中国径流式尿素合成塔(cdfr)

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1、中国径流式尿素合成塔（CDFR）（第2代尿塔）创新·发明节资·节能五环科技股份公司武汉大连松海石化检修工程有限公司大连2010·10提要1.什么是“径流式尿素合成塔”？2.什么是“轴流式尿素合成塔”？3.返混和短路是世界性难题4.返混和短路的测定5.第1代尿塔为什么会返混和短路？6.第2代尿塔为什么CO2转化率高？7.CDFR的节资情况表8.CDFR的节能9.第2代/第1代尿塔比较10.第2代尿塔业绩表11.甲铵和尿素反应速度12.CO2-H2O系统液相返混模拟计算13.实用新型专利证书1.什么是“径流式尿素合成塔”？径流式尿素合成塔（CD

2、FR）又称第2代尿塔，是中国科技人员的发明，具有独立自主知识产权，是指尿塔内的气体和液体两相混合物自下而上沿径向（与水平无孔塔板相平行）流动的新型尿塔（见图1）。L液体○径向流图1中国径流式尿素合成塔气液径向流动图G气体2.什么是“轴流式尿素合成塔”？图2轴流式尿素合成塔气液轴向流动图轴流式尿素合成塔又称第1代尿塔，是60多年来国内外一直沿用的塔型。塔内的气体和液体两相混合物自下而上沿轴向（与水平多孔塔板相垂直）流动的传统尿塔（见图2）。L液体○轴向流G气体3.反混和短路是世界性难题轴流式尿素合成塔（第1代尿塔）的缺点至今六十年来荷兰，斯塔

3、米卡邦（Stamicarbon)没有解决意大利，斯纳姆普鲁盖蒂（Snamprogetti)没有解决日本，东洋工程公司（TEC)没有解决瑞士，卡萨利（CASALE)没有解决中国尿素工业没有解决第1代尿塔的缺点是：1.CO2转化率低2.蒸汽消耗高4.轴流式尿素合成塔的液相返混和短路的存在及其严重程度气泡伴随液相返混是自然现象，是客观规律。1.合成塔生产强度8.0t/m3·d；2.合成塔生产强度8.5t/m3·d；3.合成塔生产强度9.0t/m3·d图3合成塔内返混情况的测定从图3中数据可以知道：一是，存在液相返混，返混率（）达到1.39至2.3

4、0。指示剂逗留时间无返混逗留时间二是，存在液相短路，指示剂加入塔内后几分钟就流到塔顶，从塔顶出口取样分析点就检测出指示剂。5.第1代尿塔为什么产生严重的液相返混和短路？第1代尿塔是经典古老直立圆筒连续操作的气液鼓泡反应器。由于在尿素合成塔理论认识上的原因而采用了不正确的尿塔结构设计方案：从流体力学分析，可以知道：由于上述原因，第1代尿塔的CO2转化率是达不到最大化的。多孔板助长了液相轴流返混，使返混严重化。（见图4）环形间隙提供了液相短路的条件，减小了进塔物料的逗留时间。（见图5）两相轴向并流与返混路程叠加，缩短了进塔物料的逗留时间。（见图

5、4）图5第1代尿塔液相短路示意图○空心气泡，气泡群●实心大的液珠、液块○空心气泡液相流动短路流动一是，从气体扩散系数（D/m2/s）理论出发，采用多孔塔板（尽管开孔形式各种各样），目的是增加吸收表面积（F）。二是，在塔板和塔壁之间设计有宽度为4至15mm的环形间隙。三是，气液两相在塔内自下而上沿轴向流动。图4第1代尿塔液相返混示意图多孔塔板返混液环形间隙衬里6.中国径流式尿素合成塔（CDFR）为什么CO2转化率ηCO2高？流体力学分析（见图6）6.2CDFR在流体力学上：当a,b,t,p一定条件下，则ti大，ηCO2大。6.1CDFR采用了

6、与第1代尿塔截然不同的独特的创新结构设计：图6CDFR流体力学分析采用无孔塔板；塔板与衬里之间无环形间隙；气液两相在塔内径向同向流动。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。6.3CDFR的优点：气液两相径向同向流动，局部液相轴向返混。在主体径向流体水平推力（F）作用下沿着径向流动，两者叠加不产生径向返混作用现象，所以径向流体在塔内逗留时间最长；没有环形间隙，没有产生液相短路的条件。所以没有液相短路，保证了塔内流体逗留时间最长。6.4CDFR为什么CO2转化率（ηCO2）高？工业尿塔的ηCO

7、2是进塔a(NH3/CO2)，b(H2O/CO2)，塔顶操作温度t，操作压力p，和逗留时间ti的函数：在CDFR内流体在塔内逗留时间ti最大，所以CO2转化率ηCO2最高。进塔物料在塔内无返混和短路的逗留时间，对应进塔物料在塔内有返混和短路的逗留时间，对应图7ηCO2与ti关联图○气体F径向液体水平推力L液体流动方向●液滴轴向返混FηCO2-ti曲线a,b,t,p恒定7.CDFR的节资情况表背景：第1代尿塔采用增加塔板数量的方法来减少返混，但是不能消除返混。塔板数目越用越多,CO2转化率不能最大化。例如：某厂44m3尿塔共安装39层多孔塔板

8、。某厂23m3尿塔共安装30层多孔塔板。显然，塔板层数越多，投资越高，安装与检修时间多。CDFR是采用最适宜的塔板数，最低投资费用，达到CO2转化率的最大化。与第1代尿塔相比，节