淺談尿素高壓系統(tǒng)的控制和池式冷凝器的應(yīng)用

代玲玲

摘? ?要：尿素高壓系統(tǒng)是裝置的核心控制中樞，將直接影響裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行，高壓系統(tǒng)中池式冷凝器的控制方式與傳統(tǒng)的高壓甲銨冷凝器不完全一樣。結(jié)合部分生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)提出見(jiàn)解和各位同仁探討，共同提高工藝知識(shí)，有利于裝置在開(kāi)車(chē)過(guò)程中安全穩(wěn)定運(yùn)行，保證實(shí)現(xiàn)開(kāi)車(chē)投料成功。

關(guān)鍵詞：尿素;高壓系統(tǒng);控制;池式冷凝器;應(yīng)用

某裝置工藝是采用荷蘭Stamicarbon公司的新一代改進(jìn)型二氧化碳?xì)馓岱üに嚒Ｑb置主要生產(chǎn)過(guò)程包括：原料氨和二氧化碳?jí)嚎s機(jī)、脫氫系統(tǒng)、合成氣提、循環(huán)系統(tǒng)、解吸水解系統(tǒng)、尿液蒸發(fā)、塔式造粒等工序。高壓系統(tǒng)設(shè)備有：合成塔、汽提塔、高壓洗滌器、池式冷凝器，以上高壓系統(tǒng)設(shè)備是奧地利SBN公司制造，主要材料采用Safurex耐高溫耐腐蝕新型尿素級(jí)不銹鋼;高壓系統(tǒng)大部分工藝管線(xiàn)采用焊接連接，設(shè)備位差順序是合成塔→高壓洗滌器→池式冷凝器→汽提塔，從位差來(lái)看高壓洗滌器位置比較低，一旦合成塔滿(mǎn)液后很快就會(huì)滿(mǎn)液到高壓洗滌器;將影響高壓洗滌器的正常工作;生產(chǎn)中需要嚴(yán)格控制合成塔的液位。合成塔液位計(jì)和汽提塔液位計(jì)采用雷達(dá)液位計(jì);并且在合成塔溢流管喇叭口上安裝了導(dǎo)波管，汽提塔→池式冷凝器氣相管線(xiàn)采用“U”管設(shè)計(jì)，避免停車(chē)時(shí)池式冷凝器尿液和甲銨液倒入汽提塔;合成塔溢流管安裝了氨碳比分析儀來(lái)觀察和控制出料氨碳比，進(jìn)料氨碳比根據(jù)CO2流量、壓力、溫度的修正值和NH3流量、溫度修正值減去系統(tǒng)加入的空氣量計(jì)算出來(lái)的N/C值，是尿素裝置氨碳比的重要參考值;聯(lián)鎖是采用ESD緊急停車(chē)系統(tǒng)，ESD緊急停車(chē)系統(tǒng)按照安全獨(dú)立原則要求，獨(dú)立于DCS集散控制系統(tǒng)，其安全級(jí)別高于DCS。在正常情況下，ESD系統(tǒng)是處于靜態(tài)的，不需要人為干預(yù)。只有當(dāng)生產(chǎn)裝置出現(xiàn)緊急情況時(shí)，不需要經(jīng)過(guò)DCS系統(tǒng)，而直接由ESD發(fā)出保護(hù)聯(lián)鎖信號(hào)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行安全保護(hù)，避免危險(xiǎn)擴(kuò)散造成巨大損失。目前裝置各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

尿素裝置在操作上具有特殊性，我們是無(wú)法改變的，只有通過(guò)不斷提高操作技能、不斷積累豐富的操作經(jīng)驗(yàn)，才能確保裝置的穩(wěn)定性和工藝控制。

1? ? 高壓系統(tǒng)的控制方法

1.1? 合成塔

合成塔是一個(gè)直立式高壓反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)分兩部分反應(yīng)：一部分反應(yīng)是甲銨的生成，另一部分是甲銨的脫水反應(yīng)生成尿素，熱量是自熱平衡，它被7塊塔板分成不同的小室，在每個(gè)小室反應(yīng)物鼓泡通過(guò)氣體均勻混合，塔板作用是防止物料在塔內(nèi)返混，延長(zhǎng)停留時(shí)間。設(shè)計(jì)停留時(shí)間為1 h，塔板上有汽相分布小孔，上面的塔板開(kāi)孔率比下面的塔板低一些，因?yàn)楹铣煞磻?yīng)生成塔尿素由下至上，所以塔上部汽相會(huì)逐漸減少，按設(shè)計(jì)上合成塔轉(zhuǎn)化率是58%～60% ;合成塔液位采用 “雷達(dá)液位計(jì)”測(cè)量，0位于“溢流管口”以上1 m，測(cè)量范圍4.5 m;生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)格控制好合成塔液位，當(dāng)合成塔液位排空，CO2通過(guò)進(jìn)入合成塔造成氣體走短路，當(dāng)合成塔滿(mǎn)液，由于位差的關(guān)系容易造成高壓洗滌器滿(mǎn)液將影響正常工作，發(fā)生這些情況將給系統(tǒng)造成較大幅度的波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使合成壓力超壓聯(lián)鎖動(dòng)作。

