尿素合成塔塔盘技术改造总结

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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态下，适当增加合成塔的塔板数，可增加多级全混流的级数，使全塔停留时间相对延长且分布更理想，反应更充分。塔板数与转化率关系示意图： 图2塔板数与转化率关系示意图该合成塔的筒体直径φ2200mm，高45215mm，体积为150m3，底部无塔板区高为16m，体积约58m3，占整个合成塔体积的38%，可以充分利用该区域增加塔板数，以达到延长相对停留时间，提高反应转化率的目的。参照国内同类装置对合成塔改造经验，2006年6月我厂利用停车大检修机会对该合成塔塔盘进行了技术改造。采用高效节能波形塔板，来替换原普通平筛板塔盘，CO2转化率提高显著，节能效果明显1．波形尿素合成塔盘工作原理波形尿素合成塔盘工作原理图1所示，塔中上升的气、液两相在波形塔板上进行气液分流，介质的液相从波谷开设的液相孔与环向间隙通过，介质的气相从波峰开设的气相孔较高的速度射出，进入上一层挡板的液相中，强化了气液接触。这种结构产生的小气泡增大了比表面积，有利于提高传热和传质的效率。图3波形尿素合成塔盘工作原理图 1．波形尿素合成塔盘特点（1）介质通过塔板时，气、液相分道，流动稳定，传质效率较传统塔板有明显提高。（2）这种结构产生的小气泡增大了比表面积，有利于提高传热和传质的效率。（3）每个反应区内物料自下而上通过塔板，使相邻的多个小反应室的物料避免因重度差而引起回流，从而提高尿素的浓度梯度，减少返混。（4）制造相对容易，价格低。3．波形尿素合成塔盘主要材质塔板：ASTMA240TP316LMOD（尿素级）；紧固件：00Cr25Ni22Mo2棒材；支承件：ASTMA240TP316LMOD（尿素级）；焊条：-THERMANIT19/15（T.E.W.）-FOXEAEN25M(BOCHLER)-P5(AUESTA)OR-THERMANIT19/15H（T.E.W.）-2RM69(SADVIK)-FOXEAEN25M-IG(BOCHLER)三．改造方案拆除原有10块塔盘，全部更换为波形塔板，并在塔底部16mm空间内增设5块波形塔板。共重新安装15块新塔盘，如下是波形尿素合成塔盘结构图图4波形尿素合成塔盘结构图1)该改造项目，与尿素合成塔的大修同时进行，所有施工按《尿素合成塔（R-101）维护检修规程》进行。2)由于检修工期短，编制了严格的检修计划，准备了一定量的备品配件，因合成塔内件需拆装，内件与紧固件因腐蚀等原因可能须更换。3)标出图纸标高，在此标高处定出方位，在需要焊新支耳的位置处将旧衬里打磨干净。4)焊接临时支承架、组对圆垫板为一个圆环并点焊，将相应的塔板吊入塔内试装 ，校对圆垫板的位置。1)找准位置后，完成支承架的焊接，完成圆垫板的焊接。2)拆除支承架与圆垫板的连接，对焊缝进行检查。3)安装圆垫板，校调尺寸，安装塔板，保证周边间隙，留一分块作通道四、改造实施情况2006年5月25日，按厂部计划尿素装置进行长停，对包括合成塔在内的所有设备进行彻底的置换、倒空、降温5月30－6月10日，对合成塔内壁进行腐蚀情况检测和塔壁修复6月10日－6月20日，对旧塔盘拆除和新塔盘安装6月21日开始对合成塔进行试压、升温做投料准备工作。7月8日，尿素装置投料，60％负荷生产。7月20日，100％负荷生产。五、合成塔改造前后效果对比1．高压圈情况15层新型高效塔板安装后，从工艺操作上来看，操作性能基本平稳，特别是满负荷情况下，合成塔压力和高压圈压力基本稳定在15.5MPa左右，塔底、塔顶温度分别为173℃和188℃，与模拟计算吻合，塔顶的最高温度变化不大，除合成塔底部温度分布有一定变化外（改造前塔底部温度178℃），其它操作条件基本维持原状。以下是合成塔改造后CO2转化率及相关数据表：表1：合成塔改造前CO2转化率及相关数据表日期生产负荷KNM3CO2转化率％氨碳比水碳比合成塔压力MPa塔底部温度℃塔顶部温度℃汽提塔出料温度℃6月2日16:302856.63.380.9015.56178.4187.7199.56月3日0:302858.03.360.6915.39177.1187.5198.69:002856.73.450.8815.46178.3188.8199.516:302857.03.390.7815.55178.4187.8200.76月4日0:302856.63.470.6615.60178.5187.7199.5 