尿素合成塔化学爆炸的可能性分析
——第三篇合成气爆炸可能性的检验与判断
沈华民
（中国化工学会化肥专业委员会，上海200336）
［摘 要］基于正常开车与短期停车、正常加氧与过量加氧、正常工艺条件与非正常工艺条件下的4组8类具代表性的工况，探讨传统水溶液全循环法尿素装置合成气爆炸的可能性，分别对各种工况下的计算结果结合相应的三角形相图进行检验与判断，最后得出结论：正常工况（E1，E2）下合成气为非爆炸性气体；动态工况（E1，E3，E5，E7）下合成气除E7外亦为非爆炸性气体；静态工况（E2，E4，E6，E8）下合成气除E2外均为爆炸性气体。
［关键词］ 尿素合成塔；化学爆炸；可能性；工况选择；计算；安全性考察
［中图分类号］ TQ 441.41 ［文献标志码］A ［文章编号］ 1004-9932（2016）
0 引 言
考察尿素合成塔合成气是否存在化学爆炸的可能性，需按以下三步来进行检验与判断：第一步，选择合宜的爆炸浓度极限范围图；第二步，尿素合成塔合成气性状分析；第三步，判断各条件（工况）下尿素合成塔的气相是爆炸性还是非爆炸性气体。
《尿素合成塔化学爆炸的可能性分析——第一篇导言》［1］已经讨论了爆炸浓度极限范围图的选择。传统水溶液全循环法尿素装置尿素合成塔操作温度为180～188 ℃（顶部）、操作压力为20 MPa，较荷兰Stamicarbon公司提供的爆炸浓度极限范围图的条件150 ℃、17.5 MPa稍高；因为目前尚缺少完全符合传统水溶液全循环法尿素装置条件下的爆炸浓度极限范围图，所以选择了Stamicarbon公司的NH3-H2-N2-Air物系在150 ℃和17.5 MPa条件下爆炸浓度极限范围图（本图可用于各类汽提法尿素装置高压圈有关气态物料是否处于爆炸浓度极限范围的判断）来进行近似判断。需说明的是，由于物系温度、压力越高，爆炸浓度极限范围就越大，故而将此图用来检验与判断传统水溶液全循环法尿素装置合成气爆炸的可能性，其爆炸浓度极限范围会偏小一些，只能勉强应用。
《尿素合成塔化学爆炸的可能性分析——第二篇 合成气性状分析》［2］叙述了怎样计算合成气性状的原则性方法。作为铺垫，首先介绍了早期及现代工业尿素合成理论，并以现代工业尿素合成理论为基础，建立了合成反应动态模型，结合合成反应达化学平衡时的文献数据，探求稳定物料流动工况下尿素合成塔出口合成气的组成及含量的计算方法；同时，建立了尿素合成塔静态模型，结合文献数据，探求短期停车工况下尿素合成塔上部合成气的组成及含量的计算方法。
以上两项工作已经为实际操作条件下检验与判断合成气爆炸的可能性研究奠定了基础，本篇进入检验与判断各种工况下合成气是否属于爆炸性气体的研究阶段。
1 工况选择
尿素装置的生产，从投料到出产品，是一个复杂多变的过程，故而合成气的形成条件也多种多样。本文主要探讨如下3种情况。
1.1 第一种正常开车和短期停车工况
除了正常开车之工况必须研究外，经常还会出现各种意想不到的原因而被迫停车处理的情况，因而还需要研究短期停车工况下的合成气性状。
1.2 第二种正常加氧和过量加氧
氧气既是防腐剂，又是助燃爆性气体，因而尿素装置的防腐与防爆是一对矛盾。计算表明，在正常加氧量情况下已能满足防腐之需，因而加氧严格控制在正常指标之内是必须的。但是，由于有些尿素装置对防腐加氧量控制不严，或者未设置加氧量与生产负荷之间的联动控制系统，从而造成尿素合成塔合成气中氧含量偏高。故而需分别考察正常加氧和过量加氧条件下合成气之爆炸性能。
1.3 第三种正常工艺条件和非正常工艺条件
