水溶液全循環(huán)法生產尿素工藝說明

1、 45 - / NUMPAGES50職業(yè)技術學院 畢 業(yè) 論 文（設 計）(冶金化工系)題 目 水溶液全循環(huán)法生產尿素工藝 專 業(yè) 應用化工技術 班 級 姓 名 學 號 指導教師 完成日期 2010年6月25日目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc280196355 摘 要1 HYPERLINK l _Toc280196356 第一章 概述2 HYPERLINK l _Toc280196357 1.1尿素的物理化學性質和用途2 HYPERLINK l _Toc280196358 1.1.1尿素的物理性質2 HYPERLINK l _Toc280196359 1.

2、1.2尿素的化學性質2 HYPERLINK l _Toc280196360 1.1.3尿素的用途2 HYPERLINK l _Toc280196361 1.2尿素的生產方法簡介3 HYPERLINK l _Toc280196362 1.2.1水溶液全循環(huán)法4 HYPERLINK l _Toc280196363 1.2.2汽提法4 HYPERLINK l _Toc280196364 1.3水溶液全循環(huán)法和CO2汽提法兩種方法的比較4 HYPERLINK l _Toc280196365 1.3.1水溶液全循環(huán)尿素工藝的優(yōu)、缺點5 HYPERLINK l _Toc280196366 1.3.2 C0

3、2汽提法尿素工藝的優(yōu)、缺點6 HYPERLINK l _Toc280196367 1.3.3尿素的進展前景與展望6 HYPERLINK l _Toc280196368 第二章 水溶液全循環(huán)法生產尿素的原理9 HYPERLINK l _Toc280196369 2.1化學反應9 HYPERLINK l _Toc280196370 2.2反應原理9 HYPERLINK l _Toc280196371 第三章 水溶液全循環(huán)法的生產工藝流程11 HYPERLINK l _Toc280196372 3.1原料的預備11 HYPERLINK l _Toc280196373 3.1.1氨11 HYPERLI

4、NK l _Toc280196374 3.1.2二氧化碳11 HYPERLINK l _Toc280196375 3.2尿素的工藝流程圖11 HYPERLINK l _Toc280196376 3.3原料的凈化與輸送13 HYPERLINK l _Toc280196377 3.3.1二氧化碳脫硫與壓縮原理13 HYPERLINK l _Toc280196378 3.3.2液氨的凈化與輸送13 HYPERLINK l _Toc280196379 3.4尿素的合成14 HYPERLINK l _Toc280196380 3.4.1液氨和二氧化碳直接合成尿素14 HYPERLINK l _Toc28

5、0196381 3.4.2合成尿素的理論基礎14 HYPERLINK l _Toc280196382 3.5中壓分解與汲取14 HYPERLINK l _Toc280196383 3.6低壓分解與汲取15 HYPERLINK l _Toc280196384 3.7尿素溶液的蒸發(fā)與造粒15 HYPERLINK l _Toc280196385 第四章 物料衡算和熱量衡算16 HYPERLINK l _Toc280196386 4.1物料衡算16 HYPERLINK l _Toc280196387 4.1.1數(shù)據采集16 HYPERLINK l _Toc280196388 4.1.2差不多物料衡算1

6、6 HYPERLINK l _Toc280196389 4.2熱量衡算17 HYPERLINK l _Toc280196390 4.2.1數(shù)據采集17 HYPERLINK l _Toc280196391 4.2.2差不多熱量衡算18 HYPERLINK l _Toc280196392 第五章 生產尿素的工藝條件及要緊設備19 HYPERLINK l _Toc280196393 5.1生產尿素的工藝條件19 HYPERLINK l _Toc280196394 5.1.1溫度19 HYPERLINK l _Toc280196395 5.1.2氨碳比20 HYPERLINK l _Toc280196

