中国径流式尿素合成塔(CDFR).ppt

1、中国径流式尿素合成塔（CDFR）,（第 2 代尿塔）,创新 发明,节资 节能,五环科技股份公司 武汉,大连松海石化检修工程有限公司 大连,2010 10,提 要,1. 什么是“径流式尿素合成塔”？ 2. 什么是“轴流式尿素合成塔”？ 3. 返混和短路是世界性难题 4. 返混和短路的测定 5. 第1代尿塔为什么会返混和短路？ 6. 第2代尿塔为什么CO2转化率高？ 7. CDFR的节资情况表 8. CDFR的节能 9. 第2代/第1代尿塔比较 10. 第2代尿塔业绩表 11. 甲铵和尿素反应速度 12. CO2-H2O系统液相返混模拟计算 13. 实用新型专利证书,1. 什么是“径流式尿素合成塔

2、”？,径流式尿素合成塔（CDFR）又称第2代尿塔，是中国科技人员的发明，具有独立自主知识产权，是指尿塔内的气体和液体两相混合物自下而上沿径向（与水平无孔塔板相平行）流动的新型尿塔（见图1）。,L 液体,径向流,图1 中国径流式尿素合成塔气液径向流动图,G 气体,2. 什么是“轴流式尿素合成塔”？,图2 轴流式尿素合成塔气液轴向流动图,轴流式尿素合成塔又称第1代尿塔，是60多年来国内外一直沿用的塔型。塔内的气体和液体两相混合物自下而上沿轴向（与水平多孔塔板相垂直）流动的传统尿塔（见图2）。,L 液体,轴向流,G 气体,3. 反混和短路是世界性难题,轴流式尿素合成塔（第1代尿塔）的缺点 至今六十年

3、来,荷兰，斯塔米卡邦（Stamicarbon) 没有解决 意大利，斯纳姆普鲁盖蒂（Snamprogetti) 没有解决 日本，东洋工程公司（TEC) 没有解决 瑞士，卡萨利（CASALE) 没有解决 中国尿素工业 没有解决,第1代尿塔的缺点是：1. CO2转化率低,2. 蒸汽消耗高,4. 轴流式尿素合成塔的液相返混和短路的存在及其严重程度,气泡伴随液相返混是自然现象，是客观规律。,1.合成塔生产强度8.0t/m3d；2.合成塔生产强度8.5t/m3d；3. 合成塔生产强度9.0t/m3d,图3 合成塔内返混情况的测定,从图3中数据可以知道： 一是，存在液相返混，返混率（ ）达到1.39至2.3

4、0 。,二是，存在液相短路，指示剂加入塔内后几分钟就流到塔顶， 从塔顶出口取样分析点就检测出指示剂。,5. 第1代尿塔为什么产生严重的液相返混和短路？,第1代尿塔是经典古老直立圆筒连续操作的气液鼓泡反应器。由于在尿素合成塔理论认识上的原因而采用了不正确的尿塔结构设计方案：,从流体力学分析，可以知道：,由于上述原因，第1代尿塔的CO2转化率是达不到最大化的。,多孔板助长了液相轴流返混，使返混严重化。（见图4） 环形间隙提供了液相短路的条件，减小了进塔物料的逗留时间。（见图5） 两相轴向并流与返混路程叠加，缩短了进塔物料的逗留时间。（见图4）,图5 第1代尿塔液相短路示意图, 空心 气泡，气泡群,

5、 实心 大的液珠、液块,一是，从气体扩散系数（D/m2/s）理论出发，采用多孔塔板（尽管开孔形式各种各样），目的是增加吸 收表面积（F）。 二是，在塔板和塔壁之间设计有宽度为4至15mm的环形间隙。 三是，气液两相在塔内自下而上沿轴向流动。,图4 第1代尿塔液相返混示意图,6. 中国径流式尿素合成塔（CDFR）为什么CO2转化率CO2高？,流体力学分析（见图6）,6.2 CDFR在流体力学上：,当a, b, t, p一定条件下，则ti大，CO2大。,6.1 CDFR采用了与第1代尿塔截然不同的独特的创新结构设计：,图6 CDFR流体力学分析,采用无孔塔板； 塔板与衬里之间无环形间隙； 气液两相

6、在塔内径向同向流动。,气体和液体两相混合物在相邻两块塔板之间平行同方向流动； 气体走凸起通道，液体走弓形缺口通道。,6.3 CDFR的优点：,气液两相径向同向流动，局部液相轴向返混。在主体径向流体水平推力（F）作用下沿着径向流动 ，两者叠加不产生径向返混作用现象，所以径向流体在塔内逗留时间最长； 没有环形间隙，没有产生液相短路的条件。所以没有液相短路，保证了塔内流体逗留时间最长。,6.4 CDFR为什么CO2转化率（CO2）高？,工业尿塔的CO2是进塔a(NH3/CO2)，b(H2O/CO2)，塔顶操作温度t，操作压力p，和逗留时间ti的函数：,在CDFR内流体在塔内逗留时间ti最大，所 以C

