水溶液全循环法生产尿素工艺

职业技术学院论毕叶(设计)(冶金和化学工程系)主题：水溶液全循环尿素生产工艺专业应用化学技术班级级别西方人名的第一个字学校编号教师完成日期：2010年6月25日-2010年10月10日目录摘要1第一章概述21.1尿素2的理化性质和用途1.1.1尿素2的物理性质1.1.2尿素2的化学性质1.1.3尿素2的使用1.2尿素生产方法简介31.2.1水溶液全循环法41.2.2剥离方法41.3水溶液全循环和CO2汽提两种方法的比较41.3.1水溶液全循环尿素工艺的优缺点51 . 3 . 2 CO2汽提尿素工艺的优缺点61.3.3尿素6的发展前景和展望第二章水溶液全循环生产尿素的原理92.1化学反应92.2反应原理9第三章水溶液全循环法生产工艺流程113.1原材料的准备113.1.1氨113.1.2二氧化碳113.2尿素工艺流程图113.3原材料的净化和运输133 . 3 . 1 CO2脱硫和压缩原理133.3.2液氨的净化和运输133.4尿素的合成143.4.1由液氨和二氧化碳直接合成尿素143.4.2尿素14合成的理论基础3.5中压分解和吸收143.6低压分解和吸收153.7尿素溶液的蒸发和造粒15第四章物料平衡和热量平衡164.1物料平衡16数据采集164.1.2基本物料平衡164.2热平衡17数据收集4.2.2基本热平衡第五章尿素生产的工艺条件和主要设备195.1尿素生产的工艺条件195.1.1温度195.1.2氨碳比205.1.3水碳比205.1.4工作压力205.1.5反应时间215.2尿素生产的主要设备215.2.1脱硫塔215.2.2合成塔215.2.3高压混合塔235.2.4中压分解塔235.2.5中压分解和分离塔235.2.6中压吸收塔245.2.7氨冷凝器245.2.8低压分解精馏塔255.2.9第一氨基甲酸铵低压吸收冷凝器255.2.10冷凝器25用于低压吸收第二氨基甲酸铵致谢27参考文献28摘要由中国的基本国情决定，中国的农业发展将在今后很长一段时间内占据主导地位，化肥是农业中不可缺少的。尿素是氮肥中最重要的肥料品种。尿素占中国氮肥用量的60%以上。近年来，由于尿素产能过剩，加上成本上涨和出口限制，尿素生产旺季不景气，市场疲软，经济效益明显下降，行业亏损加剧。这种情况是影响氮肥工业发展的诸多因素综合作用的结果。这是氮肥行业从扩张高峰期进入加速优化调整期的重要标志。未来尿素的发展将进入一个全新的阶段。因此，本次毕业设计主要介绍尿素的生产原理、尿素的生产方法、尿素生产的工艺流程、尿素生产的主要设备以及相关的物料平衡和能量平衡。关键词：尿素；全周期；发展第一章概述1.1尿素的理化性质和用途1.1.1尿素的物理性质分子式为二氧化碳，分子量为60.06。一氧化碳(NH2)2为无色或白色针状或棒状晶体，工业或农业产品为白色微红固体颗粒，无气味。密度为1.335克/立方厘米。熔点132.7。1.1.2尿素的化学性质溶于水和酒精，不溶于乙醚和氯仿。它是微碱性的。它能与酸反应形成盐。它能水解。缩合反应可以在高温下进行，生成缩二脲、缩二脲和氰尿酸。加热至160分解生成氨气，同时转化为氰酸。因为这种物质存在于人的尿液中，所以被称为尿素。尿素含氮)46%的氮，是固体氮肥中含氮量最高的。尿素在酸、碱和酶的作用下(酸和碱需要加热)，可以水解生成氨和二氧化碳。加热至150160脱氨基缩二脲。如果迅速加热，氨将被除去并三聚成六元环化合物氰尿酸。(机理：首先脱氨基成异氰酸酯(HN=C=O)，然后三聚。)可以与乙酰氯或乙酸酐反应生成乙酰脲和双乙酰脲。在乙醇钠的作用下与丙二酸二乙酯反应生成丙二酰脲(又称巴比妥酸，因为它有一定的酸度)。在氨水等碱性催化剂的作用下，可与甲醛反应，缩聚成脲醛树脂。尿素与水合肼形成氨基脲2NH3 CO2NH2COONH4CO(NH2)2 H2O，易溶于水，20时105克可溶于100毫升水中，水溶液为中性。