新疆乌鲁木齐市兖矿新疆煤化工有限公司 曹珍 李家栋 姚兰 830000
摘要：目前，我国的经济在快速发展，社会在不断进步，尿素是由碳、氮、氧和氢组成的有机化合物，主要用于农业生产中促进农作物生长的催化剂，对提升农作物产量具有重要意义.尿素合成塔是尿素生产中重要生产环节，是供二氧化碳、液氨、甲铵液在高温下反应合成尿素的主要设备，其技术的优化将有助于增加尿素生产效率.本文将基于此探讨尿素合成塔内的温度、NH3/CO2物质的量比、水分含量、反应时间、物料质量等对尿素转化率的影响，给出尿素合成塔内反应工艺条件优化的具体建议和措施，以提高尿素的转化率。
关键词：尿素合成塔;工艺优化;塔内反应
引言:尿素合成塔是生产尿素的关键设备之一。尿塔操作控制的好坏,不仅影响尿素的生产,而且使能源消耗增加。故,对如何选择最佳工艺条件和提高操作水平,是值得深入探讨的课题。尿素合成中,影响二氧化碳转化率的因素较多,主要有以下几方面,现分别叙述如下。
1.尿素合成塔结构及功能
尿素合成塔是尿素装置主要设备之一。在尿素合成过程中其主要作用是对甲铵进行脱水.因为甲铵脱水反应的速度比不上CO2与氨冷凝成甲铵的速度，所以为了让尿素合成反应更加完全，与平衡时CO2的转化率更为接近，需要物料在合成塔中有足够的反应停留时间。因此,尿素合成塔的容积设计依据就是物料在设备内的停留时间。在尿素生产中，对尿素合成塔还有以下一些基本要求：①不允许物料在塔内产生“返混”，即已经反应的物料不能与未反应物料相混合。这是由于“返混”不但使出料中的尿素含量减少，而且还会影响反应速度并降低转化率；②尿素和甲铵的混合液在高温高压条件腐蚀性极强，因此设备所用的材料必须具有较好的耐腐蚀性；③设备要求有利于实际操作，并且当出现故障或损坏时，要能及时发现。尿素合成塔的结构与流程概述：气、液体从高压甲铵冷凝器出来后分别由底部气体进口和液体进口接管进入尿素合成塔（两根接管目的是为了减少制造的困难，也有工厂采用一根接管）。在合成塔底部的去高压喷射器将小部分甲铵与尿素混合输送到高压喷射器，再跟液氨一同进入到高压甲铵冷凝器，其目的是为了避免在生产不正常使高压喷射器抽吸尿素合成塔的混合液。物科进入塔底以后，从下往上依次通过合成塔内的筛板，反应后的溶液经过出料管从塔底流出，未反应的CO2、NH3和惰性气体从合成气出口流出到高压洗涤器。尿素合成塔为直立圆筒式设计，内部设有液位测量套管，塔壁上设有测量塔壁温度的温度计接口。尿素合成塔的主要组成部分包括：①筒体。包括内筒体和外筒体，外筒体直筒体与上、下封头焊接而成，直简体是用多层高强度、能承受高于的钢板卷焊而成的；内筒由满足一定厚度要求、在高温高压下可以耐腐蚀的的超低碳镍铬钼钢焊接而成。②筛板。物料从下往上依次通过数块筛板（如8个），避免出现已反应物料与未反应物料的“返混”。这些筛板的开孔数目是不一样的,这是因为CO2与NH3在从下往上流动的过程不断发生冷凝气体量逐渐减少，这样下部筛板比上部筛板开口多些可以保持气体通过筛孔的速度一致，筛板之间的气相层也有利于气体的充分混合。有研究表明，筛板可以缩短合成塔内物料反应平衡所需的时间。③仪表监控设备。在尿素合成塔上部配置了“γ”液位计可以控制尿素合成塔的液位。在合成前，将“γ”液位计装入套管内，外塔壁的探头获得信号后传递到控制室进行监控。操作温度测量主要包括塔外出料管上合成塔液体温度，出气管上合成气温度，以及塔壁温度。开工时的升温速率控制以塔壁为准。此外，在尿素合成塔出气管上还安装有测量合成气组分的工业色谱仪，每间隔一定时间可以测量出气体中的H2、N2、CO2、NH3、H2O等组分,以及NH3/CO2与H2O/CO2的数值。
2尿素合成塔的优化研究