1.2? 高壓洗滌器

合成塔未反應(yīng)的汽相進(jìn)入通過(guò)高壓甲銨泵送入的循環(huán)系統(tǒng)回收液進(jìn)行洗滌吸收，通過(guò)高壓調(diào)溫水冷卻為液相返回池式冷凝器。通過(guò)操作中高壓洗滌器的工作情況我們可以觀察高壓調(diào)溫水的進(jìn)出口溫差大小，進(jìn)口溫度控制為115～120 ℃、進(jìn)出口溫差是15 ℃左右，溫差大冷凝吸收效果好，同時(shí)要觀察池式冷凝器和合成塔工作情況，如果它們反應(yīng)效果差，那么出來(lái)的汽相多和質(zhì)量分?jǐn)?shù)大，與高壓調(diào)溫水溫差大有關(guān)，看溫差也是相對(duì)的、有條件的，另外，還可以觀察閥開(kāi)度和系統(tǒng)的壓力。

1.3? 汽提塔

經(jīng)合成塔溢流管出來(lái)的尿液混合物由調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)入汽提塔分布器，再把合成塔來(lái)的尿液均勻分配到立管中，液位正常的時(shí)候，應(yīng)該控制在20%～40%，因?yàn)槠崴訜嵴羝麥囟容^高，如果尿液停留時(shí)間較長(zhǎng)，則加劇縮二脲的生成。汽提塔尿液停留時(shí)間較短，液位控制一般采取的方式是用閥位對(duì)應(yīng)該液位值后改為“自動(dòng)”控制。另外汽提塔出液溫度指標(biāo)是非常重要的，直接反映了汽提塔效率，正常生產(chǎn)中應(yīng)該為167～170 ℃，如果溫度升至172 ℃以上，循環(huán)系統(tǒng)負(fù)荷較重，嚴(yán)重時(shí)循環(huán)系統(tǒng)會(huì)超壓，從而影響低壓和高壓系統(tǒng)，當(dāng)然汽提塔的工作情況和合成系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率有直接關(guān)系。汽提塔內(nèi)的甲銨分解采用2.0 MPa蒸汽進(jìn)行加熱，控制壓力1.6～2.0 MPa，這也是和系統(tǒng)負(fù)荷高低有對(duì)應(yīng)關(guān)系，生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)格控制好液位，當(dāng)液位排空后過(guò)熱蒸汽進(jìn)入汽提塔，造成聯(lián)鎖動(dòng)作，按設(shè)計(jì)要求材質(zhì)最高溫度是240 ℃。

1.4? 合成系統(tǒng)水量的控制

尿素生產(chǎn)中未反應(yīng)物的回收也是以水溶液形式返回高壓系統(tǒng)的，尿素生成副產(chǎn)物也有水的存在，水的存在是不可避免的。因此，控制系統(tǒng)的水量顯得非常重要，在控制方法上沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，只是從原理、反應(yīng)機(jī)理去探討。

1.5? N/C控制原理

在尿素工藝中N/C是非常重要的控制點(diǎn)，氨碳比直接影響整個(gè)尿素工藝的穩(wěn)定和優(yōu)化，所以，現(xiàn)在尿素裝置都采用N/C控制系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是方便、直觀，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)整系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化操作有決定性作用，首先談?wù)揘/C控制原理，一般采用進(jìn)料N/C和出料N/C分析儀，N/C分析儀是連接在合成塔溢流管尿液管線(xiàn)上的，將尿液減壓至2.5 MPa，溫度降至（50±2）℃，進(jìn)入分析儀進(jìn)行采樣，實(shí)時(shí)分析結(jié)果，準(zhǔn)確度高，同時(shí)便于操作人員監(jiān)控，分析儀附件有冷卻器、循環(huán)泵、高壓沖洗水泵。但是分析儀是在合成塔出液管線(xiàn)上，合成塔出液過(guò)程需要1 h，也就是不能提前知道進(jìn)料的氨碳比情況，所以采用進(jìn)料N/C進(jìn)行控制。

