第二章尿素生產(chǎn)方法原理--尿素溶液的蒸發(fā)

1、復(fù)習(xí),高壓氣提分離系統(tǒng) 中低壓循環(huán)系統(tǒng)：中壓級和低壓級， 中壓：1.82.0MPa；低壓：0.30.4MPa。,未反應(yīng)物回收循環(huán)的意義,分解和回收的措施,多級原則的概念,低壓循環(huán)的壓力，一般取為0.3-0.4MPa左右。 壓力越低，越容易從尿液中將NH3和CO2逐出，但返回的回收液濃度將更低（即加水量），溫度也降低。 如果壓力更低，就需要加更多的水才能將同樣多的NH3和CO2吸收下來，也是不利的。,低壓分離回收,尿液首先進入分解器 (或稱分解塔)。由于壓力降低而立即有大量的氣體閃蒸出來。為提高NH3和CO2轉(zhuǎn)入氣相的分率(工業(yè)上亦稱之為總氨蒸出率和甲銨分解率)，需要加熱提高溫度。,中低壓分解循

2、環(huán),中低壓循環(huán)，均包括合成尿素溶液的減壓加熱分解、分解氣的冷凝吸收兩部分。,分解氣的冷凝吸收條件，應(yīng)力求在壓力、溫度和加水量之間取得最佳配合，以使加水量少，而吸收和冷凝要完全、而且不要析出固體結(jié)晶。,1尿素合成液分離的原理是什么？工業(yè)上是如何對分離物進行回收的？ 2氣提原理是什么？常用的氣提劑有哪些？氣提法的優(yōu)點是什么？ 3尿素高壓合成圈是如何構(gòu)成的（過程、設(shè)備）？其主要任務(wù)是什么？ 4中壓循環(huán)的壓力的是如何選擇確定的？中壓段的任務(wù)是什么？,未反應(yīng)物的分離與回收作業(yè)題二,尿素生產(chǎn)的工藝流程,80%尿液去 蒸發(fā)冷結(jié)系統(tǒng),2.3 尿素溶液的蒸發(fā),2、理解尿素溶液加工的工藝流程。,教學(xué)目標(biāo),1、掌握

3、尿素溶液蒸發(fā)的基本原理和 工藝條件的選擇。,1、尿素蒸發(fā)的基本原理,尿素溶液蒸發(fā)：將溶液加熱到沸騰，使其中的水汽化而與尿素分離的過程。 蒸發(fā)濃縮的必要性：經(jīng)減壓、加熱分解循環(huán)后，得到尿素含量為70%-75%，NH3和CO2含量之和在1%左右的尿素水溶液；若將其加工成固體產(chǎn)品，還需經(jīng)過蒸發(fā)工序，濃縮成含水量較少（1%）的熔融物方可造粒。,2、尿素溶液蒸發(fā)過程的副反應(yīng)及防止,水解反應(yīng)：在沸騰的尿素溶液中，水解更為劇烈。 縮合反應(yīng)：縮二脲的生成率隨溫度的增加而增加；而在一定溫度下，隨著尿素溶液濃度的增高。,在尿素生產(chǎn)各工序中副反應(yīng)都有可能發(fā)生，但在尿素加工過程中尤為顯著。,要防止水解與縮合反應(yīng)，蒸發(fā)

4、過程應(yīng)在盡可能低的溫度下進行，并在很短的時間內(nèi)完成。,3、蒸發(fā)工藝條件的選擇,蒸發(fā)工藝條件的選擇，除了應(yīng)滿足沸騰蒸發(fā)的一般要求外，更要盡量減少副反應(yīng)的發(fā)生，以保證尿素的產(chǎn)量和質(zhì)量。,尿素溶液的蒸發(fā)涉及到尿素和水的二元體系相圖,10,壓力線（氣液平衡線）： 溶液在該壓力下的沸點,相圖性質(zhì)：,線：液固平衡線 尿素的溶解度線 冰的飽和線,高壓力時，無固相出現(xiàn),0.10MPa 130,0.05MPa 112,結(jié)論：尿素溶液的沸點與其濃度和蒸發(fā)操作壓力有關(guān)。,3、小于0.0263 MPa時，沸點壓力線和結(jié)晶線相交，就可能產(chǎn)生尿素結(jié)晶。,1、大于0.0263MPa，沸點壓力線位于結(jié)晶線之上，不會有結(jié)晶析出

