張鵬偉

（海洋石油富島有限公司，海南東方 572600）

荷蘭斯塔米卡邦二氧化碳汽提法尿素生產(chǎn)工藝于20世紀(jì)70 年代初被我國引進(jìn)使用，該生產(chǎn)工藝跟水溶液全循環(huán)法尿比較而言具有更多的優(yōu)勢，比如簡單易于操作的流程、單系統(tǒng)生產(chǎn)能力大、更低的能耗低和成本低、可以長周期運(yùn)轉(zhuǎn)等。經(jīng)過我國的不斷吸收和改進(jìn)，現(xiàn)在該工藝已經(jīng)成了國內(nèi)許多中大型尿素生產(chǎn)企業(yè)所主要選擇的工藝。在尿素工藝改進(jìn)的過程中其中一個(gè)重要的目標(biāo)就是提高尿素的CO2轉(zhuǎn)化率?；诖?，本文對(duì)二氧化碳汽提法尿素生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，并探討了CO2汽提法尿素提高CO2轉(zhuǎn)化率的一些措施。

1 二氧化碳汽提法生產(chǎn)尿素的工藝概述

1.1 CO2汽提法工藝原理

CO2汽提法生產(chǎn)尿素的工藝主要在合成塔中發(fā)生兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)，包括液氨和二氧化碳反應(yīng)生成甲銨，以及甲銨再脫水生成尿素和水，其反應(yīng)過程如下：

其中液氨和二氧化碳反應(yīng)生成甲銨是放熱反應(yīng)，反應(yīng)放出的熱可以生成蒸汽，可以應(yīng)用于分解反應(yīng)和蒸汽噴射器。甲銨脫水生成尿素和水是吸熱反應(yīng)，是控制尿素合成的步驟。

1.2 CO2汽提法工藝流程

（1）液氨升壓。液氨升壓是把從球罐過來的液氨進(jìn)行升壓，把液氨壓力從2.3MPa 提升到16.0～17.5MPa，然后通過高壓液氨泵把它輸送到高壓噴射器，以作噴射物料。

（2）CO2氣體壓縮與凈化。自低溫甲醇清洗后的CO2原料氣通過CO2壓縮機(jī)組進(jìn)行氣體壓縮后使其壓力升到14.4MPa左右，然后對(duì)CO2進(jìn)行凈化，包括在脫硫塔以干法脫硫除去CO2氣中H2S 雜質(zhì)以及在脫氫塔催化脫氫除去CO2氣中的H2雜質(zhì)，然后將CO2輸送到汽提塔。

（3）合成和汽提。本工序是CO2汽提法關(guān)鍵環(huán)節(jié)。液體甲銨和少量還沒冷凝的氨氣和二氧化碳?xì)怏w從高壓冷凝器底部出來被送入到合成塔底部，物料從合成塔底上升到塔頂并生成反應(yīng)液（其溫度為180～185℃），反應(yīng)液從塔頂流入到汽提塔頂部，液體分配器將反應(yīng)液均勻地分布到每根汽提管中，并沿著汽提管壁呈液膜狀流下，流下的過程與來自汽提塔底部的二氧化碳?xì)怏w接觸，反應(yīng)液中剩余的NH3和還沒轉(zhuǎn)化的NH2COONH4被蒸發(fā)并分解后從汽提塔頂排出，尿液及小部分NH2COONH4從塔底排出。從氣提塔頂排出的氣體、來自高壓洗滌器的甲銨液、液氨經(jīng)混合后進(jìn)入到高壓冷凝器頂部，生成的甲銨和NH3、CO2進(jìn)入到合成塔底部。

（4）循環(huán)。從汽提塔底部出來的汽提液在精餾塔中將還沒有分解的NH2COONH4進(jìn)行加熱分解，再通過閃蒸槽把游離氨、CO2蒸出，然后再把尿液（溫度 90～95℃）輸送到尿液槽。

（5）蒸發(fā)。經(jīng)過一段蒸發(fā)、二段蒸發(fā)，把尿液槽過來的尿液水分進(jìn)行蒸發(fā)使尿液水分含量小于1.0 %，再輸送到造粒工序。

（6）解吸和水解。將蒸發(fā)冷凝器冷凝液中殘留的尿素在水解塔中水解成NH3和CO2，它們?cè)俑Ｓ嗟腘H3、CO2一起在解吸塔中進(jìn)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 技術(shù)特點(diǎn)

（1）CO2汽提尿素工藝在跟合成壓力相同的條件下冷凝吸收NH3與CO2，有著比較高的回收效率，返回的水碳比和氨碳比低，反應(yīng)壓力低，可以充分回收熱量。

（2）因?yàn)镃O2汽提尿素工藝對(duì)NH3、CO2有著比較高的回收效率，減輕了低壓系統(tǒng)的負(fù)荷，并且可以省去中壓分解與回收工段，從而使得工藝流程得到簡化，有利于生產(chǎn)管理和實(shí)際操作。

（3）由于NH3和CO2反應(yīng)生成甲銨的反應(yīng)熱可以生產(chǎn)副產(chǎn)蒸汽，可以應(yīng)用于分解反應(yīng)和蒸汽噴射器，且CO2汽提冷凝溫度較高，回收能量過程更加安全，因此使工藝的能耗得到有效降低，并且節(jié)約了冷卻水用量。

