水解-解吸系统原理及尿素装置废水处理技术路线分析（续）

沈华民

（中国化工学会化肥专业委员会，上海 200336）

3 技术路线

已实现工业化的尿素废水处理系统，其技术路线有2条——两塔法和单塔法，现阐述如下。

3.1 两塔法

两塔法的技术思路是，将水解过程与解吸过程分别在2台塔内进行。这样水解与解吸过程可以互不干扰，且可在各自适宜的条件 ［水解塔压力（p）2.0～3.5 MPa、温度（t）200～235℃；解吸塔压力（p）0.3～0.4 MPa、温度（t）133～143℃］下进行，从而可提高全系统的效率。

用2台独立的塔器来处理尿素废水是当前最为常用的方法，如汽提法工艺的Stamicarbon法［3］、Snamprogetti法［3］、三井东亚 ACES法［4］等，均是两塔法。水解-解吸系统两塔法流程示意见图6。

3.1.1 设备结构及功能简介

全系统由1台解吸塔和1台水解塔（立式或卧式）组成。

（1）解吸塔的功能是将废液中的 NH3与CO2从液相中脱吸出来，塔内设置若干块传质塔板或填料，以保证质热传递效果。解吸塔分为第一解吸塔（上塔）和第二解吸塔（下塔）两部分，上、下塔之间安装有升气管（图6中未画出）。第一解吸塔又分为两部分：中上部（原料废液进口以下的B区）为原料废液预解吸段，主要功能是脱除原料废液中的NH3与CO2；上部（塔顶回流液入口至原料液入口之间的A区）为精馏段，主要功能是降低出口气中的H2O含量。第二解吸塔主要起提馏作用，即以汽提的方式将水解之后溶液中少量溶解态的NH3与CO2解吸出来。

图6 水解-解吸系统两塔法流程示意图

（2）水解塔的功能主要是将尿素在高温下水解为NH3与CO2，并将液态NH3与CO2从液相中驱赶出来，进入气相。水解塔有立式和卧式两类，塔内安装有若干块塔板或隔板，每一小区间（全混小室）内气液呈湍动状态，以保持良好的质热传递。

3.1.2 流程及化工过程说明

全系统物料状态描述如下。

液相：F→L0→L1→L2→L3（Lout）

气相：G1／G2→G3→G4（Gout）

低压蒸汽：LS1→LS2→LS3

中压蒸汽：MS1→MS2

将全系统分为A、B、C、D这4个区（如图6）来分别进行考察，简述如下。

3.1.2.1 B区

工艺要求：将原料废液中的NH3与CO2脱除，以减小其对后续尿素水解反应的阻滞作用。

流程简述：尿素废液（F），预热后进入B区，L0向下流动，与上升的热气流（G1、G2）逆流接触，在塔板上进行质热交换后，气相中的低压蒸汽冷凝入液相，放出热量，溶液温度升高，使溶液中的NH3与CO2解吸至气相中。流出B区的溶液（L1）中 NH3与CO2含量极低，H2O含量较高；流出B区的气相（G3）中NH3与CO2浓度增大，H2O含量降低。

化工过程：以传质过程为主，在塔板上进行精馏和解吸过程，气相中的低压蒸汽既作为加热剂，又兼作汽提剂。在理想状态下，气相中的低压蒸汽将全部消耗。

3.1.2.2 C区

工艺要求：溶液中的尿素在高温下进行完全的水解反应，并将生成的甲铵分解为气相（NH3与 CO2）。

流程简述：基本上除去了NH3与CO2的溶液L1，用升压泵升至中压并预热后送到C区，在水解塔内，溶液停留一定时间，用中压蒸汽（MS）在设定的水解温度（200～235℃）下将尿素全部水解成甲铵，并将液态甲铵最终解吸为气态NH3与CO2。水解后流出C区的溶液（L2）中，尿素含量＜5×10-6，还含有少量溶解态的NH3、CO2；流出C区的气相（G2）含有尿素水解后产生的NH3与CO2，以及平衡态的H2O。

化工过程：以尿素水解反应为主。

3.1.2.3 D区

工艺要求：将水解后呈溶解态的NH3（还有微量CO2）予以脱除。

流程简述：水解后的溶液（L2），减压后进入解吸塔下部D区，向下流动，与塔底进入的低压蒸汽（LS1）逆流接触，用汽提的方式除去其中溶解态的NH3和微量CO2。流出D区的溶液（L3）中，NH3含量＜5×10-6，可用作锅炉给水；流出D区的气相（G1，还有G2）进入第一解吸塔底部，该气相中还含有过量的低压蒸汽，可作为第一解吸塔的汽提剂和加热剂。

