水溶液全循环法制尿素中压系统工艺设计与优化

1、水溶液全循环法制尿素中压系统工艺设计与优化FullCycleoftheAqueousSolutionMethodforManufacturingUreainthePressureSystemProcessDesignandOptimization目录摘要L.AbstractH.第1章概述31.1 尿素的物理化学性质和用途31.2 尿素的生产方法简介4.1.3 两种方法的比较4.第2章水溶液全循环法生产尿素的原理72.1 反应原理7.2.2 反应机理7.第3章水溶液全循环法的生产工艺流程91.1 尿素的合成9.1.2 尿素的工艺流程图9.1.3 合成尿素工艺流程1.01.5 原料的净化与输送1.

2、21.6 尿素溶液的蒸发与造粒1.3第4章生产尿素的工艺条件151.7 温度的影响151.8 氨碳比（摩尔比）或过量氨的影响1.61.9 水碳比1.61.10 作压力171.11 应时间171.12 性气体的影响1.7第5章生产尿素的主要设备195. 1脱硫塔196. 2二氧化碳压缩机1.97. 3合成塔198. 4中压分解加热器1.95.5 中压分解分离器1.95.6 中压吸收器205.7 氨冷凝器205.8 氨吸收塔20第6章物料衡算和热量衡算216.1 物料衡算216.2 热量衡算29结论33致谢错误！未定义书签。参考文献34水溶液全循环法制尿素中压系统工艺设计与优化摘要：尿素工业化生产

3、以来的百余年问，一直是肥料工业生产的主要品种。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居高不下。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，重点介绍了尿素的中压系统工业生产的过程，操作压力的控制在1.6?1.8MPa左右；操作温度的控制90?95C；水碳比的控制在4.0;氨水、回流氨的控制进料中氨水浓度维持在90%?95%左右。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：尿素中压系统全循环

4、工艺流程FullcycleoftheaqueoussolutionmethodformanufacturingureainthepressuresystemprocessdesignandoptimizationAbstract:overahundredyearssincetheindustrialproductionofureahasbeenthemainvarietiesoftheindustrialproductionoffertilizer.Ithasthefollowingcharacteristics:theproductionprocessissimpleandproductio

5、noperationsareeasytobemasteredandproductionequipmentiseasytobemanufactured;Cheaperinvestment;appliedsoonaftertoseetheeffect;increasesignificantlyandsoon.Ureaproductionandsalesarestillhighinthecaseofemergingofnewvarietiesofallkindsoffertilizer.Thisdesignintroducesureathenature,purposes,methodsofprodu

6、ctionanddevelopment,Adetaileddescriptionoftheprocessflowoftheaqueoussolutionofthewholecycleofproductionofurea,Highlightstheprocessofindustrialproductionofureainthepressuresystem.Theoperatingpressureshouldbecontrolledinthe1.6MPato1.8MPa;operatingtemperatureshouldbecontrolledat90to95C;Theratioofwatera

7、ndcarbonratioshouldbecontrolledat4.0;Ammonia,returningcontroloftheammonia,theammoniaconcentrationinthefeedshouldbemaintainedat90%to95%.Andtheunitmasstoparticipateinthereactantmaterialbalancecalculationsandheatbalancecalculationsinordertoobtainalowenergyconsumption,lowpollution,high-yieldureaproducti

8、onprocess.Keywords:ureamediumvoltagesystemsfullcycleprocess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Roudle在蒸发人的尿液时第一次发现尿素；1824年Paxit®过分析得出尿素的实验式；1828年德国化学家Wohler在实验室以氟酸和氨制的尿素；1932年美国杜邦公司用直接合成法制取尿素氨水，在1935年开始制造同体尿素，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、氟胺化钙水解等，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

9、，美国DUPom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1。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。具工艺包括气液分离、液体吸收、气体冷凝几个步骤。当时工业化应用较成功的技术有美国Chemico法、DuPont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，

10、尿素工业发展的特点是：其一，尿素装置过于单系列大型化，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SnamProgetu开发），1966年建成第一个氨气提法尿素工厂；日本ToyoKoatsu全循环改良方法（合成压力高达25MPa,温度为200°C,转化率72%）和美国的UTI热循环法。20世纪80

11、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（IsobaricDoubleRecycle,简称IDR）;日本TEC/TMC开发了降低成本和节能新流程ACES（AdvancdeProcessforCostandEnergySaving新工艺；瑞士AmonniaCasale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2:一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%

