尿素合成塔的改造方案及機(jī)理分析

付海華，廖容波

（1．陜西龍門煤化工有限公司，陜西韓城 715405；2．北京眾聯(lián)盛化工工程有限公司，北京 100101）

尿素合成塔的改造方案及機(jī)理分析

付海華1，廖容波2

（1．陜西龍門煤化工有限公司，陜西韓城 715405；2．北京眾聯(lián)盛化工工程有限公司，北京 100101）

結(jié)合CO2汽提工藝尿素合成塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析與探討尿素合成反應(yīng)機(jī)理，并提出改造方案，以及其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

CO2汽提工藝；尿素合成塔；塔盤；改造方案；CO2轉(zhuǎn)化率

1 尿素合成原理

工業(yè)生產(chǎn)中，尿素由NH3和CO2反應(yīng)合成。通常認(rèn)為，該反應(yīng)分兩步走［1］，首先液態(tài)NH3和CO2反應(yīng)生成NH2COONH4，然后分解為尿素和水，其方程式如下：

通常認(rèn)為［2］：在CO2汽提工藝中，NH3和CO2生成NH2COONH4的反應(yīng)在高壓甲銨冷凝器中進(jìn)行，反應(yīng)熱由殼側(cè)自產(chǎn)0．35 MPa（G）蒸汽帶走；而NH2COONH4脫水生成尿素的反應(yīng)在合成塔中進(jìn)行，根據(jù)（2）式可知，該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。

當(dāng)反應(yīng)接近化學(xué)平衡時，反應(yīng)速率下降，這意味著塔內(nèi)的化學(xué)平衡僅能維持在一定停留時間內(nèi)，這還意味著塔內(nèi)的CO2轉(zhuǎn)化率主要取決于停留時間和塔容積。通過增加合成塔塔盤，可使現(xiàn)有合成塔容積得到充分利用，盡可能達(dá)到CO2轉(zhuǎn)化率與化學(xué)平衡非常接近的結(jié)果。

2 工藝過程分析

尿素合成塔（C2201）是一個圓筒型立式高壓反應(yīng)器［3］，來自高壓甲銨冷凝器（E2202）的反應(yīng)混合物自下而上流過，在14．0 MPa和180～183℃條件下，NH2COONH4脫水生成尿素。溶液在C2201內(nèi)停留時間約1 h。反應(yīng)后的合成液從塔內(nèi)出料管離開，至汽提塔（E2201）上部；反應(yīng)后的氣體（合成氣）從塔頂離開，進(jìn)入高壓洗滌器（E2203）。其流程見圖1。

2.1 合成塔結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

為了促進(jìn)氣液兩相的接觸并避免返混，合成塔內(nèi)裝有8塊塔盤，將合成塔分成9個串聯(lián)的小室，其目的是防止返混和增加氣液混合的機(jī)會以提高CO2轉(zhuǎn)化率。合成塔結(jié)構(gòu)簡圖如圖2。

合成塔塔徑2 800 mm（內(nèi)徑），塔高31 600 mm，塔截面積6．15 m2。塔盤主要參數(shù)如表1。

圖1 CO2汽提法尿素裝置高壓系統(tǒng)流程圖

表1 合成塔塔盤主要參數(shù)

圖2 尿素合成塔結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 技術(shù)改造的潛力

合成塔內(nèi)的氣液混合物自下而上，NH2COONH4脫水生成尿素。由此，塔內(nèi)上下組分有差異，尿液密度也有差異。從理論上講，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，尿液濃度會增加，密度增加［2］，這樣會導(dǎo)致尿液返混，進(jìn)而影響CO2轉(zhuǎn)化率。所以，減少返混可有效提高CO2轉(zhuǎn)化率。

3 尿素合成機(jī)理探討

合成塔內(nèi)物料流經(jīng)塔盤的示意圖如圖3。在合成塔內(nèi)，存在著大量的氣團(tuán)和液團(tuán)，液體經(jīng)過塔盤與塔壁的間隙由下至上進(jìn)入上層塔盤，氣體則經(jīng)過塔盤上的小孔進(jìn)入上層塔盤；液體流經(jīng)塔盤的流速為0．5 m／s，而氣體流經(jīng)塔盤小孔的流速為2．5 m／s，流速較高的氣體穿過塔盤上流速較低的液體，以獲得更大的接觸面積，促進(jìn)氣液混合，進(jìn)一步增加反應(yīng)程度。