化工过程：以传质过程为主，进入系统的低压蒸汽（LS1）主要用作汽提剂，兼作加热剂，在塔板上进行提馏和解吸过程。

3.1.2.4 A区

工艺要求：就尿素废液而言，通过B、C、D这3个区域的处理，废液中的尿素、NH3与CO2已清除干净，排水符合要求，然而，对于回收物而言，气相中水含量过高，若直接将其返回系统，不利于尿素装置的水平衡，因而在废液入口上方设置一精馏段（A区），用以降低回收气中的水含量。

流程简述：顶部进入的洗涤液为温度较低的冷凝回流液（RL），其平衡气相水分压较低，与上升的温度较高的回收气体（G3）逆流接触（G3中平衡气相水分压较高），在塔板上进行质热交换，气相中H2O冷凝入液相，放出热量，提高液相温度的同时将部分NH3与CO2脱吸入气相，出口气（G4，即Gout）中H2O含量下降。

化工过程：以传质过程为主，在塔板上进行精馏过程。

在理想状态下，加入系统的低压蒸汽（LS1）和中压蒸汽（MS1）在 B、C、D这3个区域已耗尽，故而在A区因精馏而冷凝的重组分——水蒸气仅是平衡态的水蒸气，经过A区的精馏，出口气中H2O含量降低。若加入的低压蒸汽（LS）和中压蒸汽（MS）过量，则A区出口气相中H2O含量仍然会偏高，从而导致返回液中的H2O含量偏高。

3.2 单塔法［5］

单塔法的技术思路是，低压条件下，将尿素废液的水解与解吸过程合并在1台塔内进行。为解决水解与解吸过程之间的矛盾，需找到一个平衡点 ［温度（t）180℃，压力（p）1.05 MPa］，既能满足正常的水解过程，又能兼顾正常的解吸过程，而且需引入汽提剂来提高水解速率和解吸速率，从而提高全系统的效率。故而，低压单塔法又称为水解汽提法。

用1台塔来处理尿素废液的单塔法，是UTI尿素工艺4项主要先进技术之一，于上世纪80年代开发成功，它不同于常规的两塔法，更有别于常规的中压单塔法，它是用1台塔在低压（1.05 MPa）条件下完成水解和解吸2项任务，形成了一种独特的单塔技术路线。

3.2.1 工艺条件

3.2.1.1 低压（1.05 MPa）下操作

用1台塔来处理含尿素和氨碳化合物的水溶液，必须兼顾水解和解吸2个过程，由此塔器操作压力的确定十分重要。塔压越高，温度亦越高，水解反应易于进行，水解速率越快；但是，塔压越高，由相平衡原理可知，溶液中的氨碳化合物溶解速率增大，从而使解吸过程变得困难。

通过对尿素水解反应动力学和氨碳化合物热力学以及反应过程的分析，UTI工艺找到了能兼顾水解与解吸过程的平衡点——塔内物系温度180℃，在此温度条件下，尿素水解速率和氨碳化合物的解吸速率均能控制在适宜的范围内。而180℃的加热蒸汽的压力为1.05 MPa，故单塔法操作压力确定为1.05 MPa。

3.2.1.2 引入汽提剂

操作温度为180℃，对于水解过程而言，是低限温度；而1.05 MPa的压力，对于解吸来说压力又偏高。若用常规加热分解法来处理，系统的效率是难以保证的。由此，引入汽提剂成为UTI单塔法的另一项重要技术支撑。UTI单塔法在物系中引入3种汽提剂来提高物系解吸速率，并助推尿素的水解。3种汽提剂均有双重功能：CO2是主汽提剂，兼出口物调节剂；蒸汽是加热剂，兼汽提剂；空气（Air）为辅汽提剂，兼不锈钢防腐剂。

3.2.2 流程简述

UTI水解-汽提塔是1台直立高塔，内部安装有大量塔板，塔底设置气体分布器，其塔体及相关构件均用316不锈钢制作。UTI水解-汽提系统流程示意如图7。

3.2.2.1 液相流程

废液分两段由塔上部进入。大部分预热后的废液（FH）由离塔顶约1／4处进入，作为热物流；其余小部分废液（FR）不经预热，作为冷物流加入塔顶部用作回流液。向下流的液体物料与逆流而上的气体物料在塔板上接触发生水解和解吸反应，进行质热交换后，废液中的尿素水解为甲铵并最终分解为NH3和CO2气体而被脱除，废液中的氨碳化合物亦被解吸为气体而进入气相，排出液（L1，即Lout）中尿素和NH3含量均小于5×10-6，可用作锅炉给水。

