尿素低壓系統(tǒng)工作原理與操作優(yōu)化

張明磊

摘 要：低壓分解吸收系統(tǒng)的任務(wù)是將汽提塔來的經(jīng)過減壓閃蒸的尿液進(jìn)一步濃縮，去除未反應(yīng)的氨和CO2，還有部分的水分，并通過低壓甲銨冷凝器冷凝回收生產(chǎn)出高濃度的甲銨液，再由高壓甲銨泵送回高壓系統(tǒng)，一方面維持高壓系統(tǒng)的H/C在一個正常的范圍內(nèi)，以保證較高的二氧化碳轉(zhuǎn)化率，另一方面將回收的甲銨液轉(zhuǎn)化成尿素，維持一個較低的氨耗水平。本文對低壓系統(tǒng)工藝指標(biāo)和常見事故進(jìn)行分析，并分析了低壓系統(tǒng)的基本操作方法與優(yōu)化，提高低壓系統(tǒng)效率及運行平穩(wěn)率。

關(guān)鍵詞：低壓系統(tǒng);回收;基本操作與優(yōu)化

1 概述

尿素生產(chǎn)裝置采用世界上較先進(jìn)的二氧化碳汽提法，具有流程短、能耗低和操作便捷等優(yōu)點。而低壓循環(huán)系統(tǒng)操作對整個尿素裝置的穩(wěn)定運行關(guān)系極大。低壓循環(huán)系統(tǒng)包括分解和冷凝吸收兩個工藝。本文主要對低壓系統(tǒng)的優(yōu)化操作的方向進(jìn)行簡單分析。低壓循環(huán)系統(tǒng)操作的總的要求是必須達(dá)到預(yù)計的甲銨分解率與總氨蒸出率，還要有好的冷凝吸收效率。其中最重要的是要保證整個尿素裝置的水平衡，即在保持上述效率的基礎(chǔ)上，返回高壓系統(tǒng)的水量要盡可能少。

2 低壓系統(tǒng)的工藝指標(biāo)分析

2.1 低壓分解工藝指標(biāo)的選擇

低壓分解工藝指標(biāo)選擇與整個循環(huán)系統(tǒng)密切相關(guān)。在分解過程中，既要保證分解率，減少返回水量，又要防止副反應(yīng)增加。

2.1.1 溫度的選擇

溫度高，雖然有利于分解反應(yīng)進(jìn)行，但采用過高的溫度≥140℃，將使副反應(yīng)加劇。例如水解反應(yīng)和生成縮二脲反應(yīng)都隨著溫度升高≥140℃而加劇;溫度過低時，會增加閃蒸槽的負(fù)荷，隨閃蒸氣帶走的氨增多，增加解析系統(tǒng)負(fù)荷，而且閃蒸后溶液中含氨量增加，影響尿液泵操作。如果溫度低于130℃，則送往閃蒸槽去的溶液中將存在過多的NH3，這些NH3通過真空系統(tǒng)冷凝器送入氨水槽，需用解吸工序的蒸汽來回收，這就造成了額外的蒸汽消耗，同時這些NH3對蒸發(fā)工序也產(chǎn)生影響。

2.1.2 壓力的選擇

壓力愈低，分解反應(yīng)進(jìn)行的愈徹底。但分解出來的氣體要進(jìn)入吸收部分，分解與吸收又要在同一個壓力等級下進(jìn)行，所以分解壓力主要取決于低壓吸收的壓力。從低壓吸收工藝操作條件選擇可知，其壓力應(yīng)選擇在0.25～0.35MPa。

2.2 低壓冷凝吸收工藝指標(biāo)選擇

冷凝吸收工藝指標(biāo)的選擇，首先要按照尿素裝置水平衡來確定甲銨液的組成;然后再根據(jù)該甲銨液的熔點確定吸收溫度（一般需高于熔點10～20℃進(jìn)行操作）;最后再按溶液表面的平衡蒸汽壓決定吸收的最低操作壓力。在選擇時，當(dāng)然還要綜合考慮高壓系統(tǒng)的CO2轉(zhuǎn)化率與返回水量、低壓分解的分解率與操作條件等各個工藝要求。

2.2.1 低壓吸收溫度

雖然溫度低有利于吸收，但對于濃度較高的甲銨液，溫度低容易析出結(jié)晶，因此吸收液的溫度一定要高于該甲銨液組成下的熔點溫度。選擇的操作溫度，一般應(yīng)高于熔點溫度10～20℃。根據(jù)甲銨液組成的計算值，在NH3-CO2-H2O三元系飽和溶液相圖中可以查得該甲銨液熔點為51℃?？紤]到操作上的安全，低壓甲銨冷凝器出口溫度選擇高于熔點20 ℃左右操作。