7、396 5.1.3水碳比20 HYPERLINK l _Toc280196397 5.1.4操作壓力20 HYPERLINK l _Toc280196398 5.1.5反應時刻21 HYPERLINK l _Toc280196399 5.2生產尿素的要緊設備21 HYPERLINK l _Toc280196400 5.2.1脫硫塔21 HYPERLINK l _Toc280196401 5.2.2合成塔21 HYPERLINK l _Toc280196402 5.2.3高壓混合塔23 HYPERLINK l _Toc280196403 5.2.4中壓分解加熱塔23 HYPERLINK l _T

8、oc280196404 5.2.5中壓分解分離塔23 HYPERLINK l _Toc280196405 5.2.6中壓汲取塔24 HYPERLINK l _Toc280196406 5.2.7氨冷凝器24 HYPERLINK l _Toc280196407 5.2.8低壓分解精餾塔25 HYPERLINK l _Toc280196408 5.2.9低壓汲取第一氨基甲酸銨冷凝器25 HYPERLINK l _Toc280196409 5.2.10低壓汲取第二氨基甲酸銨冷凝器25 HYPERLINK l _Toc280196410 致謝27 HYPERLINK l _Toc280196411 參

9、考文獻28摘 要受中國的差不多國情決定，中國的農業(yè)進展在以后的專門長一段時刻里都將占據著要緊的地位，化肥在農業(yè)中的地位是不可缺少的。尿素是氮肥中最要緊的化肥品種，尿素占我國氮肥使用量的60%以上。近幾年年以來，由于尿素產能過剩，加之成本上升、出口受限，導致尿素生產旺季不旺，市場疲軟，經濟效益明顯下降，行業(yè)虧損加劇。這種狀況是阻礙氮肥工業(yè)進展多種因素共同作用的結果，是氮肥工業(yè)由擴張高峰期進入加速優(yōu)化調整時期的重要標志，尿素在以后的進展將進入一個全新的時期。因此這次畢業(yè)設計要緊介紹了尿素的生產原理、尿素的生產方法、尿素生產的工藝流程、生產尿素的要緊設備以及相關的物料衡算和能量衡算作簡要的介紹。關鍵

10、詞：尿素；全循環(huán)；進展第一章 概述1.1尿素的物理化學性質和用途1.1.1尿素的物理性質分子式為CO(NH2)2，分子量 60.06，CO(NH2)2 為無色或白色針狀或棒狀結晶體，工業(yè)或農業(yè)品為白色略帶微紅色固體顆粒無臭無味。密度1.335g/cm3。熔點132.7。1.1.2尿素的化學性質易溶于水、醇，不溶于乙醚、氯仿。呈微堿性?？膳c酸作用生成鹽。有水解作用。在高溫下可進行縮合反應，生成縮二脲、縮三脲和三聚氰酸。加熱至160分解，產生氨氣同時變?yōu)榍杷?。因為在人尿中含有這種物質，因此取名尿素。尿素含氮(N)46，是固體氮肥中含氮量最高的。尿素在酸、堿、酶作用下（酸、堿需加熱）能水解生成氨和二

11、氧化碳。對熱不穩(wěn)定，加熱至150160將脫氨成縮二脲。若迅速加熱將脫氨而三聚成六元環(huán)化合物三聚氰酸。（機理：先脫氨生成異氰酸（HN=C=O），再三聚。）與乙酰氯或乙酸酐作用可生成乙酰脲與二乙酰脲。在乙醇鈉作用下與丙二酸二乙酯反應生成丙二酰脲（又稱巴比妥酸，因其有一定酸性）。在氨水等堿性催化劑作用下能與甲醛反應，縮聚成脲醛樹脂。與水合肼生成氨基脲2NH3+CO2NH2COONH4CO(NH2)2+H2O尿素易溶于水，在20時100毫升水中可溶解105克，水溶液呈中性反應。尿素產品有兩種。結晶尿素呈白色針狀或棱柱狀晶形，吸濕性強。粒狀尿素為粒徑12毫米的半透明粒子，外觀光潔，吸濕性有明顯改善。20

