CO2氣提法尿素裝置設(shè)備內(nèi)件技術(shù)改造

張海生

(安徽昊源化工集團(tuán)有限公司，安徽 阜陽　236000)

?

CO2氣提法尿素裝置設(shè)備內(nèi)件技術(shù)改造

張海生

(安徽昊源化工集團(tuán)有限公司，安徽 阜陽236000)

摘要：通過對CO2氣提法尿素裝置合成塔、精餾塔、解吸塔與水解塔等高低壓設(shè)備進(jìn)行塔盤與內(nèi)件改造，提高了CO2轉(zhuǎn)化率，降低了系統(tǒng)氨耗與蒸汽消耗，延長了設(shè)備運(yùn)行周期，使裝置運(yùn)行更加安全、可靠。同時(shí)解吸廢液處理水平大幅提升，達(dá)到環(huán)保排放與高品質(zhì)的回收。

關(guān)鍵詞：內(nèi)件；轉(zhuǎn)化率；運(yùn)行周期；氨耗；蒸汽消耗

0引言

安徽昊源化工集團(tuán)有限公司現(xiàn)有兩套斯塔米卡邦二氧化碳?xì)馓岱üに嚹蛩匮b置，第一套于2010年5月開車運(yùn)行至今，包括合成塔在內(nèi)的所有高低壓塔器基本上是按照設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)完成加工制造的，雖做了一些改進(jìn)，但從實(shí)際運(yùn)行效果來看并不太理想，其工藝消耗水平包括一些設(shè)備內(nèi)件的使用周期，并沒有達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。為此尿素車間在2013年新上的一套工藝裝置上針對這些問題做了深入的研究和改進(jìn)，特別是在塔器的內(nèi)件上做了很多改造，運(yùn)行至今，效果顯著，氨耗、蒸汽消耗明顯降低，解吸水解廢液處理水平以及設(shè)備運(yùn)行周期上都有了很大的提升。

1氣提法尿素裝置設(shè)備運(yùn)行狀況分析

斯塔米卡邦二氧化碳?xì)馓岱蛩匮b置高壓圈主要由四個(gè)設(shè)備組成，其工藝與傳統(tǒng)的水溶液全循環(huán)法尿素工藝不同，合成尿素的反應(yīng)實(shí)質(zhì)上采用的是兩段合成，既NH3和CO2生成甲銨的放熱反應(yīng)是在高壓甲胺冷凝器中進(jìn)行的，甲銨的脫水生成尿素的反應(yīng)在合成塔內(nèi)進(jìn)行。氣提塔的作用則是在與尿素合成反應(yīng)相同的壓力下，在通入CO2氣體的同時(shí)，加熱合成反應(yīng)液，促使合成反應(yīng)液中的甲銨分解并逐出游離NH3和CO2，使未反應(yīng)物得到第一次分解。合成塔氣相中的未反應(yīng)的NH3和CO2通過高壓洗滌器吸收，所產(chǎn)生的高壓甲銨液再經(jīng)高壓噴射器返回高壓甲銨冷凝器。由于在與尿素合成反應(yīng)相同壓力下，汽提塔內(nèi)采用溶解性較小的二氧化碳?xì)馓嶙鳛闅馓釀?，氨的回收率高，因此只設(shè)置了一個(gè)低壓循環(huán)段，氣提塔出液通過減壓閥直接進(jìn)入精餾塔進(jìn)行未反應(yīng)物的第二次分解。出精餾塔的氣相進(jìn)入低壓吸收冷凝段，通過低壓甲胺冷凝器吸收其分解出的NH3和CO2氣體，低壓甲胺冷凝器是一種U形管式換熱器，也叫作浸沒式冷凝器，其冷凝吸收產(chǎn)生的甲銨液進(jìn)入低壓甲銨液位槽貯存再通過甲銨泵進(jìn)入高壓洗滌器，作為其吸收液再返回高壓系統(tǒng)。

二氧化碳?xì)馓岱蛩匮b置一般都設(shè)有解吸水解系統(tǒng)，用以回收工藝?yán)淠褐械腘H3和CO2，使廢水排放達(dá)到環(huán)保要求或作為高品質(zhì)的水供給其他工段使用。

