尿素合成塔塔盤技術(shù)改造總結(jié).doc

尿素合成塔（R101）塔盤技術(shù)改造總結(jié)蘭州石化化肥廠年產(chǎn)52萬噸尿素裝置從1997 年投產(chǎn)后，尿素合成塔內(nèi)的CO2轉(zhuǎn)化率一直偏低，在滿負(fù)荷狀態(tài)下CO2的平均轉(zhuǎn)化率只能維持在57%，造成系統(tǒng)循環(huán)量大、中低壓放空中氨含量高、工藝?yán)淠褐邪睗舛雀哂谠O(shè)計(jì)值、蒸汽消耗偏高。一、 改造前工況分析1 合成塔設(shè)備參數(shù)：設(shè)計(jì)溫度210；設(shè)計(jì)壓力16.7 MPa（g）筒體內(nèi)徑2200mm；襯里厚7mm；尿素合成塔高45215mm；其中筒體總長(zhǎng)40000mm；人孔直徑500mm；容積150m3；塔內(nèi)降液管6，直管部份總長(zhǎng)25732mm；筒體襯里材料：ASTM A240 TP316L MOD；原有塔板位置：在塔頂1500mm以下的地方，依次向下裝有10層篩板塔盤，篩板厚度5mm，每層篩板上開有500個(gè)8mm小孔，按正三角形排列，相鄰兩塊篩板間的距離為2500mm；篩板材料：ASTM A240 TP316L MOD（尿素級(jí)）；用螺栓、螺母、墊片緊固，它們材料為：00Cr25Ni22Mo2棒材；支承板和托架為8mm 厚的ASTM A240 TP316L MOD（尿素級(jí)）不銹鋼板；篩板與筒體的環(huán)向縫隙為7.5mm 2原合成塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)存在的主要問題（1）氣液相分道不明 雖然在合成塔底部有很大的空間給予充分的氣液傳質(zhì)、反應(yīng)，進(jìn)入第一塊時(shí)，仍有大量的氣相存在，遇到擋板下部聚集成大的氣泡，由于該塔板底面是平直的，沒有環(huán)向氣相揠流環(huán)，有一部分大泡將會(huì)從擋板與塔壁之間進(jìn)入上一級(jí)，形成流動(dòng)不穩(wěn)定，且大氣泡占據(jù)了一定的反應(yīng)空間，對(duì)提高反應(yīng)效率不利。 （2） 存在脈動(dòng)現(xiàn)象 經(jīng)過平篩板的氣相在塔內(nèi)是不穩(wěn)定的，氣體會(huì)在每一塊塔板下聚集，逐漸形成很大的氣相層后，才突然通過這塊塔板，產(chǎn)生脈動(dòng)現(xiàn)象，因此就形成了氣相停留時(shí)間過長(zhǎng)，液相停留時(shí)間相對(duì)縮短，并且氣液相接觸面減小的現(xiàn)象。（3） 塔板上部存在渦流 物流是由下向上，經(jīng)過塔板時(shí)液相從環(huán)隙中向上，氣相從孔向上，液相與氣相并流向上，由于環(huán)隙較窄，液相通過時(shí)，流速較大，以及物料密度差的作用，在擋板上方產(chǎn)生渦流，渦流不能達(dá)到塔內(nèi)氣泡群中心，渦流內(nèi)部的速度很慢，渦流越大，低速區(qū)也越大，導(dǎo)致混合效果差，不利于提高反應(yīng)效率3工藝操作參數(shù)：氨碳比3.2-3.6，水碳比0.5-0.7塔下部操作溫度176 179 塔出口溫度186189操作壓力15.2-15.6 MPa設(shè)計(jì)CO2轉(zhuǎn)化率62.5%，而實(shí)際CO2轉(zhuǎn)化率約為57%。4工藝操作情況：（1）低負(fù)荷狀況下，由于物料在塔內(nèi)停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，合成溫度、壓力及轉(zhuǎn)化率基本上能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。（2）滿負(fù)荷時(shí)，由于二氧化碳轉(zhuǎn)化率低于設(shè)計(jì)值，只有57%左右，為回收未反應(yīng)物，返還于合成塔的水碳比高，合成塔溫度、壓力波動(dòng)大，中低壓放空量大，而且低壓放空中的氨含量高達(dá)80左右，氨損失大。（3）由于轉(zhuǎn)化率低，使E101承受的負(fù)荷大，導(dǎo)致E101出料溫度低只有199左右。（4）工藝?yán)淠褐邪焙扛哂谠O(shè)計(jì)值，水解解吸系統(tǒng)處理負(fù)荷大。（5）噸尿素耗氨高于設(shè)計(jì)值。為解決以上問題，我廠將尿素合成塔塔盤改造作為2005年度重點(diǎn)技改項(xiàng)目。