CO2汽提塔出液超温原因分析及处理措施

王付生

（安徽六国化工股份有限公司，安徽 铜陵 244023）

1 CO2汽提塔出液温度把控的重要性

1.1 出液温度是CO2汽提塔的核心控制指标

CO2汽提塔（简称汽提塔）自身工艺指标有汽提塔液位、汽提塔出液温度（工艺指标165～175℃）；辅助指标有高压汽包压力、高压汽包液位；影响汽提塔运行状况的指标有尿素装置负荷、尿素合成塔（简称合成塔）出料组分、汽提塔进料液气比等。上述任意一个指标发生波动或者不合格，都会引起汽提塔出液温度波动或者不合格，因此，汽提塔出液温度是汽提塔运行状况正常与否的集中体现。

1.2 汽提塔出液超温的危害

1.2.1 汽提塔汽提效率低

汽提塔出液超温时，绝大部分情况下表征着汽提塔汽提效率低。当汽提效率下降时，汽提塔出液中NH3、CO2含量上升，精馏塔负荷增加且出液温度下降，低压甲铵冷凝器负荷增加，低压系统压力上升，后系统精馏塔出液中氨含量上升，尿液泵易发生汽蚀，蒸发系统分离出的气相量增加而使真空度难保证，蒸发表冷器下液中NH3含量上升、解吸水解系统负荷加重，解吸废液易超标。为降低低压系统压力，不得不增大低压甲铵冷凝器的吸收液量，操作不好易造成高压系统H2O／CO2升高，系统陷入恶性循环，甚至被迫停车排塔后重启系统。

1.2.2 设备腐蚀加剧

汽提塔内与甲铵液接触的材料为耐腐蚀的316Lmod不锈钢，这种材料耐腐蚀的温度上限为210℃。汽提塔出液测温点位于汽提塔出液管道上，实际上汽提塔正常工作时最高温度点在加热列管管口下方约1m处，该处温度一般比出液管测温计示数高8℃，即汽提塔出液温度再加上8℃才是汽提塔的最高温度。众所周知，物料温度升高，设备腐蚀会随之加剧，而设备腐蚀危及系统的安全运行及设备的使用寿命。汽提塔内是由NH3、CO2、NH4COONH2、CO（NH2）2、H2O组成的压力15.0MPa、温度170℃左右的五元系气液混合物体系，一旦设备腐蚀加剧，其危险程度不言而喻。

2 汽提塔出液超温的原因分析

2.1 生产负荷过低或过高

在讨论生产负荷过高或过低对汽提塔出液温度的影响之前先谈谈液气比这个概念。液气比是指CO2汽提法尿素装置中从汽提塔上部进入汽提塔加热列管的合成液与从汽提塔下部进入加热列管的原料CO2气的质量比。CO2汽提法尿素装置中，一定的生产负荷对应一定的合成塔出液量和原料CO2气量，即液气比是由CO2汽提法尿素工艺决定的，是不需要调节的。在汽提塔工作正常的情况下，每根加热列管进入的合成液和CO2气量都是均匀的，而当汽提塔每根加热列管进入的合成液和CO2气量不均匀时，必然出现汽提塔汽提效率下降，表现为汽提塔出液温度升高甚至超温。

基于汽提塔的进料要求，即为了确保汽提塔进液在其上花板上形成适宜的液位，CO2汽提法尿素装置负荷宜控制在70%～110%之间。尿素装置生产负荷过低时，合成塔出液量少，合成塔出液不能在汽提塔上花板上形成能淹没所有升气管下端φ3mm进液小孔的液位，且汽提塔上花板靠近进料口的部分获得的合成塔出液较多，汽提塔上花板远离进料口的部分获得的合成塔出液较少，形成我们常说的“汽提塔进液偏流”。来自CO2压缩工段的原料CO2气由汽提塔下部进入汽提塔内加热列管下花板下的CO2气体分布器，CO2气自下而上通过加热列管，当汽提塔进液偏流时，靠近进液口获得合成液较多一侧汽提塔上花板上合成液液位高，升气管进料多，在汽提塔加热列管内壁形成的下降液膜厚度偏厚，则液膜中心CO2气体通道直径就较小，通过的CO2气量就会偏少；反之，远离进液口的一侧获得的合成液较少，汽提塔上花板上合成液液位低，升气管进液少，在汽提塔加热列管内壁形成的下降液膜厚度偏薄，液膜中心CO2气体通道直径就较大，通过的CO2气量就会偏多，即“汽提塔进液偏流”造成由汽提塔底部进入的原料CO2气不能均匀进入每根加热列管，又导致了“汽提塔进CO2气偏流”。偏流最终导致汽提塔加热列管内液气比失调，在额定的壳侧加热蒸汽压力下，加热蒸汽将对列管内的合成液进行加热，导致单根（部分）汽提管出液温度升高。