第一套氣提法尿素裝置的高壓圈四個(gè)設(shè)備全部由大連金州重型機(jī)器有限公司加工制造，其中合成塔是關(guān)鍵設(shè)備，塔總高27 514 mm，內(nèi)徑2 680 mm，共設(shè)有15塊塔盤，由原廠設(shè)計(jì)并制造，塔盤形式為傳統(tǒng)平面篩板塔盤。汽提塔、高壓甲銨冷凝器、高壓洗滌器及低壓部分設(shè)備包括精餾塔、低壓吸收塔、常壓吸收塔等沒有太多改動(dòng)，均按標(biāo)準(zhǔn)“合成氨尿素18.30原料路線改造項(xiàng)目工程”設(shè)計(jì)制造。解吸水解系統(tǒng)：解吸塔總高34 290 mm，內(nèi)徑1 200 mm，內(nèi)件采用的是規(guī)整填料，水解塔總高26 340 mm，內(nèi)徑1 800 mm，內(nèi)件為平面篩板塔盤。此套裝置設(shè)計(jì)能力為年產(chǎn)30萬t，自2010年裝置開車一來，CO2化率為57%-58%，氨耗、汽耗一直略高，分別為0.570 t/t尿素和1.0 t/t尿素左右，解吸廢液氨含量和尿素含量也一直偏高，解吸廢液含氨量平均在34×10-6左右，尿素在60×10-6左右，解吸水解系統(tǒng)蒸汽消耗偏高，系統(tǒng)氨耗偏高。除此之外，精餾塔、常壓吸收塔、低壓吸收塔以及解吸塔填料使用周期都不超過2年，增加了運(yùn)行成本。通過總結(jié)幾年的運(yùn)行狀況及深入研究，分析其原因主要有幾點(diǎn)：

首先，高壓設(shè)備，其關(guān)鍵設(shè)備是合成塔。尿素合成反應(yīng)在合成塔內(nèi)進(jìn)行，根據(jù)反應(yīng)機(jī)理，合成塔的設(shè)計(jì)首先要保證物料有足夠的停留時(shí)間，其次，因物料密度等原因引起的返混較明顯，物料的返混將使反應(yīng)速度減慢，降低出口物料中尿素的含量，為了減少物流的返混，合成塔內(nèi)均裝有數(shù)目不等的塔盤，從而提高反應(yīng)效率。傳統(tǒng)意義上的塔盤設(shè)計(jì)包括平篩板塔盤、泡罩塔盤、徑流式塔盤等等，往往只注意到了以上兩點(diǎn)，而另一個(gè)重要的問題在于合成塔內(nèi)的反應(yīng)還要考慮到要加強(qiáng)氣液間的傳熱與傳質(zhì)，這也是提高反應(yīng)效率的一個(gè)重要方面。合成塔內(nèi)主要進(jìn)行的是甲銨脫水生成尿素的反應(yīng)，其反應(yīng)過程較慢，但這不是說，反應(yīng)物一進(jìn)入合成塔內(nèi)，甲銨生成過程即告結(jié)束，保持合成塔內(nèi)的停留時(shí)間是為了使其反應(yīng)盡可能的達(dá)到或接近化學(xué)平衡，其整個(gè)的過程包括幾步：首先，氣相中的NH3和CO2通過傳質(zhì)進(jìn)入液相；其次，液相中的NH3和CO2反應(yīng)生成甲銨；然后，甲銨轉(zhuǎn)化為尿素和水，以及反應(yīng)產(chǎn)物部分進(jìn)入氣相。在整個(gè)過程中，一直有兩相共存。雖然合成甲銨的反應(yīng)是瞬時(shí)的，但氣相NH3和CO2的傳質(zhì)并非即刻完成，而是隨著液相反應(yīng)的進(jìn)行，不斷地轉(zhuǎn)入液相，并不斷反應(yīng)。

在尿素合成塔內(nèi)，氣相以氣泡形式分散在液相中，氣泡在液相中的分散狀況如氣泡大小、比表面大小、與液相的混合是否均勻等直接關(guān)系到兩相間的傳熱與傳質(zhì)的狀況，一般認(rèn)為，氣泡越小、比表面積越大、氣相分散越均勻越有利于氣液兩相間的傳質(zhì)，越有利于提高反應(yīng)效率。所以，采用傳統(tǒng)平面篩板塔盤的合成塔在氣液兩相間的傳熱傳質(zhì)有所欠缺，造成合成的反應(yīng)達(dá)不到最理想的狀態(tài)。