二、改造依據(jù)。尿素合成塔要有足夠的體積以保證反應(yīng)時(shí)間，實(shí)際上，塔內(nèi)物料反應(yīng)的整個(gè)過程包括：氣相中的CO2和（或）NH3通過傳質(zhì)進(jìn)入液相。液相中的CO2和NH3化合生成甲銨。甲銨轉(zhuǎn)化為尿素和水，反應(yīng)產(chǎn)物中的水部分進(jìn)入氣相。在這個(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CO2和（或）NH3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)入液相并連續(xù)反應(yīng)。由于介質(zhì)密度差等因素的影響，塔內(nèi)存在物料返混現(xiàn)象，因此，設(shè)置一定數(shù)目的塔板，有助于防止物料的返混。內(nèi)設(shè)塔板的合成塔，可視為多個(gè)串聯(lián)的小室組成，彼此之間用塔板隔開，反應(yīng)物自下而上通過，每一個(gè)小室內(nèi)都存在氣液兩相，氣體以鼓泡形式穿過液層。由于擾動(dòng)充分，可認(rèn)為兩相均處于完全混合狀態(tài)，合成塔的反應(yīng)模型更接近于多級(jí)全混流串聯(lián)模型。故改造應(yīng)從以下兩方面著手。（1）在尿素合成塔內(nèi)加強(qiáng)氣液相間的傳質(zhì)，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、比表面大小及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)狀況，將原合成塔的塔板改造成具有優(yōu)良?xì)庖簜髻|(zhì)性能的高效塔板，有利于提高合成塔的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。下圖為高效塔板與傳統(tǒng)塔板的比表面積的比較，可以看出高效塔板比表面積明顯大于傳統(tǒng)塔板。 圖1 高效塔板與傳統(tǒng)塔板的比表面積的比較圖（2）延長(zhǎng)相對(duì)停留時(shí)間，在1個(gè)穩(wěn)定的連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)中，在某一瞬間同時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)的一定量流體，其各個(gè)物質(zhì)經(jīng)歷一定的停留時(shí)間后依次從系統(tǒng)中流出。由于反應(yīng)器類型不同，流體的流動(dòng)模式不同，反應(yīng)流體在容器內(nèi)停留的時(shí)間可能相同，也可能不同。流體在反應(yīng)器內(nèi)停留的時(shí)間不同，其反應(yīng)程度也不一樣，必然影響轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)效率。模擬計(jì)算表明，在其它條件都不變的狀態(tài)下，適當(dāng)增加合成塔的塔板數(shù)，可增加多級(jí)全混流的級(jí)數(shù)，使全塔停留時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)且分布更理想，反應(yīng)更充分。塔板數(shù)與轉(zhuǎn)化率關(guān)系示意圖 ：圖2 塔板數(shù)與轉(zhuǎn)化率關(guān)系示意圖該合成塔的筒體直徑2 200 mm，高45 215 mm，體積為150 m3，底部無塔板區(qū)高為16 m，體積約58 m3，占整個(gè)合成塔體積的38%，可以充分利用該區(qū)域增加塔板數(shù)，以達(dá)到延長(zhǎng)相對(duì)停留時(shí)間，提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的目的。參照國(guó)內(nèi)同類裝置對(duì)合成塔改造經(jīng)驗(yàn)，2006年6月我廠利用停車大檢修機(jī)會(huì)對(duì)該合成塔塔盤進(jìn)行了技術(shù)改造。