水溶液全循环法生产尿素工艺0803

济源职业技术学院济源职业技术学院 毕毕 业业 论论 文 设文 设 计 计 冶金化工系 冶金化工系 题题 目目 年产年产 10 万吨水溶液全循环方法万吨水溶液全循环方法 生产尿素工艺设计生产尿素工艺设计 专专 业业 应用化工技术应用化工技术 班班 级级 化工化工 0803 姓姓 名名 苏雷苏雷 学学 号号 指导教师指导教师 苏小莉苏小莉 完成日期完成日期 2010 年年 6 月月 25 日日 2010 年年 10 月月 10 日日 济源职业技术学院毕业设计 论文 I 目录 摘摘 要要 1 第一章第一章 概述概述 2 1 1 尿素生产意义尿素生产意义 2 1 21 2 尿素的生产方法尿素的生产方法 2 1 2 11 2 1 水溶液全循环法水溶液全循环法 2 1 2 21 2 2 汽提法汽提法 3 1 31 3 水溶液全循环法和水溶液全循环法和 COCO2 2汽提法两种方法的比较汽提法两种方法的比较 3 1 3 11 3 1 水溶液全循环尿素工艺的优 缺点水溶液全循环尿素工艺的优 缺点 3 1 3 21 3 2 C0C02 2汽提法尿素工艺的优 缺点汽提法尿素工艺的优 缺点 4 1 41 4 尿素的发展前景与展望尿素的发展前景与展望 5 第二章第二章 水溶液全循环法生产尿素水溶液全循环法生产尿素 7 2 12 1 尿素的物理化学性质和用途尿素的物理化学性质和用途 7 2 1 12 1 1 尿素的物理性质尿素的物理性质 7 2 1 22 1 2 尿素的化学性质尿素的化学性质 7 2 1 32 1 3 尿素的用途尿素的用途 7 2 22 2 尿素的生产原理尿素的生产原理 8 2 2 1 12 2 1 1 氨氨 8 2 2 1 22 2 1 2 二氧化碳二氧化碳 9 2 32 3 尿素的工艺流程尿素的工艺流程 9 2 3 12 3 1 尿素的工艺流程图尿素的工艺流程图 10 2 3 22 3 2 原料的净化与输送原料的净化与输送 11 2 3 2 12 3 2 1 二氧化碳脱硫与压缩原理二氧化碳脱硫与压缩原理 11 2 3 2 22 3 2 2 液氨的净化与输送液氨的净化与输送 11 2 3 32 3 3 尿素的合成尿素的合成 12 2 3 42 3 4 中压分解与吸收中压分解与吸收 12 2 3 52 3 5 低压分解与吸收低压分解与吸收 12 2 3 62 3 6 尿素溶液的蒸发与造粒尿素溶液的蒸发与造粒 13 第三章第三章 物料衡算和热量衡算物料衡算和热量衡算 13 3 13 1 物料衡算物料衡算 13 3 1 13 1 1 数据采集数据采集 14 3 1 23 1 2 基本物料衡算基本物料衡算 14 3 23 2 热量衡算热量衡算 15 3 2 13 2 1 数据采集数据采集 15 3 2 23 2 2 基本热量衡算基本热量衡算 15 第四章第四章 生产尿素的工艺条件及主要设备生产尿素的工艺条件及主要设备 16 济源职业技术学院毕业设计 论文 II 4 14 1 生产尿素的工艺条件生产尿素的工艺条件 17 4 1 14 1 1 温度温度 17 4 1 24 1 2 氨碳比氨碳比 17 4 1 34 1 3 水碳比水碳比 18 4 1 44 1 4 操作压力操作压力 18 4 1 54 1 5 反应时间反应时间 18 4 24 2 生产尿素的主要设备生产尿素的主要设备 19 4 2 14 2 1 脱硫塔脱硫塔 19 4 2 24 2 2 合成塔合成塔 19 4 2 34 2 3 高压混合塔高压混合塔 20 4 2 44 2 4 中压分解加热塔中压分解加热塔 21 4 2 54 2 5 中压分解分离塔中压分解分离塔 21 4 2 64 2 6 中压吸收塔中压吸收塔 21 4 2 74 2 7 氨冷凝器氨冷凝器 22 4 2 84 2 8 低压分解精馏塔低压分解精馏塔 23 4 2 94 2 9 低压吸收第一氨基甲酸铵冷凝器低压吸收第一氨基甲酸铵冷凝器 23 4 2 104 2 10 低压吸收第二氨基甲酸铵冷凝器低压吸收第二氨基甲酸铵冷凝器 23 致谢致谢 25 参考文献参考文献 26 济源职业技术学院毕业设计 论文 1 摘 要 氮肥工业是国民经济中的重要行业 尿素是氮肥中最主要的化肥品种 尿素占 我国氮肥使用量的 60 以上 2007 年以来 由于尿素产能过剩 加之成本上升 出 口受限 导致尿素生产旺季不旺 市场疲软 经济效益明显下降 行业亏损加剧 这种状况是影响氮肥工业发展多种因素共同作用的结果 是氮肥工业由扩张高峰期 进入加速优化调整时期的重要标志 将对氮肥工业的未来发展产生重要影响 需要 生产企业和国家有关政府部门给予充分重视 本文主要阐述水溶液全循环法生产尿素工艺 及生产流程的介绍 工艺条件 生产设备的选用等 关键词 尿素 全循环 发展 济源职业技术学院毕业设计 论文 2 第一章 概述 1 11 1 尿素生产意义尿素生产意义 农业是国民经济的基础 肥料是保证农业生产不可缺少的基本生产资料 建国 以来 党中央 国务院十分重视化学肥料的发展 投入了大量资金 