水解－解吸系統(tǒng)原理及尿素裝置廢水處理技術路線分析

沈華民

（中國化工學會化肥專業(yè)委員會，上海 200336）

0 引 言

綠水青山就是金山銀山，建設生態(tài)文明城鄉(xiāng)是我國的國策，治理化工企業(yè)排放的廢水 （污水），是實現(xiàn)綠水青山的重要一環(huán)。

尿素裝置的廢水來自以下幾個方面：①伴隨尿素生成反應的副產物——水，生成1t尿素要副產300kg水，最后成為蒸發(fā)冷凝液 （含有少量NH3、CO2及尿素）；② 原料液氨、CO2以及蒸汽噴射泵工作時帶入系統(tǒng)的水；③開停車過程中的沖洗用水，以及檢修設備排放的廢液等。最終，噸尿素廢水產生量為400～500kg，廢水含尿素0.5%～2.0% （質量分數(shù)，下同）、NH31.0%～6.0%、CO20.5%～3.0%。

這些廢水若不經處理直接排放，不符合環(huán)保要求，會對水體造成污染，且浪費水資源和尿素、NH3等有效物質，增加尿素裝置的原料消耗和生產成本。因此，尿素裝置中必須設置廢水處理系統(tǒng)，這是綠水青山之需，也是尿素裝置生存的前提條件。常規(guī)的尿素廢水處理方法稱為“水解－解吸”法，它是將水解與解吸2個化工過程聯(lián)合在一起的處理方法：通過水解反應將廢水中的尿素水解為NH3與CO2；通過解吸反應將廢水中的NH3與CO2解吸出來并予以回收。經過這一處理過程后，有效物質從廢水中分離出來，分別得到較潔凈的水，并回收NH3與CO2。

尿素裝置中的水解－解吸系統(tǒng)，其技術要求如下：① 系統(tǒng)出水NH3含量＜5×10－6、尿素含量＜5×10－6，用作鍋爐給水或其他用途，或達標排放；②回收物中的有效物質 （NH3與CO2）濃度高、水含量少，返回尿素裝置后對合成轉化率影響小，且要易于與尿素裝置銜接；③新建的水解－解吸系統(tǒng)應投資省、運行成本低。

1 水解－解吸原理

1.1 水解－解吸反應式考察

1.1.1 解吸反應式

解吸定義：將廢水中的NH3與CO2（對于尿素裝置而言，屬有效組分）脫吸出來成為氣態(tài)NH3與CO2的過程，稱為解吸。

廢水中的NH3與CO2通常以氨碳化合物的形式存在?？蓪⒔馕^程視為如下化學過程：氨碳化合物首先分解為溶解態(tài)的NH3與CO2，然后在加熱狀態(tài)下脫吸揮發(fā)為氣態(tài)NH3與CO2（解吸過程中，水中的NH3與CO2處于氣液平衡狀態(tài)，其平衡壓力為pe）。其過程如下：

由反應式 （1）可知，解吸反應是體積增大的吸熱反應。因此，為使反應向正方向進行，反應條件應為低壓、加熱狀態(tài)，即降低系統(tǒng)壓力、加熱系統(tǒng) （輸入熱量）有利于解吸過程的進行。1.1.2 水解反應式

水解定義：將廢水中的少量尿素 ［CO（NH2）2］分解并揮發(fā)成氣態(tài)NH3與CO2，稱為水解。水解過程總化學反應式如下：

可見，尿素水解反應總體上也是體積增大的吸熱反應。

實際上，尿素水解過程是一個復合的反應過程。廢水中的尿素首先需在高溫條件下轉化為液態(tài)甲銨 ［NH4COONH2］，然后在加熱狀態(tài)下甲銨進一步分解為液相NH3與CO2，再解吸為氣態(tài)NH3與CO2。故反應式 （2）實際上是由2個反應串聯(lián)而成，具體如下：

式 （2－1）是液相中進行的尿素水解反應，為弱放熱反應，是一個反應速率慢的化學反應，只有當溫度＞150℃時反應才開始緩慢進行，并且只有超過180℃時才有明顯的反應速率。

水解后，溶液中的尿素殘留量 （Su）是反應溫度 （t，℃）、反應時間 （τ，h或 min）和原始進料中NH3與CO2的總濃度 ［co，% （質量分數(shù)）或10－6］的函數(shù)。即：

簡而言之，隨著反應溫度的升高、反應時間的延長、原始進料中NH3與CO2總濃度的減小，溶液中尿素殘留量Su減小。

實驗研究表明，Su與其他3個參數(shù)t、τ、co之間的關系如圖 1［1］、圖 2［1］所示。可以看出，隨著反應溫度的升高和停留時間的延長，尿素殘留量越小；反應時間越長，溶液中NH3與CO2濃度越低，尿素殘留量越小。

若廢水處理后，出水殘留尿素合格指標定為5×10－6，由圖1、圖2可查得加熱溫度為205℃、停留時間為30min，原始進料組分為NH30.61%、CO20.18%、尿素0.88%。

