尿素解吸—水解系統(tǒng)工藝方案分析

李曉昆, 郭祖鵬, 湯 強(qiáng), 陸仕漢, 李思彬, 宋風(fēng)雪

（1. 青海大學(xué) 化工學(xué)院，青海 西寧 810016； 2. 渤海鉆探第一固井公司，河北 任丘062552；3. 中國(guó)石化集團(tuán)北京燕山石油化工有限公司 教育培訓(xùn)中心，北京 102502）

尿素解吸—水解系統(tǒng)工藝方案分析

李曉昆1, 郭祖鵬1, 湯 強(qiáng)1, 陸仕漢1, 李思彬2, 宋風(fēng)雪3

（1. 青海大學(xué) 化工學(xué)院，青海 西寧 810016； 2. 渤海鉆探第一固井公司，河北 任丘062552；3. 中國(guó)石化集團(tuán)北京燕山石油化工有限公司 教育培訓(xùn)中心，北京 102502）

尿素解吸—水解系統(tǒng)殘液排放氨含量超標(biāo)，不僅增加了產(chǎn)品消耗, 提高了成本，而且造成環(huán)境污染。利用通用化工過程模擬系統(tǒng)對(duì)尿素解吸—水解系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，得出了優(yōu)化工藝方案，應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐殘液氨含量達(dá)標(biāo)。

尿素解吸水解系統(tǒng)；殘液氨含量；工藝方案

在我國(guó)多數(shù)尿素裝置產(chǎn)生的工藝?yán)淠汉推渌薄⒌獜U水是在解吸—水解系統(tǒng)處理后直接排放。由于殘液中氨含量較高，不僅增加了產(chǎn)品消耗，提高了成本,而且造成環(huán)境污染[1-3]。青海鹽湖集團(tuán)化工公司年產(chǎn)33萬t汽提尿素裝置自化工投料, 產(chǎn)出了合格尿素產(chǎn)品，解吸—水解系統(tǒng)就是本工程“三廢”處理配套的重要設(shè)施之一，與主體工程同時(shí)投運(yùn)。隨著我國(guó)日益嚴(yán)格的安全及環(huán)境保護(hù)要求，化工生產(chǎn)的理念正在發(fā)生著深刻變革。流程模擬技術(shù)不僅是確保極大地提高生產(chǎn)效率和底線盈利能力的保證，而且也是優(yōu)化化工操作和技改方案，滿足環(huán)保指標(biāo)的有效工具。在生產(chǎn)過程利用通用化工過程模擬系統(tǒng)對(duì)解吸—水解系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，得出了優(yōu)化工藝方案，應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐殘液氨含量顯著降低,廢水處理效果明顯。

1 工藝流程和通用化工過程模擬系統(tǒng)概況

1.1 工藝流程

來自尿素裝置含氨、二氧化碳和尿素的工藝廢水（3#物流），經(jīng)換熱后進(jìn)入第一解吸塔 T-2a，溫度為112 ℃，壓力為0.7 mPa（A），初步解吸出大部分游離氨和二氧化碳，與來自水解塔 T-1氣相（10#物流），及第二解吸塔T-2b上升蒸汽，在塔內(nèi)匯合后從塔頂采出（2#物流），因富含氨和二氧化碳冷凝后回流冷凝器液位槽返尿素裝置。含尿素液相（5#物流）經(jīng)水解塔給料泵P-1、水解塔換熱器H-1加熱，進(jìn)入水解塔（8#物流）發(fā)生尿素水解反應(yīng)：

平均溫度為205 ℃，并且滿足水解反應(yīng)停留時(shí)間，其所需熱量由中壓蒸汽2.5 mPa（A），溫度為225℃（7#物流）提供。完成水解反應(yīng)后，其產(chǎn)生的氨和二氧化碳部分由塔頂采出外，其余溶于液相部分（9#物流）經(jīng)水解塔換熱器降溫后送入第二解吸塔，溫度為146 ℃，壓力為1.82 mPa（A）（11#物流），進(jìn)一步深度解吸，其所需熱量由低壓蒸汽0.4 mpa（A），溫度為 146 ℃（1#物流）提供。最終，出第二解吸塔底部液相（4#物流）中NH3須達(dá)到環(huán)保指標(biāo)要求，經(jīng)換熱降溫至 50 ℃左右，送出界區(qū)（圖1）。