建设了各种不 同类型的化学肥料厂 并制定相应扶植政策 有效地促进了化学肥料工业的持续发 展 在化学肥料的氮肥诸品种中 尿素的发展是比较晚的 但是自投入工业生产以 来 记得到迅速的发展 特别是六七十年代以来 尿素生产的速度和规模远超过任 何其他氮肥 目前 全世界尿素产量占氮肥总产量 以氮计 的 1 3 以上 跃居首 位 且还有继续增长的趋势 尿素工业化生产以来的百余年间 一直是肥料工业生 产的主要品种 由于具有生产工艺简单 生产操作易于掌握 生产设备容易制造 投资较省 施用后见效快 增产显著等特点 尿素在各种肥料新品种不断涌现的情 况下产销量仍持高不下 本设计介绍了尿素的性质 用途 生产方法和发展状况 详细描述了水溶液全 循环法生产尿素的工艺流程 重点介绍了尿素的工业生产的过程 并对单位质量参 加反应的原料进行物料衡算和热量衡算 以期获得低耗能 低污染 高产出的尿素 生产工艺 1 21 2 尿素的生产方法尿素的生产方法 生产尿素的方法有很多种 20 世纪 60 年代以来 全循环法在工业上获得普遍 采用 最常用的是水溶液全循环法生产尿素和二氧化碳气提法生产尿素 合成氨生产为 NH3和 CO2直接合成尿素提供了原料 由 NH3和 CO2合成尿素 的总反应为 2NH3 CO2 CO NH2 2 H2O 该反应是放热的可逆反应 转化率一般为 50 70 按未反应物的循环利用程 度 尿素生产方法可分为不循环法 半循环法和全循环法三种 1 2 11 2 1 水溶液全循环法水溶液全循环法 20 世纪 60 年代以来 全循环法在工业上获得普遍采用 全循环法是将未转化成尿素的氨和二氧化碳经减压加热和分离后 全部返回合 济源职业技术学院毕业设计 论文 3 成系统循环利用 原料氨利用率达 97 以上 全循环法尿素生产主要包括四个基本过程 氨和二氧化碳原料的供应及净化 氨和二氧化碳合成尿素 未反应物的分离与回收 尿素溶液的加工 其生产过程如图 1 1 所示 图 1 1 全循环法生产尿素的工艺流程简图 1 2 21 2 2 汽提法汽提法 依照分离回收方法的不同主要分为水溶液全循环法 气提法等 水溶液全循环 法是将未反应的氨和二氧化碳 经减压加热分解分离后 用水吸收生成甲铵或碳酸铵 水溶液再循环返回合成系统 我国尿素厂多数采用水溶液全循环法 气提法是利用某一气体在与合成等压的条件下分解甲铵并将分解物返回合成系 统的一种方法 按气提气体的不同又可分为二氧化碳气提法 氨气提法 变换气气 提法 气提法是全循环法的发展 具有热量回收完全 氨和二氧化碳处理量较少的 优点 此外 在简化流程 热能回收和减少生产费用筹方面也都优于水溶液全循环 法 是尿素生产发展的一种方向 本设计主要叙述讲解水溶液全循环法的有关内容 1 31 3 水溶液全循环法和水溶液全循环法和 COCO2 2汽提法两种方法的比较汽提法两种方法的比较 1 3 11 3 1 水溶液全循环尿素工艺的优 缺点水溶液全循环尿素工艺的优 缺点 水溶液全循环尿素工艺生产装置的静止高压设备较少 只有尿素合成塔及液氨 预热器为高压设备 其他均为中压和低压设备 所以该尿素工艺生产装置的技术改 造比较容易 方便 改造增产潜力较大 3 氨碳比控制的较高 一般摩尔比为 4 0 左右 工艺介质对生产装置的腐蚀性较低 除尿素合成塔衬里为尿素级 316L 材质外 济源职业技术学院毕业设计 论文 4 其他设备和管道使用 316L 不锈钢或普通不锈钢材质即可 所以对设备 管道用材料 相对于二氧化碳汽提工艺来说要低一些 由于氨碳比控制的较高 二氧化碳气体中 氧含量控制的较低 并且尿素合成塔操作压力为 19 6MPa 操作温度为 188 190 所以水溶液全循环尿素工艺的二氧化碳转化率较高 一般能达到 42 68 经过 尿素合成塔塔板的改造 有的企业已经达到 68 以上 由于该工艺高压设备较少 高压系统停车保压时间可以达到 24h 所以生产装置的中小检修一般可以在尿素合 成塔允许的停车保压时间内完成 减少了高压系统排放的次数 降低了尿素的消耗 由于氨碳比控制的较高 中低压分解系统温度控制适当 尿素产品质量较容易控制 一般可以控制在优级品范围内 水溶液全循环尿素工艺生产装置的数量在我国现阶 段尿素生产中占有绝对优势 经过该工艺尿素企业和科研 设计 制造等单位的共 同努力研究 探讨和生产实践经验的积累总结 水溶液全循环尿素工艺生产装置从 设计 建造 技术改造 工艺操作到生产综合管理都积累了相当丰富的经验 是具 有中国小氮肥企业特色的最成熟的尿素工艺 4 但其缺点是 水溶液全循环尿素工艺生产装置的工艺流程较长 在操作调节方 面不如 CO2汽提法尿素工艺简单 方便 由于氨碳摩尔比控制得较高 一般稳定在 4 0 左右 并且未反应生成尿素的氨和二氧化碳气体全部要经过低压 中压循环吸收 系统回收后再返回到尿素合成塔 液氨泵和一段甲按泵的输送量比较多 所以该工 艺中液氨泵和一段甲按泵的台数较多 动力消耗较多 由于该工艺高压系统的操作 压力高达 19 6 MPa 并且一段甲铁液的工艺要求温度高达 90 左右 所以一段甲钱 