年产5万吨水溶液全循环法生产尿素工艺方案设计书

1、摘要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。关键词：尿素，全循环，发展，工艺流程一、概述（一）尿素的物理化学性质和用途1 .尿素的物理性质分子式：CO（NH2）2,分子量60.06,因最早由人类及哺乳动物的尿液中发现，故称尿素。纯净的尿素为无色、无味针状或棱柱

2、状晶体，含氮量为46.6%，工业尿素因含有杂质而呈白色或浅黄色，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132.7C。超过熔点则分解。尿素较易吸湿，贮存要注意防潮。 尿素易溶于水和液氨，其溶解度随温度升高而增大。2. 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160C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

3、不稳定，加热至150160C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）。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粒状尿素为粒径12毫米的半 透明粒子，外观光洁，吸湿性有明显改善。20C时临界吸湿点为相对湿度 80%，但30C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。3. 尿素的用途尿素是一种高浓度氮肥，属中性速效肥料，也可用来生产多种复合肥料。在

4、土 壤中不残留任何有害物质，长期施用没有不良影响，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是有机态氮肥，经过土壤中的脲酶作用，水解成碳酸铵或碳酸氢铵后，才 能被作物吸收利用。因此，尿素要在作物的需肥期前48天施用。尿素是目前使用的含氮量最高的化肥。尿素属中性速效肥料，长期施用不会使土壤发生板结。其分 解释放出的C02也可被作物吸收，促进植物的光合作用。在土壤中，尿素能增进磷、 钾、镁和钙的有效性，且施入土壤后无残存废物。(二) 尿素

5、的生产方法简介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C02直接合成尿素提供了原料。由 NH3和C02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 5070%。因 此从合成塔出来的尿素溶液中除了尿素外，还有氮和甲铵。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。依气提介质的不同，分别称为二氧化碳气提法、氨气提法、变换气气提法。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。按气

6、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。1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所示。二氧化减氯与二七碳回收过涯图1水溶液全循环法生产尿素工艺流程图（三）两种方法的比较1水溶液全循环尿素工艺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

7、循环返回合成系统。我国尿素厂多数采用水溶液全循环 法。2. CO 2汽提法尿素工艺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。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。3 两种工艺的比较优点；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，其它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。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

8、,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。水溶液 全循环尿素工艺可靠、设备材料要求不高、投资较低。CO2气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。能耗低、生产费用低。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。缺点：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 C02气提法生产尿素工艺简单、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

9、到尿素合成塔，液氨泵和一段甲铵泵的输送量比较多，所以该工艺 中液氨泵和一段甲铵泵的台数较多，动力消耗较多。CO2气提法生产尿素工艺装置的静止高压设备较多，有尿素合成塔、高压二氧 化碳气提塔、高压甲铵冷凝器、高压洗涤器四大主要设备，它们是CO2气提法尿素工艺生产装置的核心，其它均为低压设备，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。高压二氧化碳气提塔加热需要的蒸汽品质较高，为 2.5MPa,不如水溶液全循环尿素需用的蒸汽压力低。4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；在1935年开始制造固

10、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、C02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。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 乙。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

11、Savin)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。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。本设计主要叙述水溶液全循环法的有关内容。、水溶液全循环法生产尿素的原理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。（一）反应原理生产尿素的原料是氨和二氧化碳，后者是合成氨厂的副产品。尿素合成反应分 两步进行：氨与二氧化碳作用生成氨基甲酸铵 （简称甲铵）:甲铵脱水生成尿

12、素， 其反应式为：2NH3+CO2 NH2COONH4+159.47kJNH2COONH4 CO（NH2）2+H2O-28.49kJ式是快速、强放热反应，且平衡转化率高。式是慢速微吸热的可逆反应，且需要在液相中进行。当温度为170190C时，氨与二氧化碳的摩尔比为 2.0,压力高到足以使反应物 得以保持液态时，甲铵转化成尿素的转化率（以CO2计）为50%;其反应速率随温度 的提高而增大。当温度不变时，转化率随压力的升高而增大，转化率达到一定值后， 继续提高压力，不再有明显增大，此时，几乎全部反应混合物都以液态存在。提高氨与二氧化碳的摩尔比，可增大二氧化碳的转化率，降低氨的转化率。在 实际生产过

