1、现代工业化学课程考核论文题目：尿素增产扩能装置中合成塔的改造班级：化学 11-1BS学号：14111700409姓名：喻 杰1摘要：尿素是一种重要的化学肥料，化学分子式为 CO(NH2)2，化学名称是碳酰二胺；纯尿素的含氮量为 46.65%，远远高于硝铵等氮肥；随着农业的发展以及人口的增长对农作物增产的依赖，对尿素的需求也在不断地增长，使得尿素生产装置的新建、改建和扩建成为必然。而尿素合成塔是尿素装置的关键设备，合成塔转化率的大小直接影响到尿素工艺的能耗水平，尿素合成塔塔盘的设计和制造直接决定了尿素合成塔的合成转化率。可以通过将尿素合成塔的塔盘由原来平筛板结构改为波形高效节能塔板后，以提高合成
2、塔内 CO2转化率。关键词：尿素、增产扩能、合成塔装置改造Abstract：Urea, formula CO(NH2)2, named carbonyl diamide alternatively, Nitrogen percentage composition of pure urea is 46.65%，which is far higher than those of the ammonium nitrate,it is an important chemical fertilizer. With the development of agriculture and the growth
3、 of population dependence on crop production, the demand for urea is in constant growth, make the urea production plant construction, rebuilding and expansion of become inevitable. The urea synthetic tower is the key of the urea plant equipment, directly affects the size of the urea synthetic tower
4、conversion process of energy consumption level, urea synthesis tower tray directly decided to design and manufacture of the synthesis of urea synthesis tower conversion rate. Can through the urea synthetic tower tray by the original flat sieve plate structure to waveform, high efficiency and energy
5、saving after the plate in order to improve the synthetic tower CO2 conversion.Keywords: urea, increase production capacity, synthetic tower plant modification2目 录1 摘要12 前言33 尿素生产工艺技术33.1 氨气提法工艺技术33.2 装置工艺的主要特点43.3 氨气提法工艺的特点44 国内外对尿素合成塔装置改造技术概况44.1几种不同的尿素合成塔塔盘的结构现状和发展状况54.1.1 水溶液全循环法尿素生产工艺的合成塔塔盘54.1.
6、2 二氧化碳气提法尿素生产工艺的合成塔塔盘54.1.3 氨气提法尿素生产工艺的合成塔塔板64.2中国五环化学工程对尿素合成塔塔板结构的改进65 合成塔目前存在的问题及其改进76 结束语97 参考文献103前言尿素是一种重要的化学肥料，化学分子式为 CO(NH2)2，化学名称是碳酰二胺；纯尿素的含氮量为 46.65%，远远高于硝铵等氮肥；尿素与其他肥料组合，如钾肥，可成为复合肥料 1。尿素甲醛树脂用于生产塑料、漆料等作工业原料，在化工中作炼油的脱腊剂，在军工中作炸药的稳定剂，在医药中也有广泛的用途。随着农业的发展以及人口的增长对农作物增产的依赖，对尿素的需求也在不断地增长，使得尿素生产装置的新建
