摘要  本文從尿素合成塔內(nèi)件和尿素合成工藝的發(fā)展及改進(jìn)入手，比較詳細(xì)地論述了尿素合成塔內(nèi)的反應(yīng)過(guò)程，通過(guò)分析，得出了影響尿素合成塔內(nèi)二氧化碳轉(zhuǎn)化率的主要因素。著重對(duì)于UTI工藝的特點(diǎn)進(jìn)行了剖析，指出了該工藝體現(xiàn)出的較高優(yōu)越性的核心所在。針對(duì)尿素合成塔內(nèi)的混合問(wèn)題，提出了新的思路，以期對(duì)水溶液全循環(huán)法尿素生產(chǎn)工藝水平有所提高。

關(guān)鍵詞：尿素合成工藝、合成塔、二氧化碳轉(zhuǎn)化率

 

1 綜述

    任何化工過(guò)程，都需要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是原料的混合，二是反應(yīng)產(chǎn)物的分離。對(duì)于不同的化工工藝流程，由于工藝參數(shù)即：實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)所必須的溫度、壓力（有時(shí)還需要有催化劑的存在）等外部條件的不同，參加反應(yīng)的原料性質(zhì)不同以及反應(yīng)產(chǎn)物的性質(zhì)不同（主要表現(xiàn)在化學(xué)性能的穩(wěn)定性及物理性能的差異），這兩個(gè)問(wèn)題的解決難度或有差異，但都是不可避免的。

對(duì)于尿素產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，原理上很簡(jiǎn)單，實(shí)際上就是要解決以下的兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)：

    2NH₃(液)+CO₂ (氣) NH₄COONH₂（液）+ Q₁    ⑴

    NH₄COONH₂（液） CO(NH₂) ₂ (液)+H₂O(液)-Q₂      ⑵

    由于絕大多數(shù)的化學(xué)反應(yīng)或多或少均存在一定的可逆過(guò)程，這就給工藝流程的設(shè)計(jì)提出了難題，往往對(duì)于看起來(lái)非常簡(jiǎn)單的一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，需要一個(gè)非常復(fù)雜的工藝流程、一系列繁雜的設(shè)備和能源的消耗才能實(shí)現(xiàn)。因此，如何提高化學(xué)反應(yīng)的速度，實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的完全程度，提高設(shè)備的效率、能源的利用率等一直是工程技術(shù)上需要改進(jìn)的重中之重。對(duì)于尿素合成這樣看似簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，由于對(duì)于機(jī)理的不斷認(rèn)識(shí)、技術(shù)的不斷進(jìn)步、新材料、新工藝的不斷研究、新成果的不斷出現(xiàn)，工程技術(shù)人員、科技工作者逐步提出了不同的工藝流程，來(lái)盡可能完善地實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，盡可能高效地得到最終需要的產(chǎn)品。大體上來(lái)說(shuō)，目前運(yùn)行的主要工藝有以下幾種^[1][2][3]：

    ★ 傳統(tǒng)水溶液全循環(huán)工藝

    ★ TEC的ACES工藝

    ★ STAC的CO₂汽提工藝

    ★ SNAM的NH₃汽提工藝

2 尿素合成塔內(nèi)件的發(fā)展

    在尿素生產(chǎn)的工藝流程中，公認(rèn)尿素合成塔是最為關(guān)鍵的設(shè)備。尿素合成塔的最原始設(shè)計(jì)，是一個(gè)長(zhǎng)徑比較大的中空的高壓容器^[2]，最初人們普遍認(rèn)為，上述的第一反應(yīng)很快可以完全完成，合成塔的作用僅是為了提供第二反應(yīng)所需要的時(shí)間和空間，即全液相的甲胺脫水生成尿素的時(shí)間和空間。但是隨后人們發(fā)現(xiàn)，由于尿素合成塔內(nèi)的工作條件，一直存在氣液兩相^[5][6][8]。而且物料的流動(dòng)自下而上，因此需要不斷解決氣液的混合問(wèn)題及由于物料密度之差和塔橫截面物料的不均勻而存在的返混問(wèn)題。圍繞尿素合成塔所進(jìn)行的工作非常廣泛，但基本上都是在尿素合成塔內(nèi)部進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了各種類型的尿素合成塔的內(nèi)件，而且在合成塔內(nèi)的塔內(nèi)件的安裝數(shù)量也越來(lái)越多�？偨Y(jié)起來(lái)，主要有以下兩種;

    ★ 用于塔入口起初始混合作用的各型旋流板

    ★ 防止返混和提供混合作用的塔內(nèi)的各型內(nèi)件（塔盤）

    旋流板一般情況下均安裝在塔的底部，作用就是利用進(jìn)入尿素合成塔的三股物料（有的工藝是兩股物料）的剩余動(dòng)能，產(chǎn)生一定的旋流，造成一定的混合條件，基本結(jié)構(gòu)是設(shè)置多個(gè)切向?qū)Я靼�，使反�?yīng)物料形成切向擾流，達(dá)到一定的混合效果，已成為大家多年的共識(shí)。

    一開(kāi)始塔內(nèi)件的設(shè)計(jì)就是一個(gè)簡(jiǎn)單的圓形塔盤，圓盤的周邊與塔的內(nèi)壁之間形成環(huán)形的液體流動(dòng)通道，圓盤的周邊設(shè)計(jì)了向下伸出的裙邊，形成一定高度（一般情況下為200mm左右）的氣室，利用該高度內(nèi)的物料的位差造成微小的壓頭，使氣室圓盤上開(kāi)孔處存積的氣體形成一定的流動(dòng)速度，在氣孔出口處造成氣液的混合作用。見(jiàn)圖1。

 

 

                                                  圖1合成塔內(nèi)件工作示意圖

 

    在此基礎(chǔ)上，為了提高混合效果，塔盤的氣體出口設(shè)計(jì)成為不同的形式，如：帽罩型、泡罩型、直孔、斜孔等，目的只有一條，那就是將具備一定流速的氣體鼓入液相介質(zhì)之中，增大氣液的接觸面積和混合強(qiáng)度。武漢綠寰公司在氣體出口的罩帽頂部裝有旋轉(zhuǎn)形翅片，使通過(guò)翅片的氣體達(dá)到一定的旋轉(zhuǎn)速度，并轉(zhuǎn)變?yōu)閺较虻膱A周運(yùn)動(dòng)，使氣液不僅有軸向的混合，而且也有徑向的混合，據(jù)報(bào)道具有較好的混合效果^[6]。

    在氣相介質(zhì)的流通結(jié)構(gòu)上，也出現(xiàn)了各種改進(jìn)的方法，常用的有：①圓柱形通道，這樣可以在圓柱形通道的側(cè)面及頂面均開(kāi)有不同尺寸的噴孔。②三角形通道，在三角形通道的側(cè)面開(kāi)孔，達(dá)到一定的軸向混合和徑向混合目的。③矩形通道，在矩形通道的側(cè)面和底面開(kāi)孔，也具備軸向和徑向的混合作用。

