尿素裝置高壓系統生產過程工藝優化探討

王曉光

摘 要：青海云天化國際化肥有限公司有兩套年產30萬噸的尿素裝置，兩期裝置分別于2010年及2011年投產，裝置生產初期因工藝、設備等各種原因裝置工藝波動頻繁，設備工藝事故頻發，裝置各類消耗持續偏高，且遠高于同行業水平。經過不懈努力，目前裝置氨耗下降至0.573t/t，其他各類消耗也有了大幅度的降低。現就尿素裝置高壓系統優化調整方面做出如下總結。

關鍵詞：氨碳比;水碳比;轉化率

1 高壓系統工藝及主要控制參數

尿素合成反應分為兩步進行：第一步氨基甲酸銨的生成;第二反應是氨基甲酸銨脫水生成尿素。由于氨基甲酸銨生成的熱效應大于氨基甲酸銨脫水的熱效應，因此尿素合成的總反應是一個體積縮小、可逆的放熱反應。在特定溫度、壓力條件下氨基甲酸銨生成速率會逐漸增加，氨基甲酸銨脫水生成尿素的反應主要在液相中進行，速率很慢，不易達到化學平衡，因此氨基甲酸銨的脫水反應為總反應的控制步驟。第一步反應的反應程度是需要控制的，約有70%的CO2和80%的NH3生成甲銨，反應程度通過調整高壓甲銨冷凝器殼側的蒸汽壓力所控制。因此，為保證第二階段反應熱，必須控制第一步反應的程度。此外高壓系統的氨碳比N/C與水碳比H/C直接關系著原料配比及反應物濃度的關系，因此對于高壓系統控制同樣重要。

2 高壓系統主要參數控制

2.1 0.5MPa蒸汽壓力

控制低壓汽包壓力，也就是通過控制尿素合成第一步反應氨基甲酸銨生成產生熱量移走的多少來控制第一步反應速率。通常情況下，在負荷一定的情況下習慣性的將低壓汽包壓力提高，目的是讓更多的氨與二氧化碳進入合成塔進行反應，其反應時產生足夠的熱量來促進尿素合成第二步反應氨基甲酸銨脫水，進而提高合成塔熱負荷。但是低壓汽包壓力控制過高，高壓甲銨冷凝器內大量氨、二氧化碳進入合成塔后未徹底反應，氨基甲酸銨脫水吸收的熱量不能夠完全移走氨基甲酸銨的反應熱，會造成合成塔內熱負荷過高，勢必造成合成塔壓力偏高，氣相放空量增大，而合成塔出液中未反應物增多，在經過汽提塔汽提后再次回到高甲冷進行反應，造成合成塔轉化率大幅度降低。因此，在控制低壓汽包壓力時，參照不同負荷下對應的汽包壓力進行調整，同時也應該參照合成系統各點溫度進行調整，控制TI-2216、TI-2217在168.5-170℃之間，控制合成塔出液溫度在183℃以上。

2.2 氨碳比N/C

氨碳比是指高壓系統中轉化成尿素及未轉化成尿素的游離的氨之和與轉化成尿素及未轉化成的尿素的二氧化碳之和的比值，氨碳比直接反應著尿素合成原料的配比關系，決定整個反應的平衡及轉化率。過剩的氨與水作用會使得反應向生成尿素的方向進行，同時抑制尿素縮合的副反應進行。過剩氨還可以減緩高溫反應物對設備的腐蝕，通過過剩氨可以調節合成塔的內物料的自熱平衡，維持最適宜的反應溫度。一般認為NH3/CO2每提高0.2，轉化率可以提高1-1.5%。但是NH3/C02的提高，使合成塔內氨的轉化率降低，增加了未反應物中氨的回收量，增加了生產過程的蒸汽消耗，也加大了回收設備的投資，同時也會破壞合成塔內物料的自熱平衡。正常生產中氨碳比事宜控制在2.89-3.2之間。

2.3 水碳比H/C

水碳比是指高壓系統合成塔出液中的水量減去第二步反應甲銨液脫出的水與轉化成尿素及未轉化成的尿素的二氧化碳之和的比值，水是整個尿素合成反應的生成物，水含量及水碳比偏高勢必造成反應向逆反應方向進行，不利于尿素合成反應的進行。根據反應平衡與反應產物濃度的關系，提高反應產物濃度不利于提高轉化率，但是合成塔進料H2O/CO2：是取決于回收的甲銨液中帶入的水量，和工藝流程的選擇有關。當然，帶入的水量又取決于合成轉化率，所以，在可能的條件下，盡量降低H2O/CO2是有利的。

合成系統的水主要來自于甲銨泵以及系統產生的少量生成水，水碳比主要控制點為甲銨液濃度，甲銨液來源：回流液、循環冷凝吸收液以及精餾塔氣相的吸收量，操作期間嚴格控制低壓甲銨冷凝器補水閥FIC-2302、回流冷凝器補水閥FIC-2813開度，兩只閥門在低甲冷液位槽、回流冷凝器液位槽液位穩定的情況下，盡可能關小，以控制甲銨液及回流液濃度。在系統平衡的情況下，水碳比不會偏離太大。

2.4 高調水控制

正常生產過程中，高調水的目的是移走合成塔氣相中的氨、二氧化碳在高壓洗滌反應生成氨基甲酸銨時產生的熱量，循環水雜質較多時，裝置運行期間要進行高調水換熱器循環水管道過濾器清理，因管道過濾器濾網破損或循環水副線有開度，大量雜質直接通過循環水管進入高調水換熱器，堵塞管板影響換熱效率，因此清理期間必須進行反沖，反沖過程必須全部關閉循環水進水主副線閥，全開循環水回水閥，通過循環逆流程將雜質從管道過濾器中沖出。正確的反沖可有效降低循環水管道過濾器清理周期，保證換熱效率。

3 結論

優化高壓系統工藝控制，提高合成系統轉化率，減少尾氣排放量，降低裝置消耗，必須嚴格控制合成系統的氨碳比、水碳比、低壓汽包壓力以及高調水溫度。此外，必須進一步思考低壓系統的分解、冷凝情況，嚴格控制甲銨液、回流液濃度，做到整體的優化。

參考文獻：

[1]萬勇.尿素裝置工藝診斷及優化[J].貴州化工，2000（4）：23-26.