12、時臨界吸濕點為相對濕度80，但30時，臨界吸濕點降至72.5，故尿素要幸免在盛夏潮濕氣候下放開存放。目前在尿素生產中加入石蠟等疏水物質，其吸濕性大大下降。 1.1.3尿素的用途尿素的用途特不廣泛，它不僅能夠用作肥料，而且還能夠用作反芻動物的飼料以及某些工業(yè)的原料。尿素是一種高濃度氮肥，屬中性速效肥料，也可用了生產多種復合肥料。在土壤中不殘留任何有害物質，長期施用沒有不良阻礙。畜牧業(yè)可用作反芻動物的飼料。但在造粒中溫度過高會產生少量縮二脲，又稱雙縮脲，對作物有抑制作用。我國規(guī)定肥料用尿素縮二脲含量應小于0.5?？s二脲含量超過1時，不能做種肥，苗肥和葉面肥，其他施用期的尿素含量也不宜過多或過于集中

13、。尿素目前使用的固體氮化肥中含氮量最高的。尿素的含氮量是硝酸銨的1.3倍，為氯化銨的1.8倍，為石灰氮的2.3倍，碳酸氫銨的2.6倍。尿素是一種良好的中性肥料，適用于各種土壤和各種農作物。它既能夠作追肥，又能夠作基肥；能夠干施，又能夠濕施，對作物根部和葉面都能夠施用。尿素在施用過程中，可不能在土壤中留下任何有害物質，而且分解釋放出的二氧化碳，還促使植物進行光和作用。因此長期施用尿素的土壤可不能變質。尿素能夠作為單一肥料使用，也可與其他氮、磷、鉀肥料組成混合（或復合）肥料施用，如尿素磷酸銨等。尿素與甲醛作用，還可制成脲醛長效化肥。粒狀尿素的吸濕性和結塊性都比其他氮肥小，并具有良好的穩(wěn)定性。因此，

14、在運輸、貯存和施用過程中氮的損失都較少。然而，尿素中縮二脲具有抑制種子發(fā)芽和生長的作用，施用時必須注意，含縮二脲過高的尿素不能作為拌種肥料。尿素用作飼料僅限于反芻類動物的精飼料。尿素中的氮雖不是蛋白質形態(tài)的，但和碳水化合物一起通過胃液長時刻的作用，能夠造成蛋白質形態(tài)的氮，故能夠作為反芻動物的飼料。按蛋白質的價值來比較，1kg尿素的氮量，等于2.62.8kg蛋白質的含氮量，約等于6kg豆餅或2225kg大麥的含氮量。作為飼料用的尿素規(guī)格和用法有專門的要求，不能亂用，而且飼喂前必須通過試驗。在有機合成工業(yè)中，尿素要緊用作合成塑料的原料，如生產脲醛樹脂和有機玻璃。在醫(yī)藥工業(yè)中，純尿素可用作利尿劑，生

15、產制藥原料氨基甲酸乙酯以及作為安眠藥、冷靜劑、止痛劑、麻醉劑、甜味劑等的原料。在石油工業(yè)中，尿素用來制造化學絡合物，用作石油精煉過程的脫蠟劑。在合成纖維中尿素時一種合成纖維尤綸的原料。尿素還能夠用于紡織品的人工防皺和作為處理麻紗的軟化劑。國防工業(yè)上尿素用作炸藥的穩(wěn)定劑。在選框中尿素作為起泡劑。在制革及顏料、涂料、染料、等生產過程中，也都要使用尿素。1.2尿素的生產方法簡介生產尿素的方法有專門多種，20世紀60年代以來，全循環(huán)法在工業(yè)上獲得普遍采納，最常用的是水溶液全循環(huán)法生產尿素和二氧化碳氣提法生產尿素。 合成氨生產為NH3和CO2直接合成尿素提供了原料。由NH3和CO2合成尿素的總反應為：

