斯塔米卡邦是尿素技術(shù)的全球領(lǐng)航者。在此背景下,領(lǐng)航同時也意味著責任。作為工藝許可方,我們將這種責任視作源源不斷的努力,以保證我們的工藝裝置設(shè)計滿足我們的客戶的需求。在此,我們自豪地展示我們的最新成果:目前可申請許可證的最新裝置原理。
我們頻繁接觸客戶、傾聽他們的要求,以使我們設(shè)定的最新裝置原理的目標緊密貼近客戶的需求。
• 盡量減少新裝置所需資本支出(CAPEX)。
• 盡量減少新裝置所需運營支出(OPEX)。
• 確保產(chǎn)品的高質(zhì)量、低排放和長運轉(zhuǎn)周期。
• 裝置免維護。
基于我們在研發(fā)上的投資和改建項目上取得的經(jīng)驗,已通過以下方式實現(xiàn)這些目標。
• 低位布置合成設(shè)備:盡量減少資本支出。
• 汽提效率的優(yōu)化選擇意味著盡量減少蒸汽消耗并由此盡量減少運營支出。
• 通過使用Safurex®結(jié)構(gòu)材料,實現(xiàn)零氧進入合成工段。這種方式為實現(xiàn)裝置的內(nèi)在安全和免維護進一步鋪平了道路,并從下列各個方面進一步簡化了工藝設(shè)計:
• 淘汰了除氫環(huán)節(jié);
• 省去了高壓洗滌塔;
• 簡化了裝置的尾氣處理部分。
2 Safurex®和零氧
自從尿素工藝工業(yè)化以來,須解決的非常重要的問題便是極端合成工藝條件下應(yīng)用材料的耐腐蝕性。當將奧氏體不銹鋼材料用作制造材料后,需要連續(xù)對其進行鈍化處理。連續(xù)鈍化處理通常通過向合成工段添加空氣實現(xiàn),這樣做,在反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和工藝安全方面,可對工藝產(chǎn)生不利影響。
但Safurex®制造材料優(yōu)良的耐腐蝕性為合成工段的改進鋪平了道路,采用這種材料后,不再需要進行鈍化處理。Safurex®材料這種獨一無二的特性經(jīng)實驗室以及在實際合成條件下得到了驗證。
在實驗室將Safurex®材料與BC.05 (25.22.2)以及尿素級不銹鋼材料BC.01 (316L UG)的耐腐蝕性在無氧甲銨溶液中在通常的極端合成條件下進行比較。在此條件下,Safurex®材料并未變得活化,而奧氏體不銹鋼材料受到嚴重腐蝕甚至消失(圖1)。

圖1 183℃合成條件下在高壓釜中進行75天零氧測試
實驗室試驗證明,合成工藝條件下(開發(fā)該材料的設(shè)定前提),無氧甲銨環(huán)境中的Safurex®材料可耐活性腐蝕。經(jīng)過多年實踐,我們還證實Safurex®滿足進行Safurex®開發(fā)設(shè)定的所有要求。正如您從論文2中了解到的一樣,該材料從未顯示任何活性腐蝕跡象:Safurex®;這不是夢想。這使斯塔米卡邦完全有信心設(shè)計一種尿素裝置,在這種裝置中采用提供空氣使材料鈍化的方法已成為歷史。
無需鈍化處理合成工段中應(yīng)用材料的尿素裝具有以下優(yōu)點:• 更低的投資成本
• 內(nèi)在安全的工藝
• 最小化的氨氣排放
更低的投資成本
如果取消供給二氧化碳原料的空氣源,則可減少合成工段中的惰性氣體。因此降低了該裝置的投資成本,因:
• 簡化了惰性排放氣洗滌系統(tǒng);
• 設(shè)計設(shè)備更少且更小。
