圖1

　　第一次設置的高壓甲銨冷凝器（HPCC）中，（在這代尿素裝置中此冷凝器亦產(chǎn)生低壓蒸汽）安置在尿素合成塔的下游。為避免過多含氨的蒸汽排放到空氣中，最后一個冷凝器（后來稱其為高壓冷凝器）安置在高壓甲銨冷凝器的下游。用下游工藝中產(chǎn)生的低壓甲銨溶液稀釋冷凝器中的物質，以防止后一個冷凝器中固態(tài)甲銨的形成。來自高壓甲銨冷凝器及后一個冷凝器的甲銨溶液在重力的作用下流進合成塔。因此，后一個冷凝器必須安置在合成回路中的最高處。
2.2  第二代：局部洗滌
　　第二代裝置中，合成設備按下列順序重新布置。高壓甲銨冷凝器布置在合成塔的上游，在高壓汽提塔蒸氣管線和合成塔之間；高壓洗滌塔接收來自合成塔排氣口的蒸汽。

圖3  原高壓洗滌塔設計（雪茄型洗滌塔）

　　本高壓洗滌塔作用與第一代裝置不同，目前其主要作用是控制合成塔頂部的惰性氣體壓力。惰性氣體主要與二氧化碳原料氣一起引入裝置，在合成塔頂部惰性氣體的含量應盡可能低，以使NH3+CO2系統(tǒng)壓力盡量升高，從而合成塔中溫度盡量升高，繼而盡量提高尿素轉化率。一般說來，合成塔頂部的惰性氣體壓力通常在6 – 8 %（體積比）之間。
　　此工藝概念被稱為可“局部洗滌”的洗滌塔。高壓洗滌塔是一個U形管或一個固定管板式換熱器。
　　雪茄型洗滌塔是上世紀七十年代的典型設計。混合物爆炸引起許多事故后，通過配置安全膜和密封氣體空間來確保設備的機械完整性。
　　當洗滌塔配有鮑爾環(huán)填料床時，此類洗滌塔通常會因可燃混合氣發(fā)生事故，在這種洗滌塔中，惰性蒸汽中幾乎全部氨和二氧化碳被洗滌掉。本代洗滌塔亦安置在合成回路的最高處。
2.3 第三代：完全洗滌
　　可“局部洗滌”的洗滌塔仍排放出大量含氨蒸汽。在“完全洗滌”概念中，通過在冷凝器的下游安裝填料床引導平衡。
　　目前，在高壓洗滌塔下部有殼管式換熱器，上部有填料床。在高壓洗滌塔下部，大部分氨和二氧化碳凝結，凝結時產(chǎn)生的熱散布到調節(jié)冷卻水中；在上部，離開底段的氣體在鮑爾環(huán)填料床上與低壓循環(huán)段的甲銨溶液逆流接觸。對于配有此類洗滌塔的尿素裝置，二氧化碳原料的脫氫系統(tǒng)是裝置設計的一部分。
　　如果氫氣從安裝的脫氫轉換器中流入二氧化碳原料氣，那么高壓洗滌塔氣相中的氫氣濃度可能會提高至或甚至超過氣體混合物的可燃點。氨氣和氧氣也可形成可燃性混合物。但氨/氧混合物的著火能量比氫/氧混合物的點火能量高很多。
　　在高壓洗滌塔中，幾乎全部NH3和二氧化碳從合成塔尾氣中移除；氮氣、氧氣和氫氣（如果存在），的相對濃度將在此氣流中大大增加。因此，高壓洗滌塔中會形成氫氣、氧氣和NH3的可燃性氣體混合物，但由于配置的氫氣轉換器（若安裝）的脫氫功能，可燃性氣體混合物形成的可能性不大。
　　為使可能發(fā)生的爆炸產(chǎn)生的影響降到最小，填料床配備一個安全膜且安置在球形高壓洗滌塔內（見圖4）。

