淺析CO2汽提法尿素裝置合成系統(tǒng)的NH3／CO2

王付生

（安徽六國(guó)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(tǒng)中一個(gè)重要工藝指標(biāo)。NH3／CO2控制得是否適宜將直接關(guān)系到裝置是否在安全、穩(wěn)定、高產(chǎn)、低耗的狀態(tài)下運(yùn)行。在此談?wù)凬H3／CO2的操作與控制。

1 NH3／CO2 的定義

NH3／CO2是指進(jìn)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(tǒng)NH3／CO2的選定

根據(jù)NH3和CO2合成尿素的反應(yīng)原理：

可知該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，要使該反應(yīng)能正常進(jìn)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(xué)反應(yīng)向正方向進(jìn)行，最大可能地得到我們所要的產(chǎn)物尿素，增加反應(yīng)物的量是有效途徑之一。因在該反應(yīng)中每生成1mol尿素需要2mol氨和1mol CO2，所以，用增加反應(yīng)物量來(lái)促進(jìn)該反應(yīng)向著正反應(yīng)方向進(jìn)行，選擇CO2為不過(guò)量物質(zhì)，NH3為過(guò)量物質(zhì)。原理上反應(yīng)物NH3的量越多越有利于反應(yīng)向著正方向進(jìn)行，但在CO2汽提法尿素生產(chǎn)工藝中，由于汽提塔的進(jìn)料要求，合成系統(tǒng)NH3／CO2選擇在2.89～3.2之間。

汽提塔為何對(duì)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(lái)自尿素合成塔的合成液經(jīng)液位調(diào)節(jié)閥HV201控制LI201液位后進(jìn)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(jìn)入汽提塔的換熱列管。來(lái)自CO2壓縮機(jī)的原料CO2氣體進(jìn)入汽提塔的底部，由氣體分布器均勻分布進(jìn)入汽提塔的換熱列管。在換熱列管內(nèi)，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(nèi)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(cè)的高壓蒸汽提供。

汽提塔換熱管內(nèi)沿管壁呈膜狀下滑的合成液因原料CO2的進(jìn)入，降低了下降液膜表面的NH3分壓，故中間生成物甲銨開(kāi)始分解，反應(yīng)向著生成物方向移動(dòng)。相反，若合成液中的NH3／CO2過(guò)高，那么合成塔出液中的NH3自然也增長(zhǎng)很多，因進(jìn)入汽提塔的原料CO2量是由系統(tǒng)決定而不可隨意調(diào)節(jié)，所以在汽提塔換熱列管內(nèi)下降合成液中氨量增多，反應(yīng)向反應(yīng)物方向移動(dòng)而減慢，汽提塔出液中氨會(huì)明顯上升，循環(huán)分解吸收負(fù)荷反而會(huì)增加。綜上，我們?cè)谔岣叻磻?yīng)物中過(guò)剩氨量來(lái)提高合成塔中原料CO2轉(zhuǎn)化率的同時(shí)，還要考慮CO2汽提塔的進(jìn)料要求，最終選擇合成塔 NH3／CO2為2.89～3.2。

3 原始開(kāi)車合成系統(tǒng)NH3／CO2配比投送

3.1 每1000m3原料CO2氣量，加氨量的計(jì)算

1000m3＝44642.85mol

投料以NH3／CO2＝3.0計(jì)算，對(duì)應(yīng)的NH3應(yīng)是

44642.85×3＝133928.5mol

對(duì)應(yīng)的NH3應(yīng)是2.276t

液氨溫度以8℃計(jì)算，液氨密度0.6275t／m3，2.276t液氨對(duì)應(yīng)3.6m3。

3.2 原始開(kāi)車NH3／CO2 的投送

高壓系統(tǒng)按照操作規(guī)程進(jìn)行升溫，當(dāng)合成塔各點(diǎn)壁溫升到125℃并且保持穩(wěn)定4h，即可認(rèn)定升溫鈍化合格。按照操作規(guī)程，合成系統(tǒng)升壓到8.0MPa即可以進(jìn)行化工投料。在合成塔出料前氨泵加入合成系統(tǒng)的NH3／CO2按3.0計(jì)算，即每1000m3／h原料CO2量加入氨量約為3.6m3／h。當(dāng)合成塔出料后，隨著合成塔出液閥開(kāi)度正常和汽提塔逐漸轉(zhuǎn)為正常，因汽提塔分解出來(lái)的氨循環(huán)回收到合成系統(tǒng)，氨泵加入合成系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)象。但發(fā)生這些現(xiàn)象時(shí)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(xiàn)象

