CO<sub>2</sub>汽提塔的计算与分析 - 201606

CO₂汽提塔的计算与分析

Calculation and Analysis of CO<sub>2</sub> Stripper

廖容波 Rongbo LIAO , 刘利利 Lili LIU

京众联盛化工工程有限公司北京 100101 Beijing Unity Engineering CO., Ltd. Beijing 100101

摘要：

利用液体穿孔的流量公式，推导出CO₂汽提塔液体分布器上的液体分布孔流速与液位高度的关联公式，可计算出汽提塔单管负荷。根据湿壁塔内液膜厚度公式，计算出尿素-甲铵液在不同类型CO₂汽提塔中的停留时间。通过热力学计算，归纳总结了不同生产负荷下CO₂汽提塔的热负荷和传热系数。计算结果表明，理论计算值与实际生产数据基本吻合。

关键词：

CO₂汽提塔; 尿素; 液体分布器; 热负荷;

Abstract：

Use of flux formula for orifice flow, correlation formula has been deduced of flow velocity in liquid distribution hole at liquid distributor of CO₂ stripper and height of liquid level, the load of individual pipe of the stripper can be calculated. By formula of liquid film thickness in wetted wall column, the residence time of urea-ammonium carbamate solution in different CO₂ strippers can be calculated. By thermodynamic calculation, heat load and heat transfer coefficient of CO₂ stripper at different production load are generalized and summarized. Calculation results show that theoretical calculated value basically agrees with actual production data.

Keyword：

CO₂ stripper; urea; liquid distributor; heat load;

CO₂汽提法尿素装置的高压设备由合成塔、高压甲铵冷凝器、高压洗涤器和汽提塔组成。NH₃和CO₂在高压甲铵冷凝器中快速合成氨基甲酸铵(以下简称甲铵)，然后进入合成塔中缓慢脱水转化成尿素，未脱水的甲铵随尿液进入汽提塔中等压分解为NH₃和CO₂后循环回收利用，其中CO₂汽提塔是影响尿素装置操作弹性的重要因素之一，直接关系到装置的稳定运行。

1 设备简介及规格

CO₂汽提塔为降膜式单管程列管换热器，管内为工艺介质，管外的饱和蒸汽为甲铵分解提供所需的热量。出合成塔的反应液在180~185 ℃下进入汽提塔上部，经液体分布器均布后进入列管，成膜状沿管壁下流，CO₂从汽提塔下部逆流汽提反应液，促使未转化的甲铵分解为NH₃和CO₂，分解气和原料CO₂气体从汽提塔塔顶逸出后进入高压甲铵冷凝器。

目前，CO₂汽提塔已全部实现国产化，主流设计有3种规格，匹配的尿素装置产能分别为300，520和800 kt/a，其设备参数见表 1。

表 1

CO₂汽提塔设备参数

项目	产能/(t·d^-1)	外形尺寸/mm	换热面积/m²	列管数/根	液体分布孔直径/mm
注：1)列管规格均为Φ31 mm×3 mm×6 000 mm，单管液体分布孔数均为3个
国产520 kt/a	1 740	Φ2 400×12 590	1 680	2 875	Φ2.5
荷型480 kt/a	1 620		1 225	2 600	Φ2.3
传统300 kt/a	1 000	Φ1 900×13 030	1 012	1 733	Φ2.5
湖北三宁公司	1 450	Φ1 900×13 030	1 012	1 733	Φ2.5
国产800 kt/a	3 200	Φ2 900×14 570	2 454	4 200

2 液体分布器

根据汽提原理，尿液必须均匀分配至每根换热管中并在内壁形成一层液膜，才会有较高的汽提效率，因此，液体分布器是汽提塔的关键部件。如果液体分布不均，不仅会造成汽提效率下降，而且会影响防腐空气的均匀通过，造成列管局部过热和缺氧腐蚀^[1]。

液体分布器由升气管和液体分布头组成，液体分布器与分布头焊接在一起并插在汽提管上，中间由聚四氟乙烯垫圈进行密封。每个液体分布器上设有3个Φ2.3~2.5 mm互成120°的液体分布孔，均匀排布，其结构示意见图 1。

