尿素合成塔塔盘改造总结

2014-05-10孙晓明刘金星

石油化工应用 2014年4期

孙晓明，刘金星

（中国石油宁夏石化公司，宁夏银川 750021）

尿素的合成分两步进行。原料NH3和CO2冷凝反应生成甲铵为第一步；而更重要的一步是甲铵脱水生成尿素。尿素合成塔就是实现这一步的设备。一化尿素装置尿素合成塔（201-D）是一个直立圆筒式反应容器，高约36 m，筒体内径2 800 mm，从圆筒底部7 m以上高度起，装有8块多孔筛板塔盘。装置自1988年8月投产以来连续运行25年，期间尿素合成塔未做任何改造，各项工艺技术指标良好，CO2转化率达59%~60%。但是随着运行周期的延长，塔盘正常性减薄，必须更新。2013年11月装置大修期间对尿素合成塔塔盘进行了更新改造：将原来的8块多孔筛板塔盘更换为大连松海石化检修工程有限公司设计制造的“高效径流式塔盘”，并且在塔的底部空间内再增加两块，塔盘数量由原来的8块增加到10块。

1 改造前后对比

1.1 塔盘结构比较

NH3和CO2在高压甲铵冷凝器202C中反应生成甲铵，甲铵液以及部分未反应的气相，从合成塔底部进入，向上依次通过每层塔盘，完成甲铵脱水生成尿素的反应；塔盘将反应空间隔成几个相对独立的反应室，每个反应室中的气液流向一致。旧塔盘（见图1a），每一块塔板上开有不同数量的小孔，塔盘与筒体之间留有环隙，反应物料自下而上的过程中，绝大部分气体从液相鼓泡通过，经筛板小孔进入上一层反应室，而液体沿环隙进入上一层塔盘（见图2a）。由于液体重力、气流速度等原因，上一层反应室的少量液体会下落形成“返混”，不利于尿素生成反应的进行。因此如能有效减少甚至避免物料返混，则对提高合成转化率大为有利。新径流式塔盘即是为解决这一问题而进行的创新结构设计（见图1b），整块塔盘主要由水平无孔塔板、“n”型凸起两部分组成，塔盘与筒体间无环隙。气体和液体两相混合物在相邻两块塔板之间平行同方向流动；气体走凸起通道，液体走弓形缺口通道进入上一层塔盘（见图2b）。

图1 新旧塔盘实物图

图2 新旧塔盘气液流向比较

1.2 运行数据对比

2013年12月20日装置大修后开车，运行至今已有90 d，装置负荷经历了70%~100%，塔盘改造后和历史数据对比（见表1~表5）。

（1）正常生产期间，不同负荷下转化率比历史水平低0.5%~1%。

表1 75%负荷对比

表2 80%负荷对比

表2 80%负荷对比（续表）

表3 89%负荷对比

表4 100%负荷对比

表4 100%负荷对比（续表）

表5 改造前后塔温对比

（2）塔壁温度的变化：改造前后，塔中部温度基本未变，而塔的中上部温度下降约2.5℃，塔下部温度下降约3.5℃；合成塔返料温度下降约3℃；表明合成塔不同横截面间的温度差增大，物料均匀性下降。

1.3 工艺操作对比

1.3.1 100℃以下升温钝化温差难控制塔盘改造后，采用“空气+蒸汽”升温钝化，在100℃以下很难控制合成塔上下筒体温差。老塔盘为多孔筛板，升温钝化时合成塔上下同时进汽，塔底蒸汽向上运动的过程中有一部分发生了冷凝，另一部分未冷凝的蒸汽可迅速穿过塔盘小孔继续上行，上下筒体的温度差可以通过控制塔底、塔顶的进汽流量来控制。而新塔盘的结构形式不同，塔底蒸汽不能直接沿垂直方向向上运动，而是折流后沿水平方向流动、再进入上一层空间，冷态时，蒸汽在塔的下部即全部冷凝，中上部几乎没有蒸汽通过，导致塔下部温度上涨迅速而中上部温度几乎不涨，温差过大，对设备非常不利。

1.3.2 高压系统操作弹性减小

（1）塔盘改造后合成转化率时高时低；物料配比（包括低压返回甲铵液量）的变化、加减负荷、高压甲铵冷凝器壳侧蒸汽压力的波动等等，对高压工况的影响程度放大，容易发生波动，操作弹性明显减小。比如2013年12月29日因合成塔一台安全阀故障，处理期间为降低高压系统压力而降低了高压甲铵冷凝器壳侧蒸汽压力，合成塔顶温度TI002/1降至181.0℃左右运行3 h后高压工况恶化，高压系统压力迅速上涨；2014年1月21日因高压配氨量偏低致高压系统工况恶化；2月7日因处理蒸发一段加热器蒸汽阀PV401的定位器，低压蒸汽压力较大幅度波动约40 min，结果合成塔出口尿素降至24.72%，转化率低至51.74%；2月11日系统降负荷3 000 m3/h，合成塔出口尿素降至26.52%，转化率低至54.92%；2月12日系统加负荷3 000 m3/h，合成塔出口尿素降至26.76%，转化率低至53.85%。

（2）由于在合成塔内反应不充分，高压洗涤器203C负荷增加，高压调温水温差由原来的13.5℃上升至17℃左右，最高达到20℃。转化率的下降、尿液浓度的降低，以及高压洗涤器冷凝量的增加，必然加大气提塔的负荷，整个高压圈内部循环量增大。

（3）转化率的下降导致了后工序一系列问题，如低压系统负荷大易超压、氨水槽浓度高、解吸负荷高易超压等。

2 改造效果评价及问题讨论

（1）合成塔塔盘改造后，转化率下降，汽耗上升，操作弹性减小，表明此项改造效果不佳。

（2）如前所述，100℃以下“空气+蒸汽”升温钝化温差控制困难的原因在于塔盘结构形式决定了冷态时进入合成塔的蒸汽在塔下部即全部冷凝，因此只有不凝性气体才能克服这一问题。这就要求在升温钝化初期就要加入大量空气作为不凝性气体，但由于固有条件的限制，升温钝化空气最大量仅500 m3/h，因此，升温钝化从冷态到100℃以上将是一个十分漫长的过程，比原来约延长10 h左右。

（3）尿素合成塔中甲铵脱水生成尿素的反应进行的很慢。合成塔横截面上混合物（包括反应物及生成物）的浓度、密度、温度、速度的均匀性是影响转化率的最主要因素[1]。这既是合成塔为什么要设置塔内件（塔盘）的原因，也是设计开发各种类型塔盘的研究内容。因此，加强合成塔内气、液相的充分均匀混合程度，是提高合成塔效率的关键。如图 1（a）、图 2（a）所示，旧的多孔筛板塔盘虽然存在着一定程度的物料返混现象，对尿素生成反应不利，但气相穿过液相鼓泡通过的过程中，显著提高了气液相混合的激烈程度，传质传热效率高，弥补了物料返混这一缺陷。如图 1（b）、图 2（b）所示，新塔盘气、液两相分层平行向前流动，气相在图2（b）的“n型”凸起区域产生鼓泡，构成气液充分接触的混合区,很快完成甲铵生成反应，而其它区域不存在鼓泡区，不存在反方向流动,不存在返混[2]。这就是说，它虽然消除了返混，但同时也降低了物料混合的激烈程度，传质传热效率打了折扣。笔者认为这正是设计上的缺陷所在。