5、。,2、若采用一段蒸發(fā)將尿液從75%濃縮至99.7%，雖無結(jié)晶析出，但勢必將溫度提得太高，結(jié)果加劇副反應(yīng)發(fā)生。,蒸發(fā)操作壓力的選擇,據(jù)以上分析，采用減壓蒸發(fā)可以降低尿素溶液的沸點，防止副反應(yīng)的發(fā)生。實際生產(chǎn)過程中，蒸發(fā)過程不能在一個壓力段進行，常分為兩段。 壓力的選擇必須考慮蒸發(fā)出大部分水和尿素不致結(jié)晶為宜，否則將堵塞蒸發(fā)設(shè)備的加熱管道，影響操作。,尿液蒸發(fā)過程的設(shè)計,13,典型的兩段蒸發(fā)的工藝條件 真空減壓蒸發(fā) 一段：壓力0.033MPa，溫度130，尿液從75%濃縮到95%；蒸出大量水分，隨著濃度的提高，溫度也不斷上升，副反應(yīng)明顯，所以一段蒸發(fā)只能到一定的濃度。 二段：壓力0.0033-0

6、.0067MPa，溫度140（使尿素熔融物保持流動性，防結(jié)晶），可使尿液濃縮到99.7%，且不會有結(jié)晶出現(xiàn)。,4、尿素溶液加工的工藝流程,閃蒸：低壓分解后來的尿液，經(jīng)自動減壓閥減為常壓，進入閃蒸槽1，閃蒸槽內(nèi)壓力為0.06MPa。它的出口氣管與一段蒸發(fā)分離器6出口管連接在一起，其真空度由蒸汽噴射泵17產(chǎn)生。,由于減壓，部分水分和氨、二氧化碳氣化吸熱，使尿素溫度下降到105110。出閃蒸槽尿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)約74%左右進入尿液緩沖槽2，槽內(nèi)有蒸汽加熱保溫管線。然后，尿液由尿液泵3打入尿液過濾器4除去雜質(zhì)，送入一段蒸發(fā)加熱器5。,尿液的閃蒸、過濾,作用：可減少加熱蒸汽的耗量。,一段蒸發(fā)加熱、分離,在一段

7、蒸發(fā)加熱器5內(nèi)，用蒸汽管外加熱，使尿液溫升至130左右。由于減壓加熱，部分水分氣化后進入一段蒸發(fā)分離器6，一般蒸發(fā)分離器內(nèi)部壓力約為0.02630.0333 MPa，該壓力由蒸汽噴射泵17產(chǎn)生，氣液分離后，尿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為95%96%，進二段蒸發(fā)加熱器7。,二段蒸發(fā)加熱、分離,在二段蒸發(fā)加熱器7內(nèi)，用蒸汽加熱至140左右，其壓力維持在0.0033 MPa。由于減壓加熱，殘余水分氣化后進入二段蒸發(fā)分離器8進行氣液分離。 二段蒸發(fā)加熱器的真空度靠蒸汽噴射泵18、20、22產(chǎn)生。二段蒸發(fā)分離器出來的尿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.7%，進入熔融尿素泵9，打入造粒塔。,18,長管升膜式蒸發(fā)器：溶液停留時間短，表面

8、傳熱系數(shù)大。 預(yù)蒸發(fā)器：將尿液預(yù)先濃縮，減少加熱蒸汽的耗量。 蒸汽噴射器：實現(xiàn)減壓操作。,5、蒸發(fā)過程主要設(shè)備,尿液濃縮過程,合成塔：40% 汽提塔：45% 中壓甲銨分解器：60% 低壓甲銨分解器：70% 真空預(yù)濃縮器：85% 一段蒸發(fā)加熱器：95% 二段蒸發(fā)加熱器：99.7% 造粒,20,概念：利用尿素的溶解度隨溫度的降低而降低的關(guān)系，將較高溫度下的尿素溶液冷卻而析出。,2.4 尿素的結(jié)晶和造粒,缺點：結(jié)晶尿素呈粉末或細晶，不便于施用，易結(jié)塊。,優(yōu)點：結(jié)晶尿素的加工過程中溫度較低，副反應(yīng)少，可作低縮二脲含量的化肥使用，也用于工業(yè)。,2.4.1 尿素的結(jié)晶,21,常壓法：在常壓下將尿素溶液濃縮

