合成塔出液水尿比偏高的原因分析与操作

合成塔出液水尿比偏高的原因分析与操作 合成塔出液水尿比偏高的原因分析与操作 中石化安庆分公司化肥部张朝晖 摘要针对尿素装置合成塔出液水尿比偏高，造成氨和中压蒸汽消耗上升的现状(从工艺过 程进行原因分析并提出相关操作的优化手段，达到降低水尿比的目的。 关键词合成塔水尿比分析 1现状 尿素的原料氨消耗减少3kg，中压蒸汽消耗 工艺系统的水平衡是尿素生产中需要控 减少25妇。中石化安庆分公司尿素装置近 制的 - 年来长期处于低负荷生产状况，给控制水尿 (尿重点内容之一。尿素合成塔出液水尿比 比增加了难度，水尿比大多在1(84以上，大 素合成塔出料溶液中水和尿素分子数之 比)的高低反映了工艺系统水平衡的优劣，同 大超出原设计值1(63，造成原料氨和中压蒸 汽消耗增加。表1是2003年3月至2004年 时也反映了工艺系统运行优化的程度。有关 表明，水尿比每降低0(1，可以使吨产品 2月一年来的合成塔出液水尿比统计情况。 裹1 2?3年3月至(7(804年2月水尿比统计tool,t001 3 4 5 6 7 8，r 9 lO II 12 1 2 最月份 69 64 72 小 1(69 I 65 I 81 l，67 1(65 I(65 1(65 1 l 1(75 1 1(67 99 211 1(99 2(04 2(oO 1(90 I(90 I(90 1册 l，99 1(97 1 2(04 最大 I 86 】86 I 91 1(82 1(帅 1(舯 1(86 1 87 1 84 I 86 I(82 1(84 平均 注:数据来源于岗位工艺报表记录。 s范围)之 的范围大约在1(620,2(064(?3 从表1中得出1 a的水尿比控制情况:平 均1(84，最高2(11，最低1(64。从2003年3 间。 月至2004年2月l a来的合成塔出液水尿比进入合成系统水的来源有3部分:?尿 数据中随机抽取了100个样本数据进行计 素合成反应生成的水;?低压甲铵液返回带 人的水;?原料氨、c02带人的水。在这3部 算，得出样本平均值(重)和样本差(s)分 别为: 分水中，尿素反应生成的水是由转化率固有 重=1(842;s=0(074 决定的，不能改变，原料带人的水可以忽略不 可 计(能够调节的水量只能是低压甲铵液返回 近似认为水尿比服从平均值为带入的水量。 1(842，标准偏差为O(074的正态分布，则可 估算出目前水尿比在1(80以 低压甲铵液返回带入的水量是不能任意 下的概率大概 为: 调节的，它必须满足整个系统的水、氨和coz 等物料平衡的要求。P(X?1(80)=(P?(1(80—1(842), 0(074)=?(一0(57)=0(2843 则尿素装置目前的控制水平为: 2高压系统 水尿比 如高压系统转化率下降，则进入循环系在1(80以下的概率为28(43,，水尿比波动 32 表2 2004年4月氨碳比分析数据 统的未反应物Nn3和C02增多，则在循环系 统中需用更多的水来吸收，导致返回水量增 加，使转化率又进一步下降(形成恶性循环。 影响合成塔出液转化率的因素有:温度、压 m仉m力、氨碳比、水碳比以及合成塔内的物流分布 ?，4 2 悌m僻m 5 状态、停留时间。 6m仉m反应温度和操作压力受到高压甲铵冷凝 7 王置置置王}t m?m a 坨凹?皤培B傩n器冷凝量的影响，若冷凝量过多即副产蒸汽9 m仉n 压力控制偏低，则在合成塔内提供的热量不 够，使合成反应温度下降，转化率下降。因此 根据负荷率选王土}}王爻乱王}置t m?,j 防止压力过低而导致合成塔温度下择恰当的低压汽包蒸汽压力( 降。负荷 ?坫傩?”"巧博H佗协,?mj ?