孫曉明，劉金星

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750021）

尿素的合成分兩步進(jìn)行。原料NH3和CO2冷凝反應(yīng)生成甲銨為第一步；而更重要的一步是甲銨脫水生成尿素。尿素合成塔就是實現(xiàn)這一步的設(shè)備。一化尿素裝置尿素合成塔（201-D）是一個直立圓筒式反應(yīng)容器，高約36 m，筒體內(nèi)徑2 800 mm，從圓筒底部7 m以上高度起，裝有8塊多孔篩板塔盤。裝置自1988年8月投產(chǎn)以來連續(xù)運(yùn)行25年，期間尿素合成塔未做任何改造，各項工藝技術(shù)指標(biāo)良好，CO2轉(zhuǎn)化率達(dá)59%~60%。但是隨著運(yùn)行周期的延長，塔盤正常性減薄，必須更新。2013年11月裝置大修期間對尿素合成塔塔盤進(jìn)行了更新改造：將原來的8塊多孔篩板塔盤更換為大連松海石化檢修工程有限公司設(shè)計制造的“高效徑流式塔盤”，并且在塔的底部空間內(nèi)再增加兩塊，塔盤數(shù)量由原來的8塊增加到10塊。

1 改造前后對比

1.1 塔盤結(jié)構(gòu)比較

NH3和CO2在高壓甲銨冷凝器202C中反應(yīng)生成甲銨，甲銨液以及部分未反應(yīng)的氣相，從合成塔底部進(jìn)入，向上依次通過每層塔盤，完成甲銨脫水生成尿素的反應(yīng)；塔盤將反應(yīng)空間隔成幾個相對獨立的反應(yīng)室，每個反應(yīng)室中的氣液流向一致。舊塔盤（見圖1a），每一塊塔板上開有不同數(shù)量的小孔，塔盤與筒體之間留有環(huán)隙，反應(yīng)物料自下而上的過程中，絕大部分氣體從液相鼓泡通過，經(jīng)篩板小孔進(jìn)入上一層反應(yīng)室，而液體沿環(huán)隙進(jìn)入上一層塔盤（見圖2a）。由于液體重力、氣流速度等原因，上一層反應(yīng)室的少量液體會下落形成“返混”，不利于尿素生成反應(yīng)的進(jìn)行。因此如能有效減少甚至避免物料返混，則對提高合成轉(zhuǎn)化率大為有利。新徑流式塔盤即是為解決這一問題而進(jìn)行的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計（見圖1b），整塊塔盤主要由水平無孔塔板、“n”型凸起兩部分組成，塔盤與筒體間無環(huán)隙。氣體和液體兩相混合物在相鄰兩塊塔板之間平行同方向流動；氣體走凸起通道，液體走弓形缺口通道進(jìn)入上一層塔盤（見圖2b）。

圖1 新舊塔盤實物圖

圖2 新舊塔盤氣液流向比較

1.2 運(yùn)行數(shù)據(jù)對比

2013年12月20日裝置大修后開車，運(yùn)行至今已有90 d，裝置負(fù)荷經(jīng)歷了70%~100%，塔盤改造后和歷史數(shù)據(jù)對比（見表1~表5）。

（1）正常生產(chǎn)期間，不同負(fù)荷下轉(zhuǎn)化率比歷史水平低0.5%~1%。

表1 75%負(fù)荷對比

表2 80%負(fù)荷對比

表2 80%負(fù)荷對比（續(xù)表）

表3 89%負(fù)荷對比

表4 100%負(fù)荷對比

表4 100%負(fù)荷對比（續(xù)表）

表5 改造前后塔溫對比

（2）塔壁溫度的變化：改造前后，塔中部溫度基本未變，而塔的中上部溫度下降約2.5℃，塔下部溫度下降約3.5℃；合成塔返料溫度下降約3℃；表明合成塔不同橫截面間的溫度差增大，物料均勻性下降。

1.3 工藝操作對比

1.3.1 100℃以下升溫鈍化溫差難控制 塔盤改造后，采用“空氣+蒸汽”升溫鈍化，在100℃以下很難控制合成塔上下筒體溫差。老塔盤為多孔篩板，升溫鈍化時合成塔上下同時進(jìn)汽，塔底蒸汽向上運(yùn)動的過程中有一部分發(fā)生了冷凝，另一部分未冷凝的蒸汽可迅速穿過塔盤小孔繼續(xù)上行，上下筒體的溫度差可以通過控制塔底、塔頂?shù)倪M(jìn)汽流量來控制。而新塔盤的結(jié)構(gòu)形式不同，塔底蒸汽不能直接沿垂直方向向上運(yùn)動，而是折流后沿水平方向流動、再進(jìn)入上一層空間，冷態(tài)時，蒸汽在塔的下部即全部冷凝，中上部幾乎沒有蒸汽通過，導(dǎo)致塔下部溫度上漲迅速而中上部溫度幾乎不漲，溫差過大，對設(shè)備非常不利。

