利用高效合成塔塔板提高CO2轉(zhuǎn)化率

摘 要：文章探討了尿素合成塔內(nèi)部氣液相的流動狀態(tài)，分析利用尿素裝置高效合成塔塔板提高CO2轉(zhuǎn)化率。希望可以為相關(guān)的工作人員提供幫助與參考。

關(guān)鍵詞：合成塔；塔板；CO2轉(zhuǎn)化率

中海石油化學(xué)股份有限公司富島一期尿素裝置投產(chǎn)于1996年，采用斯那姆氨汽提和海德魯流化床造粒工藝，該裝置技術(shù)先進(jìn)可靠和操作彈性大。尿素合成塔是尿素裝置的關(guān)鍵設(shè)備，原設(shè)計采用普通篩板塔板。經(jīng)過多年運(yùn)行，在2002年大修中發(fā)現(xiàn)合成塔塔板和內(nèi)件減薄較嚴(yán)重。2004年，為適用富島一期合成氨裝置擴(kuò)產(chǎn)改造要求，尿素合成塔的塔板全部更換為卡薩利高效塔板，并利用合成塔下塔空間增加了兩塊塔板，經(jīng)過多年的實(shí)際運(yùn)行，合成塔的工藝參數(shù)正常，生產(chǎn)能力得到進(jìn)一步提高。

1 合成塔內(nèi)部氣液相流動狀態(tài)

傳統(tǒng)尿素合成塔是一個直立圓筒型的高壓容器。塔內(nèi)安裝有一定數(shù)量的篩板。塔的下部有兩個進(jìn)料管，一個是CO2氣體進(jìn)口，一個是液氨進(jìn)口。物料在高溫高壓下進(jìn)行混合并反應(yīng)生成尿素，未反應(yīng)的氣相通過篩板上的小孔至上一層塔板，液相經(jīng)篩板與內(nèi)筒壁之間的環(huán)形通路升至上一層塔板，繼續(xù)與氣相混合反應(yīng)。在合成塔的最上部，反應(yīng)生成的尿素濃度最大，并與其他未反應(yīng)物和水通過中心溢流管進(jìn)入汽提塔。物料返混是降低CO2轉(zhuǎn)化率的一個重要因素。在尿素合成塔中安裝篩板的目的就是防止物料返混。要完全避免物料返混是幾乎不可能的。要提高CO2轉(zhuǎn)化率，就要充分利用合成塔的有效反應(yīng)空間，控制物料返混。

斯塔米卡邦公司在對傳統(tǒng)篩板塔板的模擬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：常規(guī)設(shè)計的篩板合成塔內(nèi)，所有液體通過合成塔和塔板之間的環(huán)縫隙，部分液體將形成溝流而直接升至上一格內(nèi)，以致該股液體在合成塔內(nèi)的停留時間減少，而部分液體亦可經(jīng)塔板漏回到下一格內(nèi)，從而形成了返混。這樣，使得高濃度的尿素進(jìn)入低濃度尿素的區(qū)域內(nèi)，如圖1所示。根據(jù)反應(yīng)動力學(xué)，增加生成物的濃度，會抑制化學(xué)反應(yīng)的速度，最終導(dǎo)致合成轉(zhuǎn)化率的降低。

另外，在合成塔傳統(tǒng)篩板中的氣相流動是脈動流狀態(tài)。即氣體在每一塊塔板下聚集，形成很大的氣相層后，氣體才突然通過塔板。因此導(dǎo)致氣相停留時間過長，液相停留時間相對較短，氣液接觸面大大減小。其次，由于密度差產(chǎn)生的渦流不能達(dá)到塔內(nèi)氣泡群中心，渦流內(nèi)部的速度很慢，渦流越大，低速區(qū)也越大，導(dǎo)致混合效果差。生成尿素的平衡轉(zhuǎn)化率與時間的對應(yīng)關(guān)系如表1所示?？梢钥闯觯蛩睾铣煞磻?yīng)最少需要40-50min才能接近平衡。反應(yīng)時間不夠，則轉(zhuǎn)化率明顯下降。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于物料在反應(yīng)器內(nèi)達(dá)不到理論的停留時間，而且反應(yīng)器內(nèi)氣液相也不是均勻地通過每一塊篩板，導(dǎo)致氣液的傳質(zhì)效果達(dá)不到最佳狀態(tài)，對CO2轉(zhuǎn)化率的影響較大。