由于水解總反應是一個串聯(lián)反應，首先需完成反應 （2－1），然后才能進行反應 （2－2），控制步驟為反應 （2－1）。因此，若將水解－解吸系統(tǒng)作為一個整體來考慮的話，其設計原則為：①水解宜選高溫條件 （設定的起始溫度為180℃），且需保證足夠的停留時間，原始進料中NH3與CO2濃度越低越好；② 解吸宜選低壓條件，壓力應盡量降低。

圖1 溫度對NH3-CO2-H2O溶液中尿素水解的影響

圖2 進料組分對NH3-CO2-H2O溶液中尿素水解的影響

對于直接以蒸汽作為熱源的水解－解吸系統(tǒng)而言，隨著反應溫度的提高，系統(tǒng)壓力亦隨之升高。故而，欲同時滿足高溫和低壓這2項條件是困難的。可見，水解和解吸兩者之間存在著矛盾關系。為此，提出了如下思路：將水解與解吸2個過程分開進行，各自設定適宜的溫度和壓力。

1.2 質熱傳遞過程考察［2］

上述對水解－解吸化學反應過程的考察，是工業(yè)生產系統(tǒng)設計的基礎，而對于工業(yè)上連續(xù)運轉的反應器而言，還需考慮質熱傳遞 （質量、熱量傳遞）過程對化學反應過程的影響。因此，探尋質熱傳遞速率快的條件和方法，可為尿素廢水處理技術路線的選擇和優(yōu)化設計奠定基礎。

1.2.1 雙膜理論

液相中的溶質組分，由于條件 （溫度、壓力）變化，從液相中脫吸成為氣相的過程稱為汽提 （解吸）。雙膜理論是描述解吸過程中溶質組分從液相轉移到氣相的簡易模型，見圖3。

圖3 雙膜理論示意圖

雙膜理論的核心內容：在液相主體和氣相主體之間存在著2層很薄的層流靜止膜，分別稱為液膜和氣膜；在液相／氣相主體內溶質組分濃度基本上是均勻的，而在液膜和氣膜內溶質組分濃度隨傳質方向而逐漸降低。就解吸過程而言，溶質組分從液相主體中擴散至氣相主體中需經歷如下3個階段：①溶質組分從液相主體L通過液膜δL擴散到相界面；② 相界面處溶質組分汽化后到達氣相側；③氣態(tài)溶質組分通過氣膜δG進入氣相主體G。由雙膜理論可推導得出某溶質組分的解吸速率表達式為：

式中：N——傳質速率；KL、KG——液相傳質系數(shù)、氣相傳質系數(shù)；ce——與氣相某溶質組分呈平衡態(tài)的液相濃度；pe——與液相某溶質組分呈平衡態(tài)的氣相平衡分壓；c——分解后某溶質組分的液相濃度；p——分解后與液相某溶質組分濃度對應的氣相平衡分壓。其中，KL、KG是與擴散系數(shù)等有關的多參數(shù)復雜函數(shù)式；Δc＝（ce－c）稱為液相推動力，Δp＝（p－pe）稱為氣相推動力，推動力越大，傳質速率越大。

對于解吸過程而言，提高Δp是提高解吸速率最為有效的措施。

1.2.2 解吸過程質熱傳遞速率討論

前已述，本解吸過程屬化學解吸，故而可將其解吸過程視作化學分解過程來考察，見圖4。

結合反應式 （1）說明如下：① 平衡態(tài)——一定溫度下，溶液處于氣液平衡狀態(tài)，物系平衡參數(shù)為溫度te、濃度ce、壓力pe；② 解吸過程——輸入熱量 （直接引入蒸汽），促使物系溫度升高，物系壓力亦隨之升高，當物系壓力大于離解壓時，溶液中的NH3與CO2分解為氣態(tài)。過程中，物系參數(shù)發(fā)生 te→tt、ce→ct、pe→pt的變化，代入式 （4）得解吸過程傳質速率表達式：

圖4 解吸過程示意圖

通常，用提高氣相推動力Δp來提高傳質速率，改善傳質效率，從而達到降低物系操作溫度或進一步減小溶質組分殘留量之目的。

對于解吸過程而言，pe越小，N越大。在系統(tǒng)中引入惰性氣體，可以相對降低物系平衡壓，pe隨之下降。因而，在系統(tǒng)中引入惰性氣體已成為提高傳質速率最為有效的方法。

此外，降低物系擴散阻力也可提高傳質速率。因為阻力R是KG的倒數(shù)，阻力越小，KG越大，N也就越大。對于化學解吸過程而言，其屬于氣膜控制，KG≈kG，關鍵阻力來自于氣相，而kG是與氣相湍動狀態(tài)有關的復雜函數(shù) ［kG＝f（Re）］。工業(yè)上表征湍動狀態(tài)的雷諾數(shù) （Re）越大，傳質阻力越小。

由以上討論可知，提高工業(yè)狀態(tài)解吸設備傳質速率的原則有2個：一是降低物系有效組分分壓 （pe），措施為物系引入惰性氣體；二是提高氣相湍動程度 （一般使氣相處于湍流狀態(tài)），減小氣相擴散阻力。

