【正文】 尿素合成塔制造工藝 初 稿 中國石化集團南化公司化機廠 陳建俊 《壓力容器制造和修理》 第六章 典型壓力容器制造工藝 中國石化集團南化公司化機廠 陳建俊 目錄 尿素合成塔制造工藝 概述 尿素合成塔結(jié)構(gòu)型式 投產(chǎn)前的技術(shù)準(zhǔn)備和制造過程中的質(zhì)量控制 制造流程圖 材料驗收和復(fù)驗 主要零部件的制造 組合、竣工檢驗 油漆、包裝、運輸 制造記錄和出廠技術(shù)文件 1 尿素作為化 學(xué)肥料，由于其含氮量高（含氮 46%），施用后對土壤無 副作用 ，深受農(nóng)業(yè)工作者的歡迎。尿素除用作化肥外，還廣泛用于其他工業(yè)和經(jīng)過深加工作為牙膏、醫(yī)藥、塑料的原料，并可直接摻和在牛羊等反芻動物的飼料中，促進動物長膘。因此尿素工業(yè)自實現(xiàn)工業(yè)化后，發(fā)展很快，尿素的生產(chǎn)也一直成為工業(yè)化國家化肥生產(chǎn)水平的重要標(biāo)志，我國自二十世紀(jì)六十年代開始生產(chǎn)尿素，目前也成為世界尿素生產(chǎn)的大國，生產(chǎn)能力居世界首位，但由于我國人口眾多，糧食需求量也是世界首位，尿素總需求量仍然滿足不了要求。由于原料原因，我國的尿素成本比國外高、缺乏競爭力， 老裝置的改造和新建的尿素生產(chǎn)裝置采用高效生產(chǎn)流程和新型設(shè)備是今后發(fā)展的方向。 尿素合成塔是尿素生產(chǎn)裝置中的關(guān)鍵設(shè)備之一，它在尿素生產(chǎn)流程中占有重要的地位。典型的尿素生產(chǎn)流程見圖一?？梢哉f尿素工業(yè)的發(fā)展與尿素合成塔的設(shè)計制造技術(shù)的發(fā)展是緊密相連的。 根據(jù)尿素合成反應(yīng)式： 2NH3+CO2 NH4COONH2 NH2CONH2+H2O （ 氨基甲酸銨） （尿素） 這些介質(zhì)的混合物在一定溫度和壓力下，會生成氰酸和氰氧銨。 CO(NH2)2 NH3+HCNO NH4CNO (氰酸 ) （氰氧銨） 氰酸和氰氧銨是一種非氧化性有機酸。氰氧離子（ CNO）對不銹鋼的氧化膜強烈的破壞作用，使一般的不銹鋼在尿素介質(zhì)中失去了耐蝕能力。據(jù)有關(guān)資料介紹， 1Cr18Ni9Ti 這種材料在尿素合成反應(yīng)條件下，年腐蝕率為 3mm，而更可怕的是產(chǎn)生選擇性局部腐蝕，不等鋼材全面腐蝕變薄就在某一局部甚至某一肉眼無法看到的一點腐蝕穿透導(dǎo)致設(shè)備泄漏而失效。尿素介質(zhì)對普通碳鋼的年腐蝕率高達 2020mm，所以在尿素生產(chǎn)裝置 中與尿素介質(zhì)接觸的設(shè)備是不允許采用碳鋼的。正由于尿素反應(yīng)介質(zhì)的強腐蝕性，雖然 1870 年就提出了氨基甲酸胺脫水法合成尿素的工藝，但一直到二十世紀(jì)五十多年以后才實現(xiàn)工業(yè)化。當(dāng)時曾先后采用過鋁、銀、鋁青銅作尿素合成塔的內(nèi)筒，代價昂貴，而使用壽命都不很長。直到廿十世紀(jì)五十年代，荷蘭斯太米卡邦研究出在尿素合成反應(yīng)器中加入氧氣的辦法，使不銹鋼得到連續(xù)鈍化，才使尿素合成塔內(nèi)筒采用比較廉價的奧氏體 2 CrNiMo 不銹鋼。目前，尿素合成塔內(nèi)筒所用的材料越來越多，其中有 316L 型不銹鋼，鉻 鉬 氮 雙相不銹鋼等，但目前大量使用的還是以 316L和 25222鉻鎳鉬氮型為主的奧氏體不銹鋼為主。 隨著尿素工業(yè)裝置能力的不斷提高，尿素合成塔的結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)型式也在不斷地變化，世界上第一套尿素合成裝置的能力為 /天，反應(yīng)器的直徑是φ320mm，高度 4m。二十世紀(jì)五十年代初期反應(yīng)器的直徑大多在φ 800mm。到了二十世紀(jì)六十年代，反應(yīng)器的直徑已達到φ 1000mm~φ 1300mm，高度 24m。