7、O2转化率CO2最高。,进塔物料在塔内无返混和短 路的逗留时间，对应,进塔物料在塔内有返混和短 路的逗留时间，对应,图7 CO2与ti关联图, 气体,F 径向液体 水平推力,L 液体流动方向, 液滴轴向返混,F,7. CDFR的节资情况表,背景： 第1代尿塔采用增加塔板数量的方法来减少返混，但是不能消除返 混。塔板数目越用越多,CO2 转化率不能最大化。 例如：某厂 44m3尿塔共安装39层多孔塔板。 某厂 23m3尿塔共安装30层多孔塔板。 显然，塔板层数越多，投资越高，安装与检修时间多。 CDFR是采用最适宜的塔板数，最低投资费用，达到CO2转化率的最大 化。与第1代尿塔相比，节约投资情况

8、见表1。,7. CDFR的节资情况表,注：+值=节省塔板百分比数，-值=增加的塔板百分比数,表1 CDFR节资情况表,8. CDFR的节能,表2 转化率与节能降耗的关系,注：吨尿素蒸汽消耗定额，（kg）； 蒸汽价格为120元/t。,9. 第2代/第1代尿塔比较,10. 第2代尿塔的业绩表,2007年 用户：河北省宣化化肥厂（第1.5代尿塔）氨气提法（已投用）,2006年 创新中国径流式尿素合成塔（CDFR）结构设计理论,2009年 用户：福建省三明化工厂（第2代尿塔）水溶液全循环法（已投用）,2010年 用户：河南省安阳化肥厂（第2代尿塔）水溶液全循环法（已安装待开车）,2010年 用户：福建

9、省永安化肥厂（第2代尿塔） 水溶液全循环法（已投用）,2010年 用户：河南永骏化肥厂（第2代尿塔）氨汽提法（已投用）,2007年 获专利证书，第933626号 专利号：ZL 200620091948.3,2008年 用户：内蒙古天野化肥厂（第1.5代尿塔）氨气提法（待大修投用）,2010年 用户：黑龙江农垦博兴化肥厂（第2代尿塔）水溶液全循环法（已投用）,11. 甲铵和尿素合成反应速度,NH2COONH4（液）,2NH3（气或液）+ CO2（气）,CO(NH2)2（液）+ H2O（液）,NH2COONH4（液）,1. 甲铵反应速度,快速放热反应,甲铵反应速度C1=,dx,dt,CO2气提工艺

10、，甲铵生产热由立式间壁式传热产生水蒸气移走,NH3气提工艺，甲铵生产热由卧式间壁式传热产生水蒸气移走,水溶液全循环法，甲铵生产热由液氨气化和溶液温升移走,2. 尿素反应速度,慢速吸热反应,CO2气提工艺， C2=1.72.210-6 gmol/smol=0.1020.13210-3s-1,NH3气提工艺， C2=2.52.810-6 gmol/smol=0.150.16810-3s-1,水溶液全循环法工艺， C2=1.62.410-6 gmol/smol=0.0960.14410-3s-1,C1/C2 =43倍,C1/C2 =11167倍,C1/C2 =406倍,C1=50074010-6 g

11、mol/smol 395810-3s-1,C1=2237010-6 gmol/smol 1.72810-3s-1,C1=567310-6 gmol/smol4.45.710-3s-1,尿素反应速度C2=,dx,dt,12. CO2-H2O系统液相返混模拟计算,气泡（假设为球形）在液相（H2O）中的浮力,1. 气泡直径dB,孔口（d0）对气泡（dB）的拉（张）力,式中：dB 气泡直径，m或mm rL 液相的密度，kg/m3 rG 气相的密度，kg/m3 g 重力加速度=9.81 m/s2 d0 塔板开孔直径，m或mm s H2O的表面张力，kg/m,令 F1=F2,则,例1：在20MPa和100，175 ，188 条件下，计算d0和dB值。,从计算数据得知，气泡的直径dB是随着温度的增加而减小的。,CO2,12. CO2-H2O系统液相返混模拟计算,2. 气泡夹带液滴量,例1：在20MPa和100，175 ，188 条件下，计算dL值。,气泡所受浮力,液滴重力,式中：dL 液滴（球形）直径，m或mm,令 F3=F1时，,则,气泡运动状态： 当 F3=F1 气泡持液量处于稳定状态； 当 F3F1 液滴从气泡中流出一部分