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尿素设计工段工艺论证尿素的化学名为碳酰二铵，分子式为（NH2）2CO，分子量为60.60，含氮量为46.6，纯尿素的熔点在1大气压下为132.7，在高于150160的温度时，会发生缩合作用生成缩二脲。氨和二氧化碳合成尿素，其总反应可以表示为：2NH3+CO2 （NH2）2CO+H2O+Q这一放热反应需要在高温（一般为180）高压（140kg/cm2）下进行，由于这是可逆反应，因此氨与二氧化碳不可能全部转化为尿素。在工业生产情况下，二氧化碳的转化率仅在5070之间。为了处理未反应的氨和二氧化碳，可以将合成熔融物加热分解气体逸出。但要将氨和二氧化碳气重新压缩，但在压缩过程中会生成固体的氨基甲酸铵，堵塞设备和管道，为了克服这种困难就出现了各种气体循环的工艺流程。最初的工艺流程以不循环法开始，到半循环法，全循环法，全循环法又分为水溶液全循环法和气提全循环法，本工艺主要将CO2气提法全循环作一介绍。从合成界区热氨产品泵送来的液氨，压力25kg/cm2（绝），温度3040，经过流量累积器FQ101进入高压氨泵9103J/JA，在氨泵的进口管线上设有低压报警PAL9102，高压报井PAH9107A/B，测温点TI9101；TI9107A/B，测压点PI9101，PI9103A/B以及温度记录TR9003/7，以便对液氨的压力和温度进行临测。液氨在高压氨泵内加到164180kg/cm2。泵的打量是根据CO2的负荷来确定的，通过调节控制变矩器的SIC9101A/B来改变泵的转速来达到打量的改变。氨泵送出的液氨依次通过第一高压氨加热器9103-c和第二高压氨加热器9104C，分别用低压甲铵冷凝器（9301C）的密封循环水以及上部循环加热器（9301ECA）壳侧的蒸汽冷凝液作为热源，将液氨加热到70左右。在9103C以及9104C出口分别设有温度指赤TI0001/2、TI9001/3。然后，液氨进入高压氨喷射器9201L，此喷射器可用HIC9207改变喷针的位置以调节来自高压洗涤器9203C和尿素合成塔9201D的甲铵液抽吸量。在喷射器的进口氨管道上设有PI9201，PR9201以便对高压系统的压力进行观察和记录。喷射器送出的液氨与甲铵液的混合物进入高压甲铵冷凝器9202C的项部。 压力为1.61.7kg/cm2（绝），温度2535，组成98.5%（干基体积）的CO2气体，其在合成界区的总管上设有压力控制器PIC42和自动放空的旁路以及甲醇的高含量报警。CO2气体进入尿素界区，在CO2液滴分离器（9101F）前的总管上与防腐及脱氢所用的空气相混合。此空气由工艺空气鼓风机9101J供给，加入量由FIC9103控制约为CO2总量的6.57.0%（V），（其中4%是作为防腐用的）。CO2气体和空气的混合物经过液滴分离器（分离出来的水排入地沟）进入CO2压缩机9102J。该压缩机是由蒸汽透平9102JT来驱动的两缸四段离心式压缩机。在每段之间分别设有段间冷却器（9102Jc/JC2/JC3）以及在2段与3段，3段与4段之间设有段间分离器（9102JF2/JF3）。CO2压缩机的打气量是通过蒸汽透平9102JT转速调节器HIC103来控制的。调节范围在82.9%115.5%，气体被压缩到144151kg/cm2(a)，温度134140送出。从CO2压缩机送出的含有空气的CO2气体，进入高压CO3加热器9101C，加热到200，在出口管道上配置有温度调节器TIC9102以及低温报警TAL9103以控制监测此混合气体的温度，加热后的气体进入脱氢反应器9101D，器内装有以Al2O3作为载体的铂（0.3%wt）触媒，气体中的H2及其它可燃性气体在触媒作用下与氧气反应生成H2O和CO2。此种触媒对H2S极为敏感，极易中毒，故CO2气中的H2S含量不超过2Mg/NM3。反应以后的CO2气达268（H2含量为050PPM），在9101D出口管上设有温度及流量记录TR9003/1。FR9102，高温报警TAH9105。气体通过高压CO2冷却器9102C，温度降至100。