尿素产品有两种。结晶尿素为白色针状或棱柱形晶体，吸湿性强。颗粒尿素为半透明颗粒，粒径为1-2mm，外观光滑，吸湿性明显改善。20的临界吸湿点是相对湿度的80%，但在30时，临界吸湿点下降到72.5%。因此，应防止尿素在盛夏潮湿的气候中露天存放。目前，尿素生产中加入石蜡等疏水物质后，其吸湿性大大降低。1.1.3尿素的使用尿素被广泛使用，不仅作为肥料，也作为反刍动物的饲料和一些工业的原料。尿素是一种高浓度氮肥，是一种中性速效肥料。它也可以用来生产各种复合肥料。土壤中无有害物质残留，长期施用无副作用。畜牧业可以用作反刍动物的饲料。然而，当造粒过程中温度过高时，会产生少量缩二脲，也称为缩二脲，对作物有抑制作用。中国规定肥料中尿素缩二脲的含量应低于0.5%。当缩二脲含量超过1%时，不能用作种肥、苗肥和叶面肥，其他施用时期的尿素含量不应过多或过于集中。目前尿素中使用的固体氮肥含氮量最高。尿素的含氮量是硝酸铵的1.3倍、氯化铵的1.8倍、石灰氮的2.3倍和碳酸氢铵的2.6倍。尿素是一种很好的中性肥料，适用于各种土壤和各种作物。它不仅可以用作追肥，还可以用作基肥。可干施或湿施，也可施用于作物的根和叶。尿素在施用过程中不会在土壤中留下任何有害物质，释放出的二氧化碳会单独解释，这也促进了植物进行光照和活动。因此，长期施用尿素的土壤不会退化。尿素可用作单一肥料或与其它氮、磷、钾肥料如磷酸铵等混合(或复合)肥料。尿素与甲醛反应，也可制成脲醛长效肥料。颗粒尿素比其他氮肥具有更低的吸湿性和结块性，并且具有良好的稳定性。因此，运输、储存和施用过程中的氮损失较少。然而，尿素中的缩二脲具有抑制种子萌发和生长的作用。必须指出的是，含有过多缩二脲的尿素不能用作拌种肥料。用作饲料的尿素仅限于反刍动物的浓缩饲料。尽管尿素中的氮不是以蛋白质的形式存在，但由于胃液和碳水化合物长期作用产生蛋白质形式的氮，尿素可用作反刍动物的饲料。与蛋白质值相比，1kg尿素的含氮量等于2.6-2.8 kg蛋白质的含氮量，大约等于6kg豆饼或22-25 kg大麦的含氮量。尿素作为饲料的规格和用途有特殊要求，不能乱用，必须在饲喂前进行试验。在有机合成工业中，尿素主要用作合成塑料的原料，如脲醛树脂和有机玻璃。在制药工业中，纯尿素可用作利尿剂，氨基甲酸乙酯可用作药物原料，以及用作安眠药、镇静剂、止痛剂、麻醉剂、甜味剂等的原料。在石油工业中，尿素用于制造化学复合物，并在石油精炼过程中用作脱蜡剂。当尿素用于合成纤维时，合成纤维尼龙的原料。尿素也可用于纺织品的人工防皱和大麻纱线处理的柔软剂。尿素在国防工业中用作炸药的稳定剂。尿素在选择箱中用作发泡剂。尿素也用于制革、颜料、油漆、染料和其他生产过程。1.2尿素生产方法简介生产尿素有许多方法。自20世纪60年代以来，全循环方法在工业中得到广泛应用。最常用的方法是水溶液全循环法生产尿素和二氧化碳气体萃取法生产尿素。合成氨生产为NH3和CO2直接合成尿素提供了原料。由NH3和CO2合成尿素的总反应如下：2NH3 CO2CO2(NH2)2 H2O该反应是放热和可逆的，转化率通常为50- 70%。根据未反应物料的回收程度，尿素生产方法可分为三种：不回收、半回收和全回收。1.2.1水溶液全循环法自20世纪60年代以来，全循环方法在工业中得到广泛应用。全循环法是在减压下加热和分离氨和二氧化碳，它们不会转化为尿素。全部返回合成系统循环使用，原料氨利用率达到m图1-1全循环法尿素生产工艺流程图1.2.2剥离方法根据分离回收方法的不同，主要分为水溶液全循环法和气体萃取法。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、用水吸收后循环到合成系统中，生成甲基铵或碳酸铵水溶液。我国大多数尿素装置采用水溶液全循环法。气提是利用一定的气体在与合成压力相等的条件下分解甲基铵，并将分解产物返回合成系统的方法。根据气提的不同，可分为二氧化碳气提、氨气气提和变换气提。