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尿素装置简介和重点部位及设备



一、装置简介

  (一)装置发展及类型

  在合成氨工艺技术实现工业化后,1922年,世界上第一座以C02和NH3为原料,生产尿素的工业装置建成。在尿素生产工艺发展初期,由于用C02和NH3合成尿素,转化率不高,而腐蚀又严重。因此,尿素生产工艺技术的研究一直致力于如何提高转化率;如何回收未转化的C02、NH3;以及采用何种防腐蚀材料和防腐技术。当尿素生产技术停留在不循环法(未转化的C02、NH3回收制造其他氮肥)、半循环法(未转化的C02、NH3部分回收进入尿素合成系统)时发展比较缓慢。1953年,荷兰斯太米卡本公司发现了往尿素合成塔加氧,氧化钝化防腐蚀技术。进入20世纪50年代,世界上水溶液全循环法尿素生产技术实现了工业化。从此,尿素生产技术得到了快速发展。进人60年代,在全循环法工艺技术不断改进提高的同时,氨汽提法、二氧化碳汽提法尿素生产装置也相继投产,使得尿素生产工艺技术得到了进一步提高。

  我国于1958年,建成了采用高效半循环法生产尿素的第一个试验装置。并于1965年,建成了两套工业生产装置。1966年,我国采用溶液全循环法生产尿素的工艺技术研究成功,随后相继建成了水溶液全循环法尿素生产装置。为了满足农业对化肥的需要。70年代,我国引进了13套大型尿素生产装置。其中,11套采用荷兰斯太米卡本公司的二氧化碳汽提法尿素生产技术(生产能力1620t/d的有8套装置,生产能力1740t/d的有3套装置);两套采用日本三井东压公司的全循环改良C法尿素生产技术,生产能力为1600t/d。两种方法中,后者尿素合成操作温度、压力均较高,转化率高,对设备材料防腐蚀要求也高。未转化的C0,、NH3,前者大部分在高压系统汽提回收,后者全部减压回收。两种工艺技术部分指标,见表7—18。

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  进入80年代以后,尿素工艺技术朝着提高转化率、提高热回收率和降低能耗方向发展,出现了多种工艺技术。如采用汽提法和溶液循环法相结合的ACES法;采用氨汽提与二氧化碳汽提相结合的等压双气提IDR法;采用等温合成塔及蒸汽一空气双汽提工艺的热循环UTI法;以及采用两个合成塔工艺技术的双塔高效综合法(HEC法)等。

  本文下面重点介绍二氧化碳汽提法尿素生产装置。

  (二)装置单元组成与工艺流程

  1.组成单元

  尿素装置由原料氨和二氧化碳的压缩、输送(简称压缩)、合成与汽提、循环与吸收、蒸发与造粒以及氨水系统五个单元组成。各单元作用介绍如下:

  (1)压缩

  原料液氨经泵加压,并预热后,送人合成系统。原料二氧化碳加入部分防腐蚀用的空气后,经压缩机加压,送人合成系统。

  (2)合成与汽提

  C02和NH3在高温、高压下转化生成尿素,大部分未转化的C02、NH3经汽提后,回到合成塔。汽提后的尿素溶液送人循环系统。

  (3)循环与吸收

  汽提后的尿素溶液进行减压、加热、精馏,精馏后的尿素溶液送往蒸发系统。解析出来的C02、NH3通过冷凝、吸收、加压,送回合成系统。高压洗涤器出口的C02、NH3也经中压吸收后,送回合成系统。


  (4)蒸发与造粒

  尿素溶液经加热、真空蒸发去除水分后,成为熔融尿液。熔融尿液经造粒,得到固体粒状成品尿素。

  (5)氨水系统

  含尿素的氨水通过尿素水解,以及解析、冷凝,回收其中的C02、NH3并送回循环系统。

  2.工艺流程

  工艺流程说明:工艺原则流程见图7—2。

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  原料液氨经高压液氨泵加压到16MPa(表)左右,并经预热器加热后,进入高压喷射器,与来自高压洗涤器中的甲铵液一起,由顶部进入高压甲铵冷凝器。原料二氧化碳加入空气后,经二氧化碳压缩机升压到14MPa(表),进入高压汽提塔底部。