16、2NH3+CO2CO(NH2)2+H2O該反應是放熱的可逆反應，轉化率一般為50- 70%。按未反應物的循環(huán)利用程度，尿素生產方法可分為不循環(huán)法、半循環(huán)法和全循環(huán)法三種。1.2.1水溶液全循環(huán)法20世紀60年代以來，全循環(huán)法在工業(yè)上獲得普遍采納。全循環(huán)法是將未轉化成尿素的氨和二氧化碳經減壓加熱和分離后。全部返回合成系統(tǒng)循環(huán)利用，原料氨利用率達97%以上。全循環(huán)法尿素生產要緊包括四個差不多過程：氨和二氧化碳原料的供應及凈化；氨和二氧化碳合成尿素；未反應物的分離與回收；尿素溶液的加工。其生產過程如圖1-1所示。圖1-1 全循環(huán)法生產尿素的工藝流程簡圖1.2.2汽提法依照分離回收方法的不同要緊分為水

17、溶液全循環(huán)法、氣提法等。水溶液全循環(huán)法是將未反應的氨和二氧化碳,經減壓加熱分解分離后，用水汲取生成甲銨或碳酸銨水溶液再循環(huán)返回合成系統(tǒng)。我國尿素廠多數(shù)采納水溶液全循環(huán)法。氣提法是利用某一氣體在與合成等壓的條件下分解甲銨并將分解物返回合成系統(tǒng)的一種方法。按氣提氣體的不同又可分為二氧化碳氣提法、氨氣提法、變換氣氣提法。氣提法是全循環(huán)法的進展，具有熱量回收完全，氨和二氧化碳處理量較少的優(yōu)點。此外，在簡化流程、熱能回收和減少生產費用籌方面也都優(yōu)于水溶液全循環(huán)法是尿素生產進展的一種方向。本設計要緊敘述講解水溶液全循環(huán)法的有關內容。1.3水溶液全循環(huán)法和CO2汽提法兩種方法的比較1.3.1水溶液全循環(huán)尿素

18、工藝的優(yōu)、缺點水溶液全循環(huán)尿素工藝生產裝置的靜止高壓設備較少，只有尿素合成塔及液氨預熱器為高壓設備，其他均為中壓和低壓設備，因此該尿素工藝生產裝置的技術改造比較容易、方便，改造增產潛力較大。氨碳比操縱的較高，一般摩爾比為4.0左右，工藝介質對生產裝置的腐蝕性較低，除尿素合成塔襯里為尿素級316L材質外，其他設備和管道使用316L不銹鋼或一般不銹鋼材質即可，因此對設備、管道用材料相關于二氧化碳汽提工藝來講要低一些。由于氨碳比操縱的較高，二氧化碳氣體中氧含量操縱的較低，同時尿素合成塔操作壓力為19.6MPa，操作溫度為188190，因此水溶液全循環(huán)尿素工藝的二氧化碳轉化率較高，一般能達到42%68

19、%，通過尿素合成塔塔板的改造，有的企業(yè)差不多達到68%以上。由于該工藝高壓設備較少，高壓系統(tǒng)停車保壓時刻能夠達到24h，因此生產裝置的中小檢修一般能夠在尿素合成塔同意的停車保壓時刻內完成，減少了高壓系統(tǒng)排放的次數(shù)，降低了尿素的消耗。由于氨碳比操縱的較高，中低壓分解系統(tǒng)溫度操縱適當，尿素產品質量較容易操縱，一般能夠操縱在優(yōu)級品范圍內。水溶液全循環(huán)尿素工藝生產裝置的數(shù)量在我國現(xiàn)時期尿素生產中占有絕對優(yōu)勢，通過該工藝尿素企業(yè)和科研、設計、制造等單位的共同努力研究、探討和生產實踐經驗的積存總結，水溶液全循環(huán)尿素工藝生產裝置從設計、建筑、技術改造、工藝操作到生產綜合治理都積存了相當豐富的經驗，是具有中國

