尿素工艺课件.ppt

晋城煤业集团技工学校一体化教材 尿素工艺 中国矿业大学出版社国家一级出版社全国百佳图书出版单位 尿素工艺 模块一 尿素的基本知识 晋城煤业集团技工学校一体化教材 尿素的基本知识 尿素 分子式为CO NH2 2或写成H2NCONH2 学名为碳酰二胺 是由于人及哺乳动物的尿液中含有这种物质而得名 在尿素工业生产中 常用符号 Ur 来表示尿素 尿素在农业 工业 医药 纤维素 炸药 制革 选矿 颜料 石油脱蜡等行业获得广泛的应用 尿素 尿素分子模型 尿素的基本知识 尿素的性质 尿素生产的原理和步骤 尿素生产设备简介 主控系统介绍 尿素生产工艺流程综述 1 2 3 4 5 尿素的基本知识 尿素的性质 一 尿素的物理性质 注意 尿素在空气中易吸湿 吸湿性次于硝酸铵而大于硫酸铵 故包装 储运要注意防潮 尿素的基本知识 尿素的性质 二 尿素的化学性质 1 尿素的缩合反应 H2N CO NH2 NH4 O C N 1 真空中 2 常压下2CO NH2 2 NH2CONHCONH2 NH3 3 当温度超过170 时3CO NH2 2 NH2CONHCONHCONH2 2NH3 3CO NH2 2 C3N3 OH 3 3NH3 2 尿素的水解作用 3 尿素的加成反应 1 尿素在强酸溶液中呈现弱碱性 第一步 CO NH2 2 H20 NH2COONH4 第二步 NH2COONH4 H20 NH4 2C03 第三步 NH4 2C03 2NH3十CO2 H2O 2 在强碱性溶液中 尿素又呈现弱酸性 尿素工艺 尿素生产的原理和步骤 一 尿素生产的工业发展 1773年 化学家鲁埃勒 Rouelle 首次制得尿素结晶 1828年 德国化学家F 维勒 F wohior 在实验室里首次用氨和氰酸合成尿素 1870年 俄国人 巴扎罗夫用氨基甲酸铵脱水法生成尿素 1922年 德国法本公司建成世界上第一套用CO2和氨直接合成尿素的工业装置 1932年 荷兰斯太米卡邦公司解决尿素合成塔的设备腐蚀问题 尿素合成塔 尿素工艺 尿素生产的原理和步骤 二 尿素生产的原理和步骤 2NH3 CO2 CO NH2 2 H2O Q 1 氨与二氧化碳原料的供应及净化 2 氨与二氧碳合成尿素 3 未反应物的分离与回收 4 尿素溶液的加工 1 原理 氨和二氧化碳直接合成尿素法的总反应为 2 步骤 尿素工艺 尿素生产的原理和步骤 三 尿素的生产方法 尿素的生产方法 不循环法 半循环法 全循环法 热气全循环法 气体分离 选择性吸收 全循环法 水溶液全循环法 气提全循环法 按由分解 循环返回的方法分 工艺老化 生产效率低已被淘汰 尿素工艺 尿素生产相关生产设备简介 一 尿素的生产过程 1 氨与二氧化碳原料的供应及净化 尿素生产过程首先要将原料气进行净化 需要净化设备 2 氨与二氧碳合成尿素 第一步液氨与气体二氧化碳作用生成氨基甲酸铵 快速 强烈放热 第二步甲铵脱水生成尿素 液相中速率大于固相 上面两个步骤分别放在高压甲铵冷凝器及尿素合成塔两个设备中进行 2NH3 l CO2 g NH4COONH2 l Q Q 119 20kJ NH4COONH2 1 CO NH2 2 l H2O 1 Q Q 15 49kJ 尿素工艺 尿素生产相关生产设备简介 4 尿素溶液的加工 3 未反应物的分离与回收 一 尿素的生产过程 以二氧化碳气提法为例 合成塔出来的料液中的CO2与氨分三次在三个设备中 汽提塔 精馏塔 闪蒸槽 从尿液中分离出来 然后再将分解后的CO2与氨加以回收 达到一定浓度后的尿液还需经过蒸发浓缩 造粒等过程才能得到成品尿素 尿素工艺 尿素生产相关生产设备简介 二 主要生产设备 1 高压系统 2 低压系统 3 蒸发造粒系统 4 解吸水解系统 汽提塔 合成塔 高压甲铵冷凝器 高压洗涤器等 精馏塔 低压甲铵冷凝器 常压吸收塔等 闪蒸槽 一段蒸发器 二段蒸发器 造粒塔 造粒机 等 水解塔 解吸塔等 高压甲铵冷凝器 尿素工艺 主控系统介绍 一 DCS控制系统 DCS系统 DIstirbutedControlSystem 分散控制系统 是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统 它是计算机技术 系统控制技术 网络通讯技术和多媒体技术相结合的产物 可提供窗口友好的人机界面和强大的通讯功能 是完成过程控制 过程管理的现代化设备 二 系统的主要技术概述 DCS系统 带I O部件的控制器 人机接口 通讯网络 操作站 工程师站 历史站 尿素工艺 主控系统介绍 尿素DCS系统 尿素工艺 主控系统介绍 DCS系统的优越性 整个系统的利用率极高 故障率低 实现整个生产过程的完整监控 DCS硬件系统在恶劣的工业现场具有高度的可靠性 维修方便 工艺先进 DCS系统的设计采用合适的冗余配置和诊断至模件级的自诊断功能 具有高度的可靠性 系统内任一组件发生故障 均不会影响整个系统的工作 DCS系统的参数 报警 自诊断及其他管理功能高度集中在CRT 显示器 上显示和在打印机上打印 通过CRT控制系统在功能和物理上真正分散 把大型控制系统用高速实时冗余网络分成若干相对独立的分系统 网络结构可靠性 开放性及先进性 采用标准的控制组态软件可以实现任何监测 控制要求 具备可扩展性和可裁剪性 保证经济性 尿素工艺 主控系统介绍 三 主控岗位介绍 四 