摘要：本文深入研究二氧化碳汽提法尿素装置高压圈的操作要点及异常工况处理。操作要点包括原料输送控制、压力温度控制及优化操作策略以提高转化率和降低能耗。异常工况主要有高压洗涤器气相带液和脱氢后气体中氢含量较高，针对这些问题提出了相应处理方法。结论指出准确把握操作要点和处理异常工况对提高尿素生产稳定性、效率和安全性意义重大。未来可从设备腐蚀防护、智能化控制、节能减排和安全管理等方面进一步研究。

关键词：二氧化碳汽提法；尿素装置；高压圈操作；异常工况处理

一、引言

1.1 研究背景

二氧化碳汽提法尿素装置在化工生产中占据重要地位，高压圈操作至关重要。

二氧化碳汽提法尿素生产工艺自引入我国以来，经过不断吸收和改进，已成为众多中大型尿素生产企业的主要选择。该工艺具有流程简单、单系统生产能力大、能耗低、成本低、可长周期运转等优势。其中，高压圈作为核心部分，其操作的稳定性和高效性直接影响着整个尿素生产过程。

在实际生产中，高压圈的操作要点及异常工况处理成为关键问题，只有准确把握操作要点，及时有效地处理异常工况，才能确保尿素生产的稳定、高效进行，提高企业的经济效益和市场竞争力。

1.2 研究目的

二氧化碳汽提法尿素装置的高压圈操作复杂且关键，对其操作要点的准确把握和异常工况的妥善处理，直接关系到整个尿素生产过程的稳定性与效率。通过深入研究高压圈的操作要点及异常工况处理方法，旨在为实际生产提供新的思路和方法，以提高装置的稳定性与效率。

在实际生产中，高压圈面临着诸多挑战。例如，高压洗涤器气相带液问题会严重影响系统的运行。CO₂气提尿素装置，系统刚投产时较为稳定，但随着时间推移，出现了高压洗涤器气相带液现象，导致系统无法加负荷运行，甚至影响了甲铵泵的变频和系统的正常供水。通过对填料材质的更换和对高压喷射泵的检修，问题得到了一定程度的解决。这一案例充分说明，对高压圈的操作要点进行深入研究和严格把控的重要性。

此外，脱氢后气体中氢含量较高也是常见的异常工况之一。当出现这种情况时，系统运行会受到很大影响。例如，有的工厂脱氢反应器进出口温差在 50℃以上，最高达 80℃以上，脱氢反应器出口气体温度达到 245℃，气体中氢气在线分析仪表显示氢气质量分数为 150×10⁻⁶左右。针对这种情况，需要采取系统停车、拆检脱硫槽和脱氢反应器等措施，以确保系统的正常运行。

综上所述，探索高压圈操作要点及异常工况处理新方法，对于提高二氧化碳汽提法尿素装置的稳定性与效率具有重要的现实意义。

二、理论基础

2.1 二氧化碳汽提法原理

二氧化碳汽提法在尿素生产中起着至关重要的作用。其通过利用二氧化碳气体作为汽提介质，降低了反应液中氨和二氧化碳的分压，促使甲铵分解，从而实现尿素的合成。

2.1.1 汽提过程原理

在汽提过程中，二氧化碳发挥着关键作用。例如在某大型尿素生产企业中，合成塔来的反应液含氨约 30.14%、二氧化碳约 17.49%、尿素约 34.49%，通过合成塔出料调节阀进入气提塔上花板，每根气提管上部的液体分布器使液体呈膜状向下沿管内壁流动。当液体下流后与下部来的二氧化碳气体相遇，首先游离氨被逐出，再向下是甲铵以两个氨分子一个二氧化碳分子的比例分解出来。管外有压力为 2.0MPa 左右、温度为 230℃的中压饱和蒸气供给热量，使分解反应不断进行。最终，尿素、氨基甲酸铵分解成氨和二氧化碳，并随气体介质一起从液体分布器上部的升气管出去进入高压甲铵冷凝器，底部出来的尿素溶液送入后系统进一步减压分解其中的氨基甲酸铵。

2.1.2 合成反应原理

在高压圈中，尿素合成反应具有独特的特点。尿素合成反应是一个可逆吸热体积增大的反应，如 NH₂COONH₄（液）＝2NH₃（气）+ CO₂（气）－Q。在高压、高温的环境下，氨和二氧化碳在合成塔内反应生成尿素。高压有利于提高反应速率和转化率，同时高温为反应提供了所需的能量。在这个过程中，氨碳比和水碳比是两个重要的参数。氨碳比指入塔反应物料中氨与二氧化碳的摩尔比，实际操作控制在一定范围内，直接影响 CO₂转化率。水碳比指入塔物料中水与二氧化碳的摩尔比，工艺设计该值为左右，它对 CO₂转化率也有很大影响。例如，当高压系统液体中水碳比增加时，CO₂转化率下降，汽提塔出液温度上升，同时会导致高压圈其他温度上升，系统压力略有下降，汽提塔消耗蒸汽流量增加，汽提效率下降。此外，合成塔温度和液位的控制也对合成反应有着重要影响。通过调节蒸汽包的副产蒸汽压力和液位，可以调节合成塔各温度，而合成塔的液位不能太低，以免导致抽空而使汽提塔断料。

