付海华，廖容波

（1．陕西龙门煤化工有限公司，陕西韩城 715405；2．北京众联盛化工工程有限公司，北京 100101）

尿素合成塔的改造方案及机理分析

付海华1，廖容波2

（1．陕西龙门煤化工有限公司，陕西韩城 715405；2．北京众联盛化工工程有限公司，北京 100101）

结合CO2汽提工艺尿素合成塔的结构特点，分析与探讨尿素合成反应机理，并提出改造方案，以及其技术经济效果。

CO2汽提工艺；尿素合成塔；塔盘；改造方案；CO2转化率

1 尿素合成原理

工业生产中，尿素由NH3和CO2反应合成。通常认为，该反应分两步走［1］，首先液态NH3和CO2反应生成NH2COONH4，然后分解为尿素和水，其方程式如下：

通常认为［2］：在CO2汽提工艺中，NH3和CO2生成NH2COONH4的反应在高压甲铵冷凝器中进行，反应热由壳侧自产0．35 MPa（G）蒸汽带走；而NH2COONH4脱水生成尿素的反应在合成塔中进行，根据（2）式可知，该反应为吸热反应。

当反应接近化学平衡时，反应速率下降，这意味着塔内的化学平衡仅能维持在一定停留时间内，这还意味着塔内的CO2转化率主要取决于停留时间和塔容积。通过增加合成塔塔盘，可使现有合成塔容积得到充分利用，尽可能达到CO2转化率与化学平衡非常接近的结果。

2 工艺过程分析

尿素合成塔（C2201）是一个圆筒型立式高压反应器［3］，来自高压甲铵冷凝器（E2202）的反应混合物自下而上流过，在14．0 MPa和180～183℃条件下，NH2COONH4脱水生成尿素。溶液在C2201内停留时间约1 h。反应后的合成液从塔内出料管离开，至汽提塔（E2201）上部；反应后的气体（合成气）从塔顶离开，进入高压洗涤器（E2203）。其流程见图1。

2.1 合成塔结构及主要参数

为了促进气液两相的接触并避免返混，合成塔内装有8块塔盘，将合成塔分成9个串联的小室，其目的是防止返混和增加气液混合的机会以提高CO2转化率。合成塔结构简图如图2。

合成塔塔径2 800 mm（内径），塔高31 600 mm，塔截面积6．15 m2。塔盘主要参数如表1。

图1 CO2汽提法尿素装置高压系统流程图

表1 合成塔塔盘主要参数

图2 尿素合成塔结构简图

2.2 技术改造的潜力

合成塔内的气液混合物自下而上，NH2COONH4脱水生成尿素。由此，塔内上下组分有差异，尿液密度也有差异。从理论上讲，随着反应的进行，尿液浓度会增加，密度增加［2］，这样会导致尿液返混，进而影响CO2转化率。所以，减少返混可有效提高CO2转化率。

3 尿素合成机理探讨

合成塔内物料流经塔盘的示意图如图3。在合成塔内，存在着大量的气团和液团，液体经过塔盘与塔壁的间隙由下至上进入上层塔盘，气体则经过塔盘上的小孔进入上层塔盘；液体流经塔盘的流速为0．5 m／s，而气体流经塔盘小孔的流速为2．5 m／s，流速较高的气体穿过塔盘上流速较低的液体，以获得更大的接触面积，促进气液混合，进一步增加反应程度。

图3 合成塔中物料流经塔盘示意图

由图3可以看出，原塔盘会造成部分液体形成沟流，未与气体接触反应而直接进入上层塔盘，该股流体在合成塔内停留时间会减小，而使CO2转化率降低。此外，另一部分液体也可以从塔盘的小孔漏到下层中，形成返混。这样势必也会使物料接触不充分，降低CO2转化率。

合成塔塔盘专利商卡萨利认为，尿素反应是连续的，首先是气态的CO2溶入液相中，而原料液氨在水中溶解度很大，可认为其传质速率很大，可以忽略；其次是氨和CO2反应，快速生成甲铵；然后是甲铵脱水生成尿素，此反应速率较慢，为控制步骤。一般认为尿液中的CO2全部以甲铵形式存在［5］，而且CO2难溶于尿素溶液，所以CO2的气液传质过程是非常重要的控制步骤。

由实际经验和合成塔壁温检测可知，CO2汽提工艺中，合成塔底部为167℃，而温度从下至上是节节攀升，最高是塔顶温度183℃。这就证明溶解、合成和分解反应一直在进行。实际上，平衡只有在气相中的CO2全部溶入液相中，才能达到。因此，我们可以通过提高CO2至液相的传质速度，以进一步让反应靠近平衡线，获得更大的CO2转化率。而提高气液传质速率的最好途径就是增加气液接触面积，减少沟流与返混。这样一来，增加合成塔内塔盘数量就是一条最好的途径。

通过对现有的8块筛板式塔盘的流体状态和尿素合成塔工况（NH3／CO2，H2O／CO2，压力，进料温度，塔壁温度，转化率等）的研究发现［4］，现有塔盘结构形式及塔盘数都存在进一步改进或增加的必要，以使塔内气液相接触面积增加，减少沟流与返混，达到既可以进一步提高合成转化率，又可以提高合成塔生产能力的目的。

