汽提塔器常见问题的处理

CO2汽提法尿素装置中汽提塔常见问题的处理
安徽中能葛志军
尿素工艺有水溶液全循环法、CO2汽提法、氨汽提法，从综合能耗和工艺合理性来比较，CO2汽提法工艺是最合理的工艺，这三套尿素工艺中都设置有汽提塔，水溶液全循环法中的汽提塔是中压分解汽提塔，氨汽提法工艺中的汽提塔是高压分解汽提塔，这两种工艺都是利用自身分解气作为汽提气，分解效率低，一般仅为50-70%左右，而CO2汽提法工艺中的汽提塔，是利用CO2气作为汽提气，有效降低气相中氨分压，分解效果佳，一般为75-85%，所以它的工艺流程短，操作简单，能耗优势大。

CO2汽提法工艺中汽提塔是整个工艺的核心设备，它的配置和运行指标是整个系统能耗的关键因素，并在运行过程中汽提塔的正常维护和常见问题的处理成了决定系统能耗的重要因素。

1、汽提塔结构和工作原理
一、汽提塔的结构
CO2汽提塔实质是一台立式固定管板降膜式列管换热器，由高压和低部分组成。

汽提塔高压部分由管箱短节球形封头、人孔盖、液体分布器、汽提管、升气管、管板等部分组成。

低压部分由低压壳体、膨胀节、防爆板等组成，见图1。

从CO2汽提塔结构图可以看出，气提塔的结构总体上分为三个部分，上部是供出尿塔合成液与汽提气进行气液分离，其中的主要部件就是液体分布器，在每一根汽提管上部管口均对应一个液体分布器，该分布器结构其实非常简单，就是一根约600 mm长的管子，管子下部（靠近汽提管端）每间隔120°有
一个约Φ2.5mm的小孔，这样设计的目的是为了保证每根汽提管均有合成液进入，避免“干管”而引起汽提管超温，从而造成汽提管腐蚀加剧而损坏；中部就是汽提管了（一般为Φ31×6879×3）；下部供汽提液与CO2气进行气液分离，其中的主要部件就是CO2气体分布器，该分布器结构也非常简单，主要起到均匀分布CO2气的作用。

二、气提塔的气提原理
合成反应液从管口N1进入气提塔上管箱内，经上管箱内的液体分布器将液体均匀分布到每根气提管内。

由于液体分布器的作用，液体在管内形成一层液膜
向下流。

CO2气体由塔底管口N3进入塔内，经气体分布器均匀分布到每根气提管内，与液体逆流接触且产生气提作用。

气提作用所需要的热量由高压汽包来的高压饱和蒸汽供给，该蒸汽从接管N5引入气提塔壳侧，蒸汽冷凝液由管N6排回到高压汽包。

合成反应液经气提后所得到的CO2和NH3与CO2原料气从管口N4一起返回到高压冷凝器内，气提液则由管N2进入低压循环系统。

汽提是以一种气体通过反应混合物，从而降低另一种或几种气体的分压，使离解压力降低的过程。

所谓二氧化碳气提就是用CO2气体通过反应物，从而降低气相中; 氨的分压，促使甲铵分解。

甲铵分解的反应方程式：NH2COONH4 (液) ＝2NH3 (气) + CO2 (气) －Q 这是一个可逆吸热体积增大的反应，只要能提供热量、降低压力或降低气相中NH3和CO2某一组分的分压，都可以使反应向着甲铵分解的方向进行，以达到分解甲铵的目的。

采用液态甲铵的生成或分解来说明：2NH3(液)+CO2(液) = NH2COONH4(液) 溶液中氨和二氧化碳与气相中的氨和二氧化碳处于平衡，假设它们分别符合拉乌尔与亨利定律，则有：PNH3 = P0NH3•〔NH3〕(液) PCO2=HCO2•〔CO2〕(液) PNH3 --- 溶液中氨的平衡分压
PCO2 --- 溶液中二氧化碳的平衡分压
P0NH3 ---- 纯氨的饱和蒸汽压
HCO2 ---- 二氧化碳的亨利系数
〔NH3〕(液) -- 液相中氨分子分率，
〔CO2〕(液) -- 液相中二氧化碳分子分率
由上述各式可知：当用二氧化碳为气提剂时，气相中的氨分压趋近于零，则液相中氨的平衡分压大于实际气流中的氨分压，故液相中的氨不断汽化逸出，液相中〔NH3〕(液)降低，反应向着甲铵分解成氨和二氧化碳的方向进行。