2.2 高压圈设备特性

2.2.1 合成塔特性

合成塔在高压圈中起着核心作用。它是尿素合成反应的主要场所，为氨和二氧化碳在高温高压下反应生成尿素提供了适宜的环境。合成塔内部设有筛板，形成类似几个串联的反应器，塔板的作用是防止物料在塔内返混，从而提高反应效率。

尿素合成塔的腐蚀主要表现为内部衬里的均匀腐蚀，同时还存在多种其他腐蚀形式。顶、底封头的环焊带部位经常出现针孔腐蚀，主要是介质中 H₂S 与金属表面发生电化学腐蚀的结果。固定合成塔出液管线上的卡子及相关部件经常出现磨蚀；衬里焊缝的边沿处由于焊接时母材受温度的影响，运行几年后出现刀状腐蚀；上封头的人孔处存在垢下腐蚀，由于保温不好也有一定的冷凝腐蚀；塔盘与塔壁的环隙之间存在一定的冲刷腐蚀等。

2.2.2 汽提塔特性

汽提塔实质上是一个多管降膜式湿壁塔，在尿素生产中发挥着重要作用。其设计特点对生产有着显著影响。

汽提塔内腐蚀的主要表现形式为上部汽提管的冲刷腐蚀。汽提塔的上管箱、封头和其他内件为均匀腐蚀；下管箱、封头表面有一层致密而坚硬的垢层，主要表现为均匀的垢下腐蚀；进液管、分布器、液体分布器、挡液板等均表现为一定的冲刷腐蚀。冲刷腐蚀最严重的区域主要在汽提管上管板以下 1.0～1.5m 的部位。其原因一是该处是蒸汽进口，温度最高，达 220℃，钛材的耐腐蚀性能最低；二是该处的汽提作用最强，由于温度高，使得与管壁相接触的溶液中的气体急剧挥发，从而形成湍流造成冲刷腐蚀。

汽提塔上、下管箱衬里的腐蚀主要为垢下均匀腐蚀。上管箱处于气相中，垢层相对较薄，一般只有 0.2—0.3mm，由于上部温度比下部低 10～15℃，所以上管箱的腐蚀相对较轻，年腐蚀率一般在 0...。液体分布系统是汽提塔的重要组成部分，其作用是确保介质均匀进入汽提管中形成连续均匀的液膜，以确保汽提效果。若出现偏流，导致液体分布不均匀，就会降低汽提塔的汽提效率，从而影响生产，并造成对设备的腐蚀。为此后期引进的氨汽提尿素装置在汽提管上部又增加了十字分布器、溢流槽及填料层，以提高汽提效果。

三、高压圈操作要点

3.1 正常操作流程

3.1.1 原料输送控制

液氨的输送是尿素生产的重要环节。从 NH₃库来的液氨经过液氨缓冲器进入液氨过滤器后，进入高压氨泵增压到 16.2MPa（绝），然后经高压氨加热器加热到约 70℃，关入高压喷射器，最后进入高压甲铵冷凝器。在此过程中，液氨的流量通过变频改变高压氨泵的转速来调节。例如，在某大型尿素生产企业中，通过精确控制高压氨泵的转速，使得液氨的输送量能够满足生产需求，同时确保系统的稳定运行。

二氧化碳气体从脱碳工段送来，进入二氧化碳压缩机，经一段压缩后加入约 6.5%的空气，以供高压圈设备防腐用，但必须保证进汽提塔前的 CO₂中氧含量在 0.75 - 0.85%（体积）之间。压缩机五段出口 CO₂气体进入高压 CO₂加热器，利用 2.5MPa 的高压蒸汽加热至 150 - 200℃，去脱氢反应器将其中的氢气脱除到 50PPM 以下，然后经高压 CO₂冷却器冷却至 110 - 120℃后进入汽提塔。

