CO2汽提法工艺中最详细最全面尿素合成塔的相关知识

CO2汽提法工艺中最详细最全面尿素合成塔的相关知识
尿素合成塔是CO2汽提法尿素生产装置中最重要的设备之一，不论采用射线源测量液位的传统型CO2汽提工艺日产1070吨尿素的尿素合成塔；还是采用雷达测量液位的改进型CO2汽提工艺（带池式冷凝器）日产2860吨尿素的尿素合成塔，它们都是一台结构型式基本相同、立式安装在高框架内带不锈钢衬里的尿素高压反应器。

来自高压冷凝器或池式冷凝器的尿素熔融物分别由尿素合成塔底部的两根接管（N1和N3）进入，在温度170~183度、压力14.2MPa操作条件下在塔内完成尿素合成反应后，由塔内的上部液层内设置带有出液漏斗的内管流下，通过底部接管（N4）引出送至CO2汽提塔上管箱完成等压汽提操作。

尿素合成反应后残留的不凝性气体（含未反应的氨和CO2气体）聚集在液层上方的塔顶空间，由设在顶封头上的接管（N2）送至高压洗涤器完成氨和CO2气体的洗涤吸收操作。

本设备的设计压力为16MPa，设计温度为190度，操作容积根据装置生产能力和采用的工艺方法而定。

一丶尿素合成塔内完成的反应
与其它尿素生产方法一样，CO2汽提法尿素合成塔在尿素装置中的作用主要是完成尿素合成反应，由于高压循环系统采用的是CO2汽提工艺并设置了高压冷凝器或池式冷凝器，CO2气体是由汽提塔底部加入，从汽提塔顶部出来的汽提气和新鲜液氨以及循环回来的甲铵液从高压冷凝器顶部管箱（或池式冷凝器壳程）加入，CO2和液氨生成甲铵的反应首先在高压冷凝器管内（或池式冷凝器壳程内）进行，通过对壳程（或管程）副产蒸汽压力及其温度的控制，约有60%的甲铵生成反应已经完成，而甲铵脱水生成尿素的反应较慢，且为吸热反应，受高压冷凝器底部管箱（或池式冷凝器壳程）提供的容积空间限制，停留时间有限，其甲铵脱水生成尿素的反应将绝大部分（或部分）将移至尿素合成塔内完成，其维持反应所需要的热量依靠余下的CO2和液氨在尿素合成塔内进行的甲铵反应生成的热量来提供，其所需的时间（即停留时间）将通过设计时（采用工艺方法）确定的尿素合成塔
的尺寸和容积来保证。

由于汽提气体和液氨混合及其生成甲铵的大部分反应已在高压冷凝器（或在池式冷凝器）中完成，在尿素合成塔内的温度变化并不强烈且趋于均匀，除不再设置混合器外，介质反应区域也不需设置插入液层的温度测量接口，只在塔壁上、中、下三处设壁温测量点即可。

二丶关于尿素合成塔的生产强度
所谓尿素合成塔的生产强度，指的是单位有效容积每天生产尿素的能力。

由于CO2汽提法尿素合成系统设定的操作参数（例如压力、温度、氨/碳比、水/碳比等）相对较低，反应平衡常数也相应较小，达到所期望的CO2转化率所需时间也相对较长，设计中通常取值为25分钟到45分钟，于是该工艺的尿素合成塔设计时选用的生产强度不可能太高，通常为8~9吨尿素/m3·天。

此外该尿素合成塔的顶部还存在有一定的气相空间，因此，与其他尿素工艺比较，对相同设计生产能力的尿素装置，其尿素合成塔的尺寸和容积都是最大的。

三丶关于尿素合成塔的尺寸比例
尿素合成塔的尺寸比例指的是筒体的长度与内直径之比。

在相同设计参数下，为了获得相同的设计容积，采用较小长径比时金属用量最小，但从制造和运输考虑，其直径又不能过大，否则又会加大设备的制造和运输的难度，费用反而会大大增加；采用较大长径比时，由于塔内直径较小将有利于塔内介质均匀分布和化学反应的进行，但金属用量相对较大，也可能由于设备过长增加运输和布置困难，而加大装置的工程投资费用，特别对采用高框架布置的大型尿素工艺装置更是如此。

因此在设计时应综合考虑各种因素的影响，做出准确评估后决定。

对于CO2汽提尿素工艺，由于包括尿素合成塔在内的主要高压圈设备均采用框架布置，高压循环系统采用的是自流式等压汽提，为了节约投资、降低框架高度，在尿素合成塔的结构设计中在考虑制造和运输因素影响的前提下，通常应尽量采用较小的长径比，即L/D在7.5~15之间。