20、小氮肥企業(yè)特色的最成熟的尿素工藝。但其缺點是：水溶液全循環(huán)尿素工藝生產裝置的工藝流程較長，在操作調節(jié)方面不如CO2汽提法尿素工藝簡單、方便。由于氨碳摩爾比操縱得較高，一般穩(wěn)定在4.0左右，同時未反應生成尿素的氨和二氧化碳氣體全部要通過低壓、中壓循環(huán)汲取系統(tǒng)回收后再返回到尿素合成塔，液氨泵和一段甲按泵的輸送量比較多，因此該工藝中液氨泵和一段甲按泵的臺數(shù)較多，動力消耗較多。由于該工藝高壓系統(tǒng)的操作壓力高達19.6 MPa，同時一段甲鐵液的工藝要求溫度高達90左右，因此一段甲鈔票泵和液氨泵的運行周期較短、檢修維護時刻較多、維修費用較高。二氧化碳氣體壓縮機由于出口壓力高達20.0MPa，比CO2汽提法

21、高5.0MPa，故其運行周期也相對較短、維修工作量較多、維修費用較高。水溶液全循環(huán)尿素工藝的另一個缺點確實是，目前國內在運行的生產裝置大多為年產(1020) 104t/a(通過改造后的生產能力)，也有個不廠家通過雙尿素合成塔改造后達到了年產3010噸，最近山東化工規(guī)劃設計院也設計了年產3040萬噸尿素的水溶液全循環(huán)尿素裝置，但從單套裝置的設計生產能力來講，相關于CO2汽提法尿素工藝生產裝置還相差較遠。1.3.2 C02汽提法尿素工藝的優(yōu)、缺點CO2汽提法尿素工藝生產裝置的工藝流程較短，在操作調節(jié)方面比較簡單、方便。該工藝的特點是采納共沸物下的CO(NH2)2摩爾比為2.89作為操作操縱最佳指標

22、進行操作，大部分未反應生成尿素的氨和二氧化碳在高壓系統(tǒng)內循環(huán)接著反應生成尿素，只有較少部分的氨和二氧化碳需要在低壓部分進行回收，液氨泵和甲鈔票泵的輸送量比較少，因此該裝置中液氨泵和甲鈔票泵的臺數(shù)較少，動力消耗較少，同時該工藝高壓系統(tǒng)的操作壓力較低，為13.514.5MPa，使液氨泵和甲按泵的運行周期較長，維修費用較少。該工藝能夠回收較高品位的甲按反應熱，除本系統(tǒng)加熱使用外還可剩余少部分富裕低壓蒸汽供外系統(tǒng)使用。CO2汽提法尿素的另一個優(yōu)點確實是，生產裝置的生產能力的范圍較寬，運行都專門正常穩(wěn)定。同時荷蘭斯塔米卡邦公司最近幾年又對該工藝進行了大量研究工作，開發(fā)出了單套裝置年產100 100t/a

23、尿素的尿素池式冷凝器技術。與傳統(tǒng)高壓甲鐵冷凝器不同的是，池式冷凝器可提供一定的停留時刻，使甲鈔票生成尿素的反應在此可達到反應平衡的60%80%，使生產裝置產能在原設計能力的基礎上翻一番，同時尿素主框架高度降到40m以下，使操作更加方便、動力消耗又有所降低。但其缺點：CO2汽提法尿素工藝生產裝置的靜止高壓設備較多，有尿素合成塔、高壓二氧化碳汽提塔、高壓甲按冷凝器、高壓洗滌器四大要緊設備，它們是CO2汽提法尿素工藝生產裝置的核心，其他均為低壓設備，因此該尿素工藝生產裝置的技術改造比較困難，改造增產潛力較小。高壓二氧化碳汽提塔加熱需要的蒸汽品位較高，為2.5MPa，不如水溶液全循環(huán)尿素需用的蒸汽壓力

24、低。1.3.3尿素的進展前景與展望尿素的合成是第一次用人工方法從無機物制得有機化合物。1773年Rouelle在蒸發(fā)人尿時第一次發(fā)覺尿素；1824年，Prout通過分析得出尿素的實驗式；1828年德國化學家Wohler在實驗室以氰酸和氨制的尿素；1932年美國杜邦公司用直接合成法制取尿素氨水，在1935年開始制造固體尿素。之后又出現(xiàn)了制備尿素的其他方法，包括光氣與氨反應、CO2與氨反應、氰胺化鈣水解等，由于種種緣故，最終都未能實現(xiàn)工業(yè)化；唯一成為當代尿素工業(yè)化基礎的是由氨和二氧化塔合成尿素的反應。1932年，美國DU Pont公司用氨和 二氧化碳直接合成尿素并副產氨水；1935年開始生產固體尿

