尿素装置超低负荷运行的可行性研究

2014-02-15 08:50武满红
云南化工 2014年1期
关键词:水富汽提汽提塔

武满红

(云南水富云天化有限公司尿素车间,云南水富 657800)

尿素装置超低负荷运行的可行性研究

武满红

(云南水富云天化有限公司尿素车间,云南水富 657800)

通过对云南水富云天化有限公司尿素装置的设备及工艺分析,找出装置在超低负荷(60%~65%)下运行的瓶颈。通过搜集装置在超低负荷下运行数据,进行分析研究,针对性提出应对措施,通过实际运行维护来验证装置在超低负荷运行的安全性和可行性。

尿素装置;超低负荷;可行性

云南水富云天化有限公司(以下简称“公司”)尿素装置采用荷兰Stamicarbon二氧化碳汽提技术,原设计能力为1 620 t/d,经过2003年的增产改造及系统优化后,装置最大生产能力已达到2 450 t/d。但是,由于外界环境的影响,天然气供应一直比较紧张,尿素装置低负荷生产已不可避免。

尿素装置在低负荷下运行时,经济效益低,单位产品的物耗和能耗大幅增加,同时由于装置负荷过低,尿液和甲铵的混合液在汽提塔(201-C/CB)分配管中不易形成液位,汽提管内液体分布不均,导致汽提管内液气比失调,造成汽提塔部分列管腐蚀加剧。根据Stamicarbon设计要求,CO2负荷不能低于70%运行(Stamicarbon口头建议CO2负荷不能低于65%),否则汽提塔将遭受严重腐蚀。2011年10月,由于天然气供应的原因,公司的尿素装置在62%负荷下连续运行了3天,但产品质量及设备运行较好。所以,有必要探讨尿素装置在超低负荷下运行的可行性,为公司的尿素装置在非正常供气下运行提供依据。

1 装置在超低负荷下运行的瓶颈

1.1 汽提塔的腐蚀速率增加

汽提塔结构较为特殊,其中的液体分布器是汽提塔中关键部件,其作用就是将液体均匀分布到每根汽提管内。当系统负荷降低后,流经汽提塔的物料量将减少,使得上管箱内液面高度降低、静压头减小、液膜将变薄和不完整、液体分布不均匀性增加、部分管内气液比较低,造成该管内汽提效率降低;同时,该汽提管内液相中溶解的氧含量也将降低,甲铵在高温下分解,管壁氧化膜被破坏,导致汽提塔的列管腐蚀加剧。为此,Stamicarbon建议公司尿素装置负荷不能低于65%。

1.2 小汽提塔封塔维护风险增大

根据Stamicarbon设计要求,当系统负荷低于25 000 m3/h(即65%负荷)时,需切除小汽提塔(201-CB)和新循环系统,但是切除小汽提塔会存在以下问题:

1)根据《汽提塔201-CB维护检修规程》要求,201-CB封塔时间不能超过72 h,否则设备钝化膜将遭到破坏。

2)若合成塔至201-CB进液阀HV-205内漏较大,201-CB在有工艺介质情况下封塔,势必加剧201-CB的腐蚀,缩短封塔时间。

3)由于系统负荷很低,进入大小汽提塔的CO2不好控制。201-CB中的二氧化碳加入量控制较低将导致201-CB腐蚀,而201-CB二氧化碳加入量过大将导致大汽提塔201-C气液比降低,不但造成201-C汽提效率降低而且造成201-C严重腐蚀。

4)在201-CB排放液位时,如果排放控制不好(二氧化碳窜入循环系统),不仅存在循环系统超压风险,甚至会引起高压甲铵泵汽化、高压系统超压。

5)如果进201-CB的二氧化碳止逆阀内漏,存在201-CB中的二氧化碳管线堵塞的风险(2010年9月19日切除小汽提塔后,由于CO2止逆阀内漏以及进入201-CB二氧化碳流量表指示不准,造成进201-CB二氧化碳管线堵塞)。

