CO2汽提法尿素的工艺技术及提高CO2转化率的措施

张鹏伟

（海洋石油富岛有限公司，海南东方 572600）

荷兰斯塔米卡邦二氧化碳汽提法尿素生产工艺于20世纪70 年代初被我国引进使用，该生产工艺跟水溶液全循环法尿比较而言具有更多的优势，比如简单易于操作的流程、单系统生产能力大、更低的能耗低和成本低、可以长周期运转等。经过我国的不断吸收和改进，现在该工艺已经成了国内许多中大型尿素生产企业所主要选择的工艺。在尿素工艺改进的过程中其中一个重要的目标就是提高尿素的CO2转化率。基于此，本文对二氧化碳汽提法尿素生产工艺进行分析，并探讨了CO2汽提法尿素提高CO2转化率的一些措施。

1 二氧化碳汽提法生产尿素的工艺概述

1.1 CO2汽提法工艺原理

CO2汽提法生产尿素的工艺主要在合成塔中发生两个化学反应，包括液氨和二氧化碳反应生成甲铵，以及甲铵再脱水生成尿素和水，其反应过程如下：

其中液氨和二氧化碳反应生成甲铵是放热反应，反应放出的热可以生成蒸汽，可以应用于分解反应和蒸汽喷射器。甲铵脱水生成尿素和水是吸热反应，是控制尿素合成的步骤。

1.2 CO2汽提法工艺流程

（1）液氨升压。液氨升压是把从球罐过来的液氨进行升压，把液氨压力从2.3MPa 提升到16.0～17.5MPa，然后通过高压液氨泵把它输送到高压喷射器，以作喷射物料。

（2）CO2气体压缩与净化。自低温甲醇清洗后的CO2原料气通过CO2压缩机组进行气体压缩后使其压力升到14.4MPa左右，然后对CO2进行净化，包括在脱硫塔以干法脱硫除去CO2气中H2S 杂质以及在脱氢塔催化脱氢除去CO2气中的H2杂质，然后将CO2输送到汽提塔。

（3）合成和汽提。本工序是CO2汽提法关键环节。液体甲铵和少量还没冷凝的氨气和二氧化碳气体从高压冷凝器底部出来被送入到合成塔底部，物料从合成塔底上升到塔顶并生成反应液（其温度为180～185℃），反应液从塔顶流入到汽提塔顶部，液体分配器将反应液均匀地分布到每根汽提管中，并沿着汽提管壁呈液膜状流下，流下的过程与来自汽提塔底部的二氧化碳气体接触，反应液中剩余的NH3和还没转化的NH2COONH4被蒸发并分解后从汽提塔顶排出，尿液及小部分NH2COONH4从塔底排出。从气提塔顶排出的气体、来自高压洗涤器的甲铵液、液氨经混合后进入到高压冷凝器顶部，生成的甲铵和NH3、CO2进入到合成塔底部。

（4）循环。从汽提塔底部出来的汽提液在精馏塔中将还没有分解的NH2COONH4进行加热分解，再通过闪蒸槽把游离氨、CO2蒸出，然后再把尿液（温度 90～95℃）输送到尿液槽。

（5）蒸发。经过一段蒸发、二段蒸发，把尿液槽过来的尿液水分进行蒸发使尿液水分含量小于1.0 %，再输送到造粒工序。

（6）解吸和水解。将蒸发冷凝器冷凝液中残留的尿素在水解塔中水解成NH3和CO2，它们再跟剩余的NH3、CO2一起在解吸塔中进行解吸和回收，使NH3和尿素含量下降到小于10×10-6，再送到其他工段。

1.3 技术特点

（1）CO2汽提尿素工艺在跟合成压力相同的条件下冷凝吸收NH3与CO2，有着比较高的回收效率，返回的水碳比和氨碳比低，反应压力低，可以充分回收热量。

（2）因为CO2汽提尿素工艺对NH3、CO2有着比较高的回收效率，减轻了低压系统的负荷，并且可以省去中压分解与回收工段，从而使得工艺流程得到简化，有利于生产管理和实际操作。