传统水溶液全循环法尿素装置合成塔正常工艺条件下NH3/CO2=4.0～4.1（摩尔比，下同）。然而，在生产过程中往往会出现NH3/CO2偏离正常值的情况。若NH3/CO2偏高，经验表明，此种情况对系统影响较小，且易于调整，故本文不作讨论。需关注的是NH3/CO2 偏低的情况，尤其是需要讨论NH3/CO2＜3.0的情况，此时将导致CO2转化率急剧下降，对全系统的操作会造成严重危害，调整也很困难。当然，此时的合成气安全性究竟如何，也需考察。
综合上述三大类工况，本文选择4组（第一组为正常工况正常加氧，第二组为正常工况过量加氧，第三组为非正常工况正常加氧，第四组为非正常工况过量加氧）8类具代表性的工况点（见表1），判断其合成气是否属于爆炸性气体。
表1 合成气的4组8类具代表性的工况
|
项目 |
状态 |
工艺条件 |
工况 分类 |
||
|
NH3/CO2 |
H2O/CO2 |
加氧量/% |
|||
|
第一组 |
流动态 |
4.0 |
0.65 |
0.5 |
E1 |
|
静止态 |
4.0 |
0.65 |
0.5 |
E2 |
|
|
第二组 |
流动态 |
4.0 |
0.65 |
1.0 |
E3 |
|
静止态 |
4.0 |
0.65 |
1.0 |
E4 |
|
|
第三组 |
流动态 |
2.5 |
0.65 |
0.5 |
E5 |
|
静止态 |
2.5 |
0.65 |
0.5 |
E6 |
|
|
第四组 |
流动态 |
2.5 |
0.65 |
1.0 |
E7 |
|
静止态 |
2.5 |
0.65 |
1.0 |
E8 |
|
注：①
流动态——气液相并存于尿素合成塔内；② 静止态——液相居于尿素合成塔下部，气相居于尿素合成塔上部；③ 加氧量均以占原料CO2气的体积计，下同；④
H2O/CO2均为摩尔比，下同。
2 合成气爆炸可能性的计算
以我国传统水溶液全循环法中型尿素装置为例进行介绍。
2.1 计算基础
（1）设备条件：尿素合成塔体积VR=40 m3；塔径D= 1.4 m；塔高H =26.4 m。
（2）工艺条件：操作压力p= 20 MPa；NH3/CO2=4.0；H2O/CO2=0.65；操作温度t =188～190 ℃（塔顶）。
（3）原料条件：CO2纯度98%～98.5%（体积分数，下同），其余为惰气（H2/N2=2）；加氧量 0.5%～0.6%；液氨纯度99.8%（质量分数，下同），其余为N2 0.1%，H2 0.01%，CH4 0.09%。
（4）原料入塔量（以生成1 t尿素计）：NH3 1 333.75 kg（50 ℃）；CO2 733 kg（125 ℃）；甲铵液1 275.75 kg（100 ℃）。
（5）生产负荷：16.667 t/h；生产强度I=10 t/(m3·d)。
2.2 计算方法
（1）有效气组分压力pE和惰气分压pI的计算。由NH3/CO2、H2O/CO2及t得物系化学平衡时的平衡压p平［4-6］，p平即为pE，则pI=p-p平=20-p平。
（2）有效气各组分含量计算。由文献［4-6］查得NH3、CO2、H2O各组分分压，则p平=pNH3+pCO2+pH2O，由此各组分含量可求，φNH3=pNH3/p ×100%，φCO2=pCO2/p×100% ，φH2O=pH2O/p×100%。
（3）惰气各组分含量计算。由原料NH3、CO2纯度，加氧量，以及原料入塔量，可计算各惰气（H2、N2、CH4、O2）的体积VH2、VN2、VCH4、VO2；则惰气总体积VS =VH2+ VN2+ VCH4+VO2；各惰气组分在惰气中的体积分数φH2=VH2/VS，同理可求φN2，φCH4，φO2；则惰气各组分在合成气中的含量为：φ′H2=φH2×pI/p×100%，φ′N2=φN2×pI/p ×100%，φ′CH4=φCH4×pI/p×100% ；φ′O2=φO2×pI/p×100%［并将O2转换为Air（空气）］。
更多内容详见《中氮肥》2016年第4期