13、程中，由于氨的回收比二氧化碳容易，因此都采用氨过量，一般氨与二 氧化碳的摩尔比3反应物料中水的存在将降低转化率，在工业设计中要把循环物 料中的水量降低到最小限度。增加反应物料的停留时间能提高转化率，但并不经济。 典型的工艺操作条件是温度 180200C、压力13.824.6MPa氨与二氧化碳摩尔比 2.84.5反应物料停留时间2540min。（二）反应机理1. 尿素合成的基本原理液氨和二氧化碳直接合成尿素的总反应为：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：

14、2NH3+CO2 NH2COONH4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. 反应速度从生成尿素的反应机理可知甲铵脱水是反应的控制阶段，但甲铵脱水反应在气 相中不能进行，在固相中反应速率较慢，而在液相中反应速率较快，故甲铵脱水生 成尿素的反应必须在液相中进行。因此决定反应速率的因素有两个：氨和二氧化碳由气相进入液相的速率液 相中甲铵脱水的速率。三、水溶液全循环法的生产工艺流程(

15、一) 尿素的合成1. 液氨和二氧化碳直接合成尿素总反应为：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，客易达到平衡，且此反应二氧化碳的平衡转化率很高.0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，平衡转化率一般为50%70%，并且反应的速率也较缓慢，是尿素合成中的控制速率的反应。2. 合成尿素的理论

16、基础在一定条件，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。3. 尿素的工艺流程图（1）水溶液全循环法合成尿素工艺流程水溶液全循环法合成尿素工艺流程图如图 2,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，在进入尿素合成塔，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

17、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。分离出来的尿液经减 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， 经造粒喷头撒成尿粒，在塔低得到成品尿素。图2水溶液全循环法合成尿素示意流程图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-

18、低压循环分离器；9-闪蒸槽；10-尿素贮槽；11-尿素溶液泵；12-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，进入回收系统。回收的氨与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）合成尿素工艺流程水溶液全循环法合成尿素工艺流程简图如图3,由造气炉产生的半水煤气脱碳后，其中大部分的二氧化碳由脱碳液吸收、解吸后，经油水分离器，除去二

19、氧化碳 气体中携带的脱碳液，进入二氧化碳压缩机系统，由压缩机出来的二氧化碳气体压 力达到16 kg后进入尿素合成塔。从合成氨车间氨库来的液氨进入氨储罐， 经过氨升 压泵加压进入高压液氨泵，加压至 20kg左右，经过预热后进入甲铵喷射器作为推动 液，将来自甲铵分离器的甲铵溶液增压后混合一起进入尿素合成塔。尿素合成塔内 温度为186190C，压力为200kg左右,NH 3/ CO2的摩尔比和H2O/CO2的摩尔比控制 在一定的范围内。合成后的气液混合物进入一段分解，进行气液分离，将分离气相 后的尿液送入二段分解，进一步见混合物中的气相除去。净化后的尿液依次进入闪 蒸槽、一段蒸发、二段蒸发浓缩，最后

20、得到尿素熔融物，用刮料泵输送到尿素造粒 塔喷洒器，经在空气中沉降冷却固化成粒状尿素，并通过尿素塔底机用运输皮带送 往储存包装车间。图3水溶液全循环法生产尿素工艺流程简图从一段分解、二段分解出来的气相含有未反应的氨和二氧化碳，分别进入一段 吸收和二段吸收，氨和二氧化碳被后面闪蒸、一段蒸发、二段蒸发工段冷凝下来的 冷凝水吸收混合形成水溶液，用泵送入尿素合成塔；一段吸收后剩余的气体进入惰 洗器稀释后，与二段吸收的残余气体混合进入尾气吸收塔，与一段蒸发、二段蒸发 工段气相冷凝除去水后残余的气体混合后放空。（二）原料的准备合成尿素的主要原料是液氨和气体二氧化碳，二者分别是合成氨厂的主副产品， 所以合成氨

