汽提塔出液温度低的原因分析

许昆岭

(灵谷化工有限公司，江苏 宜兴 214213)



汽提塔出液温度低的原因分析

许昆岭

(灵谷化工有限公司，江苏 宜兴 214213)

针对灵谷化工有限公司大化肥分公司二期尿素装置CO2汽提塔出现的出液温度低、汽提效率下降、低压系统超压、吨尿素氨耗高等问题，分析了其原因，通过排除法排除了本装置内部可能出现的问题，再从整个系统考量，发现是公用系统相连部分的问题，在采取了相应的措施后，尿素装置恢复正常。

尿素装置；CO2汽提塔；低温

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.010

灵谷化工有限公司大化肥分公司二期煤化工45万t/a合成氨、80万t/a大颗粒尿素装置于2015年11月中旬正式建成投产。尿素装置采用斯塔米卡邦2000+CO2汽提法尿素生产工艺、荷兰荷丰冷料循环大颗粒造粒工艺(CRG技术)。在CO2汽提工艺高压系统中，汽提塔是四大高压设备(合成塔、池式冷凝器、汽提塔和高压甲铵洗涤器)之一，是整个工艺的关键设备。汽提塔是利用CO2气作为气提气，能有效降低气相中的氨分压，分解效果好，传统CO2汽提工艺中汽提塔的汽提效率一般在80%左右(该厂此套工艺设计汽提效率为70%)，其运行指标的优劣是决定整个尿素系统能耗水平的关键。装置自开车以来，汽提塔出液温度一直维持在168～172℃，但在2016年4月10日一次高压系统封塔后开车，出现汽提塔出液温度缓慢降低的情况，造成汽提效率下降、中低压系统超压、吨尿素氨耗升高等问题，严重时系统无法正常运行，被迫停车。

1 CO2汽提塔简介

汽提塔实际上是一个直立降膜式管壳换热器，壳程走加热蒸汽，管程内进行汽提分解。尿素合成塔生成的合成液顺着管壁形成一层液膜，由于重力作用自上而下流动，汽提气CO2以一定的速率逆流而上，两相在管壁的液膜中进行传质及传热过程。汽提塔从结构上分为高压部分(管程)和低压部分(壳程)，高压部分中的主要部件包括液体分布器、气提管、CO2分布器、管板等；低压部分主要由壳体膨胀节、防爆板等组成。汽提塔内每根气提管对应1个液体分布器，在液体分布器的液体分布头部分，每间隔 120°有1个约2.5mm的小孔，其目的是保证将进入的合成液均匀分布于各气提管，并使其呈膜状沿管壁下流，如果因某种原因引起液体分布器不能均匀分布液体，不仅影响气提效率，而且引起气提管超温，造成汽提管因腐蚀加剧而损坏。

汽提管、液体分布器及其余接触工艺介质的材料均为safurex，与其他类型的双相不锈钢相比，此材质具有更高的强度、更好的抗点蚀和抗缝隙腐蚀及抗应力腐蚀的能力[1]。

2 汽提塔出液温度偏低

2016年4月10日早班，因前系统原因，尿素系统保压停车，晚班投三物料(甲胺、液氨、CO2)，但汽提塔出液温度比正常操作温度偏低。在维持运行期间至停车前的现象如下：①高压系统。出汽提塔E201液体温度TE2210由168℃逐渐降低到140℃，合成塔R201出气温度TE2111由181℃逐渐降低至175℃，高压系统压力PT2101由13.8MPa(g)降低至12.9MPa(g)，汽提塔E201出气温度TE2105由186℃降低至178℃；②中压系统。负荷加重，中压系统PT5103压力由1.7MPa(g)逐渐升至2.0MPa(g)，中压甲铵液位槽V501气相去低压吸收塔C201的调节阀PV5101由开始的20%逐渐全开至100%；③低压系统。精馏塔循环加热器蒸汽调节阀PV3102逐渐开大，精馏塔出液温度TE3104由140℃降低至135℃，蒸汽疏水阀全开，基本处于无液位操作，低压系统放空调节阀PV3201由30%逐渐全开至100%，常压吸收塔负荷加重，常压吸收塔气相温度最高至78℃，放空筒氨含量偏高；④蒸汽系统。高压汽包V905的进蒸汽量逐渐由78t/h降至40t/h，到停车前汽提塔几乎不耗蒸汽。