因省去了作為鈍化劑的空氣,因此也無需燃燒二氧化碳原料中的氫,進一步大大減少了合成工段中惰性氣體的量。因此,在低壓吸收塔中凈化惰性蒸汽前,用減壓運行的簡單洗滌塔系統(tǒng)替代了通常采用的高壓洗滌塔(包括相關(guān)設(shè)備和管線)。若干裝置已論證了減壓運行的洗滌塔系統(tǒng),如本次技術(shù)年會的論文3中所示印度芒格洛爾市化學品和化肥公司。斯塔米卡邦新裝置理念中,因不再需要換熱部分,該洗滌塔系統(tǒng)甚至更為簡化。
與需要鈍化空氣的裝置相比,無需鈍化空氣氣源簡化了惰性氣洗滌系統(tǒng), 從而使設(shè)備更少。
以下設(shè)備已廢棄;
• 空氣鼓風機
• 氫氣轉(zhuǎn)換器
• 高壓洗滌塔,包括有關(guān)調(diào)節(jié)冷卻水系統(tǒng)
• 高壓氨噴射器
此外,高壓二氧化碳壓縮機和廢水處理工段更為緊湊,這進一步降低了零氧裝置所需投資成本。
內(nèi)在安全的工藝
無需鈍化空氣使尿素工藝實現(xiàn)內(nèi)在安全,因無氧氣存在,因此也無易燃混合物存在。零氧裝置中無需通過燃燒氫氣降低易燃混合物的發(fā)生頻率,也無需設(shè)置泄壓空間以盡量減少爆炸影響,這些措施已成為多余。
最小化的氨氣排放
因無需鈍化空氣致使系統(tǒng)中惰性氣體減少,排放的惰性氣體的量明顯減少,由此將氨氣排放降至最低。所以,無需鈍化空氣也使零氧裝置具有環(huán)境優(yōu)勢。這已經(jīng)伊朗設(shè)拉子石化公司進行的低氧試驗成功得到驗證(另見2006年AIChE技術(shù)年會的出版物)。
3 高位合成裝置
自60年代斯塔米卡邦尿素裝置采用高壓二氧化碳汽提塔以來,合成工段的尿素溶液直接送入所謂的低壓循環(huán)工段。那時,這算是一種創(chuàng)新,因為在那之前,通常需要包括純氨循環(huán)的管內(nèi)中壓循環(huán)工段,且產(chǎn)生的合成尿素溶液可從該中壓段送入低壓循環(huán)工段。只有斯塔米卡邦二氧化碳汽提塔的高汽提效率,特別是針對氨,才可省去該中壓循環(huán)和氨循環(huán)工段[1 管內(nèi)中壓循環(huán)工段,接收來自高壓汽提塔的尿素溶液,并不會與附加中壓循環(huán)工段混淆。汽提裝置中的附加中壓循環(huán)直接接收合成塔中的原料氣,因此使高壓汽提塔和高壓甲銨冷凝器卸除了荷載,經(jīng)斯塔米卡邦證實這是一種非常強大的改造工具。]1。
除了斯塔米卡邦裝置,各類型的尿素裝置現(xiàn)也通過各種方式使用高壓汽提塔。但這些汽提塔既不使用二氧化碳作為汽提劑,也不在相對高的壓力下運行,限制了可達到的最大汽提效率使自汽提塔的溶液仍需進入管內(nèi)中壓循環(huán)段,常伴隨氨循環(huán)。
因斯塔米卡邦在相對較低的壓力下(約145巴)使用了二氧化碳作為汽提劑,可達到的最大汽提效率較高,就氨和二氧化碳而言,汽提效率通常能達到80%。為此,將合成工段的尿素溶液直接送入低壓循環(huán)段仍舊僅能用于斯塔米卡邦尿素熔融裝置,其具有以下優(yōu)點:
• 循環(huán)工段投資成本更低;
• 因裝置設(shè)計簡單,更容易操作;
• 循環(huán)工段維護成本更低;
另一方面,80%的汽提效率以汽提塔中的中壓蒸汽消耗為代價,導(dǎo)致在甲銨冷凝器內(nèi)產(chǎn)生量相對多的過多低壓蒸汽(約4.5 - 5.5 巴)。尋找有效利用這些過量低壓蒸汽的途徑是一個挑戰(zhàn)。一種典型的應(yīng)用是用于二氧化碳壓縮機的蒸汽渦輪驅(qū)動機中,此種情況下,可替換并減少渦輪中的高壓蒸汽消耗。但也并不經(jīng)常這樣做。在低壓蒸汽過量的情況下,過低汽提效率降低了尿素裝置的整體中壓蒸汽消耗(也見本論文附件,其中討論了優(yōu)化汽提效率這一主題)。