图7 UTI单塔法水解-汽提系统流程简图

3.2.2.2 气相流程

由1.05 MPa饱和蒸汽（STM）、CO2和空气（Air）组成的气流（G0），在气体分布器内均匀混合后向上流动，在塔板上与液体流进行质热交换，促使液体中尿素分解为甲铵并随后解吸为NH3和CO2气体，同时将存在于废液中的氨碳化合物解吸为气体。随着这些解吸气体加入气相流行列，向上流动的气相量逐渐增加，到对应于FH的位置时，气流中除了新进入的NH3与CO2之外，原气流中的加热蒸汽因冷凝而基本耗尽，但CO2和空气（兼作防腐剂）作为汽提剂并不损耗，此时气流已由G0演变成G1。当G1继续向上流动时，在回流的冷液流（FR）的作用下，气相中平衡态的水蒸气因进一步精馏而降低（冷凝入液相），排出塔顶的气流由G1变为G2（即 Gout）。

3.2.3 化工过程

系统压力越高，溶液中脱吸物质溶解度越大，这就给解吸带来困难，若不采取有效措施，必然会导致传质塔板数增加、塔体过于庞大。为此，UTI单塔法采用3种汽提剂作为应对措施。单塔系统化工过程自上而下仍可划分为A、B、C、D这4个区域，只是B区与C区是混合区，其化工过程分析如下。

3.2.3.1 D区

D区溶液中以溶解态NH3为主。UTI单塔法用3种汽提剂来提馏溶液中的NH3，3种汽提剂的作用分析如下。

（1）低压饱和蒸汽（STM）。STM的作用有二：①作为加热剂，其冷凝放出的热量用于溶液加热，使物系处于离解温度以上，达到解吸NH3的目的；② 存在于气相中尚未冷凝的多余蒸汽，作为惰性气体可降低有效组分NH3的分压，从而提高解吸过程的推动力。

（2）CO2。CO2的作用有二：① 少量 CO2溶入溶液，将使溶液由NH3-H2O体系转变为NH3-CO2-H2O体系，由相平衡数据可知，三元系的离解温度比二元系更低，亦即在不加热状态下物系已成离解态，溶液中的NH3将解吸为气相；②CO2作为惰性气体汽提剂可降低气相中有效组分NH3的分压，提高传质过程推动力。

（3）空气。空气在D区主要作为惰性气体汽提剂，兼作防腐剂。

可见，引入3种气体作为混合汽提剂，可提高液相中NH3的解吸率，大大提高气相的传质推动力，使全系统效率得以大幅提高。

3.2.3.2 B／C区

B／C区溶液中由于氨碳化合物的存在，尿素的水解速率以及甲铵的分解速率会降低，会使溶质停留时间延长和传质塔板数增多，若仍沿用传统的加热法，必然导致塔体庞大。下面分析3种汽提剂引入对B／C区的作用。

（1）低压饱和蒸汽（STM）。STM的主要作为加热剂，其冷凝放出的热量用于尿素水解和甲铵分解，以及溶液中氨碳化合物的解吸，到FH位置时，加热蒸汽已基本耗尽，故而B／C区的蒸汽，其汽提剂功能已相当弱化。

（2）CO2和空气。气相中的另外2种气体——CO2和空气，仍作为惰性气体汽提剂提高溶液中甲铵的分解速率和氨碳化合物的解吸推动力。系统传质速率的提高，也加快了水解速率。简言之，CO2、空气的引入提高了甲铵分解速率、氨碳化合物的解吸速率及全系统的效率。

3.2.3.3 A区

废水通过D、B／C区的处理后，热气流中富含汽提出的 NH3和 CO2，以及与预热后废液（FH）温度对应的平衡态水蒸气，若将此气体直接送入回收系统，由于其含有较多的水分，将影响尿素装置的水平衡。为此，设置A区，用冷凝液（不加热的废液FR）来冷凝热气流，使部分水蒸气冷凝为液态H2O，即以精馏的方式来降低回收气中的H2O含量。

4 结束语

尿素装置废水中含有NH3、CO2及尿素，尿素属于一种化学性质较稳定的化合物，而尿素水解过程与NH3、CO2的解吸过程所适宜的工艺条件存在矛盾，因此，在选择尿素废水处理技术时较为复杂和困难。

为探讨技术上可靠、经济上合理的尿素废水处理方法，首先从基本理论入手，从化学反应工程学的视角考察水解-解吸反应的原理，以及优化整个水解-解吸系统的途径和手段，并对已实现工业化的尿素废水处理系统的2条技术路线——汽提法尿素装置采用的两塔法、UTI尿素装置采用的单塔法各自的技术思路、工况特点、化工过程等进行分析讨论，以期为业内提供一些参考与借鉴。