400t/d尿素装置技改总结

陆瑞平

(云南红河锦东化工有限责任公司云南红河652302)

400t/d尿素装置技改总结

陆瑞平

(云南红河锦东化工有限责任公司云南红河652302)

1 改造前尿素装置存在的问题

云南红河锦东化工有限责任公司(以下简称锦东公司)现年生产合成氨90kt、尿素130kt、甲醇10kt及食品级二氧化碳等产品。尿素装置原设计能力为60kt，经扩能改造后，日产尿素平均在310t左右，最高日产已达350t;但当日产量达350t尿素时，合成塔CO2转化率由65%下降至62%，预蒸馏塔传质、传热效果不佳，加热器温度提不起来，中压分解压力高达2.0MPa，一吸塔超负荷运行，蒸发过料不畅，产品质量很难保障，吨尿素氨耗均在590kg以上、蒸汽消耗在1.48t以上，产量也很难再提高。随着合成氨装置的扩能改造，有一部分合成氨需转化为尿素。鉴于尿素装置存在问题，不能消化合成氨装置多产的氨，经多方考察后，委托宁波远东化工科技有限公司在此装置的基础上，实施全方位技术改造，使尿素日产能达400t以上。

2 技术改造方案的实施

2.1 合成部分

锦东公司原有装置设1台尿素合成塔，容积为23m3，当日产尿素达350t时，CO2转化率由65%下降至62%，中压系统很难操作，消耗也高。尿素合成塔的生产强度以10～12t/(m3·d)为最佳，但随着产量的提高，CO2转化率随之下降。影响CO2转化率下降的原因:①尿素合成塔设计的生产强度在10t/(m3·d)时，尿素合成塔底部流速较快、塔顶流速较慢，随着生产强度的提高，塔径比又大，使返混现象加重，且传统塔盘在返混区的布置又不合理，更难以解决返混问题;②尿素合成塔底部通入CO2气体，体积大，塔顶生成尿素的密度加大，塔底的尿素密度为675kg/m3，而塔顶密度高达1100kg/m3，相差近1倍，重的物料往下沉，与尿素流向相反，大大加剧了返混;③尿液在尿素合成塔内流动，因塔壁阻力大，越靠近塔壁流速越慢，越在中心位置流速越快，此塔壁效应与前2项原因叠加会产生物料轴向的、从中心向塔壁流动的环流现象，使部分物料在塔内循环而损失有效容积，因而转化率下降。

在尿素合成塔中，从下往上分为甲铵区和尿素生成区。甲铵区属于快速反应区，仅占塔高的1/5左右，一般采用旋流板利用塔底进料及CO2气体的作用使物料旋转，促进其充分混合均匀;尿素生成区要求物料不返混，呈活塞状流动，该区是影响转化率的关键，原设计的多孔板塔板从结构及间距均不能解决返混的问题。此次改造锦东公司采用了宁波远东化工科技有限公司的球帽型塔盘。该塔盘设计独特，开孔孔径从中心往边缘逐渐加大，补偿了流体往塔壁方向阻力加大的不利因素，抑制了环流现象，增加了有效空间。在塔盘的布置上，根据不同的塔型，采用不同的布置方案，提高了CO2转化率。在操作上，针对不同的塔型和塔体，根据不同的停留时间，通过摸索，制定出了适合该塔的最佳操作工艺条件，对尿素合成塔的温度进行控制，确保尿素合成塔有较高的CO2转化率。

2.2 中压分解吸收

2.2.1 增加1台Φ1400mm预分离器

在尿素合成塔的出口增设1台Φ1400mm预分离器，其目的是使50%以上的氨分离出来，减轻了预蒸馏塔和一分加热器的负荷，从而降低了蒸汽消耗(吨尿素节约蒸汽约80kg)。但有些装置增设该设备后出现液泛现象，大量尿素从预分离器被带到一吸塔，给一吸塔操作带来很大困难，致使预分离器气相出口阀不能开大或者根本不能开启，起不到该设备应有的作用。经调整设备布置和位差，并改进设备内部结构，充分发挥了预分离器的分离效果。

2.2.2 预蒸馏塔由泡罩塔板改为高效DL塔板

预蒸馏塔原设计为Φ1100mm泡罩塔，当生产负荷达日产尿素350t时，由于气体流速加快，泡罩塔的缺点明显表现出来，即一甲液中的尿素质量分数高达5%左右，一吸塔不易操作，且一分液中NH3质量分数高达10%～12%、CO2质量分数达3%～5%，甲铵分解及总氨蒸出效果不佳，给二段分解加重了负担。而泡罩塔在负荷较低的情况下，操作比较平稳;在高负荷时，由于气速高易造成液沫夹带(即液泛现象)，泡罩塔的稳定性较差，分解效果不好。鉴于上述情况，为了提高装置的生产能力，决定将泡罩塔改为高效DL塔板塔。高效DL塔板是锦东公司根据尿素扩建改造的需要、自行研制开发的专利产品，具有通气量大、吸收分解效果好等特点，在尿素生产中得到了广泛应用。其气体分解原理为分3次对液体进行分解:第1次分解是液体从中心管的小孔处下来与上升的气体进行接触，形成一种气膜，从而完成第1次分解;第2次分解是上升气体中夹带的一部分液体上升至泡罩的顶部，然后折回被破碎，完成第2次分解;第3次分解是气体从罩帽中水平喷出，与塔板上液体进行气液接触，传质、传热后完成第3次分解。该塔板经很多企业使用后证明:Φ1000mm预蒸馏塔可通过日产350～400t尿素的物料量，Φ1100mm预蒸馏塔可通过日产400～450t尿素的物料量，Φ1200mm预蒸馏塔可通过日产550～600t尿素的物料量，Φ1400mm预蒸馏塔可通过日产700～800t尿素的物料量。

