尿素產(chǎn)品縮二脲高的原因分析及處理

李維琪

摘要：尿素的生產(chǎn)過程中不可避免的伴隨著副產(chǎn)物縮二脲的生成，產(chǎn)品中縮二脲含量過高，農(nóng)作物施肥后會(huì)導(dǎo)致燒苗、燒根，造成肥害，所以降低尿素產(chǎn)品縮二脲含量是提高產(chǎn)品質(zhì)量需要解決的首要問題。本文主要闡述了呼倫貝爾金新化工有限公司由最初低負(fù)荷運(yùn)行轉(zhuǎn)入高負(fù)荷運(yùn)行后降低產(chǎn)品縮二脲的處理過程和方法，最終保證尿素產(chǎn)品質(zhì)量為優(yōu)等品。

關(guān)鍵詞：縮二脲;蒸發(fā);溫度;壓力

一、概述

縮二脲是尿素生產(chǎn)中不可避免的副產(chǎn)物，并且是尿素產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)中的關(guān)鍵指標(biāo)。尿素產(chǎn)品中縮二脲含量高對(duì)農(nóng)作物施肥后會(huì)導(dǎo)致燒苗、燒根、造成肥害，所以降低尿素產(chǎn)品縮二脲含量是各尿素生產(chǎn)廠家產(chǎn)品質(zhì)量控制的首要問題[1]。

在常壓下，加熱干燥固體尿素到高于它的熔點(diǎn)溫度時(shí)，兩分子尿素縮合生成難溶于水的縮二脲并放出氣氨，反應(yīng)方程式為：

從反應(yīng)機(jī)理及方程式可以看出，影響縮二脲生成的主要原因有溫度、停留時(shí)間和氨分壓，尿素濃度越高、氨分壓越低、停留時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于縮二脲的生成。尿素生產(chǎn)過程中合成系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)溫度高但氨的分壓較高，因此縮二脲的生成量少;蒸發(fā)系統(tǒng)溫度高、氨分壓低，所以尿素生產(chǎn)過程中縮二脲的產(chǎn)生主要是在蒸發(fā)系統(tǒng)。要減少蒸發(fā)系統(tǒng)縮二脲的生成只能通過降低停留時(shí)間，所以蒸發(fā)系統(tǒng)一般采用高負(fù)壓操作以提高尿液在設(shè)備內(nèi)的流速、減少停留時(shí)間[2]。

二、裝置現(xiàn)狀

呼倫貝爾金新化工有限公司5080項(xiàng)目尿素裝置采用荷蘭Stamicarbon公司2000 二氧化碳汽提法工藝，設(shè)計(jì)能力為2860噸/天。尿素裝置2012年7月首次投料開車，開車初期由于運(yùn)行負(fù)荷較低（50%～75%），導(dǎo)致產(chǎn)品中縮二脲含量偏高，通過分析縮二脲的生成主要工段在蒸發(fā)系統(tǒng)。為了在低負(fù)荷下降低產(chǎn)品中縮二脲含量，對(duì)蒸發(fā)加熱器換熱面積進(jìn)行核算，最終對(duì)蒸發(fā)一、二段加熱器的列管進(jìn)行堵管，通過以減少換熱器換熱面積及物料停留時(shí)間的方式降低了產(chǎn)品中的縮二脲。最終保證裝置運(yùn)行負(fù)荷為70%左右時(shí)（裝置長(zhǎng)期處于該負(fù)荷運(yùn)行），產(chǎn)品中縮二脲的含量能達(dá)到優(yōu)等品（≤ 0.9%）的要求[3]。