随着汽提塔汽提效率的降低，装置负荷降至50%，中低压系统也无法维持生产。2016年4月30日，尿素系统停车检修。2016年5月3日，停车检修后尿素系统开车，汽提塔出液温度仍偏低至163℃，经过调整，高压蒸汽饱和器维持低液位操作，进蒸汽温度至240℃，系统能维持70%负荷生产，但较高的进汽温度对汽提塔列管的运行会产生不利的影响。2016年5月8日，合成氨和尿素系统停车检修；2016年5月9日，晚班尿素开车，系统正常，汽提塔出液温度170～172℃，高压系统压力13.9MPa(g)。

3 原因分析

(1)汽提塔汽提列管结垢，传热差。汽提列管结垢增加了换热管管壁的传热热阻，进而影响热量的有效传递。一般而言，汽提塔列管结垢主要是由原料CO2、液氨中带油引起。一方面，灵谷化工有限公司合成氨系统使用离心式压缩机和干气密封，液氨中存在油的概率很小；另一方面，尿素CO2压缩机采用离心式压缩机，密封采用自密封系统，高压氨泵采用日本荏原生产的高速离心泵，带油进去的概率也很小，并且由于尿素装置开车至今才半年多，出现汽提列管结垢的可能性不大，故此原因可排除。

(2)汽提塔壳侧加热蒸汽压力低。尿素装置正常生产期间，汽提塔的不同负荷对应不同的加热蒸汽压力。在汽提塔负荷一定的条件下，加热蒸汽压力过低，将使汽提效率下降，进而使中、低压系统负荷增大，系统氨耗增加。加热蒸汽压力过低一般是由送尿素界区的中压蒸汽量减少所引起。2016年4月30日停车前，蒸汽压力PT9102为2.0MPa(g)，蒸汽侧指示温度TE2118为209℃，因此排除加热蒸汽压力低的原因。

(3)汽提塔液位过低，造成CO2由出液管线窜至中低压系统。如果发生此现象，汽提塔出液温度将下降，中低压系统压力快速升高，严重时中低压系统安全阀起跳。引起此现象的原因，一般是汽提塔液位计失准或出液调节阀故障。2016年4月10日，前汽提塔出液调节阀出现故障，调节阀只能关到90%。趁4月10日停车间隙，拆检调节阀，发现阀芯处有2粒螺母，经对照汽提塔图纸，确认此2粒螺母是CO2气体分布器顶板与汽提塔下管板连接的定位螺栓固定螺母。4月30日停车前，初步怀疑是因此螺母的脱落，导致CO2进气管在汽提塔下封头内发生弯曲，进气管浸入尿液中，造成一部分CO2随着汽提液去中低压系统。停车后检修发现，气体分布管的定位螺栓断了，但分布管位置基本无变化，虽然会对CO2气体分布产生影响，但不是引起出液温度低的主要原因，这一点也可以从5月3日尿素开车后汽提塔出液温度低的现象中得到验证。

该厂汽提塔液位计采用雷达液位计，但若液位计失准，会造成汽提塔满液至CO2气体分布板上，也会引起汽提塔出液温度偏低的现象。2016年5月3日开车期间，雷达液位计生产厂家通过远程连接，对该厂雷达液位计的运行数据进行监控，通过反馈的信息确认雷达液位计没有问题，因此也排除了液位计失准的因素。

(4)高压汽包V905无液位。如果高压汽包无液位，过热蒸汽将直接进入汽提塔壳侧，同等条件下过热蒸汽通过显热放热，其放热量远小于饱和蒸汽的相变放热量，并且过热蒸汽导热系数很低，大大浪费了换热器的换热面积，使其效率降低。停车前的高压汽包液位控制在50%，进汽提塔后蒸汽温度为饱和蒸汽，温度和压力呈对应关系。停车后对高压蒸汽饱和器进行检查，确认设备是完好。

(5)蒸汽冷凝液淹没部分换热管。汽提塔的主要任务是把合成塔出来的合成液中游离氨蒸出，并分解未转化为尿素的甲铵液，此过程需要外部提供热量。当汽提塔壳程部分换热管被冷凝液淹没时，造成汽提塔换热面积相应减少，从而减少了热量的传递(甲胺分解是吸热过程)，所以汽提塔出液温度必然降低。一般情况下，引起蒸汽冷凝液淹没部分列管的原因，包括高压汽包满液和汽提塔加热侧冷凝液不能排入高压汽包(原因是出液阀开度小或阀头脱落)两方面。检修期间发现出液阀是完好的，可排除出液阀问题。5月3日尿素装置开车期间，尿素系统汽提塔出液温度低至157℃，中低压系统负荷较重，此时高压汽包液位控制在30%，蒸汽温度和压力呈对应关系。经调整，使高压汽包液位控制在0%，过热蒸汽(2.0MPa(g)，温度243℃)进入汽提塔壳程，汽提塔出液温度(在70%负荷下)控制在165℃，从此点也可以排除高压汽包满液的问题。

