二氧化碳气提法生产尿素工艺研究

二氧化碳气提法尿素生产工艺由荷兰斯塔米卡邦公司于1964年开始中试试验，1967年建成第一套工业装置，在20世纪70年代初期得到迅速发展，现在已成为世界上建厂最多、生产装备能力最大的尿素生产工艺。

一、二氧化碳气提法尿素生产工艺流程

1、原料的压缩、合成与气提

从低温甲醇洗工序来的CO2气体，经液滴分离器分离后，在一段入口与一定量的空气混合（空气量为CO2体积的4%）进入CO2压缩机，经过一～三段压缩进入脱硫槽，脱去CO2气体中硫等杂质后，进入四段气缸压缩；经四、五段压缩后，首先进入高压CO2加热器，将CO2温度提高到150℃。进入脱氢反应器脱氢，H2被氧化为水，脱氢后二氧化碳含氢及其它可燃气体小于50ppm。脱氢后气体经二氧化碳冷却器冷却至120℃后进入二氧化碳气提塔底部，对由尿素合成塔来的尿液进行气提，使尿液中的甲铵分解成氨和二氧化碳，溶解在尿液中的氨和二氧化碳也解吸出来。解吸出来的气体与二氧化碳气体一道从气提塔顶部排出，进人高压甲铵冷凝器。液氨来自液氨球罐，经液氨升压泵进入高压液氨泵的入口。液氨经高压液氨泵加压后，送往高压喷射器作为喷射物料，将由高压洗涤器来的浓甲铵液带人高压甲铵冷凝器。

在高压甲铵冷凝器中，氨与二氧化碳反应生成甲铵，甲铵液和少量未冷凝的氨和CO2从高压甲铵冷凝器底部出来，分成两条管线送入合成塔的底部，在合成塔内甲铵发生脱水反应生成尿素和水。合成塔内设有筛板，目的是为了防止物料在合成塔内返混，保证物料在塔内的停留时间约1h。尿液经合成塔上部的溢流管从塔底出口出来，经过液位调节阀，进入气提塔的上部。尿液经气提塔内液体分配器均匀地分配到每根气提管中，沿管壁成液膜状下降。由气提塔下部通入的来自二氧化碳压缩机的CO2气体，在管内与尿液逆流接触，气提管外用蒸汽加热。尿液中未转化的甲铵发生分解生成氨和二氧化碳，与未转化的氨和二氧化碳一同被二氧化碳气提出来。气提气从气提塔顶排出，去高压甲铵冷凝器，气提后的尿液从气提塔底部排出。高压甲铵冷凝器是一个管壳式换热器，在其内部，氨与二氧化碳在管内迅速反应生成甲铵，反应所放出的热量则由管间的水带走，副产蒸汽。从合成塔顶部排出的气体，进入高压洗涤器，用加压后的低压吸收段的甲铵液冷凝吸收气体中的氨和CO2，得到浓甲铵液。浓甲铵液借助高压喷射泵的抽提作用，返回合成塔。高压洗涤器中未冷凝的气体，经减压进入低压吸收塔吸收后经放空筒放空。

2、循环系统

从气提塔底部出来的尿素-甲铵溶液，经过减压后送入精馏塔的顶部，溶液中的氨和二氧化碳进行闪蒸，并使溶液温度从170℃降到107℃。精馏塔分成上下两段，上段为填料塔，下段为分离器。尿素-甲铵溶液经精馏塔填料段下落到循环加热器，用蒸汽加热，使其温度升至135℃，甲铵进一步分解。之后溶液进入精馏塔下段的分离器分离，尿液经控制阀流入闪蒸槽。精馏后的气体则上升到精馏塔填料段，与尿素-甲铵溶液逆流接触，在回收气体热量的同时，进一步使尿素-甲铵溶液中氨和二氧化碳解吸出来。精馏后的气体从精馏塔的顶部排出，送往低压甲铵冷凝器，与从氨水槽（蒸发冷凝液）及回流冷凝器液位槽来的液体并流上升进行吸收。吸收时产生的热量，被循环水冷却器来的冷却水带走，此冷却水经循环冷却水泵、循环水冷却器送低压甲铵循环冷凝器冷却后，循环使用。气液混合物从浸没式低压甲铵冷凝器上部溢流到低压吸收器及液位槽，液体从底部排出，一部分经循环泵、循环冷却器送往低压吸收器及液位槽顶部，作吸收剂用。另一部分则经高压甲铵泵升压，送入高压洗涤器的顶部。

3、蒸发系统

精馏塔底部的尿液经减压后，进入闪蒸槽闪蒸，经一段蒸发冷凝器后，气体被一段蒸发喷射泵抽出。闪蒸槽内的尿液进入尿液贮槽。从尿液贮槽出来的尿液经尿液泵送至一段蒸发器。一段蒸发器的压力为0.033MPa，温度为128℃。经一段蒸发，尿液被浓缩到95%，经U形管进入二段蒸发器。二段蒸发的压力0.0033MPa，温度为138℃。从二段蒸发器出来的尿液浓度为99.7%，经熔融尿素泵加压后送尿素造粒塔进行造粒，得到产品尿素，造粒塔底部出来的产品由皮带输送机送包装工序包装。