2016年8月，公司“填平補(bǔ)氣”項(xiàng)目殼牌裝置開車后，尿素裝置達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行。理論上講裝置運(yùn)行負(fù)荷越高，物料在各系統(tǒng)內(nèi)停留時(shí)間越短，產(chǎn)品中縮二脲含量會(huì)降低。但事實(shí)恰恰相反，尿素裝置滿負(fù)荷運(yùn)行以后，產(chǎn)品中的縮二脲含量基本維持在0.9%～0.94%，不能完全達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的優(yōu)等品指標(biāo)。針對(duì)該問題生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中心成立攻關(guān)小組對(duì)產(chǎn)品縮二脲高進(jìn)行分析查找原因[4]。

三、原因分析

縮二脲的生成存在與整個(gè)尿素生產(chǎn)過程中，要找出最終產(chǎn)品中縮二脲含量高的原因，需通過對(duì)每一個(gè)系統(tǒng)分段取樣，最終從生成縮二脲最多的系統(tǒng)分析原因并解決問題。按該思路我們?cè)谘b置穩(wěn)定運(yùn)行期間，對(duì)各系統(tǒng)的縮二脲進(jìn)行取樣分析（如表1）。高壓系統(tǒng)汽提塔出口至尿液槽中，縮二脲生成量（1）及指標(biāo)均低于設(shè)計(jì)值要求，但尿液槽至產(chǎn)品工段中，縮二脲生成量（2）高于設(shè)計(jì)值，即產(chǎn)品中縮二脲含量高的主要原因在蒸發(fā)系統(tǒng)[5]。

初步確定了縮二脲主要是在蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)生成，我們細(xì)化分析方法，對(duì)蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備出口的縮二脲生成情況進(jìn)行取樣分析。通過表2的分析結(jié)果可知，從尿液槽經(jīng)過一段蒸發(fā)后縮二脲的生成量大于設(shè)計(jì)值約0.18%左右，其余系統(tǒng)各部位縮二脲的生成量基本與設(shè)計(jì)值相符，也就是說縮二脲的生成主要是在一段蒸發(fā)過程中。帶著該問題我們對(duì)一段蒸發(fā)過程中縮二脲含量高的原因做如下分析：

（一）溫度的控制

蒸發(fā)系統(tǒng)一、二段之間的連接管道為U型管，最小垂直高度為5.75米（如圖1），其設(shè)計(jì)高度根據(jù)蒸發(fā)一、二段的壓差為依據(jù)。現(xiàn)一段壓力為33 kPa、二段壓力為5 kPa，壓差為28 kPa，即U型管內(nèi)的液位高度約為2.4米。一段蒸發(fā)溫度計(jì)TI4101現(xiàn)場(chǎng)位置距U型管底部垂直距離為3.6 m（如圖1）。從溫度計(jì)TI4101的現(xiàn)場(chǎng)位置及設(shè)計(jì)規(guī)范要求，其所在的位置沒有完全浸入在液相區(qū)域內(nèi)，與設(shè)計(jì)規(guī)范不符，從而溫度的指示值存在偏差，對(duì)實(shí)際溫度的控制有一定的影響[6]。

（二）蒸發(fā)換熱器堵管

裝置低負(fù)荷運(yùn)行期間，為了減低產(chǎn)品縮二脲對(duì)蒸發(fā)加熱器的換熱列管進(jìn)行部分堵管。其中一段堵管率為17.5%，并取消了一段蒸發(fā)加熱器E401B;二段蒸發(fā)堵管率為34.9%，其所對(duì)應(yīng)的換熱面積也相應(yīng)減少?，F(xiàn)裝置高負(fù)荷運(yùn)行后，換熱器換熱面積不足，為了保證蒸發(fā)系統(tǒng)的溫度及正常運(yùn)行，只有通過提高加熱蒸汽的壓力來提供尿液蒸發(fā)過程中所需要的熱量。所以蒸發(fā)系統(tǒng)換熱器堵管及取消E401B導(dǎo)致一二段蒸發(fā)加熱器E401A、E402加熱蒸汽壓力高。

