再談二氧化碳轉(zhuǎn)化率

關(guān)于提高尿素合成塔二氧化碳轉(zhuǎn)化率的探討劉孝弟北京航天動(dòng)力研究所，北京100076）1概述從理論上來(lái)講，尿素的合成反應(yīng)分為兩步：首先是液氨和二氧化碳反應(yīng)生成液體氨基甲酸銨（簡(jiǎn)稱(chēng)甲銨），其反應(yīng)式為：2NH3（液）+CO2（氣）^^NH4COONH2（液） ⑴隨后是氨基甲酸銨脫水生成尿素，其反應(yīng)式為：NH4COONH2（液）=CO（NH2）2（液）+H2O（液） ⑵眾所周知，第一步甲銨合成反應(yīng)很容易完成，反應(yīng)條件相對(duì)要求不高，即使在常溫常壓條件下，氨和二氧化碳就可以生成甲銨。由于甲銨晶體不能直接脫水生成尿素，只有在液相條件下才能進(jìn)行。甲銨的熔點(diǎn)在156°C左右，為了保持液態(tài)，必須有一定的溫度和壓力。因此上述第二步脫水反應(yīng)必須在高溫高壓（180?230C，13?25MPa）的合成塔中才能向生成尿素方向移動(dòng)，若要達(dá)到平衡轉(zhuǎn)化率，則需要足夠的停留時(shí)間。如果單純采取延長(zhǎng)物料在合成塔內(nèi)停留時(shí)間的辦法來(lái)提高效率，必然會(huì)影響合成塔的生產(chǎn)能力?，F(xiàn)有的尿素合成流程中，為了實(shí)現(xiàn)高的二氧化碳轉(zhuǎn)化率，普遍采用以下方法。（1） 在合成塔內(nèi)部增加各種內(nèi)件，加強(qiáng)氣、液的混合，盡量縮短上述第一反應(yīng)進(jìn)行的時(shí)間和反應(yīng)空間，增大第二反應(yīng)的時(shí)間和空間，同時(shí)將合成塔通過(guò)內(nèi)件分成許多小區(qū)，防止物料返混。例如：中國(guó)專(zhuān)利CN2415033Y，CN2463044Y,CN1157581A,CN2522419Y,CN2675672Y，CN2698786Y等方案就利用的這一原理。（2） 改善物料進(jìn)入合成塔的條件，使物料在合成塔內(nèi)盡可能適合尿素生成的條件。例如：中國(guó)專(zhuān)利CN1224635,CN1157581等。以上所述的各種工藝和設(shè)備改進(jìn)，雖然各自的觀點(diǎn)不同，有些工藝方法互相借鑒，但有一個(gè)共同之處就是，大家都認(rèn)識(shí)到，在反應(yīng)過(guò)程中，盡量使反應(yīng)物（液-液，液-氣）之間加強(qiáng)擴(kuò)散，混合均勻，并且盡可能使合成塔整個(gè)橫截面上的濃度、密度、溫度、流速均勻，這樣一方面可以保證反應(yīng)速度，另一方面可以防止氣液的分離，從而減少物料的返混，最終保證較高的反應(yīng)效率，也就是較高的二氧化碳轉(zhuǎn)化率。實(shí)際上，在高壓下進(jìn)行氨基甲酸銨的合成，液氣的混合問(wèn)題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，也是一直困擾該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。為了追求較高的尿素合成率，人們不得不提高反應(yīng)壓力、延長(zhǎng)工藝流程、增加高壓設(shè)備以增加反應(yīng)物在高壓條件下的接觸機(jī)會(huì)和時(shí)間，這一切均以增加投資、提高運(yùn)行和維護(hù)使用成本為代價(jià)。在合成塔中增加各種內(nèi)件以提高物料的混合強(qiáng)度和混合速度，防止氣液分離，防止生成物的返混，氣液進(jìn)料盡量均勻，都對(duì)尿素合成率（即二氧化碳轉(zhuǎn)化率）的提高起到了一定的作用。尿素合成工藝各種改進(jìn)措施的目的主要是提高CO2的轉(zhuǎn)化率，這是廣大技術(shù)人員早已達(dá)成的共識(shí)。