这就促使了液相中甲铵的分解。

在甲铵分解的同时，液相中〔CO2〕(液)增加，与此相平衡的二氧化碳分压大于实际气相中的二氧化碳分压，促使液相中二氧化碳汽化逸出。

因此液相中甲铵不断分解，液相中氨和二氧化碳不断汽化逸出，从而实现气提过程。

从理论上讲，在任何压力和温度范围内，用气提的方法都可以把溶液中未反应的甲铵完全分解。

但在工业上，由于要求过程在一定的速度下进行，因此必须保持足够高的温度。

气提塔实际上是一个多管降膜式湿壁塔。

合成塔来的反应液，通过合成塔出料调节阀HV201利用液位差进入气提塔上花板，每根气提管上部有一液体分布器，当液体流过分布器小孔后呈膜状向下沿管内壁流动。

随着阀开度的改变，分布器上液层高度也改变。

负荷高，液层高，流过小孔流量大，反之即小。

当液体下流后与下部来的二氧化碳气体相遇，首先是游离氨被逐出，再向下是甲铵分解即以两个氨分子一个二氧化碳分子这样的比例分解出来。

由于管外有压力为
2.0MPa左右的饱和蒸气供给热量，使分解反应能够不断进行。

气提过程之所以能实现是由于与反应液呈平衡的溶液表面上氨蒸汽压力始终大于气相中氨分压。

这样氨一直可以被分解出来，而二氧化碳则是由于化学平衡关系，当减低气相氨的浓度后，反应向左进行。

在加热和汽提的联合作用下，使尿素、氨基甲酸铵分解成氨和二氧化碳，并随气体介质一起经过液体分布器上部的升气管进入高压甲铵冷凝器。

由底部出来的尿素溶液经调节伐LV203减压后送入低压循环系统进一步减压分解其中的氨基甲酸铵。

2、汽提塔的重要指标
CO2入塔压力：13.8-14.5MPa；
CO2入塔温度：95-120℃
汽提塔出液温度：165-172℃
汽提塔出气温度：184-188℃
汽提塔进液温度：183-185℃
入塔最佳合成NH3/CO2比为2.89
汽提效率为：78-85%
3、常见问题及排除方法
3．1 汽提塔满液现象及处理方法
汽提塔液位与合成塔液位一样，是高压系统重要工艺指标之一，维持在正常液面在正常控制范围内对稳定高压系统和循环系统的操作有很大的作用。

通常操作人员是合成出液伐和汽提塔出液共同进行控制的。

一旦操作不慎，会引起汽提塔液位升高。

当液位指示达到100%，但各种现象已表明，真实液位已超过100%，这各情况往往是汽提塔液位失灵造成的。

此时操作人员应积极采取措施，防止事故的扩大。

此种液位计的失灵的现象在实际生产中是容易发生的。

因为汽提塔液
位计的重要部件---铯源在使用一段时间后容易引起衰减，且另一部件---探头也会因各种原因造成失灵。

满液现象：
汽提塔满液最明显的特征是：汽提效率下降，出液温度超温，出气温度超温，甲铵冷凝器出液温度上升，合成转化率下降，如果判断失误，造成合成NH3/CO2比偏高，工况继续恶化，合成塔液位满液，加重液提塔负荷，高、低压系统严重超压，整个系统紊乱，如果处理不当会造成高、低压系统设备损坏。

产生上述现象的原因：
当汽提塔液位高时，CO2气体分布不均，汽液比失调，汽提效率大幅度下降，未分解的甲铵液增多，液位继续上升，如果汽提塔液位失真，汽提塔出液调节伐未及时调节，势必造成满液，进一步影响汽提效率，由于分解少了，带走的热量少了，所以汽提塔出液、出气都将超温度，此两点温度是反应汽提塔效率高低的重要参数。