    當(dāng)然，在確定每一層塔盤上的開(kāi)孔總面積時(shí)，由于認(rèn)識(shí)到從塔的底部向上，物流中的氣體比例在不斷減少。因此，為了保證氣體流速的均勻性，從塔底開(kāi)始，每層塔板的開(kāi)孔總面積是不斷減少的。

    但是人們又發(fā)現(xiàn)，塔盤的周邊與塔的內(nèi)壁之間形成環(huán)形的液體流動(dòng)通道，造成了液體的部分溝流。改進(jìn)的方法是，使該環(huán)形通道的尺寸不斷減小，直至最后設(shè)計(jì)為零，即形成了所謂的新型塔盤，即：液體的通道從環(huán)形變成了單邊的缺口型，在合成塔內(nèi)的塔盤基本上起到了折流板的作用。物料的流動(dòng)距離變長(zhǎng)，平均流動(dòng)速度變大，以保持物料在塔內(nèi)的停留時(shí)間不變（注：有人認(rèn)為增加了停留時(shí)間是一種錯(cuò)誤的理解）。這對(duì)于尿素的合成是有好處的，這些均對(duì)CO2轉(zhuǎn)化率的提高起到了一定的作用，新型塔盤的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。在此，我們對(duì)其作用簡(jiǎn)單分析如下：

 

 

圖2 改進(jìn)后合成塔內(nèi)件工作示意圖

 

    假定合成塔內(nèi)徑為2.8米，塔高為30米，如果安裝20塊單邊缺口型塔盤，由于折流作用增加的物料流動(dòng)距離粗略為：

    19Х2.8米=53.2米

    即在原流動(dòng)距離（30米）上增加了約170%。平均流速的增加也與之相對(duì)應(yīng)，物料在塔內(nèi)的總體停留時(shí)間不變。當(dāng)然，在塔盤缺口處液體的局部流速取決于開(kāi)口的面積及氣相的流動(dòng)，氣體開(kāi)孔處的流速則取決于開(kāi)孔總面積、裙邊的高度及液體流通面積的共同影響。氣液相的流動(dòng)設(shè)計(jì)還要考慮到整個(gè)塔阻力的綜合影響。

    此類塔板在STAC的CO2汽提工藝尿素合成塔中得到了普遍的應(yīng)用。隨后，化四院設(shè)計(jì)的塔板也采用了這一原理，應(yīng)用到有關(guān)的合成塔改造項(xiàng)目中，取得了一定的效果^[7][8][9]。

3 尿素合成工藝的發(fā)展

    尿素的化學(xué)合成應(yīng)歸功于德國(guó)化學(xué)家武勒（Friedrich Wohler），隨后，為了工業(yè)化的運(yùn)行，產(chǎn)生了不循環(huán)法（一次通過(guò)法）、半循環(huán)法、全循環(huán)法、汽提法等尿素生產(chǎn)工藝�？偟姆较蚴牵洪]環(huán)回路、能量綜合利用，并不斷向降低生產(chǎn)成本、降低能耗、減少污染的方向發(fā)展。

    由于尿素合成反應(yīng)必須在高壓下進(jìn)行，而后續(xù)的未反應(yīng)物分離、循環(huán)和回收則需要在低壓下完成，分離后的未反應(yīng)物需要加壓才能重新回到高壓系統(tǒng)中重復(fù)進(jìn)行反應(yīng)。如果能在高壓水平上進(jìn)行部分分離和回收工作，則可以顯著降低能耗。在全循環(huán)法的工藝基礎(chǔ)之上，在尿素合成塔以后增加分離、再反應(yīng)和回收設(shè)備，形成一個(gè)高壓合成圈，在合成壓力條件下進(jìn)行未轉(zhuǎn)化成尿素的甲銨和過(guò)剩氨的部分分離和回收甲銨的反應(yīng)熱，達(dá)到節(jié)約能耗，提高CO2轉(zhuǎn)化率，是各種汽提方法開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)和初衷。

    寰球公司的TRIP工藝，是在原有的合成塔基礎(chǔ)上，增加了一臺(tái)合成塔、一臺(tái)自汽提塔、一臺(tái)甲胺冷凝器，共同構(gòu)成了尿素合成的高壓圈，在提高產(chǎn)量、降低能耗等方面都取得了成果^[3]。

    還有一個(gè)改進(jìn)原則，就是如何延長(zhǎng)反應(yīng)物的停留時(shí)間。

    筆者認(rèn)為：在全循環(huán)法基礎(chǔ)之上開(kāi)發(fā)的各種高壓圈方法，除了以上分析的各種效果以外，很重要一點(diǎn)是，高壓圈的存在，延長(zhǎng)了反應(yīng)物料在高壓區(qū)的停留時(shí)間，增加了反應(yīng)物料的接觸機(jī)會(huì)，也就是增加了氣液混合的環(huán)境和甲胺脫水生成尿素的時(shí)間。

    無(wú)論任何改進(jìn)方法和好的效果，都是需要代價(jià)的，增加高壓設(shè)備是躲不開(kāi)的，延長(zhǎng)流程也是必須的。

    由UTI公司開(kāi)發(fā)的HR熱循環(huán)法尿素工藝技術(shù)，據(jù)報(bào)道具有較高的二氧化碳轉(zhuǎn)化率，很明顯有一點(diǎn)是可以肯定的，那就是，相對(duì)于其他類型的尿素合成塔，UTI尿塔中液態(tài)甲銨的轉(zhuǎn)化反應(yīng)時(shí)間確實(shí)是最長(zhǎng)的^[10]。類似于UTI工藝帶有換熱功能的全塔式整體內(nèi)件，專利CN2361631介紹了一種分體塔內(nèi)件，其結(jié)構(gòu)原理基本是一致的，除了結(jié)構(gòu)中考慮的其他因素之外，增加流程-增加停留時(shí)間是共同的考慮。

    WWS型塔內(nèi)件汲取了普通塔內(nèi)件和帶有換熱功能塔內(nèi)件的共同優(yōu)點(diǎn)，在使用過(guò)程中，體現(xiàn)出了較好的性能指標(biāo)。

    文獻(xiàn)^[10]中針對(duì)尿素合成的過(guò)程經(jīng)過(guò)了一系列分析，說(shuō)明尿素合成反應(yīng)的二氧化碳轉(zhuǎn)化率，同時(shí)受到以下反應(yīng)式的控制：

   