提高CO2轉(zhuǎn)化率途徑基本上有兩個：一是增加合成塔的物料停留時間，改善流動狀況，如增加塔板數(shù)，減少塔板間的壓力降等；二是降低物料的返混程度，如減少塔板與內(nèi)壁的環(huán)隙、改變塔板性能，以提高合成塔塔板的單位生產(chǎn)強(qiáng)度。

2 國內(nèi)部分廠家尿素裝置高效合成塔塔板應(yīng)用情況

2.1 錦西天然氣化工廠

該廠尿素合成塔更換了原有10塊塔板，并在底部增加5塊塔板，使塔底空間由15m下降至3.7m，減少了返混空間。同時，在新增塔板的下部增加60mm高的圍堰，以保證塔板下部氣相層穩(wěn)定，防止氣相走短路。改造后，CO2轉(zhuǎn)化率由61.42%提高到63.21%；汽提塔頂、底溫差加大，汽提效率有所提高；減少了中、低壓放空量，節(jié)省了蒸汽用量。

2.2 云南天然氣化肥廠

1994年尿素合成塔改造，采用了瑞士凱薩利公司的倒U型高效塔板。在合成塔底部更換了原有的3層塔板，并在合成塔的底部原有剩余空間內(nèi)加裝了3層塔板，使合成塔板的數(shù)目增加到11塊，其中新型塔板有6層。通過這些措施，使合成塔內(nèi)液相停留時間延長，氣液混合傳質(zhì)的效果提升明顯。改造后，CO2轉(zhuǎn)化率由原來的59%提高到61%，最高可達(dá)64%；汽提效率由原來的77.3%提高到80.5%；噸尿素蒸汽消耗較原來降低了130-140kg。經(jīng)過改造后的尿素合成系統(tǒng)，運(yùn)行狀況十分穩(wěn)定，消耗較原來降低。

2.3 大慶石化公司化肥廠

該廠采用的尿素合成塔塔板是由五環(huán)工程公司設(shè)計的新型塔板，如圖2所示。上升的液體沿槽向流經(jīng)上一個塔板，可將溝流降至最小程度。通過對塔板上氣液分布系統(tǒng)的改造，將使所有塔板間隔內(nèi)的攔截氣體與液體的高度在每一塔板的壓力降范圍內(nèi)基本平衡，將返混降至很低的程度。

經(jīng)考核，合成塔轉(zhuǎn)化率提高了1.78%，氣提效率提高了1.36%，噸尿素可降低蒸汽37kg消耗，生產(chǎn)負(fù)荷相應(yīng)得到提高，尾氣排放量也有所降低。

2.4 四川天華股份有限公司

該廠尿素合成塔采用的是由浙江工業(yè)大學(xué)研究開發(fā)的新型高效塔板，形狀呈倒V型，稱之為波浪型塔板，如圖3所示。該塔板開有兩種孔，平板處開的是大孔供液體流動，斜面上開的小孔是供氣體流動的通道。使氣液能夠有效分離，并獲得很好的再混合效果，增加氣液相的接觸面。

改造后，合成塔CO2轉(zhuǎn)化率由原來的59.16%提高到了61.60%。噸尿素蒸汽消耗在原有的基礎(chǔ)上降低了約69kg。裝置的生產(chǎn)能力最高可達(dá)109%，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的增產(chǎn)和節(jié)能。

3 富島一期尿素合成塔高效塔板應(yīng)用情況

富島一期尿素合成塔原設(shè)計和其他同類型廠的合成塔結(jié)構(gòu)基本相同，不同點(diǎn)在于合成塔的塔板數(shù)、塔板間距、開孔數(shù)以及系統(tǒng)工藝操作條件的控制。

2004年年底，富島一期尿素合成塔的塔板更新改造為卡薩利高效塔板，更換原有全部12塊塔板并利用下部空間增加了2塊塔板，共計14塊塔板。經(jīng)過對塔板應(yīng)用效果進(jìn)行監(jiān)測評價，CO2轉(zhuǎn)化率由改造前的57.53%提高到60.24%，增加了2.71%。應(yīng)用效果如表3所示。

4 結(jié)束語

通過應(yīng)用高效尿素合成塔塔板，提高了CO2轉(zhuǎn)化率，對尿素裝置生產(chǎn)能力的進(jìn)一步提高和蒸汽消耗的降低具有較明顯的效果，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡介：婁丹玲（1974-），女，海南?？谌?，職稱：工藝工程師，學(xué)歷：本科。