25、素并將未轉化物循環(huán)回收，逐步形成全循環(huán)法工藝。20世紀50年代世界各國推出多種溶液全循環(huán)工藝流程，類型有：熱氣循環(huán)法；懸浮液循環(huán)法；氣體分離循環(huán)法；水溶液全循環(huán)法等。其中，僅水溶液全循環(huán)法地成功獲得了工業(yè)應用：未反應的氨和二氧化碳以氣態(tài)形式與尿素水溶液分離后，用水汲取為水溶液，再用泵送回系統(tǒng)。其工藝包括氣液分離、液體汲取、氣體冷凝幾個步驟。當時工業(yè)化應用較成功的技術有美國Chemico法、Du Pont法和瑞士的Incenta法。另外，法國Pechiney推出未反應物以不同溶劑選擇性汲取循環(huán)流程。20世紀60年代，尿素工業(yè)進展的特點是：其一，尿素裝置趁于單系列大型化，裝置能力達到1000t/a

26、1500t/a；其二，氣提法工藝被廣泛采納。氣提法是針對水溶液全循環(huán)法的缺點而開發(fā)的一種工藝，事實上質是在與合成反應相等壓力條件下，利用一種氣體通過反應物系（同時伴有加熱）是未反應的氨或二氧化碳被帶出。因此，先后出現(xiàn)了二氧化碳氣提法（由Stamiearbon開發(fā)，使尿素生產的能耗大為降低）；氨氣提法（由意大利Snam Progetu開發(fā)），1966年建成第一個氨氣提法尿素工廠；日本Toyo Koatsu全循環(huán)改良C法（合成壓力高達25MPa，溫度為200，轉化率72）和D法；美國的UTI熱循環(huán)法。20世紀80年代之后，二氧化碳氣提法和氨氣提法得到進一步改進、完善；同時世界上聞名的尿素公司還開發(fā)

27、了其他的先進工藝：意大利的等壓雙循環(huán)工藝（Isobaric Double Recycle，簡稱IDR）；日本TEC/TMC開發(fā)了降低成本和節(jié)能新流程ACES（Advancde Process for Cost and Energy Saving）新工藝；瑞士Amonnia Casale開發(fā)了分級處理合成液的氣提法分流工藝等。與原有二氧化碳氣提法相比，具有以下特點：一是采納了新型高效的塔盤；二是開發(fā)了臥式池式冷凝器取代原立式高壓冷凝器；三是降低了尿素主框架的高度；四是增設了二氧化碳脫氫裝置，使二氧化碳氣中氫氣體積分數(shù)由約0.5降到了500.05 以下，確保尿素洗滌系統(tǒng)安全運行。國內情況是我國尿素

28、的年消耗量約在3000萬噸，即使可能今后幾年有所增長，大概也可不能超過3500萬噸?，F(xiàn)有的生產能力差不多快要達到，我國今后十年內生產尿素都將過剩。第二章 水溶液全循環(huán)法生產尿素的原理水溶液全循環(huán)法是將未反應的氨和二氧化碳,經減壓加熱分解分離后，用水汲取生成甲銨或碳酸銨水溶液再循環(huán)返回合成系統(tǒng)。2.1化學反應生產尿素的原料是氨和二氧化碳，后者是合成氨廠的副產品。尿素合成反應分兩步進行：氨與二氧化碳作用生成氨基甲酸銨(簡稱甲銨)；甲銨脫水生成尿素，其反應式為： 2NH3+CO2NH2COONH4+159.47kJ(1)NH2COONH4CO(NH2)2+H2O-28.49kJ(2)式(1)是強放熱

