尿素合成塔塔盘技术改造总结

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1、尿素合成塔（R101）塔盘技术改造总结兰州石化化肥厂年产52万吨尿素装置从1997年投产后，尿素合成塔内的CO2转化率一直偏低，在满负荷状态下CO2的平均转化率只能维持在57%，造成系统循环量大、中低压放空中氨含量高、工艺冷凝液中氨浓度高于设计值、蒸汽消耗偏高。一、改造前工况分析1．合成塔设备参数：设计温度210℃；设计压力16.7MPa（g）筒体内径φ2200mm；衬里厚7mm；尿素合成塔高45215mm；其中筒体总长40000mm；人孔直径φ500mm；容积150m3；塔内降液管φ6〞，直管部份总长25732mm；筒体

2、衬里材料：ASTMA240TP316LMOD；原有塔板位置：在塔顶1500mm以下的地方，依次向下装有10层筛板塔盘，筛板厚度5mm，每层筛板上开有500个φ8mm小孔，按正三角形排列，相邻两块筛板间的距离为2500mm；筛板材料：ASTMA240TP316LMOD（尿素级）；用螺栓、螺母、垫片紧固，它们材料为：00Cr25Ni22Mo2棒材；支承板和托架为8mm厚的ASTMA240TP316LMOD（尿素级）不锈钢板；筛板与筒体的环向缝隙为7.5mm2．原合成塔内件结构存在的主要问题（1）气液相分道不明虽然在合成塔底部有

3、很大的空间给予充分的气液传质、反应，进入第一块时，仍有大量的气相存在，遇到挡板下部聚集成大的气泡，由于该塔板底面是平直的，没有环向气相揠流环，有一部分大泡将会从挡板与塔壁之间进入上一级，形成流动不稳定，且大气泡占据了一定的反应空间，对提高反应效率不利。（2）存在脉动现象经过平筛板的气相在塔内是不稳定的，气体会在每一块塔板下聚集，逐渐形成很大的气相层后，才突然通过这块塔板，产生脉动现象，因此就形成了气相停留时间过长，液相停留时间相对缩短，并且气液相接触面减小的现象。（3）塔板上部存在涡流物流是由下向上，经过塔板时液相从环隙中

4、向上，气相从孔向上，液相与气相并流向上，由于环隙较窄，液相通过时，流速较大，以及物料密度差的作用，在挡板上方产生涡流，涡流不能达到塔内气泡群中心，涡流内部的速度很慢，涡流越大，低速区也越大，导致混合效果差，不利于提高反应效率3．工艺操作参数：氨碳比3.2-3.6，水碳比0.5-0.7塔下部操作温度176～179℃塔出口温度186－189℃操作压力15.2-15.6MPa设计CO2转化率≥62.5%，而实际CO2转化率约为57%。4．工艺操作情况：（1）低负荷状况下，由于物料在塔内停留时间相对较长，合成温度、压力及转化率基本

5、上能达到设计要求。（2）满负荷时，由于二氧化碳转化率低于设计值，只有57%左右，为回收未反应物，返还于合成塔的水碳比高，合成塔温度、压力波动大，中低压放空量大，而且低压放空中的氨含量高达80％左右，氨损失大。（3）由于转化率低，使E101承受的负荷大，导致E101出料温度低只有199℃左右。（4）工艺冷凝液中氨含量高于设计值，水解解吸系统处理负荷大。（5）吨尿素耗氨高于设计值。为解决以上问题，我厂将尿素合成塔塔盘改造作为2005年度重点技改项目。二、改造依据。尿素合成塔要有足够的体积以保证反应时间，实际上，塔内物料反应的整

6、个过程包括：①气相中的CO2和（或）NH3通过传质进入液相。②液相中的CO2和NH3化合生成甲铵。③甲铵转化为尿素和水，反应产物中的水部分进入气相。在这个过程中，一直有两相共存。虽然合成甲铵的反应是瞬时的，但气相CO2和（或）NH3的传质并非即刻完成，而是随着液相反应的进行不断地转入液相并连续反应。由于介质密度差等因素的影响，塔内存在物料返混现象，因此，设置一定数目的塔板，有助于防止物料的返混。内设塔板的合成塔，可视为多个串联的小室组成，彼此之间用塔板隔开，反应物自下而上通过，每一个小室内都存在气液两相，气体以鼓泡形式穿过

7、液层。由于扰动充分，可认为两相均处于完全混合状态，合成塔的反应模型更接近于多级全混流串联模型。故改造应从以下两方面着手。（1）在尿素合成塔内加强气液相间的传质，气相以气泡形式分散在液相中，气泡在液相中的分散状况如气泡大小、比表面大小及与液相的混合是否均匀等直接关系到两相间的传热与传质状况，将原合成塔的塔板改造成具有优良气液传质性能的高效塔板，有利于提高合成塔的反应转化率。下图为高效塔板与传统塔板的比表面积的比较，可以看出高效塔板比表面积明显大于传统塔板。图1高效塔板与传统塔板的比表面积的比较图（2）延长相对停留时间，在1个

8、稳定的连续流动系统中，在某一瞬间同时进入系统的一定量流体，其各个物质经历一定的停留时间后依次从系统中流出。由于反应器类型不同，流体的流动模式不同，反应流体在容器内停留的时间可能相同，也可能不同。流体在反应器内停留的时间不同，其反应程度也不一样，必然影响转化率和反应效率。模拟计算表明，在其它条件都不变的状