为 监测9101D的工作情况以及CO2气体中防腐用的氧含量，在管线上设有自动分析仪（S，2，3，1），自动记录H2含量和O2含量（AR101，AR102）及高氢报警（报警值100PPM），低氧报AAL9102（报警值0.7%V），高氧报警AAH9102，降温后的CO2进入高压热交换器（即汽提塔）9201C的底部，CO2气压入塔前设有PIC9204控制的自动放空旁路，此旁路仅在开、停车时或检验压缩机性能时用，并设有CO2气体的压力记录PR9204（在正常生产时可作为高压系统的压力参数）。尿素合成塔9201D顶部的反应混合物中含有尿素、水，未转化的氨基甲酸铵以及游离的氨、二氧化碳，温度约183（TR002/5），经内部的溢流管从塔底流出。合成塔的液位由LR9201自动记录，并由出料管上的调节伐HIC9201控制，此管上还设有分析取样点（S 252），定期分析出料组成（cr：33.6%，NH329.2%，CO219.2%）以观察合成塔的反应情况，液体靠位差流入高压热交换器9201C顶部的液体分配器，经分配小孔均匀地流入到每根气提管中，沿着管壁形成膜状自上而下流动。同时从塔底进入的约140kg/cm2，100的CO2气体经过分布器亦均匀地分配到每根气提管中自上而下流动，气液逆流接触，液体中游离NH2及甲铵随即分解蒸出进入气相中，其所需的热量由进入热换器壳侧内高压饱和蒸汽所供给，到达塔底的液体温度170，组成分U：5657%（wt）、CO2、10.5%（wt），NH3，7.58.5%（wt）；从塔底流出，出口管上设有高温报警TAH9201，高液位报LAH9201，以及液位调节器LIC9203，液体进入循环系统。高压热交换器的加热蒸汽由高压蒸饱和器9902F，进汽管上的压力控制PIC9904来调节。随着生产负荷的不同，蒸汽压力在1721kg/cm2(a)之间变化。 离开高压热交换器顶部的气体含有NH3：345%（V），CO2：34.5%（V），H2O：3.63%(V)，惰气及氧气：1.37%（V）：进入高压甲铵冷凝器9202C的顶部，与从高压氨喷射器9201L来的原料液氨及回收的甲铵液在分布板上汇合，此气一液混合物均匀地分配到管束中，并沿着管壁向下流，此时，加料物中的蒸汽冷凝，并发生生成甲铵的反应，放出冷凝热和生成器。这些热量用于产生低压蒸汽，进入kg/cm2(a)蒸汽管网，蒸汽压力由蒸汽控制器HIC921以及低压忒汽管网上的放空控制伐PIC9205来控制的。改变蒸汽压力，也即改变了高压甲铵冷凝器9202C的壳侧温度，这样就可以控制管内甲铵的冷凝程度，即控制了出高压甲铵冷凝器的气液比。 高压甲铵冷凝器出来的液相及未冷凝的气相从底部的两根出口管分别流入尿素合成塔9201D的底部。未冷凝的这部分NH2和CO2继续反应生成甲铵、入出热量，这热量除了用于生成尿素所需的热量以外，并使合成塔的物料温度上升。该顶部温度可达183。 合成塔内部装有8块筛板，目的是使气液两相间混和良好以及避免返混，顶部液相从溢流管经由液位控制HIC9201调节进入高压交换器。合成塔内液位过高会使液体进入高压洗涤9203C，造成堵塞。合成塔的气相从顶部流出其体积百分组成为：NH3：67.1%，CO2：21.2%、O2：0.975、H2O：3.62%，惰性气：7.1%，温度183，其组成由装置在高压洗涤器防爆球体上的色谱仪自动分析，根据分析数据可以了解整个系统的操作好坏。合成塔顶出来的气体经出气管进入高压洗涤器9203C的防爆空间，在出气管上装有安全伐Psv9201D1/D2/D3（整定压力为160kg/cm2a)，并设有手动放空调节器HIC9203，此调节器作为开车升温钝化及事故时用。 防爆空间出来的气体进入洗涤器的底部，从301J/JA打来的甲铵液经填料段及中心管亦进入洗涤器的底部。气体与液体并流向上，气一液充分地混合，气体在管内被冷凝和吸收，放出热量。此热量由高压调温水带走。为了防止冷凝过度而产生甲铵结晶，故高调水温度控制在140130。此高调水是在高压洗涤器循环水泵9903J高压洗涤器高调水冷却器9902C一高压洗涤器底部壳侧一下部循环加热器99031ECB之间进行封闭循环。水温由循环冷却器9902C的温度控制器TIC9901及冷却器旁路的流量控制HIC9902来控制。为了防止高调水气化，其压力由恒压槽9906F来稳定。温度记录点TR9002/3；TR9002/2是记录洗涤器高调水进出口温度，以便观察其冷凝效果。经过高压洗涤器下部的浸没式冷凝段的冷凝液约165（T）、（9002/4）通过出口管进入高压氨喷射器9201L返回合成系统。而在冷凝段没有冷凝的气体进入鲍尔环构成的填料层，与甲铵泵9301J/JA打来的甲铵两逆流相遇，进一步吸收不凝气中剩余的CO2和NH3。