泵和液氨泵的运行周期较短 检修维护时间较多 维修费用较高 二氧化碳气体压 缩机由于出口压力高达 20 0MPa 比 CO2汽提法高 5 0MPa 故其运行周期也相对较 短 维修工作量较多 维修费用较高 水溶液全循环尿素工艺的另一个缺点就是 目前国内在运行的生产装置大多为年产 10 20 104t a 经过改造后的生产能力 也有个别厂家经过双尿素合成塔改造后达到了年产 30 10 吨 最近山东化工规划 设计院也设计了年产 30 40 万吨尿素的水溶液全循环尿素装置 但从单套装置的设 计生产能力来说 相对于 CO2汽提法尿素工艺生产装置还相差较远 1 3 21 3 2 C0C02 2汽提法尿素工艺的优 缺点汽提法尿素工艺的优 缺点 CO2汽提法尿素工艺生产装置的工艺流程较短 在操作调节方面比较简单 方 便 该工艺的特点是采用共沸物下的 CO NH2 2摩尔比为 2 89 作为操作控制最佳 指标进行操作 大部分未反应生成尿素的氨和二氧化碳在高压系统内循环继续反应 济源职业技术学院毕业设计 论文 5 生成尿素 只有较少部分的氨和二氧化碳需要在低压部分进行回收 液氨泵和甲钱 泵的输送量比较少 所以该装置中液氨泵和甲钱泵的台数较少 动力消耗较少 并 且该工艺高压系统的操作压力较低 为 13 5 14 5MPa 使液氨泵和甲按泵的运行 周期较长 维修费用较少 该工艺能够回收较高品位的甲按反应热 除本系统加热 使用外还可剩余少部分富裕低压蒸汽供外系统使用 CO2汽提法尿素的另一个优点 就是 生产装置的生产能力的范围较宽 运行都很正常稳定 并且荷兰斯塔米卡邦 公司最近几年又对该工艺进行了大量研究工作 开发出了单套装置年产 100 100t a 尿素的尿素池式冷凝器技术 与传统高压甲铁冷凝器不同的是 池式冷凝器可提供 一定的停留时间 使甲钱生成尿素的反应在此可达到反应平衡的 60 80 使生 产装置产能在原设计能力的基础上翻一番 并且尿素主框架高度降到 40m 以下 使 操作更加方便 动力消耗又有所降低 3 但其缺点 CO2汽提法尿素工艺生产装置的静止高压设备较多 有尿素合成塔 高压二氧化碳汽提塔 高压甲按冷凝器 高压洗涤器四大主要设备 它们是 CO2汽 提法尿素工艺生产装置的核心 其他均为低压设备 所以该尿素工艺生产装置的技 术改造比较困难 改造增产潜力较小 高压二氧化碳汽提塔加热需要的蒸汽品位较 高 为 2 5MPa 不如水溶液全循环尿素需用的蒸汽压力低 1 41 4 尿素的发展前景与展望尿素的发展前景与展望 尿素的合成是第一次用人工方法从无机物制得有机化合物 1773 年 Rouelle 在 蒸发人尿时第一次发现尿素 1824 年 Prout 通过分析得出尿素的实验式 1828 年 德国化学家 Wohler 在实验室以氰酸和氨制的尿素 1932 年美国杜邦公司用直接合 成法制取尿素氨水 在 1935 年开始制造固体尿素 之后又出现了制备尿素的其他方 法 包括光气与氨反应 CO2与氨反应 氰胺化钙水解等 由于种种原因 最终都 未能实现工业化 唯一成为当代尿素工业化基础的是由氨和二氧化塔合成尿素的反 应 1932 年 美国 DU Pont 公司用氨和 二氧化碳直接合成尿素并副产氨水 1935 年开始生产固体尿素并将未转化物循环回收 逐步形成全循环法工艺 20 世纪 50 年代世界各国推出多种溶液全循环工艺流程 类型有 热气循环法 悬浮液循环法 气体分离循环法 水溶液全循环法等 其中 仅水溶液全循环法地 成功获得了工业应用 未反应的氨和二氧化碳以气态形式与尿素水溶液分离后 用 水吸收为水溶液 再用泵送回系统 其工艺包括气液分离 液体吸收 气体冷凝几 济源职业技术学院毕业设计 论文 6 个步骤 当时工业化应用较成功的技术有美国 Chemico 法 Du Pont 法和瑞士的 Incenta 法 另外 法国 Pechiney 推出未反应物以不同溶剂选择性吸收循环流程 20 世纪 60 年代 尿素工业发展的特点是 其一 尿素装置趁于单系列大型化 装置能力达到 1000t a 1500t a 其二 气提法工艺被广泛采用 气提法是针对水溶 液全循环法的缺点而开发的一种工艺 其实质是在与合成反应相等压力条件下 利 用一种气体通过反应物系 同时伴有加热 是未反应的氨或二氧化碳被带出 因此 先后出现了二氧化碳气提法 由 Stamiearbon 开发 使尿素生产的能耗大为降低 氨气提法 由意大利 Snam Progetu 开发 1966 年建成第一个氨气提法尿素工厂 日本 Toyo Koatsu 全循环改良 C 法 合成压力高达 25MPa 温度为 200 转化率 72 和 D 法 美国的 UTI 热循环法 20 世纪 80 年代之后 二氧化碳气提法和氨气提法得到进一步改进 完善 同 时世界上著名的尿素公司还开发了其他的先进工艺 意大利的等压双循环工艺 Isobaric Double Recycle 简称 IDR 日本 TEC TMC 开发了降低成本和节能新 流程 ACES Advancde Process for Cost and