一、裝置簡介

　　(一)裝置發展及類型

　　在合成氨工藝技術實現工業化后，1922年，世界上第一座以C0₂和NH₃為原料，生產尿素的工業裝置建成。在尿素生產工藝發展初期，由于用C0₂和NH₃合成尿素，轉化率不高，而腐蝕又嚴重。因此，尿素生產工藝技術的研究一直致力于如何提高轉化率；如何回收未轉化的C0₂、NH3；以及采用何種防腐蝕材料和防腐技術。當尿素生產技術停留在不循環法(未轉化的C0₂、NH₃回收制造其他氮肥)、半循環法(未轉化的C0₂、NH₃部分回收進入尿素合成系統)時發展比較緩慢。1953年，荷蘭斯太米卡本公司發現了往尿素合成塔加氧，氧化鈍化防腐蝕技術。進入20世紀50年代，世界上水溶液全循環法尿素生產技術實現了工業化。從此，尿素生產技術得到了快速發展。進人60年代，在全循環法工藝技術不斷改進提高的同時，氨汽提法、二氧化碳汽提法尿素生產裝置也相繼投產，使得尿素生產工藝技術得到了進一步提高。

　　我國于1958年，建成了采用高效半循環法生產尿素的第一個試驗裝置。并于1965年，建成了兩套工業生產裝置。1966年，我國采用溶液全循環法生產尿素的工藝技術研究成功，隨后相繼建成了水溶液全循環法尿素生產裝置。為了滿足農業對化肥的需要。70年代，我國引進了13套大型尿素生產裝置。其中，11套采用荷蘭斯太米卡本公司的二氧化碳汽提法尿素生產技術(生產能力1620t／d的有8套裝置，生產能力1740t／d的有3套裝置)；兩套采用日本三井東壓公司的全循環改良C法尿素生產技術，生產能力為1600t／d。兩種方法中，后者尿素合成操作溫度、壓力均較高，轉化率高，對設備材料防腐蝕要求也高。未轉化的C0，、NH3，前者大部分在高壓系統汽提回收，后者全部減壓回收。兩種工藝技術部分指標，見表7—18。

　　進入80年代以后，尿素工藝技術朝著提高轉化率、提高熱回收率和降低能耗方向發展，出現了多種工藝技術。如采用汽提法和溶液循環法相結合的ACES法；采用氨汽提與二氧化碳汽提相結合的等壓雙氣提IDR法；采用等溫合成塔及蒸汽一空氣雙汽提工藝的熱循環UTI法；以及采用兩個合成塔工藝技術的雙塔高效綜合法(HEC法)等。

　　本文下面重點介紹二氧化碳汽提法尿素生產裝置。

　　(二)裝置單元組成與工藝流程

　　1．組成單元

　　尿素裝置由原料氨和二氧化碳的壓縮、輸送(簡稱壓縮)、合成與汽提、循環與吸收、蒸發與造粒以及氨水系統五個單元組成。各單元作用介紹如下：

　　(1)壓縮

　　原料液氨經泵加壓，并預熱后，送人合成系統。原料二氧化碳加入部分防腐蝕用的空氣后，經壓縮機加壓，送人合成系統。

　　(2)合成與汽提

　　C0₂和NH₃在高溫、高壓下轉化生成尿素，大部分未轉化的C0₂、NH₃經汽提后，回到合成塔。汽提后的尿素溶液送人循環系統。

　　(3)循環與吸收

　　汽提后的尿素溶液進行減壓、加熱、精餾，精餾后的尿素溶液送往蒸發系統。解析出來的C0₂、NH₃通過冷凝、吸收、加壓，送回合成系統。高壓洗滌器出口的C0₂、NH₃也經中壓吸收后，送回合成系統。

　　(4)蒸發與造粒

　　尿素溶液經加熱、真空蒸發去除水分后，成為熔融尿液。熔融尿液經造粒，得到固體粒狀成品尿素。

　　(5)氨水系統

　　含尿素的氨水通過尿素水解，以及解析、冷凝，回收其中的C0₂、NH₃并送回循環系統。

　　2．工藝流程

　　工藝流程說明：工藝原則流程見圖7—2。

　　原料液氨經高壓液氨泵加壓到16MPa(表)左右，并經預熱器加熱后，進入高壓噴射器，與來自高壓洗滌器中的甲銨液一起，由頂部進入高壓甲銨冷凝器。原料二氧化碳加入空氣后，經二氧化碳壓縮機升壓到14MPa(表)，進入高壓汽提塔底部。