提高CO2轉(zhuǎn)化率，這樣反應(yīng)2物通過(guò)合成塔后就可以得到更多的尿素，從而可以減少未反應(yīng)物的循環(huán)量，達(dá)到提高生產(chǎn)效率及節(jié)能降耗的目的。誠(chéng)然，影響CO2轉(zhuǎn)化率的因素很多，理論上歸納起來(lái)主要有［1］：⑴操作溫度⑵操作壓力⑶氨碳比（NH3/CO2）⑷水碳比（H2O/CO2）⑸反應(yīng)物的停2留時(shí)間2⑹反應(yīng)物的純度在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，以上所有影響因素，都是建立在物料充分混合的基礎(chǔ)之上，如果沒(méi)有參加反應(yīng)的各種物料良好的混合，各種影響因素的作用就無(wú)從談起。本文就是針對(duì)影響尿素合成率，即二氧化碳轉(zhuǎn)化率最主要的因素——參加反應(yīng)的各種物料混合問(wèn)題加以討論，以引起行業(yè)內(nèi)專(zhuān)家、學(xué)者、廣大技術(shù)人員的注意，從這一問(wèn)題的癥結(jié)入手，共同為提高尿素合成率，即二氧化碳轉(zhuǎn)化率出謀獻(xiàn)策。尿素合成工藝存在的問(wèn)題分析及改進(jìn)針對(duì)上述影響尿素合成率，即二氧化碳轉(zhuǎn)化率的主要因素，文獻(xiàn)［1］、［2］、［3］均有詳盡的描述。由于各影響因素之間的相互干擾及操作條件的制約，理論上的合成工藝條件無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)，實(shí)際操作工藝參數(shù)往往是考慮到各種影響因素后確定的。實(shí)際操作過(guò)程中，各運(yùn)行參數(shù)的確定，重點(diǎn)考慮利于生產(chǎn)系統(tǒng)長(zhǎng)周期運(yùn)行，安全，運(yùn)行成本低等。在工藝操作參數(shù)確定以后，人們逐漸認(rèn)識(shí)到尿素合成塔內(nèi)部的反應(yīng)過(guò)程（不僅僅是反應(yīng)條件）在很大程度上影響著理論上的二氧化碳轉(zhuǎn)化率，這就是眾多專(zhuān)利產(chǎn)品誕生的根本原因。單就加強(qiáng)氣、液混合，盡量縮短甲銨合成反應(yīng)進(jìn)行的時(shí)間和反應(yīng)空間，增大甲銨脫水的時(shí)間和空間，防止液氣的返混，防止可逆反應(yīng)的進(jìn)行這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，廣大的科技工作者貢獻(xiàn)了許多聰明與才智，設(shè)計(jì)了一系列合成塔內(nèi)件和進(jìn)料方式，對(duì)于提高二氧化碳轉(zhuǎn)化率確實(shí)起到了一定的作用。但是，這些合成塔內(nèi)件，只是對(duì)已經(jīng)存在缺陷的合成條件進(jìn)行改善，并沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。在此，根據(jù)塔內(nèi)件的工作原理，我們進(jìn)行有限的分析。不對(duì)之處，希望得到業(yè)內(nèi)專(zhuān)家的批評(píng)與指正。根據(jù)作者個(gè)人的理解，合成塔內(nèi)件基本上可以分為以下三種類(lèi)型。⑴折流型。具體又可分為折流板型和折流管型。⑵帽罩型。分為圓形和直邊型帽罩。⑶管束型。以WWS型為典型的代表。折流型塔內(nèi)件（有時(shí)也稱(chēng)為塔板、塔盤(pán)等），其原理就是將制作好的塔內(nèi)件，放置在合成塔的橫截面上，使原本自由流動(dòng)的物料通過(guò)塔內(nèi)件時(shí)強(qiáng)行改變流動(dòng)路線(xiàn)，并且在通過(guò)塔內(nèi)件上設(shè)置的各種噴孔時(shí)流動(dòng)速度提高，達(dá)到增加擾流度，加強(qiáng)氣液混合的目的。