(6)汽提塔加热侧惰性气体积聚过多。加热侧过多的惰性气体将导致蒸汽的分压和冷凝温度降低，随着惰性气体越积越多，壳侧加热蒸汽的分压也越来越低，最终结果是蒸汽无法冷凝，仅靠显热加热，热传递效率大幅度降低，因此，出现了前述“汽提塔几乎不耗蒸汽”、“出汽提塔E201液体温度TE2210由168℃逐渐降低至140℃”的现象。由于甲铵分解是吸热反应，加热热量的减少必然会引起汽提塔出液温度的降低，同时引起汽提效率下降、中低压系统负荷增加、高压蒸汽消耗逐渐减少。汽提塔加热侧惰气量的多少主要取决于加热蒸汽的品质。影响加热蒸汽品质的原因主要有外部和内部两方面：外部原因是进入尿素界区的中压蒸汽品质差，主要是前工段副产中压蒸汽的设备泄漏而使 H2、N2、CO 等不凝气进入中压蒸汽；内部原因在于尿素装置内部，当汽提塔列管存在泄漏时会使甲铵进入高压蒸汽，甲胺分解产生的二氧化碳充当了惰性气体。

(7)由于该厂汽提塔设备为新设备，使用才半年，可以排除汽提塔列管出现泄漏的问题。

4 解决问题

该厂进尿素装置的中压蒸汽主要有3.8MPa(g)蒸汽减压和变换2.5MPa(g)废锅产蒸汽。5月3日尿素装置开车后，由于汽提塔出液温度低，蒸汽加不进去，取进界区2.5MPa(g)蒸汽气体分析，检测出蒸汽中含有氢气、一氧化碳和硫化氢等。由此，确定引起汽提塔出液温度低的原因是变换2.5MPa(g)废锅泄漏，使变换气进入蒸汽系统，进而进入汽提塔壳程，由于惰气量过大，造成汽提塔排惰气口排气不畅，惰气积聚，不能把热量有效地传递，从而减少了提供给甲胺分解的热量，又由于汽提过程甲胺分解是吸热过程，所以汽提塔出液温度较低。5月4日，变换2.5MPa(g)废锅产蒸汽不进尿素系统，尿素装置高压蒸汽全部由3.8MPa(g)减压至2.5MPa(g)，汽提塔出液温度升高至169℃，合成系统压力升至13.9MPa(g)，中低压系统负荷减轻，尿素系统基本恢复正常。

2016年5月8日，合成系统和尿素系统停车检修，变换2.5MPa(g)废锅有9根列管泄漏。5月9日尿素系统开车，汽提塔出液温度为170℃，合成压力为13.9MPa(g)，加热蒸汽控制在1.8MPa(g)，汽包液位控制在50%，尿素系统恢复正常。

5 结语

汽提塔是二氧化塔汽提法尿素生产工艺中的关键设备之一，它的工作状况直接影响整个装置的消耗和设备的使用寿命。通过对此次不正常现象的分析，总结得出以后工作中应注意的两方面：一方面，在生产中要密切关注工艺运行指标的变化；另一方面，对问题的分析不应简单地局限于本装置内部，还要从整个系统思考，特别是与公用系统相连的部分，比如蒸汽、水等，只有这样才能更深入地了解本质，更好地指导生产实践。

[1] 武志宽.Safurex材料在尿素装置高压圈的应用[J].化肥设计，2012，50(6)：29-31.

[2]邸彩霞，崔海生，李进.汽提塔带油原因分析与对策[J].化肥设计，2006，42(5)：37-39.

修改稿日期： 2017-04-27

Analysis of Reasons for Lower Temperature of Urea Solution Leaving the Stripper Bottom

XU Kun-ling

(LingguChemicalCo.，Ltd.，YixingJiangsu214213，China)

In view of the problems that the effluent temperature of the CO2stripping tower of the second urea plant in Linggu Chemical Co.，Ltd. is low，the stripping efficiency is dropping，the over-pressure of the low pressure system and the ammonia consumption of the urea is high，this paper tries to analyze the reason. The internal problems have been eliminated by exclusive method. Considering the entire system，the public part of the system is connected to the problem. The urea device returned to normal after taking appropriate measures.

Urea plant；CO2stripping tower；low temperature

许昆岭(1985年—)，男，河南商丘人，2011年毕业于南京工业大学化学工程专业，硕士，工程师，现从事尿素技术管理工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.010

TE962

B

1004-8901(2017)03-0039-03