采用高效節(jié)能波形塔板，來替換原普通平篩板塔盤，CO2轉(zhuǎn)化率提高顯著，節(jié)能效果明顯1波形尿素合成塔盤工作原理波形尿素合成塔盤工作原理圖1所示，塔中上升的氣、液兩相在波形塔板上進(jìn)行氣液分流，介質(zhì)的液相從波谷開設(shè)的液相孔與環(huán)向間隙通過，介質(zhì)的氣相從波峰開設(shè)的氣相孔較高的速度射出，進(jìn)入上一層擋板的液相中，強(qiáng)化了氣液接觸。這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的小氣泡增大了比表面積，有利于提高傳熱和傳質(zhì)的效率。圖3 波形尿素合成塔盤工作原理圖2 波形尿素合成塔盤特點(diǎn)（1） 介質(zhì)通過塔板時(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。（2） 這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的小氣泡增大了比表面積，有利于提高傳熱和傳質(zhì)的效率。（3） 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。（4） 制造相對(duì)容易，價(jià)格低。3波形尿素合成塔盤主要材質(zhì)塔板：ASTM A240 TP316L MOD（尿素級(jí)）；緊固件：00Cr25Ni22Mo2棒材；支承件：ASTM A240 TP316L MOD（尿素級(jí)）；焊條： -THERMANIT 19/15 （T.E.W.）-FOX EAEN 25M(BOCHLER)-P5(AUESTA)OR -THERMANIT 19/15 H（T.E.W.）-2RM69(SADVIK)-FOX EAEN 25M-IG(BOCHLER)三改造方案拆除原有10塊塔盤，全部更換為波形塔板，并在塔底部16mm空間內(nèi)增設(shè)5塊波形塔板。共重新安裝15塊新塔盤，如下是波形尿素合成塔盤結(jié)構(gòu)圖圖4 波形尿素合成塔盤結(jié)構(gòu)圖1) 該改造項(xiàng)目，與尿素合成塔的大修同時(shí)進(jìn)行，所有施工按尿素合成塔（R-101）維護(hù)檢修規(guī)程進(jìn)行。2) 由于檢修工期短，編制了嚴(yán)格的檢修計(jì)劃，準(zhǔn)備了一定量的備品配件，因合成塔內(nèi)件需拆裝，內(nèi)件與緊固件因腐蝕等原因可能須更換。3) 標(biāo)出圖紙標(biāo)高，在此標(biāo)高處定出方位，在需要焊新支耳的位置處將舊襯里打磨干凈。4) 焊接臨時(shí)支承架、組對(duì)圓墊板為一個(gè)圓環(huán)并點(diǎn)焊，將相應(yīng)的塔板吊入塔內(nèi)試裝 ，校對(duì)圓墊板的位置。5) 找準(zhǔn)位置后，完成支承架的焊接，完成圓墊板的焊接。6) 拆除支承架與圓墊板的連接，對(duì)焊縫進(jìn)行檢查。7) 安裝圓墊板，校調(diào)尺寸，安裝塔板，保證周邊間隙，留一分塊作通道四、改造實(shí)施情況2006 年5月25日，按廠部計(jì)劃尿素裝置進(jìn)行長(zhǎng)停，對(duì)包括合成塔在內(nèi)的所有設(shè)備進(jìn)行徹底的置換、倒空、降溫5月306月10日，對(duì)合成塔內(nèi)壁進(jìn)行腐蝕情況檢測(cè)和塔壁修復(fù)6月10日6月20日，對(duì)舊塔盤拆除和新塔盤安裝6月21日開始對(duì)合成塔進(jìn)行試壓、升溫做投料準(zhǔn)備工作。7月8日，尿素裝置投料，60負(fù)荷生產(chǎn)。7月20日，100負(fù)荷生產(chǎn)。五、合成塔改造前后效果對(duì)比1高壓圈情況15層新型高效塔板安裝后，從工藝操作上來看，操作性能基本平穩(wěn)，特別是滿負(fù)荷情況下，合成塔壓力和高壓圈壓力基本穩(wěn)定在15.5MPa左右，塔底、塔頂溫度分別為173 和188 ，與模擬計(jì)算吻合，塔頂?shù)淖罡邷囟茸兓淮?，除合成塔底部溫度分布有一定變化外（改造前塔底部溫?78），其它操作條件基本維持原狀。