尿塔內(nèi)件改進(jìn)設(shè)想

安長(zhǎng)征

（安徽晉煤中能化工股份有限公司，安徽臨泉 236400）

在水溶液全循環(huán)法尿素生產(chǎn)裝置中，尿素合成塔的CO2轉(zhuǎn)化率是決定裝置各項(xiàng)消耗及系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。為了提高CO2轉(zhuǎn)化率，我們?cè)诤铣伤?nèi)安裝了旋流板和多孔板，以提高氣液混合程度，減輕返混。

在尿塔內(nèi)物料自下而上的流動(dòng)過程中，快速生成的甲銨逐步脫水生成尿素。在這個(gè)過程中，隨著尿素生成反應(yīng)的進(jìn)行，尿素和水組分濃度增加，甲銨和液、氣氨，CO2組分濃度減少，上部物料的密度因而大于下部物料密度，故存在密度大的物料相對(duì)下沉，密度小的物料相對(duì)上升的流動(dòng)，此現(xiàn)象被稱為 “物料的返混”。物料返混現(xiàn)象的出現(xiàn)，造成尿塔下部生成物（尿素和水）增多，反應(yīng)推動(dòng)力減小，甲銨脫水生成尿素反應(yīng)速度降低。同時(shí)，造成未反應(yīng)物以較快的速度升至塔頂，這部分物料在塔內(nèi)停留時(shí)間短。因而，返混現(xiàn)象降低了尿素合成反應(yīng)的CO2轉(zhuǎn)化率。

尿塔內(nèi)物料的密度上大下小是塔內(nèi)物料返混的主要原因之一，解決這個(gè)問題的最好辦法是改變物料流向。而尿塔設(shè)計(jì)為物料下進(jìn)上出的原因應(yīng)該是促進(jìn)CO2氣體在塔內(nèi)與液相的充分混合反應(yīng)，若物料上進(jìn)下出，則會(huì)出現(xiàn)CO2氣體和惰性氣體在塔頂積聚、氣液分層、混合不充分、液相空間小的情況。為此，筆者提出以下建議。

1 增加內(nèi)件

可以用給尿塔增加一個(gè)內(nèi)件的方法來改變物料流向，從而減輕物料返混，如圖1。

圖1 尿塔內(nèi)件示意

甲銨生成速度相對(duì)較快，決定其反應(yīng)速度的因素是氣液混合的程度，尿塔下部的旋流板可以促進(jìn)氣液兩相的初步混合，促成大部分的甲銨生成反應(yīng)。上部的多孔板在減輕板上、下物料回流的同時(shí)，進(jìn)一步促進(jìn)氣液兩相的混合，加快殘余甲銨生成反應(yīng)的速度。

2 增加一個(gè)CO2 分布器

如一吸塔下部的鼓泡器，也可做成樹枝狀，目的是讓CO2氣體多股、分散進(jìn)入塔內(nèi)（如圖1），形成氣泡。在CO2入塔之初就使其與液相盡可能混合，提高反應(yīng)速度，并可減少合成塔下部的低溫區(qū)范圍，加快反應(yīng)的進(jìn)行，減少或去掉旋流板。由于塔內(nèi)物料的流速較慢，旋流板并不能起到很好的混合效果。加之CO2分布器的作用，用多孔板替代旋流板以起到促進(jìn)氣液混合和降返混的作用，下部塔板可以開孔多一些。

3 在合成塔上部安裝內(nèi)筒

如圖1所示，安裝一個(gè)內(nèi)筒，高度為合成塔高度的一半，容積為合成塔容積的1／3。內(nèi)筒與塔壁間隔100mm，下面錐形封閉，合成塔出料管下端（加防異物隔板）接近錐形的底部。

三物料從下部進(jìn)入尿塔后，經(jīng)過塔板進(jìn)入內(nèi)筒和塔壁間的環(huán)隙到達(dá)尿塔頂部，這時(shí)甲銨生成反應(yīng)完成絕大部分。物料在環(huán)隙中的流動(dòng)比原流程流速快，湍流程度高，混合、反應(yīng)更充分，返混現(xiàn)象也會(huì)因高徑比的增加而降低。內(nèi)筒的頂部盡量接近塔頂，以減少可能出現(xiàn)的氣相空間，在內(nèi)筒的頂部壁上徑向均勻開水平高度相等的8個(gè)半圓孔，半徑50mm，目的是讓環(huán)隙的物料均勻進(jìn)入內(nèi)筒，避免因內(nèi)筒上沿不水平而造成的偏流。

物料進(jìn)入內(nèi)筒時(shí)，甲銨生成反應(yīng)已進(jìn)行相當(dāng)充分，殘余氣相CO2已不是提高轉(zhuǎn)化率的主要矛盾，物料進(jìn)入內(nèi)筒后的反應(yīng)主要是甲銨脫水生成尿素的反應(yīng)，在物料自上而下的過程中，隨著脫水反應(yīng)的進(jìn)行，物料密度相應(yīng)增加，到達(dá)內(nèi)件的錐形底部時(shí)，尿素含量最高，密度最大。由于物料的密度是下大上小，故出現(xiàn)返混的狀況減輕。更由于未反應(yīng)物的密度低，向下流動(dòng)的速度慢，相應(yīng)增加了在塔內(nèi)的停留時(shí)間，也促進(jìn)了CO2轉(zhuǎn)化率的提高。錐形底的作用一方面是減輕合成塔下部物料對(duì)內(nèi)件的沖刷，另一方面是避免在內(nèi)件上下出現(xiàn)死區(qū)。

物料經(jīng)出液管由內(nèi)件底部引出塔外。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，塔內(nèi)的物料溫度是逐步升高的，理論上的原因應(yīng)該是生成的尿素和水使甲銨的沸點(diǎn)降低，塔內(nèi)物料的飽和蒸汽壓降低，氣相液化成液氨、甲銨，氣氨液化和甲銨生成反應(yīng)放熱大于尿素生成反應(yīng)的吸熱，造成物料溫度逐步升高。物料在內(nèi)筒內(nèi)向下流動(dòng)時(shí)，氣相滯流在上部，故在流動(dòng)、反應(yīng)中的溫升會(huì)較低，可以控制內(nèi)筒頂部溫度為塔內(nèi)最高溫度，以提高尿素脫水反應(yīng)速度。

4 塔頂安裝排氣管

塔頂?shù)牟荒詺怏w積聚是個(gè)應(yīng)該考慮的問題。在內(nèi)件上部，物料中的不凝性氣體會(huì)溢出積聚，量雖小，且部分可在高壓下溶在液相中經(jīng)出料管帶出塔外，但氣相的積聚是避免不了的。氣相的存在導(dǎo)致內(nèi)件內(nèi)的液面下降，尿塔容積利用率下降。我們可以在塔頂安裝排氣管，以安裝在尿塔上部的放射性液位計(jì)測(cè)得的塔內(nèi)液位為參數(shù)，通過排氣管上的調(diào)節(jié)閥排出不凝性氣體，自動(dòng)調(diào)節(jié)合成塔液位。視排出氣體成分可將氣體排入中壓或尾吸塔。