CN1202483A - 水溶液全循环尿素节能增产新工艺及其装置 - Google Patents

水溶液全循环尿素节能增产新工艺及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于水溶液全循环尿素生产领域。为解决现有技术高压回路能耗高、设备利用率低的问题,本发明在高压回路部分增加一高压甲铵冷凝器和一高压分解塔,将原备用尿素合成塔改为第二合成塔,第一合成塔只送入氨和二氧化碳,承担生产负荷的70—75%,第二合成塔降压操作,以中压吸收系统返回的甲铵液和高压分解塔出气作进料,承担生产负荷的30—25%,尿素合成塔采用独特的高效塔板结构,大大提高了设备的生产能力,并使尿素生产的能耗大幅度降低。

Description

水溶液全循环尿素节能增产新工艺及其装置
本发明属于水溶液全循环尿素生产领域。
我国目前有约160套原设计能力为140吨/天,约50套400吨/天的水溶液全循环工艺的中小型尿素装置,但此工艺为荷兰斯塔米卡邦公司五十年代的技术,存在着消耗高、尾气易燃爆、排出液含氨和尿素超标污染的问题。如“尿素”袁一,王文善《化肥工学译丛》,化学工业出版社出版1997.4.p91-113中所介绍的“水溶液全循环尿素工艺”就是这种情况。在九十年代的今天,这一技术已大大落后了。对于4万吨/年(140吨/天)的小尿素装置由于原设计设备不平衡,不少厂完成了“四改六”,即能力由4万吨增产至6万吨/年,有些条件较好的厂还正准备进行“六改八”,即能力由6万吨增产至8万吨/年。但技术上没有多大的改进,消耗仍高,对于400吨/天的中型尿素装置均有两台尿素合成塔,其中一台作为备用,未发挥效益,设备利用率低。见图1水溶液全循环尿素装置现有高压回路流程示意图。
为克服现有技术存在的上述问题,本发明提供了一种水溶液全循环尿素节能增产新工艺及其装置,它是利用现有的水溶液全循环尿素生产工艺的中、小型尿素装置,只需增加少量的设备,设备布置、安装简单,并且可在原尿素装置不停产的情况下对原工艺进行改造。采用本发明的工艺及其装置可使小型尿素装置的能力增加至400吨/天,中型尿素装置能力增至600吨/天,尿素的消耗定额大为降低,而改造的费用仅相当于新建装置的1/4-1/3。
本发明的包含有液氨泵(1)、液氨预热器(2)、CO2压缩机(3)、第一尿素合成塔(4)和备用的第二尿素合成塔(5)及其一段甲铵泵(6)的水溶液全循环尿素高压圈回路工艺,见图2水溶液全循环尿素装置节能增产新工艺高压回路流程示意图,其特征在于:(1)增加一台高压甲铵冷凝器(7),高压甲铵冷凝器(7)和第一尿素合成塔(4)只送入氨和二氧化碳,高压甲铵冷凝器(7)以壳侧蒸汽压力控制甲铵的冷凝量,以气液混合物流送入第一尿素合成塔(4);(2)增加一台高压分解塔(8),第一尿素合成塔(4)的出液减压至14.5-16.0MPaG,引入高压分解器(8)内进行热解,壳侧以2.0-2.4MPaG的蒸汽加热,第一尿素合成塔(4)塔顶富含氧气的气相也减压至14.5-16.0MPaG,并按第二尿素合成塔温度控制所需要通入的CO2的量将CO2一并引入高压分解塔(8)的下部,高压分解塔(8)的出液减压至原中压系统的操作压力1.7MPaG送至原中压分解系统,分离出的氨和CO2气体进入第二尿素合成塔(5)的底部;(3)将原闲置备用的尿素合成塔改为第二尿素合成塔(5),原中压吸收塔的甲铵液经一段甲铵泵(6)升压至14.0-16.0MPaG送入第二尿素合成塔(5),第二尿素合成塔(5)的操作压力降至14.0-16.0MPaG、操作温度在185-190℃、NH3/CO2分子比为4.2-4.6、H2O/CO2的分子比为1.3-1.4,第二尿素合成塔(5)的NH3/CO2分子比和温度的调节以调节高压分解塔(8)的出液温度和在其底部通入的CO2量来实现,也可以在第二尿素合成塔(5)底部补入少量的液氨以调NH3/CO2的分子比,第二尿素合成塔的出液减压至原中压系统的操作压力1.7MPaG也送入原中压分解系统-中压分解预蒸馏塔,塔顶富含氧气的气相也减压至原中压系统的操作压力1.7MPaG引入中压分解加热器的底部。