1.3 产品质量下降

装置在低负荷运行时,流入汽提塔的物料减少,造成液体流经高温段的流速降低,停留时间延长。由于尿素是热敏性较强的物质,在高温条件下,尿素聚合反应和水解反应随停留时间的延长和温度的升高而加剧(如图1所示),这样不但造成尿素产品中缩二脲含量升高,影响产品质量,同时也降低了尿素的产率。

尿素在循环系统、蒸发系统也会由于温度高、停留时间长而造成产品中缩二脲含量升高。

图1 温度、停留时间与缩二脲生成率的关系Figure 1 Relationship among temperature,residence time and the generation rate of biuret

2 装置在超低负荷下运行时的控制措施

针对CO2汽提法尿素装置在超低负荷下运行所存在的问题,提出以下控制措施,以减缓设备腐蚀,提高产品质量,保证装置的安全运行。

2.1 控制高压系统的氨碳比

从设备方面考虑,尿素装置在超低负荷下运行时,对汽提塔的影响最为严重,主要是由于负荷降低后,物料不容易在汽提塔液体分布器上部形成液位,造成汽提塔列管内物料分布不均,导致列管严重腐蚀。为此,采取提高高压系统进料氨碳比的方法增加系统的循环量,达到提高进入汽提塔的物料量,改善汽提塔液体分布器的分配效果,从而减缓设备腐蚀。当然,高氨碳比势必会增加装置电力、蒸汽等消耗。

装置氨碳比设计控制指标为3.0~3.4,当装置在超低负荷下运行时,控制氨碳比在3.3~3.4之间。

2.2 不切除小汽提塔及新循环系统

不切除小汽提塔及新循环系统,不仅可以延长装置在超低负荷下运行的时间,避免小汽提塔封塔72 h后装置停车,而且也降低维护风险。

2011年10月,公司尿素装置在62%负荷下运行时,小汽提塔和新循环系统未切除,从分析数据及装置运行情况看,小汽提塔的腐蚀在允许范围内。

2.3 提高进入系统的氧含量

提高进入系统的氧含量,可以提高液相中氧的溶解量,使设备氧化膜遭到破坏时,可以及时进行修复。

公司尿素装置氧含量(质量分数)控制范围是0.6%~1.0%,在超低负荷时氧含量可控制在0.9%~0.95%,以减缓设备腐蚀。

2.4 降低汽提塔壳侧蒸汽压力

由于缩二脲的生成速率与温度、游离氨含量和停留时间有关,从尿素的合成反应开始缩二脲就生成,只是由于合成塔内游离氨含量较高,缩二脲生成的较少。但在汽提塔内,由于汽提过程进行的温度较高,而游离氨含量较低,所以缩二脲再次大量的生成。为此,在保证循环系统稳定运行的前提下,尽量降低汽提塔壳侧蒸汽压力,从而降低汽提塔壳侧加热蒸汽的温度,以降低缩二脲的生成速率,同时还可以减少尿素的水解。

降低汽提塔壳侧蒸汽压力,可以降低反应进行的温度,从而减缓设备的腐蚀,延长设备的使用寿命。

公司尿素装置汽提塔壳侧蒸汽压力控制范围是1.62~2.05MPa,在超低负荷时蒸汽压力可控制在1.55~1.60MPa。

2.5 降低加热器温度

由图1看出,温度越高,缩二脲生成速率越快,因此降低反应温度可以降低缩二脲的生成速率。

2.5.1 降低循环加热器温度

据统计,在循环系统有0.4%左右的缩二脲生成[1],因此对循环系统的缩二脲控制也尤为重要。在超低负荷下,精馏塔出液温度TI03-1可控制在125℃(正常指标128~135℃)。

2.5.2 降低蒸发二段温度

在蒸发系统,由于游离氨含量较低,同时温度较高,所以缩二脲的生成与温度的控制很重要。装置在超低负荷下运行时,在保证尿液不进入结晶区域的前提下,尽量降低蒸发二段温度,蒸发二段温度TIC-404可控制在137~139℃。