当尿素装置生产负荷过高时，合成塔出液过多，在汽提塔上花板上形成过高的液位，汽提塔升气管下端φ3mm小孔进液过多，在汽提塔加热列管内壁形成的下降液膜厚度过厚，液膜中心CO2通道直径过小，原料CO2气通径过小，液膜内壁与原料CO2气接触面积大大降低，CO2气不能充分降低液膜表面的氨分压，汽提塔加热列管内甲铵不能充分分解，不能将汽提塔换热列管壳侧额定压力下加热蒸汽提供的热量有效移走，从而导致汽提塔出液温度升高甚至超温。

2.2 原料CO2气温度过高

进入汽提塔的原料CO2气温度设计为110～120℃，当原料CO2气温度过高时，带入汽提塔的热负荷增多，若此时汽提塔加热列管壳侧加热蒸汽压力仍然按照一定负荷对应一定加热蒸汽压力操作，提供给汽提塔的加热蒸汽热量将过多，势必造成汽提塔出液温度升高甚至超温。

2.3 合成塔进料H2O／CO2偏高

H2O／CO2是指进入合成塔的H2O与CO2气的摩尔比。正常生产情况下，合成塔进料的H2O／CO2为0.37。经验表明，H2O／CO2每升高0.1，汽提塔出液温度升高2℃。这是因为当H2O／CO2升高时，合成塔内物料中H2O含量升高，塔内物料沸点升高，继而合成塔出液温度升高，而温度偏高的合成液进入汽提塔后，再在汽提塔换热列管内被壳侧额定压力下的加热蒸汽加热，汽提塔出液温度必然升高。

2.4 高压系统压力偏高

高压系统压力指标为13.7～14.5MPa（即合成塔内化学反应平衡压力），在这个平衡压力下，合成塔出液温度为180～185℃。当高压系统压力升高时，在合成液组分不变的情况下，合成液沸点会升高，继而合成塔出液温度升高。经验表明，高压系统压力每升高0.10MPa，合成塔出液温度就会升高0.30℃。当温度偏高的合成塔出液进入汽提塔后，再在汽提塔换热列管内被壳侧额定压力下的加热蒸汽加热，汽提塔出液温度必然升高。

2.5 液气比偏高

当液气比偏高时，汽提塔单根升气管下端φ3mm小孔进料偏多，加热列管内壁形成的下降液膜厚度偏厚，自下而上通过汽提塔加热列管的原料CO2气偏少，不能有效降低汽提塔换热列管内壁下降液膜表面的氨分压，甲铵分解不充分，不能将汽提塔换热列管壳侧加热蒸汽提供的热量有效移走，造成单根汽提塔换热列管出液温度偏高甚至超温，最终导致汽提塔出液温度偏高甚至超温。

2.6 汽提塔升气管进液小孔堵塞

当部分升气管下端的进液小孔发生堵塞时，该根升气管进入的合成液减少，其对应的加热列管内壁形成的下降液膜厚度减薄，液膜中心CO2气体通道直径增大；因部分升气管下端进液小孔堵塞，进料减少，所以汽提塔加热列管上花板上合成液液位就会升高，使得没有发生进液小孔堵塞的升气管进料量增大，其对应的加热列管内壁形成的下降液膜厚度增大，液膜中心CO2气体通道直径减小。即汽提塔部分升气管下端的进液小孔堵塞造成了整个汽提塔加热列管“进液偏流”，如前所述，“汽提塔进液偏流”又造成“汽提塔进CO2气偏流”，偏流最终导致汽提塔加热列管内液气比失调，在壳侧额定加热蒸汽压力下，加热蒸汽将对列管内的合成液过度加热，导致单根换热列管出液温度升高。

2.7 汽提塔壳侧加热蒸汽压力过高

正常生产情况下，一定的生产负荷，对应汽提塔加热列管内一定的下降液膜量和下降液膜厚度，以及一定的下降液膜中心空隙和通过一定的原料CO2气量，同时也对应着一定的加热列管加热蒸汽压力。若汽提塔壳侧加热蒸汽压力过高，加热列管内甲铵分解所需热量过剩，势必使列管内的合成液被过度加热，由此造成汽提塔出液超温。