12、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。本设计主要叙述水溶液全循环法中压系统的有关内容。第1章概述1.1 尿素的物理化学性质和用途1.1.1 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、无味针状或棱柱状晶体，含氮量为46.6%,工业尿素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同体颗粒无臭无味。密度1.335g/chri熔点132.7

13、C。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。1.1.2尿素的化学性质3易溶于水、醇，不溶于乙醴、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，生成缩二月尿、缩三月尿和三聚氟酸。加热至160°C分解，产生氨气同时变为氟酸。因为在人的尿液中含有这种物质，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。加热不稳定，加热至150-160C将脱氨成缩二月尿。若迅速加热将脱氨成三聚成六元环化合物三聚氟酸。（机理：先脱氨生成异氟酸（HN=C=O）,

14、再三聚。在氨水等碱性催化剂作用下能与甲醛反应，缩聚成月尿醛树脂。与水合肥生成氨基月尿2NH3+CO-NH2COONH4-CO（NH）2+H2O粒状尿素为粒径为2毫米的半透明粒子，外观光洁，吸湿性有明显改善。20°C时临界吸湿点为相对湿度80%,彳130°C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。1.1.3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月尿，又称双缩月尿，对作物有抑制作用。

15、我国规定肥料用尿素缩二月尿含量应小于0.5%缩二月尿含量超过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，经过土壤中的月尿酶作用，水解成碳酸钱或碳酸氢钱后，才能被作物吸收利用。因此，尿素要在作物的需肥期前4-8天施用。尿素是目前使用的氮量最高的化肥。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CO2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。1.2尿素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

16、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+CO2fCO(NH2)2+H2O该反应是放热的可逆反应，转化率一般为50-70%。因此从合成塔出来的尿素溶液中除了尿素外，还有氮和甲钱。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。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

17、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；氨和二氧化碳合成因素；未反应物的分离与回收；尿素溶液的加压。其生产过程如图1.1所示：图1.1水溶液全循环法生产尿素工艺流程图Figure1.1full-circulationwithwatersolutionproductionureaprocess1.3两种方法的比较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，用水吸收生成甲钱或碳酸钱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，水溶液全循环尿素

18、工艺生产装置高压设备较少，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。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，由于氨碳比控制得较高，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,所以水溶液全循环生产尿素工艺中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

19、成，减少了高压系统排放的次数，降低了尿素的消耗。由于氨碳比控制得较高，中低压分解系统温度控制适宜，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可靠、设备材料要求不高、投资较低。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气提法生产尿素工艺简单、方便。由于氨和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，液氨泵和一段甲钱泵的输送量比较多，所以该工艺中液氨泵和一段甲钱泵的台数较多，动力消耗较多。由于该工艺高压系统的操作压力高达19.6MPa,并且一段

20、甲钱液的工艺要求温度高达90C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）l记t/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30万吨，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法生产尿素的装置，但从单套装置的设计生产能力来说，相对CO2气提法生产尿素工艺的装置还相差较远。1.3.2CO2汽提法

21、尿素工艺的优、缺点气提法是利用某一气体在合成等压的条件下分解甲钱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等方面也都优于水溶液全循环法。它是尿素生产发展的一种方向C6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

22、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使液氨泵和甲钱泵的运行周期较长，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低压蒸汽供外系统使用。CO2气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100X00t/a尿素的尿素池式冷凝器技术。与传统高压甲钱冷凝器不同的是，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

23、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。缺点：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、高压甲钱冷凝器、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。第2章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，用水吸收生成甲钱或碳酸钱水溶液再循环返回合成系统。2.1 反应原理生产尿素的原料是氨和

24、二氧化碳，后者是合成氨厂的副产品5。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钱(简称甲钱)；甲钱脱水生成尿素，其反应式为：2NH3+CO2NH2COONH4+59.47kJ(2-1)NH2COONH4CO(NH2)2+H2O-28.49kJ(2-2)式(2-1)是快速、强放热反应，且平衡转化率高。式(2-2)是慢速微吸热的可逆反应，且需要在液相中进行。当温度为170-190°C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，甲钱转化成尿素的转化率为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

25、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180-200°C、压力13.8?24.6MPa氨与二氧化碳摩尔比2.8-4.5反应物料停留时间25-40min。2.2 反应机理2.2.1 尿素合成的基本原理氨与二氧化碳直接合成尿素的总反应为：2NH3+CO2-CO(N

