利用高效合成塔塔板提高CO2轉化率

摘 要：文章探討了尿素合成塔內部氣液相的流動狀態，分析利用尿素裝置高效合成塔塔板提高CO2轉化率。希望可以為相關的工作人員提供幫助與參考。

關鍵詞：合成塔；塔板；CO2轉化率

中海石油化學股份有限公司富島一期尿素裝置投產于1996年，采用斯那姆氨汽提和海德魯流化床造粒工藝，該裝置技術先進可靠和操作彈性大。尿素合成塔是尿素裝置的關鍵設備，原設計采用普通篩板塔板。經過多年運行，在2002年大修中發現合成塔塔板和內件減薄較嚴重。2004年，為適用富島一期合成氨裝置擴產改造要求，尿素合成塔的塔板全部更換為卡薩利高效塔板，并利用合成塔下塔空間增加了兩塊塔板，經過多年的實際運行，合成塔的工藝參數正常，生產能力得到進一步提高。

1 合成塔內部氣液相流動狀態

傳統尿素合成塔是一個直立圓筒型的高壓容器。塔內安裝有一定數量的篩板。塔的下部有兩個進料管，一個是CO2氣體進口，一個是液氨進口。物料在高溫高壓下進行混合并反應生成尿素，未反應的氣相通過篩板上的小孔至上一層塔板，液相經篩板與內筒壁之間的環形通路升至上一層塔板，繼續與氣相混合反應。在合成塔的最上部，反應生成的尿素濃度最大，并與其他未反應物和水通過中心溢流管進入汽提塔。物料返混是降低CO2轉化率的一個重要因素。在尿素合成塔中安裝篩板的目的就是防止物料返混。要完全避免物料返混是幾乎不可能的。要提高CO2轉化率，就要充分利用合成塔的有效反應空間，控制物料返混。

斯塔米卡邦公司在對傳統篩板塔板的模擬實驗中發現：常規設計的篩板合成塔內，所有液體通過合成塔和塔板之間的環縫隙，部分液體將形成溝流而直接升至上一格內，以致該股液體在合成塔內的停留時間減少，而部分液體亦可經塔板漏回到下一格內，從而形成了返混。這樣，使得高濃度的尿素進入低濃度尿素的區域內，如圖1所示。根據反應動力學，增加生成物的濃度，會抑制化學反應的速度，最終導致合成轉化率的降低。

另外，在合成塔傳統篩板中的氣相流動是脈動流狀態。即氣體在每一塊塔板下聚集，形成很大的氣相層后，氣體才突然通過塔板。因此導致氣相停留時間過長，液相停留時間相對較短，氣液接觸面大大減小。其次，由于密度差產生的渦流不能達到塔內氣泡群中心，渦流內部的速度很慢，渦流越大，低速區也越大，導致混合效果差。生成尿素的平衡轉化率與時間的對應關系如表1所示。可以看出，尿素合成反應最少需要40-50min才能接近平衡。反應時間不夠，則轉化率明顯下降。在實際生產中，由于物料在反應器內達不到理論的停留時間，而且反應器內氣液相也不是均勻地通過每一塊篩板，導致氣液的傳質效果達不到最佳狀態，對CO2轉化率的影響較大。

提高CO2轉化率途徑基本上有兩個：一是增加合成塔的物料停留時間，改善流動狀況，如增加塔板數，減少塔板間的壓力降等；二是降低物料的返混程度，如減少塔板與內壁的環隙、改變塔板性能，以提高合成塔塔板的單位生產強度。

2 國內部分廠家尿素裝置高效合成塔塔板應用情況

2.1 錦西天然氣化工廠

該廠尿素合成塔更換了原有10塊塔板，并在底部增加5塊塔板，使塔底空間由15m下降至3.7m，減少了返混空間。同時，在新增塔板的下部增加60mm高的圍堰，以保證塔板下部氣相層穩定，防止氣相走短路。改造后，CO2轉化率由61.42%提高到63.21%；汽提塔頂、底溫差加大，汽提效率有所提高；減少了中、低壓放空量，節省了蒸汽用量。

2.2 云南天然氣化肥廠

1994年尿素合成塔改造，采用了瑞士凱薩利公司的倒U型高效塔板。在合成塔底部更換了原有的3層塔板，并在合成塔的底部原有剩余空間內加裝了3層塔板，使合成塔板的數目增加到11塊，其中新型塔板有6層。通過這些措施，使合成塔內液相停留時間延長，氣液混合傳質的效果提升明顯。改造后，CO2轉化率由原來的59%提高到61%，最高可達64%；汽提效率由原來的77.3%提高到80.5%；噸尿素蒸汽消耗較原來降低了130-140kg。經過改造后的尿素合成系統，運行狀況十分穩定，消耗較原來降低。

2.3 大慶石化公司化肥廠

該廠采用的尿素合成塔塔板是由五環工程公司設計的新型塔板，如圖2所示。上升的液體沿槽向流經上一個塔板，可將溝流降至最小程度。通過對塔板上氣液分布系統的改造，將使所有塔板間隔內的攔截氣體與液體的高度在每一塔板的壓力降范圍內基本平衡，將返混降至很低的程度。

經考核，合成塔轉化率提高了1.78%，氣提效率提高了1.36%，噸尿素可降低蒸汽37kg消耗，生產負荷相應得到提高，尾氣排放量也有所降低。

2.4 四川天華股份有限公司

該廠尿素合成塔采用的是由浙江工業大學研究開發的新型高效塔板，形狀呈倒V型，稱之為波浪型塔板，如圖3所示。該塔板開有兩種孔，平板處開的是大孔供液體流動，斜面上開的小孔是供氣體流動的通道。使氣液能夠有效分離，并獲得很好的再混合效果，增加氣液相的接觸面。

改造后，合成塔CO2轉化率由原來的59.16%提高到了61.60%。噸尿素蒸汽消耗在原有的基礎上降低了約69kg。裝置的生產能力最高可達109%，實現了系統的增產和節能。

3 富島一期尿素合成塔高效塔板應用情況

富島一期尿素合成塔原設計和其他同類型廠的合成塔結構基本相同，不同點在于合成塔的塔板數、塔板間距、開孔數以及系統工藝操作條件的控制。

2004年年底，富島一期尿素合成塔的塔板更新改造為卡薩利高效塔板，更換原有全部12塊塔板并利用下部空間增加了2塊塔板，共計14塊塔板。經過對塔板應用效果進行監測評價，CO2轉化率由改造前的57.53%提高到60.24%，增加了2.71%。應用效果如表3所示。

4 結束語

通過應用高效尿素合成塔塔板，提高了CO2轉化率，對尿素裝置生產能力的進一步提高和蒸汽消耗的降低具有較明顯的效果，取得了較好的經濟效益。

參考文獻

[1]中國寰球化學工程公司.氮肥工藝設計手冊—尿素[M].北京：化學工業出版社，1988.

[2]袁一.化肥工學叢書—尿素[M].北京：化學工業出版社，1997.

[3]計建炳，譚天恩.我國塔器技術的進展[J].化工進展，2000，6：51-57；2001，1：43-47.

作者簡介：婁丹玲（1974-），女，海南海口人，職稱：工藝工程師，學歷：本科。