主控岗位技术操作规程 1 岗位职责 2 安全责任 1 巡回检查 2 设备维护保养 必须按规定持证上岗 穿戴好劳动保护用品 严格遵守劳动纪律 严格执行各项工艺指标 控制好合成塔内氨碳比 水碳比 严格控制CO2中氧含量在0 6 0 8 防止超温 超压等现象发生 及时与现场各岗位联系 有问题及时处理 消除事故隐患 熟知消防器材 防毒面具使用方法 按规定熟练使用本岗位的安全设施 进入主控室穿拖鞋 不得在主控室内吸烟 用餐 不得将水漏入地板下的电缆沟 以防短路 配合仪表工管好 用好 维护好微机系统 维护好空调 以确保微机安全运行 保护好现场设备 坚决禁止超标运行 尿素工艺 尿素生产工艺流程综述 尿素生产工艺主流程及部分附属流程图 尿素工艺 尿素生产工艺流程综述 CO2气提 循环 回收系统工艺流程图 尿素工艺 尿素生产工艺流程综述 二 尿素生产工艺流程图说明 1 CO2压缩净化和氨的升压 2 高压合成 气提和洗涤 3 低压分解吸收 4 蒸发造粒 5 解吸水解 6 蒸汽及蒸汽冷凝液系统 7 尿素循环冷却水系统 尿素蒸发造粒系统工艺流程图 CO2汽提法工艺流程图 尿素工艺 尿素生产工艺流程综述 三 尿素生产一般安全要求 1 进入车间严禁吸烟及携带火柴 火种和各种引火引爆物 2 严格遵守岗位操作法和安全技术规程 在工作中要思想集中 保持冷静和清醒 不明白和没干过的工作学会后再去做 3 工作前保持充分的睡眠和良好的休息 班前不饮酒 工作中严格遵守劳动纪律 禁止闲谈打闹 禁止做与工作无关的事 不打嗑睡 4 进入生产车间应将工作服和防护用品穿戴整齐 按规定正确使用和爱护防护用具 模块二 尿素生产工艺主流程 晋城煤业集团技工学校一体化教材 尿素生产工艺主流程 尿素的生产过程常分为下列4个阶段 氨与二氧化碳原料的供应及净化 氨与二氧化碳合成尿素 未反应物的分离与回收 尿素溶液的加工 根据尿素的生产过程及其生产条件 其主要工艺流程可分为 合成尿素的高压系统流程 分解回收的低压系统流程 进行尿液加工的蒸发造粒系统流程 以及为了回收蒸汽冷凝液中的氨 二氧化碳和尿素等的解吸水解系统流程 尿素生产工艺主流程 高压系统 低压系统 蒸发造粒系统 解吸水解系统 1 2 3 4 尿素生产工艺主流程 高压系统 一 尿素生产原料气的要求 1 对液氨的要求 2 对二氧化碳的要求 尿素生产工艺主流程 高压系统 二 尿素合成 一 合成尿素的反应机理合成尿素的总反应式为 2NH3 l CO2 g CO NH2 2 l H2O l Q 此反应为可逆 放热反应 一般认为反应是在液相中分为两步进行的 第一步 称为甲铵生成反应 即 2NH3 l CO2 g NH4COONH2 l H 119 20kJ 第二步 甲铵脱水生成尿素 即 NH4COONH2 l CO NH2 2 l H2O l H 15 49kJ 尿素生产工艺主流程 高压系统 二 尿素合成 二 氨基甲酸铵1 氨基甲酸铵的性质 简称甲铵 带有浓氨味的无色晶体 具有强烈的吸湿性 易溶于水中 很不稳定 常压下 在59 以上会分解成氨和二氧化碳 尿素生产工艺主流程 高压系统 二 尿素合成 2 氨基甲酸铵的溶解性 甲铵同其他铵盐一样易溶于水 见下图 尿素生产工艺主流程 高压系统 二 尿素合成 甲铵在液氨中的溶解情况 见下图 尿素生产工艺主流程 高压系统 二 尿素合成 3 甲铵的离解压力甲铵的离解压力是指在一定温度条件下 固体或液体甲铵表面上的氨和二氧化碳蒸气混合物的平衡压力 实验测得固态甲铵在不同温度下的离解压力值见下表 甲铵的离解压力随温度的升高而显著增加 其关系如右图所示 尿素生产工艺主流程 高压系统 二 尿素合成 4 氨基甲酸铵的生成 1 生成甲铵的化学平衡 2NH3 l CO2 g NH4COONH2 l Q 尿素生产工艺主流程 高压系统 二 尿素合成 2 甲铵的生成速率 在常温常压下生成甲铵的速率相当缓慢 而且甲铵极不稳定 在一定温度和压力下 若能及时移走反应热 甲铵生成反应是能够迅速完成的 压力和温度对甲铵的生成速率影响很大 若其他条件相同 甲铵的生成速率几乎与压力的平方成正比 尿素生产工艺主流程 高压系统 二 尿素合成 5 高压甲铵冷凝过程分析 高压甲铵冷凝器中氨和二氧化碳冷凝量的控制非常重要 由于冷凝温度高 得到的副产蒸汽压力也相应增高 因此从甲铵冷凝的角度看 选择右图中N点组成是最合适的 在高压甲铵冷凝器中只允许有大部分氨和CO2冷凝反应生成甲铵 实际生产中 在高压甲铵冷凝器两旁设置低压汽包 氨和CO2在高压甲铵冷凝器的列管内反应 冷凝反应热传递给壳侧的水产生蒸汽 水在高压甲铵冷凝器壳侧造成自燃循环 在高压甲铵冷凝器的操作中 通过调节低压汽包的压力来调节水温 也就是通过调节高压甲铵冷凝器管内外的温度差来控制液体 气体的相对量 使进入尿素合成塔的进料组成适宜 使其温度达到所要求的工艺指标值 尿素生产工艺主流程 高压系统 二 尿素合成 三 尿素合成的化学平衡与反应速度1 尿素合成的化学平衡 NH3 气 NH3 液 CO2 气 CO2 液 H2O 气 H2O 液 CO NH2 2 气 CO NH2 2 液 NH4COONH2 液 CO NH2 2 液 H2O 液 NH4COONH2 液 2NH3 液 CO2 液 尿素生产工艺主流程 高压系统 二 尿素合成 2 平衡转化率在工业生产中 衡量氨与二氧化碳反应生成尿素的化学反应程度 