尿素合成塔塔盤改造總結

孫曉明，劉金星

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750021）

尿素的合成分兩步進行。原料NH3和CO2冷凝反應生成甲銨為第一步；而更重要的一步是甲銨脫水生成尿素。尿素合成塔就是實現這一步的設備。一化尿素裝置尿素合成塔（201-D）是一個直立圓筒式反應容器，高約36 m，筒體內徑2 800 mm，從圓筒底部7 m以上高度起，裝有8塊多孔篩板塔盤。裝置自1988年8月投產以來連續運行25年，期間尿素合成塔未做任何改造，各項工藝技術指標良好，CO2轉化率達59%~60%。但是隨著運行周期的延長，塔盤正常性減薄，必須更新。2013年11月裝置大修期間對尿素合成塔塔盤進行了更新改造：將原來的8塊多孔篩板塔盤更換為大連松海石化檢修工程有限公司設計制造的“高效徑流式塔盤”，并且在塔的底部空間內再增加兩塊，塔盤數量由原來的8塊增加到10塊。

1 改造前后對比

1.1 塔盤結構比較

NH3和CO2在高壓甲銨冷凝器202C中反應生成甲銨，甲銨液以及部分未反應的氣相，從合成塔底部進入，向上依次通過每層塔盤，完成甲銨脫水生成尿素的反應；塔盤將反應空間隔成幾個相對獨立的反應室，每個反應室中的氣液流向一致。舊塔盤（見圖1a），每一塊塔板上開有不同數量的小孔，塔盤與筒體之間留有環隙，反應物料自下而上的過程中，絕大部分氣體從液相鼓泡通過，經篩板小孔進入上一層反應室，而液體沿環隙進入上一層塔盤（見圖2a）。由于液體重力、氣流速度等原因，上一層反應室的少量液體會下落形成“返混”，不利于尿素生成反應的進行。因此如能有效減少甚至避免物料返混，則對提高合成轉化率大為有利。新徑流式塔盤即是為解決這一問題而進行的創新結構設計（見圖1b），整塊塔盤主要由水平無孔塔板、“n”型凸起兩部分組成，塔盤與筒體間無環隙。氣體和液體兩相混合物在相鄰兩塊塔板之間平行同方向流動；氣體走凸起通道，液體走弓形缺口通道進入上一層塔盤（見圖2b）。

圖1 新舊塔盤實物圖

圖2 新舊塔盤氣液流向比較

1.2 運行數據對比

2013年12月20日裝置大修后開車，運行至今已有90 d，裝置負荷經歷了70%~100%，塔盤改造后和歷史數據對比（見表1~表5）。

（1）正常生產期間，不同負荷下轉化率比歷史水平低0.5%~1%。

表1 75%負荷對比

表2 80%負荷對比

表2 80%負荷對比（續表）

表3 89%負荷對比

表4 100%負荷對比

表4 100%負荷對比（續表）

表5 改造前后塔溫對比

（2）塔壁溫度的變化：改造前后，塔中部溫度基本未變，而塔的中上部溫度下降約2.5℃，塔下部溫度下降約3.5℃；合成塔返料溫度下降約3℃；表明合成塔不同橫截面間的溫度差增大，物料均勻性下降。

1.3 工藝操作對比

1.3.1 100℃以下升溫鈍化溫差難控制 塔盤改造后，采用“空氣+蒸汽”升溫鈍化，在100℃以下很難控制合成塔上下筒體溫差。老塔盤為多孔篩板，升溫鈍化時合成塔上下同時進汽，塔底蒸汽向上運動的過程中有一部分發生了冷凝，另一部分未冷凝的蒸汽可迅速穿過塔盤小孔繼續上行，上下筒體的溫度差可以通過控制塔底、塔頂的進汽流量來控制。而新塔盤的結構形式不同，塔底蒸汽不能直接沿垂直方向向上運動，而是折流后沿水平方向流動、再進入上一層空間，冷態時，蒸汽在塔的下部即全部冷凝，中上部幾乎沒有蒸汽通過，導致塔下部溫度上漲迅速而中上部溫度幾乎不漲，溫差過大，對設備非常不利。