7、、改建和扩建成为必然。现代尿素的生产方法，主要是以氨和二氧化碳为原料进行合成的。随着防腐材料的研发使用和设备改进完善，尿素的生产规模不断扩大，也形成了各种生产工艺方法，本文对尿素的各种生产方法做了简要介绍，对尿素的氨气提法生产工艺做了较为详细的介绍。尿素合成塔是尿素装置的关键设备，合成塔转化率的大小直接影响到尿素工艺的能耗水平，尿素合成塔塔盘的设计和制造直接决定了尿素合成塔的合成转化率。而且设计不合理会致使整个负荷后移、打破了装置水平衡、水解系统处于高负荷运行、导致水解系统工艺冷凝液氨含量超标等问题。因而本文重点介绍了国内外对尿素生产工艺中合成塔的改造情况，以便对尿素装置增产扩能改造中合成塔的
8、选用提供思路。1、尿素生产工艺技术目前，国外大型尿素装置生产工艺主要有如下几种流程 2：荷兰斯塔米卡邦 Stamicarbon CO2气提法流程、意大利斯那姆 Snamprogetti 氨气提法流程、意大利蒙蒂迪生等压双气提 IDR流程、日本 TECMTC 的 ACES 流程、美国 UTI热循环法流程、瑞士卡萨里（Ammoina Casale）公司流程。其中，二氧化碳气提法工艺和氨气提法工艺为目前世界上建厂最多，且最有竞争力的生产技术 3。国内大型尿素装置是二十世纪七十年代才开始从国外引进的，其尿素生产工艺主要采用荷兰斯塔米卡邦 CO2气提法、意大利斯那姆氨气提法。1.1 氨气提法工艺技术19
9、66 年，意大利 Snamprogetti 公司开发了氨气提法尿素生产工艺，该工艺4由以下工序组成 4：高压圈包括尿素合成塔，气提塔，甲铵冷凝器，甲铵分离器和甲铵喷射器；中压分解吸收系统的设置与我国传统的水溶液全循环尿素工艺相近，中压分解系统设置了中压分解加热器和中压分解分离器，而中压吸收系统则设置中压吸收塔和中压冷凝器、氨冷器及中压惰性气洗涤塔等；低压分解吸收系统包含分解器及两段冷凝器；真空蒸发系统包括了预浓缩在内的三段真空蒸发和冷凝，并设置了工艺冷凝液处理工序，真空蒸发后的尿液送入最终造粒工序。1.2 装置工艺的主要特点 61) 高压合成系统在反应压力 15.2MPa（g） 、较高的反应温
10、度 186189和 NH3/CO2（mol）3.23.6， H2O/CO2（mol）0.50.7 下进行,合成转化率设计为 62.5%以上。2) 合成反应物在略低于合成压力下进行加热气提分解和气提气的冷凝，气提塔采用钛金属管，气提塔温度高达 200以上。3) 高压甲铵冷凝器为卧式，利用甲铵冷凝热副产 0.4Mpa 低压蒸汽供后续工序利用，热回收利用较好。4) 高压合成气提冷凝并利用高压喷射器加压输送甲铵液，以使高压圈主要设备为平面布置。5) 设置中、低压分解和循环回收系统以使装置操作弹性增加。6) 气提塔使用钛材，可以提高气提温度和增加装置的操作弹性，一般在 3050%低负荷下也可以稳定运行
11、5。7) 由于氨/碳（摩尔比）控制较高，合成气提和中、低压分解系统中含有大量的过剩氨，对减轻设备和管道系统的腐蚀有利，相对而言所需的防腐钝化空气量较少。1.3 氨气提法工艺的特点 6通过热气提法方式，使更多的未转化物直接返回。高压圈内高压冷凝器副产蒸汽，有利于能量的利用。合成系统采用高氨碳比，有助于减少设备腐蚀，减少防腐空气的用量。但此法效率不如二氧化碳气提法，且其流程长，需设中5压分解循环，配套设备较多。2、国内外对尿素合成塔装置改造技术概况尿素合成塔是尿素装置的关键设备，合成塔转化率的大小直接影响到尿素工艺的能耗水平，尿素合成塔塔盘的设计和制造直接决定了尿素合成塔的合成转化率。2.1 几种
12、不同的尿素合成塔塔盘的结构现状和发展状况。2.1.1 水溶液全循环法尿素生产工艺的合成塔塔盘我国的水溶液全循环法尿素生产工艺装置的建设和投产始于六十年代。1964年初，泸天化开始引进荷兰的 Stamicarbon(斯塔米卡邦)公司的水溶液全循环法尿素生产技术。1968 年第一套国产化的水溶液全循环法尿素生产工艺装置在石家庄化肥厂开始建设，于 1969 年投产。六十年代后期至八十年代初期，我国投资兴建一大批水溶液全循环法尿素生产工艺装置。早期尿素装置的合成塔为一个圆柱形的空容器，内部没有任何结构。由于水溶液全循环法尿素生产工艺技术相对落后，能耗高 7，国外工程基本上停止了对其的研究和开发工作，而