图 1

液体分布器结构示意

升气管类似喇叭状，上部直径为Φ25 mm，下部直径为Φ29 mm，焊接于液体分布头上；顶部有Φ8.0 mm的升气孔，其作用是限流，保持液体分布器内外有一定的压差，进而可维持液体分布器外侧有一定液位，确保尿液在一定的压头下能够均匀分布。液体分布器总高622 mm，其中分布孔距底端35 mm。目前，通用CO₂汽提塔液体分布器上的液体分布孔有Φ2.3 mm和Φ2.5 mm 2种规格。

3 计算

3.1 单管负荷

尿素-甲铵液进入受液槽后，沿圆周方向流动，平稳地流入分布器空间。液体在分布器小孔上保持一定的液位，保持液体均匀进入小孔。液体穿孔的流量按下述公式进行计算^[2]：

图 1

$ Q = 3600{C_0} \times {A_0} \times \sqrt {2gH} $

图 2

$ Q = 3600{C_0} \times {A_0} \times \sqrt {2gH} $

图 3

$ Q = 3600{C_0} \times {A_0} \times \sqrt {2gH} $

式中：Q—液体流量，m³/s；

C₀—孔流系数，与小孔的形状和液体的雷诺数有关；

A₀—流通面积，m²；

n—孔数；

H—液体高度，m；

d₀—孔径，m；

u—液体经过小孔的流速，m/s。

由于汽提塔液体分布器液体分布孔表面粗糙度为3.2，经统计分析，C₀取下限0.6。结合式(1)和式(2)，可以推导出液体分布器液体分布孔的流速与受液槽中尿素-甲铵液高度有关：

图 4

$ Q = 3600{C_0} \times {A_0} \times \sqrt {2gH} $

根据上述公式，结合2种液体分布器规格，推算出的CO₂汽提塔单管理论负荷见表 2。

表 2

CO₂汽提塔单管理论负荷

液体分布孔直径/mm	液体密度/(kg·m^-3)	液位/mm		小孔流速/(m·s¹)		单管负荷/(kg·h^-1)
液体分布孔直径/mm	液体密度/(kg·m^-3)	正常	最大	正常	最大	正常	最大
Φ2.5	1 050	300	587	1.45	2.00	80.9	113.0
Φ2.3	1 050	300	550	1.45	1.97	68.3	92.8

根据CO₂汽提法尿素装置的理论设计和现场反馈，CO₂汽提塔单管负荷见表 3。

表 3

CO₂汽提塔单管设计和实际负荷

项目	生产能力/(t·d^-1)	列管数量/根	进塔液体量/(kg·h^-1)	单管负荷/(kg·h^-1)
国产520 kt/a	1 740	2 875	229 610	79.90
荷型480 kt/a	1 620	2 600	201 600	77.50
传统300 kt/a	1 000	1 733	131 277	75.75
湖北三宁公司	1 450	1 733	191 342	110.40

从表 2和表 3可知，CO₂汽提塔单管负荷的理论计算值与实际反馈值基本吻合。由于CO₂汽提法尿素装置的生产负荷不能低于设计值的70%，则可计算出汽提塔液体分布器小孔流速最小值和最低液位分别为1.0 m/s和142 mm。当液体分布器上的液位低于142 mm时，汽提塔中的尿素-甲铵液因液位梯度原因会导致分布不均，造成有些加热管出现干管和腐蚀加剧的现象。

由CO₂汽提工艺的操作手册和生产现场反馈可知，汽提塔的操作液位高度应保持在200~400 mm^[3]，可计算出单管负荷分别为66.2 kg/h和93.5 kg/h，对应的弹性负荷为82.6%~117.0%，与实际生产数据基本吻合。

3.2 尿液停留时间

CO₂汽提塔的壳程采用2.0 MPa蒸汽加热，为尿液中甲铵分解提供热量，但高温会导致尿素水解产生缩二脲。正常情况下，汽提塔后的尿液中缩二脲质量分数增加0.2%~0.3%^[3]。

