新型尿素技术设备——中国径流式尿素合成塔开发与应用

新型尿素技术设备

——中国径流式尿素合成塔开发与应用

程忠振余志文孙喜刘全亮徐霖

中国五环工程有限公司

攘姜，本文对轴流式尿素合崴苍的液相短路．返镌，衬里表面层缺氧逆行了辞细分析，辞细

地介绍了径院式尿素合崴誉的形式，特性和优点以反应用故幂，用径流式苍梭改造轴流式尿素合崴

苍是提高织转换车，降低蒸汽消耗的有效选径。

前言

我国现在年产尿素６０００万吨左右，仅工艺蒸汽一项，每年耗用蒸汽高达６０００万吨以上，折合标煤６３３万吨。

如果每吨尿素蒸汽消耗降低５０－１００ｋｇ，则每年能够节约标煤高达３２－６４万吨（是全国煤炭消耗总量的万分之一到万分之－－），减排二氧化碳８２－１６４万吨，减排二氧化硫Ｏ．５７—１．１４万吨，其经济效益和环保效益十分巨大。

那么，每吨尿素蒸汽消耗降低５０－１００ｋｇ可行吗？能够实现吗？采用什么创新技术来实现？

为了降低尿素的蒸汽消耗定额，我国尿素工程技术人员，开发了具有自主知识产权的“径流式

尿素合成塔”专利技术（专利号：ＺＬ２００６

２００９

１９４８．３），经过６年来的开发—应用一改进一再创新，

已经成功地应用于７家尿素厂，今年还将有２个尿素合成塔投入使用。凡是在役的径流式尿素合成塔都取得了Ｃ０２转换率提高１至３个百分点以上的业绩，节能减排效果明显。

１．开发１．１背景技术

提高尿素合成塔的Ｃ０：转换率，对降低分解未转化的甲铵所需热量，即蒸汽消耗，十分重要和有效。

现在各种尿素工艺技术经过不断改进和完善，在降低消耗方面取得了很大的成效，在此基础上，若想进一步大幅降低蒸汽消耗则是十分不容易的事情。例如，ＣＯｚ汽提法尿素工艺专利商Ｓｔａｍｉｃａｒｂｏｎ公司经过几十年的努力，在新材料、新设备、新的控制技术、新工艺方面做了很多研究和创新。但是，以工艺蒸汽消耗来衡量，１９７３年我国引进的（Ｎ＝２）工艺，２５ｂａｒ（３０３。Ｃ）蒸汽消耗是９３５ｋｇ／ｔ尿素，输出４ｂａｒ（１４７０ｃ）低压蒸汽２５０ｋｇ／ｔ尿素。２０１１年引进的池式冷凝器，低氧／无氧操作工艺，消耗２５ｂａｒ（２９０℃）蒸汽８６２ｋｇ／ｔ尿素，输出３．８９ｂａｒ（１４８．ｏＣ）低压蒸汽１ｌＯｋｇ／ｔ尿素。历经３８年，中压蒸汽消耗降低了７３ｋｇ／ｔ尿素，而低压蒸汽的输出则减少了１４０ｋｇ／ｔ尿素。以热量计算（输入中压蒸汽热量一输出低压蒸汽热量），１９７３年热量消耗为５０９４５０ｋＣａｌ／ｔ尿素，２０１１年热量消耗５３８６７７ｋＣａｌ／ｔ尿素。

由此可见，仅仅从工艺技术路线着手来进一步降耗是十分困难的，甚至为了其它方面的改进而使热量消耗反而增加。

发生如此情况，则是因为各尿素工艺技术专利公司至今未能开发出活塞式尿素合成塔的原因。１．２轴流式尿素合成塔的形式、特性和缺点

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１．２．１轴流式尿素合成塔的形式

不论传统水溶液全循环法（Ｎ＝１），氨气提法，Ｃ０ｚ汽提法（Ｎ＝２，Ｎ＝３）法，ＡＣＥＳ技术，双汽提法，以及其它技术，所采用的尿素合成塔具有下列形式：

（１）塔内设置多块多孔塔板，多孔作为气相通道；

（２）塔板与塔衬里之间有４－２５ｍｒｎ环形间隙，作为液相通道；（３）气相和液相在塔内自下而上沿轴向垂直流动。

作者称上述形式的尿素合成塔为轴流式尿素合成塔，亦称第１代尿素合成塔。１．２．２轴流式尿素合成塔的特性轴流式尿素合成塔存在着三大特性：（１）存在着严重的液相轴向返混；（２）环形间隙存在着严重的液相短路；

