新型高效尿素合成塔塔盤技術的應用實踐

王衛峰 高明林 楊俊君(安徽昊源化工集團有限公司 安徽阜陽236023)(浙江工業大學化工設備有限公司 浙江杭州310014)

安徽昊源化工集團有限公司(以下簡稱昊源公司)現有4套尿素裝置，其中2套水溶液全循環法尿素裝置、2套CO2汽提法尿素裝置(其尿素合成塔直徑均為Φ2 680 mm)。3#尿素裝置于2010年投入運行，尿素合成塔采用傳統的多孔板塔盤， CO2轉化率約為58%，噸尿素平均氨耗570 kg、噸尿素平均汽耗1 040 kg；4#尿素裝置于2013年11月投產，尿素合成塔采用浙江工業大學新型高效波形塔盤，CO2轉化率約為61%，噸尿素平均氨耗563 kg、噸尿素平均汽耗960 kg，其操作彈性明顯高于3#尿素裝置，節能效果顯著。

1 尿素合成塔盤對提高CO2轉化率的作用

傳統尿素合成塔設計理論認為：NH3和CO2生成甲銨的反應是瞬時完成的，甲銨脫水生成尿素過程的反應較慢，之后保持合成塔內的物料停留時間只是為了使脫水反應進行到所需求的程度；塔盤的作用僅僅是為了防止物料的返混。

隨著對尿素合成機理的進一步研究發現：雖然NH3和CO2生成甲銨的反應瞬時完成，甲銨脫水生成尿素過程的反應較慢；但并不是反應物一進入合成塔內，甲銨生成過程即告結束，之后維持合成塔內的物料停留時間只是為了使脫水反應進行到所需求的程度，人為地將合成塔分甲銨反應區和尿素反應區。尿素合成塔全過程實際包括以下步驟：①氣相中CO2和NH3通過傳質進入液相；②液相中CO2和NH3反應生成甲銨；③甲銨轉化為尿素和水，反應產物(H2O)部分進入氣相。在整個過程中，兩相始終共存。雖然合成甲銨的反應是瞬時完成的，但氣相CO2和NH3的傳質并非即刻完成，而是隨著液相反應的進行，不斷地轉入液相，并不斷反應。因此，甲銨反應和尿素生成反應在合成塔內始終同時存在，塔盤的作用不只是為了防止物料的返混，另一重要作用是強化氣液間傳熱與傳質，提高反應效率。此點在以往的尿素合成塔內件設計中考慮得不充分，為進一步提高尿素合成效率，必須充分考慮防止物料返混和強化氣液相間的傳質。

與一般精餾塔相比，尿素合成塔的特點是反應物料氣液并流，內設塔盤的合成塔可視為由多個串聯的小室組成反應器，彼此之間用塔盤隔開，反應物自下而上通過。每個小室內都存在氣液兩相，氣體以鼓泡形式穿過液層。氣相通過擋板上的小孔進入上一級反應器，液相沿塔盤與塔壁之間的環隙進入上一層小室。塔盤在很大程度上阻止上一層小室的流體回流入下一層小室，故提高了反應轉化率。塔盤越多，塔內的物料流動越接近于理想平推型流動。尿素合成塔內，氣相以氣泡形式分散在液相中，氣泡在液相中的分散狀況，如氣泡大小、比表面大小、與液相的混合是否均勻等，直接關系到兩相間的傳熱與傳質的狀況。氣泡越小，比表面積越大、氣相分散越均勻，越有利于氣液兩相間的傳質和提高反應效率。

從表2數據可看出：因型煤制備過程中配入了煙煤和褐煤，揮發分提高、固定碳含量降低、硫含量升高，導致氣化產生的半水煤氣中甲烷和二氧化碳含量提高，產生的煤灰量和灰渣量增多。

2 新型高效波形塔盤工作原理

新型高效波形塔盤工作原理如圖1所示。塔中上升的氣、液兩相在波形塔盤上進行氣液分流，介質的液相從波谷開設的液相孔和環向間隙通過，介質的氣相從波峰開設的氣相孔以較高的速度射出， 進入上一層塔盤的液相中，強化了氣液接觸。介質通過塔盤時，氣、液兩相分道，流動穩定。這種結構產生的小氣泡增大了比表面積，有利于提高傳熱和傳質的效率。反應區內物料自下而上通過塔盤，使相鄰的多個小反應室的物料避免因密度差而引起回流，從而提高了尿素的濃度梯度，減少了返混。該新型高效波形塔盤與卡薩利(Casale)倒U形塔板的結構類似，強化了氣液間的傳熱和傳質，氣液混合效果更好，且制造相對容易，價格較低。

圖1 新型高效波形塔盤工作原理

3 使用效果

昊源公司4#尿素裝置合成塔采用11塊新型高效波形塔盤，在相同條件下，合成塔壓力和高壓圈壓力基本穩定在14.2 MPa左右，合成塔塔頂部溫度為183 ℃，汽提塔出液溫度為171 ℃，氨碳比為3.7，水碳比0.75。采用傳統塔盤合成塔的3#尿素裝置和采用新型波形塔盤合成塔的4#尿素裝置7 d的生產運行數據對比見表1。

由表1生產運行數據對比表明：① 4#尿素裝置的CO2平均轉化率為61%左右，3#尿素裝置的CO2平均轉化率為58%左右，4#尿素裝置比3#尿素裝置的CO2轉化率高3%。② 4#尿素裝置的噸尿素平均蒸汽消耗為960 kg、噸尿素平均氨耗為563 kg；3#尿素裝置的噸尿素平均蒸汽消耗為1 040 kg、噸尿素平均氨耗為570 kg；4#尿素裝置比3#尿素裝置噸尿素節省蒸汽80 kg，且氨耗也略低；按年產尿素400 kt計，年節約蒸汽32 kt。③ 4#尿素裝置的操作彈性明顯高于3#尿素裝置。

表1 3#和4#尿素裝置生產運行數據對比