尿素合成塔概述和结构形式分析.docx

尿素合成塔概述和结构形式分析.docx

《尿素合成塔概述和结构形式分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《尿素合成塔概述和结构形式分析.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

尿素合成塔概述和结构形式分析

6.6.1概述

尿素作为化学肥料，由于其含氮量高（含氮46%），施用后对土壤无副作用，深受农业工作者的欢迎。

尿素除用作化肥外，还广泛用于其他工业和经过深加工作为牙膏、医药、塑料的原料，并可直接掺和在牛羊等反刍动物的饲料中，促进动物长膘。

因此尿素工业自实现工业化后，发展很快，尿素的生产也一直成为工业化国家化肥生产水平的重要标志，我国自二十世纪六十年代开始生产尿素，目前也成为世界尿素生产的大国，生产能力居世界首位，但由于我国人口众多，粮食需求量也是世界首位，尿素总需求量仍然满足不了要求。

由于原料原因，我国的尿素成本比国外高、缺乏竞争力，老装置的改造和新建的尿素生产装置采用高效生产流程和新型设备是今后发展的方向。

尿素合成塔是尿素生产装置中的关键设备之一，它在尿素生产流程中占有重要的地位。

典型的尿素生产流程见图一。

可以说尿素工业的发展与尿素合成塔的设计制造技术的发展是紧密相连的。

根据尿素合成反应式：

2NH3+CO2NH4COONH2NH2CONH2+H2O

（氨基甲酸铵）（尿素）

这些介质的混合物在一定温度和压力下，会生成氰酸和氰氧铵。

CO（NH2）2NH3+HCNONH4CNO

（氰酸）（氰氧铵）

氰酸和氰氧铵是一种非氧化性有机酸。

氰氧离子（CNO-）对不锈钢的氧化膜强烈的破坏作用，使一般的不锈钢在尿素介质中失去了耐蚀能力。

据有关资料介绍，1Cr18Ni9Ti这种材料在尿素合成反应条件下，年腐蚀率为3mm，而更可怕的是产生选择性局部腐蚀，不等钢材全面腐蚀变薄就在某一局部甚至某一肉眼无法看到的一点腐蚀穿透导致设备泄漏而失效。

尿素介质对普通碳钢的年腐蚀率高达2000mm，所以在尿素生产装置中与尿素介质接触的设备是不允许采用碳钢的。

正由于尿素反应介质的强腐蚀性，虽然1870年就提出了氨基甲酸胺脱水法合成尿素的工艺，但一直到二十世纪五十多年以后才实现工业化。

当时曾先后采用过铝、银、铝青铜作尿素合成塔的内筒，代价昂贵，而使用寿命都不很长。

直到廿十世纪五十年代，荷兰斯太米卡邦研究出在尿素合成反应器中加入氧气的办法，使不锈钢得到连续钝化，才使尿素合成塔内筒采用比较廉价的奥氏体CrNiMo不锈钢。

目前，尿素合成塔内筒所用的材料越来越多，其中有316L型不锈钢，铬-钼-氮双相不锈钢等，但目前大量使用的还是以316L和25-22-2铬镍钼氮型为主的奥氏体不锈钢为主。

随着尿素工业装置能力的不断提高，尿素合成塔的结构尺寸和结构型式也在不断地变化，世界上第一套尿素合成装置的能力为6.5吨/天，反应器的直径是φ320mm，高度4m。

二十世纪五十年代初期反应器的直径大多在φ800mm。

到了二十世纪六十年代，反应器的直径已达到φ1000mm~φ1300mm，高度24m。

生产能力达到250吨/天。

这之前的尿素合成塔结构多为双套筒式，容器的有效反应空间较小。

之后发展了衬里结构，大大提高了高压容器的有效利用率。

与此同时，尿素生产流程也大大改进，采用了全循环流程。

未反应完的原料通过适当处理又返回合成塔进行反应，大大降低了生产成本，从而使尿素生产的发展在理论上不受限制。

随着合成氨工业的大型化，尿素工业装置也沿着大型化发展。

目前，我国生产的尿素合成塔的最大直径已达φ2800mm，高度36000mm，容积达200m3，生产能力达到1740吨/天。

我国从一九六五年开始制造尿素合成塔，起初为双套筒的结构，一九六八年开始制造φ800mm内衬Cr-Mn-Ni（A4）双相不锈钢小型尿素合成塔，生产能力为80吨/天。