常用原料CO2转化为尿素的百分比 即CO2平衡转化率来表示 简称转化率 写成XCO2 即 弗里扎克法把反应体系看做由NH3 CO2 CO NH2 2 H2O构成的均匀体系 总反应式为 CO NH2 2 H2O 2NH3 CO2 尿素生产工艺主流程 高压系统 二 尿素合成 以1mol的CO2为基准 设nNH3 nCO2 nH2O nCO2 达平衡时二氧化碳转化为尿素的转化率X0 则反应前后体系关系见下表 按照化学平衡的一般规律 对于甲铵的反应 可列出下式 当 2 0时 得 在有过量氨和外加水存在的情况下 尿素生产工艺主流程 高压系统 二 尿素合成 影响二氧化碳转化率的因素较多 主要有 温度的影响 nNH3 nCO2的影响 尿素生产工艺主流程 高压系统 二 尿素合成 nH2O nCO2的影响 压力的影响 在合成尿素的过程中 压力不能随意改变 而是决定于温度 nNH3 nCO2 nH2O nCO2 由于甲铵分解将会引起转化率下降 所以压力应高于该温度下甲铵的分解压力 即平衡压力 当nNH3 nCO2一定时 温度越高 平衡压力越高 操作压力也应高一些 惰性气体的影响 尿素生产工艺主流程 高压系统 二 尿素合成 3 尿素合成的反应速度在尿素合成反应中 从反应机理可知 甲铵生成反应速度是很快的 甲铵脱水反应很慢 是总反应控制步骤 影响甲铵脱水反应速度的因素有温度 nNH3 nCO2 nH2O nCO2和压力等 1 温度的影响 2 nNH3 nCO2的影响 3 nH2O nCO2的影响 4 压力的影响 5 反应时间与生产强度的关系 尿素生产工艺主流程 高压系统 二 尿素合成 四 尿素合成工艺条件的选择1 压力的选择 合成尿素的总反应是一个体积缩小的反应 因而提高压力对合成尿素是有利的 提高操作压力对合成尿素是有利的 但是压力也不能过高 因为操作压力与尿素合成转化率的关系并非线性关系 2 温度的选择 最大反应速率 最高转化率 尿素生产成本 尿素生产工艺主流程 高压系统 二 尿素合成 3 nNH3 nCO2的选择 二氧化碳过量时对尿素的转化率并无影响 而氨过量却能提高尿素的转化率 过剩的氨还可控制合成塔内自热平衡 从而简化了合成设备结构和维持最适宜的反应温度 并能抑制合成塔内尿素的水解和缩合等有害副反应 使尿素反应平衡转化率提高 4 nH2O nCO2的选择 水碳比的增加对尿素合成反应不利 合成塔内水分多 不仅降低甲铵浓度 而且由于生成物水的浓度增加 不利于甲铵脱水生成尿素而有利于尿素的水解 尿素生产工艺主流程 高压系统 二 尿素合成 5 物料停留时间的选择 物料在合成塔内停留时间与转化率的关系如图所示 由图可见 甲铵转化成尿素的转化率随反应时间的增加而增加 开始增加较快 以后逐渐减慢 尿素生产工艺主流程 高压系统 三 汽提 一 汽提的理论基础及实际应用 从尿素合成塔排出的物料 除含尿素和水外 尚有未转化为尿素的甲铵 过量氨和二氧化碳及少量的惰性气体 为了回收氨和二氧化碳 首先要将未转化的甲铵分解为氨和二氧化碳 工业上采用的分离方法主要有两种 即减压加热法和汽提法 汽提法分解甲铵比减压 加热法有较大的优点 汽提 是在高压下操作的带有化学反应的解吸过程 在尿素生产过程中就是使尿液中的甲铵按下述反应分解为氨和二氧化碳的过程 其分解反应式如下 2NH3 l CO2 g Q NH4COONH2 l 二氧化碳汽提法就是在保持汽提分解压力与合成塔压力相同的条件下 在供给热量的同时 向尿液中通入大量的二氧化碳气 以降低气相中氨的分压 或浓度 促使甲铵分解 尿素生产工艺主流程 高压系统 三 汽提 三 高压分解回收回路 尿素生产工艺主流程 高压系统 四 二氧化碳汽提法高压系统的主要设备 一 高压甲胺冷凝器1 高压甲铵冷凝器的结构 见右图 尿素生产工艺主流程 高压系统 四 二氧化碳汽提法高压系统的主要设备 1 壳体与传热管的材质和尺寸 2 汽 液分布器 见右图 3 仪表监控设备 尿素生产工艺主流程 高压系统 四 二氧化碳汽提法高压系统的主要设备 2 高压甲铵冷凝器作用 尿素生产工艺主流程 高压系统 四 二氧化碳汽提法高压系统的主要设备 二 尿素合成塔的结构1 尿素合成塔的结构 1 筒体耐高温 高压 腐蚀 2 筛板减少 返混 现象 3 仪表监控设备液位计温度计取样点 尿素生产工艺主流程 高压系统 四 二氧化碳汽提法高压系统的主要设备 2 合成塔的作用尿素合成分两步 二氧化碳和氨生成甲铵 甲铵脱水生成尿素 由于甲铵脱水的反应速度不如二氧化碳和氨冷凝成甲铵那样快 因此为了使尿素合成进行完全 接近平衡时的二氧化碳转化率 物料在合成塔内应有足够的反应停留时间 尿素生产工艺主流程 高压系统 四 二氧化碳汽提法高压系统的主要设备 三 汽提塔1 汽提塔结构 见右图 尿素生产工艺主流程 高压系统 四 二氧化碳汽提法高压系统的主要设备 1 壳体与传热管 2 液体分布器 见右图 液体分布器的主要部件有液体分布管 固定板和半圆形挡板 尿素生产工艺主流程 高压系统 四 二氧化碳汽提法高压系统的主要设备 3 气体分布器 4 仪表监控 尿素生产工艺主流程 高压系统 四 二氧化碳汽提法高压系统的主要设备 2 汽提塔的作用汽提塔的作用是在与尿素合成塔同等压力下 在通入二氧化碳的同时 加热合成反应液 促使合成反应液中的甲铵分解并逐出游离氨和二氧化碳 尿素生产工艺主流程 高压系统 四 二氧化碳汽提法高压系统的主要设备 