9、至接近飽和，即送入結(jié)晶器，液體冷卻至50-65，即有尿素結(jié)晶析出。結(jié)晶長大，與母液進行分離，再經(jīng)干燥器干燥，獲得水含量小于1%的結(jié)晶尿素產(chǎn)品。 真空法：來自低壓回收循環(huán)的尿液（75%）直接進入真空結(jié)晶器內(nèi)，同時蒸發(fā)與結(jié)晶，在0.01MPa和60下，水分蒸發(fā)而進入過飽和區(qū)，進而有結(jié)晶析出。水分蒸發(fā)的熱量由溶液的顯熱和尿素結(jié)晶熱提供。,2、結(jié)晶尿素的生產(chǎn)方法,22,常壓法：設(shè)備少，流程簡單，但結(jié)晶熱未得利用，蒸汽和冷卻水消耗大。 真空法：有效利用結(jié)晶熱，防止縮二脲積累。,不同結(jié)晶方法的優(yōu)缺點,23,2.4.2 尿素的造粒,農(nóng)業(yè)使用的尿素產(chǎn)品絕大多數(shù)均加工成具有一定粒度的顆粒。 1、粒狀尿素產(chǎn)品的優(yōu)

10、點： 流動性能好，不易吸潮和結(jié)塊，便于儲存和運輸。 造粒方法：造粒塔造粒和造粒機造粒,24,原理：將溫度約140的尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達99.7%的高濃度溶液送往幾十米的高空，通過噴頭的小孔噴灑出來，形成液滴自高空滴落，與自下而上的空氣逆流接觸而凝固冷卻，且將少量水分蒸發(fā)而得到產(chǎn)品，粒度為1-2mm。,2、造粒塔造粒,25,造粒塔降低高度的方法,A.強制通風(fēng)：延長顆粒的下落時間，強化冷卻。 B.塔底設(shè)置流態(tài)化床：使床中空氣與顆粒間的傳熱得到強化，使顆粒繼續(xù)冷卻。,造粒塔的構(gòu)造,圓筒形混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有防腐涂層。塔直徑18-20m，生產(chǎn)能力1500-1700t/d。自然通風(fēng)利用煙囪效應(yīng)使空氣自然流動，簡

11、單，被廣泛采用。,26,B.在尿液中加入少量甲醛（不大于0.2%）：提高產(chǎn)品抗沖擊強度和抗壓強度。,提高顆粒機械強度的方法,A.晶種造粒：在造粒塔底部送入磨碎的尿素粉末（尿素99%，硬脂酸鈣1%，小于2m），粉末在塔內(nèi)上升的過程中與下降的尿素熔融體接觸，成為晶種，再長大成粒。,27,A.排出的尿素粉塵和氨氣難于處理，污染環(huán)境。 B.強度不高，不適于長途散裝運輸。 C.粒度不均勻，不能造出大于2.5mm又有足夠強度的顆粒。 D.固化時間短，難以形成致密堅實的顆粒。,造粒塔造粒的缺點,28,原理：尿素熔融物在稍高于其固化溫度下被噴灑在已有的顆粒之上，使顆粒長大，直到達到所要求的粒度。 造粒機的種類

12、：盤式造粒、轉(zhuǎn)鼓造粒、流化造粒,3、造粒機造粒,流化床造粒機,轉(zhuǎn)鼓造粒機,盤式造粒機,30,流化床造粒機的生產(chǎn)原理,霧化空氣：進入霧化噴嘴使尿液霧化。進入噴嘴之前需預(yù)熱到高于尿素的結(jié)晶溫度以防堵塞噴嘴。,流化空氣：使床層保持流化狀態(tài),晶種：使霧化的尿素熔融液包覆在其表面而凝固，放出的結(jié)晶熱用于進一步蒸發(fā)。,31,顆粒長大的機理 A.團塊：粒子利用溶液作為粘結(jié)劑而互相附著在一起，這種作用產(chǎn)生的顆粒不夠均勻，機械性能差； B.層化：顆粒的成長是在粒子表面進行一層一層的涂覆，得到類似“洋蔥”的結(jié)構(gòu)； C.累積：即大量的微小溶液液滴連續(xù)地噴灑在顆粒表面并不斷蒸發(fā)固化。是連續(xù)長大和干燥的過程。,32,流