Energy Saving 新工艺 瑞士 Amonnia Casale 开发了分级处理合成液的气提法分流工艺等 与原有二氧化碳气提 法相比 具有以下特点 一是采用了新型高效的塔盘 二是开发了卧式池式冷凝器 取代原立式高压冷凝器 三是降低了尿素主框架的高度 四是增设了二氧化碳脱氢 装置 使二氧化碳气中氢气体积分数由约 0 5 降到了 50 0 05 以下 确保尿素洗 涤系统安全运行 国内情况是我国尿素的年消耗量约在 3000 万吨 即使预计今后几年有所增长 大概也不会超过 3500 万吨 现有的生产能力已经快要达到 我国今后十年内生产尿 素都将过剩 济源职业技术学院毕业设计 论文 7 第二章 水溶液全循环法生产尿素 水溶液全循环法是将未反应的氨和二氧化碳 经减压加热分解分离后 用水吸收 生成甲铵或碳酸铵水溶液再循环返回合成系统 2 12 1 尿素的物理化学性质和用途尿素的物理化学性质和用途 2 1 12 1 1 尿素的物理性质尿素的物理性质 分子式为 CO NH2 2 分子量 60 06 CO NH2 2 为无色或白色针状或棒状 结晶体 工业或农业品为白色略带微红色固体颗粒无臭无味 密度 1 335g cm3 熔 点 132 7 2 1 22 1 2 尿素的化学性质尿素的化学性质 易溶于水 醇 不溶于乙醚 氯仿 呈微碱性 可与酸作用生成盐 有水解作 用 在高温下可进行缩合反应 生成缩二脲 缩三脲和三聚氰酸 加热至 160 分 解 产生氨气同时变为氰酸 因为在人尿中含有这种物质 所以取名尿素 尿素含 氮 N 46 是固体氮肥中含氮量最高的 尿素在酸 碱 酶作用下 酸 碱需 加热 能水解生成氨和二氧化碳 对热不稳定 加热至 150 160 将脱氨成缩二脲 若迅速加热将脱氨而三聚成六元环化合物三聚氰酸 机理 先脱氨生成异氰酸 HN C O 再三聚 与乙酰氯或乙酸酐作用可生成乙酰脲与二乙酰脲 在乙醇 钠作用下与丙二酸二乙酯反应生成丙二酰脲 又称巴比妥酸 因其有一定酸性 在 氨水等碱性催化剂作用下能与甲醛反应 缩聚成脲醛树脂 与水合肼生成氨基脲 2NH3 CO2 NH2COONH4 CO NH2 2 H2O 尿素易溶于水 在 20 时 100 毫升水 中可溶解 105 克 水溶液呈中性反应 尿素产品有两种 结晶尿素呈白色针状或棱 柱状晶形 吸湿性强 粒状尿素为粒径 1 2 毫米的半透明粒子 外观光洁 吸湿性 有明显改善 20 时临界吸湿点为相对湿度 80 但 30 时 临界吸湿点降至 72 5 故尿素要避免在盛夏潮湿气候下敞开存放 目前在尿素生产中加入石蜡等 疏水物质 其吸湿性大大下降 1 济源职业技术学院毕业设计 论文 8 2 1 32 1 3 尿素的用途尿素的用途 尿素的用途非常广泛 它不仅可以用作肥料 而且还可以用作反刍动物的饲料 以及某些工业的原料 尿素是一种高浓度氮肥 属中性速效肥料 也可用了生产多 种复合肥料 在土壤中不残留任何有害物质 长期施用没有不良影响 畜牧业可用 作反刍动物的饲料 但在造粒中温度过高会产生少量缩二脲 又称双缩脲 对作物 有抑制作用 我国规定肥料用尿素缩二脲含量应小于 0 5 缩二脲含量超过 1 时 不能做种肥 苗肥和叶面肥 其他施用期的尿素含量也不宜过多或过于集中 尿素 目前使用的固体氮化肥中含氮量最高的 尿素的含氮量是硝酸铵的 1 3 倍 为氯化 铵的 1 8 倍 为石灰氮的 2 3 倍 碳酸氢铵的 2 6 倍 尿素是一种良好的中性肥料 适用于各种土壤和各种农作物 它既可以作追肥 又可以作基肥 可以干施 又可 以湿施 对作物根部和叶面都可以施用 尿素在施用过程中 不会在土壤中留下任 何有害物质 而且分解释放出的二氧化碳 还促使植物进行光和作用 所以长期施 用尿素的土壤不会变质 尿素可以作为单一肥料使用 也可与其他氮 磷 钾肥料 组成混合 或复合 肥料施用 如尿素磷酸铵等 尿素与甲醛作用 还可制成脲醛 长效化肥 粒状尿素的吸湿性和结块性都比其他氮肥小 并具有良好的稳定性 因 此 在运输 贮存和施用过程中氮的损失都较少 但是 尿素中缩二脲具有抑制种 子发芽和生长的作用 施用时必须注意 含缩二脲过高的尿素不能作为拌种肥料 尿素用作饲料仅限于反刍类动物的精饲料 尿素中的氮虽不是蛋白质形态的 但和 碳水化合物一起经过胃液长时间的作用 可以造成蛋白质形态的氮 故可以作为反 刍动物的饲料 2 按蛋白质的价值来比较 1kg 尿素的氮量 等于 2 6 2 8kg 蛋白质 的含氮量 约等于 6kg 豆饼或 22 25kg 大麦的含氮量 作为饲料用的尿素规格和用 法有特殊的要求 不能乱用 而且饲喂前必须经过试验 在有机合成工业中 尿素 主要用作合成塑料的原料 如生产脲醛树脂和有机玻璃 在医药工业中 纯尿素可 用作利尿剂 生产制药原料氨基甲酸乙酯以及作为安眠药 镇静剂 止痛剂 麻醉 剂 甜味剂等的原料 在石油工业中 尿素用来制造化学络合物 用作石油精炼过 程的脱蜡剂 在合成纤维中尿素时一种合成纤维 尤纶的原料 尿素还可以用于 纺织品的人工防皱和作为处理麻纱的软化剂 国防工业上尿素用作炸药的稳定剂 