2.8 汽提塔液位过高

来自CO2压缩工段的原料CO2气从汽提塔下部进入，经过汽提塔加热列管下花板下部的CO2气体分布器后均匀进入每一根加热列管内，通过加热列管内壁下降液膜中心的CO2通道后进入汽提塔的出气管。当汽提塔液位过高时，合成液将淹没CO2气体分布器，CO2气将不能均匀进入每一根加热列管，造成加热列管内液气比失调，壳侧额定压力下的加热蒸汽将对列管内的合成液过度加热，从而导致汽提塔出液温度升高甚至超温。

2.9 汽提塔出液测温计示数不准

生产中，汽提塔出液测温计不准的情况时有发生。一般情况下，汽提塔出液确实超温，精馏塔负荷必然增加；若汽提塔出液显示超温而精馏塔运行状况和运行指标完全在许可范围内，则基本可以判定为出液测温计示数不准确。

3 引起汽提塔出液超温原因的处理措施

3.1 生产负荷过低或过高的处理措施

CO2汽提法尿素装置中，CO2是不过量物料，因而尿素装置的负荷是以CO2流量来确定的。据尿素装置产能计算出70%负荷下所需的原料CO2气量，调整CO2压缩机负荷，将尿素装置负荷调整在70%～110%范围内。

3.2 原料CO2气温度过高的处理措施

CO2汽提法尿素装置只有在CO2压缩工段投用脱氢系统的情况下进入汽提塔的CO2温度才会偏高，可通过调节脱氢系统CO2冷却器的冷却水量来控制进入汽提塔的CO2温度在110～120℃。

3.3 合成塔进料H2O／CO2偏高［1］的处理措施

要控制好合成塔进料H2O／CO2，需从以下几个方面做起。

（1）控制好解吸系统回流液组分。解吸水解系统的操作目标是，既要确保解吸废液达标排放，又要确保回流液组分在工艺指标范围内。而想要控制好解吸系统回流液组分，就要控制好解吸塔的主要工艺操作参数。解吸塔适宜的工艺操作参数控制指标为：压力0.15～0.25MPa，解吸塔中部温度128～135℃、解吸塔底部温度132～138℃、解吸塔出气温度105～115℃。

（2）控制好低压甲铵液组分。想要控制好低压甲铵液组分，就要控制好低压系统的主要工艺操作参数。低压系统适宜的工艺操作参数控制指标为：压力0.15～0.25MPa（对应的精馏塔出液温度130～135℃），低压甲铵液出液温度75～80℃，低压甲铵液液位槽液位60%～90%。

（3）控制好加入高压系统的甲铵液量。据物料衡算，CO2汽提法尿素装置生产1t尿素低压系统返回高压系统的低压甲铵液量为0.43m3标准甲铵液（NH330%、CO235%、H2O35%）。安徽六国化工股份有限公司尿素装置满负荷生产时日产1000t尿素，则满负荷情况下高压甲铵泵向高压系统输送的标准甲铵液量约18m3／h，而实际生产中大多数时间内甲铵液浓度会低于标准甲铵液，故高压甲铵泵加入高压洗涤器内的甲铵液量不宜超过18m3／h。

3.4 高压系统压力偏高的处理措施

CO2汽提法尿素装置高压系统压力是适宜的NH3／CO2、H2O／CO2、温度下的平衡压力。此外，实际生产中，高压系统压力还受原料CO2气中惰气含量、高压甲铵冷凝器壳侧汽包液位、液氨喷射器压差、低压汽包压力、高调水流量和温度、高压洗涤器放空阀（HV4202）开度等的影响。因此，要想控制好系统压力，需从以下方面着手。

（1）控制好高压系统的NH3／CO2。高压系统适宜的NH3／CO2为2.9～3.2，正常生产时每1000m3CO2气量对应氨泵原料氨的加入量约为2.55m3。

（2）控制好高压系统的H2O／CO2。高压系统适宜的H2O／CO2为0.37，正常生产每1000m3CO2气量对应甲铵液加入量约为1.10m3。

（3）控制好低压汽包压力与合成塔出液温度。合成塔出液温度是通过调节低压汽包压力予以控制的，一般情况下，70%负荷对应低压汽包压力为0.49MPa，77%负荷对应低压汽包压力为0.47MPa，87%负荷对应低压汽包压力为0.45 MPa，97%负荷对应低压汽包压力为0.43MPa，105%负荷对应低压汽包压力为0.41MPa，控制好低压汽包压力就能控制好合成塔出液温度。