26、H2)2+H2O-103.7kJo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钱，故称其为甲钱生成反应：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。然后是液态甲钱脱水生成尿素，称为甲钱脱水反应：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。2.2.2 反应速度从生成尿素的反应机理可知甲钱脱水是反应的控制阶段，但甲钱脱水反应在气相中不能进行，在同相中反应速率较慢，而在液相中反应速率较快，故甲钱

27、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钱脱水的速率。第3章水溶液全循环法的生产工艺流程3.1 尿素的合成3.1.1 液氨和二氧化碳直接合成尿素总反应为：2NH3+CO2CO(NH2)2+H2O-103.7kJ(3-1)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甲酸钱：2NH3+CO2NH2COONH4+159.47kJ(3-2)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。然后是液态甲钱脱水生成尿素，称为甲钱脱水反应：NH2COONH4CO(

28、NH2)2+H2O-28.49kJ(3-3)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。3.1.2 合成尿素的理论基础在一定条件，氨基甲酸钱的生成速度是很快的，而氨基甲酸钱的脱水速度则很慢。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，直接与氨基甲酸钱的脱水速度和尿素合成反应的平衡有关。3.2 尿素的工艺流程图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3-1,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钱液一并进入预反应器。在预反应器内氨与二氧化碳反应生

29、成氨基甲酸钱，在进入尿素合成塔，在塔内氨基甲酸钱脱水生成尿素。尿素熔融物从塔顶出来进入预分离器，将氨基甲酸钱和氨进行分离。氨基甲酸钱从预分离器底部出来进入中压循环加热器，用蒸汽加热进一步提高温度，促使残余氨基甲酸钱分解。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钱和氨几乎全部清除。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，在塔底得到成品尿素

30、6。去回收系统图3.1水溶液全循环法合成尿素示意流程图Figure3.1full-circulationwithwatersolutionforureasynthesisflowchart1-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-精储塔；7-低压循环加热器；8-低压循环分离器；9-闪蒸槽；10-尿素贮槽；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微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

31、氨基甲酸俊的形式返回合成系统循环使一段蒸发分离器、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。3.3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3-2,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，除去二氧化碳气体携带的脱碳液，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16MPa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20MPa左右，经过预热后进入甲俊喷射器作为推动液，将来自甲俊分离器的钱溶液增压后混合一起进入尿素合成塔。尿素合成塔

32、内温度为186?190°C,压力为200MPa左右，NH3/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，最后得到尿素熔融物，用刮料泵输送到尿素造粒塔喷洒器，图3.2水溶液全循环法生产尿素工艺流程简图Figure3.2full-circulationwithwatersolutionureaproductionprocessflowdiagram在空气中沉降冷却同化成粒状尿素，并通过尿素塔底机用运输皮带送往储存包装车

33、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。3.4 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，所以合成氨和尿素生产装置设在一起，联合生产703.4.1 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77.

34、7C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/（nrg）4.26密度（气体在标准状态下）/（mg/L）760尿素生产对液氨质量的要求其质量数氨99.5%,水0.5%,油10mg/kg。3.4.2 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同体，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0.486的1113,标准状态下气体密度为1.997外，液体的密度为0.9248的m3,沸点为56.2C,熔点为78.48C.尿素生产对原料二氧化碳气

35、的要求为：CO2含量98.5%（体积分数）H2s含量315mg/m。3.5 原料的净化与输送3.5.1 二氧化碳脱硫与压缩原理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（lg/m3）,所以必须与湿法串联，干法放在其后。其流程图如图3-3。风机Figure3.3carbondioxidedesulfurizationprinciplediagram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

36、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。3.5.2 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网。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

37、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°C,高压液氨经预热后送入高压混合器，然后进入尿素合成塔。3.6 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，而结晶法得到内体结晶尿素，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月尿在0.9%左

38、右，而结晶法制的粒状尿素中缩二月尿的含量可以降到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（140）一尿素粒子（140）一尿素粒子（60°C）。第4章生产尿素的工艺条件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温度的影响尿素合成的控制反应是甲俊脱水，它是一个微吸热反应，故提高温度甲俊脱水速度加快。温度每升高10°C,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。