圖1 解吸-水解工藝流程圖Fig.1 The process flowsheet of the desorption-hydrolysis

1.2 通用化工過程模擬系統(tǒng)

在化學(xué)工程中電子計(jì)算機(jī)和各種化工過程模擬系統(tǒng)的廣泛推廣與應(yīng)用，計(jì)算機(jī)輔助手段凸顯了可靠性強(qiáng)、計(jì)算速度快以及集成度高等眾多優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)的化學(xué)工程專業(yè)也已成為集實(shí)驗(yàn)研究和理論研究的基礎(chǔ)上，新增計(jì)算研究方向的一門綜合性學(xué)科。沿革至今，通用化工過程模擬系統(tǒng)一般包含龐大的物性數(shù)據(jù)庫及其估算系統(tǒng)、完備的熱力學(xué)、單元操作和反應(yīng)過程模塊，以及功能強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算方法庫等，使其既可進(jìn)行單個(gè)設(shè)備計(jì)算，也可進(jìn)行整個(gè)化工生產(chǎn)流程計(jì)算[4,5]。通用化工過程模擬系統(tǒng)在當(dāng)今的科研領(lǐng)域和工程界均得到了廣泛的應(yīng)用，推動(dòng)了科技的進(jìn)步和生產(chǎn)效益的提高。

本工藝過程選用嚴(yán)格計(jì)算多級(jí)汽-液平衡分離模塊[6]對(duì)解吸塔、水解塔進(jìn)行模擬計(jì)算；選用加熱器模塊對(duì)水解塔換熱器進(jìn)行模擬計(jì)算；選用適合于較高溫度及壓力下極性或非極性輕組氣液混合物的分離體系熱力學(xué)方程作為物性計(jì)算方法，從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面進(jìn)行計(jì)算分析。基于現(xiàn)場(chǎng)工藝流程，首先是對(duì)流程中的主要設(shè)備水解塔、解吸塔（解吸塔分為兩個(gè)模塊分別進(jìn)行模擬計(jì)算）進(jìn)行了單塔模擬，其結(jié)果與設(shè)計(jì)值、現(xiàn)場(chǎng)值比較基本一致后，再將它們連接進(jìn)行序貫?zāi)K法計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)解吸—水解系統(tǒng)的模擬計(jì)算。

2 模擬結(jié)果及工藝方案分析

利用通用化工過程模擬系統(tǒng)對(duì)尿素解吸—水解系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算，主要模擬結(jié)果如下表1所示。

表1 解吸-水解流程模擬值與設(shè)計(jì)值對(duì)比Table 1 The comparison between the simulated and designed values of the desorption-hydrolysis

由表1可見，模擬計(jì)算結(jié)果在較好的與設(shè)計(jì)值吻合基礎(chǔ)上，因?yàn)閷?duì)水解過程的深刻理解，模擬水解塔計(jì)算過程中，我們考慮到實(shí)際水解過程中存在的中間產(chǎn)物縮二脲并對(duì)其產(chǎn)生量進(jìn)行了計(jì)算，同時(shí)模擬結(jié)果還彌補(bǔ)了工藝設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)保要求表達(dá)不明確的缺陷，如：4#殘液物流氨含量超出環(huán)保指標(biāo)，這與現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)實(shí)際是一致的，為我進(jìn)一步降低殘液氨含量使之達(dá)標(biāo)，優(yōu)化工藝方案創(chuàng)造了條件。本著經(jīng)濟(jì)和實(shí)際可操作的原則，選擇進(jìn)料液溫度、低壓蒸汽壓力（溫度）、第一解吸塔塔板數(shù)、第二解吸塔填料層高度等工藝指標(biāo)對(duì)殘液出口氨含量的影響進(jìn)行分析。

