水溶液全循环尿素高压系统节能增产新工艺 【技术领域】
本发明涉及一种尿素生产方法，具体地说，是对水溶液全循环尿素装置的高压系统进行节能增产改造的新工艺。背景技术
目前国内共有约200套中小型尿素装置，其中大都是斯塔米卡邦公司上世纪五十年代的水溶液全循环工艺技术，在二十一世纪的今天，这一工艺技术已大大落后了。此技术存在着消耗高、尾气易燃爆和排出废液含氨及尿素严重超标污染等问题，急需进行节能增产的改造。
斯塔米卡邦公司的水溶液全循环尿素生产工艺，合成压力20MPa、合成温度188℃、合成进料NH3/CO2比为3.8～4.0、H2O/CO2比为0.65～0.7，合成塔CO2单程转化率为62～64％。该技术高压系统仅有一台尿素合成塔，与目前世界上先进的尿素工艺技术有很大差距。此外该方法二氧化碳中防腐加氧量大，尾气易燃爆，国内曾发生多起燃爆事故。
为克服现有技术存在的上述问题，对国内大量落后的中小型水溶液全循环尿素装置进行节能增产改造，授权专利ZL 97112476.0(申请日为1997年6月13日)提供了一种包含有高压甲铵冷凝器、第一尿素合成塔、高压分解塔和第二尿素合成塔的水溶液全循环尿素装置高压圈回路工艺。经工业试点，由于高压甲铵冷凝器为卧式结构，存在着二氧化碳气体和液氨很难均匀分配入每根U形管、不可能设置甲铵预反应区以尽快提高反应物料进入换热管的温度和壳侧蒸汽冷凝液预热困难而易导致换热管内甲铵结晶堵塞等问题。本发明人在总结工业试点装置运行的经验后，进一步开发了流程更简单，而且克服了上述卧式甲铵冷凝器的诸多不足之处的另一种水溶液全循环尿素高压系统节能增产改造新工艺。发明内容
本发明提供了一种水溶液全循环尿素装置高压系统节能增产改造的新工艺，它是在现有水溶液全循环中小型尿素装置的高压系统，增加少量设备，且设备都在地面布置，安装简单，可在原尿素装置不停产的情况下进行改造，只在年度大修期间连接相关管线即可。采用本发明的新工艺可使原尿素装置生产能力增加30～100％，消耗大幅度下降，而改造地费用仅相当于新建装置的30～40％。
本发明的包含有第一尿素合成塔1、合成塔分离器2、汽提塔3和第二尿素合成塔4(利用原有尿素合成塔)的水溶液全循环尿素装置高压系统节能增产新工艺(见图1)，其特征在于，在现有水溶液全循环尿素装置高压系统内，
(1)增加一台第一尿素合成塔1，此设备分为甲铵预反应区10、甲铵反应区11和尿素生成区12三部分。只在底部送入原料液氨和二氧化碳，操作压力20～21MpaG，操作温度188～190℃，进料NH3/CO2分子比3.6～3.8，CO2单程转化率可达75％以上。合成塔1的出料，即含有尿素、甲铵、水、过剩氨及少量惰性气体的气液混合物送入合成塔分离器2。
(2)增加一台合成塔分离器2，第一尿素合成塔1顶部的出料在合成塔分离器2进行气液分离，然后，底部分离出的含有尿素、甲铵、水、过剩氨的液体减压至14.5～15.5MpaG送至汽提塔3的顶部，分离出的气体即含有少量氨、二氧化碳和富含氧的惰性气体减压至14.5～15.5MpaG，送至汽提塔3的底部，作为钝化防腐的氧源。
(3)增加一台汽提塔3，合成塔分离器2的出液经液位调节阀减压至14.5～15.5MPaG，进入汽提塔3的顶部，经填料层后进入降膜式加热器，在每根列管顶端采用液体分配器，使液体均匀分配并沿列管内壁自上而下呈膜状流动，壳侧以2.2～2.4MPaG的蒸汽加热，在高压下分解分离出大部分未转化成尿素的甲铵和过剩氨，从而大大降低中压分解系统的负荷。汽提塔3出液减压至1.7～1.8MpaG送至原中压分解系统，汽提塔3出气含有氨、二氧化碳、水和富含氧的惰性气体，进入第二尿素合成塔4的底部。
(4)将原尿素合成塔降压操作改为第二尿素合成塔4，原中压吸收塔的甲铵液经原一段甲铵泵升压至14.5～15.5MPaG，与汽提塔3出气一并进入第二尿素合成塔4的底部。合成塔4的操作压力由原20MPaG降至14.5～15.4MPaG，操作温度185～188℃，进料NH3/CO2分子比为4.2～4.5，H2O/CO2分子比为1.4～1.5，CO2转化率可达58～60％。合成塔4的操作温度通过调节汽提塔3的分解率和在其底部通入少量CO2来实现。第二尿素合成塔4的出液减压至1.7～1.8MPaG与汽提塔3出液一并进入原中压分解系统，第二尿素合成塔4顶部富含氧的部分气相通过限流孔板减压至1.8MPaG送至原中压分解加热器的底部作为此加热设备钝化防腐所需的氧，从而可以停用原专门用于向此设备加空气的空压机。