生產(chǎn)能力達到 250 噸 /天。這之前的尿素合成塔結(jié)構(gòu)多為雙套筒式，容器的有效反應(yīng)空間較小。之后發(fā)展了襯里結(jié)構(gòu)，大大提高 了高壓容器的有效利用率。與此同時，尿素生產(chǎn)流程也大大改進，采用了全循環(huán)流程。未反應(yīng)完的原料通過適當(dāng)處理又返回合成塔進行反應(yīng)，大大降低了生產(chǎn)成本，從而使尿素生產(chǎn)的發(fā)展在理論上不受限制。隨著合成氨工業(yè)的大型化，尿素工業(yè)裝置也沿著大型化發(fā)展。目前，我國生產(chǎn)的尿素合成塔的最大直徑已達φ 2800mm，高度 36000mm，容積達200m3，生產(chǎn)能力達到 1740 噸 /天。我國從一九六五年開始制造尿素合成塔，起初為雙套筒的結(jié)構(gòu)，一九六八年開始制造φ 800mm 內(nèi)襯 CrMnNi(A4)雙相不銹鋼小型尿素合成塔，生產(chǎn)能力為 80 噸 /天。一九七○年以后全國建有 33 個這樣規(guī)模的尿素工廠，全部由國內(nèi)自行設(shè)計和制造。一九七五年以后，從國外開始引進 13套年產(chǎn) 48~52萬噸的大型尿素生產(chǎn)裝置，尿素合成塔的內(nèi)徑為φ 2100mm~φ 2800mm不等，從一九八三年開始，我國也開始自行設(shè)計和制造大型尿素合成塔，并對原有的中小型尿素合成塔進行改造，目前我國制造的尿素合成塔規(guī)格十分繁多，有φ 800mm、φ 1000mm、φ 1200mm、φ 1250mm、φ 1400mm、φ 1500mm、 φ 1600mm、φ 1800mm、φ 2100mm、φ 2200mm、φ 2650mmφ 2800mm等，適用于年產(chǎn) 4 萬噸、 8 萬噸、 11 萬噸、 12 萬噸、 16 萬噸、 21 萬噸和 52 萬噸的尿圖一典型尿素生產(chǎn)流程 3 素生產(chǎn)裝置，尿素合成塔的操作壓力根據(jù)不同的工藝也不盡相同，主要有 21Mpa和 16Mpa兩種系列，操作溫度均小于 200℃。 尿素的轉(zhuǎn)化率與在反應(yīng)器內(nèi)停留的時間有關(guān)，停留的時間過短，轉(zhuǎn)化率就低，停留的時間過長，則反應(yīng)器的利用率就會降低，生產(chǎn)強度下降。尿素在塔內(nèi)的停留時間與尿素塔的長徑比有關(guān)。一般設(shè)計要求尿素塔的長徑比≥ 11，則生產(chǎn)能力 與尿素塔的容器成正比。 可以約略按 8~10噸 /米 3，日估算尿素合成塔的生產(chǎn)能力。所以目前的年產(chǎn) 52萬噸尿素裝置的合成塔凈容積為 200米 3。 尿素合成塔最原始的設(shè)計是又細(xì)又長的，除底部有一混合物料用的混合器外，整個塔是一個內(nèi)空的圓筒，象煙窗式的。物料（ CO液氨和氨基甲酸銨）從底部進入，從塔頂引出管流出，呈活塞流狀態(tài)。隨著生產(chǎn)能力的增加，反應(yīng)器的容積要求越來越大，無限增加長度實際上已不可能。因此勢必從增加直徑找出路。直徑增大以后，活塞流被破壞，發(fā)生物料反混現(xiàn)象，即已合成的尿素部分下降，未反應(yīng)的 CO2 等迅速上升并通過上部溢流管溢出，大大降低了尿素的轉(zhuǎn)化率。為了克服這種毛病，在塔內(nèi)增加 了螺旋板混合器或多孔擋板，使物料的反應(yīng)效果大大改善。目前設(shè)計上采用的有螺旋板混合器只加 2~5塊多孔篩板的，也有2~8塊開孔率不等的多孔篩板的。一般認(rèn)為設(shè)置兩塊篩板，效果就很明顯了，增加到 8塊以上作用就很小了。 本文所敘述的尿素合成塔制造工藝吸收了國內(nèi)外尿素合成塔設(shè)計制造的先進經(jīng)驗，并有自己的特點。由于尿素合成塔的設(shè)計和結(jié)構(gòu)形式與化工工藝過程密切相關(guān)，因此不同的尿素生產(chǎn)工藝，對尿素合成塔的結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)形式也略有不同。