中國徑流式尿素合成塔(CDFR)課件

1、創(chuàng)新創(chuàng)新 發(fā)明發(fā)明 節(jié)資節(jié)資 節(jié)能節(jié)能 2010 10GLLGLG L 液體液體徑向流徑向流G 氣體氣體GGLLLLLLL 液體液體軸向流軸向流G 氣體氣體 荷蘭，斯塔米卡邦（荷蘭，斯塔米卡邦（Stamicarbon)Stamicarbon) 沒有解決沒有解決 意大利，斯納姆普魯蓋蒂（意大利，斯納姆普魯蓋蒂（Snamprogetti) Snamprogetti) 沒有解決沒有解決 日本，東洋工程公司（日本，東洋工程公司（TEC) TEC) 沒有解決沒有解決 瑞士，卡薩利（瑞士，卡薩利（CASALE) CASALE) 沒有解決沒有解決 中國尿素工業(yè)中國尿素工業(yè) 沒有解決沒有解決氣泡伴隨液相返混是

2、自然現(xiàn)象，是客觀規(guī)律。氣泡伴隨液相返混是自然現(xiàn)象，是客觀規(guī)律。 1.合成塔生產(chǎn)強(qiáng)度合成塔生產(chǎn)強(qiáng)度8.0t/m3d；2.合成塔生產(chǎn)強(qiáng)度合成塔生產(chǎn)強(qiáng)度8.5t/m3d；3. 合成塔生產(chǎn)強(qiáng)度合成塔生產(chǎn)強(qiáng)度9.0t/m3d 圖圖3 合成塔內(nèi)返混情況的測定合成塔內(nèi)返混情況的測定 第第1代尿塔是經(jīng)典古老直立圓筒連續(xù)操作的氣液鼓泡反應(yīng)器。由于在尿素合成塔理論認(rèn)識上的原因而采代尿塔是經(jīng)典古老直立圓筒連續(xù)操作的氣液鼓泡反應(yīng)器。由于在尿素合成塔理論認(rèn)識上的原因而采用了不正確的尿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案：用了不正確的尿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案：從流體力學(xué)分析，可以知道：從流體力學(xué)分析，可以知道：由于上述原因，第由于上述原因，第1 1代

3、尿塔的代尿塔的COCO2 2轉(zhuǎn)化率是達(dá)不到最大化的。轉(zhuǎn)化率是達(dá)不到最大化的。多孔板助長了液相軸流返混，使返混嚴(yán)重化。（見圖多孔板助長了液相軸流返混，使返混嚴(yán)重化。（見圖4）環(huán)形間隙提供了液相短路的條件，減小了進(jìn)塔物料的逗留時(shí)間。（見圖環(huán)形間隙提供了液相短路的條件，減小了進(jìn)塔物料的逗留時(shí)間。（見圖5）兩相軸向并流與返混路程疊加，縮短了進(jìn)塔物料的逗留時(shí)間。（見圖兩相軸向并流與返混路程疊加，縮短了進(jìn)塔物料的逗留時(shí)間。（見圖4）圖圖5 第第1代尿塔液相短路示意圖代尿塔液相短路示意圖 空心空心 氣泡，氣泡群氣泡，氣泡群 實(shí)心實(shí)心 大的液珠、液塊大的液珠、液塊 空心空心 氣泡氣泡液相流動(dòng)液相流動(dòng)-氣泡液相

4、流向短路流動(dòng)短路流動(dòng)一是，從氣體擴(kuò)散系數(shù)（一是，從氣體擴(kuò)散系數(shù)（D/m2/s）理論出發(fā)，采用多孔塔板（盡管開孔形式各種各樣），目的是增加吸）理論出發(fā)，采用多孔塔板（盡管開孔形式各種各樣），目的是增加吸 收表面積（收表面積（F）。）。二是，在塔板和塔壁之間設(shè)計(jì)有寬度為二是，在塔板和塔壁之間設(shè)計(jì)有寬度為4至至15mm的環(huán)形間隙。的環(huán)形間隙。三是，氣液兩相在塔內(nèi)自下而上沿軸向流動(dòng)。三是，氣液兩相在塔內(nèi)自下而上沿軸向流動(dòng)。圖圖4 第第1代尿塔液相返混示意圖代尿塔液相返混示意圖多孔塔板多孔塔板返混液返混液環(huán)形間隙環(huán)形間隙襯里襯里6. 6. 中國徑流式尿素合成塔（中國徑流式尿素合成塔（CDFR）為什么）為