（4）控制好原料CO2气中惰气含量与高压洗涤器放空阀（HV4202）开度。据CO2汽提法尿素装置设备防腐要求，进入汽提塔的CO2气中O2含量要控制在0.75%～0.85%（体积分数），由尿素生成反应式H2O可计算出每生产1t尿素需要CO2气量约373m3，实际生产中生产吨尿素需要向原料CO2气中加入空气约27m3，这部分空气中的氮气不参与任何化学反应，最终通过高压洗涤器放空阀（HV4202）开度控制原料CO2气中的惰气含量。

（5）控制好高压甲铵冷凝器壳侧低压汽包液位。原料氨和原料CO2气进入高压甲铵冷凝器后，在高压甲铵冷凝器换热列管内反应生成甲铵并放出大量的热量，需由高压甲铵冷凝器壳侧的蒸汽冷凝液产生低压蒸汽以将反应热移走，一般通过低压汽包补水阀控制低压汽包液位在

30%～50%。

（6）控制好液氨喷射器压差。液氨喷射器的任务是通过液氨节流产生的能量对高压洗涤器下来的甲铵液进行抽吸，然后返回高压甲铵冷凝器内重新回收利用，一般通过液氨喷射器调节液氨压力高于高压系统压力1.0～2.0MPa。

（7）控制好高调水进水流量和温度。高调水担负着把高压洗涤器换热列管内甲铵反应热移走的任务，一般通过高调水冷却器的副线控制高调水流量在200～250m3／h，控制进入高压洗涤器的高调水温度在110～130℃。

3.5 液气比偏高的处理措施

正常生产中，控制好液汽比主要从以下几个方面着手：①一定的生产负荷对应一定的合成塔出料量，也就是说合成塔出料要均匀，避免单位时间内出料过多或者过少，这要根据生产负荷，在高压系统NH3／CO2、H2O／CO2、温度都正常的情况下，摸索出合成塔出料阀（HV4201）的适宜开度；②进入汽提塔的CO2气量要平稳，日常生产中加减负荷要缓慢，切忌猛加猛减而造成CO2气量大幅波动，倒CO2压缩机时切换气体阀门和放空阀开关要缓慢、步调要一致，切忌猛开猛关。

3.6 汽提塔升气管进液小孔堵塞［2］的处理措施

3.6.1 方法一：CO2气反吹法清理

当判定汽提塔工作不正常是液体分布器下端进液小孔堵塞造成时，一般首选采用CO2“倒流”方法反吹清理汽提塔：尿素装置停车后，将系统压力降至8.0MPa，将压力为14.0MPa的CO2气快速通入汽提塔，同时迅速全开合成塔出料阀（HV4201），让CO2气通过合成塔出料管直接进入高压洗涤器放空，以减小CO2气上升的阻力；CO2气进入汽提塔的瞬间，在进液分配器内短时形成一股压力高于外部压力的CO2气流，将分配器进液小孔上附着的油膜吹破，并随同CO2气被吹出至合成塔液面上，从而达到清理进液小孔的目的。

3.6.2 方法二：“蒸汽冷凝液＋蒸汽加热＋CO2鼓泡”法清洗

当采用CO2反吹法清理汽提塔液体分布器进液小孔附着的油污效果不理想时，可采用“蒸汽冷凝液＋蒸汽加热＋CO2鼓泡”法进行清洗。

尿素装置停车后，启动高压冲洗水泵由汽提塔底部CO2管线进蒸汽冷凝液，进液时间为1h，汽提塔壳侧同时通入1.8MPa蒸汽加热，使列管内水达到沸腾状态，观察温度点（TR4211、TR4209）的变化情况，当汽提塔气相温度（TR4211）示数不变后，即可认为已至沸腾状态，待沸腾0.5h后降低加热蒸汽压力至1.2 MPa，此时联系调度和压缩岗位开启1台CO2压缩机，缓慢提高CO2气压力，其压差保持在0.5 MPa后投入汽提塔进行鼓泡，使其在汽提塔上部和列管内形成一定的流动和扰动，之后全开合成塔出液阀及高压系统排放阀，促使清洗下来的杂质和油污随蒸汽冷凝液排出高压系统。

