CO2气提法尿素装置设备内件技术改造

张海生

(安徽昊源化工集团有限公司，安徽 阜阳　236000)



CO2气提法尿素装置设备内件技术改造

张海生

(安徽昊源化工集团有限公司，安徽 阜阳236000)

摘要：通过对CO2气提法尿素装置合成塔、精馏塔、解吸塔与水解塔等高低压设备进行塔盘与内件改造，提高了CO2转化率，降低了系统氨耗与蒸汽消耗，延长了设备运行周期，使装置运行更加安全、可靠。同时解吸废液处理水平大幅提升，达到环保排放与高品质的回收。

关键词：内件；转化率；运行周期；氨耗；蒸汽消耗

0引言

安徽昊源化工集团有限公司现有两套斯塔米卡邦二氧化碳气提法工艺尿素装置，第一套于2010年5月开车运行至今，包括合成塔在内的所有高低压塔器基本上是按照设计院的设计完成加工制造的，虽做了一些改进，但从实际运行效果来看并不太理想，其工艺消耗水平包括一些设备内件的使用周期，并没有达到预期的目标。为此尿素车间在2013年新上的一套工艺装置上针对这些问题做了深入的研究和改进，特别是在塔器的内件上做了很多改造，运行至今，效果显著，氨耗、蒸汽消耗明显降低，解吸水解废液处理水平以及设备运行周期上都有了很大的提升。

1气提法尿素装置设备运行状况分析

斯塔米卡邦二氧化碳气提法尿素装置高压圈主要由四个设备组成，其工艺与传统的水溶液全循环法尿素工艺不同，合成尿素的反应实质上采用的是两段合成，既NH3和CO2生成甲铵的放热反应是在高压甲胺冷凝器中进行的，甲铵的脱水生成尿素的反应在合成塔内进行。气提塔的作用则是在与尿素合成反应相同的压力下，在通入CO2气体的同时，加热合成反应液，促使合成反应液中的甲铵分解并逐出游离NH3和CO2，使未反应物得到第一次分解。合成塔气相中的未反应的NH3和CO2通过高压洗涤器吸收，所产生的高压甲铵液再经高压喷射器返回高压甲铵冷凝器。由于在与尿素合成反应相同压力下，汽提塔内采用溶解性较小的二氧化碳气提作为气提剂，氨的回收率高，因此只设置了一个低压循环段，气提塔出液通过减压阀直接进入精馏塔进行未反应物的第二次分解。出精馏塔的气相进入低压吸收冷凝段，通过低压甲胺冷凝器吸收其分解出的NH3和CO2气体，低压甲胺冷凝器是一种U形管式换热器，也叫作浸没式冷凝器，其冷凝吸收产生的甲铵液进入低压甲铵液位槽贮存再通过甲铵泵进入高压洗涤器，作为其吸收液再返回高压系统。

二氧化碳气提法尿素装置一般都设有解吸水解系统，用以回收工艺冷凝液中的NH3和CO2，使废水排放达到环保要求或作为高品质的水供给其他工段使用。

第一套气提法尿素装置的高压圈四个设备全部由大连金州重型机器有限公司加工制造，其中合成塔是关键设备，塔总高27 514 mm，内径2 680 mm，共设有15块塔盘，由原厂设计并制造，塔盘形式为传统平面筛板塔盘。汽提塔、高压甲铵冷凝器、高压洗涤器及低压部分设备包括精馏塔、低压吸收塔、常压吸收塔等没有太多改动，均按标准“合成氨尿素18.30原料路线改造项目工程”设计制造。解吸水解系统：解吸塔总高34 290 mm，内径1 200 mm，内件采用的是规整填料，水解塔总高26 340 mm，内径1 800 mm，内件为平面筛板塔盘。此套装置设计能力为年产30万t，自2010年装置开车一来，CO2化率为57%-58%，氨耗、汽耗一直略高，分别为0.570 t/t尿素和1.0 t/t尿素左右，解吸废液氨含量和尿素含量也一直偏高，解吸废液含氨量平均在34×10-6左右，尿素在60×10-6左右，解吸水解系统蒸汽消耗偏高，系统氨耗偏高。除此之外，精馏塔、常压吸收塔、低压吸收塔以及解吸塔填料使用周期都不超过2年，增加了运行成本。通过总结几年的运行状况及深入研究，分析其原因主要有几点：

