CO2汽提尿素装置高压系统放空问题的分析
廖容波1，沈永伦2
（1.北京众联盛化工工程有限公司，北京100101；2.湖北三宁化工股份有限公司，湖北 枝江443203）
［摘 要］通过高压放空调节阀的设计和运行参数，准确计算出高压尾气的放空量，并根据高压洗涤器的运行参数，结合现场分析检测结果，得出高压系统放空量大的主要原因是原料气CO2的纯度不高，导致合成塔CO2转化率下降、高压洗涤器热负荷大、水碳比偏高等结果。
［关键词］ CO2汽提尿素装置；高压洗涤器；高压系统；放空；CO2纯度
［中图分类号］TQ 441.41 ［文献标志码］ B ［文章编号］1004-9932（2015）03-0045-03
湖北三宁化工股份有限公司（简称湖北三宁）尿素装置设计产能为300 kt/a，采用传统国产化CO2汽提工艺，经过几次小的技术改造，其产能达到日产尿素1 400 t。生产中为了达到增产目的，稳定高压系统操作压力，必须加大放空阀HPV0202的开度，最大时达到94%，导致该调节阀基本丧失调节控制作用。由于高压系统的放空量一直很大，生产人员担心现有装置的安全问题以及该装置是否还有增产潜力。本文着重阐述当前高压系统的运行状况，并对放空问题进行分析。
1 高压系统工艺概述
1.1 高压系统工艺流程
CO2汽提尿素装置的高压系统由４大高压设备组成，分别是汽提塔、合成塔、高压甲铵冷凝器和高压洗涤器。通常认为NH3和CO2在高压甲铵冷凝器中迅速生成甲铵，然后甲铵在合成塔中分解为尿素和水。合成塔中的尿液溢流至汽提塔中，经CO2汽提，使溶液中的甲铵分解为NH3和CO2逸出；合成塔中未反应气体进入高压洗涤器中，用来自低压系统的稀甲铵液吸收NH3和CO2，惰性尾气放空［1］。
1.2 高压洗涤器反应机理
在13.9~14.0 MPa的条件下，在高压洗涤器中，NH3和CO2鼓泡吸收，生成甲铵液，依靠位差流入高压甲铵冷凝器。为了避免液态甲铵凝固，出口甲铵液的温度保持在160 ℃。高压洗涤器中的反应如下：
2 NH3(气)+ CO2(气)NH2COONH4－15884 kJ/mol（1）
该反应为放热反应，生成甲铵的反应热由高压洗涤器壳侧的高调水带走。
1.3 高压洗涤器运行状况
湖北三宁尿素装置的高压洗涤器是带球型封头的直立管壳式浸没冷却器，换热面积为89.9 m2。来自合成塔未反应的NH3和CO2以及惰性气体，进入充满甲铵液的高压洗涤器，气液混相于洗涤器底部，气体鼓泡向上，然后进入填料段，由来自低压系统的稀甲铵液吸收，吸收后的剩余尾气直接排放到低压吸收塔。
湖北潜江尿素装置的高压洗涤器换热面积为113 m2，高压系统的其他设计参数与湖北三宁基本一致，2套尿素装置高压洗涤器运行参数的对比见表１。
表1 高压洗涤器运行参数对比
|
运行参数 |
设计值 |
湖北潜江 |
湖北三宁 |
|
尿素产量/t•d‾1 |
1 000 |
1 338 |
1 396 |
|
洗涤器出液温度/˚C |
165 |
169.5 |
170.7 |
|
洗涤器出气温度/˚C |
100 |
107.2 |
137.7 |
|
高调水进/出温度/˚C |
120/130 |
117/128 |
100/127 |
|
高调水量/t•h‾1 |
226 |
233 |
230 |
|
放空阀开度/% |
|
20 |
93 |
从表1可以看出，湖北三宁尿素装置高压系统放空阀的开度比湖北潜江的大很多，而且高调水进出口温差比湖北潜江的大很多，约为湖北潜江的２倍。
2 高压系统放空问题的分析和探讨
2.1 高压洗涤器吸收过程
根据反应式（1）可知，甲铵的合成反应为放热反应，当热量被移出时，反应向右进行，能促进NH3和CO2的进一步吸收，合成甲铵。
从表1中高调水的流量和进出温度，可以推算出高压洗涤器的反应热，见表２。
表2 高压洗涤器换热参数比较
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运行参数 |
设计值 |
湖北潜江 |
湖北三宁 |
|
高调水进出温差/˚C |
10 |
11 |
27 |
|
高调水量/t•h‾1 |
226 |
233 |
230 |
|
热负荷/kJ•h‾1 |
9 446 800 |
10 713 340 |
25 957 800 |
从表2可以看出，湖北三宁高压洗涤器的热负荷为设计值的2.74倍，为湖北潜江的2.4倍；但是其产量仅为设计值的1.40倍，为湖北潜江的1.04倍。可以推断，湖北三宁尿素装置从合成塔顶过来的气体中有大量的NH3和CO2参与反应被吸收。
由于高压系统没有设置流量计来监测放空气的流量，只能根据调节阀的开度来推算放空量。根据《仪表常用数据手册》中霍尼韦尔公司调节阀的计算公式［2］，可推算出上述２套尿素装置的高压系统放空量，见表3。
更多内容请见《中氮肥》2015年第3期