帽罩型塔內(nèi)件的工作原理與折流板型塔內(nèi)件的工作原理有共同之處，即通過(guò)帽罩的氣液混合物比折流板的擾動(dòng)更強(qiáng)烈，同時(shí)帽罩使擾動(dòng)更均勻，塔橫斷面的分區(qū)更細(xì)，應(yīng)該說(shuō)，比折流板型塔內(nèi)件有更好的效果。管束式塔內(nèi)件首先使塔內(nèi)的氣液混合物通過(guò)上升主管，進(jìn)入上混合室，然后通過(guò)分布器，再通過(guò)管束折返向下混合室。由于強(qiáng)行使混合物料在合成塔內(nèi)經(jīng)過(guò)了一個(gè)返回過(guò)程，增加了混合機(jī)會(huì)，增強(qiáng)了傳質(zhì)效果，同時(shí)在物料的折返過(guò)程中，進(jìn)行了一定的傳熱，對(duì)于縮小塔內(nèi)溫差有一定的效果，這有利于甲銨脫水的吸熱反應(yīng)，與UTI工藝所采用的流程有一定的相似之處。同時(shí)，還有一點(diǎn)尤為重要，就是通過(guò)管束的方式，將合成塔的橫截面分成許多小區(qū)，而在每個(gè)小區(qū)內(nèi)的混合及反應(yīng)相對(duì)于合成塔的全截面來(lái)說(shuō)要均勻和強(qiáng)烈得多。以上提及的各種塔內(nèi)件，原則上都是在合成塔內(nèi)增加設(shè)施，將合成塔由中空設(shè)備變成一種帶內(nèi)件的設(shè)備，根本的原因就是因?yàn)槲锪线M(jìn)入合成塔的方式?jīng)Q定了它們的混合無(wú)法均勻，甲銨的合成反應(yīng)從理論上來(lái)講是很快的，而實(shí)際上并非如此。增加塔內(nèi)件，就是為了增加氣液的混合強(qiáng)度，盡快使甲銨的合成反應(yīng)進(jìn)行完畢，從而使甲銨脫水生成尿素的時(shí)間和空間予以保證。在尿素合成塔的實(shí)際運(yùn)行中，還有一個(gè)很重要的問(wèn)題，那就是各種反應(yīng)物料及生成產(chǎn)物由于進(jìn)料方式的限制，在塔的橫斷面上無(wú)法保持總體均勻，盡管各種塔內(nèi)件在局部能夠起到一定的擾動(dòng)作用，局部的氣液物料可以實(shí)現(xiàn)混合，但在整個(gè)塔的橫斷面上，仍然是不均勻的，這樣，參加反應(yīng)的物料，只有經(jīng)過(guò)多重塔板后，在一定的塔高上，才能實(shí)現(xiàn)真正的混合，也就是說(shuō)，氨基甲酸銨的合成反應(yīng)只有到了一定的高度后才能基本完成。安裝各種塔盤(pán)以后，合成塔可視為由多個(gè)小室組成，彼此之間由塔盤(pán)隔開(kāi)。反應(yīng)物自下而上逐步通過(guò)每個(gè)小室，每一個(gè)小室內(nèi)都存在氣液兩相，在塔盤(pán)處使氣體以鼓泡形式穿過(guò)液層，增加了兩相的接觸機(jī)會(huì)，提高了反應(yīng)的整體進(jìn)度。塔盤(pán)在很大程度上阻止了上一小室的流體回流入下一小室，防止了物料的返混，因而可以提高反應(yīng)效率。塔盤(pán)數(shù)越多，塔內(nèi)物流流動(dòng)越接近于理想平推流（活塞式）。這是各種塔盤(pán)設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn)，也就是為什么要安裝多層塔盤(pán)的根本原因。管束式塔內(nèi)件，一方面具有上述功能，同時(shí)由于管束的存在，使塔的橫截面也得到了分區(qū)，由于分布器的存在，在塔的橫截面上也有一定的混合作用，應(yīng)該說(shuō)具有更好的效果。即使這樣，也只有到了一定的高度，甲銨的合成反應(yīng)才能真正完成，根本的原因是在整個(gè)塔的橫斷面上（塔底一定高度），仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)物料濃度、密度、溫度、速度的完全均勻。