    即首先進(jìn)行氣相的NH₃與CO₂溶解進(jìn)液相的物理過(guò)程（第①步傳質(zhì)過(guò)程），然后再進(jìn)行第②步合成反應(yīng)的化學(xué)過(guò)程，生成液態(tài)甲銨。也就是說(shuō)，只有液相的NH₃和液相的CO₂才能起化學(xué)反應(yīng)，而在氣相的反應(yīng)基本可以忽略。如果不能完全實(shí)現(xiàn)NH₃與CO₂溶解進(jìn)液態(tài)這一步，生成甲銨的反應(yīng)就無(wú)法進(jìn)行徹底，即：生成甲胺的反應(yīng)受到兩個(gè)環(huán)節(jié)的控制。用圖表示的過(guò)程如下：

   

 

圖3　甲銨生成反應(yīng)過(guò)程示意圖

    該結(jié)論的得出，很好地揭示了以上所述各種改進(jìn)型尿素合成工藝及各種塔內(nèi)件提高尿素合成效率的根本所在，也就是說(shuō)，提高氣液混合的質(zhì)量、強(qiáng)度和機(jī)會(huì)，是提高CO2轉(zhuǎn)化率的最佳途徑。

    文獻(xiàn)^[10] 同時(shí)指出：對(duì)于CO₂這樣屬氣膜和液膜雙重控制的物質(zhì)，除了需提高其流速外，還應(yīng)考慮將液體流（返回甲銨液和亞臨界態(tài)NH₃）分散成微小液滴或霧滴，以擴(kuò)大氣液相傳質(zhì)面積，來(lái)達(dá)到提高氣體CO₂溶解進(jìn)液相速率的目的。

    可以看出，僅在尿素合成塔內(nèi)件上的改進(jìn)，可以說(shuō)已經(jīng)很全面了。能否設(shè)計(jì)出全新的設(shè)備，促成NH₃與CO₂溶解進(jìn)液相的速度，應(yīng)該是一個(gè)新的改進(jìn)方向。

    將液體流（在此即返回甲銨液和亞臨界態(tài)NH₃）分散成微小液滴或霧滴，以擴(kuò)大氣液相傳質(zhì)面積，不能說(shuō)是一種全新的概念。但直到目前為止，除筆者本人以外^{[11] [12][13]}，還沒(méi)有針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行深入研究的公開(kāi)報(bào)道，將霧化式的混合裝置應(yīng)用到尿素合成的裝置之中。筆者本人認(rèn)為：根本問(wèn)題是霧化式混合的一般前提是：低壓力、小流量、大空間。而在尿素合成系統(tǒng)中，恰恰存在的條件是：高壓力、大流量、小空間。這就是為什么尿素合成工藝開(kāi)發(fā)幾十年來(lái)，在尿素合成階段，一直沒(méi)有在任何一個(gè)系統(tǒng)中應(yīng)用霧化式混合裝置的根本原因。

    文獻(xiàn)^[14]曾提到過(guò)在水溶液全循環(huán)工藝尿素合成塔的入口處增加一臺(tái)混合器，但其結(jié)構(gòu)原理非常簡(jiǎn)單，見(jiàn)圖4。該文報(bào)道的簡(jiǎn)單內(nèi)容是：僅僅是將進(jìn)入合成塔的物料先進(jìn)入一個(gè)“混合器”（安裝于塔外，是一個(gè)高壓容器，安裝于塔內(nèi)時(shí)，屬于一個(gè)低壓容器），經(jīng)過(guò)幾塊導(dǎo)流板簡(jiǎn)單混合后，氣液的接觸面積會(huì)有所增加�；旌虾蟮奈锪显龠M(jìn)入合成塔，對(duì)于提高二氧化碳轉(zhuǎn)化率有一定效果。當(dāng)混合器安裝于塔外時(shí)，合成塔的上下溫差可以變小，這是因?yàn)榉磻?yīng)下移，而安裝于塔內(nèi)時(shí)，上下溫差變大，這是因?yàn)榉磻?yīng)上移�？偟膩�(lái)說(shuō)，三股物料同時(shí)先進(jìn)入一個(gè)簡(jiǎn)單的混合器，盡管混合效果不是很好，但是由于混合器的內(nèi)徑比起合成塔來(lái)說(shuō)，總是要小得多，再加上導(dǎo)流板的存在，總會(huì)起到一定的混合效果，比起塔內(nèi)的旋流板作用總是要大一點(diǎn)。既然安裝在塔外時(shí)，能夠減小塔的上下溫度差，這是合成塔很希望達(dá)到的條件。但不知道為什么，該混合器的方案沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用和繼續(xù)發(fā)展。

    圖4所示高壓混合器僅是將三種物料進(jìn)入一個(gè)有限空間的容器后，經(jīng)過(guò)幾塊導(dǎo)流板的簡(jiǎn)單混合，然后引入尿素合成塔進(jìn)行反應(yīng)，氣液相界面的增加量非常有限。能否在尿素合成這樣一個(gè)高壓力、大流量、小空間的工作環(huán)境里，實(shí)現(xiàn)霧化式的混合效果，將是更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)CO2轉(zhuǎn)化率的關(guān)鍵所在。

 

圖4  高壓混合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖^[14]

 

4 CO₂轉(zhuǎn)化率提高的核心技術(shù)分析

    上文中提到，將尿素合成系統(tǒng)中液體流（返回甲銨液和亞臨界態(tài)NH₃）分散成微小液滴或霧滴，以擴(kuò)大氣液相傳質(zhì)面積，來(lái)達(dá)到提高氣體CO₂溶解進(jìn)液相的速率，將是進(jìn)一步提高二氧化碳轉(zhuǎn)化率的重要途徑。在塔外研制一種具有霧化式混合效果的混合器，無(wú)疑對(duì)于尿素合成塔的作用及合成效率是一種極大的提升。通過(guò)在尿素合成塔前加裝高壓管式混合反應(yīng)器后，形成的“一種新的尿素合成方法”-“均相反應(yīng)”流程，將會(huì)對(duì)傳統(tǒng)的水溶液全循環(huán)法尿素工藝帶來(lái)新的突破^[4]。管式混合反應(yīng)器的工作原理見(jiàn)圖5。

圖5 管式混合反應(yīng)器工作原理圖

    文獻(xiàn)^{[11] [12][13]}中詳細(xì)敘述了關(guān)于實(shí)現(xiàn)尿素合成系統(tǒng)中液體流（返回甲銨液和亞臨界態(tài)NH₃）在氣體CO₂中分散成微小液滴或霧滴后再共同進(jìn)入尿素合成塔的設(shè)想、構(gòu)思和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能夠有效解決尿素合成條件下高壓力、大流量、小空間的氣液混合問(wèn)題，進(jìn)而有效擴(kuò)大氣液相的接觸面積，加速氣相NH₃和CO₂溶解進(jìn)液相的速率，進(jìn)而強(qiáng)化圖3所示的反應(yīng)過(guò)程。