　　尿素合成塔中的反應物經溢流管流出，進人汽提塔頂部，經液體分布器均勻分配到汽提管中。反應物與二氧化碳在汽提管中逆流接觸，使甲銨分解，所需熱量由汽提管管外的蒸汽提供。甲銨分解后產生的C0₂、NH₃與過剩NH₃及汽提用的C0₂一道從汽提塔頂部排出，進入高壓甲銨冷凝器頂部。汽提塔底部含甲銨、尿素的溶液去精餾塔。

　　在高壓甲銨冷凝器中，由汽提塔排出的氣體與高壓噴射器來的液氨及回收的甲銨液在管內反應、冷凝生成甲銨。冷凝產生的熱量，由殼側水蒸發，產生低壓蒸汽進行回收。反應生成物從高壓冷凝器底部排出，進入合成塔。

　　甲銨在尿素合成塔內轉化為尿素，反應溫度180℃，反應壓力14MPa(表)，轉化率約58％。生成的尿素與未轉化的甲銨一起進入汽提塔頂部。塔內未反應的氣體由頂部排出，進入高壓洗滌器。

　　在高壓洗滌器中，C0₂、NH₃被低壓循環系統來的甲銨液部分吸收、冷凝。吸收、冷凝液經高壓噴射器進入高壓甲銨冷凝器。高壓洗滌器產生的熱量由高壓調溫水帶走。未冷凝的C0₂、NH₃，及惰性氣體從頂部排出，減壓到0．6MPa(表)進人中壓吸收塔，在中壓吸收塔內用氨水進一步吸收，惰性氣體從頂部排出放空。

　　離開汽提塔底部的尿素一甲銨溶液，減壓到0．2MPa(表)進入精餾塔。在精餾塔中通過減壓、加熱使甲銨分解，分解出來的氣體和水解來的甲銨液一起送到低壓甲銨冷凝器。低壓甲銨冷凝器操作壓力0．2MPa(表)、溫度70℃左右。在此，氨、二氧化碳冷凝生成甲銨，經高壓甲銨泵升壓到14MPa(表)，返回高壓洗滌器內加以回收。未冷凝的氣體經低壓吸收塔吸收后放空。低壓甲銨冷凝器產生的熱量由低壓調溫水帶走。

　　從精餾塔底部出來的含尿素75％左右的溶液進一步減壓，經閃蒸后，進入真空蒸發系統。

　　尿素溶液在一、二段真空蒸發器內，分別用0．3MPa(表)和0．8MPa(表)蒸汽加熱、蒸發。尿素濃度達99．7％的尿液經熔融尿液泵送人造粒塔頂部的旋轉噴頭中，均勻噴撒下，經自然通風冷卻成粒狀尿素成品。

　　系統產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，將氨水中的尿素水解成氨和二氧化碳，并將氨、二氧化碳解析、冷凝。生成的含甲銨冷凝液送到低壓甲銨冷凝器回收，解吸后的廢水經冷卻后排放。

　　濃度27．5％的雙氧水，稀釋到3％-5％后，經注入泵加壓分別送到汽提塔、高壓甲銨冷凝器和高壓洗滌器。用于高壓設備鈍化防腐蝕。

　　(三)化學反應過程

　　尿素的合成反應分二步：

　　第一步：由C0₂和NH₃生成氨基甲酸銨(簡稱甲銨)

　　第二步：由氨基甲酸銨脫水生成尿素

　　(四)主要操作條件及工藝技術特點

　　1．主要操作條件

　　主要工藝操作條件見表7—19。

　　2．工藝技術特點

　　尿素合成反應溫度、壓力較低，可采用相對價廉的不銹鋼(尿素級)作耐腐蝕材料，但轉化率也較低。

　　未轉化成尿素的甲銨，大部分在高壓系統內，借助二氧化碳汽提與尿素分離，并在高壓系統內冷凝回收。高壓系統的循環，借助液位差自流，減少了設備和動力，但設備安裝框架高。

　　甲銨生成熱通過副產低壓蒸汽回收，提高了熱利用率。含氨冷凝液通過深度水解、解吸，回收二氧化碳和氨。降低了消耗，減少了污染。

　　高壓設備的防腐蝕，可通過在二氧化碳氣體中加空氣及高壓系統加雙氧水兩種方式進行。

　　設備采用單機組、單系列，設備性能可靠，設備利用率高。

　　采用集中自動控制、自動聯鎖系統，自動化水平高，操作安全可靠性高。

　　(五)原料及產品性質

　　原料為液氨及二氧化碳，鈍化劑為空氣和雙氧水，中間產物有氨基甲酸銨，產品為尿素。其性質、組成見表7—20、表7—21。

 