因此，留給甲銨脫水生成尿素的時(shí)間和空間仍然需要打一定的折扣，整個(gè)尿素合成塔的二氧化碳轉(zhuǎn)化率和理論上的設(shè)計(jì)值仍有一定的差距。進(jìn)入合成塔的反應(yīng)物料，由于沒(méi)有足夠的混合措施，塔的橫斷面上，反應(yīng)物料的分布無(wú)法總體均勻，導(dǎo)致生成物料的分布也無(wú)法均勻，也就是說(shuō)，在塔的任一橫斷面上，混合物的濃度、溫度、密度、速度都是不均勻的（至少在離開(kāi)塔底一定的高度上）。比較目前各種尿素生產(chǎn)工藝，單從CO2轉(zhuǎn)化率來(lái)看，傳統(tǒng)水溶液全循環(huán)法屬于低水平的工藝路線(xiàn)。當(dāng)然，水溶液全循環(huán)法只有一臺(tái)高壓設(shè)備，即尿素合成塔，從設(shè)備投資來(lái)講，是比較經(jīng)濟(jì)的。這種工藝國(guó)內(nèi)目前運(yùn)行的廠家最多，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，大約有200家。針對(duì)該工藝進(jìn)行技術(shù)改造，應(yīng)該說(shuō)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文是在文獻(xiàn)［4］的基礎(chǔ)之上，仍以水溶液全循環(huán)法尿素工藝為討論對(duì)象，對(duì)尿素合成塔的二氧化碳轉(zhuǎn)化率問(wèn)題作進(jìn)一步的探討和論述，以求得在這一領(lǐng)域有所作為，并通過(guò)個(gè)人的觀點(diǎn)引起業(yè)內(nèi)專(zhuān)家的進(jìn)一步思考。提高尿素合成塔效率的根本途徑以上對(duì)影響尿素合成率的原因進(jìn)行了有限的分析，得出的初步結(jié)論是：在塔的橫斷面上，混合物（包括反應(yīng)物和生成物）的濃度、溫度、密度、速度的均勻性是影響尿素合成率（即二氧化碳轉(zhuǎn)化率）的最主要因素，也是阻礙二氧化碳轉(zhuǎn)化率提高的瓶頸。對(duì)于這一點(diǎn)，廣大技術(shù)人員和業(yè)內(nèi)專(zhuān)家早已形成共識(shí)，各種塔內(nèi)件的設(shè)計(jì)和改進(jìn)正是沿著這些思路進(jìn)行的，但是得到的效果仍然是有限的。進(jìn)入合成塔的三股物料，即液氨、氣體二氧化碳、一段甲銨液，單獨(dú)由各自的輸送設(shè)備送進(jìn)合成塔內(nèi)，流速非常小，進(jìn)入合成塔后由于截面積增大流速就更小，這是由反應(yīng)停留時(shí)間所決定的。典型情況是：對(duì)于高度為30m左右合成塔，反應(yīng)物料需要流動(dòng)45?60min。這就決定了進(jìn)入合成塔物料的混合，由速度及速度差引起的動(dòng)力混合作用極小，主要依靠分子之間的擴(kuò)散來(lái)完成?？上攵?，如果沒(méi)有塔板和各種塔內(nèi)件的話(huà)，三股物料依靠分子擴(kuò)散的混合過(guò)程將非常緩慢，在合成塔下部很高的高度上，三股物料將獨(dú)立存在，甲銨的合成反應(yīng)可能在出塔時(shí)也無(wú)法進(jìn)行完畢。文獻(xiàn)［3］中有這樣的論述：當(dāng)合成塔的生產(chǎn)強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，二氧化碳轉(zhuǎn)化率隨著生產(chǎn)強(qiáng)度的提高而提高，說(shuō)明入塔物料流速增大，一方面形成了較強(qiáng)的動(dòng)力擴(kuò)散，加強(qiáng)了混合，同時(shí)由于塔內(nèi)整體流速增大，能夠減輕塔上部生成物料的返混，減少可逆反應(yīng)的進(jìn)行。