尿素低压系统工作原理与操作优化

张明磊

摘 要：低压分解吸收系统的任务是将汽提塔来的经过减压闪蒸的尿液进一步浓缩，去除未反应的氨和CO2，还有部分的水分，并通过低压甲铵冷凝器冷凝回收生产出高浓度的甲铵液，再由高压甲铵泵送回高压系统，一方面维持高压系统的H/C在一个正常的范围内，以保证较高的二氧化碳转化率，另一方面将回收的甲铵液转化成尿素，维持一个较低的氨耗水平。本文对低压系统工艺指标和常见事故进行分析，并分析了低压系统的基本操作方法与优化，提高低压系统效率及运行平稳率。

关键词：低压系统;回收;基本操作与优化

1 概述

尿素生产装置采用世界上较先进的二氧化碳汽提法，具有流程短、能耗低和操作便捷等优点。而低压循环系统操作对整个尿素装置的稳定运行关系极大。低压循环系统包括分解和冷凝吸收两个工艺。本文主要对低压系统的优化操作的方向进行简单分析。低压循环系统操作的总的要求是必须达到预计的甲铵分解率与总氨蒸出率，还要有好的冷凝吸收效率。其中最重要的是要保证整个尿素装置的水平衡，即在保持上述效率的基础上，返回高压系统的水量要尽可能少。

2 低压系统的工艺指标分析

2.1 低压分解工艺指标的选择

低压分解工艺指标选择与整个循环系统密切相关。在分解过程中，既要保证分解率，减少返回水量，又要防止副反应增加。

2.1.1 温度的选择

温度高，虽然有利于分解反应进行，但采用过高的温度≥140℃，将使副反应加剧。例如水解反应和生成缩二脲反应都随着温度升高≥140℃而加剧;温度过低时，会增加闪蒸槽的负荷，随闪蒸气带走的氨增多，增加解析系统负荷，而且闪蒸后溶液中含氨量增加，影响尿液泵操作。如果温度低于130℃，则送往闪蒸槽去的溶液中将存在过多的NH3，这些NH3通过真空系统冷凝器送入氨水槽，需用解吸工序的蒸汽来回收，这就造成了额外的蒸汽消耗，同时这些NH3对蒸发工序也产生影响。

2.1.2 压力的选择

壓力愈低，分解反应进行的愈彻底。但分解出来的气体要进入吸收部分，分解与吸收又要在同一个压力等级下进行，所以分解压力主要取决于低压吸收的压力。从低压吸收工艺操作条件选择可知，其压力应选择在0.25～0.35MPa。

2.2 低压冷凝吸收工艺指标选择

冷凝吸收工艺指标的选择，首先要按照尿素装置水平衡来确定甲铵液的组成;然后再根据该甲铵液的熔点确定吸收温度（一般需高于熔点10～20℃进行操作）;最后再按溶液表面的平衡蒸汽压决定吸收的最低操作压力。在选择时，当然还要综合考虑高压系统的CO2转化率与返回水量、低压分解的分解率与操作条件等各个工艺要求。

2.2.1 低压吸收温度

虽然温度低有利于吸收，但对于浓度较高的甲铵液，温度低容易析出结晶，因此吸收液的温度一定要高于该甲铵液组成下的熔点温度。选择的操作温度，一般应高于熔点温度10～20℃。根据甲铵液组成的计算值，在NH3-CO2-H2O三元系饱和溶液相图中可以查得该甲铵液熔点为51℃。考虑到操作上的安全，低压甲铵冷凝器出口温度选择高于熔点20 ℃左右操作。

低压吸收塔循环液中含CO2与氨较低（CO2与氨都在22～24%左右），其熔点在NH3-CO2-H2O相图中查出为25～30℃，所以选择进入该设备的吸收液温度是45～50℃。

2.2.2 低压吸收压力

低压吸收压力一般在0.32～0.35Mpa，低压吸收压力决定于低压甲铵冷凝器的NH3和CO2平衡，即精馏塔顶部移出的NH3和CO2。从精馏塔分解出的气体混合物进入低压甲铵冷凝器的NH3/CO2不能超过2.0。

NH3/CO2的不平衡是由精馏塔的工况决定的。为使缩二脲生成减少，分解温度不能高到使气提塔来的尿液中的NH3全部蒸出。

当几乎全部CO2被蒸出时，进料中的一部分NH3仍保留在尿液中。低压甲铵冷凝器中CO2的量上升，当解析顶部返回的稀甲铵混合液中多余的NH3不能中和低压甲铵冷凝器中CO2时，可以采用补氨进行冷凝，以吸收全部的CO2。

3 低压系统的优化调整方向分析

自开工以来低压系统操作一直是本装置的难点。在多年的操作下，尿素装置对低压系统进行了部分设备改造和工艺操作技术调整，此处仅就操作技术调整部分的优化作一下阐述，以更好的对低压操作进行优化，从而提高低压系统平稳率。