低壓吸收塔循環(huán)液中含CO2與氨較低（CO2與氨都在22～24%左右），其熔點在NH3-CO2-H2O相圖中查出為25～30℃，所以選擇進(jìn)入該設(shè)備的吸收液溫度是45～50℃。

2.2.2 低壓吸收壓力

低壓吸收壓力一般在0.32～0.35Mpa，低壓吸收壓力決定于低壓甲銨冷凝器的NH3和CO2平衡，即精餾塔頂部移出的NH3和CO2。從精餾塔分解出的氣體混合物進(jìn)入低壓甲銨冷凝器的NH3/CO2不能超過2.0。

NH3/CO2的不平衡是由精餾塔的工況決定的。為使縮二脲生成減少，分解溫度不能高到使氣提塔來的尿液中的NH3全部蒸出。

當(dāng)幾乎全部CO2被蒸出時，進(jìn)料中的一部分NH3仍保留在尿液中。低壓甲銨冷凝器中CO2的量上升，當(dāng)解析頂部返回的稀甲銨混合液中多余的NH3不能中和低壓甲銨冷凝器中CO2時，可以采用補氨進(jìn)行冷凝，以吸收全部的CO2。

3 低壓系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整方向分析

自開工以來低壓系統(tǒng)操作一直是本裝置的難點。在多年的操作下，尿素裝置對低壓系統(tǒng)進(jìn)行了部分設(shè)備改造和工藝操作技術(shù)調(diào)整，此處僅就操作技術(shù)調(diào)整部分的優(yōu)化作一下闡述，以更好的對低壓操作進(jìn)行優(yōu)化，從而提高低壓系統(tǒng)平穩(wěn)率。

3.1 穩(wěn)定低壓系統(tǒng)N/C

從工藝角度分析，低壓超壓主要原因為低壓系統(tǒng)N/C失調(diào)，一般表現(xiàn)為N/C低，氣相空間CO2多出時容易在V301頂部和出氣管線內(nèi)產(chǎn)生甲銨結(jié)晶。自2008年起，尿素裝置逐漸提高高壓系統(tǒng)N/C，從以前的3.0提高到現(xiàn)在的3.05-3.1操作。高氨環(huán)境操作不但提高了高壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)化率，也使低壓系統(tǒng)的N/C得到了提高，當(dāng)然高氨環(huán)境操作也同時增加了回收系統(tǒng)的負(fù)荷，使解吸水解原料濃度超過了設(shè)計值，增加了解吸水解的操作負(fù)荷，也使解吸回流冷凝器液位槽V801中的溶液處于偏高的富NH3狀態(tài)，為全部回收這部分NH3以降低裝置NH3耗，由P802足量送入低壓甲銨冷凝器E303，富NH3的解吸回收液進(jìn)入E303和循環(huán)分解來的貧NH3氣相混合冷凝已使低壓甲銨冷凝器的N/C達(dá)到了2.05以上，故也使低壓甲銨冷凝器無需再直接補純NH3，即可使低壓甲銨冷凝器的N/C保持在較穩(wěn)定的狀態(tài)，現(xiàn)在V301氣相閥（PPV302）開度基本在50%-70%左右，低壓系統(tǒng)操作基本平穩(wěn)。

3.2 現(xiàn)階段低壓系統(tǒng)V301易滿液原因分析和操作優(yōu)化

3.2.1 原因

①甲銨泵轉(zhuǎn)速控制過低，與生產(chǎn)負(fù)荷不匹配

在低壓甲銨冷凝器中生成的甲銨液是經(jīng)高壓甲銨泵（P301A/B）加壓后送入高壓合成系統(tǒng)。甲銨泵是一臺柱塞式泵，泵的打量與泵的轉(zhuǎn)速成正比。

正常生產(chǎn)中，假設(shè)甲銨泵轉(zhuǎn)速如果低于正常負(fù)荷，且轉(zhuǎn)速不變。那么多余的溶液無法送出去，造成低壓甲銨冷凝器液位槽（V301）滿液，此時就只能減少進(jìn)入V301的溶液量，來降低V301液位。但是吸收溶液量不足造成低壓甲銨冷凝器濃度飽和，會使氨和二氧化碳無法繼續(xù)冷凝吸收，多余的氨和二氧化碳以氣體形式存在，勢必造成低壓系統(tǒng)超壓。

出現(xiàn)這種情況時，只有加入大量的工藝?yán)淠哼M(jìn)行稀釋，才能控制住壓力。但是大量的工藝?yán)淠河謺斐蒝301漫液最終進(jìn)入氨水槽（V703）致使解析水解系統(tǒng)惡化。此時如果提高甲銨泵轉(zhuǎn)速，將稀釋后的吸收液送入高壓系統(tǒng)，又會造成高壓系統(tǒng)H2O/CO2高，使高壓系統(tǒng)反應(yīng)惡化最終形成惡性循環(huán)，造成裝置能耗增加。操作中為避免形成以上狀況的惡性循環(huán)，操作上在已滿足低壓甲銨冷凝器吸收液量充足且低壓N/C合適的情況下（以化驗分析為準(zhǔn)），應(yīng)提高甲銨泵轉(zhuǎn)速至同負(fù)荷相匹配來防止V301長時間漫液。