4.1 系統(tǒng)壓力PI204

當(dāng)NH3／CO2偏高或者偏低時(shí)，系統(tǒng)壓力都上升。NH3／CO2偏高時(shí)系統(tǒng)壓力上升得慢，NH3／CO2偏低時(shí)系統(tǒng)壓力上升得快。但系統(tǒng)壓力還受其他因素影響。低壓蒸汽包壓力PI213偏高時(shí)系統(tǒng)壓力上升，PI213偏低時(shí)系統(tǒng)壓力偏低。低壓汽包液位LI205偏高時(shí)系統(tǒng)壓力有所下降，LI205偏低時(shí)系統(tǒng)壓力有所上升。高壓洗滌器放空調(diào)節(jié)閥HV202開(kāi)度過(guò)大時(shí)系統(tǒng)壓力下降，HV202開(kāi)度過(guò)小時(shí)系統(tǒng)壓力上升。甲銨液濃度偏高時(shí)系統(tǒng)壓力上升，甲銨液濃度偏低時(shí)系統(tǒng)壓力下降。甲銨泵來(lái)的量過(guò)多系統(tǒng)壓力下降，甲銨泵來(lái)的量過(guò)少系統(tǒng)壓力上升。CO2氣體純度偏低時(shí)系統(tǒng)壓力上升，CO2氣體純度高時(shí)系統(tǒng)壓力下降。液氨噴射泵壓差調(diào)節(jié)合理時(shí)系統(tǒng)壓力平穩(wěn)，液氨噴射泵壓差調(diào)節(jié)不合理時(shí)系統(tǒng)壓力上升。高調(diào)水溫度控制適宜時(shí)系統(tǒng)壓力平穩(wěn)，高調(diào)水溫度控制偏高時(shí)系統(tǒng)壓力上升。H2O／CO2偏高時(shí)系統(tǒng)壓力下降，H2O／CO2偏低時(shí)系統(tǒng)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(tǒng)壓力PI204上升時(shí)TI002／1與TI002／5溫度有所上升，系統(tǒng)壓力PI204下降時(shí)TI002／1與 TI002／5溫度有所下降。H2O／CO2偏高時(shí)TI002／1與TI002／5溫度有所上升，H2O／CO2偏低時(shí) 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(duì) NH3／CO2的變化十分敏感，NH3／CO2偏高時(shí)TI002／8下降，NH3／CO2偏低 時(shí) TI002／8 上 升。但 TI002／8 對(duì) 壓 力PI204、對(duì)H2O／CO2的變化同樣十分敏感，所以說(shuō)當(dāng)TI002／8溫度發(fā)生變化時(shí)并不一定是NH3／CO2發(fā)生變化。當(dāng)系統(tǒng)壓力PI204上升時(shí)，TI002／8也上升；當(dāng)PI204壓力下降時(shí)TI002／8也下降。當(dāng)系統(tǒng) H2O／CO2上升時(shí)TI002／8上升，當(dāng)系統(tǒng)H2O／CO2下降時(shí)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(shí)TI002／8偏低。低壓汽包液位LI205偏高時(shí)TI002／8有所下降，LI205偏低時(shí)TI002／8有所上升。

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

當(dāng)NH3／CO2偏離不是太多時(shí)（一般5.0以下），NH3／CO2偏高高調(diào)水溫差增大，TI002／4升高。NH3／CO2偏低高調(diào)水溫差減小，TI002／4降低。當(dāng)CO2氣體純度降低時(shí)高調(diào)水溫差降低，TI002／4降低。當(dāng)甲銨液濃度降低時(shí)高調(diào)水溫差增大，TI002／4升高。當(dāng)高壓洗滌器放空調(diào)節(jié)閥開(kāi)度過(guò)大時(shí)高調(diào)水溫差增大，TI002／4升高。當(dāng)液氨噴射泵壓差不足時(shí)高調(diào)水溫差減小，TI002／4下降。

當(dāng) NH3／CO2高于5.0時(shí)，高調(diào)水溫差、TI002／4不但不繼續(xù)增大，反而減小，這是因?yàn)楦邏合礈炱鲀?nèi)的熱負(fù)荷主要來(lái)自NH3與CO2的反應(yīng)熱。當(dāng)合成系統(tǒng)NH3／CO2在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，進(jìn)入高壓洗滌器內(nèi)的NH3相對(duì)于CO2來(lái)說(shuō)增大，有利于NH3與CO2反應(yīng)生成甲銨，反應(yīng)熱量增多，高調(diào)水溫差、TI002／4增大。但若NH3／CO2超過(guò)5.0，大量的過(guò)剩NH3進(jìn)入高壓洗滌器，改變了甲銨液的組成，此時(shí)高調(diào)水溫差、TI002／4不但不增大反而下降。