  尿素合成塔中的反应物经溢流管流出,进人汽提塔顶部,经液体分布器均匀分配到汽提管中。反应物与二氧化碳在汽提管中逆流接触,使甲铵分解,所需热量由汽提管管外的蒸汽提供。甲铵分解后产生的C02、NH3与过剩NH3及汽提用的C02一道从汽提塔顶部排出,进入高压甲铵冷凝器顶部。汽提塔底部含甲铵、尿素的溶液去精馏塔

  在高压甲铵冷凝器中,由汽提塔排出的气体与高压喷射器来的液氨及回收的甲铵液在管内反应、冷凝生成甲铵。冷凝产生的热量,由壳侧水蒸发,产生低压蒸汽进行回收。反应生成物从高压冷凝器底部排出,进入合成塔。

  甲铵在尿素合成塔内转化为尿素,反应温度180℃,反应压力14MPa(表),转化率约58%。生成的尿素与未转化的甲铵一起进入汽提塔顶部。塔内未反应的气体由顶部排出,进入高压洗涤器。

  在高压洗涤器中,C02、NH3被低压循环系统来的甲铵液部分吸收、冷凝。吸收、冷凝液经高压喷射器进入高压甲铵冷凝器。高压洗涤器产生的热量由高压调温水带走。未冷凝的C02、NH3,及惰性气体从顶部排出,减压到0.6MPa(表)进人中压吸收塔,在中压吸收塔内用氨水进一步吸收,惰性气体从顶部排出放空。

  离开汽提塔底部的尿素一甲铵溶液,减压到0.2MPa(表)进入精馏塔。在精馏塔中通过减压、加热使甲铵分解,分解出来的气体和水解来的甲铵液一起送到低压甲铵冷凝器。低压甲铵冷凝器操作压力0.2MPa(表)、温度70℃左右。在此,氨、二氧化碳冷凝生成甲铵,经高压甲铵泵升压到14MPa(表),返回高压洗涤器内加以回收。未冷凝的气体经低压吸收塔吸收后放空。低压甲铵冷凝器产生的热量由低压调温水带走。

  从精馏塔底部出来的含尿素75%左右的溶液进一步减压,经闪蒸后,进入真空蒸发系统。

  尿素溶液在一、二段真空蒸发器内,分别用0.3MPa(表)和0.8MPa(表)蒸汽加热、蒸发。尿素浓度达99.7%的尿液经熔融尿液泵送人造粒塔顶部的旋转喷头中,均匀喷撒下,经自然通风冷却成粒状尿素成品。

  系统产生的含氨冷凝液含少量尿素、氨、二氧化碳。氨水送人第一解吸塔、水解塔和第二解吸塔,将氨水中的尿素水解成氨和二氧化碳,并将氨、二氧化碳解析、冷凝。生成的含甲铵冷凝液送到低压甲铵冷凝器回收,解吸后的废水经冷却后排放。

  浓度27.5%的双氧水,稀释到3%-5%后,经注入泵加压分别送到汽提塔、高压甲铵冷凝器和高压洗涤器。用于高压设备钝化防腐蚀。


  (三)化学反应过程

  尿素的合成反应分二步:

  第一步:由C02和NH3生成氨基甲酸铵(简称甲铵)

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  第二步:由氨基甲酸铵脱水生成尿素

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  (四)主要操作条件及工艺技术特点

  1.主要操作条件

  主要工艺操作条件见表7—19。

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  2.工艺技术特点

  尿素合成反应温度、压力较低,可采用相对价廉的不锈钢(尿素级)作耐腐蚀材料,但转化率也较低。

  未转化成尿素的甲铵,大部分在高压系统内,借助二氧化碳汽提与尿素分离,并在高压系统内冷凝回收。高压系统的循环,借助液位差自流,减少了设备和动力,但设备安装框架高。

  甲铵生成热通过副产低压蒸汽回收,提高了热利用率。含氨冷凝液通过深度水解、解吸,回收二氧化碳和氨。降低了消耗,减少了污染。

  高压设备的防腐蚀,可通过在二氧化碳气体中加空气及高压系统加双氧水两种方式进行。

  设备采用单机组、单系列,设备性能可靠,设备利用率高。

  采用集中自动控制、自动联锁系统,自动化水平高,操作安全可靠性高。

  (五)原料及产品性质

  原料为液氨及二氧化碳,钝化剂为空气和双氧水,中间产物有氨基甲酸铵,产品为尿素。其性质、组成见表7—20、表7—21。

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  尿素无毒,但其粉尘对人体有害,车间空气中最高允许浓度为lOmg/m3