在选框中尿素作为起泡剂 在制革及颜料 涂料 染料 等生产过程中 也都要使 用尿素 济源职业技术学院毕业设计 论文 9 2 22 2 尿素的生产原理尿素的生产原理 2 2 12 2 1 原料的准备原料的准备 1 氨氨 氨的性质 氨的分子式为 NH3 分子量为 17 03 在常温常压下是无色的具有特殊刺激性的 气体 在低温高压下可以液化 当温度低于 77 7 以下时 氨可以成为具有臭味 的无色结晶 其主要物理性质如下 临界温度 132 4 临界压力 绝压 MPa11 15 临界比容 m3 4 26 密度 气体在标准状态下 L 760 尿素生产对液氨质量的要求子式和尿素其质量分数为 氨 99 5 水 0 5 油 10 mg kg 2 二氧化碳 1 二氧化碳的性质 二氧化碳是无色气体 在一定条件下可以液化 在强烈冷却时可以变为固体 成为干冰 其分子式为 CO2 分子量为 44 其临界压力为 7 29MPa 临界温度为 31 临界密度为 0 486g cm3 标准状态下气体密度为 1 997g L 液体的密度为 0 9248g cm3 沸点为 56 2 熔点为 78 48 2 尿素生产对二氧化碳质量的要求 对原料二氧化碳气的要求为 CO2含量 98 5 体积分数 H2S 含量 15mg m3 2NH3 CO2 CO NH2 2 H2O 103 7kJ 这是一个可逆 放热 体积缩小的反应 反应在液相中是分两步进行的 首先 液氨和二氧化碳反应生成甲铵 故称其为甲铵生成反应 2NH3 CO2 NH2COONH4 济源职业技术学院毕业设计 论文 10 该步反应是一个可逆的体积缩小的强放热反应 在一定条件下 此反应速率很 快 客易达到平衡 且此反应二氧化碳的平衡转化率很高 然后是液态甲铵脱水生成尿素 称为甲铵脱水反应 NH2COONH4 CO NH2 2 H2O 此步反应是一个可逆的微吸热反应 平衡转化率一般为 50 70 此步反应 的速率也较缓慢 是尿素合成中的控制速率的反应 2 32 3 尿素的工艺流程尿素的工艺流程 2 3 12 3 1 尿素的工艺流程图尿素的工艺流程图 水溶液全循环法示意流程如图 3 1 所示 经过加压预热的原料液氨与经压缩后 的原料二氧化碳气及循环回收来的氨基甲酸铵液一并进入预反应器 在预反应器内 氨与二氧化碳反应生成氨基甲酸铵 再进入尿素合成塔 在塔内氨基甲酸铵脱水生 成尿素 尿素熔融物从塔顶出来进入预分离器 将氨基甲酸铵和氨进行分离 氨基 甲酸铵从预分离器底部出来进入中压循环加热器 用蒸汽间接加热使氨基甲酸铵分 解 然后进入中压分离器 分离出的尿液再减压进入精馏塔 进一步分解氨基甲酸 铵 精馏塔底出来的尿液进入低压循环加热器 用蒸汽加热进一步提高温度 促使 残余氨基甲酸铵分解 气 液在低压循环分离器内分离 分离出的尿液经减压至常 压后 进入闪蒸槽 经减压后尿液中的氨基甲酸铵和氨几乎全部清除 自闪蒸槽出 来的尿液进入尿液贮槽 用尿素溶液泵打入中压蒸发加热器及低压蒸发加热器 在 不同真空度下加热蒸发 气 液分别在中压蒸发分离器及低压蒸发分离器内分离 低压分离器出口尿液浓度达 99 7 质量 以上 用熔融尿素泵打入造粒塔 经造 粒喷头洒成尿粒 在塔底得到成品尿素 5 济源职业技术学院毕业设计 论文 11 图 3 1 水溶液全循环法生产尿素工艺流程图 1 预反应器 2 尿素合成塔 3 预分离器 4 中压循环加热器 5 中压循环分离器 6 精馏塔 7 低压循环加热器 8 低压循环分离器 9 闪蒸槽 10 尿液贮槽 11 尿 素溶液泵 12 一段蒸发加热器 13 一段蒸发分离器 14 二段蒸发加热器 15 二段 蒸发分离器 16 熔融尿素泵 17 造粒塔 预分离器 中压循环分离器 低压循环分离器及精馏塔顶部出来的氨和二氧化 碳气体 进入回收系统 回收的氨和二氧化碳以液氨或氨基甲酸铵的形式返回合成 系统循环使用 一段蒸发分离器 二段蒸发分离器及闪蒸槽出来的气体 大部分水蒸气和少量 的氨去冷凝 真空系统 回收残余氨后放空 2 3 22 3 2 原料的净化与输送原料的净化与输送 2 3 2 12 3 2 1 二氧化碳脱硫与压缩原理二氧化碳脱硫与压缩原理 1 原料二氧化碳是合成氨装置生产的副产物 其中含有极少量的硫化物 主要是硫化氢 为了减少硫化氢对尿素设备及管道的腐蚀 首先必须对其进行脱 硫 方法有干法和湿法 干法较常用 可以达到很高的净化度 但只有当空气中的 硫化氢含量较低时才能应用 1g m3 所以必须与湿法串联 干法放在其后 其流 程图如图 3 2 济源职业技术学院毕业设计 论文 12 图 3 2 二氧化碳脱硫原理图 2 有合成氨系统送来的二氧化碳气体 进入压缩机之前 在总管内与氧气 混合 加氧是为了防止合成 循环系统的设备腐蚀 氧气需要量约为二氧化碳总量 的 0 5 体积 二氧化碳通过一个带有水封的液滴分离器 用来除去二氧化碳气 体中的水滴以保护二氧化碳压缩机 在液滴分离器之前设有放空阀 当系统停车或 生产能力骤减时 由此放出一部分二氧化碳 2 3 2 22 3 2 2 液氨的净化与输送液氨的净化与输送 