4.5 外送蒸汽流量FI202

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

綜上所述，在操作中當(dāng)NH3／CO2發(fā)生偏離時(shí)，我們千萬(wàn)不可只簡(jiǎn)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(cè)定與投送

原始開(kāi)車時(shí)CO2流量計(jì)要準(zhǔn)確。我們校正CO2流量計(jì)是否準(zhǔn)確，一方面要聯(lián)系儀表檢查校正，另一方面我們也根據(jù)壓縮機(jī)的負(fù)荷來(lái)計(jì)算。

例如，安徽六國(guó)化工尿素裝置設(shè)計(jì)日產(chǎn)1000t，CO2壓縮機(jī)設(shè)計(jì)打氣量134m3／min，按70%負(fù)荷投料，開(kāi)啟2臺(tái)CO2壓縮機(jī)負(fù)荷應(yīng)該是11600m3／h。

因開(kāi)啟2臺(tái)壓縮機(jī)送氣，所以每臺(tái)壓縮機(jī)送氣量為5800m3／h。

壓縮機(jī)設(shè)計(jì)最大負(fù)荷為0.30MPa，設(shè)計(jì)打氣量為134m3／min，那么送5800m3／h氣量時(shí)的負(fù)荷為0.188MPa。

這樣，我們開(kāi)啟兩臺(tái)壓縮機(jī)時(shí)，查一下各級(jí)排油水閥門無(wú)泄漏，五級(jí)放空無(wú)泄漏、密封墊片無(wú)泄漏、壓縮機(jī)填料無(wú)泄漏時(shí)，每臺(tái)壓縮機(jī)負(fù)荷加到0.188MPa，那么五出總管流量計(jì)應(yīng)該在11600m3／h，而不會(huì)有大的波動(dòng)。從這個(gè)負(fù)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(nèi)漏。如閥門后管道結(jié)霜，證明調(diào)節(jié)閥內(nèi)漏，可以將根部閥關(guān)閉。

5.2 原料液氨的投送

（1）聯(lián)系儀表校正液氨流量計(jì)準(zhǔn)確。

（2）用氨泵變頻來(lái)查液氨流量是否準(zhǔn)確。

例如，安徽六國(guó)化工尿素裝置液氨泵設(shè)計(jì)打量55m3／h，當(dāng)氨泵變頻數(shù)為70%時(shí)，氨泵流量計(jì)算為38.5m3／h。

（3）查看氨泵副線，應(yīng)完全關(guān)閉。

（4）當(dāng)合成塔出料后還要查看回收系統(tǒng)：汽提塔、循環(huán)系統(tǒng)、解吸水解系統(tǒng)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(yán)重的情況下，用加氨的方式處理。

根據(jù)CO2流量推算，短時(shí)間加氨量大于理論加氨量。如果系統(tǒng)壓力有下降的趨勢(shì)，說(shuō)明合成系統(tǒng)NH3／CO2偏低，要繼續(xù)適當(dāng)加大氨量，直到系統(tǒng)壓力恢復(fù)正常才能將加氨量減至正常值。如果采取適當(dāng)加大氨量的方法系統(tǒng)壓力還繼續(xù)上升并且上升速度更快，說(shuō)明合成系統(tǒng)NH3／CO2偏高，這時(shí)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(jù)分析結(jié)果處理。

（4）若合成系統(tǒng)壓力嚴(yán)重高于指標(biāo)值，這種情況可以從合成塔出氣適當(dāng)放空，控制壓力不再上升的方法來(lái)維持，贏得處理時(shí)間。但當(dāng)NH3／CO2嚴(yán)重偏離時(shí)，如果NH3／CO2偏高，我們可以采取加CO2的方法來(lái)調(diào)節(jié)。如果NH3／CO2偏低，我們可以采取加氨的方法來(lái)調(diào)節(jié)。無(wú)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(lái)控制高壓系統(tǒng)壓力不得超過(guò)15.0MPa，然后耐心調(diào)節(jié)。因?yàn)槠崴鰵庵苯友h(huán)到高甲冷，所以系統(tǒng)調(diào)節(jié)到正常很慢，一般需要3～5h。