1.3.2 高壓系統操作彈性減小

（1）塔盤改造后合成轉化率時高時低；物料配比（包括低壓返回甲銨液量）的變化、加減負荷、高壓甲銨冷凝器殼側蒸汽壓力的波動等等，對高壓工況的影響程度放大，容易發生波動，操作彈性明顯減小。比如2013年12月29日因合成塔一臺安全閥故障，處理期間為降低高壓系統壓力而降低了高壓甲銨冷凝器殼側蒸汽壓力，合成塔頂溫度TI002/1降至181.0℃左右運行3 h后高壓工況惡化，高壓系統壓力迅速上漲；2014年1月21日因高壓配氨量偏低致高壓系統工況惡化；2月7日因處理蒸發一段加熱器蒸汽閥PV401的定位器，低壓蒸汽壓力較大幅度波動約40 min，結果合成塔出口尿素降至24.72%，轉化率低至51.74%；2月11日系統降負荷3 000 m3/h，合成塔出口尿素降至26.52%，轉化率低至54.92%；2月12日系統加負荷3 000 m3/h，合成塔出口尿素降至26.76%，轉化率低至53.85%。

（2）由于在合成塔內反應不充分，高壓洗滌器203C負荷增加，高壓調溫水溫差由原來的13.5℃上升至17℃左右，最高達到20℃。轉化率的下降、尿液濃度的降低，以及高壓洗滌器冷凝量的增加，必然加大氣提塔的負荷，整個高壓圈內部循環量增大。

（3）轉化率的下降導致了后工序一系列問題，如低壓系統負荷大易超壓、氨水槽濃度高、解吸負荷高易超壓等。

2 改造效果評價及問題討論

（1）合成塔塔盤改造后，轉化率下降，汽耗上升，操作彈性減小，表明此項改造效果不佳。

（2）如前所述，100℃以下“空氣+蒸汽”升溫鈍化溫差控制困難的原因在于塔盤結構形式決定了冷態時進入合成塔的蒸汽在塔下部即全部冷凝，因此只有不凝性氣體才能克服這一問題。這就要求在升溫鈍化初期就要加入大量空氣作為不凝性氣體，但由于固有條件的限制，升溫鈍化空氣最大量僅500 m3/h，因此，升溫鈍化從冷態到100℃以上將是一個十分漫長的過程，比原來約延長10 h左右。

（3）尿素合成塔中甲銨脫水生成尿素的反應進行的很慢。合成塔橫截面上混合物（包括反應物及生成物）的濃度、密度、溫度、速度的均勻性是影響轉化率的最主要因素[1]。這既是合成塔為什么要設置塔內件（塔盤）的原因，也是設計開發各種類型塔盤的研究內容。因此，加強合成塔內氣、液相的充分均勻混合程度，是提高合成塔效率的關鍵。如圖 1（a）、圖 2（a）所示，舊的多孔篩板塔盤雖然存在著一定程度的物料返混現象，對尿素生成反應不利，但氣相穿過液相鼓泡通過的過程中，顯著提高了氣液相混合的激烈程度，傳質傳熱效率高，彌補了物料返混這一缺陷。如圖 1（b）、圖 2（b）所示，新塔盤氣、液兩相分層平行向前流動，氣相在圖2（b）的“n型”凸起區域產生鼓泡，構成氣液充分接觸的混合區,很快完成甲銨生成反應，而其它區域不存在鼓泡區，不存在反方向流動,不存在返混[2]。這就是說，它雖然消除了返混，但同時也降低了物料混合的激烈程度，傳質傳熱效率打了折扣。筆者認為這正是設計上的缺陷所在。

3 小結

對于一套工藝成熟、運行平穩、指標優化的老裝置，技術改造應著重針對顯著影響裝置產能、物耗、能耗的問題進行；重點設備老化更換時，應優先考慮同類替換。

尿素合成過程中的轉化率受諸多因素的影響，當設備工作狀況不佳時，必須從操作溫度、物料配比等等多項工藝條件入手進行調整和優化，盡可能降低設備帶來的不利影響。

[1]劉孝弟，等.再談關于提高尿素合成塔二氧化碳轉化率的探討[C].第十六屆全國尿素廠年會論文資料集，2010.

[2]程忠振，等.徑流式尿素合成塔的發明與應用[J].化肥設計，2009，47（1）：16.