（３）防腐氧气不能与全部液相混合，溶解氧不能分布到全部液相里面，不锈钢衬里表面短路层缺氧。

１．２．３轴流式尿素合成塔的缺点

轴流式尿素合成塔的特性导致了轴流式尿素合成塔具有两大内生性缺点：

（１）返混和短路的存在使得进塔物料在塔内逗留时间大大减少，Ｃ０。转化率降低，蒸汽消耗高；（２）由于短路层的屏障作用和溶解氧扩散浓度梯度现象，使得溶解氧不能及时扩散到衬里表面，

修复受损的金属氧化膜，造成尿素合成塔衬里腐蚀速率高，缩短了尿素合成塔的使用寿命，增大了

维修量。

１．３径流式尿素合成塔的开发１．３．１解析轴流式尿素合成塔

（１）液相轴向短路和返混的验证测定

轴流式尿素合成塔实际上是古老传统的气液鼓泡式反应器，前人对鼓泡反应器已经做过许多研

究，告诉我们“鼓泡反应器液相轴向返混现象是很严重的，在不太大的高径比情况下，可以认为液相浓度是理想混合的”¨１，并认为“气液反应器中气相和液相，究竟接近活塞流还是接近于理想混

合，或处于中间状态，与反应器的形式和特性有关。”Ⅲ

上世纪７０—８０年代，株洲化工厂钱镜清总工程师对直径１．４ｍ尿素合成塔内短路和返混情况进行了验证测定工作（见图１）。

２．０

．Ｉｌ。６敞

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０．哇ｏ．８１．２

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Ｚ０

时间／小时

１．合成塔生产强度８．０ｔ／ｍ３．ｄ；２．合成塔生产强度８．５ｔ／ｍ３．ｄ；３．合成塔生产强度９．０ｔ／ｍ３．ｄ

图１合成塔内短路和返混情况测定０２Ｉ

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为了“解析”的起见，本文作者在图１中添加了点Ａ和点Ｂ。点Ａ左侧的曲线记录了示踪剂在

数分钟内，从塔的底部进入到塔顶出Ｉ：１，证明了塔内存在着严重的液相短路，短路的原因在于塔衬里的壁面效应，此壁面层厚度小于塔板与衬里之间间隙，一部分液相沿着壁面层畅通无阻地快速从塔底流向塔顶，按图１测定数值估算，三种生产强度下，短路率分别达到６％、１２％和２５％。

如果没有短路，则测定示踪剂的轨迹应该是Ａｌ点、Ａ２点和Ａ３点。点Ａ的右侧曲线记录了示踪剂在塔内的返混情况，估计三种不同生产强度工况下，返混率分别达到２１￥、３３％和４８％。

如果没有液相的短路和返混，那么测得示踪剂的轨迹应为Ｂ１、Ｂ２和Ｂ３点。

从图ｌ得知：短路率与生产强度成正相关关系，即生产强度越大，液相短路越大：返混与生产

强度成正相关关系，即生产强度越大，液相返混率也越大。

（２）轴流式尿素合成塔的气相和液相短路（见图２）

气相爿呈短路形成气柱

卜－一＾

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Ｉ

。液相走短路

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液相短路

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Ｏ一一气泡—＿－一液相流向

图２轴流式尿素合成塔液相和气相短路示意图（Ｃ０２汽提法）

图２是轴流式尿素合成塔的液相和气相短路示意图。由于气相通过升气孔的阻力ＡＰＥ大于液相

通过环形间隙通过的阻力△ＰＬ，在ＡＰｇ一△民＞ｏ的推动下，一部分液相以伐角度流向塔的中心区域，进行液气混合，一部分液体在推力ＡＰｇ一△＆＞ｏ作用下沿着塔衬里表面层流动，构成了短路。短路

流体的流速很快，从塔底到塔顶出口只需几分钟时间。

（３）轴流式尿素合成塔的液相返混（见图３）

图３是轴流式尿路液相返混示意图。上升气泡里面含有气态ＮＨ３，Ｃ０２、Ｈ２０、０２、Ｎ２、Ｈ２等。在与液相接触的边界层，相当于一个热交换面。在边界层内侧气态ＮＨ３和Ｃ０２发生冷凝生成液态甲铵，放出的热量由边界层外侧的液相吸收，用于提升自身温度，气化液态ＮＨ３和Ｈ２０。当气泡内甲铵量逐渐增加，当其重量大于上升浮力时而下落，形成了液相返混物。返混的结果使得液相返混物料占据了塔的有效空间，缩短了进塔新鲜物料在塔内的逗留时间，导致Ｃ０２转化率的下降。

