷甲銨液近10 min，高壓系統壓力還可以維持，恢復供甲銨后系統也很快恢復;更高更大范圍（0.32～0.5 MPa）的低壓蒸汽壓力控制，池式冷凝器工藝側溫度178 ℃左右;配合脫氫反應器和高效合成塔盤的應用，減小了系統運行過程中高壓洗滌器尾氣燃燒或爆炸的可能，提高了尿素合成系統轉化率，降低了氨耗。

2.3? 防止倒液

從靜態位差看，高壓系統存在合成塔向池式冷凝器、池式冷凝器向高壓洗滌器和汽提塔倒液的可能，特別是池式冷凝器向高壓洗滌器和汽提塔倒液是需要避免的，所以在操作中要加以注意，特別是停車封塔時要及時關閉高壓洗滌器下液電磁閥，并對高壓洗滌器稀釋排放，控制好汽提塔殼側壓力0.9 MPa左右。對于汽提塔殼側有充足的蒸汽，是否保證池式冷凝器不再向汽提塔倒液，需要在生產過程中驗證。所以，最好是在開車送入CO2后排放汽提塔底部液位。

2.4? 池式冷凝器投料加水時間的控制

池式冷凝器在原始投料中必須進行加水（加水量26～28 m3/h），水量淹沒底部CO2分布器，防止在開車過程中甲銨的生成質量濃度升高后堵塞分布小孔，同時平衡高壓系統壓力。另外CO2進入液相中鼓動循環，能夠產生很好的傳熱、傳質效果，提高轉化率。但是池式冷凝器中加水時間不能太早，因為高壓系統升溫剛結束，設備內部溫度較高，2.5 h加水結束后，如果系統短時間內還不進行投料操作，池式冷凝器中的水在溫度作用下會產生蒸汽，造成水擊，對設備造成破壞，所以，加水時間一定要掌握好。

3? ? 結語

國內外尿素裝置是一個比較成熟的工藝，操作規程、方法都比較接近。完善設備、儀表、電器可靠性措施;緊急停車系統ESD的可靠性必須建立在儀表參數準確、性能穩定的基礎上，所以化工裝置要實現安全穩定運行，這就需要工程技術人員不斷完善基礎工作;同時還要優化操作規程、逐步提高工藝人員的操作技能、改善工藝條件來保證裝置的安全穩定運行、實現裝置低能耗及穩定運行。

[參考文獻]

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