1.3.2 高壓系統(tǒng)操作彈性減小

（1）塔盤改造后合成轉(zhuǎn)化率時高時低；物料配比（包括低壓返回甲銨液量）的變化、加減負(fù)荷、高壓甲銨冷凝器殼側(cè)蒸汽壓力的波動等等，對高壓工況的影響程度放大，容易發(fā)生波動，操作彈性明顯減小。比如2013年12月29日因合成塔一臺安全閥故障，處理期間為降低高壓系統(tǒng)壓力而降低了高壓甲銨冷凝器殼側(cè)蒸汽壓力，合成塔頂溫度TI002/1降至181.0℃左右運(yùn)行3 h后高壓工況惡化，高壓系統(tǒng)壓力迅速上漲；2014年1月21日因高壓配氨量偏低致高壓系統(tǒng)工況惡化；2月7日因處理蒸發(fā)一段加熱器蒸汽閥PV401的定位器，低壓蒸汽壓力較大幅度波動約40 min，結(jié)果合成塔出口尿素降至24.72%，轉(zhuǎn)化率低至51.74%；2月11日系統(tǒng)降負(fù)荷3 000 m3/h，合成塔出口尿素降至26.52%，轉(zhuǎn)化率低至54.92%；2月12日系統(tǒng)加負(fù)荷3 000 m3/h，合成塔出口尿素降至26.76%，轉(zhuǎn)化率低至53.85%。

（2）由于在合成塔內(nèi)反應(yīng)不充分，高壓洗滌器203C負(fù)荷增加，高壓調(diào)溫水溫差由原來的13.5℃上升至17℃左右，最高達(dá)到20℃。轉(zhuǎn)化率的下降、尿液濃度的降低，以及高壓洗滌器冷凝量的增加，必然加大氣提塔的負(fù)荷，整個高壓圈內(nèi)部循環(huán)量增大。

（3）轉(zhuǎn)化率的下降導(dǎo)致了后工序一系列問題，如低壓系統(tǒng)負(fù)荷大易超壓、氨水槽濃度高、解吸負(fù)荷高易超壓等。

2 改造效果評價及問題討論

（1）合成塔塔盤改造后，轉(zhuǎn)化率下降，汽耗上升，操作彈性減小，表明此項改造效果不佳。

（2）如前所述，100℃以下“空氣+蒸汽”升溫鈍化溫差控制困難的原因在于塔盤結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了冷態(tài)時進(jìn)入合成塔的蒸汽在塔下部即全部冷凝，因此只有不凝性氣體才能克服這一問題。這就要求在升溫鈍化初期就要加入大量空氣作為不凝性氣體，但由于固有條件的限制，升溫鈍化空氣最大量僅500 m3/h，因此，升溫鈍化從冷態(tài)到100℃以上將是一個十分漫長的過程，比原來約延長10 h左右。

（3）尿素合成塔中甲銨脫水生成尿素的反應(yīng)進(jìn)行的很慢。合成塔橫截面上混合物（包括反應(yīng)物及生成物）的濃度、密度、溫度、速度的均勻性是影響轉(zhuǎn)化率的最主要因素[1]。這既是合成塔為什么要設(shè)置塔內(nèi)件（塔盤）的原因，也是設(shè)計開發(fā)各種類型塔盤的研究內(nèi)容。因此，加強(qiáng)合成塔內(nèi)氣、液相的充分均勻混合程度，是提高合成塔效率的關(guān)鍵。如圖 1（a）、圖 2（a）所示，舊的多孔篩板塔盤雖然存在著一定程度的物料返混現(xiàn)象，對尿素生成反應(yīng)不利，但氣相穿過液相鼓泡通過的過程中，顯著提高了氣液相混合的激烈程度，傳質(zhì)傳熱效率高，彌補(bǔ)了物料返混這一缺陷。如圖 1（b）、圖 2（b）所示，新塔盤氣、液兩相分層平行向前流動，氣相在圖2（b）的“n型”凸起區(qū)域產(chǎn)生鼓泡，構(gòu)成氣液充分接觸的混合區(qū),很快完成甲銨生成反應(yīng)，而其它區(qū)域不存在鼓泡區(qū)，不存在反方向流動,不存在返混[2]。這就是說，它雖然消除了返混，但同時也降低了物料混合的激烈程度，傳質(zhì)傳熱效率打了折扣。筆者認(rèn)為這正是設(shè)計上的缺陷所在。

3 小結(jié)

對于一套工藝成熟、運(yùn)行平穩(wěn)、指標(biāo)優(yōu)化的老裝置，技術(shù)改造應(yīng)著重針對顯著影響裝置產(chǎn)能、物耗、能耗的問題進(jìn)行；重點設(shè)備老化更換時，應(yīng)優(yōu)先考慮同類替換。

尿素合成過程中的轉(zhuǎn)化率受諸多因素的影響，當(dāng)設(shè)備工作狀況不佳時，必須從操作溫度、物料配比等等多項工藝條件入手進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，盡可能降低設(shè)備帶來的不利影響。

[1]劉孝弟，等.再談關(guān)于提高尿素合成塔二氧化碳轉(zhuǎn)化率的探討[C].第十六屆全國尿素廠年會論文資料集，2010.

[2]程忠振，等.徑流式尿素合成塔的發(fā)明與應(yīng)用[J].化肥設(shè)計，2009，47（1）：16.