單從理論上講，合成塔可以是一個(gè)中空的容器，而實(shí)際上是不可能的，從本文的分析可以得出這樣的結(jié)論。但從工藝的角度考慮，合成塔也可以設(shè)計(jì)成臥式結(jié)構(gòu)，而這在實(shí)際上也是不可能的。如果設(shè)計(jì)成臥式，那么，三股物料進(jìn)入合成塔后很快就會(huì)出現(xiàn)分層，氣體介質(zhì)走上部，液體介質(zhì)走下部，合成反應(yīng)幾乎無(wú)法進(jìn)行。即使將合成塔內(nèi)部詳細(xì)分區(qū)，也不會(huì)有什么效果。之所以做出這樣的結(jié)論，我們有以下的事實(shí)為依據(jù)。寰球工程公司開(kāi)發(fā)的水溶液全循環(huán)尿素高壓循環(huán)圈節(jié)能增產(chǎn)新工藝專(zhuān)利技術(shù)中，關(guān)鍵設(shè)備“高壓甲銨冷凝器”（其工作性質(zhì)類(lèi)似于合成塔）原始設(shè)計(jì)為臥式結(jié)構(gòu)。從理論上來(lái)講，氣體二氧化碳和液氨在進(jìn)入甲銨冷凝器后，會(huì)快速發(fā)生生成氨基甲酸銨的放熱反應(yīng)，利用管殼式結(jié)構(gòu)副產(chǎn)蒸汽。1999年在山東某廠的第一次工程驗(yàn)證運(yùn)行中，由于沒(méi)有充分考慮氣體二氧化碳和液氨的混合需求，加上高壓甲銨冷凝器的臥式結(jié)構(gòu)形式，氣體二氧化碳和液氨在進(jìn)入甲銨冷凝器后由于重力和密度的共同影響，造成液、氣分別流動(dòng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)均勻混合，導(dǎo)致反應(yīng)無(wú)法進(jìn)行，出現(xiàn)的結(jié)果是甲銨冷凝器無(wú)法副產(chǎn)蒸汽。雖然從進(jìn)料參數(shù)和進(jìn)料方式上采取了一系列措施，仍然得不到應(yīng)有的效果。該流程的最終打通，是利用了我們提供的一臺(tái)混合器，將進(jìn)入甲銨冷凝器的氣體二氧化碳和液氨利用特種霧化裝置進(jìn)行有效混合，才得以使甲銨冷凝器發(fā)揮作用。在以后的工程實(shí)施中，寰球工程公司認(rèn)識(shí)到氣體二氧化碳和液氨的混合是甲銨冷凝器工作的前提，因此將甲銨冷凝器設(shè)計(jì)成了立式結(jié)構(gòu)，并且在下部物料進(jìn)口處加裝了旋流裝置，使進(jìn)入甲銨冷凝器列管的氣液進(jìn)行有效的分配和混合，實(shí)現(xiàn)了最初的設(shè)想。歸根結(jié)底一句話(huà)，如何使合成塔內(nèi)的氣、液物料進(jìn)行良好的混合，是解決合成塔效率的關(guān)鍵所在。如果條件允許，就尿素合成塔的結(jié)構(gòu)形式來(lái)說(shuō)，進(jìn)行物理攪拌使氣液混合應(yīng)該是一種很好的思路，但實(shí)際上這是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。在塔底進(jìn)料處加裝旋流片，起到了一定的作用，但也是非常有限的。在此，我們想強(qiáng)調(diào)一個(gè)重要的觀點(diǎn)：針對(duì)氣、液混合問(wèn)題，比起將氣體以氣泡形式鼓入液體介質(zhì)中，以及使液體成膜后和氣體介質(zhì)接觸的方案，使液體霧化后懸浮在氣體介質(zhì)中應(yīng)該是最好的方案，一方面可以保證混合的均勻性，另一方面，可以使氣液的接觸面積最大，即混合強(qiáng)度和深度最大，混合效果也就最好。應(yīng)該說(shuō)，將液體霧化后懸浮在氣體介質(zhì)中，實(shí)現(xiàn)氣、液混合并不是一種新思路，但在通常情況下，這是需要條件的。