【水溶液全循环法生产尿素工艺应用研究6100字（论文）】

水溶液全循环法生产尿素工艺应用研究目录TOC\o"1-2"\h\u24765水溶液全循环法生产尿素工艺应用研究 111439摘要 122730一、水溶液全循环法生产尿素的原理 123768（一）反应原理 220224（二）反应机理 230528二、水溶液全循环法的生产工艺流程 321832（一）尿素的合成 332264（二）原料的准备 69647（三）原料的净化与输送 718866（二）低压分解与吸收 819124（三）尿素溶液的蒸发与造粒 81723四、生产尿素的工艺条件 817135（一）温度的影响 829988（二）氨碳比（摩尔比）或过量氨的影响 917153（三）水碳比 108488（四）操作压力 104075（五）反应时间 1118092（六）惰性气体的影响 1132063参考文献 11摘要由于生产工艺简单，生产操作易于掌握;生产设备制造容易，投资少;施用速度快，产量增加显着，各种新型肥料品种的尿素产销量仍然较高。本论文描述了尿素的性质，用途，生产方法和发展状况。它详细描述了从水溶液全循环方法生产尿素的工艺流程。重点研究尿素的工业生产过程，并测量参与单位质量反应的原料的物料平衡。计算和热平衡获得低能耗，低污染，高产量的尿素生产工艺。关键词：尿素；发展；工段工艺一、水溶液全循环法生产尿素的原理水溶液全循环法是通过在减压下加热分解和分离未反应的氨和二氧化碳，并吸收水形成甲酸铵或碳酸铵水溶液。（一）反应原理生产尿素的原料是氨气和二氧化碳，它是氨工厂的副产品。尿素合成反应分为两个步骤：1.氨和二氧化碳生成氨基甲酸铵（缩写为铵）;2.甲基铵脱水为尿素，其反应式为：：2NH3+CO2→NH2COONH4+159.47kJ1NH2COONH4→CO(NH2)2+H2O-28.49kJ2式1是具有高平衡转化率的快速，高度放热的反应。配方2是一种缓慢的微吸热可逆反应，需要在液相中进行。当温度为170〜190℃时，氨与二氧化碳的摩尔比为2.0，压力足够高以保持反应物处于液态，甲基铵与尿素（在二氧化碳中）的转化率为50％;反应速率随温度而增加。当温度恒定时，转换率随着压力的增加而增加。转化率达到一定值后，压力继续增加，没有明显的增加。此时，几乎所有的反应混合物都以液态存在。增加氨与二氧化碳的摩尔比可以增加二氧化碳的转化率并降低氨的转化率。在实际的生产过程中，由于氨的回收比二氧化碳容易，所以使用过量的氨，并且氨与二氧化碳的摩尔比通常≥3。反应物质中水的存在会降低转化率在工业设计中，回收材料中的水量必须降至最低。增加反应材料的停留时间可以提高转化率，但不经济。典型的工艺操作条件为温度180〜200℃，压力13.8〜24.6MPa，氨与二氧化碳的摩尔比2.8〜4.5反应物停留时间25〜40min。（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是：2NH3+CO2→CO(NH2)2+H2O-103.7kJ。这是一种可逆的，放热的和体积减少的反应。反应在液相中分两步进行。首先，液氨与二氧化碳反应形成甲基铵，因此称为铵甲reaction（ammoniumformazan）反应：2NH3+CO2→NH2COONH4在某些条件下，这种反应速度很快，很容易达到平衡。而且这个反应有很高的二氧化碳平衡转化率。然后将液态铵脱水成尿素称为尿素脱水：NH2COONH4→CO(NH2)2+H2O平衡转化率通常为50％至70％，并且该步骤反应的速率也相对较慢，这是尿素合成中的速率控制反应。2．