　　尿素無毒，但其粉塵對人體有害，車間空氣中最高允許濃度為lOmg／m³。

　　二、重點部位及設備

　　(一)重點部位

　　1．高壓合成與汽提系統

　　高壓合成與汽提系統主要由合成塔、汽提塔、高壓冷凝器、高壓洗滌器四臺高壓設備組成。這四臺高壓設備集中安裝在一個高框架內，是裝置的主要設備。合成、汽提系統操作壓力14MPa(表)，操作溫度在160—185℃范圍內，工藝介質為氨、二氧化碳、尿素和甲銨液工藝介質具有強腐蝕性。

　　高壓設備密封發生泄漏，設備發生腐蝕而泄漏，都可造成設備事故、裝置停運。高壓設備由承受高壓的外殼及耐腐蝕的內襯組成，一旦內襯腐蝕穿孔，外殼會很快腐蝕損壞。系統在運行中如發生超溫、超壓也會加快腐蝕速度，造成重大設備事故。并有可能引發中毒、爆炸、火災事故。

　　汽提塔、高壓冷凝器、高壓洗滌器設備內有換熱管束，如管子、管板發生腐蝕泄漏，還會污染蒸汽、冷凝液或調溫水；高壓洗滌器如操作不當，還可能發生爆炸；合成塔由于操作溫度較高，易發生腐蝕。四臺高壓設備是裝置中安全監控的重點設備。

　　2．高壓泵區

　　高壓泵區位于框架的一樓，主要由兩臺高壓氨泵和兩臺高壓甲銨泵組成。生產中，一開一備。高壓氨泵壓縮介質為液氨，出口壓力為16MPa(表)；高壓甲銨泵壓縮介質為甲銨溶液，出口壓力為14．5MPa(表)。一般采用柱塞泵，用背壓式汽輪機或電動機驅動。

　　由于壓力高，動密封易發生泄漏。液氨如發生泄漏還可造成著火、爆炸、中毒事故。甲銨液大量泄漏也可造成人員傷害。

　　高壓氨(甲銨)泵運行中如發生重大設備事故，也可造成全裝置停車。

　　(二)重點設備

　　1．二氧化碳壓縮一透平機組

　　二氧化碳壓縮機為離心式多級壓縮機組，用蒸汽透平驅動。壓縮機為兩缸、四段、多級的離心式壓縮機。低壓缸轉速約7000r／min，高壓缸轉速約13900r／min，功率7600kW左右，壓縮介質為二氧化碳氣體，人口壓力一般0．02MPa(表)，出口壓力14．5MPa(表)。透平為中壓、抽汽、冷凝式透平，人口蒸汽壓力3．8MPa(表)。

　　二氧化碳壓縮機組在高壓、高轉速下運行，密封、潤滑條件要求高，控制調節系統復雜。運行中如發生喘振、帶液、軸瓦磨損、氣封損壞等都可造成機組停車。由于設備復雜，維修、安裝要求高，如維護不當也容易引起機組故障或設備損壞。二氧化碳在一定的條件下，還具有腐蝕性，可造成設備腐蝕損壞。由于二氧化碳壓縮機組為單系列設備，一旦發生停機事故，尿素裝置都被迫停車。該機組是裝置關鍵重點設備，也是安全監控的重點設備。

　　2．尿素合成塔

　　合成塔是尿素裝置中體積、重量最大的設備，也是裝置的“心臟”設備。殼體用普通低合金鋼制成，承受塔內的高壓；內襯采用316L不銹鋼，可耐尿素一甲銨液的腐蝕。塔內設有多層篩板。

　　在生產過程中，塔內尿素和甲銨混合溶液，對設備有強腐蝕作用，在高溫、高壓下腐蝕尤為嚴重。如操作不當，發生超溫、超壓、鈍化膜破壞，腐蝕會加劇而造成設備損壞。嚴重時，甚至發生設備爆炸事故，造成災難性的后果。