3.1 稳定低压系统N/C

从工艺角度分析，低压超压主要原因为低压系统N/C失调，一般表现为N/C低，气相空间CO2多出时容易在V301顶部和出气管线内产生甲铵结晶。自2008年起，尿素装置逐渐提高高压系统N/C，从以前的3.0提高到现在的3.05-3.1操作。高氨环境操作不但提高了高压系统转化率，也使低压系统的N/C得到了提高，当然高氨环境操作也同时增加了回收系统的负荷，使解吸水解原料浓度超过了设计值，增加了解吸水解的操作负荷，也使解吸回流冷凝器液位槽V801中的溶液处于偏高的富NH3状态，为全部回收这部分NH3以降低装置NH3耗，由P802足量送入低压甲铵冷凝器E303，富NH3的解吸回收液进入E303和循环分解来的贫NH3气相混合冷凝已使低压甲铵冷凝器的N/C达到了2.05以上，故也使低压甲铵冷凝器无需再直接补纯NH3，即可使低压甲铵冷凝器的N/C保持在较稳定的状态，现在V301气相阀（PPV302）开度基本在50%-70%左右，低压系统操作基本平稳。

3.2 现阶段低压系统V301易满液原因分析和操作优化

3.2.1 原因

①甲铵泵转速控制过低，与生产负荷不匹配

在低压甲铵冷凝器中生成的甲铵液是经高压甲铵泵（P301A/B）加压后送入高压合成系统。甲铵泵是一台柱塞式泵，泵的打量与泵的转速成正比。

正常生产中，假设甲铵泵转速如果低于正常负荷，且转速不变。那么多余的溶液无法送出去，造成低压甲铵冷凝器液位槽（V301）满液，此时就只能减少进入V301的溶液量，来降低V301液位。但是吸收溶液量不足造成低压甲铵冷凝器浓度饱和，会使氨和二氧化碳无法继续冷凝吸收，多余的氨和二氧化碳以气体形式存在，势必造成低压系统超压。

出现这种情况时，只有加入大量的工艺冷凝液进行稀释，才能控制住压力。但是大量的工艺冷凝液又会造成V301漫液最终进入氨水槽（V703）致使解析水解系统恶化。此时如果提高甲铵泵转速，将稀释后的吸收液送入高压系统，又会造成高压系统H2O/CO2高，使高压系统反应恶化最终形成恶性循环，造成装置能耗增加。操作中为避免形成以上状况的恶性循环，操作上在已满足低压甲铵冷凝器吸收液量充足且低压N/C合适的情况下（以化验分析为准），应提高甲铵泵转速至同负荷相匹配来防止V301长时间漫液。

②高压长期高N/C环境操作

高压长期高N/C环境操作不但提高了高压系统转化率，也使低压系统的N/C得到了提高，当然高氨环境操作也同时增加了回收系统的负荷，使解吸水解原料浓度超过了设计值，增加了解吸水解的操作负荷，也使解吸回流冷凝器液位槽V801中的溶液处于偏高的富NH3状态，为全部回收这部分NH3以降低装置NH3耗，由P802足量送入低压甲铵冷凝器E303的量就必须超出原设计值，这部分超出原设计值溶液量也必须提高甲铵泵转速才能得到回收。

3.2.2 制定措施

根据分析的原因，制定以下措施：

①提高甲铵泵转速

考虑到甲铵泵填料磨损造成的流量损失和高压系统的高NH3操作使我们装置整体需要回收的NH3偏高都需要通过高的甲铵泵转速才能回收利用以降低装置NH3耗，我们装置现在的甲铵泵转速控制必须高于原负荷匹配的转速控制设计值才能满足我们装置现在状况下的生产需要。

据此原生产负荷与低压操作的建议对照表，已不能满足装置现在实际生产继续优化的要求，根据现在实际生产状况，由V301的化验分析结果判断，我们的V301中甲铵液浓度仍长期处于低于设计值的状态，也就是说甲铵液浓度并未达到指标，当高压H/C比分析结果偏高时，应通过关小或关闭FIC-302的进液以提高甲铵液浓度来降高压H/C，而不是通过降低甲铵泵的转速，来减少进入高压系统的水量，从而避免形成恶性循环。

②低压吸收液优化调整

非必要时不使用解吸塔给料泵（P703A/B）泵入的工艺冷凝液，而主要使用回流泵（P802A/B）泵入的来自回流冷凝器液位槽（V801）的贫甲铵液来作为吸收液。因为贫甲铵液浓度比解吸塔给料泵（P703A/B）泵入的工艺冷凝液要高且含NH3量高可较好的中和冷凝低压分解来的CO2偏高的介质，避免V301气相管线结晶堵塞，同时也相应提高了甲铵液浓度使其更接近原始设计值，可以使裝置整体操作更平稳。

通过主要使用回流泵（P802A/B）泵入的来自回流冷凝器液位槽（V801）的贫甲铵液来作为吸收液的另一个好处是能使我们装置因高压系统的高NH3操作造成的最终解析水解负荷偏高而需要回收的NH3能最大限度的得到回收，同时也保证了解析废液的高合格率。

现行实际生产状况也已证明由P802送入的解吸回收液就可完全满足用于低压甲铵冷凝器E303的冷凝吸收。

3.2.3 优化操作方向

①维持高压系统高氨操作，降低NH3原料带油对装置全系统的不良影响，进而维持提高了低压的N/C，稳定低压的N/C，控制在2.05以上。

②控制好作为吸收液的工艺冷凝液的量，尽可能使用由P802A/B送来的甲铵液作为吸收液，使V301内甲铵液的浓度靠近设计值。

③控制好V301的液位正常，同时确保甲铵泵的正常运行，综合考虑打量损失后转速与负荷相对应。

④根据生产负荷和低压甲铵液的浓度的变化，及时调整甲铵泵转速，保证返回高压系统的含水量在合理范围，使装置氨耗维持在较低的水平。

⑤控制好低压系统的压力，避免不必要的放空，保持较低的氨耗。