浅谈尿素合成塔结构及作用原理
时间：2022-08-27 07:36:06
摘 要：尿素合成塔是尿素装置的关键设备之一，它是高压系统的核心设备，其合成转化率的高低对后续的反应起着至关重要的作用，我们将重点介绍设备结构及原理。
1 概况
大庆石化分公司化肥厂尿素装置是二十世纪七十年代从荷兰STAMICARBON公司引进的CO2气提法尿素生产工艺技术，利用上游车间的原料NH3和CO2 反应生成尿素，设计日产尿素1620吨，年生产能力为48.6万吨。2005年，公司决定对尿素装置进行扩能改造，使装置的生产能力由原设计1620吨/天提高至2300吨/天，年生产能力提高为75.9万吨，其合成塔（201D）在原塔的基础上更换了新塔盘及衬里，现塔盘形式为“虹吸式”塔盘，其转化率对整个装置起着重要的作用。
2 高压圈流程
掌握合成塔，不得不介绍一下它所在的高压系统，来自氨加热器（102C）的液氨被送往高压喷射器（201L），作为喷射器的动力，抽吸高压洗涤器（203C）的甲铵液，然后进入到高压甲铵冷凝器（202C）顶部。来自汽提塔（201C）顶部的气体（NH3、CO2）
也进入202C顶部。气、液混合后沿202C列管内壁往下流，大约有78%左右的气、液被冷凝生成甲铵，剩余部分仍以气体存在，这些生成的甲铵液与未冷凝的气体分别从底部的液相管和气相管离开，进入到合成塔（201D）底部。在合成塔中，气、液物料混合发生吸热的尿素生成反应，生成的尿素溶液从合成塔上部的溢流管离开，大部分送往汽提塔（201C），其余部分减压至2.0 MPa左右后进入到中压系统，送到汽提塔（201C）的尿素溶液经上部的液体分布器均匀地流入列管内，并向下流动，
来自CO2冷却器（E107）的CO2则从汽提塔（201C）底部进入，向上流入管束，将合成反应液中的NH3和CO2分离出来，经过汽提的反应液从塔底进入到301E，也就进入到了低压系统。合成塔中未反应的气体则从塔顶离开，去往高压洗涤器（203C）顶部的防爆空间，与来自高压甲铵泵的甲铵液一同进入到203C底部的管侧，气液混合物通过换热列管上升，使混合气中的NH3和CO2被冷凝回收，而未冷凝的气体则去往0.7MPa系统吸收塔（702E）来进一步吸收。
3 合成塔结构及特点
3.1合成塔性能参数
合成塔的设备尺寸为Φ2800*116*34100mm，总重289.79吨，容积约为183M3。筒体内径Φ2800 mm，筒体壁厚116 mm〔12*8+12+8（层板+内筒+衬里）〕，壳体材质为16MnR，衬里为8 mm厚的X2CrNiMo25-22-2材质（之所以选用这种材质，主要因为尿素、甲铵的强腐蚀性，X2CrNiMo25-22-2它的Cr、Ni的含量很高，具有较强的耐腐蚀性和耐冲蚀性，它的腐蚀率在0.04～0.08mm/年，平均年腐蚀率为0.05 mm左右）。其内部主要由11层塔盘，一根偏离中心的溢流管，上下封头，一个Φ800mm的人孔构成。其性能参数见表1
由于尿素合成塔内件材料和塔盘的特殊性及工艺转化率对设备的要求，所以塔盘结构至关重要。
3.2塔盘的结构和作用原理
合成塔内部空间被11层塔盘分成相邻的12个区域，每层塔盘均由四块筛板通过M12的螺母及扁螺母水平连接构成，各层筛板的开孔数不等，但孔径均为Φ6mm，随着反应的进行，气量逐渐较少，为了保证气体的线速度相等，所以开孔数逐层减少。在塔盘的中心是一圈Φ1780×1120mm的导向筒，导向筒通过支腿、支脚固定在塔盘上，塔盘上还有Φ1732×100×6mm的溢流槽及拆装塔盘用的吊耳12个，筛板外沿下方是一圈
垂直于筛板的Φ200×6的裙板，整个塔盘靠裙板下端的塔盘托架进行支撑，用M12的钩头螺栓来固定塔盘。为防止泄露，在封头衬里及筒体衬里设有检漏系统。
来自高压甲铵冷凝器的甲铵液和工艺气（NH3、CO2、H2O）分别从2条管线同时进入合成塔底部，使得塔内每一个小室内都存在气液两相。气体以鼓泡形式穿过筛板小孔，液体从筛板与筒体的环隙向上流动，气体进入到上一层塔盘中心的导向筒，通过导向筒的气流对塔板上的液流起着一定的推动作用，来引导物料的流入和流出即循环路径，由于气体穿过小孔的速度较大，使物料处于激烈的搅拌中，进而增加了气液接触面积，而溢流槽的存在可以保持塔板上有一定的液层，使气体与液体有充分的接触时间，还可以使物料均匀通过塔板。
塔盘作用原理图
在工艺气继续冷凝生成甲铵的同时，甲铵脱水生成了尿素，反应由下至上不断进行，尿素的浓度也从塔底到塔顶逐渐上升，最终含较高浓度尿素的液相在压力差的作用下经溢流管从合成塔底部流出进入汽提塔，这一现象就是所谓的“虹吸”现象，而未反应完全的气相从合成塔顶部逸出进入高压洗涤器洗涤。在气相和液相由塔底至塔顶的过程，是尿素浓度升高的过程，合成塔顶部高浓度尿液和底部低浓度尿液容易“返
混” ，塔盘设置一定数目的塔板，有助于防止物料的返混，提高气液的混合效率，塔盘的作用就在于此。
4 结论：
熟悉和掌握尿素合成塔结构以及作用原理至关重要，它是平时维护和保养以及检维修设备的必要条件，只有抓住这一主要矛盾，才能了解设备的运行状况，有的放矢的管理设备，这样就能保障装置平稳安全生产。
参考文献：
[1] 骆晓玲.刘亮亮 多层包扎尿素合成塔结构研究【期刊论文】—机械设计与制造2010（10）
作者简介：邵广义，男，1986年出生，2009年毕业于辽宁石油化工大学过程装备与控制工程专业，现在大庆石化公司化肥厂尿素车间从事设备管理工作。联系电话：0459-6745303；15045918341