首先，要想使液體霧化，需要提供霧化空間，就是說(shuō)液體霧化后，液滴要有一定的運(yùn)行距離，才可以實(shí)現(xiàn)和氣體介質(zhì)混合，常規(guī)的霧化方式同時(shí)還需要一定的霧化角度，這就更需要霧化空間。其次，在高壓情況下，由于氣體的密度很高，霧化后的液滴在氣體介質(zhì)中很難穿行，造成混合效果不佳。最重要的一點(diǎn)是，常規(guī)的霧化方式都是采用各種噴嘴來(lái)實(shí)現(xiàn)液體的霧化，因此，要達(dá)到一定的霧化質(zhì)量，噴嘴的霧化能力就會(huì)受到很大的限制。這就是對(duì)于尿素合成塔這樣一個(gè)高壓、大流量、小空間工況一直沒(méi)有人采用將液體介質(zhì)進(jìn)行霧化來(lái)實(shí)現(xiàn)混合的根本原因。由于存在以上的各種原因，目前對(duì)尿素合成塔內(nèi)物料的混合，普遍采取的思路就是在合成塔的內(nèi)件上想辦法，當(dāng)然就不會(huì)從根本上解決問(wèn)題。不能說(shuō)廣大的工程技術(shù)人員沒(méi)有意識(shí)到以上分析的問(wèn)題，只是苦于沒(méi)有好的辦法來(lái)解決高壓、小空間、大流量情況下的液氣混合。文獻(xiàn)［6］指出：“塔盤(pán)的作用就是提高混合效果，減少返混。……筆者認(rèn)為提高二氧化碳轉(zhuǎn)化率較好的辦法是物料在進(jìn)尿素合成塔之前，CO2和氨生成甲銨的反應(yīng)已完成，進(jìn)塔之后，只是進(jìn)行甲銨脫水生成尿素的反應(yīng)，這樣可延長(zhǎng)合成塔內(nèi)生成尿素所需的停留時(shí)間?！谀蛩睾铣伤?，加一臺(tái)混合器，……若能使二氧化碳轉(zhuǎn)化率提高3%?5%......”。如何設(shè)計(jì)“混合器”，文獻(xiàn)［6］沒(méi)有給出明確的思路和方案，本文的主要目的就是論述這一問(wèn)題，并給出前瞻性答案。文獻(xiàn)［4］曾經(jīng)對(duì)尿素合成塔的工作過(guò)程進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，并且介紹了作者發(fā)明的高壓混合器的使用效果，在山東某尿素廠使用的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果是:將進(jìn)入合成塔的co2和氨（不包括甲銨）經(jīng)過(guò)混合器后再送入合成塔，“co2的轉(zhuǎn)化率由原來(lái)的63%?64%提高到67%左右，最高達(dá)67.7%”。在山東另一尿素廠的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：“僅將部分CO2與氨（不包括甲銨）混合后送入合成塔，CO2的轉(zhuǎn)化率提高了3%左右”。能夠如此幅度提高CO2的轉(zhuǎn)化率，是其他方法較難實(shí)現(xiàn)的，更何況是塔內(nèi)件已經(jīng)存在的條件下，仍有此幅度的提高，更說(shuō)明加裝混合器的優(yōu)點(diǎn)。以下我們結(jié)合文獻(xiàn)［6］的思路，介紹利用，高壓混合器”提高尿素合成塔二氧化碳轉(zhuǎn)化率的原理和實(shí)施方案。如圖1所示，我們?cè)谀蛩睾铣伤?，安裝，高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器”（發(fā)明專(zhuān)利200610065020.2），使進(jìn)入尿素合成塔的三股物料（液氨、氣體二氧化碳、液體甲銨）通過(guò)特種霧化裝置實(shí)現(xiàn)完全混合，形成均勻的液氣混合物后，再分別通過(guò)尿素合成塔已有的三個(gè)進(jìn)料管進(jìn)入合成塔。這樣可以達(dá)到以下效果。