13、国内部分生产厂家经过不断实践和探讨，在七十年代，部分厂家在合成塔的内部安装了五块左右旋转板塔盘。其后，在引进的二氧化碳气提工艺的合成塔内部安装了筛板的启发下，对合成塔内部进行改造。在合成塔内部安装了十二块筛板，每一块筛板开孔数都一样。改进后的合成塔内部物流由混流变成平推流，强化了传质，提高了合成转化率 8。由于改进后的效果明显，在八十年代后期，国内各生产厂家均将其合成塔内部安装上了十到十二块筛板，即合成塔结构第一次的改造。2.1.2 二氧化碳气提法尿素生产工艺的合成塔塔盘二氧化碳气提法尿素生产工艺是荷兰的 Stamicarbon(斯塔米卡邦)公司的专利，我国于七十年代初期起，先后引进十四套大型
14、二氧化碳气提工艺法尿素生产装置，随后由中石化兰州设计院国产化三套。早期的二氧化碳气提工艺法尿素装置的合成塔为多孔筛板塔，一般为八到十块，其中第一到三块的筛板开孔数相同，第四到七块的筛板开孔数相同，第八到十块的筛板开孔数相同，筛板孔的直径为 68，如湖南洞庭氮肥厂等。6九十年代初，荷兰的 Stamicarbon(斯塔米卡邦)公司开始在其实验工厂对筛板进行改造实验，在筛板上设置升液管，使气相和液相走不同的通道，相对提高了合成塔的停留时间，提高了合成塔的转化率。八十年代末至九十年代初，国内一些尿素装置的大厂开始寻求增产改造的途径。1992 年，云南天然气化工厂与瑞士卡萨利尿素技术公司达成改造协议，生
15、产能力由 1680 吨/日增产至 1860 吨/日，其中合成塔的改造采用瑞士卡萨利专利，即在原合成塔底部安装了两块马鞍形塔板，其余的塔板未作改动。根据有关资料报道，合成塔的改造没有完全达到预期的效果。九十年代以来，荷兰的 Stamicarbon 公司对国内新建厂家的合成塔又有些改进，其改进内容主要是：1）由池式冷凝器取代原立式高压冷凝器，同时加大池式冷凝器的体积和减少传热面积，将甲铵在高压冷凝器中的停留时间由 40s延长至 20min,使氨和二氧化碳反应生成甲铵完全在池式冷凝器内进行。约 40%的甲铵脱水生成尿素的反应在池式冷凝器内进行，约 60%的甲铵脱水生成尿素的反应在合成塔内进行 9。因
16、此，合成塔的有效体积大为减少，合成塔的高度大为降低，同时将合成塔的塔板减少至五块，每一块塔板开孔数不一样，筛板的开孔数从下至上由多变少。另外还在塔板上设置了升液管。2)由于合成塔高度的降低，整个高压框架也随之降低，降低了投资，减少了操作费用。1996 年，中石化兰州设计院对湖北枝江大化的一套日产 1740 吨大型氨气提工艺法尿素生产装置进行了增产改造，其基本思路与瑞士卡萨利公司的技术相同。其中合成塔的改造在原合成塔的底部安装了两块多孔筛板，改造达到了预期的目的。2.1.3 氨气提法尿素生产工艺的合成塔塔板氨气提法尿素生产工艺是意大利 Snamprogetti 公司的专利，我国于九十年代在河南中
17、原化肥厂引进了一套日产 1740 吨大型氨气提工艺法尿素生产装置，1993 年山东济宁化肥厂上了一套日产 400 吨氨气提工艺法尿素生产装置，由中石化兰州设计院完成设计，其中合成塔板为多孔筛板，每一块塔板开孔数相同。九十年代后期，Snamprogetti 公司对合成塔板进行改造 10，其中第一到三块的筛板开孔数相同，第四到八块的筛板开孔数相同，第九到十二块的筛板开7孔数相同，筛板孔的直径为 8。2.2 中国五环化学工程对尿素合成塔塔板结构的改进中国五环化学工程公司开发新型高效合成塔塔盘是基于汽液传质原理开发的一种新型合成塔塔盘，它在塔盘上设置了升气孔，升液管。塔盘的设计确保气汽体与液体走不同的
18、路径，即气汽体从塔盘的升气孔上升，气体在塔盘下面形成一定的气体层。液体经升液管从下往上通过，同时在塔盘周边设有裙边以形成液封 11。气汽体在通过塔盘时形成无数细小的气泡，分散在尿液中，相对地增大了传质面积，提高了传质效率，使合成塔在能力增加较大的情况下，合成塔转化率不至于下降反而提高 23%（实测值） 。同时，出合成塔的尿液中的尿素净含量提高了约 3%，使装置的吨尿素蒸汽消耗降低约 100（对水溶液全循环法） ，装置的生产成本大大降低。3、合成塔目前存在的问题及其改进尿素合成塔是尿素装置生产的关键设备，尿素的合成反应在其中完成。由于合成塔存在 CO 2转化率较低的情况，致使整个负荷后移、打破了
19、装置水平衡、水解系统处于高负荷运行、导致水解系统工艺冷凝液氨含量超标等问题，同时，造成该装置中压蒸汽消耗较大，物能耗较高。要解决以上问题，必须解决装置负荷后移的问题，保持装置的生产运行处于一个平衡状态。而提高 CO 2转化率，是防止因高压部分尿素合成转化率低而导致负荷后移的关键。在目前装置设备、工艺不变的情况下，对尿素合成塔塔盘进行改造，采用更为先进的高效节能塔盘，以此提高 CO 2转化率，切实解决尿素装置目前存在的一些问题。随着对尿素合成机理的进一步研究，人们认识到，虽然 NH 3和 CO 2生成甲铵的反应瞬时即完成，甲铵脱水生成尿素的反应较慢，但这不是说，反应物一进入合成塔内，甲铵生成过程