（3）由于NH3和CO2反应生成甲铵的反应热可以生产副产蒸汽，可以应用于分解反应和蒸汽喷射器，且CO2汽提冷凝温度较高，回收能量过程更加安全，因此使工艺的能耗得到有效降低，并且节约了冷却水用量。

（4）由于物料在合成塔、CO2汽提塔、高压甲铵冷凝器中的循环是借助重力作用下进行，使工艺流程得到简化，设备占地面积少，开车时间短，操作更加稳定。此外，工艺冷凝液经过解吸、水解后，可以减少氨的损失，也避免了环境污染。

2 CO2汽提法尿素提高CO2转化率的措施

2.1 氨碳比控制

从前面气提法的反应原理2NH3+CO2=NH2COONH4可以看出，提高物料的NH3/CO2，可以提高CO2的转化率，减少发生副反应，残留的氨还可以跟系统中的H2O 生成 NH4OH，有利于反应朝着生成尿素的方向进行，还可以减少设备的腐蚀。一般情况下，NH3/CO2每提高0.1 就可以提高0.5%～1.0%的CO2转化率。然而氨碳比过高也会增大系统压力，导致能量损耗加大，缩短了反应塔内物料的停留时间，降低了CO2转化率。因此，在CO2汽提法尿素实际生产中，一般控制氨碳比小于3.5。

2.2 合成系统压力与温度的控制

由于氨和二氧化碳反应生成甲铵的过程是体积缩小的反应，因此提高压力可以促进反应向生成甲铵的方向进行，从而促进CO2转化率的提高；然而压力过高也不利于生产的安全性，并且合成系统压力提高到一定程度，CO2的转化率升高到一定值后就不会再有明显的提升了，而更高的压力还会对设备提出更高要求。因此在CO2汽提法尿素生产中合成系统压力通常可以控制在13.5～14.5MPa。在合成温度方面，由于甲铵转化为尿素的反应（NH2COONH4=CO（NH2）2+H2O）是一个吸热反应，温度升高有利于朝着生产尿素的方向进行。然而温度过高也会导致能耗加大及造成设备腐蚀。因此一般CO2汽提法工艺合成系统温度通常控制在180～185℃。

2.3 原料纯度的控制

在CO2汽提法的原料纯度控制方面，要求其中的液氨纯度不小于99.5%，这点一般都能满足；主要是控制好原料二氧化碳气纯度，因为为了避免合成塔内部等高压设备的腐蚀，一般会在原料二氧化碳气中混入少量防腐空气，然而如果混入的防腐空气过量，就会降低二氧化碳气的纯度，进而降低了系统CO2的转化率。对于这个问题，可以在二氧化碳压缩机三段出口处增加脱硫与脱氢等装置提高原料CO2气的纯度，并且控制混入空气前CO2纯度不小于98.5%、混入空气后CO2纯度≥95%、含氧量在0.70%～0.90%为宜。

2.4 开好回收、解吸水解系统

尿素合成系统未转化的游离CO2、游离氨、NH2COONH4进入到中低压回收系统进行回收利用，可以有利于CO2转化率的提高并能减少系统的能耗。系统中还没反应的NH3、CO2被吸收后转化成氨水再被输送到解吸、水解系统，加入蒸汽把氨水里面残留的尿素进行水解，并且把氨水中的NH3、CO2解吸后重新转入到尿素合成装置进行循环利用，从而提高CO2的转化率。开好回收、解吸水解系统的主要是要把握好系统的压力与温度，特别是掌握好解吸塔气相出口温度，以降低气体中的含水量，而且要确保解吸水解系统回流冷凝器具有比较好的冷凝作用，从而可以回收更多的氨和CO2。

3 结束语

CO2汽提法尿素工艺具有诸多的优势，是当前竞争力很强的尿素生产工艺，是提高化工化肥企业经济效益的有效途径。在CO2汽提法尿素工艺中，CO2转化率是一个重要的技术指标，它关系到生产成本、产品质量及企业的发展。因此，化工企业应该根据自己的实际情况，不断摸索最佳工艺操作指标，将工艺操作指标控制在适宜的区间。