圖3 合成塔中物料流經(jīng)塔盤示意圖

由圖3可以看出，原塔盤會造成部分液體形成溝流，未與氣體接觸反應(yīng)而直接進(jìn)入上層塔盤，該股流體在合成塔內(nèi)停留時間會減小，而使CO2轉(zhuǎn)化率降低。此外，另一部分液體也可以從塔盤的小孔漏到下層中，形成返混。這樣勢必也會使物料接觸不充分，降低CO2轉(zhuǎn)化率。

合成塔塔盤專利商卡薩利認(rèn)為，尿素反應(yīng)是連續(xù)的，首先是氣態(tài)的CO2溶入液相中，而原料液氨在水中溶解度很大，可認(rèn)為其傳質(zhì)速率很大，可以忽略；其次是氨和CO2反應(yīng)，快速生成甲銨；然后是甲銨脫水生成尿素，此反應(yīng)速率較慢，為控制步驟。一般認(rèn)為尿液中的CO2全部以甲銨形式存在［5］，而且CO2難溶于尿素溶液，所以CO2的氣液傳質(zhì)過程是非常重要的控制步驟。

由實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和合成塔壁溫檢測可知，CO2汽提工藝中，合成塔底部為167℃，而溫度從下至上是節(jié)節(jié)攀升，最高是塔頂溫度183℃。這就證明溶解、合成和分解反應(yīng)一直在進(jìn)行。實(shí)際上，平衡只有在氣相中的CO2全部溶入液相中，才能達(dá)到。因此，我們可以通過提高CO2至液相的傳質(zhì)速度，以進(jìn)一步讓反應(yīng)靠近平衡線，獲得更大的CO2轉(zhuǎn)化率。而提高氣液傳質(zhì)速率的最好途徑就是增加氣液接觸面積，減少溝流與返混。這樣一來，增加合成塔內(nèi)塔盤數(shù)量就是一條最好的途徑。

通過對現(xiàn)有的8塊篩板式塔盤的流體狀態(tài)和尿素合成塔工況（NH3／CO2，H2O／CO2，壓力，進(jìn)料溫度，塔壁溫度，轉(zhuǎn)化率等）的研究發(fā)現(xiàn)［4］，現(xiàn)有塔盤結(jié)構(gòu)形式及塔盤數(shù)都存在進(jìn)一步改進(jìn)或增加的必要，以使塔內(nèi)氣液相接觸面積增加，減少溝流與返混，達(dá)到既可以進(jìn)一步提高合成轉(zhuǎn)化率，又可以提高合成塔生產(chǎn)能力的目的。

合成塔塔盤的數(shù)量由8塊增加到10塊或11塊，是強(qiáng)化合成塔效率的一個普遍采用的措施。因?yàn)樵O(shè)置的塔盤位于合成塔下段7 m以上空間，使占全塔約1／4的空間存在嚴(yán)重的氣液接觸不好和返混現(xiàn)象，這一點(diǎn)可以通過塔壁溫度測定值推算而得到證實(shí)。為了充分發(fā)揮合成塔的效率，特別是進(jìn)行裝置增產(chǎn)改造時，在塔下部空間增加2～3塊新塔盤是十分必要的。

4 改造途徑

4.1 基礎(chǔ)工況（以100%負(fù)荷計(jì)）（表2）

表2 尿素合成塔基本工況

4.2 改造方案

近年來，隨著大型化肥工業(yè)的發(fā)展，新型塔盤的研制及應(yīng)用正逐步展開。較為典型的方法有：

（1）瑞士卡薩利公司的U型高效塔盤，將原篩板塔盤改為U型高效塔盤，并由8塊塔盤改為11塊；

（2）荷蘭斯塔米卡邦公司折流型篩板塔盤，各塔盤缺口呈180℃安裝，使液體在塔內(nèi)錯流上升，減少溝流和返混。

上述兩種方案實(shí)施的可能性分析分別如下。

（1）塔盤更換和安裝位置的變化可能引起塔阻力的變化，而且原8塊塔盤更換時間不長，現(xiàn)有CO2轉(zhuǎn)化率已達(dá)到59%，因此不必有很大的改變。