  二、重点部位及设备

  (一)重点部位

  1.高压合成与汽提系统

  高压合成与汽提系统主要由合成塔、汽提塔、高压冷凝器、高压洗涤器四台高压设备组成。这四台高压设备集中安装在一个高框架内,是装置的主要设备。合成、汽提系统操作压力14MPa(表),操作温度在160—185℃范围内,工艺介质为氨、二氧化碳、尿素和甲铵液工艺介质具有强腐蚀性。

  高压设备密封发生泄漏,设备发生腐蚀而泄漏,都可造成设备事故、装置停运。高压设备由承受高压的外壳及耐腐蚀的内衬组成,一旦内衬腐蚀穿孔,外壳会很快腐蚀损坏。系统在运行中如发生超温、超压也会加快腐蚀速度,造成重大设备事故。并有可能引发中毒、爆炸、火灾事故。

  汽提塔、高压冷凝器、高压洗涤器设备内有换热管束,如管子、管板发生腐蚀泄漏,还会污染蒸汽、冷凝液或调温水;高压洗涤器如操作不当,还可能发生爆炸;合成塔由于操作温度较高,易发生腐蚀。四台高压设备是装置中安全监控的重点设备。

  2.高压泵区

  高压泵区位于框架的一楼,主要由两台高压氨泵和两台高压甲铵泵组成。生产中,一开一备。高压氨泵压缩介质为液氨,出口压力为16MPa(表);高压甲铵泵压缩介质为甲铵溶液,出口压力为14.5MPa(表)。一般采用柱塞泵,用背压式汽轮机或电动机驱动。

  由于压力高,动密封易发生泄漏。液氨如发生泄漏还可造成着火、爆炸、中毒事故。甲铵液大量泄漏也可造成人员伤害。

  高压氨(甲铵)泵运行中如发生重大设备事故,也可造成全装置停车。

  (二)重点设备

  1.二氧化碳压缩一透平机组

  二氧化碳压缩机为离心式多级压缩机组,用蒸汽透平驱动。压缩机为两缸、四段、多级的离心式压缩机。低压缸转速约7000r/min,高压缸转速约13900r/min,功率7600kW左右,压缩介质为二氧化碳气体,人口压力一般0.02MPa(表),出口压力14.5MPa(表)。透平为中压、抽汽、冷凝式透平,人口蒸汽压力3.8MPa(表)。

  二氧化碳压缩机组在高压、高转速下运行,密封、润滑条件要求高,控制调节系统复杂。运行中如发生喘振、带液、轴瓦磨损、气封损坏等都可造成机组停车。由于设备复杂,维修、安装要求高,如维护不当也容易引起机组故障或设备损坏。二氧化碳在一定的条件下,还具有腐蚀性,可造成设备腐蚀损坏。由于二氧化碳压缩机组为单系列设备,一旦发生停机事故,尿素装置都被迫停车。该机组是装置关键重点设备,也是安全监控的重点设备。

  2.尿素合成塔

  合成塔是尿素装置中体积、重量最大的设备,也是装置的“心脏”设备。壳体用普通低合金钢制成,承受塔内的高压;内衬采用316L不锈钢,可耐尿素一甲铵液的腐蚀。塔内设有多层筛板。

  在生产过程中,塔内尿素和甲铵混合溶液,对设备有强腐蚀作用,在高温、高压下腐蚀尤为严重。如操作不当,发生超温、超压、钝化膜破坏,腐蚀会加剧而造成设备损坏。严重时,甚至发生设备爆炸事故,造成灾难性的后果。


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