    如果沒(méi)有進(jìn)行霧化混合，進(jìn)入合成塔的液體（液氨和甲銨液）原則上可以假定就是一個(gè)液柱，假定其液柱直徑與進(jìn)料管內(nèi)徑相同，進(jìn)料管典型尺寸為：Ф83Х11，即內(nèi)徑為Ф61，對(duì)于高度為500mm的液柱來(lái)說(shuō)，其表面積為：

    πx61²/4+πx61x500=98690mm²

    如果將液柱霧化成直徑為0.3mm的液滴，液滴數(shù)量為：

    [（πx61²/4）x500]/[ πx0.3³/6]=10336x10⁴個(gè)

    液滴的總面積為：10336x10⁴x（4xπx0.15²）=2.92x10⁷mm²，增大比例為：2.92x10⁷ mm²/98690mm²=296倍,這是一個(gè)很有意義的數(shù)據(jù)！對(duì)于高度大于500mm的液柱及更小的液滴尺寸來(lái)說(shuō)，該數(shù)字還會(huì)更大！

    從以上的簡(jiǎn)單估算來(lái)看，氣液相的接觸面積增大的比例不是一個(gè)小數(shù)，那么，如果對(duì)于固定的相界面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)來(lái)說(shuō)，氣相向液相的溶解速度的增大比例是可想而知的。這就會(huì)極快地實(shí)現(xiàn)氣相NH₃和CO₂溶解進(jìn)液相的速率，增大液相內(nèi)部進(jìn)行的甲胺反應(yīng)的速度。在合成塔的進(jìn)口處，甲胺的生成比例將會(huì)大大提高。

    當(dāng)然，這僅僅是理想情況下的分析。實(shí)際上，在合成塔的底部，甲胺的生成絕不是解決了氣液相的界面問(wèn)題，就可以解決所有問(wèn)題。

在合成塔的底部，共同存在著焓（熱量）的平衡、相的平衡、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的平衡及壓力的平衡。

    文獻(xiàn)^[5][15]中分析了常規(guī)尿素合成塔底部的工藝條件，明確指出：從熱平衡、相平衡和壓力平衡來(lái)說(shuō)，尿素合成塔底部的平衡溫度大約為180℃，并且存在大量的氣相介質(zhì)（約占總體積的50%），也就是說(shuō)，即使有辦法將全部氣相介質(zhì)溶進(jìn)液相中，而且，液相的甲銨反應(yīng)也能夠進(jìn)行的完全徹底，由于溫度平衡、相平衡和壓力平衡的共同作用，甲銨的分解及液相中的NH₃和CO₂從新形成氣體也是必然的。由于甲銨脫水生成尿素（反應(yīng)式2）的速度很慢，形成了整個(gè)尿素合成的控制因素，致使在尿素合成塔中，理想情況下的化學(xué)反應(yīng)無(wú)法進(jìn)行到底。

    這里，我們要說(shuō)明一點(diǎn)，在尿素合成塔前加裝具有良好混合作用的混合反應(yīng)器后，可以使進(jìn)入合成塔的三股物料形成一種近似于“均相”的物料，這樣就可以保證在合成塔的入口截面上任何一點(diǎn)的溫度、速度、濃度、密度的分布“完全相同”，這是其它任何一種混合方法都無(wú)法達(dá)到的。即使這樣，也不能說(shuō)就解決了合成塔中的所有問(wèn)題。隨著物料中的各種組份的不斷反應(yīng)和各種平衡的不斷實(shí)現(xiàn)，由于氣相組份始終是存在的，氣液的分離將會(huì)不可避免地重新產(chǎn)生，這時(shí)就不可缺少地需要各種塔內(nèi)件不斷地進(jìn)行氣液的再次混合，促成最終的二氧化碳轉(zhuǎn)化率的實(shí)現(xiàn)。因此說(shuō)各種塔內(nèi)件的作用仍是非常重要的，不斷改進(jìn)塔內(nèi)件的效果也是非常有意義的。

    傳統(tǒng)水溶液全循環(huán)法尿素工藝塔底的操作溫度為180℃左右，塔頂?shù)牟僮鳒囟葹?90℃左右，這是普遍認(rèn)可的，也是幾乎所有理論工作者進(jìn)行各種理論計(jì)算工作的參考數(shù)值，往往用計(jì)算結(jié)果同這些數(shù)值的接近程度來(lái)衡量計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在此，筆者針對(duì)水溶液全循環(huán)法尿素合成工藝的典型運(yùn)行參數(shù)，提出一些觀點(diǎn)，供同行們參考。

    （1） 關(guān)于尿素合成塔的二氧化碳轉(zhuǎn)化率

    UTI公司開(kāi)發(fā)的HR熱循環(huán)法尿素工藝技術(shù)，由于采用了部分中壓CO₂參與了中壓汽提和吸收過(guò)程，而且，在尿素合成塔中安裝了非常復(fù)雜的換熱內(nèi)件，延長(zhǎng)了物料在合成條件下的停留時(shí)間，同時(shí)增加了一系列換熱器等設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)的二氧化碳轉(zhuǎn)化率（可以達(dá)到70%以上）提高是由它的流程條件所決定。

    對(duì)于傳統(tǒng)水溶液全循環(huán)法尿素合成工藝的操作條件，筆者曾委托沈華民老師進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的理論計(jì)算，得出的結(jié)論是：當(dāng)生產(chǎn)強(qiáng)度在13~17時(shí)，塔內(nèi)的各種條件均處于最優(yōu)越的情況，最高的理論轉(zhuǎn)化率在66~70.65%之間，實(shí)際轉(zhuǎn)化率應(yīng)該低于此值。有的報(bào)道講，僅僅依靠塔內(nèi)件，就可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化率提高到70%以上，顯然是不太可信的。筆者認(rèn)為，可信的數(shù)值應(yīng)該在62~68%之間。

    （2） 合成塔內(nèi)的溫度分布

    前文曾提到，尿素合成塔底部運(yùn)行溫度一般在180℃左右，塔頂?shù)倪\(yùn)行溫度在190℃左右，這是實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果，也是各種理論計(jì)算的依據(jù)。但這些數(shù)值是否還可以改變，值得我們思考。

    在尿素幾十年的工業(yè)化生產(chǎn)實(shí)踐中，還沒(méi)有任何一套裝置在合成塔的入口處能夠?qū)崿F(xiàn)氣液的良好混合（霧化式混合），那么，也就是說(shuō)，尿素合成塔的底部還從來(lái)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)過(guò)氣液相界面的最佳條件，這樣，氣體介質(zhì)向液相溶解的良好條件就從來(lái)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)過(guò)，在這樣的工作情況下，實(shí)際運(yùn)行得到的塔底平衡溫度就不可能是最終的，所做出的計(jì)算在現(xiàn)有的認(rèn)識(shí)程度上可以認(rèn)為是可信的，只所以以塔底溫度取180℃作為理論依據(jù)，是因?yàn)檎嬲�的平衡條件從來(lái)就沒(méi)有實(shí)現(xiàn)過(guò)。在現(xiàn)有的工業(yè)化裝置中，塔底部安裝有旋流板和二氧化碳分布器，對(duì)于進(jìn)入合成塔的氣液相界面有所提高，但仍然是不夠的。