率根据二氧化碳压缩机出口流量进行计算， 由于流量指示有误差，需要定期采取尿素直 送包装数袋数的办法来校产量，以校验 负荷}t王乱}乱}1王}豇王置t}}}L 率。? 高压系统压力不能由于负荷低而控制过L}LH 孵B博m ?}}王}}置}置王孔量置乱t}}}L}扎 k 低，应满足大于系统最低平衡压力的要求，以 tL 提高甲铵脱水速率。 L 氨碳比表示合成塔内氨和c02的分子之Lt扎L扎L L 比，提高氨碳比，则原料二氧化碳转化率上 升。资料表明，氨碳比每增加0(1，转化率提1置3置生}t}卫扎}L乱}k， L LL高0(5—1(0个百分点。原设计的氢碳比控 L}L m曼;啪懈啪 m;竺脚m{罾?啪螂m{嘟童量;唧嘲坼蝴mkkn“坫:博悖2”?舢笠嚣M笛拍打篮挣鲫 懈?B,??加协旺心嘶斟!“?篮册?韩聆:9佴粥坤蛔,??j?昕m 王t置王}置}置王土孓1置王王置}t}}t}置置扎}} }}L心嵋仇帖昕堙??比搭???呻?坫帕町任博势昕墙咐蚪?“ 狮昕m3王王}}王王豇王置置??置}孔土}乱t豇孔} 凹比钾伸???坩埔吣?撂垃眩”:兮?毛?}u"舛地岛田忻?忿部B 王土孓扎王乱1豇置蔓孓置1置王王}置}}王王王王蔓1王扎}} 培僻循培噼博H??b:。B怕恐佗辨堙??硝j?,宝(嘶,2盯他坫! "?L m坫驼培??";兮m甜憾岱???m呻晤?m 也HL m胛b位?憎昕?B L m m仉吼仉仉仉玑m仉玑mm玑仉仉m吼乱仉0m 屹伦n??"折傍嘶???硌H嘶??噼惦惶腮??m?鸺n协?” 制范围较宽为2(9,3(3(分子比，下同)。本 注:数据米源于岗位工艺报表记录。 装置长期在75,的低负荷生产情况下，工艺 3 要求将氨碳比控制在3(0(3(2的高限范围 3 操作。提高氨碳比有利于提高转化率，有利 3 于降低高压设备腐蚀速率，有利于抑制副反 3 应。 3 实际操作中，由于氨碳比的监控是由中 3 化室每4h手动分析1次，分析结果再反馈到 操作岗位需1 h，导致调节滞后。调查2004 年4月的氨碳比分析数据，统计得出最高为 3(24，最低2(97，平均为3(119，标准偏差为 0(041，作x(R控制图(表2与图1)，估算出 过程能力指数为0_82，过程能力不充分，波 动大，造成系统的转化率下降，使后续吸收工 ,1圈 序的负荷上升，吸收水量增加，导致水尿比上 图1 2004年4月氨碳比基R控制 升。 利用工序控制图，提高氨碳比控制水平， 度控制在75?，低压调温水温度控制在60， 62?。 减少波动。统计计算出氨碳比只R控制图 的均值、极差和上下限，每天打点监控变化趋 2004年4月分析数据:循环吸收液的组 势，避免异常点的出现。 成为NH3 22，3,，C0226 (2,，H20 51(5,; 低 合成塔内物流分布的状态和停留时间由 压甲铵液的组成为NH3 28(2,，c02 35(3,， 合成塔本身的结构溶积和生产负荷所决定， 36(5,。HzO 在生产中一般不能轻易调整。 查rqH3一c啦一1-120三元液固平衡相图 可知循环吸收液熔点为38?，低压甲铵液熔 。 3低压循环系统 点为50屯。说明将循环吸收液温度控制在 循环系统中有0(6MPa吸收塔和低压洗 61?已高于其熔点23?，相对偏高，使吸收 涤器两个吸收操作，0 6MPa吸收塔分顶部和 效果下降。低压甲铵冷凝器出口温度高于熔 中部两段吸收，用氨水槽中的两种浓度的氨 点25?以上，说明低调水温度控制偏高。温 水作为吸收剂。吸收后的溶液返回到低压洗度偏高降低了吸收效果，使甲铵液浓度下降， 涤器作为低压循环吸收液。吸收塔的喷淋密 水含量上升。低压甲铵冷凝器出口温度控制 度在设计时都有一定的要求，以保证吸收效 在70?是安全的，因此可将低压调温水温度 果。为了达到吸收效果，0(6MPa吸收塔的加 由60—62?