其次，低壓部分，精餾塔、常壓吸收塔、低壓吸收塔填料段采用的填料材質(zhì)均為316L，從使用效果來看，由于受工藝波動(dòng)影響，在不到兩年的時(shí)間內(nèi)腐蝕損壞較嚴(yán)重，最終不得不在檢修期間重新更換，并且這三個(gè)塔固定填料的壓柵也不牢固，之前設(shè)計(jì)為80目的絲網(wǎng)，材質(zhì)為316L，絲網(wǎng)雖有幾層并用螺栓與塔體連接，但牢固性依然不好，很多廠都出現(xiàn)過絲網(wǎng)被腐蝕沖掉以至于填料通過低壓吸收段進(jìn)入甲銨泵的進(jìn)口的情況發(fā)生，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行安全與穩(wěn)定。另外，低壓甲銨冷凝器液位槽的容積也設(shè)計(jì)的不夠，雖考慮到了液相平衡，但氣相空間太小，導(dǎo)致低壓出氣時(shí)常帶液，出氣管線易結(jié)晶堵塞，低壓循環(huán)系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定。解吸塔使用的規(guī)整填料其效果也被證明不理想，一是解吸效果不佳廢液氨含量和尿素含量一直偏高，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，目前解吸廢液含氨量平均在34×10-6左右，尿素在60×10-6左右。二是規(guī)整填料容易被沖散并容易腐蝕，之前就曾經(jīng)發(fā)生過解吸系統(tǒng)工藝嚴(yán)重不正常，系統(tǒng)超壓，后停車檢查發(fā)現(xiàn)，沖散腐蝕爛的規(guī)整填料大量聚集在解吸塔出氣管到回流冷凝器的連接處，堵塞了解吸氣相管道，造成系統(tǒng)不正常。

2新上裝置設(shè)備內(nèi)件的改造

針對在運(yùn)行過程中所碰到了問題以及物料消耗問題，尿素車間做了大量的工作，通過多方咨詢與技術(shù)交流，制定了改造方案，在新上裝置上進(jìn)行試運(yùn)行，主要分為幾點(diǎn)：

2.1　高壓系統(tǒng)設(shè)備改造

主要是合成塔塔盤改造，摒棄原有的傳統(tǒng)平面塔盤，改用技術(shù)已經(jīng)成熟的高效波形塔盤，并將塔盤數(shù)量減少到11塊，此波形塔盤，介質(zhì)通過時(shí)，氣、液相分道，流動(dòng)穩(wěn)定，傳質(zhì)效率較傳統(tǒng)塔板有明顯提高，并且其產(chǎn)生的小氣泡增大了比表面積，分布更均勻，有利于提高傳熱和傳質(zhì)的效率，每個(gè)反應(yīng)區(qū)內(nèi)物料自下而上通過塔板，使相鄰的多個(gè)小反應(yīng)室的物料，避免因重度差而引起回流，從而提高尿素的濃度梯度，減少返混。塔盤開孔率自下而上2.5%~0.7%不等。設(shè)計(jì)二氧化碳轉(zhuǎn)化率60%(傳統(tǒng)塔盤58%，相當(dāng)于平衡轉(zhuǎn)化率的90%)。

2.2　低壓部分設(shè)備改造

首先，將精餾塔、常壓吸收塔、低壓吸收塔的填料材質(zhì)由原先設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的316L，改為耐腐蝕效果更高的316MOD，雖然投資成本有所增加，但運(yùn)行成本會(huì)相對節(jié)約。其次，將填料壓柵改成8 mm后的壓板，壓板上開滿小孔，通過計(jì)算滿足介質(zhì)的流通量，不增加阻力，這樣既提高了設(shè)備的使用周期，又確保了分解回收系統(tǒng)的穩(wěn)定。然后，通過計(jì)算適當(dāng)加大低壓甲銨冷凝器的換熱面積及液位槽的容積，增加低壓甲銨液的氣相空間，使得低壓系統(tǒng)壓力更穩(wěn)定，吸收效果明顯提升，低壓放空量減小。