斯塔米卡邦二氧化碳汽提裝置的另一個主要特點在于,內(nèi)部合成循環(huán)僅依靠重力流。這仍舊是一個主要優(yōu)點,因為重力是100%可靠的。然而,到目前為止,合成回路重力流仍需要提高尿素合成塔的高度。
另一方面,斯塔米卡邦希望能提供一種低高度裝置原理以進一步降低投資和維護成本。問題之一便是如何使足夠蒸汽進入合成塔而不必過多消耗用于汽提的二氧化碳。
所以,斯塔米卡邦的挑戰(zhàn)是如何設(shè)計一種尿素合成工段,使合成塔立在地面,而其主要合成循環(huán)仍能夠依賴重力流,且仍能將汽提塔的尿素溶液直接排放至低壓循環(huán)工段。
3.1 斯塔米卡邦尿素裝置高度的布置
合成工段須始終垂直布置,以能夠利用重力取代旋轉(zhuǎn)設(shè)備。顯然,重力100%可靠且不會磨損。
早期的二氧化碳汽提裝置(1967~1969)的高壓甲銨冷凝器(在其中氨和二氧化碳被冷凝)被安裝在尿素合成塔頂上(圖2)。

圖2 合成塔頂上的高壓甲銨冷凝器
這樣做是為了允許冷凝甲銨受重力作用流到合成塔。高壓洗滌塔建在高壓甲銨冷凝器上以使冷凝甲銨在受重力作用流到冷凝器。盡管甲銨冷凝器為緊湊螺旋盤管型(比降膜冷凝器更短),但這種布置仍須高強鋼結(jié)構(gòu)。隨著裝置能力變大,用殼管降膜式高壓甲銨冷凝器取代了螺旋盤管高壓甲銨冷凝器。該冷凝器不能再安裝于合成塔頂上,而將安裝高度降低到了合成塔底部,但仍充分利用了重力流。因此高壓洗滌塔的液位就能降低至之前的高壓甲銨冷凝器(圖3)的液位。

圖3 合成塔頂上的高壓洗滌器
1970年左右,汽提工藝中引進了高壓氨噴射器,利用氨作為驅(qū)動力將甲銨從高壓洗滌塔運送至高壓甲銨冷凝器。運送的甲銨量相當小,且與其它工藝相比,盡管因高壓洗滌塔現(xiàn)在能安裝在與合成塔底相同的位置,極大程度上降低了其結(jié)構(gòu)高度,斯塔米卡邦汽提工藝仍舊是一種‘重力驅(qū)動’工藝(圖4)。

圖4 合成塔底位置的高壓洗滌塔
由于將高壓洗滌塔重新定位至合成塔底部位置,須通過合成塔的高度來規(guī)定合成高度。近年來,池式冷凝器和池式合成塔的發(fā)展進一步降低了合成塔的高度,因此也降低了合成高度(圖5)。

圖5 替代降膜式甲銨冷凝器的池式冷凝器
池式冷凝器是針對立式殼/管高壓甲銨冷凝器的一種改進。從根本上說,這是一種臥式、浸沒式高壓甲銨冷凝器,其產(chǎn)生的尿素量相對較大。在立式尿素合成塔下游完成尿素合成。因尿素的形成主要發(fā)生在池式冷凝器中,下游的尿素合成塔合成量明顯減少,降低了裝置高度。
池式冷凝器理念的成功隨之而來的是池式合成塔的發(fā)展,現(xiàn)由兩家所有人經(jīng)營:DSM和土庫曼斯坦化肥和化學品公司(第三套池式合成塔裝置還在建造中),即巴基斯坦法蒂瑪化肥公司。池式合成塔是一種集成高壓甲銨冷凝器功能并在其上若干米位置安裝了高壓洗滌塔的臥式合成塔(圖6)。因此,池式合成塔理念中同時除去了立式合成塔,再次降低了裝置高度。可省去輸送從高壓洗滌塔回收甲銨的噴射器,使整個合成回路僅通過重力運行。
池式冷凝器是針對立式殼/管高壓甲銨冷凝器的一種改進。從根本上說,這是一種臥式、浸沒式高壓甲銨冷凝器,其產(chǎn)生的尿素量相對較大。在立式尿素合成塔下游完成尿素合成。因尿素的形成主要發(fā)生在池式冷凝器中,下游的尿素合成塔合成量明顯減少,降低了裝置高度。

