浅析CO2汽提法尿素装置合成系统的NH3／CO2

王付生

（安徽六国化工股份有限公司，安徽 铜陵 244000）

NH3／CO2是CO2汽提法尿素装置合成系统中一个重要工艺指标。NH3／CO2控制得是否适宜将直接关系到装置是否在安全、稳定、高产、低耗的状态下运行。在此谈谈NH3／CO2的操作与控制。

1 NH3／CO2 的定义

NH3／CO2是指进入高压甲铵冷凝器的NH3与CO2的摩尔比（分子比）。

2 CO2汽提法尿素装置合成系统NH3／CO2的选定

根据NH3和CO2合成尿素的反应原理：

可知该反应为可逆反应，要使该反应能正常进行，氨与二氧化碳摩尔配比至少要等于2。要最大限度地使化学反应向正方向进行，最大可能地得到我们所要的产物尿素，增加反应物的量是有效途径之一。因在该反应中每生成1mol尿素需要2mol氨和1mol CO2，所以，用增加反应物量来促进该反应向着正反应方向进行，选择CO2为不过量物质，NH3为过量物质。原理上反应物NH3的量越多越有利于反应向着正方向进行，但在CO2汽提法尿素生产工艺中，由于汽提塔的进料要求，合成系统NH3／CO2选择在2.89～3.2之间。

汽提塔为何对合成塔出液中的NH3／CO2要这样特殊要求呢？原因如下。

高压CO2汽提塔的原理 来自尿素合成塔的合成液经液位调节阀HV201控制LI201液位后进入汽提塔的上花板，在上花板上形成液位，由升气管下端直径3mm的小孔进入汽提塔的换热列管。来自CO2压缩机的原料CO2气体进入汽提塔的底部，由气体分布器均匀分布进入汽提塔的换热列管。在换热列管内，合成液自上而下沿管壁呈膜状下滑，CO2气体自下而上从管中心上升，在列管内CO2大大降低了下降液膜表面NH3的分压，促使甲铵分解。所需热量由列管壳侧的高压蒸汽提供。

汽提塔换热管内沿管壁呈膜状下滑的合成液因原料CO2的进入，降低了下降液膜表面的NH3分压，故中间生成物甲铵开始分解，反应向着生成物方向移动。相反，若合成液中的NH3／CO2过高，那么合成塔出液中的NH3自然也增长很多，因进入汽提塔的原料CO2量是由系统决定而不可随意调节，所以在汽提塔换热列管内下降合成液中氨量增多，反应向反应物方向移动而减慢，汽提塔出液中氨会明显上升，循环分解吸收负荷反而会增加。综上，我们在提高反应物中过剩氨量来提高合成塔中原料CO2转化率的同时，还要考虑CO2汽提塔的进料要求，最终选择合成塔 NH3／CO2为2.89～3.2。

3 原始开车合成系统NH3／CO2配比投送

3.1 每1000m3原料CO2气量，加氨量的计算

1000m3＝44642.85mol

投料以NH3／CO2＝3.0计算，对应的NH3应是

44642.85×3＝133928.5mol

对应的NH3应是2.276t

液氨温度以8℃计算，液氨密度0.6275t／m3，2.276t液氨对应3.6m3。

3.2 原始开车NH3／CO2 的投送

高压系统按照操作规程进行升温，当合成塔各点壁温升到125℃并且保持稳定4h，即可认定升温钝化合格。按照操作规程，合成系统升压到8.0MPa即可以进行化工投料。在合成塔出料前氨泵加入合成系统的NH3／CO2按3.0计算，即每1000m3／h原料CO2量加入氨量约为3.6m3／h。当合成塔出料后，随着合成塔出液阀开度正常和汽提塔逐渐转为正常，因汽提塔分解出来的氨循环回收到合成系统，氨泵加入合成系统的氨量逐步减少，为每1000m3CO2气量加入氨量约为2.4m3，即将 NH3／CO2降为2.05。

4 合成系统NH3／CO2异常的症状和判定

表1列出了一般NH3／CO2偏离的症状和现象。但发生这些现象时不一定就是NH3／CO2偏离，即不一定就是NH3／CO2偏高或者偏低。具体原因如下。

表1 NH3／CO2偏离的症状和现象

4.1 系统压力PI204

当NH3／CO2偏高或者偏低时，系统压力都上升。NH3／CO2偏高时系统压力上升得慢，NH3／CO2偏低时系统压力上升得快。但系统压力还受其他因素影响。低压蒸汽包压力PI213偏高时系统压力上升，PI213偏低时系统压力偏低。低压汽包液位LI205偏高时系统压力有所下降，LI205偏低时系统压力有所上升。高压洗涤器放空调节阀HV202开度过大时系统压力下降，HV202开度过小时系统压力上升。甲铵液浓度偏高时系统压力上升，甲铵液浓度偏低时系统压力下降。甲铵泵来的量过多系统压力下降，甲铵泵来的量过少系统压力上升。CO2气体纯度偏低时系统压力上升，CO2气体纯度高时系统压力下降。液氨喷射泵压差调节合理时系统压力平稳，液氨喷射泵压差调节不合理时系统压力上升。高调水温度控制适宜时系统压力平稳，高调水温度控制偏高时系统压力上升。H2O／CO2偏高时系统压力下降，H2O／CO2偏低时系统压力上升。

4.2 TI002／1与TI002／5

NH3／CO2偏高、偏低，TI002／1与 TI002／5温度都下降。系统压力PI204上升时TI002／1与TI002／5温度有所上升，系统压力PI204下降时TI002／1与 TI002／5温度有所下降。H2O／CO2偏高时TI002／1与TI002／5温度有所上升，H2O／CO2偏低时 TI002／1与TI002／5温度有所下降。