20、即告结束，之后保持合成塔内的停留时间只是为了使脱水反应进行到所需求的程度。实际上，整个的过程包括几步：1)气相中的 CO2和（或）NH 3通过传质进入液相；2)液相中的 CO 2和 NH 3化合生成甲铵；然后，甲铵转化为尿素和水，以及反应产物（H 2O）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 8CO2和（或）NH 3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。因此，为进一步提高尿素合成的效率，必须在如何进一步防止物流返混与如何进一步加强气液相间的传质两方面加以充分考虑。现有的氨气提法尿素合成塔结构图如下。塔外筒材料为碳钢，内衬
21、不锈钢。塔底有两个进料管：一个二氧化碳气体入口，另一个是液氨和循环甲胺液入口。在其环侧开有小孔数百，塔内是等距安装十余块筛板，板上开有 1000-2000个筛孔。气体通过筛孔上升，液体通过筛板与内筒之间的环隙上升 6 。该塔板结构主要是防止反应液因物料密度变化而引起的物料返混，对气液相间的传质则考虑不充分。从传质角度考虑，该塔板主要存在以下几个方面的缺点：1）气相经过小孔时存在脉动现象经过平筛板的气相在塔内不稳定，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，并且气液两相接触面减小的现象。2）塔板上部存
22、在涡流物流是由下向上流动，过挡板时液相从环隙中向上，气相从孔向上，液相与气相并流流动。由于环隙较窄，液相通过时，流速较大，并且在物料密度差9的作用下，在挡板上方产生涡流。涡流内部的速度很慢，达不到塔内气泡群中心，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）对塔板开孔率的考虑不恰当在合成塔中，随着物流的上升，气相将越来越少，为保持通过小孔的气速基本相等，塔板开孔率应由大到小，但传统合成塔采用等孔径，显然，这种设计对气液相的传质考虑不充分，不利于提高反应效率。所以，在合成塔内件的进一步改造中，通常采用一些气液传质性能良好的塔板，如 Casale 高效塔板、波形高效节能塔板，以此
23、来提高尿素合成量。由于高效波形节能型塔板的制造较为方便，因而成为扩能改造的首选。现对其主要特点进行介绍：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。依据尿素合成的机理，对防止物流返混与加强气液相间的传质两方面的充分考虑，结合波形高效塔盘以上优点，从工艺技术的可靠性、设备制作维护的方便性方面来考虑，选用波形高效塔盘对尿素合成塔进行改造，以能够提高合成塔
24、 CO 2转化率。4、结束语在对合成塔作出改进之后，尽管在一定程度上可以扩大产能。但对尿素生产装置改进以扩大产能是一项系统工程，不是单单对其中某一项的改进就可以解决的，要充分协调系统各个要素之间的关系，如对尿素装置的高压圈的其他部分、中低压系统、尿液浓缩系统、水解解吸系统、造粒塔系统进行改造，以实现尿素生产装置的增产改造，实现经济效益和环境保护的双赢。10参考文献1 董敬芳，无机化学，上册，北京：化学工业出版社，1999.2 陈观平，赵元凯，尿素生产工艺与操作，北京：中国石化出版社，1993.3 袁一，王文善，化肥工业丛书尿素工学,北京：化学工业出版社，1997.4 Snamprogetti，日产 1765 吨尿素装置操作手册 .5 化工百科全书编辑委员会，化工百科全书，第九卷，北京：化学工业出版.6 贡长生，等.现代工业化学M武汉：华中科技大学出版社，2008.7 王传胜.尿素装置的氨耗控制-第十三届全国大型尿素装置技术年会文集C，2004，42-45.8 刘宝鸿，化学反应器，北京：化学工业出版社，1999.9 李文原，化工计算，北京：化学工业出版社，1999.10 李峻，燕武云，斯纳姆尿素工艺在高负荷下运行的技术突破-第十三届全国大型尿素装置技术年会文集C，2004，13-16.11 张弓，化工原理，下册，北京：化学工业出版社，1981.