合成满液严重，造成CO2出气中夹带合成液，由于合成液中有尿素组份，高压甲铵冷凝器中冷凝温度上升，容易误认为是NH3/CO2比少，加氨调节，势必造成合成塔满液，高压系统将严重超压。

由于汽提效率的大幅度下降，大量未分解的甲铵液进入低压循环系统，低压循环系统负荷加重，也将严重超压。

处理：
当发现汽提塔满位，要逐渐开大出液调节伐，增加出液过料量，控制好汽提塔的汽提效率。

汽提塔满液现象的产生，一般主要是由于汽提塔液位失真造成的，如果同时出现汽提塔出液、出气都超出温度指标范围，就要考虑到汽提塔满液的情况，如是汽提塔、合成塔都满液了，高压系统压力已超压了，最好将负荷减到70%负荷，并且要根据平时操作的CO2流量，来控制好适量的NH3/CO2，不要过多的加氨，因为此时的高甲冷的出液温度已失去参考意义。

此时要开大进汽提塔出液伐，关小合成塔出液伐，尽快把汽提塔液位拉下来，等汽提塔液位正常后再调节合成塔液位。

以汽提出气温度是否降到正常指标范围，作为参考判断汽提塔液是否正常的标志。

当然在处理汽提满液现象时，低压超压不可避免，但要根据实际情况，严防破坏低压设备的情况发生。

3．2 高压蒸汽饱和器满液现象及处理方法
进入高压蒸汽饱和器的蒸汽是由热电锅炉送来的21×10 Pa（绝）的过热蒸汽，与由汽提塔冷凝产生的冷凝液换热后，产生饱和蒸汽供汽提塔壳侧使用。

汽提塔壳侧使用饱和蒸汽，其主要原因：一是相同压力下，过热蒸汽比饱和蒸汽的效率要低的多，由此导致，在相同的换热量下，过热蒸汽所需的换热面积要大得多。

根据实际经验，过热度每增加2℃，就需要增加1%的换热面积；二是过热蒸汽是一种干燥气体，热量是通过管壁的污垢层传递的，传热效率比饱和蒸汽差很多。

高压蒸汽饱和器的液位要控制到合适的液位，如果液位过高，冷凝液进入201C汽提塔壳侧无法向管内大量供热，气提效率大幅下降；如果液位过低，产生的饱和蒸汽减少，从而相对减少汽提塔的换热面积和传热效率，引起汽提塔的汽提效率下降。

满液现象：
当外供蒸汽带水，高压蒸汽饱和器液位长时间不显示或液位假，操作工没及时发现，最终造成高压蒸汽饱和器液位满液，现象为汽提塔出液温度下降较多，低压负荷明显加重，汽提塔耗蒸汽流量大幅度下降，高压系统压力快速下降，汽提塔出液调节伐明显开大。

产生上述现象的原因：
由于高压蒸汽饱和器液位高，换热面积、传热效率的下降，汽提塔提供的热量不足，分解反应迅速减少，汽提效率下降，汽提塔出液温度短时下降，如是严重满液，则由于因分解反应的吸热反应减少而超温，由于汽提效率的下降，出汽提塔的分解气减少，则表现为高压系统压力下降。

由于分解量的减少，造成大量未分解的甲铵液增多，汽提塔出液调节伐明显开大，并且低压负荷明显加重。

处理：
当出现上述现象，则判断高压蒸汽饱和器满液，此时要立即开大高压蒸汽饱和器出液调节伐，或到现场开付线伐，及时降低高压蒸汽饱和器液位，此时要密切注意中压蒸汽饱和器的压力，防止超压。

由于汽提塔分解气的减少，则要加大合成系统加氨量的调节，关小合成出液伐，控制好合成塔液位，防止因合成塔液位液位过低而引起CO2倒流。

要根据低压循环系统负荷，适当开大汽提塔出液调节伐，最好用关小合成出液调节伐伐来控制汽提塔液位，以免汽提塔满液的现象发生，以至于酿成更为严重的后果。

只要判断准确，及时调节，系统能很快恢
复正常。

3．3汽提塔出液温度超温的原因及处理方法
超温原因：
生产中汽提塔出液温度超温的原因一般是由汽提塔满液，合成系统水碳比过高，汽提效率下降造成的。

但影响汽提效率下降的原因很多，一般有蒸汽压力的影响、合成转化率的影响、系统氨碳比的影响、汽提塔气液比低的影响、PIC904高压包压力过高的影响、汽提塔上花板分布器小孔堵的影响、LIC203控制过高的影响、汽提塔201C向循环系统严重窜气的影响、汽提塔壳侧惰性气或冷凝液积存过多的影响、系统压力高的影响的影响、气提管壁结垢的影响等等。