尿液在CO₂汽提塔内的停留时间(理论设计值＜1 min)可根据湿壁塔内液膜厚度按下式计算(表 4)：

图 5

$ Q = 3600{C_0} \times {A_0} \times \sqrt {2gH} $

表 4

CO₂汽提塔单管液膜厚度理论计算值

项目	液体密度/(g·cm^-3)		液体黏度/(mPa·s)		液体质量速度/(g·s^-1·cm^-1)		液膜厚度/cm			正常情况下停留时间/min
项目	进口	出口	进口	出口	进口	出口	进口	出口	平均	正常情况下停留时间/min
注：1)停留时间=汽提塔液膜总体积/[0.5×(进塔液体体积流量+出塔液体体积流量)]
国产520 kt/a	0.99	1.13	0.752	0.913	2.90	1.70	0.190	0.155	0.173	0.76
荷型480 kt/a	0.99	1.13	0.752	0.913	2.80	1.60	0.187	0.155	0.171	0.77
传统300 kt/a	0.99	1.13	0.752	0.913	2.68	1.55	0.185	0.150	0.168	0.76
湖北三宁公司	0.99	1.13	0.752	0.913	3.91	2.26	0.209	0.170	0.190	0.87

式中：m—液膜厚度，cm；

w—单位长度周边的液体质量速度，g/(s·cm)；

μ—液体黏度，mPa·s；

r—液体密度，g/cm³；

g—重力加速度，cm/s²。

由表 4可知：尿素-甲铵液在CO₂汽提塔内的停留时间均不超过1 min；湖北三宁公司的尿素装置为传统国产300 kt/a设计，其最大产量为1 450 t/d，但其尿液在汽提塔中停留时间仅有0.87 min，说明该产量下的停留时间基本上不会对汽提塔出口尿液中的缩二脲含量有太大影响。

3.3 热负荷和传热系数

汽提塔实际上是1台多管降膜式加热器，由管外2.0 MPa左右的中压饱和蒸汽供给热量，促使管内甲铵分解反应不断进行。CO₂汽提塔单管设计和实际热负荷见表 5。

表 5

CO₂汽提塔单管设计和实际热负荷

项目	生产能力/(t·d^-1)	换热面积/m²	平均温差/℃	热负荷/(kJ·h^-1)	传热系数/(kJ·h^-1·m^-2·℃^-1)
国产520 kt/a	1 740	1 680.0	40.0	1.33×10⁸	473.0
荷型480 kt/a	1 620	1 224.6	38.0	1.23×10⁸	633.0
传统300 kt/a	1 000	1 012.7	38.0	0.76×10⁸	472.6
湖北三宁公司	1 450	1 012.7	40.9	1.10×10⁸	636.6

由表 5可看出：汽提塔的传热系数可满足生产负荷的弹性要求，通过适当提高汽提塔壳侧蒸汽压力，蒸汽温度随之提高，从而可提高CO₂汽提塔的处理能力。饱和蒸汽的温度受管侧使用材料限制，而且温度过高的蒸汽会导致尿液温度偏高，从而使缩二脲产生量和尿素的水解量相应增加，因此，应根据尿素装置的产量和汽提塔负荷来调节控制汽提塔的壳侧蒸汽压力。

4 结语

(1) 根据CO₂汽提塔的理论设计和实际操作条件，利用液体穿孔的流量公式，推导出小孔流速与液位高度的关联公式，由液位高度可准确计算出汽提塔液体分布孔流速和单管负荷，进而可进一步推算出汽提塔的生产负荷。

(2) 利用湿壁塔内液膜厚度的公式，计算出尿素-甲铵液在不同类型CO₂汽提塔中的停留时间，其计算结果均满足设计要求。

(3) 通过热力学计算，归纳总结了不同生产负荷下CO₂汽提塔的热负荷和传热系数。

(4) 单管负荷、停留时间和热负荷的理论计算值与实际生产数据基本吻合，其计算结果对设计和实践生产有较好的指导意义。

ckwx 参考文献

邸彩霞, 崔海生, 李进.汽提塔带油原因分析与对策[J].化肥设计, 2006(5):37-39.

王汉松.石油化工设计手册: 第3卷化工单元过程[M].北京: 化学工业出版社, 2002.

大连工学院.日产千吨合成氨厂——二氧化碳气提法尿素生产工艺[M].北京: 石油化学工业出版社, 1978.