    因此，筆者認(rèn)為：尿素合成塔的底部溫度，在提供了良好的氣液混合界面后（當(dāng)然還不是最佳的，離開(kāi)理想值還有一定的距離），應(yīng)該還會(huì)有進(jìn)一步提高的可能，這樣整個(gè)塔的上下溫差將會(huì)進(jìn)一步縮小，這對(duì)于合成塔的工作是有好處的，對(duì)提高合成塔的二氧化碳轉(zhuǎn)化率必將產(chǎn)生有益的作用。

    從理論上來(lái)講，在尿素合成塔中，主要的反應(yīng)過(guò)程應(yīng)該描述為：

    ★ 隨著塔底在達(dá)到良好的氣液混合條件下，更接近理論值的平衡狀態(tài)有可能實(shí)現(xiàn)，塔底溫度將會(huì)比目前的運(yùn)行溫度有所升高，具體能夠升高多少，還需要工程經(jīng)驗(yàn)的積累和更加準(zhǔn)確的理論計(jì)算。在物流向上運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，甲銨脫水生成尿素和水（微吸熱）的反應(yīng)不斷進(jìn)行。

    ★ 隨著溶液中尿素和水濃度的增加，液相的沸點(diǎn)溫度不斷升高，平衡壓力不斷降低，氣相物系的冷凝溫度不斷提高，甲銨的離解溫度也相應(yīng)升高（吸熱逆反應(yīng)速度降低），這就為氣相介質(zhì)不斷溶入液相（放熱）提供了更有利的條件。到達(dá)一定的高度之前，生成甲銨（放熱正反應(yīng)）的反應(yīng)一直起著主導(dǎo)作用，總體效應(yīng)是塔內(nèi)的溫度不斷升高，直至達(dá)到塔內(nèi)（在塔中部的某個(gè)位置）的最高溫度。

    ★ 到達(dá)一定塔高度（大約在塔的中部的某個(gè)位置）后，隨著氣相濃度的不斷降低，氣相介質(zhì)溶入液相（放熱）的物理過(guò)程相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)不斷減弱，液相內(nèi)部的甲銨生成（放熱過(guò)程）量也有所減少，這時(shí)，甲銨脫水生成尿素的微吸熱反應(yīng)將占主導(dǎo)地位，塔內(nèi)溫度將會(huì)不斷降低，直至達(dá)到合成塔出口的平衡值。

    ★ 可以綜合描述為：從三股物料進(jìn)入尿素合成塔的入口后，一開(kāi)始，由于氣相中NH₃和CO₂組份最大，這時(shí)有利于向液相中的溶解，而液相中的甲銨組份最小，合成放熱反應(yīng)最快，這是合成塔入口溫度快速上升的根本原因，隨著甲銨組份的增加和溫度的不斷上升，甲銨脫水生成尿素的吸熱反應(yīng)逐漸加快（甲銨組份的升高和溫度的升高均有利于該反應(yīng)的進(jìn)行），生成的尿素和水又有利于抑制甲銨的離解，可以保證甲銨的不斷生成，反過(guò)來(lái)也保證了甲銨脫水生成尿素的過(guò)程。由于甲銨脫水生成尿素的吸熱速度相對(duì)來(lái)說(shuō)較慢，總的來(lái)說(shuō)，流體的溫度升高趨勢(shì)是存在的。但是，隨著上述的兩項(xiàng)反應(yīng)不斷進(jìn)行，氣相中的NH₃和CO₂組份不斷減小，液相中甲銨的生成放熱反應(yīng)將會(huì)不斷放慢速度，整個(gè)流體的溫度升高速度也會(huì)降低，而隨著液相中甲銨組份的增加和流體溫度的升高，甲銨脫水生成尿素的吸熱反應(yīng)的吸熱總量在合成塔的某個(gè)高度上將會(huì)和甲銨生成的放熱反應(yīng)的放熱總量達(dá)到平衡，在此后，吸熱反應(yīng)將影響整個(gè)流體的溫度。這就是說(shuō)，如果不考慮合成塔中的返混，同時(shí)保證氣液始終具有良好的混合條件，那么，尿素合成塔內(nèi)必將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)溫度的極值。我們可以將以上分析結(jié)果整理如圖6。

 

 

                    圖6 尿素合成塔內(nèi)物料參數(shù)變化趨勢(shì)

    在尿素合成塔的整個(gè)過(guò)程中，一直有兩相存在。雖然理論上NH₃和CO₂ 在液相生成NH₄COONH₂的反應(yīng)可以瞬時(shí)完成，但條件是二者必須首先進(jìn)入液相，而進(jìn)入液相的傳質(zhì)不可能瞬時(shí)完成，而是隨著液相反應(yīng)的不斷進(jìn)行而不斷進(jìn)入液相，并不斷反應(yīng)。在此認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，在塔內(nèi)安裝塔板的很重要的作用在于加強(qiáng)氣液間的傳熱與傳質(zhì)，提高反應(yīng)速率。

    文獻(xiàn)^{[10] [15]}詳細(xì)分析了尿素合成塔內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，得出的結(jié)論是：由于有效氣體和惰性氣的共同存在，在全塔中始終處于液節(jié)流的形態(tài)，即在液相物流中夾雜著小氣泡，還有少量大氣泡在液膜周圍，氣液以這種形式共同往上流動(dòng)。這就造成氣液的相界面始終達(dá)不到最佳狀態(tài)，也就是說(shuō)，氣相介質(zhì)向液相的傳質(zhì)始終存在潛力，利用各種塔內(nèi)件能夠有效地造成塔內(nèi)的氣液混和，其原理是將初始存在的氣體介質(zhì)及從液相中不斷溢出的小氣泡重新溶入液相之中，另外是將已經(jīng)團(tuán)聚的大氣泡重新破碎成小的氣泡，增大氣液的相接觸面積，同時(shí)增加氣體的流動(dòng)速度（即可增加氣體向液相中重新溶入的速度，因?yàn)閭髻|(zhì)的速度與流動(dòng)速度緊密相關(guān)），改善尿素合成的條件，最終提高二氧化碳轉(zhuǎn)化率，是各種塔內(nèi)件改進(jìn)的主要方向。

    據(jù)原五環(huán)化學(xué)工程公司陳四仿高工介紹^[16]，2004年，利用他們?cè)O(shè)計(jì)的高效塔盤（結(jié)構(gòu)和文獻(xiàn)^[9]介紹的相似，見(jiàn)圖2）對(duì)河南泰康化肥廠尿素裝置合成塔塔盤進(jìn)行改造，將原10塊普通多孔板改為12塊高效塔盤，提高了裝置的生產(chǎn)能力，同時(shí)在合成塔內(nèi)第5塊塔盤區(qū)域出現(xiàn)超溫情況，為了安全起見(jiàn)，后去掉了第3、第4號(hào)塔盤，再次開(kāi)車后沒(méi)有出現(xiàn)塔中部的超溫現(xiàn)象。