合成塔塔盘的数量由8块增加到10块或11块，是强化合成塔效率的一个普遍采用的措施。因为原设置的塔盘位于合成塔下段7 m以上空间，使占全塔约1／4的空间存在严重的气液接触不好和返混现象，这一点可以通过塔壁温度测定值推算而得到证实。为了充分发挥合成塔的效率，特别是进行装置增产改造时，在塔下部空间增加2～3块新塔盘是十分必要的。

4 改造途径

4.1 基础工况（以100%负荷计）（表2）

表2 尿素合成塔基本工况

4.2 改造方案

近年来，随着大型化肥工业的发展，新型塔盘的研制及应用正逐步展开。较为典型的方法有：

（1）瑞士卡萨利公司的U型高效塔盘，将原筛板塔盘改为U型高效塔盘，并由8块塔盘改为11块；

（2）荷兰斯塔米卡邦公司折流型筛板塔盘，各塔盘缺口呈180℃安装，使液体在塔内错流上升，减少沟流和返混。

上述两种方案实施的可能性分析分别如下。

（1）塔盘更换和安装位置的变化可能引起塔阻力的变化，而且原8块塔盘更换时间不长，现有CO2转化率已达到59%，因此不必有很大的改变。

（2）根据外商最新报价，此改造至少需要22万美元，投资太大。

综合考虑，由于现有装置运行良好，CO2转化率较高，则这两种方案都存在投资过大，收效可能不理想的局面。

4.3 自行设计改造

本着谨慎节约的原则，采用自行设计来改造尿素合成塔。改造措施如下。

（1）原8块塔盘维持现状，新增两块塔盘，分别为新增1＃塔盘和新增2＃塔盘，塔盘数据如表3。

表3 设计塔盘条件

（2）新增1＃、2＃塔盘及安装说明

①塔盘直径为2 770 mm。

②塔盘厚度：新增1＃塔盘厚4．2 mm，材质00Cr Ni Mo-25-22-2；新增2＃塔盘厚8．0 mm，材质316LMOD。

③塔盘安装方式和原塔盘相同，塔盘与塔的间隙为15 mm。

④新增1＃塔盘安装在1＃塔盘下面2 850 mm处，孔数1 224个，孔径8 mm；新增2＃塔盘安装在新增1＃塔盘下面2 850 mm处，孔数1 280个，孔径20 mm。

5 改造效果分析

5.1 技术效果分析

据计算，增加两块塔盘后，合成塔下层的工艺物料接触面积增加，返混减少，可提高CO2转化率1%～2%。

随着CO2转化率的提高，尿素高压系统的生产能力将得到提高，吨尿蒸汽消耗也将下降。据测算，高压系统生产能力可增加3%～3．5%，吨尿蒸汽消耗下降6%～7%。

5.2 经济效益分析

（1）改造投资约为20万元。

（2）增加生产能力每天可增产尿素约60 t，全年按300 d计算，可增产尿素约18000 t；以吨尿100元利润计，全年可增加效益180万元。

（3）降低汽耗吨尿约为50 kg，按年产550 kt计算，可节约蒸汽27 500 t；蒸汽按75元／t计，全年可产生效益206．25万元。

6 结 论

（1）通过对合成塔尿素生成反应过程的分析，指出尿素合成塔塔盘从8块增加到10块，可使塔内气液相接触面积增加，减少沟流与返混，达到扩能增产的目的。

（2）合成塔改造后可使CO2转化率提高1%～2%，高压系统生产能力增加3%～3．5%，吨尿蒸汽消耗下降6%～7%。

（3）投资少，见效快，效益明显。

［1］中国寰球化学工程公司主编．氮肥工艺设计手册——尿素［M］．北京：化学工业出版社，1988．

［2］大连工学院编．气提法尿素生产工艺［M］．北京：石油化学工业出版社，1978．

［3］袁一主编．化肥工学丛书——尿素［M］．北京：化学工业出版社，1997．

［4］彭良华．二氧化碳汽提法大型尿素装置消除瓶颈增产改造途径［J］．大氮肥，1997，20（2）：103～107．

［5］梅安华主编．小合成氨厂工艺技术与设计手册［M］．北京：化学工业出版社，1995．

Revamping Program of Urea Reactor and its Mechanism Analysis

FU Hai-hua1,LIAO Rong-bo2
（Shaanxi Longmen Coal Chemical Co．，Ltd．，Hancheng Shaanxi 715405，China；2．Beijing Unity Engineering Co．，Ltd．，Beijing 100101，China）

According to the urea reactor structural characteristics in the CO2stripping process，analyze and discuss urea synthesis reaction mechanism，propose the revamping program and its technical and economic effects．

CO2stripping process；urea reactor；tower tray；revamping program；CO2conversion

TQ441．41

B

1003-6490（2014）01-0061-04

2013-07-23

付海华（1967－），男，江西景德镇人，高级工程师，陕西龙门煤化工有限公司总工程师、副总经理。