反应速度从尿素形成的反应机理可以看出，甲dehyd的脱水是反应的控制阶段，但甲dehyd的脱水不能在气相中进行，反应速率在固体中慢液相中反应速度较快，所以铵甲dehyd脱水反应生成尿素必须在液相中进行。因此，有两个因素决定反应速率：1.氨和二氧化碳从气相进入液相的速。2.液相中甲铵的脱水速率。二、水溶液全循环法的生产工艺流程（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.。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．合成尿素的理论基础在一定条件下，氨基甲酸铵生成速度非常快，氨基甲酸铵脱水速度非常慢。因此，在合成尿素的生产中，反应时间长短和尿素合成产率水平与氨基甲酸铵脱水率和尿素合成反应平衡直接相关。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方法合成尿素的工艺流程图如图1所示。2。经受加压预热的原料液氨与压缩的原料二氧化碳气体和循环的氨基甲酸铵溶液混合到预反应器中。在预反应器中，氨与二氧化碳反应形成氨基甲酸铵。进入尿素合成塔后，氨基甲酸铵脱水生成尿素。尿素熔体从塔顶排出并进入预分离器，从氨中分离出氨基甲酸铵。氨基甲酸铵从预分离器底部排出并进入中压循环加热器。用蒸汽加热会进一步升高温度并促进残余氨基甲酸铵的分解。气体和液体在低压循环分离器中分离。将分离的尿液减压至常压，然后进入闪蒸罐。减压后，几乎所有的氨基甲酸铵和尿液中的氨都被除去。来自闪蒸罐的尿液进入储尿罐，并被泵入中压蒸发加热器和带尿素溶液泵的低压蒸发加热器中，并在不同的真空度下被加热和蒸发。气体和液体通过中压蒸发分离器分离。在低压蒸发器中分离。低压分离器出口处的尿液浓度达到99.7％（质量）以上。用熔化的尿素泵将其泵入造粒塔中，通过造粒喷嘴分散成颗粒，并在塔底获得成品尿素。图1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;六精馏塔;7低压循环加热器;8低压循环分离器;9闪蒸罐;10-尿素储罐;11-尿素溶液泵;12级蒸发加热器;13级蒸发分离器;14秒部分蒸发加热器;15级蒸发器;16熔融尿素泵;17-造粒塔预分离器，中压循环分离器，低压循环分离器以及来自精馏塔顶部的氨和二氧化碳进入回收系统。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进行回收。一部分蒸发分离器，二级蒸发分离器和闪蒸罐中的气体，大部分水蒸汽和少量氨气对系统进行解凝和真空，并回收残留的氨然后排出。（2）合成尿素工艺流程图3显示了使用全循环水溶液进行尿素合成过程的示意图。在气化器产生的半水煤气脱碳之后，大部分二氧化碳被脱碳溶液吸收和解吸，然后通过油水分离器除去二氧化碳气体。脱碳溶液进入CO2压缩机系统，来自压缩机的二氧化碳气体压力达到16kg进入尿素合成塔。来自合成氨厂的合成氨工厂的液氨进入氨储罐，并通过氨增压泵加压到高压液氨泵中。压力增加到约20公斤。预热后，将氨作为助推液注入AAM喷雾器中。分离器的氨溶液被加压并混入尿素合成塔。尿素合成塔温度186〜190℃，压力约200kg，NH3/CO2摩尔比和H2O/CO2摩尔比控制在一定范围内。气液混合物合成后进入分解阶段，进行气液分离，将分离出的气相尿送至第二阶段分解，进一步除去混合物中的气相。纯化后的尿液进入闪蒸罐，一段蒸发，两段蒸发浓缩。最后，获得尿素熔体。通过刮板泵将其送入尿素造粒塔喷雾器，并通过冷却并沉降在空气中固化成颗粒尿素。通过尿素塔底输送带到储存和包装车间。图2水溶液全循环法生产尿素工艺流程简图从分解的第一阶段分解的气相和第二阶段含有未反应的氨和二氧化碳，并进入吸收阶段和第二阶段吸收阶段。