利用高效合成塔塔板提高CO2转化率

摘 要：文章探讨了尿素合成塔内部气液相的流动状态，分析利用尿素装置高效合成塔塔板提高CO2转化率。希望可以为相关的工作人员提供帮助与参考。

关键词：合成塔；塔板；CO2转化率

中海石油化学股份有限公司富岛一期尿素装置投产于1996年，采用斯那姆氨汽提和海德鲁流化床造粒工艺，该装置技术先进可靠和操作弹性大。尿素合成塔是尿素装置的关键设备，原设计采用普通筛板塔板。经过多年运行，在2002年大修中发现合成塔塔板和内件减薄较严重。2004年，为适用富岛一期合成氨装置扩产改造要求，尿素合成塔的塔板全部更换为卡萨利高效塔板，并利用合成塔下塔空间增加了两块塔板，经过多年的实际运行，合成塔的工艺参数正常，生产能力得到进一步提高。

1 合成塔内部气液相流动状态

传统尿素合成塔是一个直立圆筒型的高压容器。塔内安装有一定数量的筛板。塔的下部有两个进料管，一个是CO2气体进口，一个是液氨进口。物料在高温高压下进行混合并反应生成尿素，未反应的气相通过筛板上的小孔至上一层塔板，液相经筛板与内筒壁之间的环形通路升至上一层塔板，继续与气相混合反应。在合成塔的最上部，反应生成的尿素浓度最大，并与其他未反应物和水通过中心溢流管进入汽提塔。物料返混是降低CO2转化率的一个重要因素。在尿素合成塔中安装筛板的目的就是防止物料返混。要完全避免物料返混是几乎不可能的。要提高CO2转化率，就要充分利用合成塔的有效反应空间，控制物料返混。

斯塔米卡邦公司在对传统筛板塔板的模拟实验中发现：常规设计的筛板合成塔内，所有液体通过合成塔和塔板之间的环缝隙，部分液体将形成沟流而直接升至上一格内，以致该股液体在合成塔内的停留时间减少，而部分液体亦可经塔板漏回到下一格内，从而形成了返混。这样，使得高浓度的尿素进入低浓度尿素的区域内，如图1所示。根据反应动力学，增加生成物的浓度，会抑制化学反应的速度，最终导致合成转化率的降低。

另外，在合成塔传统筛板中的气相流动是脉动流状态。即气体在每一块塔板下聚集，形成很大的气相层后，气体才突然通过塔板。因此导致气相停留时间过长，液相停留时间相对较短，气液接触面大大减小。其次，由于密度差产生的涡流不能达到塔内气泡群中心，涡流内部的速度很慢，涡流越大，低速区也越大，导致混合效果差。生成尿素的平衡转化率与时间的对应关系如表1所示。可以看出，尿素合成反应最少需要40-50min才能接近平衡。反应时间不够，则转化率明显下降。在实际生产中，由于物料在反应器内达不到理论的停留时间，而且反应器内气液相也不是均匀地通过每一块筛板，导致气液的传质效果达不到最佳状态，对CO2转化率的影响较大。

提高CO2转化率途径基本上有两个：一是增加合成塔的物料停留时间，改善流动状况，如增加塔板数，减少塔板间的压力降等；二是降低物料的返混程度，如减少塔板与内壁的环隙、改变塔板性能，以提高合成塔塔板的单位生产强度。

2 国内部分厂家尿素装置高效合成塔塔板应用情况

2.1 锦西天然气化工厂

该厂尿素合成塔更换了原有10块塔板，并在底部增加5块塔板，使塔底空间由15m下降至3.7m，减少了返混空间。同时，在新增塔板的下部增加60mm高的围堰，以保证塔板下部气相层稳定，防止气相走短路。改造后，CO2转化率由61.42%提高到63.21%；汽提塔顶、底温差加大，汽提效率有所提高；减少了中、低压放空量，节省了蒸汽用量。

2.2 云南天然气化肥厂

1994年尿素合成塔改造，采用了瑞士凯萨利公司的倒U型高效塔板。在合成塔底部更换了原有的3层塔板，并在合成塔的底部原有剩余空间内加装了3层塔板，使合成塔板的数目增加到11块，其中新型塔板有6层。通过这些措施，使合成塔内液相停留时间延长，气液混合传质的效果提升明显。改造后，CO2转化率由原来的59%提高到61%，最高可达64%；汽提效率由原来的77.3%提高到80.5%；吨尿素蒸汽消耗较原来降低了130-140kg。经过改造后的尿素合成系统，运行状況十分稳定，消耗较原来降低。

2.3 大庆石化公司化肥厂

该厂采用的尿素合成塔塔板是由五环工程公司设计的新型塔板，如图2所示。上升的液体沿槽向流经上一个塔板，可将沟流降至最小程度。通过对塔板上气液分布系统的改造，将使所有塔板间隔内的拦截气体与液体的高度在每一塔板的压力降范围内基本平衡，将返混降至很低的程度。

经考核，合成塔转化率提高了1.78%，气提效率提高了1.36%，吨尿素可降低蒸汽37kg消耗，生产负荷相应得到提高，尾气排放量也有所降低。

2.4 四川天华股份有限公司

该厂尿素合成塔采用的是由浙江工业大学研究开发的新型高效塔板，形状呈倒V型，称之为波浪型塔板，如图3所示。该塔板开有两种孔，平板处开的是大孔供液体流动，斜面上开的小孔是供气体流动的通道。使气液能够有效分离，并获得很好的再混合效果，增加气液相的接触面。

改造后，合成塔CO2转化率由原来的59.16%提高到了61.60%。吨尿素蒸汽消耗在原有的基础上降低了约69kg。装置的生产能力最高可达109%，实现了系统的增产和节能。

3 富岛一期尿素合成塔高效塔板应用情况

富岛一期尿素合成塔原设计和其他同类型厂的合成塔结构基本相同，不同点在于合成塔的塔板数、塔板间距、开孔数以及系统工艺操作条件的控制。

2004年年底，富岛一期尿素合成塔的塔板更新改造为卡萨利高效塔板，更换原有全部12块塔板并利用下部空间增加了2块塔板，共计14块塔板。经过对塔板应用效果进行监测评价，CO2转化率由改造前的57.53%提高到60.24%，增加了2.71%。应用效果如表3所示。

4 结束语

通过应用高效尿素合成塔塔板，提高了CO2转化率，对尿素装置生产能力的进一步提高和蒸汽消耗的降低具有较明显的效果，取得了较好的经济效益。

参考文献

[1]中国寰球化学工程公司.氮肥工艺设计手册—尿素[M].北京：化学工业出版社，1988.

[2]袁一.化肥工学丛书—尿素[M].北京：化学工业出版社，1997.

[3]计建炳，谭天恩.我国塔器技术的进展[J].化工进展，2000，6：51-57；2001，1：43-47.

作者简介：娄丹玲（1974-），女，海南海口人，职称：工艺工程师，学历：本科。