5、什么COCO2 2轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率CO2CO2高？高？ 流體力學(xué)分析（見圖流體力學(xué)分析（見圖6 6）6.2 CDFR在流體力學(xué)上：在流體力學(xué)上：當(dāng)當(dāng)a, b, t, p一定條件下，則一定條件下，則ti大，大，CO2大。大。6.1 CDFR采用了與第采用了與第1代尿塔截然不同的獨(dú)特的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：代尿塔截然不同的獨(dú)特的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：圖圖6 CDFR流體力學(xué)分析流體力學(xué)分析采用無孔塔板；采用無孔塔板；塔板與襯里之間無環(huán)形間隙；塔板與襯里之間無環(huán)形間隙；氣液兩相在塔內(nèi)徑向同向流動(dòng)。氣液兩相在塔內(nèi)徑向同向流動(dòng)。氣體和液體兩相混合物在相鄰兩塊塔板之間平行同方向流動(dòng)；氣體和液體兩相混合物在相鄰兩塊塔板之間平行

6、同方向流動(dòng)；氣體走凸起通道，液體走弓形缺口通道。氣體走凸起通道，液體走弓形缺口通道。6.3 CDFR的優(yōu)點(diǎn)：的優(yōu)點(diǎn)：氣液兩相徑向同向流動(dòng)，局部液相軸向返混。在主體徑向流體水平推力（氣液兩相徑向同向流動(dòng)，局部液相軸向返混。在主體徑向流體水平推力（F）作用下沿著徑向流動(dòng)）作用下沿著徑向流動(dòng) ，兩者疊加不產(chǎn)生徑向返混作用現(xiàn)象，所以徑向流體在塔內(nèi)逗留時(shí)間最長；兩者疊加不產(chǎn)生徑向返混作用現(xiàn)象，所以徑向流體在塔內(nèi)逗留時(shí)間最長；沒有環(huán)形間隙，沒有產(chǎn)生液相短路的條件。所以沒有液相短路，保證了塔內(nèi)流體逗留時(shí)間最長。沒有環(huán)形間隙，沒有產(chǎn)生液相短路的條件。所以沒有液相短路，保證了塔內(nèi)流體逗留時(shí)間最長。6.4 CDF

7、R為什么為什么CO2轉(zhuǎn)化率（轉(zhuǎn)化率（CO2）高？）高？工業(yè)尿塔的工業(yè)尿塔的CO2CO2是是進(jìn)塔進(jìn)塔a(NH3/CO2)，b(H2O/CO2)，塔頂操作溫度，塔頂操作溫度t，操作壓力，操作壓力p，和逗留時(shí)間，和逗留時(shí)間ti的函數(shù)：的函數(shù)：),(2iCOtptbaf在在CDFR內(nèi)流體在塔內(nèi)逗留時(shí)間內(nèi)流體在塔內(nèi)逗留時(shí)間ti最大，所最大，所以以CO2轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率CO2最高。最高。Fwtt FCOWCO22進(jìn)塔物料在塔內(nèi)無返混和短進(jìn)塔物料在塔內(nèi)無返混和短路的逗留時(shí)間，對應(yīng)路的逗留時(shí)間，對應(yīng)wtWCO2進(jìn)塔物料在塔內(nèi)有返混和進(jìn)塔物料在塔內(nèi)有返混和短短路的逗留時(shí)間，對應(yīng)路的逗留時(shí)間，對應(yīng)FtFCO2圖圖7

