王 宇,趙慧靈
(中國五環(huán)工程有限公司 管道室,湖北 武漢 430000)
尿素,化學名為碳酰胺,分子式為(NH2)2CO。尿素作為化肥,具有含碳量高、不惡化土壤等優(yōu)點,需求量非常大。20世紀初開始以氨和二氧化碳為原料生產(chǎn)尿素的工業(yè)裝置投入生產(chǎn)[1]。通過近一百年的發(fā)展,目前主流的尿素生產(chǎn)工藝包括荷蘭Stamicarbon公司的二氧化碳氣提法,意大利Saipem公司的氨氣提法,日本TEC公司的ACES21。
ACES是Advanced Cost and Energy Saving Process的縮寫,意為“節(jié)約投資降低能耗”的工藝,具有原料消耗低、能耗低、操作彈性大、材料腐蝕小等優(yōu)點。該工藝主要包括尿素合成、高壓回收、尿素溶液的凈化和中低壓回收、尿素溶液的最終濃縮、造粒工序。
氨和二氧化碳合成尿素主要發(fā)生以下兩步反應:
(1)
(2)
尿素-甲銨混合液、液氨和二氧化碳從合成塔底部進入,發(fā)生上述反應。氨-尿素-甲銨混合液與未反應的CO2氣體從合成塔底緩慢向上流動,并從合成塔頂進入汽提塔頂部。
在汽提塔頂部分離出氣相后,含有甲銨、水和氨的尿素溶液以薄膜的形式沿著汽提塔管程內(nèi)壁下降,與汽提塔底部進入的CO2逆流接觸進行傳質(zhì)。受到管外蒸汽的加熱,未反應的甲銨溶液發(fā)生反應(1)的逆反應分解成NH3和CO2。在CO2氣體的汽提作用下,分解的CO2和NH3從液相傳遞到氣相。尿液中大部分甲銨和過量液氨在汽提塔中分離出來,汽提后的尿素溶液(50wt%)從汽提塔底部進入凈化工序。汽提氣從汽提塔底進入甲銨冷凝器。
甲銨冷凝器分冷凝-反應段(下部)和洗滌段(上部)兩段。塔頂進入的甲銨溶液與塔底進入的汽提氣在甲銨冷凝器內(nèi)逆流接觸。在冷凝-反應段,CO2沿管程向上流動并發(fā)生反應(1)和反應(2),46%的CO2生成尿素,分離出氣體后,從溢流漏斗溢出,通過抽射器進入反應器底部。分離出的氣體在洗滌段繼續(xù)被洗滌吸收。
尿素、甲銨溶液具有易結(jié)晶、強腐蝕的特性[2],以及尿素裝置的部分工藝管易震動,因此尿素裝置在管道選材、管道設(shè)計時應著重考慮這些因素。
圖1 合成圈關(guān)鍵管線Fig.1 Key pipelines of synthesis loop
如圖1所示,反應器、汽提塔、甲銨冷凝器及相關(guān)管線構(gòu)成尿素合成圈。從甲銨冷凝器到反應器的管線12“-US-651003及反應器到汽提搭的管線12”-US-651002主要為尿素-甲銨溶液,流動性差,極易結(jié)晶。再加上三臺高壓設(shè)備操作壓力相同,上述兩根管道為重力流管道。該管道在配管時應在滿足應力要求的前提下,坡度盡量大,彎頭盡量少。
由于汽提塔與甲銨冷凝器操作壓力相同,為防止甲銨冷凝器內(nèi)液體通過氣相管12“-PG-651001返回氣提塔,該管線需設(shè)置一個2m高的氣袋,啟液封作用。
由于尿素和甲銨容易結(jié)晶,管線應盡量避免袋形。在有可能形成積液的地方設(shè)置導淋。還應在合適的位置設(shè)置高壓沖洗水。導淋與沖洗水根部閥與主管距離應盡量短,配管細節(jié)見圖2和圖3。
圖2 導淋配管圖Fig.2 Piping Lyout of Drain
圖3 沖洗管線配管圖Fig.3 Piping Lyout of Flushing
尿液管線從汽提塔到閃蒸罐,共經(jīng)過三次減壓,詳見表1。
表1 減壓閥門清單Table 1 List of pressure reducing valve
尿液每次減壓都會發(fā)生閃蒸,并在減壓閥后形成汽液兩相流。根據(jù)以往經(jīng)驗,該類管線極易發(fā)生震動,震動主要來至三方面:(1)壓力突然變化產(chǎn)生的震動(閥門打開和關(guān)閉,一般發(fā)生在開停車時);(2)閥門減壓閃蒸產(chǎn)生的震動;(3)閥后汽液兩相流在管道流動是產(chǎn)生的水擊。為盡量降低震動產(chǎn)生的影響及水擊發(fā)生的可能性,管道設(shè)計時可采取以下預防措施:
2.3.1 加固減壓閥的支撐
圖4 減壓閥LV-65002Fig.4 Pressure reducing valve LV-65002
如圖4所示,在管道柔性允許的前提下,在閥門LV-65002閥體上設(shè)置固定支架,限制閥門突然打開/關(guān)閉和閥后閃蒸產(chǎn)生的震動傳遞到相連管道上。
2.3.2 減壓閥后使用特殊變徑管和5D彎頭
圖5 減壓閥LV-68001Fig.5 Pressure reducing valve LV-68001
如圖5所示,該特殊異徑管夾角為14°,比標準異徑管的夾角小。同時,減壓閥后的第一個彎頭采用5D彎頭。這樣可以降低閃蒸發(fā)生的劇烈程度及兩相流介質(zhì)在管道內(nèi)流動時引起的管道震動。
2.3.3 減少兩相流管線長度
圖6 減壓閥LV-68002Fig.6 Pressure reducing valve LV-68002
如圖6所示,將減壓閥門LV-68002盡量靠近閃蒸罐布置,減壓閃蒸后的尿液馬上進入閃蒸罐,兩相流介質(zhì)行程短,可有效避免震動的發(fā)生。
管道腐蝕、管道震動和管道堵塞是尿素裝置在生產(chǎn)過程中最常見的問題。抓住問題的源頭,在配管設(shè)計時采取相應措施杜絕或降低上述問題的發(fā)生,有利于裝置長期穩(wěn)定運行,帶來效益。