但總體上是不會有太大的區(qū)別。正由于尿素合成塔是一種典型的耐壓、耐較高溫度和耐強烈腐蝕的反應(yīng)器 ，制造質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到正常運行，甚至影響到整個尿素生產(chǎn)裝置的安全可靠性。為此對其制造技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量要求很高，制造廠必須嚴(yán)格按國家標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的工程標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計、選材、制造和驗收，制造竣工后進行認(rèn)真的質(zhì)量評議，得到行業(yè)專家的認(rèn)可后才能出廠交付使用。 制造尿素合成塔除按壓力容器制造有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外還必須熟悉并掌握以下一些規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)： 1） 尿素合成塔技術(shù)條件 GB9842 2） 尿素高壓設(shè)備制造檢驗方法 尿素級超低碳奧氏體不銹鋼晶間腐蝕傾向性實驗的試樣制取 HG/T3172 4 3） 尿素高壓設(shè)備制造檢驗方法 尿素級超低碳奧氏體 不銹鋼晶間腐蝕傾向性實驗 HG/T3173 4） 尿素高壓設(shè)備制造檢驗方法 尿素級超低碳奧氏體不銹鋼的選擇性腐蝕檢查和金相檢查 HG/T3174 5） 尿素高壓設(shè)備制造檢驗方法 不銹鋼帶極自動堆焊層超聲波檢驗 HG/T3175 6） 尿素高壓設(shè)備制造檢驗方法 尿素合成塔氨滲漏試驗方法 HG/T3176 7） 尿素高壓設(shè)備堆焊工藝評定和焊工技能評定 HG/T3179 8） 尿素高壓設(shè)備襯里板及內(nèi)件的焊接工藝評定和焊工技能評定 HG/T3180 除此以外，如果工程公司或用戶另有要求的話，還應(yīng)包括工程公司的工程標(biāo)準(zhǔn)和用戶提交的書 面附加要求，這些要求一般都在設(shè)備采購說明書附件中列出并作為合同的附件，是制造單位和檢驗、監(jiān)檢部門必須遵循的文件，在制造和驗收過程中都必須嚴(yán)格執(zhí)行。 . 尿素合成塔結(jié)構(gòu)型式與制造工藝分析 尿素合成塔的結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計要求和制造工藝方法有密切關(guān)系，既要滿足工藝流程、生產(chǎn)能力的要求，又要適應(yīng)承擔(dān)制造的制造廠本身制造工藝方法的要求。在工程建設(shè)中往往是由工程公司或用戶提出設(shè)計條件（數(shù)據(jù)表或條件圖）與制造單位簽訂合同后由制造單位自已進行尿素合成塔結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計，設(shè)計的施工圖由工程公司或用戶審查確認(rèn)后即可投料制 造。因此，具體的尿素合成塔結(jié)構(gòu)型式往往是由制造廠決定的。尿素合成簡圖八所示，主要由高壓筒體、上下封頭，底部封頭物料接管與封頭的連接、人孔密封結(jié)構(gòu)、檢漏系統(tǒng)、內(nèi)件等組成?，F(xiàn)對這些主要結(jié)構(gòu)簡要介紹如下： 高壓筒體結(jié)構(gòu)型式的選擇 尿素合成塔的高壓筒體是提供尿素生成必要的空間，是該設(shè)備的主體。它承受著高壓、高溫和強腐蝕介質(zhì)的作用。由工藝條件確定筒體內(nèi)徑和容積，扣去上下封頭的內(nèi)容積，即可決定筒體的凈長度。筒體的長度在整個尿素合成塔的造價中占有重要的份量。對于大型尿素生產(chǎn)裝置，尿素合成塔的直徑、長度和重 量成為運輸安裝的主要難道。我國在這