四 高压洗涤器1 高压洗涤器结构 见右图 高压洗涤器是一个球形浸没式换热设备 该设备是由一个球形封头 防爆空间 填料洗涤段与下部换热段 浸没冷凝段 组成 尿素生产工艺主流程 高压系统 四 二氧化碳汽提法高压系统的主要设备 1 壳体与冷却管 2 高压洗涤器下部结构 汽 液混合器 见右图 3 仪表监控设备 尿素生产工艺主流程 高压系统 四 二氧化碳汽提法高压系统的主要设备 2 高压洗涤器的作用高压洗涤器的作用是洗涤来自尿素合成塔顶部合成气中的二氧化碳与氨 然后将洗涤后的浓甲铵液经高压喷射泵返回到高压甲铵冷凝器 尿素生产工艺主流程 高压系统 四 二氧化碳汽提法高压系统的主要设备 高压洗涤器正常工艺指标见下表 尿素生产工艺主流程 高压系统 五 二氧化碳汽提法高压系统流程 尿素生产工艺主流程 高压系统 六 二氧化碳汽提法高压系统的正常操作 一 高压甲铵冷凝器与尿素合成塔的操作1 氨碳比的控制 其比值理论上分析为2 89 在实际操作中 一般控制在2 8 3 2 2 水碳比的控制 二氧化碳汽提法生产尿素时水碳比理论值0 37 实际操作中在一般控制在0 4 0 6 最高不能超过0 7 3 CO2转化率 二氧化碳汽提法生产尿素时 合成塔CO2转化率一般控制在58 62 4 温度的控制 一般高压甲铵冷凝器的出口温度应控制在166 170 尿素合成塔内的测温点有两个 以观测控制合成塔的反应温度 一个是合成塔的出液温度 另一个是合成塔的出气温度 操作值一般是180 185 正常操作时 塔温则是通过调节高压甲铵冷凝器副产蒸汽压力5 压力的控制 合成压力正常操作范围在13 8 14 5MPa 尿素生产工艺主流程 高压系统 六 二氧化碳汽提法高压系统的正常操作 6 尿素合成塔液位控制 操作人员在调整尿素合成塔液位时必须缓慢进行 开或关一次阀门后 要观察液位变化 不能急躁 切忌猛开猛关 7 合成塔顶部温度控制 合成塔顶部温度正常操作范围在180 185 8 防止二氧化碳倒流 要防止二氧化碳倒流 可在通向汽提塔的合成溢流管上加一段液封 9 二氧化碳氧含量 在通过了脱氢反应器后 氧含量 体积分数 的正常操作范围在0 75 和0 8 氧含量不能低于0 6 否则可能发生强烈腐蚀 尿素生产工艺主流程 高压系统 六 二氧化碳汽提法高压系统的正常操作 二 汽提塔与高压蒸汽饱和器的操作1 汽提塔的出液温度 离开高压汽提塔的液体温度范围在165 175 调节温度的方法是控制高压蒸汽饱和器的压力 2 高压汽提塔液位 总的来说 高压汽提塔底部液位应尽可能的低 这个液位低一些 对防止副反应的产生有利 一般应控制在60 80cm 3 高压汽提塔壳侧蒸汽压力 高压汽提塔壳侧的蒸汽压力受生产负荷来控制 操作范围在1 8 2 0MPa 尿素生产工艺主流程 高压系统 六 二氧化碳汽提法高压系统的正常操作 三 高压洗涤器与高压调温水的操作1 高压洗涤器的出液温度 高压洗涤器的出液温度一般控制在160 165 它能反映高压洗涤器的操作情况 2 进液量与进液组分 高压洗涤器的进液量与进液组分是由CO2汽提法全循环的要求决定的 进液浓度一般是 CO2 34 35 NH3 30 31 3 高压调温水温度 假设合成塔的合成压力和nNH3 nCO2比正常 则高压洗涤器气体进口温度为180 185 从循环工序进入高压洗涤器的甲铵的温度为70 75 高压调温水进口温度一般控制120 130 根据吸收量计算 反应热移出将会使高压调温水温度的升高10 15 4 高压洗涤器出气温度 高压洗涤器出气温度范围在110 120 尿素生产工艺主流程 高压系统 六 不正常情况分析及处理 1 合成塔压力过高 原因 高压甲铵冷凝器的低压蒸汽包压力太高或低压汽包液位太低 nNH3 nCO2错误 原料中惰性气体成分含量过高 高压洗涤器冷却不够 二氧化碳气体出现倒流 合成塔满液 2 合成塔顶部温度太低 合成塔顶部温度太低 转化率会下降 3 二氧化碳倒流 原因 缺乏液封 通常发生在合成塔溢流管上 合成塔和高压甲铵 冷凝器的阻力大于液封阻力 如果有液封存在 当合成塔的液位控制阀泄漏太严重时 则可能发生这种情况 尿素生产工艺主流程 高压系统 六 不正常情况分析及处理 4 汽提塔的出液温度升高影响汽提塔出液温度升高的原因 除了高压蒸汽饱和器的压力外 还有以下几个 汽提塔的液位过高 进汽提塔的合成反应液中水尿比高 进汽提塔的CO2气体温度高 这样会使出液温度升高 此外 汽提塔设备发生故障时 也会使汽提塔出液温度升高 如液体分布器中某些小孔堵塞 影响到其他管的液体量 导致汽提塔出液温度升高 尿素生产工艺主流程 低压系统 一 低压分解和回收的原理 一 低压分解和真空闪蒸分解原理1 低压分解原理甲铵分解过程就是甲铵生成反应的逆反应 可用下面几个平衡式表示 分解通常采用减压和加热的方法 实际生产中 出汽提塔的尿液首先进行减压 降低压力 并且在精馏塔进行加热 2NH3 液 CO2 气 Q NH4COONH2 液 NH3 液 NH3 气 CO2 气 CO2 液 尿素生产工艺主流程 低压系统 一 低压分解和回收的原理 2 低压分解工艺指标的选择 压力的选择 低压吸收工艺指标压力一般选择在0 2 0 25MPa 因此低压分解压力比低压吸收压力稍高一些 一般选择为0 25 0 4MPa 温度的选择 低压分解温度一般控制在130 135 较为合适 