一九七○年以后全国建有33个这样规模的尿素工厂，全部由国内自行设计和制造。

一九七五年以后，从国外开始引进13套年产48~52万吨的大型尿素生产装置，尿素合成塔的内径为φ2100mm~φ2800mm不等，从一九八三年开始，我国也开始自行设计和制造大型尿素合成塔，并对原有的中小型尿素合成塔进行改造，目前我国制造的尿素合成塔规格十分繁多，有φ800mm、φ1000mm、φ1200mm、φ1250mm、φ1400mm、φ1500mm、φ1600mm、φ1800mm、φ2100mm、φ2200mm、φ2650mmφ2800mm等，适用于年产4万吨、8万吨、11万吨、12万吨、16万吨、21万吨和52万吨的尿素生产装置，尿素合成塔的操作压力根据不同的工艺也不尽相同，主要有21Mpa和16Mpa两种系列，操作温度均小于200℃。

尿素的转化率与在反应器内停留的时间有关，停留的时间过短，转化率就低，停留的时间过长，则反应器的利用率就会降低，生产强度下降。

尿素在塔内的停留时间与尿素塔的长径比有关。

一般设计要求尿素塔的长径比≥11，则生产能力与尿素塔的容器成正比。

可以约略按8~10吨/米3，日估算尿素合成塔的生产能力。

所以目前的年产52万吨尿素装置的合成塔净容积为200米3。

尿素合成塔最原始的设计是又细又长的，除底部有一混合物料用的混合器外，整个塔是一个内空的圆筒，象烟窗式的。

物料（CO2、液氨和氨基甲酸铵）从底部进入，从塔顶引出管流出，呈活塞流状态。

随着生产能力的增加，反应器的容积要求越来越大，无限增加长度实际上已不可能。

因此势必从增加直径找出路。

直径增大以后，活塞流被破坏，发生物料反混现象，即已合成的尿素部分下降，未反应的CO2等迅速上升并通过上部溢流管溢出，大大降低了尿素的转化率。

为了克服这种毛病，在塔内增加了螺旋板混合器或多孔挡板，使物料的反应效果大大改善。

目前设计上采用的有螺旋板混合器只加2~5块多孔筛板的，也有2~8块开孔率不等的多孔筛板的。

一般认为设置两块筛板，效果就很明显了，增加到8块以上作用就很小了。

本文所叙述的尿素合成塔制造工艺吸收了国内外尿素合成塔设计制造的先进经验，并有自己的特点。

由于尿素合成塔的设计和结构形式与化工工艺过程密切相关，因此不同的尿素生产工艺，对尿素合成塔的结构尺寸和结构形式也略有不同。

但总体上是不会有太大的区别。

正由于尿素合成塔是一种典型的耐压、耐较高温度和耐强烈腐蚀的反应器，制造质量的优劣直接影响到正常运行，甚至影响到整个尿素生产装置的安全可靠性。

为此对其制造技术、产品质量要求很高，制造厂必须严格按国家标准和相应的工程标准进行设计、选材、制造和验收，制造竣工后进行认真的质量评议，得到行业专家的认可后才能出厂交付使用。

制造尿素合成塔除按压力容器制造有关标准外还必须熟悉并掌握以下一些规范和标准：

1）尿素合成塔技术条件GB9842

2）尿素高压设备制造检验方法尿素级超低碳奥氏体不锈钢晶间腐蚀倾向性实验的试样制取HG/T3172

3）尿素高压设备制造检验方法尿素级超低碳奥氏体不锈钢晶间腐蚀倾向性实验HG/T3173

4）尿素高压设备制造检验方法尿素级超低碳奥氏体不锈钢的选择性腐蚀检查和金相检查HG/T3174

5）尿素高压设备制造检验方法不锈钢带极自动堆焊层超声波检验HG/T3175

6）尿素高压设备制造检验方法尿素合成塔氨渗漏试验方法HG/T3176

7）尿素高压设备堆焊工艺评定和焊工技能评定HG/T3179

8）尿素高压设备衬里板及内件的焊接工艺评定和焊工技能评定HG/T3180

除此以外，如果工程公司或用户另有要求的话，还应包括工程公司的工程标准和用户提交的书面附加要求，这些要求一般都在设备采购说明书附件中列出并作为合同的附件，是制造单位和检验、监检部门必须遵循的文件，在制造和验收过程中都必须严格执行。