21、和尿素生产装置设在一起，联合生产。1. 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 777C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C132.4临界压力（绝压）/ MPa11.15临界比容/ （irkg）4.26密度（气体在标准状态下）/（哑/）760尿素生产对液氨质量的要求其质量分数为：氨99.5%，水V 0.5%，油V 10mg/kg。2. 二氧化碳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7.29M

22、Pa,临界温度为31C， 临界密度为0.486g / Cm标准状态下气体密度为1.997g /液体的密度为0.9248g / Cm 沸点为56.2C，熔点为78.48C .尿素生产对原料二氧化碳气的要求为：CO2含量98.5% （体积分数）H2S含量V 15mg/m3。（三）原料的净化与输送（1）二氧化碳脱硫与压缩原理a脱硫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

23、放在其后。其流程图如图4。就淀魅环苒生池凤机烟囱氧化碳脱硫原理图b.压缩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.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。液氨缓冲槽设有控制阀可自动控调节， 并在控制盘上设有液氨缓冲槽的高

24、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4555C，高压液氨经预热后送入高 压混合器，然后进入尿素合成塔。（二）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120C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。（三）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

25、后，得到温度为95C、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，即投资较少，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（140C） 一尿素粒子（140r ）-尿素粒子（60C ）。四、生产尿素的工艺条件保证产品质量并取得较好的技术

26、经济效益，在生产过程中需严格控制各项艺条件，生产尿素的主要工艺条件如下。（一）温度的影响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10C，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1反应温度与二氧化碳转化率的关系反应温度/r170180190转化率/%606067.5备注：氨碳比NH3：CO2=4,水碳比H2O:CO2=0.6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185200E出现

27、最大值，即最高平衡转化率。温度继续升高，平衡转化率下降。O个 H20/C0i 0.365nn-I_IiiI170 IM lift2温度M图5温度与转化率的关系（二）氨碳比（摩尔比）或过量氨的影响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

28、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 3.54.5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 2.82.9。（二）水碳比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

29、导致尿素平衡转化率下降。表2水碳比与尿素平衡转化率的关系H2O： CO20.30.50.70.91.1尿素平衡转69.068.667.465.864.0化率备注：在20MPa，摩尔比NH/CO2=4.51水溶液全循环法中，水碳比一般控制在 0.71.2; 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0.30.4之间。（四）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

30、，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190C和NH3： CO2等于4时，相应的平衡压力 为1820MPa左右。对于 CO2气提法操作压力为1314MPa。（五）反应时间在一定条件下，甲铵生成反应速率极快，且反应比较完全；但甲铵脱水反应速 率很慢，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

31、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 5060 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 4050 min左右，其转化率约为53%。（六）惰性气体的影响CO2原料气中，通常含少量的 N2、H2和O2等杂质，称为惰性气体，它使 CO2 的浓度降低，将导致尿素转化率的下降。在 CO2气体浓度86%100%范围内，惰性 气体含量每增加1%，合成转化率约降低0.6%。此外，H2，O2等还可能导致尾气发 生燃烧爆炸，影响安全生产。工业生产中，原料CO2气浓度要求98% （体积），愈纯愈好。五、生产尿素的主要设备（一）脱硫塔该塔为

32、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6。（二）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

33、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7。图7套筒式合成塔结构简图（三）中压分解加热器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，中压分解加热器如图8图8

34、中压分解加热器1-尿素合成反应液进口； 2-中压分解气液出口； 3-加热蒸汽进口； 4-冷凝液出口；5, 6-放气阀；7-压力表接管（四）中压分解分离器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9口图9旋风分离器（五）氨冷凝器氨冷却器的作用是将中压吸收塔塔顶排出的气体氨冷凝成液氨。该设备为卧式列管式热交换器，用碳钢制成。水在管内流动，气氨由冷凝器接管1进入，管见内装折

35、流板15块，气体沿管间曲折通过，冷凝的液氨向下流动。接管7进入液氨缓冲槽。为了将气氨充分冷凝下来，通常串联两个氨冷却器，第一氨冷凝器中未冷凝的气体从 体从接管2排出进入第二氨冷凝器。冷却水与气氨逆向流动。从第二氨冷凝器来的冷 却水由接口 3进入第一冷凝器后，再经出口接管4排出。冷凝器通冷却水前必须将排 气阀5打开，保证冷却水充满列管，提高冷凝效果，其结构图如图10。图10氨冷凝器结构简图1-人孔盖；2-人孔短节；3-球形封头；4-管箱；5-隔板；6-管板；7-换热管；8-低压壳体;9-折流板；10-支撑板（六）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是立式不锈钢列管换热器，它的

