新型高效尿素合成塔塔盤技術(shù)的應(yīng)用實踐

王衛(wèi)峰 高明林 楊俊君(安徽昊源化工集團(tuán)有限公司 安徽阜陽236023)(浙江工業(yè)大學(xué)化工設(shè)備有限公司 浙江杭州310014)

安徽昊源化工集團(tuán)有限公司(以下簡稱昊源公司)現(xiàn)有4套尿素裝置，其中2套水溶液全循環(huán)法尿素裝置、2套CO2汽提法尿素裝置(其尿素合成塔直徑均為Φ2 680 mm)。3#尿素裝置于2010年投入運行，尿素合成塔采用傳統(tǒng)的多孔板塔盤， CO2轉(zhuǎn)化率約為58%，噸尿素平均氨耗570 kg、噸尿素平均汽耗1 040 kg；4#尿素裝置于2013年11月投產(chǎn)，尿素合成塔采用浙江工業(yè)大學(xué)新型高效波形塔盤，CO2轉(zhuǎn)化率約為61%，噸尿素平均氨耗563 kg、噸尿素平均汽耗960 kg，其操作彈性明顯高于3#尿素裝置，節(jié)能效果顯著。

1 尿素合成塔盤對提高CO2轉(zhuǎn)化率的作用

傳統(tǒng)尿素合成塔設(shè)計理論認(rèn)為：NH3和CO2生成甲銨的反應(yīng)是瞬時完成的，甲銨脫水生成尿素過程的反應(yīng)較慢，之后保持合成塔內(nèi)的物料停留時間只是為了使脫水反應(yīng)進(jìn)行到所需求的程度；塔盤的作用僅僅是為了防止物料的返混。

隨著對尿素合成機(jī)理的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)：雖然NH3和CO2生成甲銨的反應(yīng)瞬時完成，甲銨脫水生成尿素過程的反應(yīng)較慢；但并不是反應(yīng)物一進(jìn)入合成塔內(nèi)，甲銨生成過程即告結(jié)束，之后維持合成塔內(nèi)的物料停留時間只是為了使脫水反應(yīng)進(jìn)行到所需求的程度，人為地將合成塔分甲銨反應(yīng)區(qū)和尿素反應(yīng)區(qū)。尿素合成塔全過程實際包括以下步驟：①氣相中CO2和NH3通過傳質(zhì)進(jìn)入液相；②液相中CO2和NH3反應(yīng)生成甲銨；③甲銨轉(zhuǎn)化為尿素和水，反應(yīng)產(chǎn)物(H2O)部分進(jìn)入氣相。在整個過程中，兩相始終共存。雖然合成甲銨的反應(yīng)是瞬時完成的，但氣相CO2和NH3的傳質(zhì)并非即刻完成，而是隨著液相反應(yīng)的進(jìn)行，不斷地轉(zhuǎn)入液相，并不斷反應(yīng)。因此，甲銨反應(yīng)和尿素生成反應(yīng)在合成塔內(nèi)始終同時存在，塔盤的作用不只是為了防止物料的返混，另一重要作用是強(qiáng)化氣液間傳熱與傳質(zhì)，提高反應(yīng)效率。此點在以往的尿素合成塔內(nèi)件設(shè)計中考慮得不充分，為進(jìn)一步提高尿素合成效率，必須充分考慮防止物料返混和強(qiáng)化氣液相間的傳質(zhì)。

與一般精餾塔相比，尿素合成塔的特點是反應(yīng)物料氣液并流，內(nèi)設(shè)塔盤的合成塔可視為由多個串聯(lián)的小室組成反應(yīng)器，彼此之間用塔盤隔開，反應(yīng)物自下而上通過。每個小室內(nèi)都存在氣液兩相，氣體以鼓泡形式穿過液層。氣相通過擋板上的小孔進(jìn)入上一級反應(yīng)器，液相沿塔盤與塔壁之間的環(huán)隙進(jìn)入上一層小室。塔盤在很大程度上阻止上一層小室的流體回流入下一層小室，故提高了反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。塔盤越多，塔內(nèi)的物料流動越接近于理想平推型流動。尿素合成塔內(nèi)，氣相以氣泡形式分散在液相中，氣泡在液相中的分散狀況，如氣泡大小、比表面大小、與液相的混合是否均勻等，直接關(guān)系到兩相間的傳熱與傳質(zhì)的狀況。氣泡越小，比表面積越大、氣相分散越均勻，越有利于氣液兩相間的傳質(zhì)和提高反應(yīng)效率。

從表2數(shù)據(jù)可看出：因型煤制備過程中配入了煙煤和褐煤，揮發(fā)分提高、固定碳含量降低、硫含量升高，導(dǎo)致氣化產(chǎn)生的半水煤氣中甲烷和二氧化碳含量提高，產(chǎn)生的煤灰量和灰渣量增多。

2 新型高效波形塔盤工作原理

新型高效波形塔盤工作原理如圖1所示。塔中上升的氣、液兩相在波形塔盤上進(jìn)行氣液分流，介質(zhì)的液相從波谷開設(shè)的液相孔和環(huán)向間隙通過，介質(zhì)的氣相從波峰開設(shè)的氣相孔以較高的速度射出， 進(jìn)入上一層塔盤的液相中，強(qiáng)化了氣液接觸。介質(zhì)通過塔盤時，氣、液兩相分道，流動穩(wěn)定。這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的小氣泡增大了比表面積，有利于提高傳熱和傳質(zhì)的效率。反應(yīng)區(qū)內(nèi)物料自下而上通過塔盤，使相鄰的多個小反應(yīng)室的物料避免因密度差而引起回流，從而提高了尿素的濃度梯度，減少了返混。該新型高效波形塔盤與卡薩利(Casale)倒U形塔板的結(jié)構(gòu)類似，強(qiáng)化了氣液間的傳熱和傳質(zhì)，氣液混合效果更好，且制造相對容易，價格較低。

圖1 新型高效波形塔盤工作原理

3 使用效果

昊源公司4#尿素裝置合成塔采用11塊新型高效波形塔盤，在相同條件下，合成塔壓力和高壓圈壓力基本穩(wěn)定在14.2 MPa左右，合成塔塔頂部溫度為183 ℃，汽提塔出液溫度為171 ℃，氨碳比為3.7，水碳比0.75。采用傳統(tǒng)塔盤合成塔的3#尿素裝置和采用新型波形塔盤合成塔的4#尿素裝置7 d的生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)對比見表1。

由表1生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)對比表明：① 4#尿素裝置的CO2平均轉(zhuǎn)化率為61%左右，3#尿素裝置的CO2平均轉(zhuǎn)化率為58%左右，4#尿素裝置比3#尿素裝置的CO2轉(zhuǎn)化率高3%。② 4#尿素裝置的噸尿素平均蒸汽消耗為960 kg、噸尿素平均氨耗為563 kg；3#尿素裝置的噸尿素平均蒸汽消耗為1 040 kg、噸尿素平均氨耗為570 kg；4#尿素裝置比3#尿素裝置噸尿素節(jié)省蒸汽80 kg，且氨耗也略低；按年產(chǎn)尿素400 kt計，年節(jié)約蒸汽32 kt。③ 4#尿素裝置的操作彈性明顯高于3#尿素裝置。

表1 3#和4#尿素裝置生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)對比