另外由于蒸發(fā)加熱器堵管時(shí)均是利用四氟材質(zhì)的可拆卸堵頭堵管。在蒸發(fā)堵頭拆除過程中發(fā)現(xiàn)很多堵頭有松動(dòng)現(xiàn)象，并且蒸發(fā)一段加熱器有十多根列管已被尿素結(jié)晶堵塞。這就說明在生產(chǎn)過程中因一些堵頭的松動(dòng)導(dǎo)致尿液進(jìn)入列管內(nèi)不斷積存、溶解，長(zhǎng)時(shí)間的加熱及停留也是增加縮二脲的生成的一個(gè)方面。

（三）加熱蒸汽

蒸發(fā)系統(tǒng)分為兩段，一段蒸發(fā)加熱器為兩段換熱器E401A/B（如圖1），其中E401A的加熱蒸汽來自裝置自產(chǎn)飽和低壓蒸汽包V904，其目前控制壓力0.48 MPa，與設(shè)計(jì)壓力0.34 MPa偏差較大（主要原因是為了維持合成系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率及穩(wěn)定運(yùn)行），低壓蒸汽通過減壓閥PV4103減壓后壓力為0.31 MPa，較設(shè)計(jì)值0.27 MPa偏高。

從表3可以看出，一段蒸發(fā)加熱蒸汽壓力與設(shè)計(jì)值基本相符，但蒸汽溫度高于設(shè)計(jì)值10℃左右。二段蒸發(fā)加熱器E402的加熱蒸汽來自中壓蒸汽飽和器V909，其控制壓力及溫度與設(shè)計(jì)值相當(dāng)，通過二段蒸發(fā)加熱蒸汽減壓閥減壓后壓力高于設(shè)計(jì)值約0.16 MPa。蒸發(fā)加熱蒸汽溫度及壓力均高于設(shè)計(jì)值較多，這是一段蒸發(fā)縮二脲生成量大的一個(gè)原因。

（四）液位控制

縮二脲的形成隨停留時(shí)間的增加而增加，通過前期裝置的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，我們將合成系統(tǒng)汽提塔的液位、精餾塔液位、尿液槽液位降至最低限操作，這樣可以有效減少尿素的停留時(shí)間，從而可以有效降低縮二脲的生成。

（五）真空度

現(xiàn)裝置運(yùn)行負(fù)荷較高，蒸發(fā)一段真空低且波動(dòng)較大，在33 kPa～43 kPa之間波動(dòng)（設(shè)計(jì)值為33 kPa），一段真空下降會(huì)導(dǎo)致尿液在一段分離器內(nèi)的濃度下降，同時(shí)一段加熱器內(nèi)尿液流速降低、停留時(shí)間增加。一段蒸發(fā)濃度的降低會(huì)使二段蒸發(fā)的負(fù)荷增加，二段真空也會(huì)受到一定程度的影響。通過檢查一段噴射泵未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，現(xiàn)懷疑一段真空噴射泵能力較小，不能完全滿足裝置超負(fù)荷生產(chǎn)需要[7]。

（六）分離器積液?jiǎn)栴}

蒸發(fā)分離器S401、S402底部液相出口距離設(shè)備低點(diǎn)有段距離，不能完全將分離器內(nèi)的尿液排空，保證分離器內(nèi)無積存的尿液。如圖1所示換熱器伸入分離器內(nèi)低點(diǎn)至分離器液相出口管線之間的陰影部分，該部分積存的尿液不能及時(shí)排出時(shí)會(huì)增加尿液的停留時(shí)間，其中一段蒸發(fā)積液量約0.68 m3、二段蒸發(fā)積液量約0.53 m3，這部分尿液停留時(shí)間增加會(huì)產(chǎn)生更多的縮二脲。

四、解決方案及效果

（一）拆除蒸發(fā)一二段堵管

通過研究分析，蒸發(fā)加熱蒸汽壓力均高于設(shè)計(jì)值的原因是蒸發(fā)加熱器堵管后換熱面積降低，換熱器列管內(nèi)液膜厚度增加，為了保證一定的蒸發(fā)量及加熱溫度，只有高的蒸汽壓力才能提供蒸發(fā)所需要的熱量，所以最終決定拆除一二段蒸發(fā)換熱器的堵管。

