尿素生产工艺论文
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1氨汽提法
氨汽提法是目前尿素生产中最具竞争力的提取工艺之一，由意大利的Saipem公司在1967年获得专利，1970年建成世界上第一套工业化生产装置。该生产工艺经历几十年的发展，仍然保持了一定的生命力，最近五年来，世界上新增的尿素产能仍有相当大一部分采用Saipem公司的技术专利。我国自80年代开始陆续引进氨汽提法生产装置，主要以大中型生产装置为主，目前在我国的尿素生产工艺流程中，氨汽提法装置也占据了相当高地位，是支撑我国尿素产业的主要工艺之一。氨汽提法工艺流程主要包括二氧化碳压缩、尿素合成、尿液保存、尿素溶液浓缩系统等多个处理阶段。氨气汽提法具备以下主要特点：首先，合成塔中的合成原料依靠重力因素进入气提塔，之后进行加热自气提，主要通过高压压力蒸汽进行加热，对甲铵分解形成的汽化热进行分解，使之大部分分解为二氧化碳和氨气，该流程是在气蒸塔中所提供的等压条件下发生。然后，在第一步汽提塔中分解产生的气体从汽提塔顶部进入高压甲铵冷凝器对气体进行冷凝液化处理，由于该反应是放热反应，在气体冷凝过程中会释放大量热量，为了充分利用能量，提高生产效率，此部分热量以副产低压蒸汽的形式供下游工艺阶段利用。最后，由汽提塔冷凝出口释放出的工艺物料进入中低压分解系统之中，进一步加热分解物料中剩余的甲铵和氨气，之后进入预浓缩和两个阶段的真空系统，最终使其浓缩成约99.7%的熔融尿素，将其输送至造粒塔中进行造粒处理，形成成品尿素。而在中压分解阶段产生的气体再次进行冷凝吸收，将过剩的氨进行分离，使其返回合成系统，进一步回收利用，提高物料利用效率。氨气气体法工艺具有优良特点，其整套装置较为先进，操作性能较为稳定，最为关键的是对环境较为友好，尿素冷凝液全部加以回收处理进行再次利用，使得污染物排放量减少，经济效率与环保效益较原始方法有了一定提高。但同时，氨气汽提法工艺由于采用了高氨碳比，气提效率偏低，且工艺流程中需要中压分解装置，其工艺流程较长，需要设备较多，操作较为复杂。
2二氧化碳汽提法
二氧化碳汽提法生产工艺由荷兰Stamicarbon公司设计，在20世纪70年代中期，我国开始引进该生产技术，并先后建成了10余套大型工艺设备投入生产。到了90年代初期，Stamicarbon公司对原有二氧化碳汽提法流程进行了全面改进，包括工艺流程、设备的整体布置和设备的结构等方面，使得新一代改进型设备更加完善，操作更加简洁方便，同时提高了经济效益和环保性。二氧化碳汽提法主要是在一定的压力之下，用二氧化碳对甲铵溶液进行汽提，汽提过程中分解产生的氨和二氧化碳在这种压力下冷凝，而冷凝过程中产生的冷凝热作为副产品供一段蒸发加热和二段分解使用，同时，也可作为蒸汽喷射器的动力能量和整个系统的保温能量使用。二氧化碳汽提法的工艺流程包括合成塔、汽提塔、甲铵冷凝器、高压洗涤器和高压喷射器等几部分组成。二氧化碳汽提法尿素生产工艺主要包括二氧化碳压缩、液氨的加压、高压合成与二氧化碳气提回收、低压分解与循环回收等工序。在二氧化碳压缩工艺中，二氧化碳气体经干燥进入CO2压缩机此为一段压缩流程，每段压缩机进出口设置有温度、压力监测点，以便监测运行状况，经过四段压缩后，二氧化碳进入脱氢系统。
液氨经电磁阀分为两路，一路进入低压甲铵冷凝器调节循环系统摩尔比；另一路经流量计量后引入高压氨泵，液氨在泵内加压至16.0MPa（A）左右，液氨的流量根据系统负荷，通过控制氨泵的转速来调节。液氨经高压喷射泵与甲铵液增一起压并送入池式冷凝器。高压合成圈是二氧化碳汽提工艺的核心部分，其中包括合成塔、汽提塔、高压冷凝器和高压洗涤器这四个组成部分。从汽提塔顶部出来的含有氨的二氧化碳汽提气送入池式冷凝器，与其中的甲胺和液氨混合，池式冷凝器是一个卧式的合成塔。在冷凝器中80%左右的液体氨和气体二氧化碳大部分冷凝成甲铵液，并有部分的甲铵液脱水生成尿素。生成的甲铵液和尿素混合液与未冷凝的气体进入直立式高压反应器合成塔，塔内设有筛板将空间分为8个小室，形成类似8个串联的反应器，在每个小室中反应物被鼓泡通过的气体均匀混合，塔板的作用是防止物料在塔内返混。高压洗涤器分为三个部分：上部为防爆空腔，中部为鼓泡吸收段，下部为管式浸没式冷凝段。在这里将气体中的氨和二氧化碳用加压后的低压吸收段的甲铵液冷凝吸收，然后经高压甲铵冷凝器再返回合成塔。从合成塔顶部分离出的NH3、CO2和惰性气体混合物进入高压洗涤器，先进入上部空腔，然后导入下部浸没式冷凝段，与从中心管流下的甲铵液在底部混合，在列管内并流上升并进行吸收。