39、表4.1反应温度与二氧化碳转化率的关系Table4.1reactiontemperatureandcarbondioxideconversionrelationship反应温度/C170180190转化率/%606067.5备注：氨碳比NH3:CO2=4,水碳比H2O:CO2=0.6这是因为高温时甲俊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°C出现最大值，即最高平衡转化率。温度继续升高，平衡转化率下降。转化率%H2O/CO2=0.3170180190200温度/T图4.1温度与转化率的关系Figure4.1temperatureand

40、conversionoftherelationship4.2 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50%,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，这就等于移去部分产物，也促使平衡向生成尿素的方向移动。再者，过剩氨还会抑制甲俊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

41、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俊冷凝器移走热量和副产蒸汽9,不存在超温问题，而从相平衡及合成系统压力考虑，其氨碳比选在2.8-2.9。4.3 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出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水碳比与尿素平衡转化率的关系Table4.2water,carbonwithureatha

42、ntherelationshipbetweenthebalanceconversionH2O:CO20.30.50.70.91.1尿素平衡转化率69.068.667.465.864.0备注：在20MPa,摩尔比NH3/CO2=4.5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。4.4 操作压力尿素合成总反应是一个体积减少的反应10,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

43、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，高压下甲俊对设备的腐蚀也加剧。对于水溶液全循环法，当温度为190°C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。4.5 反应时间在一定条件下，甲俊生成反应速率极快，且反应比较完全；但甲俊脱水反应速率很慢，且反应很不完全；所以尿素合成反应时间主要是指甲俊脱水生成尿素反应时间。甲俊脱水速率随温度升高和氨碳比加大而加快。为了使甲钱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，甲钱的不

44、稳定性增加，尿素缩合反应加剧且甲俊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?60min,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?50min左右，其转化率约为53%。4.6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%范网内，惰性气体含量每增加1%,合成转化率约降低0.6%。止匕外，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。第5章生产尿素的主要设备5

45、.1脱硫塔该塔为圆柱形立式设备，具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。5.2二氧化碳压缩机二氧化碳压缩机采用对置机体，机体由机身和四个滑道中体组成，常用优质灰铸铁铸造。二氧化碳压缩机中一、二、三段汽缸为双作用夹套式汽缸，用优质灰铸铁制成，夹套中流通冷却水，可以带走部分热量。四、五段汽缸为单作用夹汽缸，四段汽缸由铸铁制成，五段汽缸由锻钢制成，亦均通入冷却水冷却。为

46、了防止活塞于汽缸咬合，提高汽缸使用寿命，四、五段缸镶有铸铁缸套，其中间有一空隙引入压缩机三段进门气体，称为平衡段，用以平衡活塞力.5.3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，工业中的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110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，塔内壁采阳耐腐蚀材料衬里，现在一般用超低碳奥氏体不锈钢、

47、高铭钻不锈钢或钛作为衬里或内衮。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。5.4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钱加热分解成气相氨与二氧化碳。5.5 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，防止冷凝液再被进入气

48、体带走。5.6 中压吸收器中压吸收塔12是将中压分解气体氨和二氧化碳用来将低压吸收的稀氨基甲酸钱液吸收下来，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，分上下两段，下部为鼓泡段，其中有气体分布器和加热与冷却管束。上部是吸收段，也称精洗段。该段有的填环状填料，有的使用浮阀塔板1205.7 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，气氨由冷凝器接管进入，管内装折流板15块,气体沿管间曲折通过，冷凝的液氨向下流动。冷凝器通冷却水前必须将排气阀打开，保证冷却水充满列管，提高冷凝效果。5.8 氨吸收塔吸收塔是一

49、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。第6章物料衡算和热量衡算6.1 物料衡算计算基准：以一吨尿素为基准。成品规格：含氮量46%(折合尿素98.5%)其中未含缩二月尿含氮量，缩二月尿1.0%,水0.5%。尿素消耗定额：NH3：600kgCO2：785kg每吨成品尿素氨损失：600-985X2X17/6010X3X17/103=36.882kg每吨成品尿素二氧化碳损失：785985X44-60-10X2X44/103=54.123kg6.1.1 CO2压缩系统CO2中的组分：CO2(95.7%);N2(3.8%);O2(0.5%);Ph2o=0.0056CO2气体的五段入口

