沈华民
（中国化工学会化肥专业委员会，上海200336）
［摘 要］随着尿素生产工艺技术的发展，为节能减排及降耗增效，尿素装置废水需通过水解-解吸系统进行处理。为探讨技术上可靠、经济上合理的水解-解吸工艺，以化学反应工程学的视角从反应过程及质热传递过程入手考察水解-解吸原理，以及优化整个水解-解吸系统的途径和手段，并对已实现工业化的尿素废水处理系统的2条技术路线——汽提法尿素装置采用的两塔法、UTI尿素装置采用的单塔法各自的技术思路、工况特点、化工过程等进行分析和讨论，以为业内提供一些参考与借鉴。
［关键词］尿素装置；废水处理；水解-解吸；原理；技术路线；两塔法；单塔法
［中图分类号］TQ441.41 ［文献标志码］A ［文章编号］1004-9932（2018）03-0007-04
0 引 言
绿水青山就是金山银山，建设生态文明城乡是我国的国策，治理化工企业排放的废水（污水），是实现绿水青山的重要一环。
尿素装置的废水来自以下几个方面：① 伴随尿素生成反应的副产物——水，生成1 t尿素要副产300 kg水，最后成为蒸发冷凝液（含有少量NH3、CO2及尿素）；② 原料液氨、CO2以及蒸汽喷射泵工作时带入系统的水；③ 开停车过程中的冲洗用水，以及检修设备排放的废液等。最终，吨尿素废水产生量为400～500 kg，废水含尿素 0.5%～2.0%（质量分数，下同）、NH3 1.0%～6.0%、CO2 0.5%～3.0%。
这些废水若不经处理直接排放，不符合环保要求，会对水体造成污染，且浪费水资源和尿素、NH3等有效物质，增加尿素装置的原料消耗和生产成本。因此，尿素装置中必须设置废水处理系统，这是绿水青山之需，也是尿素装置生存的前提条件。常规的尿素废水处理方法称为“水解-解吸”法，它是将水解与解吸2个化工过程联合在一起的处理方法：通过水解反应将废水中的尿素水解为NH3与CO2；通过解吸反应将废水中的NH3与CO2解吸出来并予以回收。经过这一处理过程后，有效物质从废水中分离出来，分别得到较洁净的水，并回收NH3与CO2。
尿素装置中的水解-解吸系统，其技术要求如下：① 系统出水NH3含量＜5×10-6、尿素含量＜5×10-6，用作锅炉给水或其他用途，或达标排放；② 回收物中的有效物质（NH3与CO2）浓度高、水含量少，返回尿素装置后对合成转化率影响小，且要易于与尿素装置衔接；③ 新建的水解-解吸系统应投资省、运行成本低。
1 水解-解吸原理
1.1 水解-解吸反应式考察
1.1.1 解吸反应式
解吸定义：将废水中的NH3与CO2（对于尿素装置而言，属有效组分）脱吸出来成为气态NH3与CO2的过程，称为解吸。
废水中的NH3与CO2通常以氨碳化合物的形式存在。可将解吸过程视为如下化学过程：氨碳化合物首先分解为溶解态的NH3与CO2，然后在加热状态下脱吸挥发为气态NH3与CO2（解吸过程中，水中的NH3与CO2处于气液平衡状态，其平衡压力为pe）。其过程如下：
mNH3·nCO2（l）===mNH3（l）+nCO2（l）mNH3（g）+nCO2（g）-Q1 （1）
由反应式（1）可知，解吸反应是体积增大的吸热反应。因此，为使反应向正方向进行，反应条件应为低压、加热状态，即降低系统压力、加热系统（输入热量）有利于解吸过程的进行。
1.1.2 水解反应式
水解定义：将废水中的少量尿素［CO(NH2)2］分解并挥发成气态NH3与CO2，称为水解。水解过程总化学反应式如下：
CO(NH2)2（l）+H2O（l）=== 2NH3（g）+ CO2（g）-Q2（2）
可见，尿素水解反应总体上也是体积增大的吸热反应。
实际上，尿素水解过程是一个复合的反应过程。废水中的尿素首先需在高温条件下转化为液态甲铵［NH4COONH2］，然后在加热状态下甲铵进一步分解为液相NH3与CO2，再解吸为气态NH3与CO2。故反应式（2）实际上是由2个反应串联而成，具体如下：
CO(NH2)2（l）+H2O（l）===NH4COONH2（l）+Q3 （2-1）
NH4COONH2（l）===2NH3(l)+CO2(l)===2NH3（g）+CO2（g）-Q4 （2-2）
式（2-1）是液相中进行的尿素水解反应，为弱放热反应，是一个反应速率慢的化学反应，只有当温度＞150 ℃时反应才开始缓慢进行，并且只有超过180 ℃时才有明显的反应速率。
水解后，溶液中的尿素残留量（Su）是反应温度（t，℃）、反应时间（τ，h或min）和原始进料中NH3与CO2的总浓度［co，%（质量分数）或10-6］的函数。即：
Su=f（t，τ，co） （3）
简而言之，随着反应温度的升高、反应时间的延长、原始进料中NH3与CO2总浓度的减小，溶液中尿素残留量Su减小。
实验研究表明，Su与其他3个参数t、τ、co之间的关系如图1［1］、图2［1］所示。可以看出，随着反应温度的升高和停留时间的延长，尿素残留量越小；反应时间越长，溶液中NH3与CO2浓度越低，尿素残留量越小。
若废水处理后，出水残留尿素合格指标定为5×10-6，由图1、图2可查得加热温度为205 ℃、停留时间为30 min，原始进料组分为NH3 0.61%、CO2 0.18%、尿素 0.88%。
由于水解总反应是一个串联反应，首先需完成反应（2-1），然后才能进行反应（2-2），控制步骤为反应（2-1）。因此，若将水解-解吸系统作为一个整体来考虑的话，其设计原则为：① 水解宜选高温条件（设定的起始温度为180 ℃），且需保证足够的停留时间，原始进料中NH3与CO2浓度越低越好；② 解吸宜选低压条件，压力应尽量降低。
更多内容详见《中氮肥》2018年第3期