6.6.2.尿素合成塔结构型式与制造工艺分析

尿素合成塔的结构与工艺设计要求和制造工艺方法有密切关系，既要满足工艺流程、生产能力的要求，又要适应承担制造的制造厂本身制造工艺方法的要求。

在工程建设中往往是由工程公司或用户提出设计条件（数据表或条件图）与制造单位签订合同后由制造单位自已进行尿素合成塔结构施工图设计，设计的施工图由工程公司或用户审查确认后即可投料制造。

因此，具体的尿素合成塔结构型式往往是由制造厂决定的。

尿素合成简图八所示，主要由高压筒体、上下封头，底部封头物料接管与封头的连接、人孔密封结构、检漏系统、内件等组成。

现对这些主要结构简要介绍如下：

6.6.2.1高压筒体结构型式的选择

尿素合成塔的高压筒体是提供尿素生成必要的空间，是该设备的主体。

它承受着高压、高温和强腐蚀介质的作用。

由工艺条件确定筒体内径和容积，扣去上下封头的内容积，即可决定筒体的净长度。

筒体的长度在整个尿素合成塔的造价中占有重要的份量。

对于大型尿素生产装置，尿素合成塔的直径、长度和重量成为运输安装的主要难道。

我国在这方面已经积累了丰富的经验，制造、运输和安装技术已达到世界先进水平。

尿素合成塔筒体由碳钢外层和不锈钢内层组成。

其组合型式可以是多种多样的，主要有以下几种类型：

1）单层外壳，松衬不锈钢衬里层。

2）单层外壳、爆炸衬里不锈钢层。

3）热套多层壳体，热套内层不锈钢衬里层或松衬不锈钢衬里层

4）多层包扎焊接壳体，松衬不锈钢内层。

5）以不锈钢作为内筒外层直接包扎焊接炭钢多层层板。

等等。

但经过多年的实践和比较，目前用的最多的，最可靠的结构型式是以不锈钢作为内筒外层直接包扎焊接碳钢多层层板及内筒热套不锈钢衬里后再进行多层包扎焊接的筒体结构。

以不锈钢衬里作为内筒的多层包扎焊接式筒体的优点是制造工艺简单、衬里层与外壳碳钢层的贴紧度高、在操作压力下不锈钢内筒由多层包扎产生的压应力与内压引起的拉应力相互抵消，使内筒应力大大降低，甚至为压应力，降低了产生应力腐蚀的可能性。

而这一特点在松衬内筒的尿素合成塔中是无法得到的。

其次，内筒的不锈钢衬里纵焊缝可以在塔外制作，并进行X光射线探伤和内外侧着色探伤，有缺陷时返修方便且彻底，可充分保证主焊缝的质量。

这是确保尿素合成塔避免过早腐蚀泄漏的有力措施。

为了保证不锈钢衬里层外壁在焊接外层碳钢时免受污染和产生低碳马氏体，位于不锈钢和层板之间设置一层过渡层（通常叫盲板），如图二所示。

盲层板的纵焊缝不全焊透，只间断焊，且根部有一窄垫板，使焊缝可与内筒隔离。

焊道表面不高于盲板外园，以便作为将来的检漏通道。

在盲层板的内壁也开出纵横交错的沟槽，作为检漏通道。

在强度计算时，衬里层及盲层板均不计入受力厚度，实际上这也是增加了安全裕度。

图二多层包扎结构筒体示意图

6.6.2.2.上、下封头的结构

尿素合成塔上下封头可以采用整体锻件加工而成，也可以采用厚板冲压成形。

从节约材料和改善受力状况考虑，与其他高压容器一样，绝大多数采用半球形封头、球曲或半椭圆形封头。

从受力观点看，半球形封头最好，球曲其次，椭圆形封头在高压容器中较少使用。

半球形封头或球曲封头的成形工艺，根据各制造厂工艺工装设备条件不同而不同。

有分瓣冲压成形后拼接成半球，也有单层板拼焊后整体冲压成半球。

随着冶金工业的发展，目前世界上能轧制的专用球封头钢板幅度达到5300×5300，如果能解决运输问题且水压机开档允许的话，为此可省却了拼焊的必须经历的下料、拼接焊缝坡口加工、焊接、无损探伤、热处理等一系列繁复工序，大大降低加工成本和加工周期。

除此以外，多层球封头已在石油化工压力容器制造中得到推广使用，它的优点是如同多层高压容器筒体一样，采用薄板重叠后冲压成形，或采用逐层冲压成形后叠合焊接包扎至所需厚度的方法成为多层球封头。

