圖1

　　第一次設(shè)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(guò)多含氨的蒸汽排放到空氣中，最后一個(gè)冷凝器（后來(lái)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(zhì)，以防止后一個(gè)冷凝器中固態(tài)甲銨的形成。來(lái)自高壓甲銨冷凝器及后一個(gè)冷凝器的甲銨溶液在重力的作用下流進(jìn)合成塔。因此，后一個(gè)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(shè)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(lái)自合成塔排氣口的蒸汽。

圖3  原高壓洗滌塔設(shè)計(jì)（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(yīng)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(zhuǎn)化率。一般說(shuō)來(lái)，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(gè)U形管或一個(gè)固定管板式換熱器。
　　雪茄型洗滌塔是上世紀(jì)七十年代的典型設(shè)計(jì)。混合物爆炸引起許多事故后，通過(guò)配置安全膜和密封氣體空間來(lái)確保設(shè)備的機(jī)械完整性。
　　當(dāng)洗滌塔配有鮑爾環(huán)填料床時(shí)，此類洗滌塔通常會(huì)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(guò)在冷凝器的下游安裝填料床引導(dǎo)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(jié)，凝結(jié)時(shí)產(chǎn)生的熱散布到調(diào)節(jié)冷卻水中；在上部，離開(kāi)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(duì)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(shè)計(jì)的一部分。
　　如果氫氣從安裝的脫氫轉(zhuǎn)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(huì)提高至或甚至超過(guò)氣體混合物的可燃點(diǎn)。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(diǎn)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?dú)狻⒀鯕夂蜌錃猓ㄈ绻�存在），的相�?duì)濃度將在此氣流中大大增加。因此，高壓洗滌塔中會(huì)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(zhuǎn)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(gè)安全膜且安置在球形高壓洗滌塔內(nèi)（見(jiàn)圖4）。

圖4  當(dāng)前的高壓洗滌塔設(shè)計(jì)（球型洗滌塔）

　　合成塔尾氣先通過(guò)此球后再進(jìn)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(shè)計(jì)了密封氣體空間，因此，在萬(wàn)一發(fā)生這一不太可能發(fā)生的爆炸事件時(shí)，密閉度也不會(huì)受影響1。
　　因冷凝部的下游有填料床，此技術(shù)被稱為可“完全洗滌”的高壓洗滌塔。
　　第一個(gè)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(shè)計(jì)：低壓洗滌塔取代高壓洗滌塔
　　現(xiàn)今的洗滌塔分兩步改進(jìn)，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(shè)置中，合成塔尾氣通過(guò)一個(gè)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(yù)蒸發(fā)器中的尿素溶液，余熱散布到冷卻水中。離開(kāi)低壓冷凝器的氣體在低壓惰性氣體洗滌塔中采用來(lái)自低壓循環(huán)段低壓貧甲銨液進(jìn)行進(jìn)一步洗滌。低壓惰性氣體洗滌塔的尾氣通過(guò)壓力控制閥輸送至壓力為7巴的吸收塔，以進(jìn)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(guò)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(shè)備相比，主要改動(dòng)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(fù)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(xué)品和化肥公司（MCF）成功使用了此工藝概念（見(jiàn)圖5）。從2006年以來(lái)，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(guān)于芒格洛爾化學(xué)品和化肥公司的更多信息可見(jiàn)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(shè)計(jì)考慮是合成塔尾氣和來(lái)自低壓循環(huán)段的低壓甲銨的流量和成分（見(jiàn)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(diǎn)溫度和結(jié)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(yīng)保持在甲銨沸點(diǎn)溫度和結(jié)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(duì)沸點(diǎn)溫度和結(jié)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(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作是有利的，這將導(dǎo)致達(dá)到最高沸點(diǎn)溫度，從而實(shí)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(shuō)明了合成塔蒸汽成分對(duì)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(huì)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(guān)于蒸汽成分變化產(chǎn)生的影響和敏感度在下段中進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(shè)備操作的重要參數(shù)。低壓甲銨流量F2（見(jiàn)圖5）完全由高壓汽提塔的α決定。一旦α的值確定，就可對(duì)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(jìn)行評(píng)定。

圖8  合成塔N/C比與對(duì)應(yīng)的沸點(diǎn)/結(jié)晶溫度

　　圖中顯示：
　�、� 合成塔最佳N/C比是大于2.9（mol/mol）。
　�、� 當(dāng)N/C比小于2.9時(shí)，甲銨溶液將很容易結(jié)晶�？上虻蛪憾栊詺怏w冷凝器提供液體NH3以彌補(bǔ)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(huì)對(duì)甲銨沸點(diǎn)/結(jié)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(bǔ)此不足。
　　合成排放口的閥門位置
　　若合成排放過(guò)度，操作參數(shù)會(huì)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(kāi)度決定（超臨界膨脹）。

圖9  更多排氣的影響

　　結(jié)晶線和沸點(diǎn)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(jié)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(jié)論
　　該系統(tǒng)的靈活性和可預(yù)測(cè)性由位于芒格洛爾的芒格洛爾化學(xué)品和化肥公司工廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定。
4  通過(guò)減輕合成尾氣低壓洗滌塔系統(tǒng)負(fù)荷實(shí)現(xiàn)優(yōu)化
　　裝置優(yōu)化是為使合成塔尾氣減至最少�？赏ㄟ^(guò)在合成塔頂端安裝填料床和減輕新低壓洗滌塔系統(tǒng)負(fù)荷實(shí)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(lái)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(qiáng)。這就是說(shuō)該甲銨溶液仍能吸收合成塔中尾氣的反應(yīng)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(nèi)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(kāi)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(wú)填料床時(shí)所需換熱面積減少50%。因此，換熱器的尺寸將大大減小。
　　相對(duì)于上一代裝置，現(xiàn)在來(lái)自高壓洗滌塔的液體甲銨溫度要高很多。這將導(dǎo)致低壓汽包內(nèi)產(chǎn)生更多的蒸汽。

圖11  合成塔頂部填料床的機(jī)械結(jié)構(gòu)

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(shè)備容積的相應(yīng)增大，從安全角度來(lái)看，將可能含有可燃性混合物的設(shè)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(guò)程中因可燃性氣體混合物的累積而發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)仍然是不太可能的，因?yàn)槿绻麣錃廪D(zhuǎn)化器發(fā)生故障，僅在低壓情況下，下游吸收塔中才會(huì)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(biāo)是發(fā)放無(wú)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(gè)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(yàn)證。在100%SAFUREX制尿素合成回路，可實(shí)現(xiàn)二氧化碳原料氣中無(wú)氧。但是，只要有氧氣存在，仍然需要?dú)錃廪D(zhuǎn)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(yīng)裝配安全膜（縱向單斜槽焊），安全膜布置在外殼內(nèi)。冷凝器部分的尾氣在流入填料床前流過(guò)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(shè)備承壓段將不會(huì)被損壞，也不會(huì)損壞設(shè)備外部。
6  結(jié)  論
　　⑴ 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(xiàng)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。
　�、� 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(huì)發(fā)生在低壓洗滌塔中，需要高能量才可點(diǎn)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(guò)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(shù)幾乎不會(huì)影響合成塔中的氫碳比。
　　接下來(lái)會(huì)找到印度芒格洛爾化學(xué)品和化肥公司的裝置經(jīng)驗(yàn)，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）。