50、压力：7.944Mpa；温度：40°C。CO2气体的五段出口压力：20.595MPa；温度：125°C。计算进入二氧化碳压缩系统的干CO2气体量13：CO2:785kg=17.8409kmol02:17.84090<5/95.7=0.0932kmol=2.982kgN2:17.84093.8/95.7=0.7084kmol=19.836kg干CO2:mco2+ms+mN2=785+2.982+19.836=807.818kg=18.6425kmol二氧化碳带入水量：m干CO2XPH2OWP0Ph2O)=18.64250.0056/(0.1013-0.0056)=损失C

51、02量：C02：48.069kg；O2:0.182kg；N2:1.215kg；H2O:18.555kg压缩后C02气体量：CO2：mco2总mco2损=78548.069=736.93kg=17.7484kmolO2：mo2总mo2损=2.9820.182=2.8kg=0.0875kmolN2：mN2总一mN2损=19.8361.215=18.621kg=0.665kmol含水量：mH20总一mH20损=18.84818.555=0.293kg=0.0163kmol6.1.2 尿素合成塔NH3/CO2=4.1;H2O/CO2=0.65;压力：P=19.712;温度：t=188C;CO2转化率：

52、64%;循环回来的一段甲俊液：NH3/CO2=3.121;含尿素：4.598kg每吨成品尿素含尿素：985kg;含缩二月尿：10kg生成缩二月尿消耗尿素：10X2X60/103=11.65kg；水解及损失尿素：12.1kg所以出口尿素为:985+11.65+12.1=1008.75kg循环回来的甲俊液：1008.75M4/60>0.64=418.928kg尿素：4.598kg入塔液氨：1008.7541X7/60)0.64-505.161=1325.825kg原料氨消耗定额：600kg；损失氨：29.294kg入塔原料液氨：60029.294=570.706kg循环液氨：m入塔液氨一m入

53、塔原料液氨=1325.825-570.706=755.119kg尿素：m出口尿素+m一段尿素=1008.75+4.598=1013.348kgCO2：m原料CO2+m-段CO2m消耗CO2=736.961418.928739.75=416.109kgNH3:m反应料NH3+m一段NH3m消耗NH3=1325.825+505.161+571.625=1259.361kgH2O:m原料中H2O+m一段H20+m生成的H2O=0.293+307.061+302.623=609.979O2:2.8kgN2:18.621kg表6.1结果输出表Table6.1theresultsoftheoutputta

54、bleNH/kgCO/kghbO/kgQ/kgNk/kg尿素/kg入塔原料1325.825736.9310.2932.818.621一段甲烷505.161415.928307.0614.598出塔物料1259.361416.109609.9792.818.6211013.3486.1.3分解系统一段分解系统14条件：P=1.765MPa,t=160C加入防腐空气：O20.595kgN21.98kg甲胺分解率:a=-8.81+0115625L0.000346f=0.8324总NH3蒸出率：4NH3=0.03837F616=0.8744一段分解器含水量：GH2O%=0.539Xl0-8t4.123

55、=6.59%一段分解器CO2：346.169kgNH3：1101.185kgO2:3.395kgN2:20.601kgH2O:103.635kg出口尿液：尿素：m入口Urm水解消耗一m夹带Urm生成缩二版ur=995.893-1.5-3.728-2.33=988.335kgH2O:5kg缩二月尿：m入口缩二版+m生成缩二版=7+2=9kg排出气体：CO2:0.022kgNH3：m二段未凝NH3气体m未7snh3气体=0.1390.114=1.041kgH2O:m二段未凝H2O气体+m喷射蒸汽m未凝H2O气体=0.265+22.234-0.258=22.241kg表6.2结果输出表Table6.

56、2theresultsoftheoutputtable一段分解器/kg出口尿液/kgNH31101.185158.176CO2346.36969.74H2O103.635506.344N220.601O23.395Ur1013.348二段分解系统：条件：P=0.294MPa,t=140C排除物料：CO2：0.46%NH3：0.7%气相中含水：26%生成缩二月尿：6kg消耗尿素：60%x11.65=6.99kg放出NH3：6X17/103=0.99kg设二段分解排出气体：CO2xkgNH3ykgH2Ozkg67.74-x/17.4768xy-z=0.0046(6-1)158.176+0.99-y/17.4768x-y-z=0.007(6-2)z/18(x/44+y/17)=26/74(6-3)有(6-1)(6-2)(6-3),可得。x=62.972y=148.867z=64.432排除尿液：尿素：m入口Urm消耗=1013.3486.99=1006.358kgCO2:m入口CO2mCO2气体=69.7462.972=6.768kgNH3:m入口NH3mNH3气体+mNH3