本发明的水溶液全循环尿素高压圈回路工艺的专用设备第一尿素合成塔(4)或第二尿素合成塔(5),其特征在于,所述的第一尿素合成塔(4)(或所述的尿素合成塔(5),以下同),是在现有的水溶液全循环尿素合成塔的基础上进行改进而制成的,以其高效塔板结构代替原有的塔板结构,它取消了现有的水溶液全循环尿素合成塔多层塔板中下面的三块旋流板,塔板(9)为孔板结构,其上开有升气孔(10)和朝下安装的升液管(11),升液管(11)下管口的下方装有挡板(12),挡板(12)以筋板(13)固定在升液管(11)的侧壁上,每层塔板上的升液管(11)只有一个,相邻两层塔板的升液管(11)错开布置。
此外,本发明的尿素合成塔,其特征还在于,所述的孔板结构的塔板(9)上的升气孔(10)的开孔率为170-270个/米2,孔径Ф2.9-Ф3.1mm,塔板的板间距为2200-2300mm,塔板(9)下的升液管(11)的管径为80-180mm,高度为180-220mm。
本发明的第一尿素合成塔(4)和第二尿素合成塔(5)以独特的高效塔板取代原有的塔板,并适当的调整板间距,使气液良好的分布,用开孔率来调整环隙面积,以防止塔内溶液的返混和均匀地分布气相,从而有效地利用合成塔的反应空间,提高CO2的单程转化率。见图3尿素合成塔高效塔板结构平面布置图和图4尿素合成塔高效塔板结构A-A剖视图。
在本发明的水溶液全循环尿素高压圈回路工艺的专用设备高压分解塔(8)中,其列管加热段设计成上下对称的结构。
本发明的水溶液全循环尿素高压回路工艺的专用设备高压分解塔(8)的使用方法,是待列管的下段形成垢层时,可以翻转使用。
新增加的高压分解塔(8)以独特的结构设计,即降膜式加热列管段设计成完全对称的结构,不仅仅是高压分解塔内部的列管段的上下完全对称,而且设备外部的主要气液进、出口的设计要考虑到设备翻转使用时,检修方便。列管下段形成垢层翻转使用后,可以有效地控制工艺介质对加热列管的腐蚀,延长设备的使用寿命。
与现有技术相比,本发明的优点和积极效果如下:1.增产效果显著。本发明在现有技术的中小型水溶液全循环尿素工艺高压回路部分增加了一台高压甲铵冷凝器和一台高压分解塔,同时将原备用的尿素合成塔改为第二尿素合成塔,也并入了高压回路,与第一尿素合成塔并联、降压操作,本发明的工艺无甲铵液返回合成塔,使CO2的转化率大为提高,CO2的单程转化率从现有技术的60%左右提高到75%以上,因而中压分解吸收系统的负荷大大降低,使系统的生产能力增加30-50%。采用本发明的工艺可使水溶液全循环法的小型尿素装置的生产能力增加至400吨/天,中型尿素装置的生产能力增加至600吨/天。
2.节能降耗效果显著,特别是蒸汽、电和冷却水的消耗大幅度降低。采用本发明的工艺对现有的中、小型水溶液全循环尿素工艺和设备进行改造,由于使产品尿素有较大幅度的增产效果,同时副产的蒸汽可在尿素装置内平衡使用,所以使产品尿素的消耗定额,特别是蒸汽、电、和冷却水的消耗定额显著下降,其中、小水溶液全循环尿素装置改造前后尿素的主要消耗定额情况见表1水溶液全循环尿素改造前后消耗定额比较:水溶液全循环尿素改造前后消耗定额比较    表1
从表1可见,本发明的工艺和设备进行生产节能降耗效果十分显著,加之本发明工艺的显著增产效果,采用本发明会给企业带来巨大的经济效益。
3.去消了闲置的设备-备用的尿素合成塔,大大提高了设备的利用率。
4.尿素合成塔以独特的高效塔板结构取代原有的塔板结构,并适当地调整板间距,有效地防止了塔内溶液的返混和均匀地分布气相,从而有效地利用了合成塔的反应空间,提高CO2的单程转化率,提高了设备的生产能力。
5.高压分解塔(8)将降膜式加热列管段设计成完全对称的结构,在运转一段时期后,待列管的下段形成垢层时,可以翻转使用,方便了检修,有利于控制工艺介质对加热列管的腐蚀,延长了设备的使用寿命。
