径流式尿素合成塔塔盘在氨汽提尿素工艺中的应用

Use of Radial Flow Type Tray of Urea Reactor in Ammonia Stripping Urea Process

刘志勇 Zhiyong LIU

河南能源化工集团中原大化公司河南濮阳 457004 Henan Energy Chemical Group Zhongyuan Dahua Co. Henan Puyang 457004

摘要：

介绍了径流式尿素合成塔塔盘的主要特点，概述了径流式尿素合成塔塔盘的改造情况。技改后，尿素合成塔CO₂转化率提高了3.7%，吨尿素汽耗下降了43 kg，实现了尿素装置的节能运行。

关键词：

径流式; 塔盘; 尿素合成塔; 氨汽提;

Abstract：

The main characteristics of radial flow type tray of urea reactor are introduced, and the transformation of radial flow type tray of urea rector is summarized. After technical transformation, CO₂ conversion rate of the urea reactor is increased by 3.7%, steam consumption per ton of urea is decreased by 43 kg, realizing energy-saving operation of the urea unit.

Keyword：

radial flow type; tray; urea reactor; ammonia stripping;

河南能源化工集团中原大化公司化肥事业部尿素厂第1套520 kt/a大型氨汽提尿素生产装置自1990年5月投产以来，已连续稳定运行24年。尿素合成塔(R101)为气液鼓泡型筛板塔，原设计安装10块合成塔塔盘，从上到下依次等距离安装。为提高尿素合成塔转化率，2011年将塔盘增加至12块，但效果不理想，CO₂转化率一直稳定在55.0%左右，与设计值(64.9%)相差较大，造成蒸汽消耗增大以及中、低压系统氨损耗较大。为提高尿素合成塔CO₂转化率，2013年采用径流式尿素合成塔塔盘对尿素合成塔进行技改；同时，鉴于尿素合成塔内衬有明显减薄的现象，2013年底大修时对内衬进行贴衬处理。技改完成后，尿素合成塔CO₂转化率平均提高了3.7%，取得了较好的经济效益。

1 径流式尿素合成塔简介

径流式尿素合成塔于2007在河北宣化化肥厂的尿素装置上得到成功应用，效果较好，减轻了原尿素合成塔的返混现象，提高了CO₂转化率。径流式尿素合成塔结构示意见图 1。

图 1

径流式尿素合成塔结构示意

常用的尿素合成塔为直立圆筒形，物料从下部进入，合成反应混合物从上部排出。这是一个典型的气液鼓泡反应器，液体和气体均为轴向并流流动。由于气液间的湍流混合、分子扩散以及速度分布、物料密度的差异，导致反应器内存在着严重的液体轴向返混现象，由此明显降低了反应区单位容积的初始物料浓度，继而降低了反应速率，导致尿素生产率大大降低。目前，尿素合成塔内大都设置多块塔板，将其分隔成多个反应区，以减轻液体返混现象，提高尿素生成率。现有塔板有多孔筛板型、驼峰型、V形、舌形板加小孔筛板型、球帽型及虹吸型等。

径流式尿素合成塔的主要特点是在反应器内设置多块径流式塔盘，从而将反应器分隔成多个反应区，在每个反应区内所有物料均为径向水平流动，呈活塞式流动特性，液体不存在轴向返混、沟流短路和滞流，因而提高了反应区内生成尿素的平均反应速率，吨尿素可降低蒸汽消耗40~100 kg。

2 径流式尿素合成塔改造情况

2.1 原塔盘改造方案

(1) 原每块塔盘分为5片(A~E片)，有溢流管的地方1片分为2小片，材质为724L。将A~D片多孔板上原小孔全部堵死，在每块塔盘上增设4个Φ6 mm小孔作为泪孔。E片按径流式塔盘进行改造并增设“几”字板。

(2) 在溢流管与塔板间护管上增设盖板；在塔板与衬里环隙间增设厚8 mm支撑圈，分别与衬里、支架焊接，作为密封塔板与衬里环隙之用。

2.2 径流式尿素合成塔改造方案

为确保改造效果并降低投资成本，采用变更原6块旧塔盘结构形式和新增12块径流式塔盘相结合的方案，改造后合计设置径流式塔盘18块(图 2)。新增的12块径流式塔盘厚6 mm，每块分为5片；每块塔盘之间用螺栓连接，配两帽；塔盘与密封板用钩头螺栓连接，配一栓两帽一垫片；在CO₂进塔气相管末端增设分布器，以增强CO₂与氨的混合效果；塔盘及其上面的附件材质均为724L(316Lmod)，支撑圈、支架材质为725LN(25-22-2)，连接件材质为3R60UG。

图 2

改造前后尿素合成塔塔盘示意

3 运行效果

3.1 改造后取得的效果

2013年12月，尿素装置进行年度设备大修，在完成尿素合成塔内衬贴衬处理后，开始安装径流式塔盘，共耗时2 d。2014年3月，系统恢复开车，经多次调整，当生产稳定后，开始对运行效果进行评价。为提高此次技改效果评价的可靠性，选取工况相当的2013年11月和2014年3月数据进行对比(表 1)。