圖6 取代立式合成塔和高壓甲銨冷凝器的池式合成塔
如上所述,斯塔米卡邦二氧化碳汽提工藝有效期內(nèi),存在以下五種主要合成布置方式,高度歷年遞減(圖7)。
1. 完全依靠重力:位于合成塔頂上的高壓冷凝器。2. 完全依靠重力:位于合成塔之上的高壓洗滌塔。
3. 通過重力實現(xiàn)的主循環(huán):高壓洗滌塔位于合成塔底部位置。
4. 通過重力實現(xiàn)的主循環(huán):用池式冷凝器取代降膜式高壓甲銨冷凝器。
5. 完全依靠重力:用池式合成塔取代立式合成塔和高壓甲銨冷凝器。

圖7: 現(xiàn)在斯塔米卡邦尿素合成系統(tǒng)布置的發(fā)展
在不犧牲合成工段的重力流并維持簡單循環(huán)設(shè)計的情況下,斯塔米卡邦已成功將池式合成塔裝的塔頂位置從76米降低至27米,并將池式冷凝器裝置的頂部位置降低至39米,同時,單套設(shè)備能力從200公噸/天增加至3700公噸/天(已是目前的最大運轉(zhuǎn)能力)。
3.2 池式合成塔設(shè)計理念的最大能力在不犧牲合成工段的重力流并維持簡單循環(huán)設(shè)計的情況下,斯塔米卡邦已成功將池式合成塔裝的塔頂位置從76米降低至27米,并將池式冷凝器裝置的頂部位置降低至39米,同時,單套設(shè)備能力從200公噸/天增加至3700公噸/天(已是目前的最大運轉(zhuǎn)能力)。
池式合成塔實際上是一種低高度尿素裝置。然而,將冷凝器和合成塔結(jié)合在一個容器限制了擴容并受到運輸約束,從而導(dǎo)致裝置能力的限制。池式合成塔理念符合裝置能力最大2300公噸/天的斯塔米卡邦標準。
目前為止,設(shè)計的池式合成塔裝置的最大裝置能力為1500公噸/天。然而,現(xiàn)今的尿素裝置能力無一例外地超出3000公噸/天。對于這樣的裝置能力,不會考慮選擇池式合成塔理念,至少目前不能。對于2300公噸/天以上的能力,池式冷凝器理念符合斯塔米卡邦標準。該理念中,除了決定合成塔規(guī)定總合成高度的池式冷凝器外,還具有立式合成塔。
3.3 進一步降低池式冷凝器尿素合成工段的高度
目前為止,已突出斯塔米卡邦汽提裝置的兩大優(yōu)勢。
1. 如本論文引言中所解釋,無管內(nèi)中壓循環(huán)工段。
2. 使合成工段,至少是主循環(huán),依靠重力流流動(第二循環(huán)將輸送高壓洗滌塔中的甲銨至合成中作進一步處理)。
在保持這些優(yōu)勢的同時解釋斯塔米卡邦如何進一步降低池式冷凝器裝置高度前,將討論改造尿素裝置在這方面的相關(guān)經(jīng)驗。
3.3.1 科威特石化工業(yè)公司科威特裝置的改造
多年來,斯塔米卡邦已經(jīng)積累了采用將合成塔安裝在地面,改造尿素裝置的經(jīng)驗。大約10年前,科威特石化工業(yè)公司科威特的傳統(tǒng)斯塔米卡邦尿素裝置曾被改造成二氧化碳汽提工藝(圖8)。

圖8 改造后科威特石化工業(yè)公司科威特裝置的尿素合成工段
改造理念即是將裝置(1050公噸/天)改造成設(shè)計能力為1750公噸/天的二氧化碳汽提裝置。這樣做當然需要通過增加二氧化碳汽提塔和增加池式冷凝器(在一個容器中增加合成塔體積和高壓冷凝能力)來實現(xiàn)。如所有傳統(tǒng)尿素工藝一樣,尿素合成塔是安裝在地面上的,但這一理念并不使用高壓液體噴射器將池式冷凝器的溶液送入合成塔(利用重力流優(yōu)勢)。