尿素生产工艺主流程 低压系统 一 低压分解和回收的原理 2 真空闪蒸分解原理及其工艺指标选择 经低压分解后 从精馏塔下部出来的尿液尚含有少量的CO2和氨 还需进一步减压分解 常用真空闪蒸分解 低压 闪蒸分解正常工艺指标见下表 尿素生产工艺主流程 低压系统 一 冷凝吸收基本原理 一 低压分解和真空闪蒸分解原理1 吸收原理 物理吸收 气体中的CO2和氨被溶解在液体中 化学吸收 被吸收后的气体 在液相中发生生成NH3 H2O和甲铵的反应 如下 2 低压冷凝吸收的作用 在低压吸收塔中完成高压洗涤器尾气中的CO2和氨回收 其吸收液采用蒸发系统得到的含氨量较少的工艺冷凝液 吸收后的溶液进入常压吸收塔作为该设备的吸收液进一步吸收 在低压甲铵冷凝器和常压吸收塔完成低压分解出来的CO2和氨的回收 吸收后的溶液称为低压甲铵液 部分经高压甲铵泵加压后 返回到高压系统 NH3 H2O NH3 H2O Q1 NH3 CO2 NH4COONH2 Q2 尿素生产工艺主流程 低压系统 一 冷凝吸收基本原理 3 低压冷凝吸收工艺指标的选择 按照尿素装置水平衡来确定甲铵液的组分 根据甲铵液的熔点确定吸收温度 根据溶液表面的平衡蒸汽压决定吸收的最低操作压力 低压甲铵冷凝器及低压吸收正常工艺指标见下表 尿素生产工艺主流程 低压系统 二 低压系统的主要设备 一 精馏塔1 精馏塔的结构组合式精馏塔的精馏段 分离段和换热器是组合在一起的 基本由3部分组成 上段为精馏段 填料段 中段为分离段 溶液槽 下段为换热段 循环加热器 2 精馏塔的作用经过精馏塔的分解和换热后 汽提液中甲铵液被进一步分解为氨和CO2 送到低压吸收部分去 分解后得到的尿液中氨和CO2等已经较少 尿液浓度可达到65 68 尿素生产工艺主流程 低压系统 二 低压系统的主要设备 右图为外置换热器的精馏塔 精馏塔精馏段 分离段和换热器是分体的 的结构 其主要不同就在于换热器的位置不同 同时换热器与精馏段 分离段是分开放置的 作用与组合式精馏塔基本相同 尿素生产工艺主流程 低压系统 二 低压系统的主要设备 二 闪蒸槽1 闪蒸槽的结构 见右图 2 闪蒸槽的作用 可以将尿液中的二氧化碳与氨彻底赶出 防止尿液泵进口处产生汽化 影响泵的扬程 可以使尿液浓度提高 约达到73 有利于蒸发器的操作 尿素生产工艺主流程 低压系统 二 低压系统的主要设备 三 低压甲胺冷凝器 低压甲铵冷凝器 它是一种U形管式换热器 管内为低压调温水 管外为气液混合物 出精馏塔的气体与解吸塔来的回流液及低压甲铵冷凝器自身的循环吸收液一并进入低压甲铵冷凝器的底部 通过进口的分布器 使气液充分混合 充分冷凝吸收 上升到低压甲铵冷凝器顶部 然后气液混合物进入低压甲铵液贮槽 液位槽 进行气液分离 尿素生产工艺主流程 低压系统 二 低压系统的主要设备 四 常压吸收塔和低压甲胺液贮槽 常压吸收塔位于低压甲铵液贮槽上面 构成一个组合设备 来自低压甲铵冷凝器顶部的气液混合物进入低压甲铵液贮槽 从贮槽的液体中分离出来的气体从气囱进入常压吸收塔被甲铵液洗涤 除惰性气体外全部气体被吸收下来 常压吸收塔下部还有一管口 回流冷凝液位槽分离出来的气体由此进入 在常压吸收塔被吸收下来后 没有冷凝的惰性气体由常压吸收塔顶部放空 尿素生产工艺主流程 低压系统 二 低压系统的主要设备 五 低压吸收塔 该容器为两段吸收的填料塔 塔内分为上 下二段填料层 下段为循环吸收 尿素生产工艺主流程 低压系统 三 低压系统的工艺流程 尿素生产工艺主流程 低压系统 四 CO2汽提法低压循环系统的正常操作 一 低压分解1 精馏塔的操作 精馏塔的正常工作压力为0 25 0 4MPa 作用范围的上限为安全阀整定压力 精馏塔出液温度的正常操作范围为130 135 2 闪蒸槽压力 闪蒸槽压力控制着尿素贮槽的温度 控制压力在0 045 0 065MPa 温度在88 93 通过不同的压力可控制流到尿素贮槽的尿素溶液的闪蒸度和温度 二 冷凝吸收 低压冷凝吸收主要选择返回高压系统甲铵液组分 低压甲铵冷凝器 低压吸收塔等设备的温度与压力 低压冷凝吸收返回高压系统甲铵液组分一般选择 CO2为34 35 NH3为30 31 水小于35 较为合适 低压冷凝吸收操作温度一般选择为71 低压冷凝吸收操作压力一般取0 2 0 25MPa为宜 低压吸收塔的操作压力一般取0 15 0 3MPa为宜 入液温度以45 50 为宜 尿素生产工艺主流程 低压系统 五 不正常情况及其处理 1 精馏塔如果压力过高精馏塔如果压力过高 这可能是由于 高压汽提塔液位过低 导致二氧化碳进入循环 供给低压甲铵冷凝器的冷凝液太少 造成吸收剂的量不足 CO2和NH3冷凝前就已饱和 低压甲铵冷凝器入口调温水太低 导致冷却水管上产生结晶 因而降低了传热效率 甲铵生成热不能被移走 进一步冷凝就无法进行 错误的nNH3 nCO2 使之不能达到最佳冷凝效果 高压汽提塔汽提效率太低 这意味着过多的NH3和CO2留存在液体里 致使循环系统超负荷运行 2 精馏塔温度偏低如果温度太低 这可能是由于 汽提塔汽提效率太低 因此循环系统会超负荷 循环加热器的能力不够 循环加热器的蒸汽压力太低或加热器内惰性气 冷凝液未及时排出 但应避免温度超过140 因为在高温下 缩二脲的生成增加很快 循环加热器的列管油垢太多 换热效果太差 尿素生产工艺主流程 蒸发造粒系统 一 