6.在本发明的工艺中,加入的防腐空气可以连续对4台高压设备和后面的中压分解加热器起钝化防腐作用,有效地保证了设备的安全运转。
7.本发明的工艺新增设备少,设备制作难度不大,材料易解决,设备布置安装简单,无需框架,用于现有技术的改造可在不停产的情况下进行,改造费用低,在同等生产能力下只相当于新建装置的25%-30%。
附图:图1:水溶液全循环尿素装置现有高压回路流程示意图图2:水溶液全循环尿素装置节能增产新工艺高压回路流程示意图图3:尿素合成塔高效塔板结构平面布置图图4:尿素合成塔高效塔板结构A-A剖视图图面说明:图2是本发明的水溶液全循环尿素装置节能增产新工艺高压回路流程示意图,在本发明的工艺中,液氨经液氨泵(1)、液氨预热器(2)与经过CO2压缩机(3)压缩的二氧化碳和微量的空气在进入第一尿素合成塔(4)之前,为了维持第一尿素合成塔(4)的热平衡,进塔的新鲜液氨和二氧化碳先经高压甲铵冷凝器(7)移走部分甲铵反应热,此热量用以副产0.6-0.9MPaG的低压蒸汽,以控制高压甲铵冷凝器(7)壳侧的蒸汽压力而控制甲铵的生产量,从而控制第一尿素合成塔(4)的温度。
在高压甲铵冷凝器(7)内,新鲜的NH3和CO2在进入侧的管箱经其内设置的气液分布器的作用均匀地分配入每根U形管,以防止反应物料对管子和管板焊缝的腐蚀,经高压甲铵冷凝器(7)后,物料以气液混合物流的形式送入第一尿素合成塔(4),第一尿素合成塔(4)维持原有设备的操作条件,即合成操作压力为20-21MPaG、操作温度188-190℃、NH3/CO2分子比为3.8-4.0,经过第一尿素合成塔(4),CO2的单程转化率可在75%以上。
第一尿素合成塔(4)的出液减压至14.5-16.0MPaG引入高压分解塔(8),其壳侧以2.0-2.4MPaG的中压蒸汽加热,第一尿素合成塔(4)顶部富含氧气的气相通过一限流孔板也减压至14.5-16.0MPaG引入高压分解塔(8)的下部,以作为钝化防腐空气,为了提高高压分解塔(8)的分解率和调节第二尿素合成塔(5)的温度,高压分解塔(8)的下部同时也引入适量的CO2。高压分解塔(8)的出液减压至原中压系统的操作压力1.7MPaG送至原中压分解系统-中压分解预蒸馏塔,顶部出气(也含有防腐空气)进入原备用的第二尿素合成塔(5)的下部。
来自原中压吸收塔的甲铵液经一段甲铵泵(6)升压至14.0-16.0MPaG送入第二尿素合成塔(5),第二尿素合成塔(5)的操作压力降至14.0-16.0MPaG、操作温度在185-190℃、NH3/CO2分子比为4.2-4.6、H2O/CO2的分子比为1.3-1.4,第二尿素合成塔(5)的NH3/CO2分子比和温度的调节以调节高压分解塔(8)的出液温度和在其底部通入的CO2量来实现,也可以在第二尿素合成塔(5)底部补入少量的液氨以调NH3/CO2的分子比,第二尿素合成塔的出液减压至原中压系统的操作压力1.7MPaG也送入原中压分解系统-中压分解预蒸馏塔,塔顶富含氧气的气相也减压至原中压系统的操作压力1.7MPaG引入中压分解加热器的底部。
第二尿素合成塔(5)的CO2的单程转化率为57-61%,塔顶富含氧气的气相通过一限流孔板也减压至1.7MPaG引入中压分解加热器的底部,以代替原两台空气压缩机作为中压分解加热器的防腐空气。
图4是尿素合成塔高效塔板结构A-A剖视图,其中所示的二个升液管(11)代表的是二层相邻塔板的升液管,这已由图3尿素合成塔高效塔板结构平面布置图所表示。
实施例:采用本发明的工艺对尿素产量140吨/天,合成塔直径Ф1200mm的水溶液全循环尿素装置进行改造:增加一台高压甲铵冷凝器,其冷却面积F为240M2,一台高压分解塔,列管加热段设计成上下对称的结构,换热面积F为140M2,合成塔直径Ф1200mm,去消最下面的三块旋流板,采用本发明的高效塔板结构,塔板数9块,板间距2250mm,每层塔板的开孔数250个,孔径Ф3mm,开孔以等边三角形布置,联接线距为20mm,升液管直径为Ф89×4mm,升液管高度200mm,升液管每层一个,相邻两层塔板的升液管错开布置。改造后生产能力达400吨/天,消耗定额:氨0.587吨/吨,CO2 0.76吨/吨,蒸汽0.94吨/吨,电125度/吨,冷却水130吨/吨。