這可通過將池式冷凝器安裝于現(xiàn)有合成塔頂上實現(xiàn)。
圖8顯示,高壓汽提塔位置相對提高,事實上應(yīng)盡可能高,使合成塔/頂部分離容器的尿素溶液能流入汽提塔中。因池式冷凝器的結(jié)構(gòu)已經(jīng)固定,汽提塔位置高能降低高壓管道成本。
自科威特石化工業(yè)公司裝置具有管內(nèi)中壓循環(huán)工段以來,在裝置改造中采用了這種方案,以在改造中降低高壓設(shè)備成本。這意味著所用改造理念是基于相對低的汽提效率的。
因此,直接來自壓縮機的二氧化碳可用作蒸汽源向合成塔提供熱量[2 因尿素生成反應(yīng)為吸熱反應(yīng),需要二氧化碳或NH3/CO2蒸汽進料以通過甲銨生成向合成塔提供熱量,此為放熱反應(yīng)。旨在防止合成塔溫度過低。]2。起初,這僅僅是用作蒸汽源。
如2004年斯塔米卡邦技術(shù)年會所提出的一樣,因可疑的機械故障,中壓冷凝器表現(xiàn)出過低能力。提出的解決方案是安裝一個直接向合成塔輸送汽提氣的液氨驅(qū)動汽提氣噴射器,留出空間以減少送至合成塔的二氧化碳的量。在2004年的技術(shù)年會上該噴射器還未投入運行,但現(xiàn)在已經(jīng)成功。因此,多余的二氧化碳可用于汽提,增加了汽提效率,彌補了中壓甲銨冷凝器性能表現(xiàn)的不佳。
今天,就科威特石化工業(yè)公司而言,最初的合成塔相對較長,約27米,為此,池式冷凝器的高度須相對較高。另一方面,若合成塔較短,池式冷凝器將位于較低高度,汽提塔的高度也同樣降低。最終,這一理念中,池式冷凝器可安裝于二氧化碳汽提裝置中斯塔米卡邦池式冷凝器的正常高度,約22米,而汽提塔安裝于地面,也為斯塔米卡邦汽提塔的正常高度。
這是此次改造的重要方面,有助于斯塔米卡邦新理念的發(fā)展。
3.3.2 池式冷凝器裝置中位于地面上的合成塔
基于以上討論的例子,很清楚,在商業(yè)化規(guī)模上證明可以使二氧化碳汽提裝置中的合成塔位于地面上,同時維持合成回路中的重力流。這可以通過將池式冷凝器安裝于立式合成塔頂上實現(xiàn)。
如前所述,斯塔米卡邦在池式冷凝器方面已經(jīng)非常成功,其將高壓甲銨冷凝器和尿素合成塔的功能結(jié)合在一個容器中。到目前為止,設(shè)計尿素裝置時,下游合成塔位于池式冷凝器上,也能使池式冷凝器塔頂蒸汽進入合成塔。目前,斯塔米卡邦進一步采用這一舉措發(fā)展出新的合成理念。該理念中,合成塔位于地面,池式冷凝器仍位于相同高度,但目前其位于合成塔之上。
這意味著池式冷凝器的塔頂蒸汽不能再進入合成塔。因此,將直接來自壓縮機的二氧化碳用作向合成塔提供熱量的蒸汽源。
然而,因池式冷凝器中產(chǎn)生大量尿素這一事實,立式合成塔中形成的尿素量有限,所需二氧化碳的量可保持低水平。此處一個重要特點是,池式冷凝器伴隨絕熱反應(yīng)部分,降低了立式合成塔所需反應(yīng)量。這方面在斯塔米卡邦的池式合成塔裝置中證明是成功的。
池式冷凝器的塔頂蒸汽排放至簡單中壓吸收塔。多虧了零氧概念,因塔頂流量小,這可能實現(xiàn)。
新合成理念如圖9所示。

圖9 斯塔米卡邦的新合成理念
因為合成塔加熱所需二氧化碳的量有限,斯塔米卡邦新裝置理念中可達到的汽提效率仍非常高,足以將汽提塔的液體排放至低壓運行的循環(huán)工段,因此不需要管內(nèi)中壓循環(huán)工段。根據(jù)圖9,池式冷凝器和合成塔與容器直接連通,因此池式冷凝器僅需位于合成塔之上幾米以使池式冷凝器向合成塔溢流。第二依據(jù)是,合成塔頂部位置比汽提塔液體入口足夠高,以使合成塔向汽提塔溢流。