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Ｏ空心一气泡，气泡群●实心一大的液珠、液块＠裹夹液相的气泡

图３轴流式尿素合成塔液相返混示意图

（４）轴流式尿素合成塔衬里表面缺氧（见图４）

图４是液相氧的扩散示意图。在开孔区内气相氧与液相接触，氧扩散在液相分子之闽，形成溶解氧。溶解氧扩散到衬里表面的距离为Ｚ，而短路层ｂ是流动向上的，所以液相中的溶解氧难以及时到达衬里表面。

Ａ

Ｄ一塔径

ｄ一开孔区（０．７￣ｏ．８）Ｄｚ－间隙Ｚ＝０．５（Ｄ．ｄ）是溶

解氧浓度梯度的最小长度

ｂ一短路层厚度

Ａ－Ａ向视

图４液相溶解氧的扩散示意图

液相溶解氧的功能是修补被破坏的衬里金属氧化膜防腐层，要求溶解氧始终覆盖在氧化膜表面上。从图４中的Ａ－Ａ向视可以看出，流过塔板的一部分液相流进开孔区的中心带与氧气接触从而产

生溶解氧，另一部分在开孔区的边缘带，没有与氧接触，不产生溶解氧，所以尿素合成塔横截面液

相中溶解氧的浓度是不均匀的，存在浓度梯度一亳（ｄ。代表溶解氧浓度；屯代表浓度变化的长度，

在平面上是直线Ｚ，在立面上是ＡＢＣ曲线）。液相与氧气接触才能获得溶解氧，溶解氧依靠单向扩

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散到衬里表面需要时间，必需依靠外在或／和内在的充分混合才能把溶解氧及时送到衬里氧化膜表面，而轴流式尿素合成塔没有液相充分混合功能，环隙短路层ｂ具有动态屏障作用，使得溶解氧难以进入衬里氧化膜表面，所以短路层ｂ是处于缺氧或无氧状态，衬里必然腐蚀严重。

１．３．２径流式尿素合成塔的开发

针对轴流式尿素合成塔至今存在的液相短路、返混、衬里缺氧这类世界性难题，中国工程技术人员经过６年的开发和工业试验，发明了中国径流式尿素合成塔（专利号：ＺＬ２００６２００９１９４８．３）１３１，成功地攻克了世界性难题，为我国尿素工业的节能减排提供了有效的技术支撑，将会成为２１世纪尿素工业的重大自主技术创新之一。

（１）径流式尿素合成塔的形式

径流式尿素合成塔见图５。

１．塔衬里

２．无孔塔板

３．侧壁开孔

４．顶面开孔５．无孔挡板６．液相通道

图５径流式尿素合成塔示意图

径流式尿素合成塔的形式为：

①水平塔板无孔；

②塔板和塔壁之间无间隙；

③塔板的端部分别有气相通道和液相通道。（２）径流式尿素合成塔的两大特征

①气相和液相在塔板端部得到充分接触，迅速产生溶解氧，溶解氧又快速均匀地分散到全部

液相里面。

②气液两相在上下两块塔板之间同方向水平径向流动。（３）径流式尿素合成塔的两大优点

①塔板与衬里之间无环形间隙，无液相短路层存在，溶解氧能够始终覆盖在衬里表面上，减

缓了衬里的腐蚀，延长了衬里使用寿命；

②液相在上下两块塔板之间水平径向流动，没有轴向返混，也没有径向返混，呈现“活塞流”

特性，在塔内逗留时间长，能够获得Ｃ０ｚ转化率的最大化，减少了用于分解未转化甲铵的蒸汽消耗。

２．径流式尿素合成塔的应用

２．１应用领域

’径流式尿素合成塔已经成功地应用于氨汽提尿素工艺，典型用户有：河北宣化化肥厂，河南永骏化肥厂（原北京化工实验厂搬迁）；内蒙古天野化肥厂（２０１１年年底投用）。

应用于传统的水溶液全循环法尿素工艺的典型用户有：福建省三明化工厂，福建省永安化肥厂，

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黑龙江省勃利化肥厂，河南安阳化肥厂，吉林通化化肥厂，重庆市和邦碱胺实业有限公司和邦化肥