氨和二氧化碳通过随后的闪蒸，第一阶段蒸发和第二阶段蒸发阶段冷凝被吸收和混合。将水溶液泵入尿素合成塔中;吸收一段时间后，剩余气体在惰化装置中稀释后与第二阶段吸收的残余气体混合进入尾气吸收塔，残留气体在第一阶段蒸发和第二阶段蒸发后蒸发阶段去除残余的水。混合气体排出后。（二）原料的准备合成尿素的主要原料是液氨和气态二氧化碳，分别是氨厂的主要和次要产品。因此，氨和尿素生产工厂一起建立起来生产。1．氨的性质氨的分子式为NH3，分子量为17.03。它是一种无色气体，在常温常压下具有特殊的刺激性。它可以在低温高压下液化。当温度低于77.7°C时，氨气可能变得无臭。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其质量分数为：氨＞99.5％，水＜0.5％，油＜10mg/kg。2．二氧化碳二氧化碳是无色的气体，可以在一定条件下液化。当它强烈冷却时它会变成坚实的。其分子式为CO2，分子量44，临界压力7.29MPa，临界温度31℃，临界密度。0.486g/cm3，标准状态下的气体密度为1.997g/L，液体密度为0.9248g/cm3，沸点为56.2℃，熔点为78.48℃。.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＜15mg/m3。（三）原料的净化与输送1．二氧化碳脱硫与压缩原理a.脱硫原始二氧化碳是生产氨工厂的副产品，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和管道的腐蚀，首先必须进行脱硫。有干法和湿法。干法更常用，可以达到非常高的清洁度。但是，只有在空气中硫化氢含量低（<1g/m3）的情况下才能使用。因此，它们必须与湿法串联连接。法律被放在它之后。流程图如图4所示。图3二氧化碳脱硫原理图b.压缩来自合成氨系统的二氧化碳气体在进入压缩机之前与歧管中的氧气混合。氧气需求量是二氧化碳总量的约0.5体积％。二氧化碳气体通过二氧化碳气体以保护二氧化碳压缩机。在液滴分离器前有一个排气阀。当系统关闭或生产能力下降时，部分二氧化碳被释放。2．液氨的净化与输送从氨装置输送的2.0MPa压力下的液态氨通过氨过滤器除去以进入系统。过滤后的液氨被送入液氨缓冲罐的进料室。液氨缓冲罐上设有可自动控制的控制阀，控制盘上设有液氨缓冲罐高低液位报警。来自中压循环系统的液氨进入氨再循环罐的回流室，一部分氨与中压塔的氨回流反应。过量的氨流入进料室并与新鲜原料混合。原料液氨与溢流氨合并，并从氨缓冲罐的原料室进入高压氨泵。高压液氨进入合成塔前，通过预热器预热至45-55℃。高压液氨在进入尿素合成塔之前预热并送入高压混合器。（二）低压分解与吸收在压力分解的尿素溶液中未转化的氨基甲酸铵需要减压然后分解成低压系统进行分解。实验测得的数据表明，分解的液体组合物低于表压为0.49MPa和高于120℃。只与温度和压力有关，而原始解决方案组件无关。（三）尿素溶液的蒸发与造粒尿素合成反应溶液在减压下加热并闪蒸两次。在未反应物分离后，获得温度为95℃且浓度为73％至75％的尿素溶液并储存在尿液储罐中。二次尿液必须进一步浓缩以降低含水量至0.3％，然后造粒储存和运输。尿素的浓缩可以是蒸发或结晶。通过蒸发法得到的尿素可以直接造粒，并且可以通过结晶方法获得结晶尿素。尿素仍然需要加热并熔化，然后造粒。这是因为结晶尿素容易吸收水分和附聚物。由蒸发法生产的颗粒尿素含有约0.9％的缩二脲，而通过结晶法生产的颗粒中缩二脲的含量可降至0.3％。前者设备少，即投资少，后者投资略有增加。使用哪种方法取决于具体情况。