在這一點上,很清楚,利用斯塔米卡邦的新合成理念滿足本章引言中提出的挑戰(zhàn)。
- 合成塔位于地面上(降低了總合成高度)。
- 主合成循環(huán)依賴重力流進行。
- 汽提塔的尿素溶液直接排放至低壓循環(huán)工段。
圖10顯示了斯塔米卡邦裝置歷史上出現(xiàn)過的最高點輪廓線的延伸。

圖10: 斯塔米卡邦合成高度再次進一步降低
利用新理念,斯塔米卡邦池式冷凝器合成工段的高度從39米下降至25米。
3.3.3 低位置合成裝置總結(jié)斯塔米卡邦已經(jīng)發(fā)展了低高度合成理念。這一理念具有以下特點。
• 合成塔安裝于地面上。
• 池式冷凝器約保持最初高度。
• 汽提效率仍足夠高至能將汽提塔的液體排放至低壓運行的循環(huán)工段。
• 主合成循環(huán)仍依賴重力流實現(xiàn)。
4 全 圖
結(jié)合本論文兩個主題——零氧合成運行和低位置合成裝置布置的效果,我們總結(jié)出斯塔米卡邦的新裝置理念有以下幾個特點。
使用最少的設(shè)備
- 省去了空氣鼓風機。
- 省去了氫氣轉(zhuǎn)換器。
- 用簡單中壓吸收塔代替了高壓洗滌塔和有關(guān)冷卻系統(tǒng)。
- 省去了高壓噴射器。
維護方便
- Safurex材料免維護。
- 合成塔安裝于地面上。
- 所有設(shè)備易于接近。
運行可靠,運轉(zhuǎn)周期最長。
- 合成循環(huán)依賴重力流進行。
- 裝置下游、低壓部分未改變工藝流程圖。
- 內(nèi)在安全的裝置。
總的中壓蒸汽消耗等于之前裝置設(shè)計理念的蒸汽消耗,但為滿足現(xiàn)場要求,可根據(jù)最佳汽提效率進一步減少。本論文附件中討論了優(yōu)化汽提效率這一主題。新裝置理念中,如果使用了科威特石化工業(yè)公司改造項目中驗證過的汽提氣噴射器,汽提效率的優(yōu)化必定是有空間的。建議在各具體基層尿素裝置項目中宜進行汽提效率優(yōu)化。
由于省去所需設(shè)備且合成位置低,再次降低了新斯塔米卡邦尿素裝置理念的投資成本。
5 總 結(jié)
我們不斷努力改善尿素裝置的性能,現(xiàn)在斯塔米卡邦已經(jīng)開發(fā)出低高度裝置的理念,同時維持合成工段內(nèi)主循環(huán)無故障重力流的理念。該新裝置理念所用的所有工藝元素都在改造工程中得到了驗證。
通過使用Safurex®結(jié)構(gòu)材料,可進一步簡化工藝設(shè)計,因為合成結(jié)構(gòu)材料的鈍化作用已成歷史。因此,新裝置理念是內(nèi)在安全且免維護的裝置理念。
總的來說,可得出這樣的結(jié)論,通過這些新的工藝發(fā)展,斯塔米卡邦再次顯示出其對尿素工藝設(shè)計發(fā)展的貢獻——把客戶需要放在首要位置。
• 低資本支出:不要為你的裝置支付需支付費用以外的費用。
• 低運營支出:不要為你的裝置支付需支付能量以外的能量。
• 高產(chǎn)品質(zhì)量:保證客戶無故障驗收產(chǎn)品。
• 高安全標準:不存在氧氣,無爆炸危險。
• 長運轉(zhuǎn)周期:避免因非計劃生產(chǎn)中斷所致的生產(chǎn)損失。
• 低排放標準:確保您的“運營許可證”,與鄰居保持友好關(guān)系!