    文獻(xiàn)^[8]針對(duì)上述高效塔盤給出的評(píng)價(jià)是：使用這種高效塔盤，中部反應(yīng)溫度已達(dá)到188 ℃，第一反應(yīng)到中部已接近平衡的程度，則塔中部以上都是高溫區(qū)，有利于甲銨轉(zhuǎn)化為尿素的反應(yīng)，這是此型塔盤能提高轉(zhuǎn)化率的有力佐證。

    因此，筆者認(rèn)為，盡早在合成塔的中下部（最好能在塔的入口處）實(shí)現(xiàn)良好的氣液混合，使上述的第（1）反應(yīng)式盡可能進(jìn)行的比較完善，或者說(shuō)圖3 所示的第①步（氣相向液相的溶解）完成的比較徹底，實(shí)現(xiàn)較高的物流溫度，是提高CO₂ 轉(zhuǎn)化率的關(guān)鍵所在。

    這說(shuō)明，尿素合成塔內(nèi)的確存在著氣液混和的潛力，嚴(yán)格的理論計(jì)算也證明了這一點(diǎn)。文獻(xiàn)^[17][18]利用詳細(xì)的理論模型，計(jì)算了尿素合成塔從入口向上的化學(xué)反應(yīng)平衡、相平衡、熱平衡，得出的結(jié)論基本相同，即：在合成塔內(nèi)安裝理想的高效塔盤，形成理想的混合條件（氣液相界面處于理想狀態(tài)），并徹底消除返混現(xiàn)象（形成真正的活塞流），合成塔的中部必將出現(xiàn)溫度的最高點(diǎn)。塔內(nèi)的物料平均溫度分布如下圖7a、7b）所示。

 

 

圖7a 溫度沿合成塔的分布^[17]              圖7b沿合成塔高溫度變化^[18]

 

    （3） 關(guān)于UTI技術(shù)的一些認(rèn)識(shí)

    關(guān)于UTI公司的HR法（熱循環(huán)工藝），專題報(bào)道資料非常有限^{[19] [20] [21]}，在ureaknowhow網(wǎng)站上對(duì)Mavrovic（UTI工藝的主要發(fā)明者）的個(gè)人介紹中也只進(jìn)行了簡(jiǎn)單的描述。

    文獻(xiàn)^[15]針對(duì)UTI工藝進(jìn)行的分析中，明確指出：由熱力學(xué)第二定律可知，熱量傳遞必須從高溫向低溫流動(dòng)，故而欲將甲銨反應(yīng)放出的熱量向吸熱的脫水反應(yīng)轉(zhuǎn)移，并且又是間壁（換熱盤管）換熱的話，則高溫端與低溫端之間的溫差至少大于4 ℃，而且管壁不能太厚，以減少熱阻，方能實(shí)現(xiàn)熱量順利轉(zhuǎn)移。

    文獻(xiàn)^[19]介紹的UTI工藝，有一個(gè)特點(diǎn)，采用的是雙合成塔的串聯(lián)流程，第一合成塔合成后的原料進(jìn)入第二合成塔進(jìn)一步合成尿素。

    文獻(xiàn)^[20]是迄今為止筆者看到的最詳細(xì)、最全面介紹UTI工藝的資料，而且是工藝發(fā)明者本人的作品，應(yīng)該是最有權(quán)威的資料。

文獻(xiàn)^[21]是寰球公司池樹(shù)增教授對(duì)UTI工藝進(jìn)行了實(shí)地考察以后所寫的考察報(bào)告，文中不僅有介紹內(nèi)容，重要的是有自己的分析和評(píng)論。

    下面，是筆者針對(duì)UTI工藝所進(jìn)行的一些思考。

    ★ 以上提及的文獻(xiàn)中，均提到了在UTI工藝流程中，有一部分中壓CO₂（文獻(xiàn)^[19]提出是35%，文獻(xiàn)^[20]提出是40%，文獻(xiàn)^[21]提出是40%）直接進(jìn)入中壓分解與吸收系統(tǒng)，原理上相當(dāng)于CO₂汽提的功能，然后和分解吸收系統(tǒng)回收的甲銨液混合，再用高壓甲銨泵送回合成塔進(jìn)行后續(xù)反應(yīng)。也就是說(shuō)，該部分CO₂在進(jìn)入合成塔時(shí)，已有一部分是以甲銨和尿素的形式存在的。CO₂汽提法中，全部CO₂參加了汽提后再進(jìn)入高壓甲銨冷凝器，二者有異曲同工之處。也就是說(shuō)，進(jìn)入合成塔之前，已有部分CO₂已經(jīng)是以其他形式存在于物料之中，合成塔不再需要為此部分的CO₂生成甲銨的反應(yīng)提供轉(zhuǎn)化空間和時(shí)間，這是該工藝能夠提高CO₂轉(zhuǎn)化率的重要原因之一。

    ★ UTI工藝的尿素合成塔內(nèi)安裝有換熱盤管，是該工藝的最明顯特點(diǎn)。以上文獻(xiàn)中均提到，70%氨液，60~65%二氧化碳，全部回流甲銨液（由于部分CO₂參加了汽提，和水溶液全循環(huán)法的成份有所不同），從合成塔頂部的盤管入口處經(jīng)過(guò)一個(gè)小型混和器^[20]，沿盤管下行過(guò)程中，主要進(jìn)行甲銨的放熱反應(yīng)，同時(shí)將熱量通過(guò)盤管移向管外主流，促進(jìn)管外的甲銨脫水生成尿素的吸熱反應(yīng)。盤管的出口在合成塔的底部，與塔底供入的30%氨液混合后，沿合成塔上行，主要進(jìn)行甲銨脫水生成尿素的反應(yīng)。文獻(xiàn)^[20]在介紹該流程時(shí)指出，

    頂部進(jìn)入混和器溫度：187℃

    盤管（離頂部1米）溫度：196℃

    盤管內(nèi)溫度范圍：196~194℃

    與氨液混合后塔底溫度：180℃

    合成塔溶液(離頂部3米)溫度：192℃

    合成塔出口溶液溫度：194℃

    可以看出：該報(bào)道數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)^[15]的分析基本是一致的。對(duì)于傳統(tǒng)水溶液全循環(huán)法尿素合成塔的操作條件：壓力=20MPa，H₂O/CO₂ =0.65，NH₃/CO₂=4.1，合成塔塔底的操作溫度一般為180℃，前文中已經(jīng)討論過(guò)，這是由于壓力平衡、相平衡、熱平衡所共同決定的。如果在合成塔入口處安裝高壓管式混合反應(yīng)器后，形成物料的良好混合條件能否改變這一平衡參數(shù)，還需要準(zhǔn)確的理論計(jì)算和工程試驗(yàn)。但就目前所能夠得到的資料，我們可以對(duì)文獻(xiàn)^[20]介紹的溫度參數(shù)做出如下分析，以便評(píng)價(jià)盤管內(nèi)確實(shí)有能力向盤管外具備放熱的條件：