8、CO2與與ti關(guān)聯(lián)圖關(guān)聯(lián)圖 氣體氣體F 徑向液體徑向液體 水平推力水平推力L 液體流動(dòng)方向液體流動(dòng)方向LFGGFLLF 液滴軸向返混液滴軸向返混FWCO2FCO2FtCO2-ti 曲線曲線a, b, t, p 恒定恒定Wt背景：背景： 第第1代尿塔采用增加塔板數(shù)量的方法來減少返混，但是不能消除返代尿塔采用增加塔板數(shù)量的方法來減少返混，但是不能消除返 混。塔板數(shù)目越用越多混。塔板數(shù)目越用越多,CO2 轉(zhuǎn)化率不能最大化。轉(zhuǎn)化率不能最大化。 例如：某廠例如：某廠 44m3尿塔共安裝尿塔共安裝39層多孔塔板。層多孔塔板。 某廠某廠 23m3尿塔共安裝尿塔共安裝30層多孔塔板。層多孔塔板。 顯然，塔板層

9、數(shù)越多，投資越高，安裝與檢修時(shí)間多。顯然，塔板層數(shù)越多，投資越高，安裝與檢修時(shí)間多。 CDFR是采用最適宜的塔板數(shù)，最低投資費(fèi)用，達(dá)到是采用最適宜的塔板數(shù)，最低投資費(fèi)用，達(dá)到CO2轉(zhuǎn)化率的最大轉(zhuǎn)化率的最大 化。與第化。與第1代尿塔相比，節(jié)約投資情況見表代尿塔相比，節(jié)約投資情況見表1。注：注：+值值=節(jié)省塔板百分比數(shù)，節(jié)省塔板百分比數(shù)，-值值=增加的塔板百分比數(shù)增加的塔板百分比數(shù)表表1 CDFR節(jié)資情況表節(jié)資情況表%66.582CO原塔板數(shù)徑流式塔板數(shù)原塔板數(shù)節(jié)資2CO2CO%31.712CO%682CO%672CO%692CO%47.602CO%15.622CO%0%100191919%5 .

10、18%100272227%9 .26%100261926%33%100121612%4 .582CO%27.61%76.592最高，CO%33%100121612%63622CO%3 .67%92.662最高，CO%2 .19%100262126表表2 轉(zhuǎn)化率與節(jié)能降耗的關(guān)系轉(zhuǎn)化率與節(jié)能降耗的關(guān)系注：注：噸尿素蒸汽消耗定額，（噸尿素蒸汽消耗定額，（kg）；）； 蒸汽價(jià)格為蒸汽價(jià)格為120元元/t。20072007年年 用戶：河北省宣化化肥廠（第用戶：河北省宣化化肥廠（第1.51.5代尿塔）氨氣提法（已投用）代尿塔）氨氣提法（已投用）20062006年年 創(chuàng)新中國徑流式尿素合成塔（創(chuàng)新中國徑流式

11、尿素合成塔（CDFR）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論20092009年年 用戶：福建省三明化工廠（第用戶：福建省三明化工廠（第2 2代尿塔）水溶液全循環(huán)法（已投用）代尿塔）水溶液全循環(huán)法（已投用）20102010年年 用戶：河南省安陽化肥廠（第用戶：河南省安陽化肥廠（第2 2代尿塔）水溶液全循環(huán)法（已安裝待開車）代尿塔）水溶液全循環(huán)法（已安裝待開車）20102010年年 用戶：福建省永安化肥廠（第用戶：福建省永安化肥廠（第2 2代尿塔）代尿塔） 水溶液全循環(huán)法（已投用）水溶液全循環(huán)法（已投用）20102010年年 用戶：河南永駿化肥廠（第用戶：河南永駿化肥廠（第2 2代尿塔）氨汽提法（已投代尿塔）

12、氨汽提法（已投用）用）20072007年年 獲專利證書，第獲專利證書，第933626933626號號 專利號：專利號：ZL 2.3ZL 2.320082008年年 用戶：內(nèi)蒙古天野化肥廠（第用戶：內(nèi)蒙古天野化肥廠（第1.51.5代尿塔）氨氣提法（待大修投用）代尿塔）氨氣提法（待大修投用）20102010年年 用戶：黑龍江農(nóng)墾博興化肥廠（第用戶：黑龍江農(nóng)墾博興化肥廠（第2 2代尿塔）水溶液全循環(huán)法（已投代尿塔）水溶液全循環(huán)法（已投用）用）NH2COONH4（液）（液）2NH3（氣或液）（氣或液）+ CO2（氣）（氣）CO(NH2)2（液）（液）+ H2O（液）（液）NH2COONH4（液）（液）

