苑媛媛 焦金華 山東華魯恒升化工股份有限公司

一、尿素合成塔結構及功能

（一）尿素合成塔

尿素裝置主要設備之一是尿素合成塔。在尿素合成過程中其最重要的功能是對甲銨進行脫水。因為甲銨脫水反應的速度比不上CO2與氨冷凝成甲銨的速度，所以為了讓尿素合成反應更加完全，與平衡時CO2的轉化率更為接近，需要物料在合成塔中具備足夠的反應停留時間。因此，尿素合成塔的容積設計依據(jù)就是物料在裝置中的停留時間。

（二）尿素合成塔的結構與流程概述

氣、液體從高壓甲銨冷凝器出來后分別由底部氣體進口和液體進口接管進入尿素合成塔。在合成塔底部的去高壓噴射器將小部分甲銨與尿素混合輸送到高壓噴射器，再跟液氨一同進入到高壓甲銨冷凝器，其目的是為了避免在生產(chǎn)不正常使高壓噴射器抽吸尿素合成塔的混合液。物科進入塔底以后，從下往上依次通過合成塔內的篩板，反應后的溶液經(jīng)過出料管從塔底流出，未反應的CO2、NH3和惰性氣體從合成氣出口流出到高壓洗滌器。尿素合成塔的設計是直立圓筒狀，里面設有液位測量套管，塔壁上設有測量塔壁溫度的溫度計接口。尿素合成塔的主要組成部分包括筒體、篩板和儀表監(jiān)控設備[1]。

二、CO2 汽提法合成尿素的步驟

二氧化碳汽提法的合成尿素過程可以簡要地概況為4 個環(huán)節(jié)：原料二氧化碳的壓縮以及液氨的加壓；在合成塔中合成尿素并且在高壓條件下運用二氧化碳汽提合成反應液，把反應液里還沒有反應的二氧化碳大量汽提出來，它們重新回到尿素合成塔進行循環(huán)利用；溶液經(jīng)過汽提后，把壓力調低并且加熱，進一步地對還沒有反應的二氧化碳和氨進行回收，回收液被冷凝吸收后返回到尿素合成塔，這個回收過程也叫作循環(huán)過程；尿素溶液的蒸發(fā)和造粒[2]。

三、影響尿素合成塔CO2 轉化率的因素及其優(yōu)化措施

（一）溫度的優(yōu)化

有研究表明，尿素合成效率剛開始隨溫度升高而呈正比例增長，但到達某個溫度之后（通常在200℃左右）又會出現(xiàn)下降趨勢。從CO2汽提法提煉尿素的工藝中合成塔內產(chǎn)生的化學反應來看，包含液氨和二氧化碳反應生成甲銨，甲銨再脫水生成尿素和水兩個過程：

其中：（1）是放熱反應，（2）是吸熱反應，由于甲銨生成尿素的反應（2）為吸熱反應，因而尿素合成效率剛開始隨著溫度的升高而增大；然而當溫度升高到一定程度以后甲銨向左平衡轉移變?yōu)镹H3與CO2轉化率慢慢接近甲銨脫水生成尿素的速度。因此，在一定的NH3/CO2、H2O/CO2條件下存在一個最大轉化率的最佳溫度。優(yōu)化措施：在最佳溫度條件下進行操作。通過在一定的 NH3/CO2、H2O/CO2條條件下求最大轉化率，得到轉化率最大時候的溫度即為最佳的合成操作溫度。

（二）氨碳比的優(yōu)化

氨碳比就是物料中NH3與CO2的摩爾比，從化學平衡移動原理中可知，反應物料中氨濃度的增大，會促進二氧化碳往生產(chǎn)尿素的方向發(fā)展，即提高尿素平衡轉化率。實驗表明，在一定的氣壓和溫度、水碳比條件下，氨碳比從3.70 增大到4.22 時，尿素平衡轉化率從64.4%增大到67.2%，當氨碳比增大到4.51 時，尿素平衡轉化率則進一步增大到68.6%。優(yōu)化措施：提高合成尿素物料的氨碳比。氨碳比的提高（或降低）可利用進料調節(jié)器實現(xiàn)，然而物料中NH3也不是越多越好，會過多會降低系統(tǒng)利用效率，增大能耗和設備負荷，一般比較理想的氨碳比約為3.5[3]。

（三）水碳比的優(yōu)化

水碳比即原料中H2O 和CO2的摩爾比，從尿素合成的化學平衡公式可看出，H2O 增加，會對尿素的合成造成不利影響，H2O/CO2增大了會使降低尿素轉化率。例如有實驗表明，在一定溫度、氨碳比條件下，H2O/CO2從0.3 增大到0.5 時，尿素平衡轉化率將從73.27%降低到69.75%，而當H2O/CO2增大到0.7 時，尿素平衡轉化率將進一步降低到66.23%。優(yōu)化措施：降低原料中的水碳比。一般通過控制低壓甲銨液中H2O 含量實現(xiàn)，例如增大系統(tǒng)壓力，有利于甲銨的生成和減少CO2含量，并且通過綜合控制低壓系統(tǒng)、水解系統(tǒng)，大幅減少H2O返回到高壓系統(tǒng)，從而降低系統(tǒng)的水碳比。

（四）傳熱與傳質的優(yōu)化

從前述尿素合成的兩個化學反應可知，反應（1）合成甲銨是放熱反應，反應（2）甲銨脫水生成尿素為吸熱反應。因此，使反應（1）的熱量加快散熱速度，并對反應（2）進行加熱，促進反應器的熱量交換，有利于提高合成尿素的轉化率。優(yōu)化措施：加強設備的傳熱與傳質。比如在合成塔下面增加塔板，根據(jù)氣相介質的改變對塔板的結構進行重新組織，塔板自下到上逐漸減小開孔率，促進氣相和液相的充分混合，并加快熱量的傳遞；按照物料在合成塔中的流動情況調整塔徑方向性塔板開孔密度，使物料流經(jīng)塔板以后順著塔徑方位的速度散布愈加規(guī)律[4]。

（五）化學反應停留時間的優(yōu)化

科學安排化學反應的停留時間，以促進物料在塔內的停留時間更加一致，降低物料的返混。因此，在塔板的設計過程中要充分考慮物料在塔中的流動狀態(tài)，使物料在流經(jīng)塔板以后沿塔徑方向的速度分布愈加規(guī)律。

四、結語

尿素可以制成多種復合肥料，在工業(yè)上也有廣泛的用途，還可以作為醫(yī)藥、農(nóng)藥、香料等中間體的原料。因此，尿素既是高效氮肥、復合肥的重要組分，也是各種工業(yè)生產(chǎn)的重要原料。