如采用逐层重复冲压成形工艺，则可大大减少厚板冲压所需的大吨位水压机。

同时，薄板的质量比厚板优良，所有焊缝可以互相错开，不用消除应力热处理，虽较费工，但总的成本相当，而且安全可靠性可以大大提高。

是今后发展的方向之一。

我国在1976年就制成过φ1400mm内径的高压乙烯球形贮罐，操作压力20Mpa，采用2层钢板叠合冲压成形的，在国内某化工厂使用至今未发生任何问题。

单层厚板制造的球封头，若采用分瓣冲压成形后组焊的工艺，优点是冲压力小，减薄量少，一般不可能有废品。

但拼装的工作量大，焊后可能产生的变形，影响了球封头内外表面的圆球度，需要机械加工，否则不利于内表面的不锈钢衬里（带极堆焊或爆炸衬里、机械衬里），所以一般采用整体冲压成形，本厂不具备整体冲压能力的，可以外协解决。

6.6.2.3.底部封头物料接管与封头连接结构。

图三底部封头与接管的销母联接

尿素合成塔进出口物料接管与壳体或封头的连接结构对尿素塔的安全可靠运行有很大的关系。

在我国11万吨/年尿素合成塔的结构设计中，曾采用过如图三所示的结构。

这种结构的缺点是物料管在开停车时热胀冷缩的影响，销紧螺母会松动，使接管与衬里的连接焊缝受到较大的机械应力。

运行较长时间后就会出现疲劳裂纹，造成腐蚀介质的泄漏。

采用图四的“插入加强焊接式结构”，接管与壳体或球封头只有一处固定，其余可以自由伸长，温度波动引起的应力变化不大。

这种结构要求焊缝应有足够的强度。

焊接工作量稍大且要求较高，坡口加工较困难，但其可靠性高。

故已被大量采用，经过多年的实际运行，效果良好。

由于这种结构的连接焊缝是奥氏体不锈钢接管与铁素体壳体之间的异种钢焊接，所以在焊接工艺和焊接材料上要正确选择。

焊缝的有效深度一般要求≥1.25t，t为按管壁厚。

图四底部封头物料按管连接结构

6.6.2.4.人孔密封结构和密封垫片

尿素合成塔的人孔密封结构部分虽非浸没于尿素熔融液中，但因其保温效果不好，往往有冷凝液滞留，加上密封垫与密封座合面之间的微小间隙，缺氧现象严重，得不到连续钝化作用，容易遭到腐蚀。

有些老式的尿素合成塔密封面设计不合理、垫片材料选用不当，经常发生腐蚀而泄漏。

密封面一旦发生腐蚀，现场修理必须采用专门工具，十分麻烦。

图五堆焊密封结构

密封结构的可靠性主要与密封座材料的耐蚀性和垫片结构型式有关。

密封座合面的构造一般有两种。

一种是堆焊结构，是在人孔锻件上和人孔盖的锻件上粗加工一块区域，采用带极堆焊或手工堆焊的方法堆出密封座，然后再经精加工为密封面，如图五所示。

另一种是镶环结构，是在粗加工的槽上镶上一环状不锈钢板或锻件，如图六所示。

从实际制造和使用效果来看，镶环结构优越性较多。

这主要是因为堆焊结构的堆焊焊肉容易出现微小缺陷，加工后的密封面易有气扎、夹渣出现。

对密封和耐腐蚀均不利。

堆焊金属最外表面层耐蚀性能最好，一旦出现泄漏后，要重复加工修整密封面，新的密封面耐蚀性就会进一步下降了。

镶环一般是用整圈锻件或整圈钢板加工出来的。

锻件和钢板均经过固溶处理、表里的耐腐蚀性基本一致，可以重复加工而不降低其耐蚀性能。

图六镶环密封结构

图七齿形密封垫

尿素合成塔的人孔一般在φ500~φ800mm之间，操作压力为15~22Mpa。

为了尽量缩小密封结构尺寸，降低造价，密封元件一般都采用平垫，很少采用双锥或其它自紧式密封元件。

过去，密封垫曾采用铝垫（L1）或不锈钢（316L）皮包复石棉垫，但效果均不太理想。

特别是铝平垫，虽然比压较低，但耐尿素——甲铵介质的腐蚀性能较差，尤其是密封压紧力不均匀的情况下，极易发生腐蚀而导致泄漏。

不锈钢包复垫可以采用耐尿素介质的316L或25-22-2型不锈钢皮制作，密封比压也较低，耐用蚀性能良好，可是制作工艺复杂，容易损坏，所以难以在尿素高压设备上推广使用。