4.3 TI002／8温度的变化

TI002／8温度对 NH3／CO2的变化十分敏感，NH3／CO2偏高时TI002／8下降，NH3／CO2偏低 时 TI002／8 上 升。但 TI002／8 对 压 力PI204、对H2O／CO2的变化同样十分敏感，所以说当TI002／8温度发生变化时并不一定是NH3／CO2发生变化。当系统压力PI204上升时，TI002／8也上升；当PI204压力下降时TI002／8也下降。当系统 H2O／CO2上升时TI002／8上升，当系统H2O／CO2下降时TI002／8下降。除此之外，低压蒸汽包压力PI213偏高TI002／8上升，PI213偏低时TI002／8偏低。低压汽包液位LI205偏高时TI002／8有所下降，LI205偏低时TI002／8有所上升。

4.4 高调水温差（TI901与 TI002／3温差）与TI002／4温度的变化

当NH3／CO2偏离不是太多时（一般5.0以下），NH3／CO2偏高高调水温差增大，TI002／4升高。NH3／CO2偏低高调水温差减小，TI002／4降低。当CO2气体纯度降低时高调水温差降低，TI002／4降低。当甲铵液浓度降低时高调水温差增大，TI002／4升高。当高压洗涤器放空调节阀开度过大时高调水温差增大，TI002／4升高。当液氨喷射泵压差不足时高调水温差减小，TI002／4下降。

当 NH3／CO2高于5.0时，高调水温差、TI002／4不但不继续增大，反而减小，这是因为高压洗涤器内的热负荷主要来自NH3与CO2的反应热。当合成系统NH3／CO2在一定范围内增大时，进入高压洗涤器内的NH3相对于CO2来说增大，有利于NH3与CO2反应生成甲铵，反应热量增多，高调水温差、TI002／4增大。但若NH3／CO2超过5.0，大量的过剩NH3进入高压洗涤器，改变了甲铵液的组成，此时高调水温差、TI002／4不但不增大反而下降。

4.5 外送蒸汽流量FI202

当NH3／CO2偏离不是很多时（一般认为NH3／CO2在5.0以下），NH3／CO2偏高时高甲冷产蒸汽多，外送蒸汽量较多。NH3／CO2偏低时高甲冷产蒸汽少，外送蒸汽量下降较多。但当NH3／CO2严重偏低或者偏高时，低压蒸汽包产蒸汽量均为下降。

综上所述，在操作中当NH3／CO2发生偏离时，我们千万不可只简单地判断，而是要总览全局综合考虑才行。

5 NH3／CO2偏离的防范措施

5.1 原料CO2流量的测定与投送

原始开车时CO2流量计要准确。我们校正CO2流量计是否准确，一方面要联系仪表检查校正，另一方面我们也根据压缩机的负荷来计算。

例如，安徽六国化工尿素装置设计日产1000t，CO2压缩机设计打气量134m3／min，按70%负荷投料，开启2台CO2压缩机负荷应该是11600m3／h。

因开启2台压缩机送气，所以每台压缩机送气量为5800m3／h。

压缩机设计最大负荷为0.30MPa，设计打气量为134m3／min，那么送5800m3／h气量时的负荷为0.188MPa。

这样，我们开启两台压缩机时，查一下各级排油水阀门无泄漏，五级放空无泄漏、密封垫片无泄漏、压缩机填料无泄漏时，每台压缩机负荷加到0.188MPa，那么五出总管流量计应该在11600m3／h，而不会有大的波动。从这个负荷也可以判断CO2流量。

另外，查看汽提塔底部CO2放空阀是否内漏。如阀门后管道结霜，证明调节阀内漏，可以将根部阀关闭。

5.2 原料液氨的投送

（1）联系仪表校正液氨流量计准确。

（2）用氨泵变频来查液氨流量是否准确。

例如，安徽六国化工尿素装置液氨泵设计打量55m3／h，当氨泵变频数为70%时，氨泵流量计算为38.5m3／h。

（3）查看氨泵副线，应完全关闭。

（4）当合成塔出料后还要查看回收系统：汽提塔、循环系统、解吸水解系统是否工作正常。

6 NH3／CO2偏离的处理措施

（1）首先要判定NH3／CO2是偏高还是偏低。

（2）一般在NH3／CO2偏离不是很严重的情况下，用加氨的方式处理。

根据CO2流量推算，短时间加氨量大于理论加氨量。如果系统压力有下降的趋势，说明合成系统NH3／CO2偏低，要继续适当加大氨量，直到系统压力恢复正常才能将加氨量减至正常值。如果采取适当加大氨量的方法系统压力还继续上升并且上升速度更快，说明合成系统NH3／CO2偏高，这时可以把加氨量减少到低于理论值。

（3）合成塔出液取样分析。这是比较可靠和直接判定NH3／CO2偏高还是偏低的方法，根据分析结果处理。

（4）若合成系统压力严重高于指标值，这种情况可以从合成塔出气适当放空，控制压力不再上升的方法来维持，赢得处理时间。但当NH3／CO2严重偏离时，如果NH3／CO2偏高，我们可以采取加CO2的方法来调节。如果NH3／CO2偏低，我们可以采取加氨的方法来调节。无论是NH3／CO2偏高还是偏低的处理，我们一定要用合成塔出气放空方法来控制高压系统压力不得超过15.0MPa，然后耐心调节。因为汽提塔出气直接循环到高甲冷，所以系统调节到正常很慢，一般需要3～5h。