熔融尿素（140℃）→尿素颗粒（140℃）→尿素颗粒（60℃）。四、生产尿素的工艺条件为确保产品质量，取得更好的技术和经济效益，生产过程中需要严格控制各种艺术条件。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dehyd的脱水，这是一种微小的吸热反应，所以铵强化的温度升高加快。随着温度增加10℃，反应速度大约加倍。因此，从反应速度的观点来看，高温是有利的。从实验和热力学计算结果来看，平衡转化率随着温度的升高而增加。如果温度继续上升，转换率将逐渐下降。表1反应温度与二氧化碳转化率的关系反应温度/℃170180190转化率∕％606067.5备注：氨碳比NH3:CO2=4,水碳比H2O:CO2=0.6这是由于甲铵在高温下分解成液相氨和二氧化碳。综合考虑因素：尿素合成塔的内部操作温度大约为185至200°C，最大值即最高平衡转化率。温度继续上升，平衡转化率下降。图4温度与转化率的关系（二）氨碳比（摩尔比）或过量氨的影响氨与碳的比率是指反应物中NH3/CO2的摩尔比，其通常用符号a表示。“氨过量”是指原料中氨的量超过化学方程的理论量的摩尔百分比。这两者有关，例如当原料a=2，氨过量率为0％，以及当a=4时，氨过量率为100％。实验表明，过量的NH3可以提高尿素的转化率，因为过量的NH3促进CO2转化，并且可以与分解的H2O结合形成氨水，从而使水排除在反应之外。这相当于消除了产品和均衡。朝着尿素的生成方向发展。另外，过量的氨还可以抑制有害的副反应，例如甲基铵的水解和尿素的冷凝，并且还有利于提高转化率。因此，过量的氨增加并且平衡转化率增加。因此，氨在工业操作中过量使用，即氨与碳的比例必须大于2。一般水溶液全循环方法中氨与碳的比率为约3.5至4.5。由于高压KAM冷凝器，二氧化碳汽提尿素生产工艺消除了热量和副产品蒸汽。没有超温问题，相平衡考虑到合成系统的压力，氨碳比为2.8〜2.9。（三）水碳比水与碳的比率是指合成塔进料中H2O/CO2的摩尔比，其由通用符号b表示。有两种水源：一种是尿素合成反应的产物，另一种是现有的水溶液全循环方法，其中一定量的水与未反应的NH3和CO2一起返回合成塔。从均衡运动的原理可以看出：水量的增加不利于尿素的形成。这会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尿素平衡转化率69.068.667.465.864.0备注：在20MPa，摩尔比NH3/CO2=4.51在水溶液全循环方法中，水与碳的比率通常控制在0.7至1.2。在二氧化碳汽提方法中，汽提后的分解气在高压下冷凝，返回合成塔体系的水量较少，因此水碳比一般为0.3-0.4之间。（四）操作压力尿素合成的总反应是尿素合成的一个总反应，是一个体积减少反应，因此增加尿素合成压力，尿素转化率随压力增加，但合成压力不能太高，由于压力和尿素转化率这种关系不是线性关系。在足够的压力下，尿素转化率趋向于恒定值，压力再次升高，转化率增加很少，但同时压缩功耗增加，生产成本增加，高压铵formazan设备的腐蚀也加剧了。对于水溶液全循环方法，当温度为190℃且NH3:CO2等于4时，相应的平衡压力为约18-20MPa。对于CO2汽提操作压力为13〜14MPa的体积还原反应，因此增加了尿素合成压力，尿素转化率随压力增加，但合成压力不能太高，由于压力与尿素转化率的关系不是线性关系。在足够的压力下，尿素转化率趋向于恒定值，压力再次升高，转化率增加很少，但同时压缩功耗增加，生产成本增加，高压铵formazan设备的腐蚀也加剧了。对于水溶液全循环方法，当温度为190℃且NH3:CO2等于