     ①文獻(xiàn)^[20]中介紹了3個(gè)運(yùn)行事例，合成塔操作壓力分別為：21.38MPa，21.08MPa和21.78MPa，相對(duì)于傳統(tǒng)水溶液全循環(huán)法（操作壓力20MPa）來(lái)說(shuō)，即實(shí)現(xiàn)了一定的憋壓操作。從各種文獻(xiàn)中均可以得到結(jié)論，提高合成塔的操作壓力，可以提高平衡溫度，也就是說(shuō)，可以適當(dāng)提高液相中NH₃和CO₂的平衡濃度，無(wú)論是對(duì)于盤管內(nèi)和盤管外，均對(duì)提高液相的反應(yīng)速度帶來(lái)了好處。

     ②由于氨液沒(méi)有全部（僅為總量的70%）從盤管入口進(jìn)入，使盤管內(nèi)的NH₃/CO₂比有所降低，在NH₃/CO₂比大于a_min的實(shí)際操作范圍內(nèi)，平衡壓力將有所降低，這同樣可以提高平衡溫度，保證管內(nèi)可以有較高的反應(yīng)溫度（即：在平衡壓力降低時(shí)，操作壓力比平衡壓力高，就可以抑制液體甲銨的分解，從而保證達(dá)到相平衡時(shí)，物料可以有較高的平衡溫度）。而在盤管出口（合成塔底部）加入另外30%氨液，降低了物料的溫度，一方面，保證從管內(nèi)能夠吸熱的條件，為甲銨脫水生成尿素提供熱量，另一方面，從管內(nèi)移走熱量也可以促進(jìn)管內(nèi)生成甲銨的放熱反應(yīng)。

    ③進(jìn)入盤管內(nèi)的甲銨液由于部分二氧化碳直接參加了中壓系統(tǒng)的反應(yīng)，含水量有所增加，即H₂O/CO₂ 比將有所增加，也會(huì)適當(dāng)降低平衡壓力，同時(shí)會(huì)使更多的NH₃和CO₂向液相的溶解，加速甲銨放熱反應(yīng)的進(jìn)行^[2]。但文獻(xiàn)^[20]對(duì)此問(wèn)題做出的解釋是：“H₂O/CO₂分子比增加的不利因素可能被有利因素所抵消，那就是合成尿素所需CO₂的凈補(bǔ)充量用預(yù)先生成氨基甲酸銨的方式代替CO₂氣體進(jìn)入合成塔。……反應(yīng)物的混合效率和CO₂完全轉(zhuǎn)化成氨基甲酸銨對(duì)于單程轉(zhuǎn)化率是極為重要的。”，似乎是一種不太切題的解釋。

所有文獻(xiàn)的報(bào)道中，均提到UTI工藝具有很高的二氧化碳轉(zhuǎn)化率，筆者認(rèn)為，其核心技術(shù)可以歸納為：

     ①部分中壓CO₂參與汽提過(guò)程，使該部分的CO₂在進(jìn)入合成塔之前是以甲銨的形式存在，和STAC的CO₂汽提比較起來(lái)，雖然只用了40%的CO₂參與汽提，但該部分CO₂在進(jìn)入合成塔之前所經(jīng)歷的流程要長(zhǎng)的多，即所提供的反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)機(jī)會(huì)更有利于生成甲銨。而STAC的CO₂汽提法中， 100% CO₂作為汽提劑參與了汽提塔中的反應(yīng)過(guò)程，主要目的是為了吸收殘余的NH₃而生成甲銨，能參加反應(yīng)的CO₂比例不是追求的第一目的。在汽提塔中，使用過(guò)量的CO₂對(duì)于NH₃的吸收是有好處的，但從CO₂轉(zhuǎn)化為甲銨來(lái)說(shuō)，并不一定是很好的條件，另外，CO₂經(jīng)過(guò)汽提塔，再通過(guò)甲銨冷凝器后就直接進(jìn)入合成塔，反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)條件與UTI工藝比起來(lái)，顯然是有差距的。

     ②比起傳統(tǒng)水溶液全循環(huán)法來(lái)說(shuō)，除了30%氨液從合成塔底部進(jìn)入以外，其他所有物料均從塔頂經(jīng)混合器后再進(jìn)入盤管反應(yīng)后，再到合成塔底部，盤管內(nèi)由于形成了較低的NH₃/CO₂比和較高的H₂O/CO₂ 比，可以形成較高的平衡溫度，使甲銨的生成比較徹底，同時(shí)，通過(guò)向管外輸出熱量，更有利于甲銨生成的放熱反應(yīng)的進(jìn)行。在合成塔的底部，加入30%氨液，一方面，為了降低盤管內(nèi)的NH₃/CO₂比，同時(shí)，底部氨液引入時(shí)，除了降低合成塔底部主流的溫度效果外，還有一點(diǎn)很重要，那就是，可以造成另外一次強(qiáng)制混合過(guò)程（可以起到類似塔底旋流板的作用），這對(duì)于從塔底開(kāi)始向上的主流物料隨后進(jìn)行的反應(yīng)過(guò)程也十分重要。

     ③和傳統(tǒng)水溶液全循環(huán)法比較，單從合成塔來(lái)說(shuō)，大部分物料在高壓條件下，反應(yīng)停留時(shí)間有所加長(zhǎng)，雖然在管內(nèi)的停留時(shí)間較短（管內(nèi)流通面積比起合成塔來(lái)說(shuō)較�。�，但管內(nèi)的混合條件好（帶有混合器，截面積小流速快，物料下行，如果產(chǎn)生氣液分離的情況，也是氣相的上行，更有利于反應(yīng)），反應(yīng)條件更好（由于NH₃/CO₂比和H₂O/CO₂ 比的設(shè)置均使平衡溫度高，并能不斷向管外移走熱量）。這無(wú)形中相當(dāng)于串聯(lián)了一個(gè)反應(yīng)條件更好的停留時(shí)間較短的合成塔，對(duì)于提高二氧化碳轉(zhuǎn)化率來(lái)講，都起到了非常好的作用。