29、反應，在常壓下反應速度專門慢,加壓下則專門快。式(2)是和氣的吸熱反應。當溫度為170190,氨與二氧化碳的摩爾比為2.0，壓力高到足以使反應物得以保持液態(tài)時，甲銨轉化成尿素的轉化率(以CO2計)為 50；其反應速率隨溫度的提高而增大。當溫度不變時，轉化率隨壓力的升高而增大，轉化率達到一定值后，接著提高壓力，不再有明顯增大，現(xiàn)在，幾乎全部反應混合物都以液態(tài)存在。提高氨與二氧化碳的摩爾比，可增大二氧化碳的轉化率，降低氨的轉化率。在實際生產過程中，由于氨的回收比二氧化碳容易，因此都采納氨過量，一般氨與二氧化碳的摩爾比3。反應物料中,水的存在將降低轉化率，在工業(yè)設計中要把循環(huán)物料中的水量降低到最小限

30、度。少量氧（空氣）的存在能阻緩材料的腐蝕。增加反應物料的停留時刻能提高轉化率,但并不經濟,工藝設計中最佳條件的選擇是在經濟合理的情況下，追求單位時刻的最大產量。典型的工藝操作條件是溫度180200、壓力13.824.6MPa、氨與二氧化碳摩爾比2.84.5反應物料停留時刻2540min。2.2反應原理2NH3+CO2CO(NH2)2+H2O 這是一個可逆、放熱、體積縮小的反應，反應在液相中是分兩步進行的。首先液氨和二氧化碳反應生成甲銨，故稱其為甲銨生成反應：2NH3+CO2NH2COONH4該步反應是一個可逆的體積縮小的強放熱反應。在一定條件下，此反應速率專門快，客易達到平衡。且此反應二氧化碳

31、的平衡轉化率專門高。然后是液態(tài)甲銨脫水生成尿素，稱為甲銨脫水反應；NH2COONH4CO(NH2)2+H2O此步反應是一個可逆的微吸熱反應，平衡轉化率一般為50%70。此步反應的速率也較緩慢，是尿素合成中的操縱速率的反應。第三章 水溶液全循環(huán)法的生產工藝流程3.1原料的預備3.1.1氨(1)氨的性質氨的分子式為NH3，分子量為17.03，在常溫常壓下是無色的具有專門刺激性的氣體，在低溫高壓下能夠液化，當溫度低于77.7以下時，氨能夠成為具有臭味的無色結晶，其要緊物理性質如下：臨界溫度132.4臨界壓力（絕壓）MPa11.15臨界比容(m3)4.26密度（氣體在標準狀態(tài)下）（L）760(2)尿素

32、生產對液氨質量的要求子式和尿素其質量分數(shù)為：氨99.5，水0.5，油10 mg/kg。3.1.2二氧化碳(1)二氧化碳的性質二氧化碳是無色氣體，在一定條件下能夠液化，在強烈冷卻時能夠變?yōu)楣腆w，成為干冰。其分子式為CO2，分子量為44，其臨界壓力為7.29MPa，臨界溫度為31，臨界密度為0.486gcm3,標準狀態(tài)下氣體密度為1.997gL,液體的密度為0.9248gcm3，沸點為-56.2，熔點為-78.48.(2)尿素生產對二氧化碳質量的要求對原料二氧化碳氣的要求為：CO2含量98.5（體積分數(shù)）；H2S含量15mg/m3。3.2尿素的工藝流程圖水溶液全循環(huán)法示意流程如圖3-1所示。通過加

33、壓預熱的原料液氨與經壓縮后的原料二氧化碳氣及循環(huán)回收來的氨基甲酸銨液一并進入預反應器。在預反應器內氨與二氧化碳反應生成氨基甲酸銨，再進入尿素合成塔，在塔內氨基甲酸銨脫水生成尿素。尿素熔融物從塔頂出來進入預分離器，將氨基甲酸銨和氨進行分離。氨基甲酸銨從預分離器底部出來進入中壓循環(huán)加熱器，用蒸汽間接加熱使氨基甲酸銨分解，然后進入中壓分離器，分離出的尿液再減壓進入精餾塔，進一步分解氨基甲酸銨。精餾塔底出來的尿液進入低壓循環(huán)加熱器，用蒸汽加熱進一步提高溫度，促使殘余氨基甲酸銨分解。氣、液在低壓循環(huán)分離器內分離。分離出的尿液經減壓至常壓后，進入閃蒸槽，經減壓后尿液中的氨基甲酸銨和氨幾乎全部清除。自閃蒸槽