3.1.2 压力温度控制

合成塔的压力温度控制对于尿素生产至关重要。合成系统压力需维持在 13.5 - 14.5MPa，温度在 185℃左右。通过调节蒸汽包的副产蒸汽压力和液位，可以调节合成塔各温度。合成塔的液位不能太低，以免导致抽空而使汽提塔断料。例如，当蒸汽包压力变化时，意味着改变高甲冷壳侧的温度，影响着管内氨基甲酸铵的生成反应。正常的压力整定，应使高甲冷中未凝的 NH₃和 CO₂进入合成塔中反应，放出的热量供给甲铵脱水吸热应用。合成塔顶的温度（180 - 183℃）和到高压洗涤器气体中惰性气体含量是高压甲铵冷凝率是否合适的标志。

汽提塔的压力温度控制也不容忽视。加热蒸汽压力由高压蒸汽饱和器 902F 的压力调节阀 PC - 904 进行控制，使得出汽提塔的液体中含 NH₃约 6 - 8%（重量）。由于 CO₂气体温度相对地较低以及轻微的绝热驱赶，使得汽提管中由上而下流动的液膜温度从 180 - 185℃下降到 165 - 175℃。从汽提塔出来的液体经液位调节阀 LC - 203 排至循环工序。

3.2 优化操作策略

二氧化碳汽提法尿素装置高压圈的优化操作对于提高生产效率、降低能耗至关重要。

3.2.1 提高转化率措施

提高二氧化碳转化率是优化高压圈操作的关键之一。例如，控制好氨碳比和水碳比是提高转化率的重要措施。在实际生产中，某尿素生产企业通过精确控制氨碳比在合理范围内，将二氧化碳转化率提高了约 5%。当氨碳比增加时，平衡压力增高，过剩的氨循环量增高，平衡压力增高，动力消耗量增加，过剩的氨循环负荷增高，从而导致高压圈水量增多，二氧化碳转化率降低。因此，需要找到一个合适的氨碳比平衡点。此外，采用新型高效塔盘也能有效提高二氧化碳转化率。如一些企业在设备升级改造中，采用新型高效塔盘后，二氧化碳转化率提高了 3%左右。同时，优化合成塔的操作条件，如控制合成塔温度在 185℃左右，压力维持在 13.5 - 14.5MPa，也有助于提高二氧化碳转化率。因为在这个温度范围内，提升反应温度，有利于提升尿素的生成反应速度，提升二氧化碳转化率。但温度过高会使介质腐蚀程度上升，还需使用价格更为昂贵的抗腐蚀性材料。

3.2.2 降低能耗方法

降低高压圈能耗可以从多个方面入手。首先，可以通过优化蒸汽系统来降低能耗。例如，传统二氧化碳汽提法若想缩减蒸汽消耗量，应当适当缩减汽提塔的运转负荷。根据氨气、二氧化碳、水三元图，可以认识到回收的 NH₂COONH₄量水分少，0.3MPa 以下的 NH₂COONH₄液体量缩减，还需增加水压，降低汽提塔蒸汽损耗量。传统二氧化碳汽提法在应用中，冷凝器水分温度低，无法对加热源分解，往往需要设置中压闪蒸措施。在没有加热源的情况下，负荷受到影响，往往需要设置中压闪蒸流程。若负荷受到限制，汽提塔负荷下降量过少，使用 Urea2000+工艺流程，包括日本东洋公司的 ACES21 工艺及五环工程 THESES 技术，使用特殊的高压冷凝设备，生产出 0.6MPa 饱和蒸汽，将其作为中压分解。这种工艺可以节约 2.5MPa 的蒸汽，使蒸汽消耗量控制在 750kg 以内。其次，合理控制压力和温度也能降低能耗。压力和温度是直接影响工艺效率和稳定性的参数，需要进行实时监测和控制。这将有助于调整工艺参数，减少能源消耗，提高工艺效率和经济性。例如，当合成压力处于最低平衡压力点，是操作的最佳控制状态。根据不同压力下 NH₃、CO₂的平衡压力图分析，当操作温度为 180 摄氏度时，平衡压力曲线明显向 NH₃/CO₂高的方向变缓。我们可以根据操作温度找出合成系统 NH₃/CO₂最佳控制范围，从而提高合成转化率，降低循环负荷，减少能耗。

四、异常工况处理

4.1 常见异常现象

4.1.1 高压洗涤器气相带液

特征：高压洗涤器气相带液现象分为一次带液和二次带液两个阶段。一次带液时，系统二氧化碳气量升高至 18000m³/h 后，高压洗涤器的气相便有带液现象出现。表现为出气温度直线降低，高压系统压力极度攀升，低压系统吸收塔压力骤降，出气调节阀迅速调至 0 位，低压吸收塔实际液位逐渐升高到 100%，液位调节阀处于全开状态，高调水的进出口实际温差逐渐缩小，合成塔的液位呈现逐渐降低趋势。二次带液时，系统二氧化碳气量 21000m³/h，带液现象与上次存在差异，高压压力无明显突升表现，出气温度带液前相对较高，在带液期间骤燃降低。