2.3　解吸水解系統(tǒng)設(shè)備改造

解吸水解系統(tǒng)，解吸塔內(nèi)件摒棄運(yùn)行不佳的規(guī)整填料，為了提高解吸廢液氨的凈化回收率，降低能耗，改用高效噴射型塔盤，在高30 m的解吸塔內(nèi)設(shè)立60塊高效噴射型塔盤，上部第一解吸塔20塊塔盤，下部第二解吸塔40塊塔盤，并將水解塔內(nèi)徑加大為2 000 mm，塔盤數(shù)量增加為32層。此高效噴射型塔盤結(jié)構(gòu)上具有創(chuàng)新性，塔板由噴射罩、端板、噴射板及分離板組成，噴射罩兩側(cè)開有數(shù)量不等的小孔，氣液體通過時(shí)傳熱傳質(zhì)效果更佳，液體在塔板上，經(jīng)過拉膜提升、破碎、碰頂返回、噴射、互噴、分離六個(gè)步驟，在塔板至罩頂?shù)牧Ⅲw空間中和氣體完成傳質(zhì)，其空間利用率達(dá)40%-60%，氨的解吸及尿素水解效果明顯提高。

3改造后裝置的運(yùn)行效果

通過一系列的設(shè)備改造，從工藝操作上看，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，合成塔壓力與溫度穩(wěn)定，低壓分解吸收效果較好，解吸塔出氣出液溫度以及水解塔下部溫度完全達(dá)標(biāo)，以下是合成塔塔盤改造后CO2轉(zhuǎn)化率，以及解吸水解系統(tǒng)設(shè)備改造后廢液處理水平的相關(guān)數(shù)據(jù)考核表如下表所示：

表1　未改造尿素裝置CO2轉(zhuǎn)化率二個(gè)月數(shù)據(jù)如下:

表2　改造后尿素裝置CO2轉(zhuǎn)化率二個(gè)月數(shù)據(jù)如下:

從表1和表2的對比可以看出合成塔采用高效波形塔盤，CO2轉(zhuǎn)化率提高了1-2個(gè)百分點(diǎn)，噸尿素平均少用液氨約4 kg、蒸汽約25 kg。從表3和表4的對比可以看出解吸系統(tǒng)通過此次改造，蒸汽消耗明顯降低，氨損失減少，廢液中氨含量降低為5×10-6左右，尿素含量在5×10-6以下。如果按年產(chǎn)40萬t計(jì)算，每年節(jié)省的液氨和中壓蒸汽所節(jié)約的經(jīng)濟(jì)效益將超過幾百萬元，效益相當(dāng)可觀。

表3　未改造尿素裝置解吸廢液二個(gè)月數(shù)據(jù)如下:

表4　改造后尿素裝置解吸廢液二個(gè)月數(shù)據(jù)如下:

4結(jié)論

通過對高低壓系統(tǒng)部分設(shè)備的改造，尤其是合成塔塔盤與解吸塔塔盤的改造，不僅提高了合成轉(zhuǎn)化率，增加了裝置操作彈性和生產(chǎn)能力，使裝置運(yùn)行周期更長，更加安全、穩(wěn)定，同時(shí)由于低壓負(fù)荷得以減輕，低壓放空量明顯變小，減少了氨損失。蒸發(fā)和水解系統(tǒng)負(fù)荷也得以減輕，系統(tǒng)氨耗、汽耗均得到降低，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。解吸廢液也達(dá)到了排放標(biāo)準(zhǔn)，處理后的工藝?yán)淠褐邪焙拷档?×10-6以下，尿素含量降低到了5×10-6以下，達(dá)到節(jié)能降耗與環(huán)保排放的目的，獲得了經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的雙豐收，具有較好的社會(huì)推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁一,王文善.尿素《化肥工學(xué)叢書》·[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1997.

[2]萬勇.尿素合成塔高效塔板的應(yīng)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

中圖分類號：TK423

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1003-6490(2015)06-0035-04

作者簡介：張海生(1973),男，漢族，安徽阜陽人，1996年7月畢業(yè)于安徽化工學(xué)校，曾獲得阜陽市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)兩項(xiàng)、專利技術(shù)四項(xiàng)等，現(xiàn)任安徽昊源化工集團(tuán)有限公司副總經(jīng)理兼任生產(chǎn)辦主任。

收稿日期：2015-08-08