二氧化碳气提法尿素生产工艺控制

陈宜洲

摘要：于1964年，荷兰斯企业开始通过中试试验，探讨二氧化碳气提法用于尿素生产的工艺，且于1967年，将第一套工业装置建成，在上世纪中后期快速发展，随后在上世纪末，基于原有工艺，改进了工艺流程、整体布置、结构等。目前已经发展成为国际上最广泛建厂、生产能力最强大的一种尿素生产工艺。基于此，本文就二氧化碳气提法，探讨了控制尿素生产工艺的方面，仅供参考。

关键词：尿素生产工艺；二氧化碳气提法；控制

对于尿素生产来说，包括诸多种类的生产工艺。其中二氧化碳气提法、氨气提法、水溶液全循环法最为常见。而二氧化碳气提法和氨气提法相对先进，以此被十分广泛地应用于尿素生产之中。但二氧化碳气提法在生产制作专利的影响下，在中国的应用范围最广泛。

一、概述CO2汽提法生产尿素工艺

目前，CO2汽提法生产尿素的工艺属于荷兰专利，是指基于一定的压力，利用CO2来汽提甲铵溶液，同时在这个过程之中，分解生成CO2与NH3，并在一定压力下逐渐冷凝下来，且整个冷凝阶段放出的热源供给一段加热蒸发与二段分解，也可作喷射器的蒸汽动力能量与系统的整体保温能量。在CO2汽提法中，由高压甲铵冷凝器、汽提塔、合成塔、高压洗涤器及液氨喷器等构成整个工艺流程。在生产工艺过程中，主要的工序有压缩二氧化碳、加压液氨、高压合成、气提回收二氧化碳、低压条件分解、回收循环等。

二、CO2汽提法生成尿素工艺的基本特点

在CO2汽提工艺中，包括压缩CO2、合成、蒸发、低压循环、解吸水解、造粒等组成系统，总体上具有以下几个特点：

1、气提塔以溶解在反应液中较少的二氧化碳为气提剂，故在回收与氨相比会更加简单容易，仅需低压加热一次即可闪蒸分解。相较于传统的全循环水溶液法，节省了中压分解吸收环节，精简了工艺流程，且更加方便操作。相较于氨气提法，又大幅降低了气提温度，仅需控制为170℃，有利于气提塔防腐。

2、分两步来合成尿素，在甲铵高压冷凝器中，先由二氧化碳与氨发生化学反应生成甲铵。反应放出的热，促使甲铵高压冷凝器生产出副制品蒸汽。在第二步在尿素合成塔，脱水甲铵后生成尿素，这样能大幅减少合成塔中的物料量，极大地提高了合成塔利用率。

3、物料在高压甲铵冷凝器、气提塔、合成塔等，凭借重力来实现循环。这样既节省了动力设备，又简化了流程，还能更加稳定地操作。但也引起了一定的不利，为控制设备物料流量与要求相符，便应让三个设备间保持一定高度差，在建厂时便应建立一个约高76米的深框架。

4、就能量利用，二氧化碳气提法优于其他方法。一般表现仅气提塔需外界提供蒸汽，其余部分需的蒸汽都由工艺副产蒸汽供给，这样大幅节省了蒸汽和冷却水能耗。

5、气提剂为二氧化碳，所以相对氨氮比更低，仅需控制为2.8～3.0。从合成塔出来的反应液中降低了氨含量，而在尿素工艺中氨既是原料，又对副反应有抑制作用，所以二氧化碳气提法生产的产品中含有的缩二脲比其他方法要多。

6、在二氧化碳气提法工艺中，具有较低的氨碳比，物料增大了对设备的腐蚀性。要想降低物料腐蚀设备的程度，应在二氧化碳中添加更多的空气量，多控制位于0.6%～0.8%之间。因为原料CO2气有脱氢处理，故工艺安全性较高，不会因不当操作，而导致从合成塔顶部出来的尾气中含有过量的氢气和氧气而发生爆炸。

三、布置工艺控制

在CO2汽提工艺中，在高压圈等压环节的影响下，在重力的作用下物料完成流动，且高压框架有50m高，故具有占地面积小的优点；但氨汽提工艺却需平面布置，虽方便检修操作，但占地面积太大。