以下是合成塔改造后CO2轉(zhuǎn)化率及相關(guān)數(shù)據(jù)表：表1：合成塔改造前CO2轉(zhuǎn)化率及相關(guān)數(shù)據(jù)表日期生產(chǎn)負(fù)荷KNM3CO2轉(zhuǎn)化率氨碳比水碳比合成塔壓力MPa塔底部溫度塔頂部溫度汽提塔出料溫度6月2日16:302856.63.380.9015.56178.4187.7199.56月3日0:302858.03.360.6915.39177.1187.5198.69:002856.73.450.8815.46178.3188.8199.516:302857.03.390.7815.55178.4187.8200.76月4日0:302856.63.470.6615.60178.5187.7199.59:002857.13.400.8715.58177.1187.5200.116:302856.63.360.7915.57178.1188.0199.96月5日0:302857.53.480.7215.48178.4187.8200.79:002856.93.570.6515.55178.4188.7199.816:302857.13.420.7415.55177.3187.5200.96月6日0:302856.93.460.6115.56178.3187.0199.59:002857.53.540.7315.46178.4187.8200.816:302856.83.380.6015.57178.4187.7199.56月7日0:302857.73.500.8615.47177.6187.5200.0平均值57.073.440.7415.5178.05187.78199.9表2：合成塔改造后CO2轉(zhuǎn)化率及相關(guān)數(shù)據(jù)表日期生產(chǎn)負(fù)荷KNM3CO2轉(zhuǎn)化率氨碳比水碳比合成塔壓力MPa塔底部溫度塔頂部溫度汽提塔出料溫度8月2日16:302862.363.390.9015.56173.4188.7203.58月3日0:302860.063.360.6915.39174.1188.5203.69:002861.803.490.8815.46172.3188.8203.516:302861.493.130.7815.55173.4188.8203.78月4日0:302860.473.360.8815.56172.5188.6204.59:002862.343.460.5815.49173.8188.9203.916:302862.133.420.5715.55174.1188.8203.48月5日0:302858.503.500.5615.49173.5188.6204.59:002861.333.510.5915.58173.6188.6204.116:302860.973.570.6715.48173.2188.5204.08月6日0:302861.973.470.5715.55173.2188.8204.09:002861.853.490.6015.48173.1188.9203.516:302861.923.190.7315.57173.5188.9204.58月7日0:302860.363.190.7515.46173.7188.8204.39:002859.853.400.9915.50174.2188.8204.216:302860.693.430.8215.49173.1188.7204.38月8日0:302861.163.410.7515.55173.3188.9203.59:002860.423.460.8615.46173.6188.7203.816:302861.733.100.7215.55173.6188.7204.18月9日0:302860.973.410.6915.58174.6188.6204.09:302861.403.460.6715.57174.1188.5203.516:302859.203.390.9015.50174.6188.6204.7平均值61.043.390.7315.51173.5188.7203.9從以上數(shù)據(jù)比較可以看出，高壓圈操作情況比改造前有明顯好轉(zhuǎn)。（1）衡量改造是否有效的主要指標(biāo)是合成塔內(nèi)CO2轉(zhuǎn)化率，從分析結(jié)果來看，滿負(fù)荷時(shí)CO2轉(zhuǎn)化率在改造后能達(dá)到60左右，比改造前的轉(zhuǎn)化率提高了約34。（2）從氣提塔出料溫度可以看出，CO2轉(zhuǎn)化率提升后，氣提塔出料溫度上升了34，減少了汽提塔的負(fù)荷，而且汽提塔殼側(cè)蒸汽加熱壓力由原來的2.35MPa下降到了2.2MPa，節(jié)約了中壓蒸汽約，經(jīng)濟(jì)效益顯著。（3）合成塔塔底、塔頂溫度分別為173 和188 ，溫差拉大，說明塔內(nèi)反應(yīng)良好，而且合成塔內(nèi)CO2轉(zhuǎn)化率提高了約2%，增加