本发明所述的第一尿素合成塔(1)、合成塔分离器(2)和汽提塔(3)三台高压设备的衬里和列管均优选采用OOCr25Ni22Mo2材料。
本发明的工艺，其中所述的第一尿素合成塔1分为甲铵预反应区10、甲铵反应区11和尿素生成区12三部分，甲铵反应和尿素生成均在第一尿素合成塔1内完成，新鲜的原料液氨和二氧化碳分别由管口13和14从底部送入。塔下部为甲铵预反应区10，在甲铵预反应区10设有旋流板15和气体分布器16，以加快传质和传热速率，使反应物尽快达到反应温度，并使反应生成的甲铵液在此区域内形成内循环；然后气液均匀分配入设有传热列管17的甲铵反应区11继续反应，列管间通入蒸汽冷凝液，利用甲铵反应热副产0.8～0.9MPaG低压蒸汽，并通过调节蒸汽压力控制甲铵的反应量，从而控制塔上部尿素生成区的温度、维持第一尿素合成塔1的热平衡；在尿素生成区12内设置多层高效塔板18，可增加气液接触界面，以良好分布气相，增大气液接触界面和绝对防止此区域内液体由于重度差而发生返混的现象，从而可提高二氧化碳的转化率，CO2单程转化率可达75％以上。反应后物料由管口19送至合成塔分离器2。
本发明的合成塔塔板18采用的高效塔板大大改善了塔内气—液接触界面，加快了甲铵的反应速率，同时绝对防止塔内溶液的返混。
对于有两台尿素合成塔的中型厂，则可不新加第一尿素合成塔1，可利用其中一台进行改造，增加一台立式甲铵冷凝器代替第一尿素合成塔1(如新加)的下部甲铵反应段即可。
由于采用了合成塔分离器2，分离出富含氧的气相导入汽提塔3的底部，从而使加至CO2气体中的氧，依次通过第一尿素合成塔1、合成塔分离器2、汽提塔3和第二尿素合成塔4，起到钝化防腐高压系统所有的高压设备和管道的作用。
由于增加的第一尿素合成塔(1)、合成塔分离器(2)和汽提塔(3)三台高压设备的衬里和列管均采用OOCr25Ni22Mo2材料，且加入汽提塔3底部的气体为富含氧的气相，所以本发明的工艺，将为防腐加入至CO2进料中的氧量(以空气加入)由原来的0.5％降至0.25～0.3％，从而提高二氧化碳的纯度，以利二氧化碳转化率的提高，而且可保证工厂的安全生产(因原工艺尾气为可燃爆气体，国内发生过20多起燃爆事故)。
与现有水溶液全循环工艺技术相比，本发明新工艺的优点和积极效果如下：
1.增产效果显著。本发明在现有水溶液全循环尿素工艺的高压系统增加第一尿素合成塔1、合成塔分离器2和汽提塔3等三台高压设备，原尿素合成塔作第二尿素合成塔4，形成新的高压回路。可根据工厂不同要求，将生产装置高压回路的生产能力增加30～100％，也即采用本发明的方法可使我国小型尿素装置的生产能力增加至500吨/天，中型尿素装置的生产能力增加至1000吨/天。
2.节能降耗效果显著，特别是蒸汽，冷却水的消耗比原水溶液全循环工艺有较大幅度的降低。本发明工艺中，由于在高压系统利用甲铵的反应热副产0.8～0.9MPaG低压蒸汽，用于后续工序加热设备作热源。第一尿素合成塔出液减压至14.5～15.5MpaG后，在汽提塔分解分离出大部份未转化成尿素的甲铵和过剩氨，分解分离出的气体直接送至第二尿素合成塔与原中压吸收系统送来的甲铵液冷凝反应转化成尿素。这样，整个高压系统的二氧化碳转化率可达70～72％，可使原中压分解吸收系统的负荷大大降低，降到原来的50％左右。因此，蒸汽和冷却水的消耗大幅度降低。如同时对尿素装置后续单元进行消除瓶颈、降低氨耗和消除污染的改造，则改造前后消耗指标比较如表1。
表1 水溶液全循环尿素装置改造前后消耗指标比较： 项目 单位 改造前小型/中型 改造后 氨 吨 0.6/0.585 0.57 二氧化碳 吨 0.78/0.77 0.75 蒸汽 吨 1.5/1.35 0.9 电 度 155/150 135 冷却水 吨 165/150 120