首先，高压设备，其关键设备是合成塔。尿素合成反应在合成塔内进行，根据反应机理，合成塔的设计首先要保证物料有足够的停留时间，其次，因物料密度等原因引起的返混较明显，物料的返混将使反应速度减慢，降低出口物料中尿素的含量，为了减少物流的返混，合成塔内均装有数目不等的塔盘，从而提高反应效率。传统意义上的塔盘设计包括平筛板塔盘、泡罩塔盘、径流式塔盘等等，往往只注意到了以上两点，而另一个重要的问题在于合成塔内的反应还要考虑到要加强气液间的传热与传质，这也是提高反应效率的一个重要方面。合成塔内主要进行的是甲铵脱水生成尿素的反应，其反应过程较慢，但这不是说，反应物一进入合成塔内，甲铵生成过程即告结束，保持合成塔内的停留时间是为了使其反应尽可能的达到或接近化学平衡，其整个的过程包括几步：首先，气相中的NH3和CO2通过传质进入液相；其次，液相中的NH3和CO2反应生成甲铵；然后，甲铵转化为尿素和水，以及反应产物部分进入气相。在整个过程中，一直有两相共存。虽然合成甲铵的反应是瞬时的，但气相NH3和CO2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，并不断反应。

在尿素合成塔内，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、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的状况，一般认为，气泡越小、比表面积越大、气相分散越均匀越有利于气液两相间的传质，越有利于提高反应效率。所以，采用传统平面筛板塔盘的合成塔在气液两相间的传热传质有所欠缺，造成合成的反应达不到最理想的状态。

其次，低压部分，精馏塔、常压吸收塔、低压吸收塔填料段采用的填料材质均为316L，从使用效果来看，由于受工艺波动影响，在不到两年的时间内腐蚀损坏较严重，最终不得不在检修期间重新更换，并且这三个塔固定填料的压栅也不牢固，之前设计为80目的丝网，材质为316L，丝网虽有几层并用螺栓与塔体连接，但牢固性依然不好，很多厂都出现过丝网被腐蚀冲掉以至于填料通过低压吸收段进入甲铵泵的进口的情况发生，严重影响系统运行安全与稳定。另外，低压甲铵冷凝器液位槽的容积也设计的不够，虽考虑到了液相平衡，但气相空间太小，导致低压出气时常带液，出气管线易结晶堵塞，低压循环系统压力不稳定。解吸塔使用的规整填料其效果也被证明不理想，一是解吸效果不佳废液氨含量和尿素含量一直偏高，达不到设计要求，目前解吸废液含氨量平均在34×10-6左右，尿素在60×10-6左右。二是规整填料容易被冲散并容易腐蚀，之前就曾经发生过解吸系统工艺严重不正常，系统超压，后停车检查发现，冲散腐蚀烂的规整填料大量聚集在解吸塔出气管到回流冷凝器的连接处，堵塞了解吸气相管道，造成系统不正常。

2新上装置设备内件的改造

针对在运行过程中所碰到了问题以及物料消耗问题，尿素车间做了大量的工作，通过多方咨询与技术交流，制定了改造方案，在新上装置上进行试运行，主要分为几点：

2.1　高压系统设备改造

主要是合成塔塔盘改造，摒弃原有的传统平面塔盘，改用技术已经成熟的高效波形塔盘，并将塔盘数量减少到11块，此波形塔盘，介质通过时，气、液相分道，流动稳定，传质效率较传统塔板有明显提高，并且其产生的小气泡增大了比表面积，分布更均匀，有利于提高传热和传质的效率，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。塔盘开孔率自下而上2.5%~0.7%不等。设计二氧化碳转化率60%(传统塔盘58%，相当于平衡转化率的90%)。

2.2　低压部分设备改造

首先，将精馏塔、常压吸收塔、低压吸收塔的填料材质由原先设计院设计的316L，改为耐腐蚀效果更高的316MOD，虽然投资成本有所增加，但运行成本会相对节约。其次，将填料压栅改成8 mm后的压板，压板上开满小孔，通过计算满足介质的流通量，不增加阻力，这样既提高了设备的使用周期，又确保了分解回收系统的稳定。然后，通过计算适当加大低压甲铵冷凝器的换热面积及液位槽的容积，增加低压甲铵液的气相空间，使得低压系统压力更稳定，吸收效果明显提升，低压放空量减小。