13、快速放熱反應(yīng)快速放熱反應(yīng)甲銨反應(yīng)速度甲銨反應(yīng)速度C1=dxdtCO2氣提工藝，甲銨生產(chǎn)熱由立式間壁式傳熱產(chǎn)生水蒸氣移走氣提工藝，甲銨生產(chǎn)熱由立式間壁式傳熱產(chǎn)生水蒸氣移走NH3氣提工藝，甲銨生產(chǎn)熱由臥式間壁式傳熱產(chǎn)生水蒸氣移走氣提工藝，甲銨生產(chǎn)熱由臥式間壁式傳熱產(chǎn)生水蒸氣移走水溶液全循環(huán)法，甲銨生產(chǎn)熱由液氨氣化和溶液溫升移走水溶液全循環(huán)法，甲銨生產(chǎn)熱由液氨氣化和溶液溫升移走慢速吸熱反應(yīng)慢速吸熱反應(yīng)CO2氣提工藝，氣提工藝， C2=1.72.210-6 gmol/smol=0.1020.13210-3s-1NH3氣提工藝，氣提工藝， C2=2.52.810-6 gmol/smol=0.150.16

14、810-3s-1水溶液全循環(huán)法工藝，水溶液全循環(huán)法工藝， C2=1.62.410-6 gmol/smol=0.0960.14410-3s-1C1/C2 =43倍倍C1/C2 =11167倍倍C1/C2 =406倍倍C1=50074010-6 gmol/smol 395810-3s-1C1=2237010-6 gmol/smol 1.72810-3s-1C1=567310-6 gmol/smol4.45.710-3s-1尿素反應(yīng)速度尿素反應(yīng)速度C2=dxdtdBd0氣泡（假設(shè)為球形）在液相（氣泡（假設(shè)為球形）在液相（H2O）中的浮力）中的浮力1. 1. 氣泡直徑氣泡直徑d dB B孔口（孔口（d

15、0）對氣泡（）對氣泡（dB）的拉（張）力）的拉（張）力式中：式中：dB 氣泡直徑，氣泡直徑，m或或mm r rL 液相的密度，液相的密度，kg/m3 r rG 氣相的密度，氣相的密度，kg/m3 g 重力加速度重力加速度=9.81 m/s2 d0 塔板開孔直徑，塔板開孔直徑，m或或mm s s H2O的表面張力，的表面張力，kg/m令令 F1=F2則則gdFGLB)(631rrs02dF 310)(85. 0GLBddrrs例例1 1：在：在20MPa20MPa和和100100，175 175 ，188 188 條件下，計(jì)算條件下，計(jì)算d d0 0和和d dB B值。值。OH2r2COr410

16、2OHsBdd /0Bdd /0Bdd /0從計(jì)算數(shù)據(jù)得知，氣泡的直徑從計(jì)算數(shù)據(jù)得知，氣泡的直徑d dB B是隨著溫度的增加而減小的。是隨著溫度的增加而減小的。CO22. 2. 氣泡夾帶液滴量氣泡夾帶液滴量例例1 1：在：在20MPa20MPa和和100100，175 175 ，188 188 條件下，計(jì)算條件下，計(jì)算d dL L值。值。氣泡所受浮力氣泡所受浮力液滴重力液滴重力式中：式中：dL 液滴（球形）直徑，液滴（球形）直徑，m或或mm令令 F3=F1時(shí)，時(shí)，則則gdFGLB)(631rrgdgdLLGLBrrr336)(631)(LGLBLddrrrOH2r2COr氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：當(dāng)當(dāng) F F3 3=F=F1 1 氣泡持液量處于穩(wěn)定狀態(tài)；氣泡