4、解吸水解系统

两段蒸发器顶部排出的蒸汽，经冷凝器、喷射泵为蒸发器提供真空，冷凝液都排至氨水槽。氨水槽内用隔板分为三个间隔，各间隔下部有孔连通，因此液位相同但不完全相混。大间隔用来贮存工厂排放液或冲洗的工艺液体，闪蒸冷凝液流人第一个小间隔，因此含氨和CO2较多，用低压吸收塔给料泵送至低压吸收塔作为吸收液。蒸发冷凝液流人第二个间隔后。由解吸塔给料泵加压，经过解吸塔换热器，加热到117℃送到第一解吸塔的上部，解吸出来的氨和CO2等气体送往低压甲铵冷凝器。未被冷凝的气体进入常压吸收塔，进一步回收氨和二氧化碳后放空。从第一解吸塔出来的液体，经水解塔给料泵，送往水解系统，进一步回收其中的尿素、氨和二氧化碳等。在第二解吸塔解吸后的液体含氨小于50ppm，尿素小于50ppm，经解吸塔换热器换热和废水冷却器冷却后送除氧水箱当脱盐水使用。

二、二氧化碳气提法工艺的特点

1、因为气提塔所用的气提剂是在反应液中溶解度较小的二氧化碳，所以在回收时比氨要简单容易得多，只需一次低压加热和闪蒸分解即可。与传统的水溶液全循环法相比。省去了中压分解吸收部分，减少了设备，简化了生产工艺，使操作更加简单。与氨气提法相比，气提温度又大幅降低。仅170℃。对气提塔的防腐十分有利。

2、尿素的合成分两步完成，首先氨和二氧化碳反应生成甲铵是在高压甲铵冷凝器中进行的，因反应放热，使高压甲铵冷凝器副产蒸汽。反应的第二步甲铵脱水生成尿素是在尿素合成塔内进行的，这使得进入合成塔的物料量大为减少，合成塔的利用率得到提高。

3、合成塔、气提塔和高压甲铵冷凝器等三个设备的物料是依靠重力自行循环的，这不仅省去了动力设备，还使流程简化，操作更加稳定。但也带来不利的一面，为保证三个设备间物料的流量达到要求，就必须使三个设备之间有一定的高度差，工厂建设时需建一个高度约为76m的高深框架。

4、在能量利用方面，二氧化碳气提法比其他方法更优越。主要体现在除气提塔所需蒸汽要由外界提供外，其余各处（如低压分解、尿液的蒸发和解吸等）所需的蒸汽均可用本流程中的副产蒸汽来提供，这大大减少了蒸汽与冷却水的消耗。

5、因采用二氧化碳为气提剂，使得氨碳比比较低，一般仅为2.8～3.0。出合成塔的反应液中氨含量下降，而氨在尿素工艺中不仅是反应原料，还可抑制副反应，因此二氧化碳气提法产品中的缩二脲含量要高于其他方法。

6、因为二氧化碳气提法生产过程中氨碳比低，物料对设备的腐蚀性加大。为了抑制物料对设备的腐蚀，需向二氧化碳中加入更多的空气，一般达到0.6%～0.8%。若操作不当，会造成合成塔顶部排出气体中含有过量的氧气与氢气，存在爆炸危险。

三、二氧化碳气提法生产尿素工艺如何降低氨耗

1、尿素装置氨损失主要有以下途径：

⑴排出的废水中夹带的尿素和微量游离氨，如果没有深度水解，废水氨含量一般低于0.7%（w），当然还要加上废水中以尿素形式损失的氨。如果有深度水解，废水中氨和尿素含量一般低于30mg/L，目前先进的工艺装置NH3+和尿素能达到5mg/L 以下。

⑵随产品带出的游离氨，这些氨大部分要在尿素造粒、输送、包装、贮运过程中损失掉。

⑶尿素造粒、包装过程中产生的粉尘要带走一部分氨。

⑷尿素生产过程中的废气。水溶液全循环法主要以尾气吸收塔尾气、蒸发喷射器尾气、碳铵液槽及尿液贮槽尾气等方式排出来，而 CO2 汽提法则从常压吸收塔、低压吸收塔、蒸发排出这部分废气。

⑸在尿素蒸发过程中，容易产生缩合物，附着在蒸发设备上。因缩合物不溶于水，只有在停蒸发时清洗去除，这也要造成氨的损失。

⑹跑冒滴漏损失。尿素装置绝大部分工序都接触到氨，所以容易发生氨的跑冒滴漏，当然损失的多少和各个企业的管理水平有关

尿素装置属于化肥厂工艺装置尾部，影响停工因素较多，开停车难以避免，国外也是这样。当然减少开停工次数是最简单的也是最有效的降低氨耗的理想途径。除此之外还要设不能替代时能否回收这部分放空氨？要减少停工排放损失，比如尿液槽顶部气相、氨水槽气相能否集中回收气氨或者从烟囱回收？能否增加尿液储罐延长蒸发系统及其以后的故障处理时间，并增加保温效果（有很多方法）？能否增加氨水储槽以接受停工造粒时的氨水？不正常生产时的优化就不说了。

2、主要注意以下几点：

⑴保证原料气氨和二氧化碳的纯度

⑵优化高压系统的工艺条件，尽可能提高二氧化碳转化率，减少氨放空带来的损失

⑶配置合理的氨碳比和水碳比，减少低压系统负荷，减少系统加入的水量

⑷解吸水解要优化操作，尽可能使工艺冷凝液达标，减少工艺冷凝液中带走的氨和尿素

⑸蒸发和造粒系统工艺指标要达标、优化，减少粉尘的产生，有粉尘洗涤系统的要使洗涤充分。

参考文献

池永庆，尿素生产技术，北京：化学工业出版社，2007