Aspen Plus对尿素合成塔的流程模拟与分析
温 云，乔 洁，位 朋
（河南心连心化肥有限公司，河南新乡 453700）
［摘 要］ 利用Aspen Plus对国产化二氧化碳汽提法尿素装置（1 450 t/d)中的尿素合成塔进行了流程模拟，在物料衡算数据中增加了中间产物氨基甲酸铵的数据，并编制了合成塔内两步可逆反应动力学的用户子程序，通过调整反应的动力学数据，得到了相对较好的模拟结果，同时也指出了本模拟的不足之处。
［关键词］ 尿素合成塔；流程模拟；Aspen Plus；模拟结果；误差分析
［中图分类号］ TQ 441.41 ［文献标志码］B ［文章编号］ 1004-9932（2017）01-0033-03
0 引 言
尿素合成塔是尿素生产中的关键设备之一，对其进行模拟能够加深对尿素生产过程的理解，通过对模拟数据的分析，有助于对设备和工艺操作参数进行优化调整，达到提高尿素合成转化率、增产降耗的目的。有研究人员利用热力学和动力学模型编制模拟程序对尿素合成塔进行了模拟［1-2］，但这些模型涉及到的计算量很大，不利于对操作参数进行调整。Aspen Plus是一款大型通用流程模拟软件，具有完备的物性系统、完整的单元操作模型库以及针对不同操作条件的物性计算方法。本文借助Aspen Plus软件对国产化二氧化碳汽提法尿素装置中的尿素合成塔进行流程模拟，并对模拟结果进行简单的分析。
1 尿素合成反应简介
尿素合成塔中涉及的物质有氨、二氧化碳、尿素、缩二脲、水、中间产物氨基甲酸铵（甲铵）和少量氮气、氧气和氢气等，主要的化学反应如下。
甲铵生成反应：
2NH3+CO2====NH2COONH4 （1）
甲铵脱水生成尿素的反应：
NH2COONH4====NH2CONH2+H2O （2）
缩二脲生成反应：
2NH2CONH2====NH2CONHCONH2+NH3 （3）
其中，缩二脲在合成塔中的生成量较少，要实现缩二脲的模拟比较困难，本模拟暂不考虑反应（3）的影响。
反应（1）和反应（2）都是可逆反应，其中，反应（1）是强放热反应，反应速度很快，几乎在瞬间即可达到化学平衡［3］；反应（2）是微吸热反应，反应速度较慢，是尿素合成反应的控制步骤。这两个反应都必须在高温高压下进行，物系处于液相状态。
2 流程模拟
本文对尿素合成塔的模拟主要以Aspen Plus软件中对尿素高压圈的模拟实例［4］为依据，物料数据采用我公司国产化二氧化碳汽提法尿素装置（1 450 t/d）的物料衡算数据。
2．1 流程设计
尿素合成塔进口物流202和205分别为从高压甲铵冷凝器内流出的气相物流和液相物流，出口物流203和207分别为从尿素合成塔流出的气相产物和液相产物。
Aspen Plus模拟流程如图1。尿素合成塔采用平推流反应器模型RPlug，采用混合器Mixer将进口物流202和205混合得到MIXIN物流送入合成塔，采用分离器Flash2将合成塔出口物流MIXOUT分离得到反应产物203和207 物流。
2．2 物性方法
采用基于RKS扩展方程的SP-PLOAR物性方法，该方法可用于极性和非极性组分以及高度非理想混合物系，是代替活性系数模型处理非理想混合物的物性方法，适用于高温高压系统。
2．3 物性数据
在Aspen Plus的数据库中，有关尿素和甲铵的物性数据比较缺乏，据模拟实例［4］补充了部分物性数据，包括二者的理想气体热容系数（CPIGDP）、理想气体标准生成焓（DHFORM）、RK-UNIFAC方程的参数（RKU）和二元交互参数（RKUKA）等。
2．4 物料数据
在收集到的物料平衡数据中，一般没有甲铵的数据，本文根据模拟需要和实际情况对物流205的组成进行了调整（实际生产中氨基甲酸铵的成分无法检测，因此在工艺包和生产的物料衡算中，不存在氨基甲酸铵；但氨基甲酸铵在尿素合成过程中是实际存在的，在Aspen模拟中，由于其产生是要放出大量热量的，无法忽略不计，因此需要将原工艺包数据中的CO2和NH3转化一部分为氨基甲酸铵）；另外还根据反应（3）将缩二脲转换为尿素和氨。调整前后的物料平衡数据见表1。
更多内容详见《中氮肥》2017年第1期