尿素水溶液的特性和生产过程的副反应 一 尿素水溶液的特性 常压下尿素在水中的溶解度随温度的升高而增大 尿素在水中溶解时是吸热的 二 尿素的水解尿素水解反应式如下 CO NH2 2 H2O NH4COONH2 NH4 2CO3 2NH3 CO2 H2O NH4COONH2 H2O NH4 2CO3 影响水解率的因素有温度 停留时间 尿素浓度和氨的含量 尿素生产工艺主流程 蒸发造粒系统 一 尿素水溶液的特性和生产过程的副反应 一 尿素的缩合尿素在高温下发生缩合反应 它们的反应如下 2CO NH2 2 NH2CONHCONH2 NH3 C3N3 OH 3 3NH3 CO NH2 2 HNCO 尿素中的缩二脲含量应加以限制 缩二脲 氰酸 NH2CONHCONH2 3CO NH2 2 NH2CONHCONHCONH2 2NH3 3CO NH2 2 缩三脲 三聚氰酸 尿素生产工艺主流程 蒸发造粒系统 一 尿素水溶液的特性和生产过程的副反应 1 影响缩二脲生成的因素 温度和尿素浓度的影响 氨分压的影响 停留时间的影响 尿素溶液中杂质的影响 2 减少缩二脲生成的办法各工序相应的措施 高压系统 低压系统 蒸发系统 尿素生产工艺主流程 蒸发造粒系统 二 尿素溶液蒸发原理及工艺指标选择 一 尿素溶液蒸发的特性 从上表可以看出 若压力不变 尿素 水饱和溶液的浓度随温度的升高而增加 若温度不变 尿素 水饱和溶液的浓度随压力降低而增加 由此可见 为了得到高浓度的尿液 应该采用真空蒸发 尿素生产工艺主流程 蒸发造粒系统 二 尿素溶液蒸发原理及工艺指标选择 二 二段蒸发工艺 为了防止析出结晶 可将压力保持在大于0 027MPa状态下 但是 在该压力下 最终尿液浓度达不到99 7 试验表明 当压力进一步降低时 在每一个压力下 都会出现2个沸点 见右图 尿素生产工艺主流程 蒸发造粒系统 二 尿素溶液蒸发原理及工艺指标选择 工业生产中 按照尿素溶液蒸发特性的要求 使用造粒塔造粒时一般采用真空蒸发工艺和两段蒸发工艺流程 首先在稍大于0 027MPa压力下将尿液在蒸发器 一段蒸发器 中把水分大量蒸发 使溶液蒸浓到95 即一段蒸发 此过程在结晶点以上 不会有结晶析出 可使蒸发正常进行 然后在更低压力下 将尿液通入蒸发器 二段蒸发器 使水分蒸发 成为熔融尿液 即二段蒸发 尿素生产工艺主流程 蒸发造粒系统 二 尿素溶液蒸发原理及工艺指标选择 三 二段蒸发采用三级蒸汽喷射器的理由 根据理论研究 喷射器的压缩比以3 4在经济上最为合理 如二段蒸发器压力要求为0 0034MPa 喷射器排出压力为大气压 则其压缩比为29 4 所以选用三级喷射器 四 蒸发系统工艺指标的选择1 一段蒸发器的压力与温度 压力0 034MPa 温度130 2 二段蒸发器的压力与温度 温度为136 140 压力在0 0053MPa以下 而且越低越好 一般选择二段蒸发压力在0 0034MPa 尿素生产工艺主流程 蒸发造粒系统 三 蒸发造粒系统主要设备 一 蒸发设备1 蒸发器 一段 二段蒸发器的结构 蒸发器的作用 实际生产中 尿液从蒸发加热器的底部管口6进入直立管内 管外由管口8进入蒸汽 尿液在管内被加热而使水蒸发 蒸汽在管外放热后 自身冷凝成为冷凝液并通过管口5进入冷凝液贮槽 上升的汽液混合物经分离板10将尿液与蒸发蒸汽分开 蒸发完成后的浓尿液从分离器下部管口9流出 到下一工序 蒸发蒸汽经百叶窗式的分离装置除去夹带的液滴后由顶部管口1导出 管口3为冷凝液管 可用工艺冷凝液清洗百叶窗上积存的结晶物 管口4与管口7分别为惰性气体排放口与排污口 通常在开停工需要时打开使用 尿素生产工艺主流程 蒸发造粒系统 三 蒸发造粒系统主要设备 2 蒸汽喷射器一段蒸发只用1台喷射器 见右图 作用 把一段蒸发表面冷凝器内的未冷凝气体抽出并排入大气中 维持一段蒸发器和闪蒸槽内的真空度 尿素生产工艺主流程 蒸发造粒系统 三 蒸发造粒系统主要设备 二段蒸发使用3台喷射器 第1台称为升压器 见右图 升压器的作用 直接抽吸二段蒸发分离器内的蒸发蒸汽并维持其真空度 并将未冷凝的蒸发蒸汽升压送入二段蒸发第一表面冷凝器中 尿素生产工艺主流程 蒸发造粒系统 三 蒸发造粒系统主要设备 3 表面冷凝器一段蒸发用1台表面冷凝器 二段蒸发用2台表面冷凝器 作用 一是可以减少喷射器的负荷 二是可以减少工作蒸汽消耗量 三是用循环冷却水能将从蒸发器抽吸出来的蒸发蒸汽 以及夹带的少量CO2与氨冷凝下来 尿素生产工艺主流程 蒸发造粒系统 三 蒸发造粒系统主要设备 二 造粒设备1 造粒塔 见右图 大型尿素厂使用的造粒塔一般为水泥浇注立式塔体 塔的高度根据采用机械排风或自然排风的方式决定 不同的生产厂家造粒塔高度和塔径有所不同 造粒塔所用的造粒喷头有两种形式 即旋转式和固定式 使用旋转喷头的造粒塔 在塔顶上设有造粒喷头间 造粒塔顶有百叶窗排风口 塔中为空腔 塔下有物料排出槽和百叶窗进风口 塔底集料有两种方法 刮料机回转刮料和锥形漏斗 由传送带把收集下来的尿素运走 尿素生产工艺主流程 蒸发造粒系统 三 蒸发造粒系统主要设备 2 造柆机 见下图 造粒机是一个能产生尿素颗粒流化层的空箱体 它主要包括 多孔分布板 下箱体 注射集管和上箱体 尿素生产工艺主流程 蒸发造粒系统 四 蒸发与造粒工艺流程说明 一 用造粒塔蒸发造粒流程 小颗粒尿素 造粒塔法蒸发造粒流程 蒸发设备为分离器与加热器分开式 