2.6 降低各储槽的液位

由图1看出,随着停留时间的延长,缩二脲生成速率越快。因此,缩短停留时间可以降低缩二脲的生成速率。

2.6.1 控制尿液储槽在低液位

为了缩短尿液在尿液储槽的停留时间,将尿液槽的液位控制在低限5%~7%。

2.6.2 控制汽提塔和精馏塔在低液位

在保证不窜气的情况下,汽提塔液位LI203/202由50%降至40%,精馏塔液位LI302/301由15%降至10%。

2.6.3 降低蒸发二段液位

由于蒸发二段尿液浓度高、温度高、游离氨含量少,为了减少缩二脲的生成,控制蒸发二段液位LI401在30%~50%,减少停留时间,降低缩二脲的生成速率。

2.7 仪表定期检查各测温点

为保证蒸发一、二段温度测量的准确,定期联系仪表,对这两点温度进行调校。

2.8 减少蒸发循环次数

装置在超低负荷运行时,尽量减少蒸发循环的次数,避免停留时间过长,造成产品缩二脲超标。如果遇到倒喷头或熔融尿液泵,蒸发循环时需破真空并降低蒸发一、二段温度至100℃左右。

2.9 控制喷头转速在低限

尿素装置旧喷头(型号TX302/303)是按1 950 t/d设计制造,不能满足装置满负荷生产需要。2011年5月,公司对尿素喷头进行了更换(型号为TX429/430),该喷头是按2 300 t/d设计制造。因此,装置在超低负荷运行时,为了使喷头转速与负荷对应,可以将新喷头更换为旧喷头,以提高产品粒度。

3 装置在超低负荷下运行的实际情况

2011年10月28日至30日,公司尿素装置在62%负荷(即22 500 m3/h)下连续运行了3 d,装置运行数据统计见表1。

表1 尿素装置在62%负荷下运行数据Table 1 Load data of device running under 62%

在正常情况下,工艺介质对设备有较小的腐蚀,并且是均匀的腐蚀,产品中的Ni含量稳定在0.30μg/g以下。《日产2300 t尿素装置工艺手册》中规定当成品尿素中Ni含量超过0.30μg/g(Ni总量达28.7 g)时,经48 h处理后,成品中的Ni含量仍高于0.30μg/g,则应停车排放、重新升温钝化[2]。虽然装置在62%负荷下运行时产品中Ni含量较高,但是尿素产品中总Ni量变化不大,说明设备腐蚀量基本无变化。

4 结束语

通过对装置在超低负荷下运行情况的分析研究,在针对性采取相应措施后,虽然其中一些操作会造成装置能耗上升,但是可有效降低装置在超负荷下运行时设备的腐蚀,保证装置的安全运行,可为以后装置在超低负荷运行时的操作提供参考。

[1] 云南云天化股份有限公司.日产2 300吨尿素生产知识问答[M].云南水富:云南云天化股份有限公司,2008:79.

[2] 云南云天化股份有限公司编.日产2 300吨尿素装置工艺手册[M].云南水富:云南云天化股份有限公司,2012:3-7.

Feasibility Study of Urea plant Operation under Ultra-low-load

WU M an-hong

(Yuntianhua Corporation,Shuifu 657800,China)

Based on the analysis of Yuntianhua AG urea plant equipment and process,bottleneck of the device running under ultra-low-load(60 to 65%,the same below).is identified.By collecting data of device running under ultra-low load,after analysis and study,targetedmeasures are addressed.through the actual operation and maintenance of the device,the safety and feasibility of operation under ultra-lowload are to be verified.

urea plant;ultra-low load;feasibility

TQ441

: A

: 1004-275X(2014)01-0056-03

12.3969/j.issn.1004-275X.2014.01.016

收稿:2013-09-06

武满红(1985-),男,助理工程师,主要从事生产技术工作。

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