②高壓長期高N/C環(huán)境操作

高壓長期高N/C環(huán)境操作不但提高了高壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)化率，也使低壓系統(tǒng)的N/C得到了提高，當(dāng)然高氨環(huán)境操作也同時增加了回收系統(tǒng)的負(fù)荷，使解吸水解原料濃度超過了設(shè)計值，增加了解吸水解的操作負(fù)荷，也使解吸回流冷凝器液位槽V801中的溶液處于偏高的富NH3狀態(tài)，為全部回收這部分NH3以降低裝置NH3耗，由P802足量送入低壓甲銨冷凝器E303的量就必須超出原設(shè)計值，這部分超出原設(shè)計值溶液量也必須提高甲銨泵轉(zhuǎn)速才能得到回收。

3.2.2 制定措施

根據(jù)分析的原因，制定以下措施：

①提高甲銨泵轉(zhuǎn)速

考慮到甲銨泵填料磨損造成的流量損失和高壓系統(tǒng)的高NH3操作使我們裝置整體需要回收的NH3偏高都需要通過高的甲銨泵轉(zhuǎn)速才能回收利用以降低裝置NH3耗，我們裝置現(xiàn)在的甲銨泵轉(zhuǎn)速控制必須高于原負(fù)荷匹配的轉(zhuǎn)速控制設(shè)計值才能滿足我們裝置現(xiàn)在狀況下的生產(chǎn)需要。

據(jù)此原生產(chǎn)負(fù)荷與低壓操作的建議對照表，已不能滿足裝置現(xiàn)在實際生產(chǎn)繼續(xù)優(yōu)化的要求，根據(jù)現(xiàn)在實際生產(chǎn)狀況，由V301的化驗分析結(jié)果判斷，我們的V301中甲銨液濃度仍長期處于低于設(shè)計值的狀態(tài)，也就是說甲銨液濃度并未達(dá)到指標(biāo)，當(dāng)高壓H/C比分析結(jié)果偏高時，應(yīng)通過關(guān)小或關(guān)閉FIC-302的進(jìn)液以提高甲銨液濃度來降高壓H/C，而不是通過降低甲銨泵的轉(zhuǎn)速，來減少進(jìn)入高壓系統(tǒng)的水量，從而避免形成惡性循環(huán)。

②低壓吸收液優(yōu)化調(diào)整

非必要時不使用解吸塔給料泵（P703A/B）泵入的工藝?yán)淠?，而主要使用回流泵（P802A/B）泵入的來自回流冷凝器液位槽（V801）的貧甲銨液來作為吸收液。因為貧甲銨液濃度比解吸塔給料泵（P703A/B）泵入的工藝?yán)淠阂咔液琋H3量高可較好的中和冷凝低壓分解來的CO2偏高的介質(zhì)，避免V301氣相管線結(jié)晶堵塞，同時也相應(yīng)提高了甲銨液濃度使其更接近原始設(shè)計值，可以使裝置整體操作更平穩(wěn)。

通過主要使用回流泵（P802A/B）泵入的來自回流冷凝器液位槽（V801）的貧甲銨液來作為吸收液的另一個好處是能使我們裝置因高壓系統(tǒng)的高NH3操作造成的最終解析水解負(fù)荷偏高而需要回收的NH3能最大限度的得到回收，同時也保證了解析廢液的高合格率。

現(xiàn)行實際生產(chǎn)狀況也已證明由P802送入的解吸回收液就可完全滿足用于低壓甲銨冷凝器E303的冷凝吸收。

3.2.3 優(yōu)化操作方向

①維持高壓系統(tǒng)高氨操作，降低NH3原料帶油對裝置全系統(tǒng)的不良影響，進(jìn)而維持提高了低壓的N/C，穩(wěn)定低壓的N/C，控制在2.05以上。

②控制好作為吸收液的工藝?yán)淠旱牧?，盡可能使用由P802A/B送來的甲銨液作為吸收液，使V301內(nèi)甲銨液的濃度靠近設(shè)計值。

③控制好V301的液位正常，同時確保甲銨泵的正常運行，綜合考慮打量損失后轉(zhuǎn)速與負(fù)荷相對應(yīng)。

④根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷和低壓甲銨液的濃度的變化，及時調(diào)整甲銨泵轉(zhuǎn)速，保證返回高壓系統(tǒng)的含水量在合理范圍，使裝置氨耗維持在較低的水平。

⑤控制好低壓系統(tǒng)的壓力，避免不必要的放空，保持較低的氨耗。