目前国内设计的尿素合成塔最大内径为(3200。

最大筒体直段长度宜控制在30m之内。

四丶关于尿素合成塔内件
尿素合成塔内的介质除含有尿素、甲铵、氨、CO2、H2O等介质外，还有随CO2带入的H2和防腐用的O2+N2等气体。

就其液相密度而言，尿素最大，甲铵次之，氨最小，这些物质进入尿素合成塔后，随着时间推移，甲铵脱水反应不断进行，生成尿素的比例也不断增加，由于塔径较大，液相介质（如重组分尿素、甲铵等）上升速度很慢，气相（如CO2等）和液相中轻组分（如氨等）上升速度较快，如不采取一定措施，反应物中密度较大的组分尿素将沉降下来，不能与其他介质一起同步前行，这种现象在尿素生产中称为返混，影响塔内化学反应的正常进行和尿素的产能。

为了减轻并尽量消除这种返混现象，增强塔内气液两相接触，提高塔内容积利用率，通常在塔内设置若干层塔板，将塔内空间分成若干个小室，以强制的活塞流动方式将尿素溶液从一个小室推至上一个小室，直至尿素合成塔顶部出口。

上世纪七十年代斯达米卡邦公司曾进行过此项试验，其实验结果也充分证明这一措施的有效性，设置塔盘后的效果的测定结果：
（1）在CO2汽提法工艺的尿素合成塔中，CO2最高可能达到的转化率，由于受操作压力、温度、氨碳比和水碳比等因素的影响，其值接近59%，在所有尿素工艺中是最低的。

（2）反应介质通过每层其增速逐渐减慢，到第9层后，增幅值将小于0.5%。

这说明了增加塔板数对增加CO2转化率是有利的，但也应有所节制，并通过技术经济比较后作出恰当的决定。

（3）反应物通过1、2、3层塔板后，CO2实际转化率分别为12.3%、24.7%、35.3%，增幅明显，但通过9、10层塔板后，CO2实际转化率分别为56.7%、57%，增幅仅为0.3%。

据此，在工程设计中对传统型CO2汽提工艺的尿素合成塔中选用8块塔板，而在经改进的2000+TM采用池式冷凝器的CO2汽提法尿素工艺中，由于池式冷凝器壳程具有相当大的容积（可充当尿素反应容积），除可相应减少尿素合成的高度和容积外，其塔板层数也改用为7块。

早期尿素合成塔的塔板采用的是裙式孔板，根据气相不断减少趋势，孔板开孔率也呈梯度变化，液相由塔板周边环隙向上流动，气相（含部分轻组分液相）汇集在塔板下方穿过塔板上的小孔将气体逼入
上一层空间，生产实践中虽然起到一定效果（例如减少返混现象，促进气液在上一区间混合等），但由于设备内径大，环隙过大，活塞流现象不明显，塔板底部的气相空间占据一定的反应容积，总体结果与预期还存在一定的差距。

为了进一步提高CO2反应率，并使一定容积的尿素合成塔发挥更大的生产效能，尿素专利商和许多尿素工作者都相继提出来许多改进方案，其中有的已成为专利产品。

如斯达米卡邦提出径向流带筛孔塔板，径向流带筛孔塔板+虹吸罩结构，以及国内尿素工作者提出的周边封闭型，塔板平面不带孔的径向流塔盘在实际生产中都已取得较好的效果，最高转化率达64%。

五丶关于尿素合成塔的外壳结构及其衬里方法
尿素合成塔是一种典型的不锈钢衬里容器，外壳主要由半球形封头和圆筒壳体组成。

半球形封头为单层结构，衬里型式有两种，一种采用不锈钢堆焊，一种采用扇形球面板瓣松衬。

圆筒壳体结构有单层和多层结构之分，其中单层结构较多采用松衬结构，而多层结构根据层板的施工制作工艺不同，延伸出多种衬里方法，主要有如下几种：1丶热套衬里
此种方法源于法国CMP公司上世纪七十年代引进的3台(2800四层热套的尿素合成塔（其中三层为承压壳体，一层为316L尿素级不锈钢衬筒），筒节衬里采用热套法衬里。

这种衬里方法随后在国内由金州重型机器厂扩展至带有内筒的多层包扎结构的不同直径的尿素合成塔，近年来由于多层夹紧式容器在尿素合成塔使用，这种衬里方法又延伸至这种结构的尿素合成塔。

这种筒体结构的衬里均需先制成完整的衬筒，通过加热已完成套合的碳钢筒体或碳钢内筒实施衬里的套合，借助碳钢筒体或内筒的冷却收缩作用和层板的包扎以及层板纵焊缝焊接产生的收缩力消除衬里间隙，以达到预期的贴紧度。

2丶以不锈钢作内筒的多层包扎式衬里
此种方法源于德国莱茵钢厂上世纪七十年代引进的5台(2800多层尿素合成塔，随后在国内由南京化工机械厂推广至其他各不同直径种以不锈钢作内筒的多层包扎式的尿素合成塔，这种结构的衬里需预先
制成完整筒节，通过多层包扎和层板焊接产生的收缩力消除衬里间隙以达到预期的贴紧度。

为了避免第一层层板纵缝焊接对不锈钢衬筒的不利影响，在实施层板包扎前需在不锈钢衬筒外表面装上。