气提效率的下降势必引起循环负荷加重，低压循环系统压力上升。

一般来说汽提效率下降，汽提塔出液温度会上升，这时应速检查、判断是否汽提效率下降，然后操作上做相应的调整。

处理方法：
要根据汽提塔出液温度超温的原因，采取相对应的处理方法，如汽提管分布小孔堵，则要定期清理汽提塔分布器小孔，如是是合成转化率下降造成的，则要提高合成转化率来处理，总之，只有判断出汽提塔出液温度超温的真实原因，采取正确的处理方法，才能有针对性的解决汽提塔出液温度超温的现象。

对于汽提塔满液引起的超温要引起高度重视，处理方法为：
一、投料前排空汽提塔液位。

出料前汽提塔应无液位，如有液位必须先排除。

二、短期停车后开车，若汽提塔满液，可先投二氧化碳排空汽提塔液位后在投氨。

三、出料后合成出液阀不可开得太猛。

汽提塔壳侧高压汽包压力应及时跟上。

对于汽提塔满液，要采取一切可能的措施把液位排下来。

如果系统水碳比过高，应尽可能快地降下来，当循环系统不正常时，增加低甲冷的加水量。

如需在甲铵泵进口加水时，则采取降低甲胺泵的转速，排放低甲冷液位槽内部甲胺液的办法来控制进入合成系统的水量。

3．4汽提塔断料的现象及处理方法
汽提塔在正常生产时，发生断料的原因有：一、调节伐故障，开度不够，造成进入汽提塔的物料少而断料；二、因为合成塔液位计失灵，合成出料伐开得过
大，使合成液位低于溢流管口以下而形成的汽提塔断料现象；三、其中一台液氨泵电器故障急停，备用泵未及时开起，合成塔液位低而造成的断料。

断料现象
在实际生产中，汽提塔断料是很容易判断的，可以从系统压力和温度的变化来进行判断。

一般汽提塔断料时，伴随着CO2“倒流”现象发生，“倒流”时，大量的CO2气体从尿素合成塔出料管窜气，由于大量CO2气未经高压甲铵冷凝器与NH3发生体积缩小的冷凝反应，直接走近路，而生生高压系统压力急剧上升，最高可达16.0MPa，此时被迫打开尿素合成塔顶放空伐以控制压力。

在工艺上下表现为高压甲铵冷凝器工作状态恶化，甲铵冷凝反应减弱，由于甲铵反应热减少，因此付产低压蒸汽大幅度下降，同时还表现出高压甲铵冷凝器出口温度降低和合成塔出气温度上升，高压洗涤器内反应减弱而使下液温度和高调水温差的降低。

由于汽提塔的断料，造成汽提塔使用高压饱和器的蒸汽用量大幅度减少，高压饱和器的压力急剧上升，被迫打开高压饱和器放空以维持系统压力。

另外汽提塔还表现为汽提塔出气、出液温度的大幅度下降，甚至接近CO2温度，汽提塔的液位迅速下降。

处理方法
在正常生产过程中，如果是第一种原因引起的汽提塔断料，如果操作人员及时发现，判断准确，及时打开手轮，先维持高压系统工况，防止汽提塔发生断料现象的发生，再查找调节伐故障的原因；如果是第二种原因引起的断料，一般要迅速关闭合成塔出料伐，打开高压饱和器放空伐以维持高压饱和器压力，打开汽提塔塔底CO2放空伐以维持高压系统压力，加大液氨量，快速提高合成塔液位，当合成塔液位升起时现逐渐打开合成出料伐，一旦液封重新建立，及时要关闭汽提塔塔底CO2放空伐和调整液氨泵变频到负荷对应的氨量以防止NH3/CO2比失调，由于汽提塔的断料而不再工作，要注意汽提塔的其它调节，如高压饱和器压力、汽提塔液位调节，还有注意低压循环系统的调节；如果是是第三种原因引起的断料，除使用上述的处理方法之外，就是要及时把备用液氨泵开起，把氨液投入到高压系统，等合成塔建立液位之后，再打开合成塔出料伐，调节好汽提塔的其它相关操作，事故很快就能处理掉。