影响：在气相带液运行状态下，致使高压系统有严重的超压状况，低压系统也逐渐出现波动状况，增加了操作的难度，系统的操作指标很难有效把控，多次的减负荷式运行，对于系统的安全运行及产量均会产生不利影响。例如，在中能化工公司尿素车间，高压洗涤器气相带液使得系统操作难度加大，产量受到影响，多次被迫减负荷运行。

4.1.2 脱氢后气体中氢含量较高

危害：当脱氢后气体中氢含量较高时，会对尿素装置的整个生产过程特别是高压合成系统带来较大影响。一方面，氢气损失会导致合成氨装置产氨量下降。例如，在一些企业中，由于氢含量超标，合成氨产量下降了约 10%。另一方面，尿素装置需要加入更多的空气将氢气烧掉，而带进系统的氧会使尿素高压系统的安全运行受到威胁，同时也增加了尿素装置的能耗。如在某化肥厂，为了处理氢含量超标的问题，增加了空气量，导致能耗增加了约 15%。此外，若原料二氧化碳气中氢含量较高，排出的尾气可能进入氢的爆炸极限范围内从而引起爆炸，造成严重后果。

4.2 处理方法与案例

4.2.1 气相带液处理方法

对于高压洗涤器气相带液问题，可以采取多种处理措施。例如，在高负荷下，系统水碳比（摩尔比）应尽可能控制在 0.50 - 0.55，保证水在高压洗涤器内不能过量。如山东兖矿鲁南化肥厂在系统调整中，将水碳比控制在合理范围内，效果明显，高负荷下洗涤器正常工作，洗涤器出气温度在 110 - 135℃，洗涤器出液温度在 160 - 170℃。

调整高压喷射器开度（40% - 50%），只要能够控制甲铵冷凝器进料温度不下降，高压喷射器前后压差约 1MPa。通过合理调整高压喷射器开度，可有效改善高压洗涤器的工作状态。

高压调温水温差不能过大，在脱氢运行时，保证高压洗涤器出口液温度不低于 160℃，可将高压调温水的上水温度降至 115℃。这样可以提高高压洗涤器内部洗涤吸收的效果，减少出气量及调节阀的开度，从而避免气相带液现象的发生。

4.2.2 氢含量高的处理策略

当脱氢后气体中氢含量较高时，可采取以下处理方法。系统停车，拆检脱硫槽和脱氢反应器，如在一些企业中，拆检发现脱硫槽水解剂基本失效，脱硫剂活性炭呈现淡黄色并结大块。通过更换水解剂和脱硫剂，可有效降低氢含量。

增加空气量，相当于降低了氢在氢、氧、空气混合体中的比例，使混合气体远离爆炸界限。例如，沧州大化股份有限公司尿素装置在原料气二氧化碳中氢含量超标时，增加空气量，预防了事故的发生。

提高高压调温水的温度，减少高压调温水移走的热量，降低冷凝吸收的数量，增加高压尾气中 NH₃的含量，使混合气体中总易燃物（H₂和 NH₃的总称）的总量增加，从而降低 H₂、总易燃物的比例，使混合气体远离爆炸界限。

提高 NH₃/CO₂，从一定程度上讲可使反应向生成尿素的方向进行，提高 CO₂的转化率。更重要的是增加了高压尾气中的氨含量，增加总易燃物的总量，从而降低 H₂、总易燃物的比例，可使气体远离爆炸界限。

开大 HV - 2202，维持高压系统的压力。当原料气中 H₂含量超标，系统中不凝气体增多，会使高压系统压力升高，此时开大 HV - 202，在中压系统不超压的情况下，增加中压系统的吸收比例，从而维持高压系统的压力，稳定装置的正常生产。

五、结论与展望

5.1 研究结论总结

本文对二氧化碳汽提法尿素装置高压圈的操作要点及异常工况处理进行了深入研究，得出以下结论：

在操作要点方面，明确了原料输送控制和压力温度控制的关键环节。液氨的精确输送和二氧化碳气体的合理处理，为尿素生产提供了稳定的原料基础。合成塔和汽提塔的压力温度控制，直接影响着尿素合成反应的效率和质量。通过优化操作策略，如提高二氧化碳转化率和降低能耗，可显著提升装置的生产性能。控制氨碳比和水碳比、采用新型高效塔盘以及优化合成塔操作条件，能有效提高二氧化碳转化率。而通过优化蒸汽系统、合理控制压力温度等方法，可降低高压圈能耗。

5.2 未来研究方向展望

综上所述，未来的研究可以从设备腐蚀防护、智能化控制、节能减排和安全管理等方面入手，不断完善二氧化碳汽提法尿素装置高压圈的操作技术，为尿素行业的发展做出更大的贡献。

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