上述仅是本发明的实施例之一,用来不加限制地说明本发明。
本发明主要应用于水溶液全循环尿素生产领域,特别是中、小型水溶液全循环尿素生产系统及其装置的改造,包括整个高压回路部分的改造,或者是高压回路部分中的工艺或者是设备的局部改造。

Claims (5)

1.一种包含有液氨泵(1)、液氨预热器(2)、CO2压缩机(3)、第一尿素合成塔(4)和备用的第二尿素合成塔(5)及其一段甲铵泵(6)的水溶液全循环尿素高压圈回路工艺,其特征在于:(1)增加一台高压甲铵冷凝器(7),高压甲铵冷凝器(7)和第一尿素合成塔(4)只送入氨和二氧化碳,高压甲铵冷凝器(7)以壳侧蒸汽压力控制甲铵的冷凝量,以气液混合物流送入第一尿素合成塔(4);(2)增加一台高压分解塔(8),第一尿素合成塔(4)的出液减压至14.5-16.0MPaG,引入高压分解器(8)内进行热解,壳侧以2.0-2.4MPaG的蒸汽加热,第一尿素合成塔(4)塔顶富含氧气的气相也减压至14.5-16.0MPaG,并按第二尿素合成塔温度控制所需要通入的CO2的量将CO2一并引入高压分解塔(8)的下部,高压分解塔(8)的出液减压至原中压分解系统的压力1.7MPaG送至原中压分解系统,分离出的氨和CO2气体进入第二尿素合成塔(5)的底部;(3)将原闲置的备用尿素合成塔改为第二尿素合成塔(5),原中压吸收塔的甲铵液经一段甲铵泵(6)升压至14.5-16.0MPaG送入第二尿素合成塔(5),第二尿素合成塔(5)的操作压力降至14.5-16.0MPaG、操作温度在185-190℃、NH3/CO2分子比为4.2-4.6、H2O/CO2的分子比为1.3-1.4,第二尿素合成塔(5)的NH3/CO2分子比和温度的调节通过调节高压分解塔(8)的出液温度和在其底部通入的CO2量来实现,或者通过在第二尿素合成塔(5)底部补入少量的液氨来调节NH3/CO2的分子比,第二尿素合成塔的出液减压至原中压分解系统的压力1.7MPaG送入原中压分解系统,塔顶富含氧气的气相也减压至原中压分解系统的压力1.7MPaG引入中压分解加热器的底部。
2.按权利要求1所述的水溶液全循环尿素高压圈回路工艺的专用设备第一尿素合成塔(4)或第二尿素合成塔(5),其特征在于,所述的第一尿素合成塔(4)(或所述的第二尿素合成塔(5),以下同),是在现有的水溶液全循环尿素合成塔的基础上进行改进而制成的,以其高效塔板结构代替原有的塔板结构,它取消了现有的水溶液全循环尿素合成塔多层塔板中下面的三块旋流板,塔板(9)为孔板结构,其上开有升气孔(10)和朝下安装的升液管(11),升液管(11)下管口的下方装有挡板(12),挡板(12)以筋板(13)固定在升液管(11)的侧壁上,每层塔板上的升液管(11)只有一个,相邻两层塔板的升液管(11)错开布置。
3.按权利要求2所述的尿素合成塔,其特征在于,所述的孔板结构的塔板(9)上的升气孔(10)的开孔率为170-270个/米2,孔径Ф2.9-Ф3.1mm,塔板的板间距为2200-2300mm,塔板(9)下的升液管(11)的管径为80-180mm,高度为180-220mm。
4.按权利要求1所述的水溶液全循环尿素高压圈回路工艺的专用设备高压分解塔(8),其特征在于,所述的高压分解塔(8)的列管加热段设计成上下对称的结构。
5.按权利要求1,3所述的水溶液全循环尿素高压圈回路工艺的专用设备高压分解塔的使用方法,其特征在于,待列管的下段形成垢层时,可以翻转使用。
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