从合成氨装置内送来的 2 0MPa 表压下的液氨 通过氨过滤器除去杂质进入系 统 过滤后的液氨送入液氨缓冲槽的原料室中 液氨缓冲槽位有控制阀自控调节 并在控制盘上设有液氨缓冲槽的高低液位报警器 由中压循环系统来的液氨进入氨 循环槽的回流室 一部分作为中压塔的回流氨 多余的氨流过的溢流隔板进入原料 室 与新鲜原料混合 原料液氨与溢流氨汇合后从氨缓冲槽原料室进入高压氨泵 高压液氨进入合成塔之前 先经过预热器预热到 45 55 高压液氨经预热后送入高 压混合器 然后进入尿素合成塔 2 3 32 3 3 尿素的合成尿素的合成 总反应为 2NH3 CO2 CO NH2 2 H2O 103 7kJ 实际上反应是分两步进行 的 首先是氨与二氧化碳反应生成氨基甲酸铵 2NH3 CO2 NH2COONH4 159 47kJ 该步反应是一个可逆的体积缩小的强放热反应 在一定条件下 此反应速率很快 容易达到平衡 且此反应二氧化碳的平衡转化率 很高 然后是液态甲铵脱水生成尿素 称为甲铵脱水反应 NH2COONH4 CO NH2 2 H2O 28 49kJ 此步反应是一个可逆的微吸热反应 平 济源职业技术学院毕业设计 论文 13 衡转化率一般为 50 70 此步反应的速率也较缓慢 是尿素合成中的控制速率 的反应 在一定条件 氨基甲酸铵的生成速度是很快的 而氨基甲酸铵的脱水速度则很 慢 所以 在合成尿素的生产中 反应时间的长短和尿素合成产率的高低 直接与 氨基甲酸铵的脱水速度和尿素合成反应的平衡有关 2 3 42 3 4 中压分解与吸收中压分解与吸收 尿素合成过程中 进入合成塔的原来不可能全部转变为尿素 一般来说 约有 67 左右的二氧化碳和 34 的氨转变为尿素 其余的氨和二氧化碳则以氨基甲酸铵 游离二氧化碳和游离氨的形式存在于尿素合成液中 这部分物质必须和尿素分离后 作为原料重新循环使用 使原料氨和二氧化碳利用率分别达到 98 99 及 94 96 5 氨基甲酸铵 游离二氧化碳 游离氨与尿素分离 要采用减压加热法 包 括降低氨或二氧化碳分压而不降低其总压力 其原则是降低合成反应液平衡压使为 转化的氨基甲酸铵 游离氨和游离二氧化碳在分解设备内被分离成气相 然后进入 吸收设备 在一定工艺条件下 气相氨 二氧化碳重新冷凝或者被吸收生成液态氨 基甲酸铵 送回合成塔 2 3 52 3 5 低压分解与吸收低压分解与吸收 中压分解后的尿素溶液中未转化的氨基甲酸铵需要再一次减压后进入低压系统 在进行分解 实验测得数据表明 在 0 49MPa 表压以下及 120 以上时 分解后的 液相组成仅与温度 压力有关 而原始溶液总成无关 2 3 62 3 6 尿素溶液的蒸发与造粒尿素溶液的蒸发与造粒 尿素合成反应液经二次减压加热和闪蒸 将未反应物分离之后 得到温度为 95 浓度为 73 75 的尿素溶液 贮存于尿液贮槽 次尿液必须进一步浓缩 将含水量降到 0 3 然后造粒 才便于贮存和运输 尿素浓缩可以采用蒸发法 也 可以采用结晶法 从蒸发法得到熔融状尿素直接可以造粒 而结晶法得到固体结晶 尿素 仍须加热再熔融后进行造粒 这是由于结晶尿素易于吸潮结块 蒸发法制的 粒状尿素含缩二脲在 0 9 左右 而结晶法制的粒状尿素中缩二脲的含量可以降到 0 3 前者设备较少 基建投资较少 后者投资稍有增加 具体采用哪种方法依情况 而定 熔融尿素 140 尿素粒子 140 尿素粒子 60 6 济源职业技术学院毕业设计 论文 14 第三章 物料衡算和热量衡算 3 13 1 物料衡算物料衡算 3 1 13 1 1 数据采集数据采集 1 计算范围 以第一反应器为计算范围 如图 4 1 所示 2 年生产力 10 万吨尿素 3 年开工时数 8000h 10 104 103kg 8000h 12500kg h 以 1h 为基准 以下计算中 不再写 h 1 图 3 1 第一反应器 3 1 1 13 1 1 1 基础数据基础数据 进料气体的纯度 摩尔分数 氨 50 二氧化碳 40 甲铵 10 纯循环甲铵 的纯度 摩尔分数 80 甲铵的分解率 70 尿素的回收率 60 氨的转化率 60 二氧化碳的转化率 60 济源职业技术学院毕业设计 论文 15 3 1 1 23 1 1 2 反应方程式反应方程式 总反应方程式 2NH3 CO2 CO NH2 2 H2O 分步反应方程式 2NH3 CO2 NH2COONH4 159 47kJ NH2COONH4 CO NH2 2 H2O 28 49kJ 3 1 23 1 2 基本物料衡算基本物料衡算 第一反应器中生成的尿素的量 12500kg 60 20833 3kg 347 2kmol 第一反应器中生成的水的量 12500kg 60 20833 3kg 347 2kmol 6249 6kg 纯循环甲铵的量 12500kg 60 20833 3kg 347 2kmol 6249 6kg 循环甲铵的量 347 2kmol 80 70 620 0kmol 48360kg 进料中甲铵的量 620 0kmol 10 6200 0kmol kg 