4．总结
CO2汽提塔是尿素生产中的关键设备之一，操作上的好坏直接影响其使用寿命，其稳定的运行决定着整个系统消耗的高低，虽然在开车、停车或运行过程中存在汽提塔各种不正常现象的发生，但只要从思想上提高认识，加强管理，严格执行各项操作规程和工艺指标，加强对操作人员乃至管理人员的业务培训，提高操作技能和准确分析、判断事故的能力，采取正确的防护措施，汽提塔的良性运行是完全可以达到的。

1、CO2汽提法尿素生产工艺优点
主要包括：二氧化碳压缩、脱硫、脱氢，液氨升压、合成汽提、循环、蒸发造粒、解吸和水解等工序。

该工艺具有以下优点。

(1)克服了在较低压力下分解，在较低压力和温度下冷凝吸收，从而不能回收利用甲铵生成热的缺点。

二氧化碳汽提法在高压14.0 MPa、高温185℃下冷凝吸收过剩的氨和循环二氧化碳，回收利用甲铵生成热，副产0.4 MPa低压蒸汽供蒸发、解吸使用，同时还节省了冷却水，降低了电力消耗。

(2)克服了由于逐级降压分解，逐级冷凝吸收而设置的庞大循环系统的缺点。

高压系统的合成塔、汽提塔和高压甲铵冷凝器的物料依靠重力自行循环，从而减少了设备，减化了流程。

(3)提高了热能和塔的利用率。

二氧化碳汽提法采用两段合成，即液氨和气体二氧化碳及回收工序返回的甲铵液在高压甲铵冷凝器内反应生成氨基甲酸铵。

此反应为放热反应，可回收反应热副产蒸汽。

氨基甲酸铵脱水生成尿素是在合成塔中进行，由于甲铵生成热在高压甲铵冷凝器中已被导出，合成塔不需要加入大量的过剩氧来维持自热平衡。

进入合成塔的物料减少，相应增大了合成塔的有效容积。

（4）尾气损失，对于传统的水溶液全循环工艺来说，尾气排放中氨含量设计值为10%，而CO2汽提装置的尾气排放中的氨含量却可以稳定地控制在2%以下，一般情况下甚至可达1%以下，单此一项可节氨2Kg/tUr。

但对于改良的水溶液全循环装置来说，由于在惰洗器后又增设了低压吸收设备（精洗器），尾气排放中的氨含量也可以达到1%以下，与CO2汽提装置基本相当.
（5）氨损失较难测定，但根据生产经验，却是影响整体氨耗的一个重要因素。

CO2汽提装置中液氨泵出口压力为16MPa，甲铵泵出口压力为14.1MPa，操作压力较水溶液全循环装置的20MPa显著降低，因密封填料、安全阀、副线阀等引起的泄漏损失会明显降低，而且运行周期延长，检修频率降低，也会减少因置换排放导致的氨损失。

从设计方面讲，16MPa和14.1MPa的操作压力下，氨泵和甲铵泵及附属管道、管道附件适合采用22MPa的设计压力，氨泵、甲铵泵的安全阀可以选择高于操作压力较多的整定压力。

水溶液全循环尿素装置的氨泵和甲铵泵如果采用22MPa的设计压力，操作压力与设计压力相差较小，安全阀的整定压力与操作压力相对接近。

而对于弹簧式安全阀来说，工作在周期性振动条件下，如果操作压力接近整定压力，非常易于引起泄漏。

泄漏出来的液氨进入碳铵液槽，不仅引起碳铵液中氨浓度升高，向放空总管中的氨扩散增加，而且碳铵液槽毕竟不是专门的吸收设备，如果泄漏量较大，会导致气化出来气氨直接排入放空总管。

这是水溶液全循环装置中影响氨耗的不可忽略的一个因素。

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