（2）根據(jù)外商最新報(bào)價，此改造至少需要22萬美元，投資太大。

綜合考慮，由于現(xiàn)有裝置運(yùn)行良好，CO2轉(zhuǎn)化率較高，則這兩種方案都存在投資過大，收效可能不理想的局面。

4.3 自行設(shè)計(jì)改造

本著謹(jǐn)慎節(jié)約的原則，采用自行設(shè)計(jì)來改造尿素合成塔。改造措施如下。

（1）原8塊塔盤維持現(xiàn)狀，新增兩塊塔盤，分別為新增1＃塔盤和新增2＃塔盤，塔盤數(shù)據(jù)如表3。

表3 設(shè)計(jì)塔盤條件

（2）新增1＃、2＃塔盤及安裝說明

①塔盤直徑為2 770 mm。

②塔盤厚度：新增1＃塔盤厚4．2 mm，材質(zhì)00Cr Ni Mo-25-22-2；新增2＃塔盤厚8．0 mm，材質(zhì)316LMOD。

③塔盤安裝方式和原塔盤相同，塔盤與塔的間隙為15 mm。

④新增1＃塔盤安裝在1＃塔盤下面2 850 mm處，孔數(shù)1 224個，孔徑8 mm；新增2＃塔盤安裝在新增1＃塔盤下面2 850 mm處，孔數(shù)1 280個，孔徑20 mm。

5 改造效果分析

5.1 技術(shù)效果分析

據(jù)計(jì)算，增加兩塊塔盤后，合成塔下層的工藝物料接觸面積增加，返混減少，可提高CO2轉(zhuǎn)化率1%～2%。

隨著CO2轉(zhuǎn)化率的提高，尿素高壓系統(tǒng)的生產(chǎn)能力將得到提高，噸尿蒸汽消耗也將下降。據(jù)測算，高壓系統(tǒng)生產(chǎn)能力可增加3%～3．5%，噸尿蒸汽消耗下降6%～7%。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）改造投資約為20萬元。

（2）增加生產(chǎn)能力每天可增產(chǎn)尿素約60 t，全年按300 d計(jì)算，可增產(chǎn)尿素約18000 t；以噸尿100元利潤計(jì)，全年可增加效益180萬元。

（3）降低汽耗噸尿約為50 kg，按年產(chǎn)550 kt計(jì)算，可節(jié)約蒸汽27 500 t；蒸汽按75元／t計(jì)，全年可產(chǎn)生效益206．25萬元。

6 結(jié) 論

（1）通過對合成塔尿素生成反應(yīng)過程的分析，指出尿素合成塔塔盤從8塊增加到10塊，可使塔內(nèi)氣液相接觸面積增加，減少溝流與返混，達(dá)到擴(kuò)能增產(chǎn)的目的。

（2）合成塔改造后可使CO2轉(zhuǎn)化率提高1%～2%，高壓系統(tǒng)生產(chǎn)能力增加3%～3．5%，噸尿蒸汽消耗下降6%～7%。

（3）投資少，見效快，效益明顯。

［1］中國寰球化學(xué)工程公司主編．氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊——尿素［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1988．

［2］大連工學(xué)院編．氣提法尿素生產(chǎn)工藝［M］．北京：石油化學(xué)工業(yè)出版社，1978．

［3］袁一主編．化肥工學(xué)叢書——尿素［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997．

［4］彭良華．二氧化碳汽提法大型尿素裝置消除瓶頸增產(chǎn)改造途徑［J］．大氮肥，1997，20（2）：103～107．

［5］梅安華主編．小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995．

Revamping Program of Urea Reactor and its Mechanism Analysis

FU Hai-hua1,LIAO Rong-bo2
（Shaanxi Longmen Coal Chemical Co．，Ltd．，Hancheng Shaanxi 715405，China；2．Beijing Unity Engineering Co．，Ltd．，Beijing 100101，China）

According to the urea reactor structural characteristics in the CO2stripping process，analyze and discuss urea synthesis reaction mechanism，propose the revamping program and its technical and economic effects．

CO2stripping process；urea reactor；tower tray；revamping program；CO2conversion

TQ441．41

B

1003-6490（2014）01-0061-04

2013-07-23

付海華（1967－），男，江西景德鎮(zhèn)人，高級工程師，陜西龍門煤化工有限公司總工程師、副總經(jīng)理。