进料中氨的量 2 6200kmol 50 24800kmol kg 进料中二氧化碳的量 6200 0kmol 40 15500kmol kg 出料中氨的量 24800kmol 1 60 9920kmol kg 出料中二氧化碳的量 15500kmol 1 60 6200kmol kg 出料中甲铵的量 620 0kmol 347 2kmol 272 8kmol 21278 4kg 列物料衡算表 见表 3 2 表 3 2 年产 10 万吨的尿素生产物料衡算表 进反应系统 的原料组成 出反应系统 的原料组成 组分kmol 组分kmol NH3992028424NH39920 CO21550034716CO26200 NH2COONH46200 0H2O347 26249 6 NH2COONH4272 821278 4 CO NH2 2347 241820 总量总量 济源职业技术学院毕业设计 论文 16 3 23 2 热量衡算热量衡算 3 2 13 2 1 数据采集数据采集 1 298 15K 标准生成热如下 fHm CO NH2 2 113 085kJ mol fHm CO2 393 511 kJ mol fHm NH3 46 19kJ mol fHm NH2COONH4 326 42 kJ mol fHm H2O 241 825kJ mol 2 物料摩尔定压热容数据 见表 3 3 表 3 3 物料摩尔定压热容数据 摩尔定压热容 Cp m kJ mol K 1 摩尔定压热容 Cp m kJ mol K 1 物质 25 160 物质 25 160 NH335 6542 3CO237 1239 52 H2O33 834 1NH2COONH469 3773 42 CO N H2 2 80 50 反应混合气进口温度 25 反应温度和出口温度 160 3 2 23 2 2 基本热量衡算基本热量衡算 1 298 15K 反应热效应 rHm1 159 47kJ mol rHm2 28 49kJ mol Q放 24800Kmol 159 47 28 49 103kJ 3 25 106MJ 2 反应混合气带入热 Q带入 24800 35 65 15500 37 12 6200 69 37 25kJ 4 722 107kJ 4 722 104MJ 3 产物气带出热 济源职业技术学院毕业设计 论文 17 Q带出 9920 42 3 6200 39 52 347 2 34 1 272 8 73 42 347 2 80 50 160 25 kJ 7 25 105 135kJ 9 79 104MJ Q放 298 15 Q带入 Q带出 Q移出 Q移出 Q放 298 15 Q带入 Q带出 3 25 106MJ 4 722 104MJ 9 79 104MJ 3 20 106MJ 4 列热量衡算表 见表 3 4 表 3 4 年产 10 万吨尿素生产热量衡算表 输入输出 项目热量 MJ项目热量 MJ 反应气带入热4 722 104产物气带出热9 79 104 298 15K 反应放热3 25 106移出热3 20 106 总计3 30 106总计3 30 106 第四章 生产尿素的工艺条件及主要设备 4 14 1 生产尿素的工艺条件生产尿素的工艺条件 为保证产品质量并取得较好的技术经济效益 在生产过程中需严格控制各项工 艺条件 生产尿素的主要工艺条件如下 4 1 14 1 1 温度温度 尿素合成的控制反应是甲铵脱水 它是一个微吸热反应 故提高温度甲铵脱水 速度加快 温度每升高 10 反应速度约增加一倍 因此 从反应速率角度考虑 高温是有利的 由实验和热力学计算表明 平衡转化率开始时随温度升高而增大 若继续升温平衡转化率逐渐下降 表 4 1 反应温度与二氧化碳转化率的关系 反应温度 170180190 济源职业技术学院毕业设计 论文 18 转化率 606067 5 注 NH3 CO2 4 H2O CO2 0 6 图 4 1 温度与转化率的关系 这是因为高温时甲铵在液相中分解成氨和二氧化碳所造成 综合进行考虑 尿 素合成塔内部操作温度大致为 185 200 4 1 24 1 2 氨碳比氨碳比 氨碳比是指反应物料中 NH3 CO2的摩尔比 常用符号 a 表示 氨过量率 是 指原料中氨量超过化学反应式的理论量的摩尔百分数 两者是有联系的 如当原料 a 2 时氨过量率为 0 而 a 4 时 则氨过量率为 100 实验表明 NH3过量能提高尿素的转化率 因为过量的 NH3促使 CO2转化 同 时能与脱出的 H2O 结合成氨水 使水排除于反应之外 这就等于移去都分产物 也 促使平衡向生成尿素的方向移动 再者 过剩氨还会抑制甲铵的水解和尿素的缩合 等有害副反应 也有利于提高转化率 所以 过量氨增多 平衡转化率增大 故工 业上都采用氨过量操作 即氨碳比必须大于 2 一般水溶液全循环法氨碳比选择在 3 5 4 5 左右 CO2气提法尿素生产流程中 因设有高压甲铵冷凝器移走热量和副产蒸汽 不存在超温问题 而从相平衡及合成 系统压力考虑 其氨碳比选择在 2 8 