四、腐蚀设备和材料

在CO2汽提工艺中，常常会腐蚀水解塔与高压圈设备，但氨汽提工艺除了会腐蚀以上设备外，也会腐蚀中压分解设备。在CO2汽提工艺中，合成塔、汽提塔一般具有19--25年、17--21年的使用寿命，而在氨汽提工艺中，汽提塔约有15年的使用寿命。

五、工艺运行控制

在稳定性方面，CO2汽提生产尿素工艺经历吸收、消化、发展，现已趋于成熟，稳定性往往较高。其中运行的长期稳定、运转率、消耗、年产量等多由电、水、煤等的优势与整体管理水平来决定。

1、工艺加氧量

在CO2汽提工艺中，应控制系统氧加入量为0.60％（体积百分比，下同）以确保装置的运行正常。

2、控制工艺安全性

在CO2汽提工艺中，存在CO2脱氢环节，故尾气中没有氢，基本上消除了爆炸危险；但在氨汽提工艺中，尾气的中、低压组分却存在爆炸的可能。

3、弹性操作

在CO2汽提工艺中，具有较低的操作弹性，系统运行负荷要保持在超过60％范围，但开车、工艺稳定时间不长；在氨汽提工艺中，操作具有较大的弹性，系统运行可保持在40％负荷，且平稳开车，但所需时间较长，操作回路不少，在较高气温下生产，中压系统不稳定，停车易发生。

4、控制缩二脲含量

在生产尿素的各工序，都会产生缩二脲，对其含量的控制直接决定着优级品率与企业经济效益。当生产正常时，该工艺都能控制缩二脲含量位于指标范围，但工况波动时，工艺在控制缩二脲含量上则各有侧重。

在CO2汽提法中，一般采取以下措施，来实现对缩二脲含量的控制：①当汽提效率不被降低时，尽可能减小汽提塔出口位置的尿液温；②将氨碳比严格控制位于3.1～3.2之间；③汽提塔运行尽可能被控制在液位低限；④尽可能控制蒸发加热器运行维持在温度低限；⑤生产负荷被控制在超过70％。

5、构建硬件控制

在构建硬件时，应本着经济高效的基本原则，在确保运行安全时，适当冗余。随着先进控制与计算机技术的不断发展，控制系统也在逐步提高可靠性，过度冗余既会增大投资又会提高维护成本。由于每个操作员站均与一个操作工对应，以四班三倒算，单位会大幅增多人力，所以应通过合理选择组态与参数，尽可能减少操作画面，以缩减操作员的站量。

6、组态软件控制

在整个组态中，应和设备工程师适当沟通，以找出最佳参数；并按工艺要求来操作画面，以便观察和操作；在确定小专用分画面处时，应征得操作员同意，尽量合理布置；就系统中联锁装置，应严谨设计配以充分调试，且经由多个工艺工程师讨论，在确保安全时，尽可能减少联锁装置，由于联锁装置过多，会增多误动作，而严重影响生产；安装工艺要求，科学地选择回路控制方式，尽可能精确计量物料，一旦要补偿温度、压力，则应全面考虑组态，以防投入后实际计量误差过大。

六、结语

综上所述，在改进型的新一代二氧化碳气提法生产尿素的工艺控制中，将中压吸收塔增设在高压洗涤器后，很好地吸收了从高压洗涤器排出的二氧化碳与氨，既降低了高压洗涤器的运行负荷、提高了操作弹性，又增大了氨利用率，减小了因排放尾气而导致的氨损失，与环保要求完全相符。

参考文献：

[1]李永灿，王贤金，苏镇.二氧化碳气提工艺生产尿素的节能降耗分析[J].化工管理，2018（16）：116.

[2]杜海泉.中压CO_2气提法尿素生产工艺的改进[J].燃料与化工，1995，26（05）：246-251.

[3]许浩.CO_2气提法尿素生产应注意的几个问题[J].小氮肥，2006（09）：7-9.

[4]徐申，于涛.650t/d二氧化碳气提装置运行总结[J].小氮肥，2007（03）：10-12.