尿素合成塔的優(yōu)化研究

苑媛媛 焦金華 山東華魯恒升化工股份有限公司

一、尿素合成塔結(jié)構(gòu)及功能

（一）尿素合成塔

尿素裝置主要設(shè)備之一是尿素合成塔。在尿素合成過(guò)程中其最重要的功能是對(duì)甲銨進(jìn)行脫水。因?yàn)榧卒@脫水反應(yīng)的速度比不上CO2與氨冷凝成甲銨的速度，所以為了讓尿素合成反應(yīng)更加完全，與平衡時(shí)CO2的轉(zhuǎn)化率更為接近，需要物料在合成塔中具備足夠的反應(yīng)停留時(shí)間。因此，尿素合成塔的容積設(shè)計(jì)依據(jù)就是物料在裝置中的停留時(shí)間。

（二）尿素合成塔的結(jié)構(gòu)與流程概述

氣、液體從高壓甲銨冷凝器出來(lái)后分別由底部氣體進(jìn)口和液體進(jìn)口接管進(jìn)入尿素合成塔。在合成塔底部的去高壓噴射器將小部分甲銨與尿素混合輸送到高壓噴射器，再跟液氨一同進(jìn)入到高壓甲銨冷凝器，其目的是為了避免在生產(chǎn)不正常使高壓噴射器抽吸尿素合成塔的混合液。物科進(jìn)入塔底以后，從下往上依次通過(guò)合成塔內(nèi)的篩板，反應(yīng)后的溶液經(jīng)過(guò)出料管從塔底流出，未反應(yīng)的CO2、NH3和惰性氣體從合成氣出口流出到高壓洗滌器。尿素合成塔的設(shè)計(jì)是直立圓筒狀，里面設(shè)有液位測(cè)量套管，塔壁上設(shè)有測(cè)量塔壁溫度的溫度計(jì)接口。尿素合成塔的主要組成部分包括筒體、篩板和儀表監(jiān)控設(shè)備[1]。

二、CO2 汽提法合成尿素的步驟

二氧化碳汽提法的合成尿素過(guò)程可以簡(jiǎn)要地概況為4 個(gè)環(huán)節(jié)：原料二氧化碳的壓縮以及液氨的加壓；在合成塔中合成尿素并且在高壓條件下運(yùn)用二氧化碳汽提合成反應(yīng)液，把反應(yīng)液里還沒(méi)有反應(yīng)的二氧化碳大量汽提出來(lái)，它們重新回到尿素合成塔進(jìn)行循環(huán)利用；溶液經(jīng)過(guò)汽提后，把壓力調(diào)低并且加熱，進(jìn)一步地對(duì)還沒(méi)有反應(yīng)的二氧化碳和氨進(jìn)行回收，回收液被冷凝吸收后返回到尿素合成塔，這個(gè)回收過(guò)程也叫作循環(huán)過(guò)程；尿素溶液的蒸發(fā)和造粒[2]。

三、影響尿素合成塔CO2 轉(zhuǎn)化率的因素及其優(yōu)化措施

（一）溫度的優(yōu)化

有研究表明，尿素合成效率剛開(kāi)始隨溫度升高而呈正比例增長(zhǎng)，但到達(dá)某個(gè)溫度之后（通常在200℃左右）又會(huì)出現(xiàn)下降趨勢(shì)。從CO2汽提法提煉尿素的工藝中合成塔內(nèi)產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)來(lái)看，包含液氨和二氧化碳反應(yīng)生成甲銨，甲銨再脫水生成尿素和水兩個(gè)過(guò)程：

其中：（1）是放熱反應(yīng)，（2）是吸熱反應(yīng)，由于甲銨生成尿素的反應(yīng)（2）為吸熱反應(yīng)，因而尿素合成效率剛開(kāi)始隨著溫度的升高而增大；然而當(dāng)溫度升高到一定程度以后甲銨向左平衡轉(zhuǎn)移變?yōu)镹H3與CO2轉(zhuǎn)化率慢慢接近甲銨脫水生成尿素的速度。因此，在一定的NH3/CO2、H2O/CO2條件下存在一個(gè)最大轉(zhuǎn)化率的最佳溫度。優(yōu)化措施：在最佳溫度條件下進(jìn)行操作。通過(guò)在一定的 NH3/CO2、H2O/CO2條條件下求最大轉(zhuǎn)化率，得到轉(zhuǎn)化率最大時(shí)候的溫度即為最佳的合成操作溫度。