2 9 4 1 34 1 3 水碳比水碳比 济源职业技术学院毕业设计 论文 19 水碳比是指合成塔进料中 H2O CO2的摩尔比 常用符号 b 来表示 水的来源有 两方面 一是尿素合成反应的产物 二是现有各种水溶液全循环法中 一定量的水 会随同未反应的 NH3和 CO2返回合成塔中 从平衡移动原理可知 水量增加 不利 于尿素的形成 它将导致尿素平衡转化率下降 表 4 2 水碳比的影响 H2O CO20 30 50 70 91 1 尿素平衡 转化率 69 068 667 465 864 0 水溶液全循环法中 水碳比一般控制在 0 7 1 2 CO2气提法中 气提分解气 在高压下冷凝 返回合成塔系统的水量较少 因此水碳比一般在 0 3 0 4 之间 4 1 44 1 4 操作压力操作压力 尿素合成总反应是一个体积减少的反应 因而提高压力对尿素合成有利 尿素 转化率随压力增加而增大 但合成压力也不能过高 因压力与尿素转化率的关系并 非直线关系 在足够的压力下 尿素转化率逐步趋于一个定值 压力再升高 转化 率增加很少 但同时压缩的动力消耗增大 生产成本提高 高压下甲铵对设备的腐 蚀也加剧 对于水溶液全循环法 当温度为 190 和 NH3 CO2等于 4 时 相应的平衡压力 为 18 20MPa 左右 对于 CO2气提法操作压力为 13 14MPa 4 1 54 1 5 反应时间反应时间 在一定条件下 甲铵生成反应速率极快 而且反应比较完全 但甲铵脱水反应 速率很慢 而且反应很不完全 所以尿素合成反应时间主要是指甲铵脱水生成尿素 反应时间 甲铵脱水速率随温度升高和氨碳比加大而加快 为了使甲铵脱水反应进 行得比较完全 就必须使物料在合成塔内有足够的停留时间 但是 反应时间过长 设备容积要相应增大 或生产能力下降 同时 甲铵的不稳定性增加 尿素缩合反 应加剧 且甲铵对设备的腐蚀也加剧 操作控制比较困难 对于水溶液全循环法 反应时间一般为 50 60 min 其 CO2转化率可达 62 64 对于二氧化碳气提法 反应时间一般为 40 50 min 左右 其转化率约 为 53 4 24 2 生产尿素的主要设备生产尿素的主要设备 济源职业技术学院毕业设计 论文 20 4 2 14 2 1 脱硫塔脱硫塔 该塔为圆柱形立式设备 其作用是在加压的条件下 2 0MPa 脱出二氧化碳 中的硫化氢 含硫化氢的二氧化碳气体 自上而下通过多层氢氧化铁脱硫剂 发生 脱硫反应 从塔的底部流出 为了提高脱硫效率 一般采用多塔并联和串联的组合 方式 由于脱硫反应是在常压和加压的条件下进行 故该设备外壳为 16MN 材质制 作 其结构示意图如图 4 3 4 2 24 2 2 合成塔合成塔 合成塔是尿素合成的关键设备之一 液氨与二氧化碳在塔内反应 最后生成尿 素 尿素合成塔在较高的压力下操作 因而应符合高压容器要求 工业生高压筒体 一般采用较大的高径比 尿素的合成是在较高温度下操作 外壳需要保温 保持热量不扩散 尿素的合 成反应需要一段时间 所以塔内需要有足够的空间 反应中不需要外加催化剂和换 热装置 所以合成塔为空筒形式 有的内装有塔板 以防物料的返混 尿素合成反应液具有强烈的腐蚀作用 塔内壁采用耐腐蚀材料衬里 现在一般 用超低碳奥氏体不锈钢 高铬锰不锈钢或钛作为衬里或内套 外壳为整体锻造或多 层钢板卷焊制成的高压圆筒 顶盖于筒体的密封结构 也可以采用强制式的 目前 都采用强制式的 其结构图如图 4 4 济源职业技术学院毕业设计 论文 21 图 4 3 脱硫塔 图 4 4 套筒式合成塔 4 2 34 2 3 高压混合塔高压混合塔 高压混合塔为锻制圆筒体 有三部分总成 顶盖 底部 筒体 筒体外采用中 压蒸汽伴管保温 顶盖底盖与筒体材料相同 也是锻制而成 顶盖与出口管相连 济源职业技术学院毕业设计 论文 22 出口关上设有温度点 用以观察物料混合后的温度而判断进料的组分比例 底盖与 二氧化碳 氨 氨基甲酸铵溶液进口相连 进口管分布为二氧化碳与氨互成 180 氨基甲酸铵溶液管则与之互成 90 这种分布的混合均匀效果较好 底盖与支座相 连 支座用地脚螺栓固定在混凝土基础上 4 2 44 2 4 中压分解加热塔中压分解加热塔 中压分解加热器为立式列管换热器 壳体为碳钢 列管及顶 底盖为不锈钢 中压分解加热器的主要作用是将合成塔出口反应液中未反应的液态游离氨 二氧化 碳及氨基甲酸铵加热分解成气相氨与二氧化碳 4 2 54 2 5 中压分解分离塔中压分解分离塔 中压分解分离器为立式旋风分离装置 气体从切线方向有接管一进入器内 产 生离心力 液滴依靠重力而下沉 分离后的气体经喇叭形排气管通过不锈钢丝网除 沫层 从顶部出口管 3 排出 设置喇叭形排气管的目的是使气体中冷凝液沿着椎体 流向中间 防止冷凝液再被进口气体带走 其结构示意图如图 4 5 图 4 5 旋风分离器 4 2 64 2 6 中压吸收塔中压吸收塔 中压吸收塔是将中压分解气体氨和二氧化碳用来自低压吸收的稀氨基甲酸铵液 吸收下来 它是水溶液全循环工艺的关键设备之一 中压吸收塔一般为立式设备 济源职