2016年10月17日拆除二段蒸發(fā)加熱器E402堵管，裝置開車后二段蒸發(fā)加熱器的加熱蒸汽壓力降低了0.13 MPa（如表4），二段蒸發(fā)加熱蒸汽壓力下降后，將一段蒸發(fā)溫度由128 ℃降至127 ℃，但產(chǎn)品縮二脲無明顯降低趨勢(shì)。11月9日利用停車機(jī)會(huì)對(duì)一段蒸發(fā)加熱器堵管進(jìn)行拆除，拆除后一段蒸發(fā)加熱蒸汽壓力下降至0.29 MPa，產(chǎn)品縮二脲略有降低。蒸發(fā)加熱器堵管全部拆除裝置開車運(yùn)行穩(wěn)定后，蒸發(fā)加熱器的加熱蒸汽壓力均降低至與設(shè)計(jì)值相當(dāng)。

（二）降低一段蒸發(fā)溫度

通過分析蒸發(fā)一二段蒸發(fā)尿液濃度（如表5），一二段蒸發(fā)尿液濃度均低于設(shè)計(jì)值。通過查詢尿液濃度與溫度參數(shù)表，可以降低一段蒸發(fā)溫度1 ℃～2 ℃。最終將一段蒸發(fā)溫度由127 ℃降低至125.5 ℃時(shí)，產(chǎn)品縮二脲含量穩(wěn)定在0.87%（如表4），達(dá)到優(yōu)等品尿素的控制指標(biāo)[8]。

（三）優(yōu)化提升方向

1. 蒸發(fā)換熱器E401B

蒸發(fā)一段加熱器下段E401B設(shè)計(jì)利用高壓調(diào)溫水進(jìn)行換熱，高壓調(diào)溫水的溫度根據(jù)不同負(fù)荷為130 ℃～140 ℃，溫度低于加熱蒸汽的溫度約20 ℃左右，因此恢復(fù)利用E401B對(duì)尿素溶液加熱對(duì)縮二脲降低有較大的作用。E401B若恢復(fù)投用后，E401A加熱蒸汽的用量將下降，其加熱蒸汽的壓力、溫度也會(huì)有一定程度的降低。

2. 真空度

目前考慮一段蒸發(fā)增加一臺(tái)噴射泵與原有噴射泵并聯(lián)運(yùn)行，以提高并穩(wěn)定一段真空度至設(shè)計(jì)指標(biāo)，同時(shí)降低二段蒸發(fā)負(fù)荷及真空。

3. 一段蒸發(fā)溫度

針對(duì)一段蒸發(fā)溫度計(jì)位置與設(shè)計(jì)不符的問題，計(jì)劃利用停車機(jī)會(huì)將溫度計(jì)更改至適當(dāng)位置，以達(dá)到溫度指示的準(zhǔn)確性，通過優(yōu)化控制溫度降低產(chǎn)品縮二脲的含量。

4. 分離器積液

計(jì)劃將一、二段蒸發(fā)分離器與加熱器連接處的最低點(diǎn)增加DN50左右的直通管線，以保證正常生產(chǎn)及停車后分離器內(nèi)無尿液積存，可有效降低縮二脲的生成。

五、結(jié)束語(yǔ)

雖然目前公司尿素產(chǎn)品縮二脲指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了優(yōu)等品的要求，但從我們裝置本身來講還能通過設(shè)備改造和工藝優(yōu)化來進(jìn)一步降低產(chǎn)品中縮二脲的含量?？傊a(chǎn)品縮二脲的控制與降低是需要持之以恒解決的問題，只有我們通過不斷的努力提高產(chǎn)品質(zhì)量，才能從真正意義上生產(chǎn)一流產(chǎn)品、造就一流企業(yè)。

參考文獻(xiàn)：

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