尿素合成塔的优化研究

苑媛媛 焦金华 山东华鲁恒升化工股份有限公司

一、尿素合成塔结构及功能

（一）尿素合成塔

尿素装置主要设备之一是尿素合成塔。在尿素合成过程中其最重要的功能是对甲铵进行脱水。因为甲铵脱水反应的速度比不上CO2与氨冷凝成甲铵的速度，所以为了让尿素合成反应更加完全，与平衡时CO2的转化率更为接近，需要物料在合成塔中具备足够的反应停留时间。因此，尿素合成塔的容积设计依据就是物料在装置中的停留时间。

（二）尿素合成塔的结构与流程概述

气、液体从高压甲铵冷凝器出来后分别由底部气体进口和液体进口接管进入尿素合成塔。在合成塔底部的去高压喷射器将小部分甲铵与尿素混合输送到高压喷射器，再跟液氨一同进入到高压甲铵冷凝器，其目的是为了避免在生产不正常使高压喷射器抽吸尿素合成塔的混合液。物科进入塔底以后，从下往上依次通过合成塔内的筛板，反应后的溶液经过出料管从塔底流出，未反应的CO2、NH3和惰性气体从合成气出口流出到高压洗涤器。尿素合成塔的设计是直立圆筒状，里面设有液位测量套管，塔壁上设有测量塔壁温度的温度计接口。尿素合成塔的主要组成部分包括筒体、筛板和仪表监控设备[1]。

二、CO2 汽提法合成尿素的步骤

二氧化碳汽提法的合成尿素过程可以简要地概况为4 个环节：原料二氧化碳的压缩以及液氨的加压；在合成塔中合成尿素并且在高压条件下运用二氧化碳汽提合成反应液，把反应液里还没有反应的二氧化碳大量汽提出来，它们重新回到尿素合成塔进行循环利用；溶液经过汽提后，把压力调低并且加热，进一步地对还没有反应的二氧化碳和氨进行回收，回收液被冷凝吸收后返回到尿素合成塔，这个回收过程也叫作循环过程；尿素溶液的蒸发和造粒[2]。

三、影响尿素合成塔CO2 转化率的因素及其优化措施

（一）温度的优化

有研究表明，尿素合成效率刚开始随温度升高而呈正比例增长，但到达某个温度之后（通常在200℃左右）又会出现下降趋势。从CO2汽提法提炼尿素的工艺中合成塔内产生的化学反应来看，包含液氨和二氧化碳反应生成甲铵，甲铵再脱水生成尿素和水两个过程：

其中：（1）是放热反应，（2）是吸热反应，由于甲铵生成尿素的反应（2）为吸热反应，因而尿素合成效率刚开始随着温度的升高而增大；然而当温度升高到一定程度以后甲铵向左平衡转移变为NH3与CO2转化率慢慢接近甲铵脱水生成尿素的速度。因此，在一定的NH3/CO2、H2O/CO2条件下存在一个最大转化率的最佳温度。优化措施：在最佳温度条件下进行操作。通过在一定的 NH3/CO2、H2O/CO2条条件下求最大转化率，得到转化率最大时候的温度即为最佳的合成操作温度。

（二）氨碳比的优化

氨碳比就是物料中NH3与CO2的摩尔比，从化学平衡移动原理中可知，反应物料中氨浓度的增大，会促进二氧化碳往生产尿素的方向发展，即提高尿素平衡转化率。实验表明，在一定的气压和温度、水碳比条件下，氨碳比从3.70 增大到4.22 时，尿素平衡转化率从64.4%增大到67.2%，当氨碳比增大到4.51 时，尿素平衡转化率则进一步增大到68.6%。优化措施：提高合成尿素物料的氨碳比。氨碳比的提高（或降低）可利用进料调节器实现，然而物料中NH3也不是越多越好，会过多会降低系统利用效率，增大能耗和设备负荷，一般比较理想的氨碳比约为3.5[3]。

（三）水碳比的优化

水碳比即原料中H2O 和CO2的摩尔比，从尿素合成的化学平衡公式可看出，H2O 增加，会对尿素的合成造成不利影响，H2O/CO2增大了会使降低尿素转化率。例如有实验表明，在一定温度、氨碳比条件下，H2O/CO2从0.3 增大到0.5 时，尿素平衡转化率将从73.27%降低到69.75%，而当H2O/CO2增大到0.7 时，尿素平衡转化率将进一步降低到66.23%。优化措施：降低原料中的水碳比。一般通过控制低压甲铵液中H2O 含量实现，例如增大系统压力，有利于甲铵的生成和减少CO2含量，并且通过综合控制低压系统、水解系统，大幅减少H2O返回到高压系统，从而降低系统的水碳比。

（四）传热与传质的优化

从前述尿素合成的两个化学反应可知，反应（1）合成甲铵是放热反应，反应（2）甲铵脱水生成尿素为吸热反应。因此，使反应（1）的热量加快散热速度，并对反应（2）进行加热，促进反应器的热量交换，有利于提高合成尿素的转化率。优化措施：加强设备的传热与传质。比如在合成塔下面增加塔板，根据气相介质的改变对塔板的结构进行重新组织，塔板自下到上逐渐减小开孔率，促进气相和液相的充分混合，并加快热量的传递；按照物料在合成塔中的流动情况调整塔径方向性塔板开孔密度，使物料流经塔板以后顺着塔径方位的速度散布愈加规律[4]。

（五）化学反应停留时间的优化

科学安排化学反应的停留时间，以促进物料在塔内的停留时间更加一致，降低物料的返混。因此，在塔板的设计过程中要充分考虑物料在塔中的流动状态，使物料在流经塔板以后沿塔径方向的速度分布愈加规律。

四、结语

尿素可以制成多种复合肥料，在工业上也有广泛的用途，还可以作为医药、农药、香料等中间体的原料。因此，尿素既是高效氮肥、复合肥的重要组分，也是各种工业生产的重要原料。