36、主要作用是把低压分解气及解吸塔来的解吸气冷凝和吸收为稀的氨基甲酸铵，其结构简图如图11。1234A B图11低压吸收第一氨基甲酸铵冷凝器1-上管箱；2-上管板；3-出水口； 4-壳体；5-换热；6-膨胀节；7-下管板;8-入水口； 9-排气口（七）氨吸收塔吸收塔是一立式填料塔，它的主要作用是吸收高、低压循环系统尾气中的氨气,其结构如图12。六、物料衡算和热量衡算（一）物料衡算年产5万吨水溶液全循环法生产尿素，进料量中 NH3 60%, CO230%，氨基甲铵 10%。（1）计算范围以反应器为计算范围，如图13所示液氨CO氨基甲酸铵液液氨氨基甲酸铵尿素COH2O图13尿素物料衡算示意图2NH3+

37、CO2T CO(NH2)2+H2O(2) 反应式为总反应方程式：分步反应方程式：2NH3+CO2T NH2COONH4+159.47kJNH2COONH4T CO(NH2)2+H2O-28.49kJ(3) 计算任务 原料消耗量和产物生成量。选择数据 尿素回收率60%; NH3的转化率80%;纯循环氨基甲铵90%; CO2 的转化率80%;循环氨基甲铵转化率100%。(5) 计算过程生成尿素的物质的量为5 10460% 17=4900 kmol=294000 kg生成水的物质的量为 4900kmol=88200kg纯循环氨基甲铵的物质的量为 4900kmol =382200kg 4900原料中循

38、环氨基甲铵的物质的量为 =5444.4 kmol=424663.2 kg90%原料的物质的量为4900=54444.4 kmol90% 0%进料中 NH3的物质的量为 490000%=32666.7kmol=555333.9kg90% 0%进料中 CO2 的物质的量为一4900 X10%=16333.3kmol=718665.2kg90% 0%出料中 NH3的物质的量为 490000%(1-80%)=6533.34kmol =111066.78kg90% 0%出料中 CO2 的物质的量为X30%(1 - 80%)=3266.66kmol =143733.04kg(6)列物料衡算表见表3。表3物

39、料衡算表物料名称相对分输入输出子质量质量/ kg物质的量质量/ kg物质的量/ kmolkmolNH317555333.932666.7111066.786533.34CO244718665.216333.3143733.043266.66NH2COONH478424663.25444.41273997.416333.3CO(NH2)2602940004900H2计1698662.354444.41910997.2235933.3(二)热量衡算出料中环氨基甲铵的物质的量为30%=16333.3kmol=1273997.4kg年产5万吨水溶液全循环法合成尿素中第一反应器

40、的物料衡算数据作热量衡算(1) 计算任务 输入热量和输出热量。(2) 选择数据 298K标准生成热如下：H m(CO2)=93.51kJ/mol; AH rn (H2O) = 285.838 kJ/molH 0m(NH3)= -6.19 kJ/mol;(CO(NH2)2)= 4333.19 kJ/molAfH 0m ( NH2COONH4) =2.92 kJ/mol表4 各物料的定压热容(298K时的C 0p,m)物料名称C 0p,mJ/(mol.K)NH335.65CO237.12NH2COONH469.37CO(NH2)26.75H2O33.57根据Cp,m=a+bT+cT或Cp,m=a+bT+ T计算初始温度为 25C升到180C时的Cp,m，热损失为反应放热量的10%。352Cp,m(CO2)=44.14+9.04 W3 X453-8.54 X0 詔532=40951643=4.1 X0 kJ/(mol.K)Cp,m(NH 3)=26.79+25.48 1 疋X453+(-.665) 45324=1.15 X04kJ/(mol.K)Cp,m (H2O) =30.12+11.3 W3X4533=5.12 X03kJ/(mol.K)(3) 计算过程 298K反应热效应： rHm)=