2.1 進(jìn)料液溫度對(duì)殘液出口氨含量的影響分析

進(jìn)料液進(jìn)入第一解吸之前，操作溫度需達(dá)到108～115 ℃，這個(gè)溫度的變化可較方便地通過調(diào)節(jié)換熱器的加熱物流指標(biāo)的達(dá)到。利用通用化工過程模擬系統(tǒng)在其他工藝指標(biāo)保持設(shè)計(jì)值的條件下，對(duì)殘液的氨濃度隨進(jìn)料液進(jìn)塔溫度變化進(jìn)行敏感度分析計(jì)算，結(jié)果如下圖2所示。

圖2 進(jìn)料液溫度對(duì)殘液出口氨含量的影響Fig.2 Effect of feed temperature on outlet ammonia content of the raffinate

由圖2可見，隨進(jìn)料液進(jìn)塔溫度的升高，殘液的氨濃度持續(xù)下降。當(dāng)進(jìn)料液進(jìn)塔溫度108 ℃時(shí)，殘液的氨濃度為122.73×10-6；當(dāng)進(jìn)料液進(jìn)塔溫度升高到115 ℃時(shí)，殘液的氨濃度為110.43×10-6?？梢姡ＷC殘液的氨濃度盡量的低，至少應(yīng)控制進(jìn)料液進(jìn)塔溫度上限操作。

2.2 低壓蒸汽溫度（壓力）對(duì)殘液出口氨含量的影響分析

低壓蒸汽是第二解吸塔深度解吸和部分第一解吸塔上升蒸汽的熱量來源。蒸汽的壓力與其飽和溫度互為函數(shù)，實(shí)際生產(chǎn)過程中一般若非要求過熱蒸汽，為防止產(chǎn)生露點(diǎn)，實(shí)際溫度都稍高于飽和溫度點(diǎn)。低壓蒸汽溫度控制范圍在143～147 ℃（0.4 mpa(A)）利用通用化工過程模擬系統(tǒng)在其他工藝指標(biāo)保持設(shè)計(jì)值的條件下，對(duì)殘液的氨濃度隨低壓蒸汽溫度變化進(jìn)行敏感度分析計(jì)算，結(jié)果如下圖 3所示。

圖3 低壓蒸汽溫度（壓力）對(duì)殘液出口氨含量的影響Fig.3 Effect of the temperature（pressure）of the low-Pressure steam on outlet ammonia content of the raffinate

由圖3可見，隨低壓蒸汽溫度的升高，殘液的氨濃度將下降。因?yàn)楸敬斡?jì)算僅限定在現(xiàn)場(chǎng)操作所規(guī)定較窄的范圍內(nèi)，殘液的氨濃度下降量有限，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，低壓蒸汽的溫度或壓力還可進(jìn)一步提高，從而降低殘液氨濃度效果明顯。

2.3 第一解吸塔塔板數(shù)、第二解吸塔填料層高度對(duì)殘液出口氨含量的影響分析

無論是第一解吸塔塔板數(shù)，還是第二解吸塔填料層高度在設(shè)計(jì)時(shí)，都預(yù)留了一定的富余量，我們可以通過有限的增加第一解吸塔塔板數(shù)和第二解吸塔填料層高度來提升解吸效果。第一解吸塔塔板數(shù)控制在 5～7塊，第二解吸塔填料層高度控制在7.2～12 m。利用通用化工過程模擬系統(tǒng)在其他工藝指標(biāo)保持設(shè)計(jì)值的條件下，增加第一解吸塔塔板數(shù)、第二解吸塔填料層高度對(duì)殘液出口氨含量的影響分析計(jì)算，結(jié)果如下圖4所示。

圖4 第一解吸塔塔板數(shù)、第二解吸塔填料層高度對(duì)殘液出口氨含量的影響Fig.4 Effect of the NSTAGE of the first desorption tower And the packing height of the second desorption Tower on outlet ammonia content of the raffinate

由圖4可見，第一解吸塔塔板數(shù)由5層增加到9層，相應(yīng)的殘液出口氨含量由116×10-6減小到105 ×10-6；第二解吸塔填料層高度由7.2 m增加到12 m，相應(yīng)的殘液出口氨含量由116×10-6減小到9× 10-6。顯然，對(duì)第二解吸塔填料層高度進(jìn)行技改，增加填料層高度降低殘液氨含量效果顯著。