气提是全循环工艺的发展，具有热回收完全、氨和二氧化碳处理量少的优点。此外，它在简化工艺、回收热能和降低生产成本方面也优于水溶液全循环法。这是尿素生产发展的一个方向。本设计主要描述和说明水溶液全循环法的相关内容。1.3水溶液全循环和CO2汽提两种方法的比较1.3.1水溶液全循环尿素工艺的优缺点水溶液全循环尿素工艺生产装置中静态高压设备很少，只有尿素合成塔和液氨预热器为高压设备，其余为中压和低压设备。因此，尿素工艺生产装置的技术改造相对简单方便，增产潜力很大。氨-碳比被控制得相对较高，一般摩尔比约为4.0，并且工艺介质对生产设备的腐蚀相对较低。除尿素合成塔衬里采用尿素级316L材料外，其他设备和管道均可采用316L不锈钢或普通不锈钢，因此设备和管道材料低于二氧化碳汽提工艺。由于氨碳比控制较高，二氧化碳气体中氧含量控制较低，尿素合成塔操作压力为19.6MPa，操作温度为188 190，水溶液全循环尿素工艺的二氧化碳转化率较高，一般达到42% 68%，部分企业在尿素合成塔塔板改造后达到68%以上。由于该工艺中高压设备较少，高压系统的停车保压时间可达24小时，因此生产装置的中小型检修一般可在尿素合成塔允许的停车保压时间内完成，从而减少了高压系统的排放次数，降低了尿素的消耗。由于高氨碳比控制，中低压分解系统的温度得到适当控制，尿素产品质量更容易控制，一般可控制在优产品范围内。水溶液全循环尿素工艺生产装置的数量在中国目前的尿素生产中具有绝对优势。通过尿素企业与科研、设计、制造等单位的共同努力，以及实际生产经验的积累和总结，水溶液全循环尿素工艺生产单位从设计、建设、技术改造、工艺操作到综合生产管理都积累了相当丰富的经验，是我国最成熟的具有小氮肥企业特点的尿素工艺。但是，它存在以下缺点：水溶液全循环尿素工艺生产装置的工艺流程较长，操作调整不如CO2汽提尿素工艺简单方便。由于氨-碳摩尔比高，通常稳定在约4.0，未反应生成尿素的氨和二氧化碳气体全部通过低压和中压循环吸收系统回收，然后返回尿素合成塔。液氨泵和一级甲泵的输送比较大，因此该工艺中液氨泵和一级甲泵的数量较大，能耗较高。由于该工艺高压系统的运行压力高达19.6兆帕，一级铁水的工艺要求温度高达90左右，一级铁水泵和液氨泵的运行周期较短，维护时间较多，维护成本较高。由于CO2气体压缩机出口压力高达20.0兆帕，比CO2汽提法高5.0兆帕，因此其运行周期相对较短，维护工作量较多，维护成本较高。水溶液全循环尿素工艺的另一个缺点是，中国目前运行的大部分生产装置(改造后)年产量为(10 20) 104吨/年，一些生产厂家在双尿素反应器改造后年产量达到3010吨。最近，山东化工规划设计院还设计了一套水溶液全循环尿素装置，年产尿素300 40万吨。然而，单个装置的设计和生产能力远不如CO2汽提尿素工艺。1.3.2二氧化碳汽提尿素工艺的优缺点CO2汽提尿素生产装置的工艺流程相对较短，操作和调节相对简单方便。该方法的特征在于共沸物下的CO2摩尔比被用作操作控制的最佳指标。大部分未反应生成尿素的氨和二氧化碳继续在高压系统中反应生成尿素。低压部分只需回收一小部分氨和二氧化碳，液氨泵和甲醇泵的输送比小。因此，装置中液氨泵和甲基钱泵数量少，功耗小，工艺高压系统运行压力低，在13.5 14.5兆帕到14.5兆帕之间，使得液氨泵和甲基钱泵的运行周期更长。该工艺可回收高品位的溴甲烷反应热，除加热该系统外，还可留下少量富低压蒸汽供其它系统使用。CO2汽提尿素的另一个优点是生产装置的生产能力广，运行正常稳定。此外，荷兰Stumikaban公司近年来对该工艺进行了大量的研究工作，并开发了单套装置年产100吨尿素的尿素池冷凝器技术。与传统的高压甲铁冷凝器不同，池式冷凝器可以提供一定的停留时间，使甲铁生成尿素的反应达到反应平衡的60% 80%，生产装置的生产能力可以在原设计能力的基础上增加一倍，尿素主框架的高度降低到40m以下