圖4  當前的高壓洗滌塔設計（球型洗滌塔）

　　合成塔尾氣先通過此球后再進入高壓洗滌塔的冷凝部，所以若發(fā)生爆炸，合成塔尾氣可用作滅火劑且減緩壓力上升。設計了密封氣體空間，因此，在萬一發(fā)生這一不太可能發(fā)生的爆炸事件時，密閉度也不會受影響1。
　　因冷凝部的下游有填料床，此技術被稱為可“完全洗滌”的高壓洗滌塔。
　　第一個此類洗滌塔安置在合成塔之上，以維持重力流；但采用高壓氨噴射器后，洗滌塔安裝位置可放低。
3  現(xiàn)今的設計：低壓洗滌塔取代高壓洗滌塔
　　現(xiàn)今的洗滌塔分兩步改進，目前已替代了高壓洗滌塔。
3.1  清潔合成尾氣用低壓洗滌塔
　　第一設置中，合成塔尾氣通過一個控制閥從合成壓力大致為15 - 20 巴的冷凝器流入低壓（池式）冷凝器中。冷凝器中產(chǎn)生的放能熱部分用于濃縮預蒸發(fā)器中的尿素溶液，余熱散布到冷卻水中。離開低壓冷凝器的氣體在低壓惰性氣體洗滌塔中采用來自低壓循環(huán)段低壓貧甲銨液進行進一步洗滌。低壓惰性氣體洗滌塔的尾氣通過壓力控制閥輸送至壓力為7巴的吸收塔，以進行完全洗滌。低壓洗滌塔系統(tǒng)的甲銨溶液溢流至液位槽，又在液位槽通過高壓甲銨泵泵入高壓冷凝器
　　低壓洗滌塔系統(tǒng)的高度由高壓甲銨泵的凈吸壓頭要求決定。
　　與前幾代設備相比，主要改動如下：
　�、� 取消了高壓洗滌塔和互相連接的高壓管道系統(tǒng)
　　⑵ 取消了高壓氨噴射器和減小排放壓力的高壓氨泵
　�、� 安裝了新的低壓冷凝器/洗滌塔/液位槽（復式）
　�、� 低壓循環(huán)段的新離心式低壓甲銨輸送泵
　　位于印度的芒格洛爾化學品和化肥公司（MCF）成功使用了此工藝概念（見圖5）。從2006年以來，該系統(tǒng)的操作十分令人滿意，已證明其有很大的靈活性。

　　圖5

　　關于芒格洛爾化學品和化肥公司的更多信息可見本論文所附的輔助論文。
3.2 NH3/CO2/H2O系統(tǒng)的物理相平衡
　　操作新低壓惰性氣體洗滌塔的主要設計考慮是合成塔尾氣和來自低壓循環(huán)段的低壓甲銨的流量和成分（見圖5，F(xiàn)1/F2比）。
　　此比例和流體成分基本上決定了甲銨循環(huán)液的最終組成，因此也決定了甲銨的固有特性，如沸點溫度和結晶溫度。

　　　　　　　　　　　　
　　圖6中顯示了兩種工況，一種工況是水占總重量的30%，另一種工況是水占總重量的20%。作為N/C比的函數(shù)，共沸NH3-CO2-H2O系統(tǒng)的平衡顯示了的在給定壓力下的溫度最高值。
　　安全裕度應保持在甲銨沸點溫度和結晶溫度之間。從圖6中可以看出，N/C比和水量均作為參數(shù)，對沸點溫度和結晶溫度之間允許的溫差產(chǎn)生影響。
　　在系統(tǒng)接近恒組分時對系統(tǒng)進行操作是有利的，這將導致達到最高沸點溫度，從而實現(xiàn)低壓惰性氣體冷凝器管程和殼程間的最大溫差（LMTD），使所需換熱面積最小化。
3.3 合成塔氣體的成分
　　下圖（圖7）說明了合成塔蒸汽成分對液體N/C比變化的影響。從圖中曲線可以看出，液體成分的小變化會引起蒸汽成分大變化。

圖7  合成塔尾氣與合成塔中液體N/C比

　　關于蒸汽成分變化產(chǎn)生的影響和敏感度在下段中進行評價，以確定操作窗。
3.4 新低壓惰性氣體洗滌塔的操作窗
　　目前高壓汽提塔的汽提效率（α）是優(yōu)化設備操作的重要參數(shù)。低壓甲銨流量F2（見圖5）完全由高壓汽提塔的α決定。一旦α的值確定，就可對合成塔中液體成分的主要變量(1)和決定低壓冷凝器系統(tǒng)性能的合成排放口閥門位置即主要變量(2)進行評定。

圖8  合成塔N/C比與對應的沸點/結晶溫度

　　圖中顯示：
　　⑴ 合成塔最佳N/C比是大于2.9（mol/mol）。
　　⑵ 當N/C比小于2.9時，甲銨溶液將很容易結晶�？上虻蛪憾栊詺怏w冷凝器提供液體NH3以彌補此不足。甲銨濃度控制是穩(wěn)定甲銨成分和確保裝置穩(wěn)定性的適用方法。
　�、� 更高的汽提效率也會對甲銨沸點/結晶溫度產(chǎn)生消極影響。向低壓甲銨冷凝器加入更多的氨水可彌補此不足。
　　合成排放口的閥門位置
　　若合成排放過度，操作參數(shù)會影響低壓洗滌器的性能。合成尾氣流量F1完全由排放閥門的開度決定（超臨界膨脹）。