9:002857.13.400.8715.58177.1187.5200.116:302856.63.360.7915.57178.1188.0199.96月5日0:302857.53.480.7215.48178.4187.8200.79:002856.93.570.6515.55178.4188.7199.816:302857.13.420.7415.55177.3187.5200.96月6日0:302856.93.460.6115.56178.3187.0199.59:002857.53.540.7315.46178.4187.8200.816:302856.83.380.6015.57178.4187.7199.56月7日0:302857.73.500.8615.47177.6187.5200.0平均值57.073.440.7415.5178.05187.78199.9表2：合成塔改造后CO2转化率及相关数据表日期生产负荷KNM3CO2转化率％氨碳比水碳比合成塔压力MPa塔底部温度℃塔顶部温度℃汽提塔出料温度℃8月2日16:302862.363.390.9015.56173.4188.7203.58月3日0:302860.063.360.6915.39174.1188.5203.69:002861.803.490.8815.46172.3188.8203.516:302861.493.130.7815.55173.4188.8203.78月4日0:302860.473.360.8815.56172.5188.6204.59:002862.343.460.5815.49173.8188.9203.916:302862.133.420.5715.55174.1188.8203.48月5日0:302858.503.500.5615.49173.5188.6204.59:002861.333.510.5915.58173.6188.6204.116:302860.973.570.6715.48173.2188.5204.0 8月6日0:302861.973.470.5715.55173.2188.8204.09:002861.853.490.6015.48173.1188.9203.516:302861.923.190.7315.57173.5188.9204.58月7日0:302860.363.190.7515.46173.7188.8204.39:002859.853.400.9915.50174.2188.8204.216:302860.693.430.8215.49173.1188.7204.38月8日0:302861.163.410.7515.55173.3188.9203.59:002860.423.460.8615.46173.6188.7203.816:302861.733.100.7215.55173.6188.7204.18月9日0:302860.973.410.6915.58174.6188.6204.09:302861.403.460.6715.57174.1188.5203.516:302859.203.390.9015.50174.6188.6204.7平均值61.043.390.7315.51173.5188.7203.9从以上数据比较可以看出，高压圈操作情况比改造前有明显好转。（1）衡量改造是否有效的主要指标是合成塔内CO2转化率，从分析结果来看，满负荷时CO2转化率在改造后能达到60％左右，比改造前的转化率提高了约3－4％。（2）从气提塔出料温度可以看出，CO2转化率提升后，气提塔出料温度上升了3－4℃，减少了汽提塔的负荷，而且汽提塔壳侧蒸汽加热压力由原来的2.35MPa下降到了2.2MPa，节约了中压蒸汽约，经济效益显著。（3）合成塔塔底、塔顶温度分别为173℃和188℃，温差拉大，说明塔内反应良好，而且合成塔内CO2转化率提高了约2%，增加了装置操作弹性和生产能力，装置运行更加安全、稳定。2．中低压系统情况改造前中低压系统主要存在的问题是：（1）由于合成塔转化率低，使汽提塔出料温度低，高压系统负荷后移到中低压系统，中低压放空量大，中压放空阀位在40％左右，低压放空阀位在70％左右。（2）中压吸收塔吸收负荷重，操作弹性小，操作难度大。（3）由于高压系统负荷后移，使中压钾铵分解温度提不起来，又造成低压系统负荷加重。 改造后由于中低压负荷得以减轻，中压吸收塔操作难弹性明显增大，并且中压放空阀位降低到5％左右，低压放空能够全部关闭，中压放空气中的氨含量也由原来的15%降到5%,减少了氨损失。3．蒸发和水解系统情况改造前蒸发和水解系统主要存在的问题是：（1）由于蒸发系统负荷大，二段蒸发真空度提不起来，二段蒸发空气吸入阀始终处于关闭状态，而且蒸发表冷容易出现堵塞，停造粒次数多，影响成品质量。（2）解吸塔处理负荷大，工艺冷凝液中氨含量高达8％，使解吸塔工况时常出现不稳定，处理后的工艺冷凝液中氨含量高达80ppm，影响环保指标的完成。改造后蒸发和水解系统负荷得以减轻，二段蒸发空气吸入阀有了调节的余地，成品质量明显好转。入解吸塔的工艺冷凝液中氨含量降低到6％，处理后的工艺冷凝液中氨含量降到20PPm以下。六、小结尿素合成塔塔盘改为波形高效塔盘后，二氧化碳转化率明显提高，装置操作弹性比改造前增大，解决了高压系统负荷后移问题，降低了中低压系统放空量，减少了氨损耗，节约了蒸汽。