13、化床造粒工藝流程圖,累積機理：提供了致密均勻的結(jié)構(gòu)，并促進了水分的蒸發(fā)和顆粒的干燥，而且顆粒流化態(tài)避免顆粒長時間接觸，不至于團塊。,篩分機與粉碎機可控制顆粒粒度在2-8mm范圍內(nèi)變化,尿素熔融液加入少量的甲醛（0.5%左右），可提高產(chǎn)品強度，減少粉塵。與造粒塔中作用一樣。 洗滌塔：將造粒機和冷卻器的空氣用工藝?yán)淠合礈欤厥漳蛩胤勰?，得到尿素含量約為45%的洗滌液，再送回蒸發(fā)系統(tǒng)。,轉(zhuǎn)鼓造粒機后改進為簾幕涂布法,主要設(shè)備：水平放置的旋轉(zhuǎn)圓筒，分為造粒段和冷卻段。 機理：顆粒尿素在筒內(nèi)轉(zhuǎn)動時呈現(xiàn)簾幕狀跌落，熔融尿素通過噴嘴連續(xù)噴灑在造粒段的滾動粒子表面上，粒子被熔融物包涂而長大。長大的顆粒通過內(nèi)

14、堰流進造粒機的冷卻段，被逆流導(dǎo)入的空氣所冷卻和固化，同時除去粉塵。,盤式造粒機,主要設(shè)備：與水平成60-65的旋轉(zhuǎn)圓盤，盤上有顆粒滾動。 機理：有返料從靠近轉(zhuǎn)盤的最高點處加入，在盤上不斷滾動。尿素含量在98%以上，溫度145的熔融物經(jīng)噴嘴霧化為極細的霧滴，噴灑在滾動著的返料層上，將細粒子層層包覆而逐漸長大。由于受到重力和離心力，顆粒越大，隨盤轉(zhuǎn)動而上升的高度越降低，最后滾到轉(zhuǎn)盤的下邊緣而落到下面的冷卻器中。,36,造粒機所得產(chǎn)品的優(yōu)點,A.水分和縮二脲低 B.產(chǎn)品顆粒大（2.0-4.0mm）且可調(diào)節(jié) C.顆粒抗壓強度高（為造粒塔產(chǎn)品的5-6倍）且不易吸濕、結(jié)塊。 D.對環(huán)境污染少（空氣用量少，

15、且含塵量低）,通過造粒裝置解決尿素粒徑問題的途徑： 選用大顆粒造粒噴頭，使80%的尿素顆粒直徑大于2mm； 采用流化床冷卻裝置，降低入袋溫度，解決超產(chǎn)后易結(jié)塊問題，將顆粒與粉塵分開； 采用北京達立科公司開發(fā)的雙轉(zhuǎn)鼓流化床大顆粒尿素技術(shù)，尿素顆粒直徑可達46mm，國內(nèi)已有2家采用此技術(shù)； 原有的造粒系統(tǒng)不動，將增產(chǎn)的尿素在造粒之前取出，用尿素熔融液來生產(chǎn)氮磷鉀復(fù)合肥，目前上?；ぱ芯吭赫趲准倚∧蛩貜S中實施該技術(shù)。,縮二脲的生成與防止,1危害： 縮二脲對作物種子發(fā)芽不利，使桔柑變色； 生產(chǎn)脲醛塑料時縮二脲 0.3%，易使塑料變黃。 2減少其生成的措施： 1）合成：因游離較多，故縮二脲較少，且提高縮二脲降低 2）分解：游離較少，中壓較高，故生成縮二脲增加。所以應(yīng)確定合適分；提高傳熱效率，使t降低； 3）蒸發(fā)：游離很少，蒸高，生成縮二脲較多。 4）造粒：尿熔液140，于管線中易生成縮二脲，故應(yīng)盡量縮短管之長度。 3回收利用：1）分離出來作為化工產(chǎn)品. 2）將高濃度縮二脲母液送回合成塔，抑制其生成.,小結(jié)：尿素的結(jié)晶與造粒,1三種方法： ）蒸發(fā)造粒法：將99.7溶液造粒成型，縮二脲0.8-0.9%； ）結(jié)晶造粒法：將尿液蒸至80送結(jié)晶器，快速熔融成型，縮二脲0.3% ）結(jié)晶法：將尿液蒸至80%送結(jié)晶機在小于40下結(jié)晶。 2兩種尿素： ）