厂（２０１１年年底投用）。

２．２应用效果

２．２．１提高了ＣＯｚ转化率

已经授用的７家典型用户都取得不同程度提高了ＣＯｚ转化率卜３个百分点的显著效果，在应用中

发现问题，进行改进和提高，最大限度地发挥径流式尿素合成塔的优点。

７家径流式尿素合成塔和原轴流式尿素合成塔相比，ｃｏｚ转化率提高情况见表１：

表１

Ｃ０２转化率提高情况

２．２．２节约投资

节约投资体现在塔板数的增减上，详见表２

表２节约投资，塔板数的增减

对于４，５，６厂来说，采用径流式塔板在塔板数量减少１８’２７％情况，ＣＯ。转化率提高了２个以上的百分点。

２．２．３适用于不同生产强度

表３径流式尿素合成塔的典型用户的生产强度

厂名宣化化肥厂

塔径

１．２５ｍ

生产强度抛 ｍ３

１４．４

ｃ０２转化率提高百分数

３．４９

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三明化肥厂永骏化肥厂永安化肥厂勃利化肥厂

舱ｍ

巧ｍ

跗４埯斟

２Ｄ２２２＂２Ｄ●Ｄ

舱ｍ｛芎ｍ她ｍ

Ⅲ４ｍ５ｍ３ｍ名

Ｍ５

安阳化肥厂

通化化肥厂

撕ｍ

从表３可见，径流式尿素合成塔在不同生产强度下，都能提高ＣＯｚ转化率。２．２．４衬里的耐腐蚀性

已授用的用户使用１年后，经过大修检测，没有发现尿素合成塔衬里的腐蚀现象，没有发现尿素产品中Ｎｉ含量增加的情况。

３．轴流式和径流式尿素合成塔塔型｝匕较（见表４）

表４轴流式和径流式尿素合成塔塔型比较

塔型使用年代时代简称

塔板衬里和塔板

特征

气相和液相物料自下而上沿轴向垂

流动方向

直流动

流动类型

返混

有／无

短路

存在问题

衬里缺氧

衬里表面短路层缺氧和／或无氧液相逗留时间短，Ｃ０２转化率低，蒸汽消耗高

缺点和优点

衬里不存在缺氧和／或无氧现象液相逗留时间长，Ｃ０２转化率高，蒸汽消耗低

严重的环形间隙短路

无间隙短路

混流型

严重的液相轴向返混

流动活塞型无径向返混

气相和液相物料沿塔板水平同向

轴流式

上世纪６０年代至今

第１代多孔板和衍生型有４－－２５ｍｍ环形间隙

径流式２００７年至今第２代无孔板无环形间隙

衬里不缺氧，腐蚀轻，使用寿命

衬里缺氧，腐蚀严重，使用寿命短

长

发展趋势节能／价格比

将逐渐减少使用

低

将取代第１代塔型

高

．

４．结语

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径流式尿素合成塔已成功地应用到７个在线尿素装置上，它具有应用的广泛性和适用性。只要是轴流式的尿素合成塔改型为径流式尿素合成塔，均能不同程度地取得节省投资、提高Ｃ０２转化率和节约蒸汽消耗的效果。

径流式尿素合成塔是在立式尿素合成塔简体内实现气液两相同向径向流动的，它接近活塞流，

消除了流体流动中的短路行为和返混现象。进塔物料在塔内得到最大的逗留时间，必然地提高Ｃ０２转化率，优化系统的操作条件。

如果用大蟓英二计算Ｃ０２平衡转化率的经验公式Ｈ３为参照点，在宣化化肥厂尿素合成塔改型前后的ＣＯ。转化率如下‘射：

可见径流式尿素合成塔中气相和液相已接近活塞流，达成率可以高达９７’９９％，而轴流式尿素合

成塔的达成率只有８５－９５％。

径流式尿素合成塔将在尿素工业广泛开展全面节约蒸汽消耗中发挥特有的技术支撑作用。

参考文献：

【１】张成芳．气液反应和反应器．化学工业出版社，１９８５；

［２】钱镜清，朱俊彪，陈英明．尿素生产工艺与操作问答．化学工业出版社，１９８８；【３】实用新型专利ＺＬ２００６２００９１９４８．３；

【４】袁一，王文善．化肥工学丛书《尿素》．Ｐ８４，化学工业出版社，１９９７．【５】程忠振，径流式尿素合成塔［Ｊ］，氮肥与甲醇，２００８，３（６），４８０；

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作者：作者单位：

程忠振， 余志文， 孙喜， 刘全亮， 徐霖中国五环工程有限公司

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