如下图所示 尿素生产工艺主流程 蒸发造粒系统 四 蒸发与造粒工艺流程说明 二 造粒机蒸发造粒流程 大颗粒尿素 其蒸发流程基本同造粒塔法一段蒸发流程 如下图所示 尿素生产工艺主流程 蒸发造粒系统 五 蒸发系统的正常操作 1 一段蒸发分离器压力正常的操作压力在0 03 0 035MPa 2 一段蒸发分离器温度一段蒸发分离器正常的操作温度范围在125 130 尿素生产工艺主流程 蒸发造粒系统 六 不正常情况原因分析及其处理 1 尿素成品中缩二脲 Bi 含量高2 尿素中水分过高3 真空度下降4 蒸发温度低5 尿液泵打量不足6 熔融泵有异声 尿素生产工艺主流程 解吸水解系统 一 解吸和水解原理及其工艺指标的选择 一 解吸1 解吸原理 定义 将蒸发工艺冷凝液中的CO2和氨分离出来 得到高浓度的CO2和氨的混合气体和不含上述两种物质的液体 此过程称解吸 方法 解吸是吸收的逆过程 有关吸收的原理也适用于解吸 吸收时需要提高压力与降低温度 解吸则需降低压力与提高温度 提高解吸温度目前常用水蒸气直接通入解吸塔的方法 尿素生产工艺主流程 解吸水解系统 一 解吸和水解原理及其工艺指标的选择 2 解吸工艺指标的选择 1 解吸塔压力 解吸压力越低越有利于解吸过程的进行 即CO2与氨释放越彻底 通常选择解吸塔压力为0 2 0 3MPa 2 解吸塔温度 第二解吸塔的实际操作温度一般选择138 142 3 回流冷凝器冷凝温度选择 温度低 有利于冷凝进行 结晶点温度为30 选择操作温度高于结晶点温度20 4 回流冷凝器冷却水进口温度选择 为了防止回流冷凝器内产生结晶 不能用32 左右的循环水直接通入回流冷凝器内 在生产上用一表冷回水作为冷却水 尿素生产工艺主流程 解吸水解系统 一 解吸和水解原理及其工艺指标的选择 二 水解1 水解原理 定义 水解就是用蒸汽直接加热的方法使溶液中的尿素水解为CO2与氨 反应式 CO NH2 2 H2O 2NH3 CO2 2 水解工艺条件的选择 1 水解温度的选择 2 水解塔压力 3 停留时间 尿素生产工艺主流程 解吸水解系统 二 解吸水解系统设备 一 解吸塔 见右图 尿素装置共有俩个解吸塔 即第一解吸塔和第二解吸塔 将它们叠加在一起就成为一个塔 两塔之间由气囱相连 尿素生产工艺主流程 解吸水解系统 二 解吸水解系统设备 二 水解塔 见右图 来自第一解吸塔的解吸液由水解塔处理 水解塔采用筛板结构 用高压蒸汽加热 尿素生产工艺主流程 解吸水解系统 三 解吸水解系统工艺流程 解吸和水解是回收蒸发冷凝液中氨和二氧化碳 分解其中所含少量尿素并回收其分解出的氨和二氧化碳的重要工序 尿素生产工艺主流程 解吸水解系统 四 CO2汽提法解吸 水解系统的正常操作 1 第一解吸塔给料温度 送至第一解吸塔的给料温度范围在105 110 2 第一解吸塔顶部温度 在第一解吸塔压力为0 3MPa的情况下 顶部温度范围在110 120 3 第二解吸塔的顶部温度 第二解吸塔顶部温度在135 140 4 第二解吸塔底部温度 第二解吸塔底部温度的范围在140 145 5 第一和第二解吸塔的压力 解吸工序的压力范围为0 2 0 3MPa 测量的是第一解吸塔从顶部向下第三块塔板上的物料入口的压力 因此 第二解吸塔底部的压力范围会高一些 为0 37 0 41MPa 6 水解塔给料温度 送至水解塔的给料的温度范围在150 左右 尿素生产工艺主流程 解吸水解系统 四 CO2汽提法解吸 水解系统的正常操作 7 水解塔的压力 水解塔的压力控制在1 5 2 0MPa 平均值为1 85MPa 8 水解塔底部温度 离开水解塔底部的物料的温度范围为200 210 9 对蒸汽及换热要求 解吸塔底部用低压蒸汽加热 水解塔则用高压蒸汽作为热源 使水解温度能够达到要求 为了节省低压蒸汽 在第一解吸塔进口和第二解吸塔出口之间要有热交换 10 回流冷凝器冷凝温度选择 冷凝温度一般选择50 操作 11 回流冷凝器冷却水进口温度选择 在生产上用一表冷器回水作为冷却水 模块三 尿素生产工艺附属流程 晋城煤业集团技工学校一体化教材 尿素生产工艺附属流程 二氧化碳压缩系统 空气压缩机 泵房 蒸汽系统 1 2 3 4 5 循环冷却水系统 6 胶带包装封口码包 尿素生产工艺附属流程 二氧化碳压缩系统 一 CO2压缩系统的主要设备 一 往复式CO2气体压缩机根据活塞在汽缸内王府运动一次吸气和排气次数的不同 单作用式 双作用式 尿素生产工艺附属流程 二氧化碳压缩系统 一 CO2压缩系统的主要设备 1 往复式压缩机工作原理单作用式压缩机汽缸见右图 压缩气体的过程 1 吸气阶段 2 压缩阶段 3 压出阶段 尿素生产工艺附属流程 二氧化碳压缩系统 一 CO2压缩系统的主要设备 这种汽缸的两端都有吸入活门和压出活门 其压缩过程和单作用式相同 只是不论活塞向哪一方移动 都能在其前方形成压缩阶段 而在其后方形成吸气阶段 因活塞在汽缸内往复运动一次各有两次吸气和两次压出 所以称为双作用式 下图所示为双作用式压缩机汽缸示意图 尿素生产工艺附属流程 二氧化碳压缩系统 一 CO2压缩系统的主要设备 2 往复式压缩机分类 排气量 小型 中型 大型 压缩空气 空气压缩机 氨压缩机 氧压缩机 二氧化碳压缩机 压缩机出口压力 低压 中压 高压 尿素生产工艺附属流程 二氧化碳压缩系统 一 CO2压缩系统的主要设备 汽缸在空间位置的放置 立式 