2.4 工藝方案優(yōu)化后殘液出口氨含量

綜合以上分析結(jié)果，通過進(jìn)料液溫度和低壓蒸汽溫度指標(biāo)，第一解吸塔塔板數(shù)和第二解吸塔填料層高度等優(yōu)化后的協(xié)同效應(yīng)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，通過模擬計(jì)算可以預(yù)測(cè)出：當(dāng)進(jìn)料液溫度115 ℃，低壓蒸汽溫度147 ℃，第一解吸塔塔板數(shù)增加到7層，第二解吸塔填料層高度增加到10.8 m時(shí)，殘液出口氨含量便可降到16×10-6以下。

3 結(jié) 語

以模擬預(yù)測(cè)為依據(jù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)解吸—水解系統(tǒng)解吸塔進(jìn)行技術(shù)改造，并優(yōu)化化工操作，殘液的出口氨含量達(dá)到環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。在優(yōu)化操作和技改方案的確定過程中，首先對(duì)工藝過程進(jìn)行模擬分析是基礎(chǔ)，本文得出以下結(jié)論：

（1）理論聯(lián)系實(shí)際正確選擇模擬分析的自變量指標(biāo)。盡管應(yīng)用通用化工過程模擬系統(tǒng)可以做到“為所欲為”的分析計(jì)算，但從生產(chǎn)實(shí)際的可行性出發(fā)是至關(guān)重要的。如：提高中壓蒸汽的溫度（壓力）是可以起到降低殘液出口氨含量的作用，實(shí)際上不僅不經(jīng)濟(jì)，而且還不利于尿素的水解；增大通入低壓蒸汽的流量，來減小殘液的出口氨濃度，治標(biāo)不治本，生產(chǎn)實(shí)際中易造成淹塔；減小負(fù)荷時(shí)，出口氨含量達(dá)標(biāo)，顯然也是不足取的。

（2）通過模擬分析找到關(guān)鍵設(shè)備，確定效果顯著、確實(shí)可行的技改方案。無論是增加第一解吸塔塔板數(shù)，還是提高第二解吸塔填料層高度都能提升解吸效果，但經(jīng)過模擬分析可知第二解吸塔填料層高度對(duì)降低殘液氨濃度效果更加顯著，故而選定其為技改對(duì)象，最大限度增加填料層高度?？傊?，要做到理論依據(jù)、模擬正確和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)三者的有機(jī)統(tǒng)一，是發(fā)揮好流程模擬技術(shù)的關(guān)鍵。

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Technology Analysis of Urea Desorption-Hydrolysis System

LI Xiao-kun1,GUO Zu-peng1, TANG Qiang1, LU Shi-han1, LI Si-bin2, SONG Feng-xue3
（1. School of Chemistry and Engineering,Qinghai University ,Qinghai Xining 810016, China；2. The First Cementing Division of Drilling Engineering Service of Bohai Drilling and Exploration Co.,Ltd., Hebei Renqiu 062552, China；3. SINOPEC Beijing Yanshan Petrochemical Co.,Ltd., Beijing 102502, China）

The ammonia content in raffinate of urea desorption-hydrolysis system exceeds the standard, which not only increases the consumption of the product, but also increases the cost, and causes environmental pollution. In this paper, the steady-state process simulation system was used to simulate and analyze desorption tower and hydrolysis tower, optimized technology scheme was got and applied in the production.

Urea desorption-hydrolysis system；The ammonia content in raffinate；Technology scheme

TQ 441

A

1671-0460（2015）09-2162-03

青海省科技廳基金項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：2013-G-Q15A-2。

2015-06-18

李曉昆（1969-），男，北京人，副教授，1990年畢業(yè)于青海大學(xué)無機(jī)化工專業(yè)，研究方向：從事化工原理課程教學(xué)和化工工藝過程設(shè)計(jì)開發(fā)工作。E-mail：2374894262@qq.com。