新疆乌鲁木齐市兖矿新疆煤化工有限公司 杨雪娇 刘瑞 樊会会 830000
摘要：随着我国经济的高速发展，我国各行各业也呈现出良好的发展趋势,本文结合化工总厂原尿素合成塔的设计和运行情况,对影响尿素合成塔CO2转化率的各种因素进行了全面分析,指出了原尿素合成塔的不足,为提高尿素合成塔CO2转化率进行装置改造指明方向,也为新装置设计提供借鉴。
关键词：尿素合成塔；优化
引言
近年来,我国正在建设一个资源节约型、环境友好型的和谐社会。作为化肥行业之一的尿素产业,改变高耗、高产、高排污之传统粗放型经济增长模式,达到自主创新、节能降耗、零排放之目标,实现又好又快地科学和谐发展,是尿素行业十一·五期间的主要任务
1尿素合成塔的结构与流程概述
气、液体从高压甲铵冷凝器出来后分别由底部气体进口和液体进口接管进入尿素合成塔（两根接管目的是为了减少制造的困难，也有工厂采用一根接管）。在合成塔底部的去高压喷射器将小部分甲铵与尿素混合输送到高压喷射器，再跟液氨一同进入到高压甲铵冷凝器，其目的是为了避免在生产不正常使高压喷射器抽吸尿素合成塔的混合液。物科进入塔底以后，从下往上依次通过合成塔内的筛板，反应后的溶液经过出料管从塔底流出，未反应的CO2、NH3和惰性气体从合成气出口流出到高压洗涤器。尿素合成塔为直立圆筒式设计，内部设有液位测量套管，塔壁上设有测量塔壁温度的温度计接口。尿素合成塔的主要组成部分包括：①筒体。包括内筒体和外筒体，外筒体直筒体与上、下封头焊接而成，直简体是用多层高强度、能承受高于的钢板卷焊而成的；内筒由满足一定厚度要求、在高温高压下可以耐腐蚀的的超低碳镍铬钼钢焊接而成。②筛板。物料从下往上依次通过数块筛板（如8个），避免出现已反应物料与未反应物料的“返混”。这些筛板的开孔数目是不一样的，这是因为CO2与NH3在从下往上流动的过程不断发生冷凝气体量逐渐减少，这样下部筛板比上部筛板开口多些可以保持气体通过筛孔的速度一致，筛板之间的气相层也有利于气体的充分混合。有研究表明，筛板可以缩短合成塔内物料反应平衡所需的时间。③仪表监控设备。在尿素合成塔上部配置了“γ”液位计可以控制尿素合成塔的液位。在合成前，将“γ”液位计装入套管内，外塔壁的探头获得信号后传递到控制室进行监控。操作温度测量主要包括塔外出料管上合成塔液体温度，出气管上合成气温度，以及塔壁温度。开工时的升温速率控制以塔壁为准。此外，在尿素合成塔出气管上还安装有测量合成气组分的工业色谱仪，每间隔一定时间可以测量出气体中的H2、N2、CO2、NH3、H2O等组分，以及NH3/CO2与H2O/CO2的数值。
2.尿素合成塔的优化
2.1选择最佳操作温度
最佳操作温度的求取可以按大土冢英二经验公式在一定的氨碳比、水碳比情况下,求转化率的极大值,得到最大转化率下的温度,这个温度就是最佳的操作温度。
2.2提高氨碳比
提高原料的氨碳比,可以提高尿素合成转化率。当有过剩氨存在时,还可以抑制某些副反应。氨碳比可以通过进料调节机构进行调节,但太多过剩氨必然会造成系统利用效率下降,能耗进一步升高,后续设备负荷增大,同时也将提高系统的平衡压力,因此实际操作时氨碳比也有一个合理的选择范围。一般选取在3.5左右。
2.3水碳比的优化
水碳比即原料中H2O和CO2的摩尔比，从尿素合成的化学平衡公式可看出，H2O增加，会对尿素的合成造成不利影响，H2O/CO2增大了会使降低尿素转化率。例如有实验表明，在一定温度、氨碳比条件下，H2O/CO2从0.3增大到0.5时，尿素平衡转化率将从73.27%降低到69.75%，而当H2O/CO2增大到0.7时，尿素平衡转化率将进一步降低到66.23%。优化措施：降低原料中的水碳比。一般通过控制低压甲铵液中H2O含量实现，例如增大系统压力，有利于甲铵的生成和减少CO2含量，并且通过综合控制低压系统、水解系统，大幅减少H2O返回到高压系统，从而降低系统的水碳比。
2.4传热与传质的优化
从前述尿素合成的两个化学反应可知，反应（1）合成甲铵是放热反应，反应（2）甲铵脱水生成尿素是吸热反应。因此，使反应（1）的热量加快散热速度，并对反应（2）进行加热，促进反应器的热量交换，有利于提高合成尿素的转化率。优化措施：增强设备的传热与传质。比如在合成塔下面增加塔板，根据气相介质的变化调整塔板的结构，塔板自下到上逐渐减小开孔率，促进气相和液相的充分混合，并加快热量的传递；根据物料在合成塔中的流动状态调整塔径方向性塔板开孔密度，使物料流经塔板以后沿塔径方向的速度分布更加一致。
2.5延长反应时间
实际介质在尿素合成塔里的停留时间按塔底物料流量(412m3/h)计算为21.8min,按塔顶物料流量(242m3/h)计算为37.19min,取塔顶和塔底介质流量的平均值(337m3/h)计算为:26.7min。按塔顶和塔底或塔底与塔顶的平均流量计算的反应时间都小于40min,因此设法延长物料的化学反应时间是提高尿素合成塔实际合成尿素转化率的有效手段。
2.6增强设备的传热与传质
原尿素合成塔介质流速较低,介质在容器内基本上是层流流动,气液两相的流动机构非常复杂,在介质向上流动过程中,由于存在流动速度梯度,气泡在黏性摩擦等因素的影响下,逐步向流道的中心部位移动,从而出现气泡的聚并,使流动状态由泡状流动转为弹状流动,进而转变为块状流动,致使气液两相的接触面积越来越小,造成气液相之间的传热与传质变得越来越差。在塔的下部流动状态逐步由泡状变为弹状,然后变为块状。而在塔的上部由于有塔板的影响,流动状态变得复杂化,气液两相之间的传热与传质得到一定的强化,但是由于塔板结构的设计方面存在的一些缺陷,原塔的10块塔板结构完全一样,随着介质向上的不断流动,气相部分越来越少,使得气液相在通过塔板后的混合越来越差,没有起到充分混合的作用。因此,有必要对塔板的结构和塔板的设置情况进行重新的考虑。为了加强物料通过塔板时的混合,防止物料返混,并使物料的流动速度在塔径方向的分布更加均匀,且一部分物料的流动方向不再是轴向流动,而是与轴向成一定的角度或垂直于轴向,从而达到使物料充分混合,流动速度在径向趋于一致,改善停留时间分布。能使物料产生一定径向流动的高效塔板:泡罩塔板、Casale—Dente塔板等。特别是Casale—Dente塔板有在化肥行业推广使用的趋势。
结语
尿素是工农业领域不容忽视的重要化学品，其用途十分广泛。尿素生产加工过程中，生产企业必须充分重视尿素合成塔设备的维护管理工作。对合成塔衬里发生腐蚀原因进行分析，制定采取有效的针对性措施和办法，尽可能延长设备的使用寿命，优化合成塔运行的工况，为尿素的生产安全、产品质量以及经济效益奠定良好的基础。
参考文献
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