代号为Z 卧式 代号为P 角式 L形 V形 W形 平衡式 H形 M形 尿素生产工艺附属流程 二氧化碳压缩系统 一 CO2压缩系统的主要设备 尿素生产工艺附属流程 二氧化碳压缩系统 一 CO2压缩系统的主要设备 我国对活塞式往复压缩机的编号有统一规定 如下图所示 例如 4M12 1 11 55 320含义为 4列 M形 活塞力为12tf 排气量11 55m3 min 最终排气压力32MPa 表 尿素生产工艺附属流程 二氧化碳压缩系统 一 CO2压缩系统的主要设备 3 多段 级 压缩 定义 由若干个汽缸将气体分段逐渐压缩到所需要的压力 并在每段压缩后设中间冷却器 以冷却每段压缩后的高温气体 使整个压缩过程接近于等温压缩过程 优点 多级压缩时级间设中间冷却器 可使进入下一级汽缸的气体温度降低 从而可减少功耗 下图为三级压缩流程 尿素生产工艺附属流程 二氧化碳压缩系统 一 CO2压缩系统的主要设备 4 往复式压缩机的结构优点 压力稳定 压力范围十分广泛 最高压力可达到350MPa 效率比较高 在一般压力范围内 10 100MPa 对材料没有特殊要求 可用一般金属材料制造 缺点 外形尺寸和重量较大 需要较大的基础 气体有脉冲性 易损零件较多 结构复杂 根据合成尿素工艺条件的要求 用往复式压缩机对CO2气体的压缩需经过四段压缩才能完成 右图所示为四段平衡式压缩机示意图 尿素生产工艺附属流程 二氧化碳压缩系统 一 CO2压缩系统的主要设备 往复式压缩机 运动机构 汽缸 机身 主轴 连杆 具有上下滑板的十字头 汽缸 填料箱 活塞杆 活塞 活塞环 尿素生产工艺附属流程 二氧化碳压缩系统 一 CO2压缩系统的主要设备 二 离心式压缩机1 离心式压缩机的结构 出口压力 15 27MPa 特点 流量大 供气均匀 运转平稳 调节方便 运转率高 易损件少 维修方便 且汽缸内无润滑油 气体不被油污染 投资省 占地少 应用场合 一般来说 离心式压缩机多用于低压 中压及流量大的场合 尿素生产工艺附属流程 二氧化碳压缩系统 一 CO2压缩系统的主要设备 尿素生产工艺附属流程 二氧化碳压缩系统 一 CO2压缩系统的主要设备 2 离心式压缩机工作过程 当蒸汽透平带动压缩机的主轴旋转时 装在主轴上的由若干个叶轮所组成的工作轮就随着一起旋转起来 进入叶轮的CO2气体在高速旋转的叶片作用下 从叶轮中心被抛向外缘 由于气体受到离心力的作用 对气体做功 而提高了气体的压力与气流速度 这就是说 叶轮的机械能变成了气体的静压能和动能 接着气体进入到安装在叶轮与叶轮之间形成的固定扩压器中 由于其流道面积不断增大 因而气体速度逐渐降低 这一部分动能又变成了静压能使气体压力又得到进一步提高 当CO2气体从叶轮中甩出时 在叶轮中心便形成了负压区 这样 轮外的CO2气体便可进入到叶轮中填补这一负压区 随着叶轮不断旋转 CO2气体在离心力作用下连续地被甩出去 同时轮外的CO2气体也就源源不断地进入叶轮 这样就保持了压缩机中CO2气体的连续流动 也正是由于CO2气体是按离心方向流动的 故称这种压缩CO2气体的机器为CO2离心压缩机 经过多段压缩后 气体的压力逐渐增高起来 通常在气体压缩到某一压力后 经蜗壳把扩压器后的气体或工作叶轮后面的气体汇集起来 引到压缩机外面 通过冷却器冷却后 又进入缸内进行下一级的压缩 使气体的压力最终达到所需的高压 一般来说 叶轮的转速越大 气体得到的能量也就越多 压力的增加也就越高 所以离心式压缩机都选用较高的转速 尿素生产工艺附属流程 二氧化碳压缩系统 二 CO2压缩系统的工艺流程 1 往复式二氧化碳压缩机工艺流程 尿素生产工艺附属流程 二氧化碳压缩系统 二 CO2压缩系统的工艺流程 2 离心式二氧化碳压缩机工艺流程 尿素生产工艺附属流程 二氧化碳压缩系统 三 CO2压缩系统的正常操作 一 往复式二氧化碳压缩机1 二氧化碳原料气中加氧量一般氧气的体积分数控制在0 8 左右 2 操作压力一段入口 0 103MPa 一段出口 0 265MPa 二段进口 0 265MPa 二段出口 1 30MPa 三段进口 1 14MPa 三段出口 4 472MPa 四段进口 4 472MPa 四段出口 14 0 14 5MPa 尿素生产工艺附属流程 二氧化碳压缩系统 三 CO2压缩系统的正常操作 3 操作温度一段入口约30 四段出口为120 各段填料温度不大于60 4 润滑油控制控制循环油压不小于0 25MPa 油温不大于40 油箱油位1 2 2 3 注油器油位2 3 注油量5 10滴 min 分离出来的油水应及时排放 5 冷却水控制控制总管进口水温度不大于32 进口水压不小于0 4MPa 冷却器排水温度不大于40 汽缸出水温度不小于50 尿素生产工艺附属流程 二氧化碳压缩系统 三 CO2压缩系统的正常操作 此外 压缩机操作工除了注视仪表盘上各项显示指标外 还必须定时对主机 附属设备 管道进行巡回检查 并通过看 听 摸 及时发现并处理隐患 对于主机 对于附属设备 加强电机的检查工作 尿素生产工艺附属流程 二氧化碳压缩系统 三 CO2压缩系统的正常操作 二 离心式二氧化碳压缩机正常操作时检查项目有 监视主蒸汽 抽汽及注汽的压力 温度和流量 还要检查排汽压力和温度及喷射器情况 检查表面冷凝器运行情况 一般冷凝运行不好 真空度就要下降 检查油压 油温 油箱油位要在液位计的1 2以上 油位