（4）由于物料在合成塔、CO2汽提塔、高壓甲銨冷凝器中的循環(huán)是借助重力作用下進(jìn)行，使工藝流程得到簡化，設(shè)備占地面積少，開車時(shí)間短，操作更加穩(wěn)定。此外，工藝?yán)淠航?jīng)過解吸、水解后，可以減少氨的損失，也避免了環(huán)境污染。

2 CO2汽提法尿素提高CO2轉(zhuǎn)化率的措施

2.1 氨碳比控制

從前面氣提法的反應(yīng)原理2NH3+CO2=NH2COONH4可以看出，提高物料的NH3/CO2，可以提高CO2的轉(zhuǎn)化率，減少發(fā)生副反應(yīng)，殘留的氨還可以跟系統(tǒng)中的H2O 生成 NH4OH，有利于反應(yīng)朝著生成尿素的方向進(jìn)行，還可以減少設(shè)備的腐蝕。一般情況下，NH3/CO2每提高0.1 就可以提高0.5%～1.0%的CO2轉(zhuǎn)化率。然而氨碳比過高也會(huì)增大系統(tǒng)壓力，導(dǎo)致能量損耗加大，縮短了反應(yīng)塔內(nèi)物料的停留時(shí)間，降低了CO2轉(zhuǎn)化率。因此，在CO2汽提法尿素實(shí)際生產(chǎn)中，一般控制氨碳比小于3.5。

2.2 合成系統(tǒng)壓力與溫度的控制

由于氨和二氧化碳反應(yīng)生成甲銨的過程是體積縮小的反應(yīng)，因此提高壓力可以促進(jìn)反應(yīng)向生成甲銨的方向進(jìn)行，從而促進(jìn)CO2轉(zhuǎn)化率的提高；然而壓力過高也不利于生產(chǎn)的安全性，并且合成系統(tǒng)壓力提高到一定程度，CO2的轉(zhuǎn)化率升高到一定值后就不會(huì)再有明顯的提升了，而更高的壓力還會(huì)對(duì)設(shè)備提出更高要求。因此在CO2汽提法尿素生產(chǎn)中合成系統(tǒng)壓力通?？梢钥刂圃?3.5～14.5MPa。在合成溫度方面，由于甲銨轉(zhuǎn)化為尿素的反應(yīng)（NH2COONH4=CO（NH2）2+H2O）是一個(gè)吸熱反應(yīng)，溫度升高有利于朝著生產(chǎn)尿素的方向進(jìn)行。然而溫度過高也會(huì)導(dǎo)致能耗加大及造成設(shè)備腐蝕。因此一般CO2汽提法工藝合成系統(tǒng)溫度通?？刂圃?80～185℃。

2.3 原料純度的控制

在CO2汽提法的原料純度控制方面，要求其中的液氨純度不小于99.5%，這點(diǎn)一般都能滿足；主要是控制好原料二氧化碳?xì)饧兌?，因?yàn)闉榱吮苊夂铣伤?nèi)部等高壓設(shè)備的腐蝕，一般會(huì)在原料二氧化碳?xì)庵谢烊肷倭糠栏諝?，然而如果混入的防腐空氣過量，就會(huì)降低二氧化碳?xì)獾募兌龋M(jìn)而降低了系統(tǒng)CO2的轉(zhuǎn)化率。對(duì)于這個(gè)問題，可以在二氧化碳?jí)嚎s機(jī)三段出口處增加脫硫與脫氫等裝置提高原料CO2氣的純度，并且控制混入空氣前CO2純度不小于98.5%、混入空氣后CO2純度≥95%、含氧量在0.70%～0.90%為宜。

2.4 開好回收、解吸水解系統(tǒng)

尿素合成系統(tǒng)未轉(zhuǎn)化的游離CO2、游離氨、NH2COONH4進(jìn)入到中低壓回收系統(tǒng)進(jìn)行回收利用，可以有利于CO2轉(zhuǎn)化率的提高并能減少系統(tǒng)的能耗。系統(tǒng)中還沒反應(yīng)的NH3、CO2被吸收后轉(zhuǎn)化成氨水再被輸送到解吸、水解系統(tǒng)，加入蒸汽把氨水里面殘留的尿素進(jìn)行水解，并且把氨水中的NH3、CO2解吸后重新轉(zhuǎn)入到尿素合成裝置進(jìn)行循環(huán)利用，從而提高CO2的轉(zhuǎn)化率。開好回收、解吸水解系統(tǒng)的主要是要把握好系統(tǒng)的壓力與溫度，特別是掌握好解吸塔氣相出口溫度，以降低氣體中的含水量，而且要確保解吸水解系統(tǒng)回流冷凝器具有比較好的冷凝作用，從而可以回收更多的氨和CO2。

3 結(jié)束語

CO2汽提法尿素工藝具有諸多的優(yōu)勢，是當(dāng)前競爭力很強(qiáng)的尿素生產(chǎn)工藝，是提高化工化肥企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑。在CO2汽提法尿素工藝中，CO2轉(zhuǎn)化率是一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)，它關(guān)系到生產(chǎn)成本、產(chǎn)品質(zhì)量及企業(yè)的發(fā)展。因此，化工企業(yè)應(yīng)該根據(jù)自己的實(shí)際情況，不斷摸索最佳工藝操作指標(biāo)，將工藝操作指標(biāo)控制在適宜的區(qū)間。