附件:優(yōu)化汽提效率
降低尿素裝置的能耗咋看之下似乎并不困難。如果我們看到了圖13中呈現(xiàn)的簡化物料平衡和熱量平衡圖,我們需要做的便是降低流向高壓汽提塔的中壓蒸汽流,這會導(dǎo)致汽提效率更低。

圖13: 斯塔米卡邦尿素工藝簡化的物料平衡和熱量平衡
讓我們更詳細地觀察一下,如以中壓蒸汽形式引入合成工段的熱量降低,比如1000 kW,會發(fā)生什么情況。因所需濃縮熔融尿素(至最后濃縮階段)的總熱量相同(作為第一近似值),因此,提供給循環(huán)工段的熱量須增加至1000 kW。而且應(yīng)觀察到,因高壓汽提塔中產(chǎn)生的汽提氣的量減少了1000 kW,尿素合成工段中產(chǎn)生的低壓蒸汽的量減少了相當于1000 kW的熱量。因此,作為最終結(jié)果,尿素裝置中輸出的低壓蒸汽的量將減少2000 kW(少產(chǎn)生1000 kW,多消耗1000 kW)。則存在副效應(yīng):如汽提效率降低,則甲銨循環(huán)增加。這對合成塔中可實現(xiàn)的轉(zhuǎn)換具有不利影響。這將增加高壓汽提塔中的中壓蒸汽需求,部分抵消了最初減少的1000 kW等效中壓蒸汽。而且,增加的甲銨循環(huán)將導(dǎo)致蒸發(fā)工段蒸發(fā)更多水,因此增加了該工段的低壓蒸汽需求。作為整體結(jié)果,降低至汽提塔的熱量輸入(以1000 kW中壓蒸汽形式)將導(dǎo)致尿素裝置輸出的低壓蒸汽凈減少(相當于2500-3000kW的熱量)。
這是否為一種好辦法得取決于現(xiàn)場的中壓蒸汽與低壓蒸汽的相對量。
許多裝置設(shè)計中使用的低壓蒸汽輸出的一般去向是將低壓蒸汽輸入驅(qū)動二氧化碳壓縮機的渦輪(圖14)。

圖14 用于二氧化碳壓縮機渦輪的低壓蒸汽
該理念中,使用高壓蒸汽(通常為40巴,400℃蒸汽)驅(qū)動渦輪。壓力級為23巴時,熔融尿素裝置所需中壓蒸汽從該渦輪獲得。熔融尿素裝置中產(chǎn)生的低壓蒸汽進入該渦輪后端。通過向真空中排放部分高壓蒸汽以平衡渦輪所需總能量。對于以大幅度減少低壓蒸汽的產(chǎn)生量為代價來減少送到尿素裝置的中壓蒸汽,這是否為一種好辦法,在該方案中不易檢驗。
這非常取決于若干邊界條件,這邊界條件僅能依靠渦輪制造商的配合密切才能界定,例如:
- 渦輪不同工段的效率。
- 渦輪的外形尺寸只允許有限量的低壓蒸汽進入其后端。
- 因抽汽和進汽流量由熔融尿素裝置決定,為渦輪實際速度控制留下的唯一參數(shù)為排至真空的高壓蒸汽的量。為了能夠?qū)φ羝俣冗M行恰當控制,該流量不可過低。
- 低壓蒸汽進入渦輪后端影響到渦輪尺寸和真空冷凝器所需尺寸。因此,優(yōu)化工藝中也應(yīng)考慮到資本投資。
作為最終結(jié)論,我們聲明,優(yōu)化基層裝置的汽提效率,仔細對經(jīng)濟參數(shù)進行仔細評估,并需要考慮技術(shù)限制。只有終端用戶、工藝許可方、工程承包商和渦輪供應(yīng)商的密切配合才能實現(xiàn)上述優(yōu)化。達成一般性結(jié)論是不可能的;某些裝置中優(yōu)化出現(xiàn)‘高’汽提效率,而其他情況中‘低’汽提效率也許對裝置運行公司更有利,這完全可能。