ACES尿素工藝配管淺析

王 宇，趙慧靈

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司 管道室，湖北 武漢 430000)

尿素，化學(xué)名為碳酰胺，分子式為(NH2)2CO。尿素作為化肥，具有含碳量高、不惡化土壤等優(yōu)點(diǎn)，需求量非常大。20世紀(jì)初開(kāi)始以氨和二氧化碳為原料生產(chǎn)尿素的工業(yè)裝置投入生產(chǎn)[1]。通過(guò)近一百年的發(fā)展，目前主流的尿素生產(chǎn)工藝包括荷蘭Stamicarbon公司的二氧化碳?xì)馓岱?，意大利Saipem公司的氨氣提法，日本TEC公司的ACES21。

1 ACES工藝簡(jiǎn)介

ACES是Advanced Cost and Energy Saving Process的縮寫(xiě)，意為“節(jié)約投資降低能耗”的工藝，具有原料消耗低、能耗低、操作彈性大、材料腐蝕小等優(yōu)點(diǎn)。該工藝主要包括尿素合成、高壓回收、尿素溶液的凈化和中低壓回收、尿素溶液的最終濃縮、造粒工序。

氨和二氧化碳合成尿素主要發(fā)生以下兩步反應(yīng)：

(1)

(2)

尿素-甲銨混合液、液氨和二氧化碳從合成塔底部進(jìn)入，發(fā)生上述反應(yīng)。氨-尿素-甲銨混合液與未反應(yīng)的CO2氣體從合成塔底緩慢向上流動(dòng)，并從合成塔頂進(jìn)入汽提塔頂部。

在汽提塔頂部分離出氣相后，含有甲銨、水和氨的尿素溶液以薄膜的形式沿著汽提塔管程內(nèi)壁下降，與汽提塔底部進(jìn)入的CO2逆流接觸進(jìn)行傳質(zhì)。受到管外蒸汽的加熱，未反應(yīng)的甲銨溶液發(fā)生反應(yīng)(1)的逆反應(yīng)分解成NH3和CO2。在CO2氣體的汽提作用下，分解的CO2和NH3從液相傳遞到氣相。尿液中大部分甲銨和過(guò)量液氨在汽提塔中分離出來(lái)，汽提后的尿素溶液(50wt%)從汽提塔底部進(jìn)入凈化工序。汽提氣從汽提塔底進(jìn)入甲銨冷凝器。

甲銨冷凝器分冷凝-反應(yīng)段(下部)和洗滌段(上部)兩段。塔頂進(jìn)入的甲銨溶液與塔底進(jìn)入的汽提氣在甲銨冷凝器內(nèi)逆流接觸。在冷凝-反應(yīng)段，CO2沿管程向上流動(dòng)并發(fā)生反應(yīng)(1)和反應(yīng)(2)，46%的CO2生成尿素，分離出氣體后，從溢流漏斗溢出，通過(guò)抽射器進(jìn)入反應(yīng)器底部。分離出的氣體在洗滌段繼續(xù)被洗滌吸收。

2 管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)淺析

尿素、甲銨溶液具有易結(jié)晶、強(qiáng)腐蝕的特性[2]，以及尿素裝置的部分工藝管易震動(dòng)，因此尿素裝置在管道選材、管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮這些因素。

2.1 合成圈關(guān)鍵管線配管

圖1 合成圈關(guān)鍵管線Fig.1 Key pipelines of synthesis loop

如圖1所示，反應(yīng)器、汽提塔、甲銨冷凝器及相關(guān)管線構(gòu)成尿素合成圈。從甲銨冷凝器到反應(yīng)器的管線12“-US-651003及反應(yīng)器到汽提搭的管線12”-US-651002主要為尿素-甲銨溶液，流動(dòng)性差，極易結(jié)晶。再加上三臺(tái)高壓設(shè)備操作壓力相同，上述兩根管道為重力流管道。該管道在配管時(shí)應(yīng)在滿足應(yīng)力要求的前提下，坡度盡量大，彎頭盡量少。

由于汽提塔與甲銨冷凝器操作壓力相同，為防止甲銨冷凝器內(nèi)液體通過(guò)氣相管12“-PG-651001返回氣提塔，該管線需設(shè)置一個(gè)2m高的氣袋，啟液封作用。

2.2 沖洗、導(dǎo)淋管道配管

由于尿素和甲銨容易結(jié)晶，管線應(yīng)盡量避免袋形。在有可能形成積液的地方設(shè)置導(dǎo)淋。還應(yīng)在合適的位置設(shè)置高壓沖洗水。導(dǎo)淋與沖洗水根部閥與主管距離應(yīng)盡量短，配管細(xì)節(jié)見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 導(dǎo)淋配管圖Fig.2 Piping Lyout of Drain

圖3 沖洗管線配管圖Fig.3 Piping Lyout of Flushing

2.3 兩相流管道配管

尿液管線從汽提塔到閃蒸罐，共經(jīng)過(guò)三次減壓，詳見(jiàn)表1。

表1 減壓閥門清單Table 1 List of pressure reducing valve

尿液每次減壓都會(huì)發(fā)生閃蒸，并在減壓閥后形成汽液兩相流。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，該類管線極易發(fā)生震動(dòng)，震動(dòng)主要來(lái)至三方面：(1)壓力突然變化產(chǎn)生的震動(dòng)(閥門打開(kāi)和關(guān)閉，一般發(fā)生在開(kāi)停車時(shí))；(2)閥門減壓閃蒸產(chǎn)生的震動(dòng)；(3)閥后汽液兩相流在管道流動(dòng)是產(chǎn)生的水擊。為盡量降低震動(dòng)產(chǎn)生的影響及水擊發(fā)生的可能性，管道設(shè)計(jì)時(shí)可采取以下預(yù)防措施：

2.3.1 加固減壓閥的支撐

圖4 減壓閥LV-65002Fig.4 Pressure reducing valve LV-65002

如圖4所示，在管道柔性允許的前提下，在閥門LV-65002閥體上設(shè)置固定支架，限制閥門突然打開(kāi)/關(guān)閉和閥后閃蒸產(chǎn)生的震動(dòng)傳遞到相連管道上。

2.3.2 減壓閥后使用特殊變徑管和5D彎頭

圖5 減壓閥LV-68001Fig.5 Pressure reducing valve LV-68001

如圖5所示，該特殊異徑管夾角為14°，比標(biāo)準(zhǔn)異徑管的夾角小。同時(shí)，減壓閥后的第一個(gè)彎頭采用5D彎頭。這樣可以降低閃蒸發(fā)生的劇烈程度及兩相流介質(zhì)在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)引起的管道震動(dòng)。

2.3.3 減少兩相流管線長(zhǎng)度

圖6 減壓閥LV-68002Fig.6 Pressure reducing valve LV-68002

如圖6所示，將減壓閥門LV-68002盡量靠近閃蒸罐布置，減壓閃蒸后的尿液馬上進(jìn)入閃蒸罐，兩相流介質(zhì)行程短，可有效避免震動(dòng)的發(fā)生。

3 結(jié)語(yǔ)

管道腐蝕、管道震動(dòng)和管道堵塞是尿素裝置在生產(chǎn)過(guò)程中最常見(jiàn)的問(wèn)題。抓住問(wèn)題的源頭，在配管設(shè)計(jì)時(shí)采取相應(yīng)措施杜絕或降低上述問(wèn)題的發(fā)生，有利于裝置長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，帶來(lái)效益。