从表1数据可见，以本发明的高压系统节能增产新工艺对原水溶液全循环尿素装置进行改造，再结合降低氨耗和消除污染的改造，其节能降耗效果显著，加上大幅度的增产效果，将给工厂带来巨大的经济效益，并有良好的社会效益。
3.由于第一尿素合成塔1的下部为甲铵反应区，在下管箱设置了旋流板和气体分布器，以加快甲铵的反应速率，尽快达到反应温度后再进入列管段。由于特殊结构的气体分布器，不但可以均匀分配气液进入列管，还可使部分甲铵液产生内循环，改善和加快传质及传热的速率，彻底地解决了卧式甲铵冷凝器的气液分配难题。
4.改造的费用低。由于甲铵反应和尿素生成均在第一尿素合成塔1内完成，也即将甲铵冷凝器和第一尿素合成塔合二而一，因此，可以减少两个高压设备的封头(带人孔)，且可简化配管，从而可以降低改造的投资。本发明的工艺新增设备少、设备制造难度不大、材料易解决、设备布置安装简单、无需高层框架、副产的低压蒸汽压力高且可自身平衡，而且改造阶段不影响工厂原装置的正常生产。改造费用低，只相当于新建同等规模装置投资的30～40％。
在我国加入WTO和国内能源价格不断上涨而尿素价格又低迷的情况下，我国的中小型尿素厂，若不改变传统落后的面貌、降低生产成本、形成经济规模、彻底解决环境污染，将很难在激烈的国内外市场竞争中继续生存下去。采用本发明技术进行节能增产改造是当务之急，因此本发明在国内有广泛的推广应用前景。附图说明
图1 本发明的水溶液全循环尿素高压系统节能增产新工艺流程图
图2 本发明的第一尿素合成塔结构示意图
下面结合附图进一步地描述本发明的工艺。
如图1所示：本发明流程中，原料气二氧化碳5(二氧化碳气体中的氧含量为0.25～0.3％)和液氨6均升压至20MPaG后，一并进入第一尿素合成塔1的底部，为了维持第一尿素合成塔1的热平衡，在甲铵反应区移走部分甲铵反应热，以此热量副产0.8～0.9MPaG的低压蒸汽。通过控制副产低压蒸汽的压力来控制甲铵的反应量，从而控制第一尿素合成塔1的温度。第一尿素合成塔1进料的NH3/CO2分子比为3.6～3.8、H2O/CO2分子比为0，操作压力为20～21MPaG，操作温度为188～190℃，CO2的单程转化率可达75％以上。
第一尿素合成塔1的塔顶出料即含有尿素、甲铵、水、过剩氨及少量惰性气体的气液混合物，送至合成塔分离器2进行气液分离，合成塔分离器2内的温度、压力与合成塔1一致。合成塔分离器2底部分离出的含有尿素、甲铵、水、过剩氨的液体通过液位调节阀送至汽提塔3的顶部。而从合成塔分离器2分离出的富含氧的气相通过压力控制阀减压至14.5～15.5MPaG送至汽提塔3的底部。汽提塔3为降膜式加热器，壳侧以2.2～2.4MPaG中压蒸汽加热，以分解分离出第一尿素合成塔1出液中大部分未转化成尿素的甲铵和过剩氨。汽提塔3出液控制在200～205℃，经减压至1.7～1.8MPaG后送至原中压分解系统。汽提塔3出气含有氨、二氧化碳、水和富含氧的惰性气体，与原一段吸收塔来的甲铵液7，一起送至第二尿素合成塔4的底部。此塔进料NH3/CO2分子比为4.2～4.5，H2O/CO2分子比为1.3～1.5，操作压力为14.5～15.5MPaG，操作温度为185～188℃，CO2单程转化率可达58～60％。第二尿素合成塔4的出液8减压至1.7～1.8MPaG后与汽提塔3出液一并送至原中压分解系统。塔顶富含氧的部分气相9通过限流孔板减压后送至原中压分解加热器的底部作钝化防腐的加氧源，从而可以停用专为此设备加氧的空气压缩机。整个高压系统CO2转化率可达到70～72％。具体实施方式
实施例1
以本发明的方法对国内现有的某中型水溶液全循环尿素装置进行节能增产改造，以生产能力由500吨/天增产到750吨/天为例，估计总改造费用(包括原高压系统以后工序的消除瓶颈、降低氨耗和消除污染的改造)约1800万元。改造后每年增加产值8250万元(按尿素售价1100元/吨)；而节能降耗，仅考虑氨、蒸汽和电的消耗降低，尿素生产成本即可降低61元/吨，每年可降低总成本达1300多万元。仅以节能降耗降低的生产成本计，不到两年即可回收改造的投资，工厂的经济效益显著。另一方面，彻底消除了工艺装置内排出的废液、废气对环境的污染，不但降低了氨耗，而且也有良好的社会效益。