圖9  更多排氣的影響

　　結晶線和沸點曲線的走向不解自明。幾乎不含水的合成尾氣與低壓甲銨混合。合成塔排放流量越大，甲銨的濃度越高，從而越容易結晶。
　　此處也可看出，與汽提效率較高的汽提塔相比，汽提效率越低，操作靈活性越大。
　　結論
　　該系統(tǒng)的靈活性和可預測性由位于芒格洛爾的芒格洛爾化學品和化肥公司工廠的運行經(jīng)驗確定。
4  通過減輕合成尾氣低壓洗滌塔系統(tǒng)負荷實現(xiàn)優(yōu)化
　　裝置優(yōu)化是為使合成塔尾氣減至最少。可通過在合成塔頂端安裝填料床和減輕新低壓洗滌塔系統(tǒng)負荷實現(xiàn)裝置優(yōu)化。其主要目的是減少送至低壓洗滌塔系統(tǒng)的合成尾氣量，尾氣是和甲銨溶液一起從低壓洗滌塔系統(tǒng)來的。與洗滌塔相比，合成段的壓力和溫度要高得多，因而甲銨的吸收能力也更強。這就是說該甲銨溶液仍能吸收合成塔中尾氣的反應物（NH3和二氧化碳）。工藝回路：合成塔頂部的氣體流入冷凝器以及低壓洗滌塔的洗滌段；低壓洗滌塔的剩余尾氣被輸送至壓力為7巴的吸收塔。
　　低壓洗滌塔的甲銨溶液被泵至合成塔填料床。合成塔填料床的甲銨溶液流至高壓噴射器。氨泵在高壓噴射器中產(chǎn)生必要的壓頭，以將甲銨溶液從合成塔填料床段輸送至高壓冷凝器塔。冷凝器可以是降膜式或池式。

圖10

　　合成塔內安裝填料床的主要好處是有利于蒸汽平衡和大量減少離開合成塔頂部的蒸汽。低壓惰性氣體冷凝器所需的換熱面積可比無填料床時所需換熱面積減少50%。因此，換熱器的尺寸將大大減小。
　　相對于上一代裝置，現(xiàn)在來自高壓洗滌塔的液體甲銨溫度要高很多。這將導致低壓汽包內產(chǎn)生更多的蒸汽。

圖11  合成塔頂部填料床的機械結構

5  操作低壓惰性氣體洗滌塔（用于洗滌合成尾氣）的安全要求
　　鑒于尿素裝置容量的不斷增加及設備容積的相應增大，從安全角度來看，將可能含有可燃性混合物的設備與大量合成尾氣隔離是十分重要的。
　　采用新低壓洗滌塔后，合成過程中因可燃性氣體混合物的累積而發(fā)生爆炸的危險仍然是不太可能的，因為如果氫氣轉化器發(fā)生故障，僅在低壓情況下，下游吸收塔中才會發(fā)生完全冷凝。
　　在這種情況下，可燃性氣體混合物只發(fā)生在低壓洗滌塔系統(tǒng)中是可能的。若將發(fā)生爆炸，可方便地隔離低壓洗滌塔系統(tǒng)。
　　斯塔米卡邦公司的最終目標是發(fā)放無氧尿素裝置許可證。在目前情況下，二氧化碳原料氣中有0.3vol%氧氣，至少配有一個SAFUREX高壓汽提塔的尿素裝置中已經(jīng)在商業(yè)化的裝置規(guī)模中得到了驗證。在100%SAFUREX制尿素合成回路，可實現(xiàn)二氧化碳原料氣中無氧。但是，只要有氧氣存在，仍然需要氫氣轉化器。
　　為盡量減小爆炸最壞情況下產(chǎn)生的影響，低壓洗滌塔床應裝配安全膜（縱向單斜槽焊），安全膜布置在外殼內。冷凝器部分的尾氣在流入填料床前流過此外殼，因此若發(fā)生爆炸，尾氣可作滅火劑用。如果發(fā)生爆炸，孔隙空間決定了設備承壓段將不會被損壞，也不會損壞設備外部。
6  結  論
　�、� 用低壓洗滌塔系統(tǒng)代替高壓洗滌塔系統(tǒng)是減少基層尿素裝置和更新項目投資成本的有效方法。
　�、� 低壓洗滌系統(tǒng)十分靈活，且易操作。
　�、� 因低壓惰性甲銨中有惰性氣體蒸汽存在，所以高壓甲銨泵不易出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象。
　　⑷ 因低壓洗滌塔與合成段分離安裝，所以合成段中容積不受影響（在發(fā)生爆炸的情況下）。
　�、� 盡量減小了發(fā)生爆炸的可能性�？扇夹詺怏w的積聚只會發(fā)生在低壓洗滌塔中，需要高能量才可點燃。
　�、� 合成塔中安裝填料床將顯著減小低壓洗滌塔系統(tǒng)中冷凝器的尺寸。
　　此工藝過程中可全部消耗所產(chǎn)生的冷凝熱，節(jié)省蒸汽和冷卻水。
　�、� 采用低壓惰性氣體洗滌技術幾乎不會影響合成塔中的氫碳比。
　　接下來會找到印度芒格洛爾化學品和化肥公司的裝置經(jīng)驗，該公司用低壓洗滌塔系統(tǒng)代替了高壓洗滌塔系統(tǒng)（第2部分）。