3.6.3 方法三：机械杂质采用排塔人工清理

尿素装置高压系统不排塔的情况下清理汽提塔液体分布器，如果清理效果不理想，那么就有可能是机械杂质堵塞了液体分布器进液小孔。堵在液体分布器上的机械杂质采用“CO2反吹清理法”和“蒸汽冷凝液＋蒸汽加热＋CO2鼓泡法”清洗是没有效果的，此种情况下需排空合成塔，泄尽高压系统压力，置换高压系统，人工拆开汽提塔清理液体分布器。

3.6.4 预防措施

（1）确保各机泵进出口过滤器完好及清洁。整个尿素装置内不可避免地有机械杂质产生和设备腐蚀物脱落，这些杂质在物料循环过程中可通过机泵过滤器过滤掉，从而避免再次进入系统内部。需要指出的是，氨泵、甲铵泵的填料在使用过程中很容易产生碎屑杂物，故氨泵和甲铵泵进口、出口过滤器必须保持完好并经常清理。

（2）确保往复式压缩机各段油分离器工作正常。往复式压缩机各段气缸需注油润滑，注入的润滑油和气体混合在一起，通过出口的油分离器分离出来，若油分离器工作不正常，油污随CO2气带入汽提塔，很容易堵塞汽提塔升气管下端φ3mm的进液小孔。

（3）确保氨罐液位不能太低。氨罐液位不能太低，当液位过低时，悬浮在液氨上部的油污很容易被氨泵抽走而送入尿素高压系统，继而很容易堵塞汽提塔升气管下端φ3mm进液小孔。

3.7 汽提塔壳侧加热蒸汽压力过高的处理措施

正常生产时，汽提塔壳侧加热蒸汽压力要与尿素装置负荷相对应。尿素装置负荷越高，合成塔出料阀开度越大，汽提塔进料越多，汽提塔内甲铵分解所需热量越多，对应的汽提塔壳侧加热蒸汽的压力越高；反之，尿素装置负荷越低，汽提塔壳侧加热蒸汽压力越低。一般来说，尿素装置70%负荷对应高压汽包压力为1.67MPa，80%负荷对应高压汽包压力为1.77MPa，90%负荷对应高压汽包压力为1.87MPa，100%负荷对应高压汽包压力为1.97MPa，高压汽包压力最高不得超过2.05MPa。生产中通过调节高压汽包压力调节阀，控制高压汽包蒸汽压力与生产负荷相对应。

封塔停车时，高压汽包压力一般控制在0.80～1.00MPa，此时高压汽包压力不能控制得太高，也不能控制得太低。高压汽包压力太高，易引起汽提塔加热列管内部因温度过高而腐蚀加剧；控制太低，会因加热蒸汽热量供应不足而使汽提塔加热列管内CO2气和氨发生冷凝，合成塔倒液到汽提塔内。

3.8 汽提塔液位过高的处理措施

汽提塔液位指标为40%～90%。一般汽提塔液位显示100%时实际液位与CO2气体分布器还有一定的距离，并不是立即就会引起汽提塔出液超温，此时需要尽快适当开大汽提塔液位调节阀（LV4202）将液位降下来，不可长时间满液。

正常生产中，通过汽提塔液位调节阀（LV4202）的开度来调节汽提塔液位，调节过程中要充分考虑合成塔出料是否正常、汽提塔壳侧加热蒸汽压力是否正常，综合考虑这些因素才能控制好汽提塔液位。

3.9 汽提塔出液测温计示数不准的处理措施

由于CO2汽提法尿素装置高压系统内所有测温计都是装在套管内的，不与工艺介质相接触，因此，当汽提塔出液测温计示数不准时，一般可以进行在线更换。

4 结束语

综上，汽提塔出液超温的影响因素很多，工艺方面的影响因素主要有尿素装置负荷、合成系统H2O／CO2、高压系统压力、汽提塔壳侧加热蒸汽压力、汽提塔液位、液气比、汽提塔CO2进气温度等，日常生产中只要我们严格按照工艺指标要求精心操作，是很容易预防和处理的；而在所难免的汽提塔升气管下端进液小孔堵塞一般是由机械杂质和油污造成的，为防止机械杂质进入汽提塔，需加强各机泵进出口滤网的检查和清理，尤其是氨泵和甲铵泵进出口滤网的定期检查和清理。生产中，一旦发生汽提塔出液温度升高或超温，我们应对可能原因逐一排查，找到症结，并按照上述处理措施进行有针对性的处理。