（二）氨碳比的優(yōu)化

氨碳比就是物料中NH3與CO2的摩爾比，從化學(xué)平衡移動(dòng)原理中可知，反應(yīng)物料中氨濃度的增大，會(huì)促進(jìn)二氧化碳往生產(chǎn)尿素的方向發(fā)展，即提高尿素平衡轉(zhuǎn)化率。實(shí)驗(yàn)表明，在一定的氣壓和溫度、水碳比條件下，氨碳比從3.70 增大到4.22 時(shí)，尿素平衡轉(zhuǎn)化率從64.4%增大到67.2%，當(dāng)氨碳比增大到4.51 時(shí)，尿素平衡轉(zhuǎn)化率則進(jìn)一步增大到68.6%。優(yōu)化措施：提高合成尿素物料的氨碳比。氨碳比的提高（或降低）可利用進(jìn)料調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)，然而物料中NH3也不是越多越好，會(huì)過(guò)多會(huì)降低系統(tǒng)利用效率，增大能耗和設(shè)備負(fù)荷，一般比較理想的氨碳比約為3.5[3]。

（三）水碳比的優(yōu)化

水碳比即原料中H2O 和CO2的摩爾比，從尿素合成的化學(xué)平衡公式可看出，H2O 增加，會(huì)對(duì)尿素的合成造成不利影響，H2O/CO2增大了會(huì)使降低尿素轉(zhuǎn)化率。例如有實(shí)驗(yàn)表明，在一定溫度、氨碳比條件下，H2O/CO2從0.3 增大到0.5 時(shí)，尿素平衡轉(zhuǎn)化率將從73.27%降低到69.75%，而當(dāng)H2O/CO2增大到0.7 時(shí)，尿素平衡轉(zhuǎn)化率將進(jìn)一步降低到66.23%。優(yōu)化措施：降低原料中的水碳比。一般通過(guò)控制低壓甲銨液中H2O 含量實(shí)現(xiàn)，例如增大系統(tǒng)壓力，有利于甲銨的生成和減少CO2含量，并且通過(guò)綜合控制低壓系統(tǒng)、水解系統(tǒng)，大幅減少H2O返回到高壓系統(tǒng)，從而降低系統(tǒng)的水碳比。

（四）傳熱與傳質(zhì)的優(yōu)化

從前述尿素合成的兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)可知，反應(yīng)（1）合成甲銨是放熱反應(yīng)，反應(yīng)（2）甲銨脫水生成尿素為吸熱反應(yīng)。因此，使反應(yīng)（1）的熱量加快散熱速度，并對(duì)反應(yīng)（2）進(jìn)行加熱，促進(jìn)反應(yīng)器的熱量交換，有利于提高合成尿素的轉(zhuǎn)化率。優(yōu)化措施：加強(qiáng)設(shè)備的傳熱與傳質(zhì)。比如在合成塔下面增加塔板，根據(jù)氣相介質(zhì)的改變對(duì)塔板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新組織，塔板自下到上逐漸減小開(kāi)孔率，促進(jìn)氣相和液相的充分混合，并加快熱量的傳遞；按照物料在合成塔中的流動(dòng)情況調(diào)整塔徑方向性塔板開(kāi)孔密度，使物料流經(jīng)塔板以后順著塔徑方位的速度散布愈加規(guī)律[4]。

（五）化學(xué)反應(yīng)停留時(shí)間的優(yōu)化

科學(xué)安排化學(xué)反應(yīng)的停留時(shí)間，以促進(jìn)物料在塔內(nèi)的停留時(shí)間更加一致，降低物料的返混。因此，在塔板的設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮物料在塔中的流動(dòng)狀態(tài)，使物料在流經(jīng)塔板以后沿塔徑方向的速度分布愈加規(guī)律。

四、結(jié)語(yǔ)

尿素可以制成多種復(fù)合肥料，在工業(yè)上也有廣泛的用途，還可以作為醫(yī)藥、農(nóng)藥、香料等中間體的原料。因此，尿素既是高效氮肥、復(fù)合肥的重要組分，也是各種工業(yè)生產(chǎn)的重要原料。