二宣化碳?jí)嚎s機(jī)Q 閔IZIIpA高壓軽昆合師器二宣化碳?jí)嚎s機(jī)Q 閔IZIIpA高壓軽昆合師器叩彼泵 1矣IZI__I卜魚(yú)空二液氨特種霧化弋/亟彥KEo甲軸種霧化裝置液氨〉jZZ||~~bo液氨泵—（KZS3）―窗iz~I卜液氨預(yù)熱器T窗I—液氨旁路占1X1-去分離器圖1尿素合成塔加裝混合器的流程圖⑴由于采用了高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器，可以在高壓情況下20MPa）將液體氨和甲銨利用特種霧化裝置霧化成100?250Mm的霧滴（而不是液滴），再和氣體二氧化碳混合，成為均勻的兩相流，使進(jìn)入尿素合成塔的三種物料（氣體二氧化碳，液體氨，液體甲銨）成為完全均勻的液氣混合物，解決了塔內(nèi)的混合問(wèn)題。⑵由于進(jìn)入尿素合成塔的三種物料成為完全均勻的液氣混合物，同時(shí)三個(gè)進(jìn)料管的物料完全相同，因此塔內(nèi)任一橫截面上各種物料（包括反應(yīng)物、中間產(chǎn)物及生成物）的流動(dòng)速度、濃度、溫度及整體密度將非常均勻，氣液的分布也非常均勻，能夠形成真正意義上的活塞流，避免了物料重度和溫度梯度而造成的返混問(wèn)題，因此，對(duì)于塔內(nèi)件的要求將變得不再?lài)?yán)格。⑶在該方案中，尿素合成塔內(nèi)基本不再進(jìn)行物料混合和甲銨生成，合成塔內(nèi)基本上不再為物料的混合及甲銨合成反應(yīng)付出空間和時(shí)間，將變成真正的合成塔，所完成的任務(wù)基本上只有氨基甲酸銨脫水生成尿素，因此，保證了氨基甲酸銨脫水生成尿素的時(shí)間和空間。使甲銨脫水生成尿素的過(guò)程大大延長(zhǎng)，提高合成塔的反應(yīng)效率，最終提高二氧化碳的轉(zhuǎn)化率（理論上可以提高3%?6%，甚至更高，取決于尿素合成塔已有的運(yùn)行條件），達(dá)到節(jié)能和提高產(chǎn)量的目的。⑷由于采用了高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器，就有可能將新設(shè)計(jì)的尿素合成塔進(jìn)料管口由三個(gè)減為一個(gè)，從而解決尿素合成塔（尤其是小型合成塔）底部進(jìn)料口的開(kāi)孔難題，降低尿素合成塔的制造和維護(hù)使用成本。⑸利用該方案，徹底解決了高壓情況下的液氣混合問(wèn)題，如果能根據(jù)尿素的合成條件合理地設(shè)計(jì)出配套的尿素合成塔，就有可能簡(jiǎn)化目前普遍使用的某些流程，減少高壓設(shè)備的數(shù)量，在達(dá)到相同二氧化碳轉(zhuǎn)化率的條件下，節(jié)省投資，降低尿素合成的維護(hù)使用成本。⑹利用該方案，就可以將反應(yīng)物料的混合和反應(yīng)集中在這一關(guān)鍵設(shè)備上，減少參數(shù)調(diào)節(jié)的數(shù)量和環(huán)節(jié)，從而容易達(dá)到系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定，便于操作和維持生產(chǎn)的長(zhǎng)周期運(yùn)行。⑺特種霧化裝置的霧化效果及混合效果不受重力的影響，因此對(duì)安裝方位沒(méi)有要求，新系統(tǒng)和老系統(tǒng)改造都能使用。由于高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器將進(jìn)入尿素合成塔的三種物料（氣體二氧化碳，液體氨，液體甲銨）變成完全均勻的液氣混合物，使前面所述的二氧化碳與液氨生成甲銨的反應(yīng)會(huì)很快完成，并放出大量的熱量，在尿素合成塔底部一開(kāi)始就能保證有較高的溫度，這就為甲銨脫水生成尿素這樣一個(gè)吸熱反應(yīng)提供了有利的條件，這也是保證尿素生成率的前提，即提高二氧化碳轉(zhuǎn)化率的根本條件。同時(shí)，尿素合成塔的底部溫度提高以后，也為尿塔底部的檢漏提供了便利條件。