尿素生产工艺优化措施探讨

侯晓松

侯晓松黑龙江省化工研究院黑龙江哈尔滨150078

摘要:尿素作为一种重要的化学肥料和工业原料，在世界范围内广泛使用。自从1922年尿素开始工业化生产以来，许多国家都致力于尿素生产系统的研究，在合成机理、热力学性质和工艺流程方面都有创新和进展。尿素,主要作为化肥应用于农业生产。目前,全世界尿素产量占氮肥总产量的三分之一以上。我国尿素产量占世界总产量的三分之一,而且这一数字还在不断增加中。许多国家都耗费大量的人力、物力和财力致力于尿素生产系统的研究,如尿素合成反应机理、物系热力学性质及传递性质的研究。在工艺流程方面,旧的流程不断得到改进,生产能力有了新的提高。开发新型设备,如合成塔高效塔板的应用。各技术公司纷纷申请专利,对新的技术严加保密,以求能在激烈的竞争中争得一席之地。

关键词:尿素;生产工艺;优化措施探讨

前言:我国自20世纪50年代末开始发展尿素工业,并引进、消化、吸收了国外先进技术,使得尿素工业有了很大的发展。随着农业的发展和竞争的加剧,不少尿素生产厂家希望改善尿素流程,或者提高产量或者降低能耗。因此,如何优化流程,使得该过程的能耗、物耗降至较低水平,并且在较低投入的前提下提高产量,是近年内不断被思考和研究的问题。

1.尿素生产疑难问题

1.1氨冷凝器冷却效果差

根据尿素110kta通用设计,氨冷器换热面积960m2,且要求冷却水流程为双程,而我厂氨冷面积为800m2,氨冷器A的冷却水还是单程,则对应尿素产量为13th,我厂目前小时产量已超过此值。原设计一分加热器不加防腐空气,现吨尿素加空气1m3,使氨冷凝器冷却气体中惰性气体增加,气氨冷凝更加困难。

1.2吨尿素氨耗高

氨冷凝器冷却效果差,使氨耗居高不下,这是氨耗高的主要原因。运行周期短,开停车频繁,排放损失大。短停一次损失液氨5t(中压不热洗),长停一次损失液氨30t。跑冒滴漏严重,倒车频繁。一甲泵、氨泵倒车均有不同程度的液氨损失。)一蒸冷凝液中的尿素不回收,使吨尿素氨耗升高2.6kg。造粒喷头有缺陷,造成粘塔壁、粘箅子板现象严重,使吨尿素消耗升高。包装精度低,袋装尿素净重接近上限,使吨尿素氨耗升高1.2kg。

1.3尿素成品质量差

尿素空心粒子多,粉尘多,强度差。造粒过程中,由于尿素生产负荷后移,尿液中游离氨过高,虽对降低成品缩二脲有好处,但液滴外表面被冷却固化后,内部还在汽化,极易形成空心粒子。另外,空心粒子还与造粒塔内温度和粒子的冷却速度有关。应保持塔内适宜的通风量,使粒子出塔温度在55℃左右。喷头安装的同心度、垂直度和喷头旋转液层的厚薄,对粒子也有不同程度的影响。由于空心增多,强度也变差。尿素粉尘的形成还有机械和化学两个方面的原因。当喷头孔口加工不规则或制造精度差时,小孔某点摩擦力大于液滴表面张力,就会在该处形成脱离主流的细小雾滴,这就是孔口机械原因形成的粉尘。另一方面在造粒过程中,有少量尿素发生分解,一部分在降温后再生成尿素,即微细粒粉尘,这就是粉尘形成的化学原因。

2.尿素生产工艺优化措施

2.1提高原料CO2纯度

来自脱碳系统的CO2带有少量惰性气体以及为防腐蚀而加入系统的约1%的空气。这些气体占据了反应器部分容积,缩短了合成塔内物料的停留时间,且有NH3和CO2随惰气转入气相,降低了合成转化率。惰性气体中H2的存在也不利于系统的安全稳定运行。可供选择的改造方案有2个:①增设CO2净化装置,去除原料CO2中的H2,N2气体;②加入系统的防腐空气中起钝化作用的是其中的氧,因此可考虑将空气换成0.25%～0.4%的氧,以减少合成塔内惰气量,提高CO2转化率。

2.2调整NH3/CO2的比例

尿素氨汽提工艺采用高NH3/CO2操作。根据经验公式,NH3/CO2每增加0.1,可使CO2转化率提高约1%;但过高的NH3/CO2不仅会加重回收系统的负荷,还因过量的氨需要用水吸收而破坏系统水平衡。经过多年摸索,合成塔NH3/CO2控制在3.2～3.6是比较合适的范围。理论上,H2O/CO2每下降0.1,转化率提高1%,氨汽提工艺设计的H2O/CO2为0.67,生产上控制在0.5～0.6。因此,在保证系统水平衡以及中低压系统氨气被吸收的前提下,应尽量降低系统外来的加水量,特别是高压甲铵泵、水解器给料泵的密封水量应严格控制。

2.3针对尿素生产中的疑难问题改善尿素生产工艺流程

针对尿素粒子成品空心、粉尘多、强度差的现象,首先应提高一分、二分加热器的温度,保证总氨蒸出率,使进入蒸发系统尿液中氨含量达标,并控制好出塔尿素粒子温度在55℃左右,这样就可以减少空心粒子、粉末多、强度低的问题;同时针对喷头喷孔制造精度差和安装质量差的问题,应经常观察喷孔有无堵塞现象,提高安装精度,减少机械粉末和化学粉末的形成。另外应选择好喷头的生产能力,根据生产负荷确定喷头转速,喷头应在较厚的旋转液层下进行喷洒,才有可能降低空心和粉末的比例。针对尿素含水量高的问题,雨天蒸发系统工艺指标应严格控制在上限。检查换热器、夹套保温,各种冲洗水阀和蒸汽吹除阀内漏应进行改造或加二道阀,中间加导淋,常开,保证冲洗水、蒸汽不会进入尿液系统。雨天要查看空气温度、湿度,找出对应出塔尿素粒子温度,保证尿素粒子不吸水。至于夏季调节造粒塔入口通风面积而出塔尿素粒子温度变化不明显的情况,分析可能是造粒塔顶通风面积偏小所致,这样不但不能使尿素粒子降温,反而会增加。造粒塔出口气体的粉尘含量,还需进一步观察、分析、计算,参考其他企业对造粒塔顶排风面积进行校核,实施改造,可望实现尿素高产不粘塔、无空心、无粉末的良性生产。

结语：在化工生产中，最大的浪费往往是设计上的缺陷所导致的，设计必须立足于实际、服务于生产。而且我们的理论分析和国外实践表明,尿素生产过程的优化操作,能起到降低氨耗的作用。然而,由于尿素生产是一个涉及气、液、固三相相变和多个可逆反应的复杂过程,其优化控制和决策的研究非常复杂。笔者对尿素生产过程进行了集机理分析与现场测试相结合的研究,得到了具有工程意义的全局和若干局部优化目标,并依据它们之间的相互关系对原有的尿素生产工艺进行了优化,为实现尿素生产过程优化控制和决策提供了依据。

参考文献:

[1]尿素生产废水处理工艺技术研究[J].王富德.化工管理.2018(19)

[2]成品装置优化改造及规范化管理[J].富雅美,王锡海.化肥工业.2017(06)

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