没有被吸收的气体，其中不含CO2及仅少量的NH3，主要是惰性气体。值得注意的是，如果惰性气体中含水量有H2，就将与其中的O2及少量的NH3形成爆炸气体。故为了防止爆炸而损坏设备，出气管将通过由非爆炸性气体（合成塔出气）所充满的防爆空间。出塔后的气体经调节伐HV9202入惰气放空塔9201E（相当于消音器）进入大气。调节伐HV9202的开长不能随便调节，仅由生产负荷所决定。氨水槽9701F主要收集各冷凝器来的冷凝液以及系统停车排放的溶液等，其中闪蒸槽冷凝液含NH3、CO2，则由解吸和水解系统来回收， 以解吸塔给料泵9704J/JA打来溶液，重量组成约：尿素67%，CO2：2.67%，NH3：3.71%（S276），温度：62。经解吸塔换热器9706C，温度达117（TI9001/19）进入操作压力为（3 kg/cm2）的第一解吸9701E来作为热源的含有NH3、CO2的二次蒸汽逆流相遇，溶液中的大部NH3和CO2被加热解吸出来。溶液达130（TI9001/20），收集在第一解吸塔的底部，被水解塔给9705J/JA抽出。该泵打量由第一解吸塔液位调节器LIC9703控制。经水解塔换热器9707C1/C2进入水解塔9703E第一块塔板上部，水解塔有16块塔板，操作压力为16.3kg/cm2(a)，溶液在塔中停留一定的时间（约80分钟）尿素在此进行水解成NH3和CO2 。其所需热量由透平蒸汽（25kg/cm2）来控制的。从底部流出的溶液温度约为190（TI9001/24），含有尿素115PPM，NH3：156% (wt)（S2103），经过水解塔换热器，与第一水解塔出料液换热器降温后，进入第二次解吸塔9702E第一块塔板上方，其进液量由塔相同。该塔解吸所需的热量由4kg/cm2蒸汽供给，蒸汽量的控制（FIC9704）与第一次吸塔的进液量（FIC9703）串接的。溶液中被吸出来的含有NH3和CO2的二次蒸汽作为第一解吸塔的热源。解吸后的溶液收集在塔底。温度为134，含有尿素：114PPM，NH3：65PPM（S2101）再流经解吸塔换热器9706C，废水冷却9709C，温度降到60（TI9001/21）排入地沟，其排出的量由第二解吸塔液面控制器LIC9701来调节。 从水解塔9703E顶部出来的气体，约170（TR9004/4）过压力调节伐PV9709，此伐是用来维持水解塔的操作压力16.3kg/cm2(a)的。进入第一解吸塔第6块塔板，在塔内亦作为解塔的解吸用的热源。从第一解吸塔顶部出来的气体，约110（TR9004/2）。此温度的高低，对气体进入的组成是有影响的，因而在出口管线上设有低温报警TAL9702。气体进入回流冷凝器9708C，气体在此冷凝，冷凝汇贮集在底部，约含NH3：32.55%(wt)、CO2：27.45%(S2102)，温度约为55（TR9004/1），经回流泵9706J/JA后大部分（约60%）进入低压甲铵冷凝器9301C，其流量由回流冷凝器的液位控制LIC9707来调节，一部分回流到第一解吸塔，其回流量由FIC9701来控制。在回流冷凝器中的不凝性气体经压力控制器PIC9711进入循环系统的吸收塔9303E中被进一步吸收，残余的气体放入大气。回流冷凝器中气体冷凝热由冷却水带走，由于此冷凝气体中NH3、CO2含量较高，过低的冷却水循环使用，冷却水由冷却水循环水泵9707J/JA打到回流冷凝的壳侧，温度控制在30左右，进口设有冷却水低温报警TAL9707。在冷凝器换后由TV9715控制排放掉一部分热后的冷却水，再由冷却水管补充一部分新鲜水，再进入循环水泵9707J/JA循环，这样可确保温在要求的范围内而避免过冷。一、尿素的合成反应机理工业生产尿素是由合成氨和二氧化碳直接合成尿素的，其总反应如下式：2NH3+CO2 CO（NH2）2+H2O Q24.4千卡（液）（气） （液） （液）由上式可以看到这是一个可逆的放热反应，许多文选对尿素的合成研究有着多种的成果和解释，但是较统一的认为实际尿素的合成反应是在液相中分两步进行的。其第一步：液氨与气体二氧化碳反应生成氨基甲酸铵（简称甲铵）2NH3+CO2 NH2COONH4 +Q28千卡（液） （气） （液）由反应热的数量值可以看出这是个强烈的放热反应，反应速度快容易达到化学平平衡。其第二步：由上述反应生成的甲铵液体脱水生成尿素。NH2COONH4 CO（NH2）2+H2OQ3.6千卡（液）