2? ? 池式冷凝器的應(yīng)用

2.1? 池式冷凝器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

池式冷凝器由奧地利SBN公司制造，CO2通過(guò)汽提塔進(jìn)入池式冷凝器底部，內(nèi)部有翅狀分配器，中心管和翅狀分配器上有若干個(gè)小孔，1 166根U型列管集束在中下部，分布器在介質(zhì)浸沒(méi)狀態(tài)下發(fā)生鼓泡湍動(dòng)，有利于傳質(zhì)和傳熱，并且有一定的停留時(shí)間，使尿素得以有效生成。池式冷凝器流程受到廣泛的青睞，在于它有明顯的優(yōu)勢(shì)。

2.2? 基本操作要點(diǎn)

由于系統(tǒng)空間很大，高壓系統(tǒng)升溫到125 ℃以上即可完成升溫鈍化;投料前池式冷凝器加水2.5 h（高壓沖洗水泵打量10～12 m3/h））淹沒(méi)分布器;常壓開(kāi)車(chē)，系統(tǒng)壓力上升平穩(wěn)，不需要特別擔(dān)心超壓而引起放空，N/C在2.9～3.4（出料氨碳比）系統(tǒng)都能維持運(yùn)行;根據(jù)生產(chǎn)廠家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，斷甲銨液近10 min，高壓系統(tǒng)壓力還可以維持，恢復(fù)供甲銨后系統(tǒng)也很快恢復(fù);更高更大范圍（0.32～0.5 MPa）的低壓蒸汽壓力控制，池式冷凝器工藝側(cè)溫度178 ℃左右;配合脫氫反應(yīng)器和高效合成塔盤(pán)的應(yīng)用，減小了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中高壓洗滌器尾氣燃燒或爆炸的可能，提高了尿素合成系統(tǒng)轉(zhuǎn)化率，降低了氨耗。

2.3? 防止倒液

從靜態(tài)位差看，高壓系統(tǒng)存在合成塔向池式冷凝器、池式冷凝器向高壓洗滌器和汽提塔倒液的可能，特別是池式冷凝器向高壓洗滌器和汽提塔倒液是需要避免的，所以在操作中要加以注意，特別是停車(chē)封塔時(shí)要及時(shí)關(guān)閉高壓洗滌器下液電磁閥，并對(duì)高壓洗滌器稀釋排放，控制好汽提塔殼側(cè)壓力0.9 MPa左右。對(duì)于汽提塔殼側(cè)有充足的蒸汽，是否保證池式冷凝器不再向汽提塔倒液，需要在生產(chǎn)過(guò)程中驗(yàn)證。所以，最好是在開(kāi)車(chē)送入CO2后排放汽提塔底部液位。

2.4? 池式冷凝器投料加水時(shí)間的控制

池式冷凝器在原始投料中必須進(jìn)行加水（加水量26～28 m3/h），水量淹沒(méi)底部CO2分布器，防止在開(kāi)車(chē)過(guò)程中甲銨的生成質(zhì)量濃度升高后堵塞分布小孔，同時(shí)平衡高壓系統(tǒng)壓力。另外CO2進(jìn)入液相中鼓動(dòng)循環(huán)，能夠產(chǎn)生很好的傳熱、傳質(zhì)效果，提高轉(zhuǎn)化率。但是池式冷凝器中加水時(shí)間不能太早，因?yàn)楦邏合到y(tǒng)升溫剛結(jié)束，設(shè)備內(nèi)部溫度較高，2.5 h加水結(jié)束后，如果系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)還不進(jìn)行投料操作，池式冷凝器中的水在溫度作用下會(huì)產(chǎn)生蒸汽，造成水擊，對(duì)設(shè)備造成破壞，所以，加水時(shí)間一定要掌握好。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外尿素裝置是一個(gè)比較成熟的工藝，操作規(guī)程、方法都比較接近。完善設(shè)備、儀表、電器可靠性措施;緊急停車(chē)系統(tǒng)ESD的可靠性必須建立在儀表參數(shù)準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，所以化工裝置要實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行，這就需要工程技術(shù)人員不斷完善基礎(chǔ)工作;同時(shí)還要優(yōu)化操作規(guī)程、逐步提高工藝人員的操作技能、改善工藝條件來(lái)保證裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)裝置低能耗及穩(wěn)定運(yùn)行。

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