不锈钢齿形垫两面覆盖0.5mm厚的低氯石棉板的密封垫，已在尿素合成塔等高压设备上得到满意的应用。

这种垫片是用厚度为4mm的耐尿素介质的不锈钢板，上下两面车出同心圆形齿槽面成的。

见图七。

使用这种密封垫时两侧覆盖0.5~0.7mm的石棉垫。

石棉垫要求氯离子的含量越低

越好。

因为氯离子会造成奥氏体不锈钢的应力腐蚀。

一般要求Cl-≤100ppm。

这种密封垫实际上与密封座面的接触是齿形尖端，这些同心圆的齿峰把整个密封面分割成7~8道环形腔，而很薄的石棉垫则填入此环形腔中，增加了液体泄漏的阻力，提高了密封的可靠性，这种密封垫的制造和检修都很方便。

在检修时只要更换两侧的石棉垫，齿形垫可以重复使用多次。

齿形垫可以采用与衬里材料同样的板材制作。

因此制造尿素合成塔的厂家均有能力自行加工制造。

6.6.2.5.检漏系统

尿素合成塔采用不锈钢衬里结构，简化了塔内流程，增加了高压容器有效空间，克服了老式套筒塔的缺点。

但是，尿素合成塔在长期运行过程中，难免会发生因焊缝或母材发生泄漏而又未能及时发现，后果不堪设想。

如前所述，碳素钢材料对尿素介质是不堪一击的，碳钢层受到腐蚀，修补也十分困难，如不修补，则埋下安全隐患，严重时会发生爆炸。

所以尿素合成塔衬里不可能做到绝对保险，那就要设计一套检漏警报系统，方可保证万无一失。

检漏系统包括衬里外壁的检漏网络槽通道、泄漏液引出孔道等。

机械松衬和热套式的衬里检漏槽是开在高压容器壳体的内表面上，衬里焊缝采用垫板结构，如图八所示。

此检漏槽破坏了高压筒休内壁的完整性，使高压壳体的受力情况

图八尿素合成塔检漏系统结构之一

不好，而且检漏槽的加工也比较困难。

盖板式衬里可以克服这个缺点，如图九所示。

但盖板式衬里焊缝为角焊缝，焊接质量不易保证，受力情况也不好。

所以也不是一种优良的结构。

以不锈钢衬里层为内筒的多层包扎焊接式筒体，其检漏槽开在盲层板的内壁。

由于盲层板不作为强度计算厚度，不影响外壳的安全使用，检漏槽可以在盲层板包扎之前加工出，制作上比较方便。

盲层板上开槽应尽量靠近衬里焊缝的周围，有纵向槽，也有横向槽，以便泄漏物尽快通过检漏槽逸出。

图九尿素合成塔检漏系统结构之二

检漏孔一般指壳体壁上的检漏孔，泄漏介质由衬里层外壁的检漏槽汇于此导出体外，进入检测监控系统。

检漏孔的结构型式多种多样，如图十a）、b）、c）等等，各有千秋。

除此之外，还有些结构已申请专利，有些为各专业厂的专有技术，不便公开。

图中a）型结构适用松衬衬里和热套衬里的尿素合成塔；b）、c）型结构适用于不锈钢为内筒的多层包扎结构；其中b）型结构检漏管与壳体的角焊缝容易焊接和检验，但必须将衬里内筒占通后再补焊，破坏了衬里内筒的完整性，增加了腐蚀泄漏的机会。

C）型结构对衬里有利，确保了衬里材料的完整性。

但堆焊比较困难，焊接质量不容易保证。

根据现场检测，尿素合成塔衬里损坏泄漏出来的介质，在压力降低后立即分解为碳酸氢铵和氨等物质，其中氨气是最易检测到的，通常采用酚酞溶液或试纸于检漏管末端检测即可发现，而无需采用蒸汽扫描检漏法。

从国外引进的大型尿素合成塔和国内制造的52万吨/年尿素合成塔均采用C型结构，也没有采用蒸汽吹扫的方法检漏，这样的话，检漏孔中的堆焊质量要求就可降低一些，能节约成本。

这一点在国内中小型尿素塔设计中还未得到认可。

图十尿素塔检漏孔结构a

图十尿素塔检漏孔结构b

图十尿素塔检漏孔结构c