新型高效尿素合成塔塔盘技术的应用实践

王卫峰 高明林 杨俊君(安徽昊源化工集团有限公司 安徽阜阳236023)(浙江工业大学化工设备有限公司 浙江杭州310014)

安徽昊源化工集团有限公司(以下简称昊源公司)现有4套尿素装置，其中2套水溶液全循环法尿素装置、2套CO2汽提法尿素装置(其尿素合成塔直径均为Φ2 680 mm)。3#尿素装置于2010年投入运行，尿素合成塔采用传统的多孔板塔盘， CO2转化率约为58%，吨尿素平均氨耗570 kg、吨尿素平均汽耗1 040 kg；4#尿素装置于2013年11月投产，尿素合成塔采用浙江工业大学新型高效波形塔盘，CO2转化率约为61%，吨尿素平均氨耗563 kg、吨尿素平均汽耗960 kg，其操作弹性明显高于3#尿素装置，节能效果显著。

1 尿素合成塔盘对提高CO2转化率的作用

传统尿素合成塔设计理论认为：NH3和CO2生成甲铵的反应是瞬时完成的，甲铵脱水生成尿素过程的反应较慢，之后保持合成塔内的物料停留时间只是为了使脱水反应进行到所需求的程度；塔盘的作用仅仅是为了防止物料的返混。

随着对尿素合成机理的进一步研究发现：虽然NH3和CO2生成甲铵的反应瞬时完成，甲铵脱水生成尿素过程的反应较慢；但并不是反应物一进入合成塔内，甲铵生成过程即告结束，之后维持合成塔内的物料停留时间只是为了使脱水反应进行到所需求的程度，人为地将合成塔分甲铵反应区和尿素反应区。尿素合成塔全过程实际包括以下步骤：①气相中CO2和NH3通过传质进入液相；②液相中CO2和NH3反应生成甲铵；③甲铵转化为尿素和水，反应产物(H2O)部分进入气相。在整个过程中，两相始终共存。虽然合成甲铵的反应是瞬时完成的，但气相CO2和NH3的传质并非即刻完成，而是随着液相反应的进行，不断地转入液相，并不断反应。因此，甲铵反应和尿素生成反应在合成塔内始终同时存在，塔盘的作用不只是为了防止物料的返混，另一重要作用是强化气液间传热与传质，提高反应效率。此点在以往的尿素合成塔内件设计中考虑得不充分，为进一步提高尿素合成效率，必须充分考虑防止物料返混和强化气液相间的传质。

与一般精馏塔相比，尿素合成塔的特点是反应物料气液并流，内设塔盘的合成塔可视为由多个串联的小室组成反应器，彼此之间用塔盘隔开，反应物自下而上通过。每个小室内都存在气液两相，气体以鼓泡形式穿过液层。气相通过挡板上的小孔进入上一级反应器，液相沿塔盘与塔壁之间的环隙进入上一层小室。塔盘在很大程度上阻止上一层小室的流体回流入下一层小室，故提高了反应转化率。塔盘越多，塔内的物料流动越接近于理想平推型流动。尿素合成塔内，气相以气泡形式分散在液相中，气泡在液相中的分散状况，如气泡大小、比表面大小、与液相的混合是否均匀等，直接关系到两相间的传热与传质的状况。气泡越小，比表面积越大、气相分散越均匀，越有利于气液两相间的传质和提高反应效率。

从表2数据可看出：因型煤制备过程中配入了烟煤和褐煤，挥发分提高、固定碳含量降低、硫含量升高，导致气化产生的半水煤气中甲烷和二氧化碳含量提高，产生的煤灰量和灰渣量增多。

2 新型高效波形塔盘工作原理

新型高效波形塔盘工作原理如图1所示。塔中上升的气、液两相在波形塔盘上进行气液分流，介质的液相从波谷开设的液相孔和环向间隙通过，介质的气相从波峰开设的气相孔以较高的速度射出， 进入上一层塔盘的液相中，强化了气液接触。介质通过塔盘时，气、液两相分道，流动稳定。这种结构产生的小气泡增大了比表面积，有利于提高传热和传质的效率。反应区内物料自下而上通过塔盘，使相邻的多个小反应室的物料避免因密度差而引起回流，从而提高了尿素的浓度梯度，减少了返混。该新型高效波形塔盘与卡萨利(Casale)倒U形塔板的结构类似，强化了气液间的传热和传质，气液混合效果更好，且制造相对容易，价格较低。

图1 新型高效波形塔盘工作原理

3 使用效果

昊源公司4#尿素装置合成塔采用11块新型高效波形塔盘，在相同条件下，合成塔压力和高压圈压力基本稳定在14.2 MPa左右，合成塔塔顶部温度为183 ℃，汽提塔出液温度为171 ℃，氨碳比为3.7，水碳比0.75。采用传统塔盘合成塔的3#尿素装置和采用新型波形塔盘合成塔的4#尿素装置7 d的生产运行数据对比见表1。

由表1生产运行数据对比表明：① 4#尿素装置的CO2平均转化率为61%左右，3#尿素装置的CO2平均转化率为58%左右，4#尿素装置比3#尿素装置的CO2转化率高3%。② 4#尿素装置的吨尿素平均蒸汽消耗为960 kg、吨尿素平均氨耗为563 kg；3#尿素装置的吨尿素平均蒸汽消耗为1 040 kg、吨尿素平均氨耗为570 kg；4#尿素装置比3#尿素装置吨尿素节省蒸汽80 kg，且氨耗也略低；按年产尿素400 kt计，年节约蒸汽32 kt。③ 4#尿素装置的操作弹性明显高于3#尿素装置。

表1 3#和4#尿素装置生产运行数据对比