    文獻(xiàn)^[20]中指出，在合成塔內(nèi)，二氧化碳轉(zhuǎn)化率不僅僅取決于工藝參數(shù)，還有一些參數(shù)同樣重要，即：合成塔內(nèi)停留時(shí)間、混合效率、高的平衡壓力等，從以上分析來(lái)看，UTI工藝恰好是從這幾個(gè)方面著手進(jìn)行有關(guān)開(kāi)發(fā)工作的。在選取塔底進(jìn)氨液流量時(shí)，應(yīng)該首先考慮到管內(nèi)具有合適的NH₃/CO₂比，從而使管內(nèi)能夠達(dá)到合適的平衡溫度，以保證具備向管外的放熱能力。在選取參與中壓汽提的CO₂流量時(shí)，首先要考慮到壓縮能耗，同時(shí)要考慮到這部分CO₂參加反應(yīng)的完全程度。

    文獻(xiàn)中^[2] 將UTI工藝的合成塔稱之為等溫合成塔，實(shí)際結(jié)果并不是這樣。文獻(xiàn)中^[20] 介紹的情況是，與氨液混合后塔底溫度：180℃，合成塔出口溶液溫度：194℃，其溫度的分布和水溶液全循環(huán)法工藝的大致相當(dāng)。該文認(rèn)為水溶液全循環(huán)法 “這種運(yùn)行方式是低效率的，這是因?yàn)樗�的底部過(guò)熱，而在塔的頂部被冷卻了”。這是一個(gè)錯(cuò)誤的結(jié)論，實(shí)際過(guò)程中，塔底溫度始終是最低的，塔底部的過(guò)熱只有當(dāng)合成塔的操作壓力達(dá)到40MPa以上，保證塔內(nèi)物料為全液相狀態(tài)時(shí)，才有可能實(shí)現(xiàn)，即通常所說(shuō)溫度順置。在現(xiàn)有條件下，如果能夠使塔底溫度提高一點(diǎn)（比方說(shuō)提高合成塔操作壓力），必然會(huì)對(duì)合成塔的工作帶來(lái)好處。筆者認(rèn)為，如果能夠解決好進(jìn)塔物料的良好混合問(wèn)題，塔底溫度的提高是有可能的，在操作參數(shù)不變的情況下，在有效提高二氧化碳轉(zhuǎn)化率的同時(shí)，有可能使合成塔的上下溫差變小，實(shí)現(xiàn)接近等溫合成塔的理想條件。

5 小結(jié)

    本文是筆者在研究有關(guān)裝置流程和文獻(xiàn)后，針對(duì)尿素合成反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行的一些分析和思考，形成的結(jié)論有的已經(jīng)被實(shí)踐和理論計(jì)算所證實(shí)，有的還需要更精確的理論計(jì)算和設(shè)備及流程改進(jìn)后的驗(yàn)證。關(guān)于如何提高尿素合成塔的二氧化碳轉(zhuǎn)化率不是一個(gè)新的話題，隨著人們認(rèn)識(shí)的不斷提高，已經(jīng)取得了很多成果。要取得更進(jìn)一步的突破，需要對(duì)現(xiàn)有的流程和設(shè)備進(jìn)行有效的分析，提出新的解決方案和措施。文中介紹的在尿素合成塔入口處加裝具有良好混合作用的“高壓管式混合反應(yīng)器”的工程已在四川美豐化工有限公司實(shí)施之中，設(shè)備制造和現(xiàn)場(chǎng)改造工作已在按計(jì)劃進(jìn)行，2009年10月份應(yīng)進(jìn)行有關(guān)試車工作，在上述進(jìn)行的分析和已實(shí)施的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，我們可以樂(lè)觀地估計(jì)，尿素合成塔二氧化碳轉(zhuǎn)化率的提高及溫度分布的改善將會(huì)是必然的。

 

參考文獻(xiàn)

[1]«氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)-尿素»化學(xué)工業(yè)出版社1988年

[2] «化肥工業(yè)叢書-尿素»化學(xué)工業(yè)出版社1997年

[3]華魯恒升尿素節(jié)能增產(chǎn)改造工藝軟件包鑒定情況，池樹(shù)增，«氮肥與甲醇»，2006年第5期

[4]一種新的尿素合成方法，發(fā)明專利，CN101148425A,劉孝弟等

[5]工業(yè)裝置尿素合成動(dòng)態(tài)模型及應(yīng)用-序言篇，沈華民，«氮肥與甲醇» 2007年第3期

[6]改進(jìn)型全循環(huán)法尿素裝置設(shè)計(jì)介紹，肖志敏，«氮肥與甲醇» 2006年第1期

[7]澤普石化廠化肥擴(kuò)建尿素裝置工藝設(shè)計(jì)特點(diǎn)評(píng)述，«化肥設(shè)計(jì)»，阿不都熱合木等，1999年第37卷

[8] 水溶液全循環(huán)尿素裝置增產(chǎn)節(jié)能的途徑，錢鏡清，«氮肥與甲醇» 2006年第2期

[9] 尿素合成塔（Ⅲ）-徑流式尿素合成塔，程忠振，«氮肥與甲醇»2008年第6期

[10] 工業(yè)裝置尿素合成動(dòng)態(tài)模型及應(yīng)用-復(fù)合化工過(guò)程篇，沈華民，«氮肥與甲醇» 2008年第4期

[11] 淺談對(duì)尿素合成塔CO2轉(zhuǎn)化率的認(rèn)識(shí)，劉孝弟等，«中氮肥»，2006年第4期。

[12] 提高尿素合成塔CO2轉(zhuǎn)化率新的途徑探討，劉孝弟等，«氮肥與甲醇»，2007年第1期。

[13] 尿素合成均相反應(yīng)理論的提出、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，劉孝弟等，«化肥工業(yè)»，2008年第2期。

[14] «尿素生產(chǎn)工藝»，瀘州天然氣化工廠尿素車間編，1978年版

[15] 工業(yè)裝置尿素合成動(dòng)態(tài)模型及應(yīng)用-工業(yè)尿素合成理論篇，沈華民，«氮肥與甲醇» 2008年第6期。

[16] «泰康化肥廠尿素合成塔塔盤改造»，個(gè)人通信，2009年2月

[17]尿素生產(chǎn)系統(tǒng)熱力學(xué)研究及流程模擬開(kāi)發(fā)，張香平，«大連理工大學(xué)博士論文»，2002年

[18]Simulation of a Urea Synthesis Reactor, Ind.Eng.Chem.Res.,Vol.32,No.11,1993, H.A.Irazoqui,etl.

 [19]UTI尿素工藝簡(jiǎn)介，«中氮肥»，李瓊玖，1994年第4期

[20] UTI尿素技術(shù)的開(kāi)發(fā)，I.Mavrovic，«大氮肥»，1989年第1期

[21] «UTI熱循環(huán)尿素工藝技術(shù)考察報(bào)告»，個(gè)人通信，2009年3月

 

第一作者簡(jiǎn)介：劉孝弟，北京航天動(dòng)力研究所研究員，清華大學(xué)在讀博士，中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)專家顧問(wèn)，中國(guó)氮肥工業(yè)協(xié)會(huì)技術(shù)委員會(huì)委員。