2.1提高氨碳比
提高原料的氨碳比,可以提高尿素合成转化率。当有过剩氨存在时,还可以抑制某些副反应.氨碳比可以通过进料调节机构进行调节,但太多过剩氨必然会造成系统利用效率下降,能耗进一步升高,后续设备负荷增大,同时也将提高系统的平衡压力,因此实际操作时氨碳比也有一个合理的选择范围。一般选取在3.5左右。
2.2尿素合成塔内反应物NH3/CO2物质的量比的优化
NH3/CO2物质的量比决定系统中是二氧化碳过剩还是NH3过剩。无论系统中是二氧化碳过剩还是NH3过剩都会导致二氧化碳与NH3的反应加速以消耗过剩的反应产物，但是不同反应产物过剩对反应的影响是不同的。当二氧化碳过剩时，那么NH3的转化率就会增高，那么与水进行反应的NH3就会降低,这样会造成尿素转化率的降低。因为尿素的合成过程中主要是1．1所提到的两个反应，但是除了这两个主反应外还存在着一些副反应对尿素合成反应起到一定的影响。其中最主要的就是NH3与H2O反应，这样就可以降低系统中水的量，从而抑制副反应的发生，提高尿素的转化率。当NH3过剩时.二氧化碳的转化率就会升高，并且随着NH3/CO2物质的量比增大，二氧化碳的转化率也会逐渐升高，进而造成合成塔内平衡压力的升高,从而增大尿素的转化率。
2.3通过减少返回高压系统的水t稳定HZo/COZ
水是尿素生产反应的产物,有尿素生成就有水的生成。按照尿素生产流程,尿素要达到完全转化,未反应的NH。和coZ还要以水溶液的形式返回合成系统继续参加反应。在扩能改造后,原有中压系统的分解能力无法消化扩能后产生的水量,水碳比会相应增加,造成尿素转化率的下降;为了解决这一矛盾,采用中压精馏塔替换原有的中压分解器,在低压分解器后增加了闪蒸分离器,原来直接从中压吸收塔底出来的甲按液,不是直接经高压甲馁泵返回高压系统,而是先与真空预浓缩器出来的气体混合,经中压冷凝器冷凝后再经高压甲钱泵返回高压系统。经过改造后返回高压系统的甲铰液浓度被进一步提高,返回高压系统的水量减少了许多,水碳比得到很好的控制。
2.4氨碳比的优化
氨碳比就是物料中NH3与CO2的摩尔比，从化学平衡移动原理中可知，反应物料中氨浓度的增大，会促进二氧化碳往生产尿素的方向发展，即提高尿素平衡转化率。实验表明，在一定的气压和温度、水碳比条件下，氨碳比从3.70增大到4.22时，尿素平衡转化率从64.4%增大到67.2%，当氨碳比增大到4.51时，尿素平衡转化率则进一步增大到68.6%。优化措施：提高合成尿素物料的氨碳比。由上述分析可知,氨碳比的提高有利于提高合成尿素的平衡转化率；此外过量的NH3还对一些副反应起到抑制作用.氨碳比的提高（或降低）可利用进料调节器实现，然而物料中NH3也不是越多越好，会过多会降低系统利用效率，增大能耗和设备负荷，一般比较理想的氨碳比约为3.5。
结语
尿素的转化率受到反应温度、压力以及反应产物和设备的影响，在实际的生产中可以具体进行优化的反应条件以对化学反应平衡影响较大的温度、压力、反应物比例(NH3/CO2物质的量比)为主，但对于部分工厂设备和反应物的质量也是可以优化的。总而言之，对于尿素合成塔内的反应条件,如果条件允许可以将其温度优化到最佳温度，NH3/CO2物质的量比控制在3．5到4．1，并尽可能的降低系统中水分含量,使用传热和传质较好的塔板以及控制反应时间在50min左右，就可以使得尿素的转化率达到最优。
参考文献
[1］戴雪燕．优化尿素合成塔内反应是改进尿素合成工艺的关键［J］．石油化工应用，2007，26(5):17－20．
［2］张运陶，张明荣，郑怀江，等．基于数据挖掘的尿素合成工艺参数优化［J］．计算机与应用化学，2009，26(8):1013－1016．