表 1

改造前、后尿素装置运行工艺参数对比

日期	时间	产量/t	氨碳比	水碳比	CO₂转化率/%	NH₃转化率/%	尿素界区蒸汽使用量/(t·h^-1)	吨尿素汽耗/kg
注：1)尿素界区蒸汽使用量是经CO₂压缩机做功后，抽至尿素主装置的蒸汽量； 2)吨尿素汽耗=尿素界区蒸汽使用量/(产量/8)
2013-11-01	08：00	563.70	3.37	0.81	55.3	32.8	52.87	750
	16：00	567.50	3.48	0.89	58.1	33.4	53.95	760
	24：00	564.00	3.55	0.98	56.8	32.0	52.57	746
2013-11-02	08：00	551.00	3.31	0.93	53.9	33.6	54.25	788
	16：00	565.60	3.33	0.74	55.5	33.3	53.40	755
	24：00	575.60	3.39	0.70	59.2	34.9	53.73	747
2013-11-03	08：00	573.70	3.26	0.78	53.0	32.5	55.00	767
	16：00	565.40	3.36	0.94	54.5	32.4	53.21	753
	24：00	569.40	3.39	0.81	57.3	33.8	53.32	749
2013-11-04	08：00	570.78	3.45	0.85	57.8	33.5	53.83	754
	16：00	569.35	3.47	0.99	54.1	31.2	54.56	767
	24：00	569.95	3.18	0.81	53.0	33.3	53.86	756
2013-11-05	08：00	572.62	3.28	0.84	54.3	33.1	53.83	752
	16：00	573.48	3.37	0.82	56.8	33.7	52.77	736
	24：00	573.09	3.24	0.86	55.3	34.1	54.11	755
2013-11-06	08：00	575.80	3.21	0.80	53.4	33.3	53.79	747
	16：00	569.68	3.34	0.72	54.2	32.5	53.39	750
	24：00	568.79	3.32	0.79	53.3	32.1	52.58	740
塔盘改造前平均值		568.90	3.35	0.84	55.3	33.1	53.61	754
2014-03-22	08：00	615.30	3.70	1.05	60.9	32.9	57.11	743
	16：00	608.10	3.47	1.06	59.4	34.3	55.92	736
	24：00	610.80	3.45	1.00	62.1	36.0	51.12	670
2014-03-23	08：00	603.60	3.36	0.87	58.2	34.7	53.54	710
	16：00	610.40	3.46	0.98	60.2	34.9	52.66	690
	24：00	609.80	3.41	0.98	60.2	35.3	53.66	704
2014-03-24	08：00	610.30	3.50	0.86	61.0	34.8	53.90	707
	16：00	609.00	3.66	1.24	60.9	33.3	53.67	705
	24：00	615.60	3.54	1.05	58.4	33.0	52.97	688
2014-03-25	08：00	587.50	3.36	1.01	58.0	34.5	54.47	742
	16：00	601.30	3.44	0.86	61.2	35.6	53.60	713
	24：00	608.20	3.73	1.33	54.8	29.2	51.89	683
2014-03-26	08：00	589.90	3.52	0.96	60.0	34.0	53.40	724
	16：00	579.10	3.35	0.88	58.9	35.2	51.80	716
	24：00	586.40	3.59	1.09	59.1	32.9	51.91	708
2014-03-27	08：00	553.70	3.47	1.28	51.5	29.7	50.14	724
	16：00	569.40	3.53	1.39	58.8	33.3	51.38	722
	24：00	572.30	3.75	1.12	58.8	31.4	51.15	715
塔盘改造后平均值		596.70	3.52	1.06	59.0	33.6	53.02	711

(1) 在相同负荷下，改造前，系统CO₂转化率平均值为55.3%；改造完成后，系统CO₂转化率平均值为59.0%，CO₂转化率提高了3.7%，效果较明显。

(2) 由于蒸汽总计量表计量值包括尿素装置和三聚氰胺装置的蒸汽消耗量，故以CO₂压缩机抽出蒸汽量作为吨尿素耗汽量进行统计测算。改造前，吨尿素汽耗平均为754 kg；改造后，吨尿素汽耗平均为711 kg，吨尿素汽耗降低了43 kg。按年产尿素500 kt、蒸汽120元/t计，年可节省蒸汽费用258万元左右，节能效果较好。

(3) 改造前，合成塔出液温度188 ℃，塔底温度180 ℃；改造后，合成塔出液温度188 ℃，塔底温度177 ℃，即顶部温度基本保持不变，而底部温度降低了3 ℃。底部测温点原无塔盘，改造后安装了塔盘，减轻了尿素溶液的返混现象，因此塔底温度降低属正常。顶底温差增大，说明塔内反应情况良好。

(4) 在尿素合成过程中，不可能将进入合成塔的NH₃和CO₂全部转化为尿素，未反应的CO₂和NH₃回收后再循环至尿素合成塔，需要消耗能量，因此，尿素产品成本在很大程度上取决于此工序。改造后，CO₂转化率从55.3%提高至59.0%，系统未反应的CO₂和NH₃的量减少，系统水平衡改善，减轻了中、低压系统的分解回收负荷，低压系统返回中压系统和中压系统返回高压系统的物料明显减少，中压系统的水平衡得到较大改善。同时，中压系统放空阀开度比改造前减小约10%(基本保持在30%以下)，中压放空氨损失也降低了10%左右。

3.2 存在的问题

改为径流式塔盘后，整体运行效果较好，但在系统开车升温过程中，蒸汽从上部流至下部时经塔盘逐层冷凝，合成塔底部温度提升较慢(平均慢约1.5 h)。经分析，其原因可能是开车升温时，合成塔内空气在塔底部聚集，而塔底部的排放量较小，热蒸汽向塔下部流动受到了阻碍。为此，利用排塔管线上的导淋(直径为25.4 mm)进行排气，升温速率得到明显提高，效果较好。