降低到56—58屯，低压循环吸收 水量不能任意减少过多，一般与生产负荷有 一定对应关系，并液温度降低到55。C操作。 且不能低于最低值。 低压操作压力下降则吸收效果下降，因4解吸水解系统 生产负荷较低，低压压力在o(2MPa附近，接 解吸出气通过回流冷凝器冷凝吸收后成 近控制范围低限。提高低压系统压力，不能 为稀甲铵液(回流液)返回到低压甲铵液中， 因负荷低而降低低压压力，使吸收效果下降。 解吸出气水含量的高低直接影响到回流液的 操作中应据压力情况及时调节低压洗涤器尾 浓度，水含量越高，返回到低压的水就越多， 气阀开度，使压力保持在O(22MPa以上。 最终影响到高压系统水含量上升。 低压吸收液温度低有利于吸收，一般选 在一定解吸压力下，解吸出气温度越高， 择操作 lO,20"C。 在实际操作解吸出气水含量越高。通过增加回流量来降 温度在甲铵液熔点以上 统的温度以防止 中，操作人员倾向于提高吸收系低温度。根据设计值，解吸出气温度控制在 结晶，将循环吸收液温度控(115"C，出气水含量控制在38,(40, 制在61?甚至更110 高，低压甲铵冷凝器出口温附近。实际运行的数据如表3、表4所示。 , 表3解吸水解系统部分运行数据(I) 尿素 NH c02 H20 分析项目 I(7 6(48 3(5 设计值质鼙分数 28 89 22(05 回流液 实铡值质量分数 49(06? 34(65 25(36 39 9设计值质睦分数 ， 6(02- “实测值体积分数 98 7水解塔出气 „，93 垄:|?笪壁塑坌墼 竺:塑 !!:塑 塑:堡 从表3、表4看出实际运行与设计指标 水含量比设计高约10,，导致水尿比增加。 偏离较大:解吸塔塔顶气相温度接近设计的 如增加塔顶回流量，会使解吸塔超压，导致塔 115?，但塔顶回流量只有0(6矗,h，回流液 底氨含量超标，水解—解吸系统将不稳定。 襄4解吸水解系统部分运行数据(?) 分析认为解吸工艺存在一定缺陷:塔顶 S与改进 回流到上段第1层塔盘，用 综上所述，水尿比的控制是依靠整个工 回流量控制出塔 气相温度，从而控制气相组分，解吸进料是塔 艺系统的优化操作来实现的。在装置现有的 上段第3层塔盘的降液管，第1层到第2屡 条件下，进行优化操作对水尿比控制有一定 的作用，但不能大幅度降低，加上水解装置的 塔板作为塔顶冷凝液的回流段，塔板数偏少， 进塔物料操作压力和温度下会有部分物料汽 加入，使水尿比远远达不到原设计值。针对 化;水解器出口气相进入第4层塔盘的降液 以上分析，采取一些技术改进: 管，水含量达 1)增加合成塔出液氨碳比在线分析仪， 93(98,，大大超出设计值。降 液管使气液两相分离，上述两物料进入降液 能实施氨碳比的在线监控。消除了手动分析 管必然造成解吸波动。以上原因导致在满足 的严重滞后，使氨碳比的波动大幅度减小，工 解吸废水指标的条件下，解吸出气水含量上 艺操作稳定性大幅度提高，从而提高了转化 升。 率和汽提效率。 因此操作中，应根据解吸负荷和解吸压 2)对解吸塔进行改造，在第1层到第3 层塔板间增加2层新塔板，使第一解吸塔的力来调节回流量，在解吸压力能控制在0(26 ,0(28MPa的情况下，适当增加回流量，以减 塔板数增加到17层，将原设计的进料口下移 少 至增加塔板后的第6层塔板上方。将进塔冷 温度 出气水含量。水解加热蒸汽量应根据水解 凝液移出降液管使进科均匀分布于塔板上;和温差来调整，加热蒸汽量过多，热量上 将原设计来自水解器的气相进料下移至增加 移使顶部温度上升，甚至高于底部温度。加 热 塔板后的第15层塔板上方。改造后将提升 入蒸汽过多易造成水解出气水含量上升，进?解吸能力，降低解吸出气水含量。 到解吸顶部。