2.3　解吸水解系统设备改造

解吸水解系统，解吸塔内件摒弃运行不佳的规整填料，为了提高解吸废液氨的净化回收率，降低能耗，改用高效喷射型塔盘，在高30 m的解吸塔内设立60块高效喷射型塔盘，上部第一解吸塔20块塔盘，下部第二解吸塔40块塔盘，并将水解塔内径加大为2 000 mm，塔盘数量增加为32层。此高效喷射型塔盘结构上具有创新性，塔板由喷射罩、端板、喷射板及分离板组成，喷射罩两侧开有数量不等的小孔，气液体通过时传热传质效果更佳，液体在塔板上，经过拉膜提升、破碎、碰顶返回、喷射、互喷、分离六个步骤，在塔板至罩顶的立体空间中和气体完成传质，其空间利用率达40%-60%，氨的解吸及尿素水解效果明显提高。

3改造后装置的运行效果

通过一系列的设备改造，从工艺操作上看，系统运行平稳，合成塔压力与温度稳定，低压分解吸收效果较好，解吸塔出气出液温度以及水解塔下部温度完全达标，以下是合成塔塔盘改造后CO2转化率，以及解吸水解系统设备改造后废液处理水平的相关数据考核表如下表所示：

表1　未改造尿素装置CO2转化率二个月数据如下:

表2　改造后尿素装置CO2转化率二个月数据如下:

从表1和表2的对比可以看出合成塔采用高效波形塔盘，CO2转化率提高了1-2个百分点，吨尿素平均少用液氨约4 kg、蒸汽约25 kg。从表3和表4的对比可以看出解吸系统通过此次改造，蒸汽消耗明显降低，氨损失减少，废液中氨含量降低为5×10-6左右，尿素含量在5×10-6以下。如果按年产40万t计算，每年节省的液氨和中压蒸汽所节约的经济效益将超过几百万元，效益相当可观。

表3　未改造尿素装置解吸废液二个月数据如下:

表4　改造后尿素装置解吸废液二个月数据如下:

4结论

通过对高低压系统部分设备的改造，尤其是合成塔塔盘与解吸塔塔盘的改造，不仅提高了合成转化率，增加了装置操作弹性和生产能力，使装置运行周期更长，更加安全、稳定，同时由于低压负荷得以减轻，低压放空量明显变小，减少了氨损失。蒸发和水解系统负荷也得以减轻，系统氨耗、汽耗均得到降低，达到节能降耗的目的。解吸废液也达到了排放标准，处理后的工艺冷凝液中氨含量降到5×10-6以下，尿素含量降低到了5×10-6以下，达到节能降耗与环保排放的目的，获得了经济效益与社会效益的双丰收，具有较好的社会推广价值。

参考文献：

[1]袁一,王文善.尿素《化肥工学丛书》·[M].北京:化学工业出版社,1997.

[2]万勇.尿素合成塔高效塔板的应用[J].大氮肥,1998,21(3).

Technological transformation of CO2Stripping Urea Plant Equipment Trim

ZhangHai-sheng

(Haoyuan Chemical Industry Group Co., Ltd., Anhui Fuyang 236000,China)

Abstract：By means of CO2Stripping Urea synthesis column, distillation, and hydrolysis desorption tower tower high and low voltage equipment for the tray and the inner member transform and improve the CO2conversion rate, reducing system ammonia consumption and steam consumption, extend the equipment operating cycle, so that means more safe and reliable. Meanwhile desorption effluent treatment has increased significantly, reaching environmental emission and high quality recycling.

Key words：member; conversion rate; operating cycle; ammonia consumption; steam consumption

中图分类号：TK423

文献标志码：B

文章编号：1003-6490(2015)06-0035-04

作者简介：张海生(1973),男，汉族，安徽阜阳人，1996年7月毕业于安徽化工学校，曾获得阜阳市科技进步奖一等奖两项、专利技术四项等，现任安徽昊源化工集团有限公司副总经理兼任生产办主任。

收稿日期：2015-08-08