2.2.3 一吸塔改造

因塔径偏小，装置原Φ1100mm一吸塔线速度太高，不能适应生产的需要，容易造成汽液上窜和一吸塔液位波动，必须对塔的下部进行变径。将鼓泡段由Φ1100mm变径为Φ1400mm，进口管管径和下液管口也要作适当变动，并增加鼓泡段分布器，塔内增加4层DL-1型塔板，确保一吸塔能够满足生产的需要。

2.2.4 改变脱盐水流程

改变脱盐水流程，使所有脱盐水的流量首先进入第1外冷器，然后进入第2外冷器，并将1台板式脱盐水冷却器和1台列管式脱盐水冷却器分别与2台外冷器配套使用。由于出预蒸馏塔气体和二甲液混合产生的甲铵热和溶解热，基本上分3处移走:①一段蒸发器的热利用段;②一吸外冷器;③鼓泡段和回流氨;正常生产时，热量分配比例为2∶6∶2。从上述热平衡分配看，重点在一吸外冷器，而且在尿素装置开车初期，蒸发系统未开车或蒸发系统短停时，其热负荷需全部后移，主要由一吸外冷器承担，因此，一吸外冷器除了要承担正常生产的热负荷外，还得有适应非正常生产时负荷的波动和生产的加载能力。为了充分发挥一吸外冷器的作用、最大可能降低进入第1外冷器水温(不得低于70℃);控制第2外冷器的水温用于调节进一吸塔气液混合物的温度。操作方法为循环水采用大流量、小温差，以便更稳定地控制一吸塔底部温度。换热器的冷却水可采用二循一冷冷却后的水循环使用，以节约循环水用量;降低进入一吸外冷器的水温，调节入一吸塔气液混合物的温度，换热后的热水再送往外工段。如外工段不需要热水，则可进行系统内闭路循环，确保进一吸塔气液混合物的温度，从而控制好一吸塔的出气温度和一甲液的温度。

2.2.5 增加1台热水循环水泵

增加1台200m3/h的热水循环水泵，使一吸塔系统的脱盐水实现闭路循环使用;外工段需要热水时，既可外送，也可本系统内循环，使一吸塔操作比较稳定。

2.2.6 加大中压系统中的部分管道和增加二甲液预热器

加大中压系统中的部分管道，降低中压系统内的阻力。中压分解压力在1.7MPa时，甲铵分解率应＞89%，总氨蒸出率应＞90%，即一段分解塔出口尿液中NH3和CO2质量分数分别为7.5%和3.0%。据理论计算，当分解温度在同一个相等的值时，中压分解压力每上升0.1MPa，分解效率将下降5%，一、二段分解蒸汽消耗将上升50～70kg。技改前，中压分解压力在2.00MPa;技改后，下降至1.75MPa，蒸汽消耗大幅下降。

增加二甲液预热器，充分回收系统内的热量，用于加热尿液，从而降低蒸汽消耗。

2.3 低压分解、吸收

(1)原有1台Φ800mm/Φ600mm二分塔，加热器面积只有56m2，不能满足日产400t的生产需要。此次技改将二段分解加热器面积扩大至84m2;分离段加长1m，并装填填料，填料层高度为2000mm，填料上面采用槽盘式分布器与翅式分布器相结合形式，满足了生产的需要。

(2)原有1台220m2二循一冷，随产量的提高，二循一冷的能力明显不够。此次技改将系统内退役下来的设备通过改造后设置在二循一冷之前，以降低进入二循一冷气液混合物的温度，作为二循一冷预冷器使用，使用效果很好。

(3)原有1台50m2二循二冷，将原退役下来的换热面积为56m2的二分加热器经过改造后加装在二循二冷器之前，作为二循二冷预冷器，使用效果很好。

2.4 闪蒸与蒸发

(1)加大热能回收段，解决一段分解系统压力偏高的问题，并充分回收系统内的热量;将一段蒸发加热器更换为F=30m2，以满足日产400t的需要。

(2)装置原有的闪蒸分离器偏小，为了确保产品质量，充分回收热量，增加闪蒸分离器、闪蒸加热器及闪蒸热能回收段、闪蒸冷凝器，并适当调整各设备之间的位差，充分利用回收系统内热量，用于加热尿液，达到节约蒸汽的目的。

(3)二段蒸发分离器改造为分体式结构，解决分离效果不好的问题，二段蒸发加热器换热管材质由316L改为TA2，延长其使用寿命。

(4)加大蒸发系统的部分管道，满足日产400t尿素的需要。

3 效益分析

此次尿素装置技改投资(包括设备、阀门、管道、仪表、土建、安装等)共计350万元。改造工作于2006年9月开始，10月上旬一次开车成功，经过了几个月的运行，改造效益比较明显。改造前，日产尿素一般为310t左右，吨尿素氨耗在590kg以上、汽耗1.48t以上;改造后，最高日产尿素430t，一般维持在410～420t，吨尿素氨耗585kg、汽耗1.10t。按增产尿素100t/d、尿素利润200元/d、年生产天数330d计，则年增产尿素效益约660万元;吨尿素氨耗下降5kg、汽耗下降380kg，按年生产130kt尿素、液氨2000元/t、蒸汽70元/t计，年节省费用475万元。技改后，年增加效益为1135万元，不到半年即可收回全部投资，经济效益显著。

2014-04-04)