尿素合成反应液从塔内上升到正常液位，经过溢流管从塔下出口排出，经过液位控制阀进入气提塔上部，再经塔内液体分配器均匀地分配到每根气提管中。尿液沿管壁成液膜下降，分配器液位高低起着自动调节各管内流量的作用。由塔下部导入的二氧化碳气体，在管内与合成反应液逆流相遇。管间以蒸汽加热，将尿液中的NH3和CO2分离出来，从塔顶排出，尿液及少量未分解的甲铵从塔底排出。从气提塔顶排出的高温气体，与新鲜氨及高压洗涤器来的甲铵液在约高压下一起进入高压甲铵冷凝器顶部。高压甲铵冷凝器是一个管壳式换热器，物料走管内，管间走水用以副产低压蒸汽。为了使进入高压甲铵冷凝器上部的气相和液相得到更好的混合，增加其接触时间，在高压甲铵冷凝器上部设有一个液体分布器。在分布器上维持一定的液位，就可以保证气—液的良好分布。从汽提塔底部来的尿素—甲铵溶液，经汽提塔液位控制阀减压到0.3～0.35MPa，减压后41.5％的二氧化碳和69％的氨从甲铵液中闪蒸出来。精馏塔分为两部分，上部为精馏段，起气体精馏的作用，下部为分离段。气液混合物进入精馏塔顶部，喷洒到上部精馏段的填料床上，尿液从下部分离段流入循环加热器中，进行甲胺的分解和游离NH3和CO2的解吸。
循环加热后的尿液，温度升高到135～140℃又重新返回到精馏塔下部分离段，促使尿液中的甲铵液进一步分解。离开精馏塔的尿液在闪蒸槽内继续减压，使甲铵再一次得到分解，部分水、NH3和CO2从尿液中分离出来，汽提塔出来的溶液经过两次加压和循环加热处理，其中大部分NH3和CO2被分离出来，闪蒸槽底部出来的尿液浓度约为72.4%左右，进入到尿液贮槽。尿液贮槽的尿液由尿素溶液泵送至一段蒸发加热器，一段蒸发加热器是直立列管升膜式换热器，尿液自下而上通过列管，在真空抽吸下形成升膜式蒸发，尿液中的水份大量汽化，加热后尿液温度为124～132℃，然后进入一段蒸发分离器中分离。浓缩到为95%的尿液经“U”型管进入二段蒸发加热器，二段蒸发加热器是直立列管升膜式换热器，尿液在更低压力下蒸发，加热后再进入二段蒸发分离器中进行汽液分离，通过两段蒸发后尿液浓度达到99.7%。离开二段蒸发分离器的熔融尿素经熔融尿素泵送至造粒塔顶部，通过造粒机造粒成型，最后送入仓库。该工艺与氨汽提法相比，由于采用了二氧化碳汽提，其汽提压力偏低，使得汽提效率升高，因此在氨气汽提法中所必须的中压分解装置无需在此工艺中出现，气提后残余部分只需一次减压加热即可，流程简单，操作方便，节省了动力消耗减少了设备使用量并提高了生产效率。氨汽提工艺中高压圈设备、水解塔和中压分解系统容易发生腐蚀，汽提塔使用寿命为15年左右，二氧化碳汽提工艺汽提塔寿命为17~21年，尿素塔使用寿命一般为19~25年。二氧化碳汽提工艺大部分设备可国产化，除高压甲铵喷射器需从国外进口，氨汽提工艺中高压汽提塔、高压甲铵冷凝、高压甲铵喷射器等都需要从国外进口。所以二氧化碳汽提工艺与氨汽提工艺相比投资及设备维护更新需要的投入较低。
3ACES工艺
ACES工艺由日本东洋工程公司开发，主要包括二氧化碳压缩、尿素合成、未反应甲铵的分解回收系统、尿素浓缩、熔融造粒系统和工艺冷凝液处理等程序。ACES工艺的特点是以二氧化碳作为汽提剂合成塔出料在等压条件下以重力作用实现，在汽提塔内加热汽提，然后气相在高压冷凝器中生产甲铵溶液，最后送至造粒塔进行造粒出料，该工艺无过剩氨回收系统。由前两个尿素生产工艺相比，该工艺流程前期投资较低，能量消耗较少，具有二氧化碳汽提法效率高的优点，同时具备较高的转化率。由于该工艺合成塔中具有较高的氨/二氧化碳摩尔比，可以解决合成塔的腐蚀问题，同时，高压圈操作问题可达190℃，压力达17.1MPa，合成转化率可达68%左右，大大减少了未分解的甲铵含量，所以ACES工艺是当今工业化尿素生产中能耗最低的工艺。虽然ACES工艺优点突出，但缺点也较为明显，如：高压圈设备多，操作复杂，控制回路系统也较为复杂，并且对设备要求很高。
随着我国工农业的快速发展，尿素生产形势仍然比较严峻，对目前生产上流行的三种尿素生产工艺进行比较可知，三种生产工艺均具有各自的优势和缺点。从目前形势来看，二氧化碳汽提法仍然占据主导地位，因此在生产中大力推广的同时，应进一步改进该生产工艺和发展其他工艺。综合其工艺流程各阶段原理，建议从深度水解技术、尿素造粒塔顶粉尘回收、尿素增设惰气精洗器改造等方面进行改造，同时注意环保设备进一步改进，这将是未来尿素工艺改造的趋势。
作者：宋洪卫单位：金新化工有限公司尿素车间