傳統(tǒng)的水溶液全循環(huán)工藝中，尿塔底部3個(gè)進(jìn)料管的物料溫度較低，二氧化碳為100?120°C，液氨約為50°C，甲銨液約為90°C，塔底及塔下部第1筒節(jié)溫度不高，這些區(qū)域若襯里有泄漏物則會(huì)出現(xiàn)固態(tài)結(jié)晶，導(dǎo)致檢漏系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞，所以要用蒸汽進(jìn)行檢漏。文獻(xiàn)［7］提出了在尿素合成塔的入口處加裝第一反應(yīng)器，而將合成塔作為第二反應(yīng)器來(lái)提高進(jìn)入合成塔的物料溫度，這樣塔底的檢漏就可以避免通入蒸汽。當(dāng)然，文獻(xiàn)［7］僅只從檢漏方面提出了這一觀點(diǎn)，并沒(méi)有對(duì)第一反應(yīng)器的其他作用予以論述。結(jié)論及問(wèn)題討論前文中提及的“高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器”其根本原理是利用特種霧化裝置解決高壓、小空間、大流量情況下的液體霧化問(wèn)題，從而能夠?qū)⒁后w在很短的距離內(nèi)（20?50mm）霧化成100?250“m的霧滴（而不是液滴）,再和氣體混合，成為均勻的兩相流，這是提高尿素合成塔二氧化碳轉(zhuǎn)化率的基礎(chǔ)。在為大連“大化集團(tuán)有限責(zé)任公司”提供的用于硝酸銨的管式反應(yīng)器中為了使液體硝酸和氣體氨實(shí)現(xiàn)良好的混合，我們?cè)O(shè)計(jì)的液體硝酸特種霧化裝置采用的就是這種方案。以水為介質(zhì)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)特種霧化裝置進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)情況（霧化消耗壓力為0.4MPa）見(jiàn)圖2。圖2大化集團(tuán)硝酸銨管式反應(yīng)器特種霧化裝置實(shí)驗(yàn)情況從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，被霧化介質(zhì)在離開(kāi)特種霧化裝置端面大約20?30mm處就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)完全霧化，而且霧化區(qū)域幾乎和特種霧化裝置端面大小相當(dāng)，霧化后的水已經(jīng)不再是水滴，幾乎就是霧滴?？梢韵胂蟮玫?，在將液氨和液體甲銨利用特種霧化裝置霧化后，再?lài)娙霘怏w二氧化碳中，三種物料的混合將會(huì)是何等完全和均勻。由于混和如此均勻，液氨和二氧化碳的合成反應(yīng)將會(huì)很快完成，因此，離開(kāi)混合器進(jìn)入尿素合成塔的混合物料，將會(huì)比利用各種塔內(nèi)件及混和器使物料混合的均勻性高出多個(gè)等級(jí)。在這樣的均勻混合物中，各種反應(yīng)物、中間產(chǎn)物、生成物的濃度將十分均勻，完全是一種勻相的流動(dòng)，也就是通常所說(shuō)的活塞流，在這樣的流動(dòng)狀態(tài)下，如果不考慮合成塔壁造成的邊界層影響的話(huà)，整個(gè)塔截面任何一點(diǎn)的濃度、密度、溫度、速度都將是完全相同的，合成塔內(nèi)的反應(yīng)過(guò)程才真正取決于操作壓力、操作溫度、氨碳比、水碳比等條件。同時(shí)，在合成塔內(nèi)，不需要再拿出空間和時(shí)間用于反應(yīng)物的混合和反應(yīng)，因此，使甲銨脫水生成尿素的過(guò)程大大延長(zhǎng)，加上塔底的溫度有所提高，為甲銨脫水生成尿素提供了有利的條件，因而也就為提高合成塔的反應(yīng)效率，即二氧化碳的轉(zhuǎn)化率奠定了基礎(chǔ)。