1.2.3 水解過程質熱傳遞速率討論

若廢水中含有少量尿素，由于尿素首先需水解成甲銨然后才能脫吸為NH3與CO2氣體，因此，系統(tǒng)總的反應速率，既要考慮溶液中尿素水解的速率，又要考慮液相中NH3、CO2轉化為氣相狀態(tài)的傳質速率。

溫度較低時，如150～180℃下，尿素水解速率很慢，在整個水解反應鏈條中，尿素水解反應是控制步驟，其傳質速率對總反應速率影響很??；但當溫度≥180℃時，隨著水解反應開始正常進行，傳質速率的加快會促使水解速率加快。

水解－解吸過程示意如圖5。以下就上述情況下的傳質過程進行討論。

圖5 水解－解吸過程示意圖

升溫過程：將含尿素的廢水升溫至適宜溫度，te′≥180℃，停留一定時間，溶液中尿素水解為甲銨 （Ac），濃度為 cAc，與原溶液中的NH3與CO2混合在一起，濃度合計為ce′，物系平衡壓為pe′（升溫過程參數(shù)詳見圖5）。

解吸過程：輸入熱量，物系溫度升高，當物系壓力大于離解壓時，溶液中的甲銨 （分解為NH3與CO2）、NH3、CO2解吸為氣相，物系參數(shù)變化為 tt′→te′、ct′→ce′、pt′→pe′（解吸過程參數(shù)詳見圖5）。

由式 （4）可得加熱水解－解吸系統(tǒng)時溶質的傳質速率為 N＝KG（pt′－pe′）。結合前文所述，現(xiàn)討論提高水解－解吸系統(tǒng)全鏈條反應速率的原則性方法。

（1）提高水解速率的方法：①高溫條件，t≥180℃；② 降低原始進料中的NH3與CO2的總濃度ce。

（2）提高傳質速率的方法：① 引入惰性氣體，降低平衡壓pe，使傳質推動力Δp提高，從而提高傳質速率N（其作用是雙重的，既可提高解吸速率，又能提高水解速率）；②提高氣相湍動程度，或提高氣相傳質系數(shù)KG，從而提高傳質速率。總而言之，引入惰性氣體和提高氣相湍動程度兩大舉措，既能提高解吸速率，又能加快水解速率。傳質過程關聯(lián)著化學反應過程和系統(tǒng)的解吸過程，對系統(tǒng)能產生聯(lián)動效應，故而提高傳質速率是優(yōu)化整個水解－解吸系統(tǒng)的重要手段。

2 中壓單塔系統(tǒng)處理尿素廢水面臨的問題

尿素廢水的處理是一個較為復雜的過程，若將尿素廢水用1臺中壓塔來同時進行水解和解吸2個過程的話，存在如下困難或問題。

2.1 水解和解吸過程之間的矛盾

通常以直接加入蒸汽 （飽和蒸汽）作為處理廢水的熱源，隨著加熱蒸汽溫度的升高，蒸汽壓力亦隨之上升，即加熱蒸汽溫度越高，系統(tǒng)壓力亦越高。

對于水解過程而言，高溫有利于水解，系統(tǒng)需高壓環(huán)境；而對于解吸來說，低壓有利于脫吸，系統(tǒng)需低壓環(huán)境。由此，水解和解吸之間的矛盾就凸顯出來了，中壓單塔系統(tǒng)很難同時滿足水解和解吸過程的要求。

2.2 處理尿素與氨碳化合物之間的矛盾

從水解反應來考察，尿素水解的生成物——甲銨，與原始進料 （尿素廢水）中的 NH3與CO2，同屬氨碳類化合物，從化學平衡角度來分析，原始進料中NH3與CO2的存在必然會降低氨碳化合物的水解率和水解速率，其濃度越高，尿素水解率和水解速率越低。因此，若不采取適當?shù)拇胧?，單塔系統(tǒng)不利于水解過程的進行，會導致水解反應時間延長。若以傳統(tǒng)思維用單塔方法來處理尿素廢水，必然會發(fā)生相互干擾，以至于出現(xiàn)系統(tǒng)不協(xié)調、相互牽制的現(xiàn)象，并使裝置產生如下弊端。

（1）塔壓偏高：為使裝置正常運行，首先需滿足水解過程的正常進行，而正常的水解溫度為200～235℃，此時飽和蒸汽壓力為2.0～3.5 MPa，即系統(tǒng)操作壓力應在2.0～3.5MPa的中壓狀態(tài)下，如此會使制作設備用的特種不銹鋼消耗量增大，使裝置投資增高。

（2）塔體體積偏大、塔高偏高：一方面，溶液中氨碳化合物的存在減緩了尿素水解速率，尿素水解時間延長，造成全塔體積增大；另一方面，溶液中氨碳化合物的存在還使解吸的傳質速率降低，從而增加物系傳質單元數(shù)或塔板數(shù)，遂使塔高增加。龐大的塔體和過多的塔板會造成設備投資增高。

由此可見，用常規(guī)的1臺塔來處理尿素廢水，在經濟上是不合理的，即傳統(tǒng)的單塔系統(tǒng)并不適宜于尿素廢水的處理。