34、出來的尿液進入尿液貯槽，用尿素溶液泵打入中壓蒸發(fā)加熱器及低壓蒸發(fā)加熱器，在不同真空度下加熱蒸發(fā)，氣、液分不在中壓蒸發(fā)分離器及低壓蒸發(fā)分離器內分離。低壓分離器出口尿液濃度達99.7%(質量)以上，用熔融尿素泵打入造粒塔，經造粒噴頭灑成尿粒，在塔底得到成品尿素。圖3-1水溶液全循環(huán)法生產尿素工藝流程圖1-預反應器；2-尿素合成塔；3-預分離器；4-中壓循環(huán)加熱器；5-中壓循環(huán)分離器；6-精餾塔；7-低壓循環(huán)加熱器；8-低壓循環(huán)分離器；9-閃蒸槽；10-尿液貯槽；11-尿素溶液泵；12-一段蒸發(fā)加熱器；13-一段蒸發(fā)分離器；14-二段蒸發(fā)加熱器；15-二段蒸發(fā)分離器；16-熔融尿素泵；17-造粒塔預

35、分離器、中壓循環(huán)分離器、低壓循環(huán)分離器及精餾塔頂部出來的氨和二氧化碳氣體，進入回收系統(tǒng)?；厥盏陌焙投趸家砸喊被虬被姿徜@的形式返回合成系統(tǒng)循環(huán)使用。一段蒸發(fā)分離器、二段蒸發(fā)分離器及閃蒸槽出來的氣體，大部分水蒸氣和少量的氨去冷凝、真空系統(tǒng)，回收殘余氨后放空。3.3原料的凈化與輸送3.3.1二氧化碳脫硫與壓縮原理(1) 原料二氧化碳是合成氨裝置生產的副產物，其中含有極少量的硫化物（要緊是硫化氫）。為了減少硫化氫對尿素設備及管道的腐蝕，首先必須對其進行脫硫。方法有干法和濕法，干法較常用，能夠達到專門高的凈化度，但只有當空氣中的硫化氫含量較低時才能應用（1g/m3）,因此必須與濕法串聯(lián)，干法放在其

36、后。其流程圖如圖3-2。圖3-2 二氧化碳脫硫原理圖(2) 有合成氨系統(tǒng)送來的二氧化碳氣體，進入壓縮機之前，在總管內與氧氣混合。加氧是為了防止合成、循環(huán)系統(tǒng)的設備腐蝕。氧氣需要量約為二氧化碳總量的0.5（體積），二氧化碳通過一個帶有水封的液滴分離器，用來除去二氧化碳氣體中的水滴以愛護二氧化碳壓縮機。在液滴分離器之前設有放空閥，當系統(tǒng)停車或生產能力驟減時，由此放出一部分二氧化碳。3.3.2液氨的凈化與輸送從合成氨裝置內送來的2.0MPa表壓下的液氨，通過氨過濾器除去雜質進入系統(tǒng)。過濾后的液氨送入液氨緩沖槽的原料室中。液氨緩沖槽位有操縱閥自控調節(jié)，并在操縱盤上設有液氨緩沖槽的高低液位報警器。由中壓

37、循環(huán)系統(tǒng)來的液氨進入氨循環(huán)槽的回流室，一部分作為中壓塔的回流氨，多余的氨流過的溢流隔板進入原料室，與新奇原料混合。原料液氨與溢流氨匯合后從氨緩沖槽原料室進入高壓氨泵。高壓液氨進入合成塔之前，先通過預熱器預熱到45-55，高壓液氨經預熱后送入高壓混合器，然后進入尿素合成塔。3.4尿素的合成3.4.1液氨和二氧化碳直接合成尿素總反應為：2NH3+CO2CO(NH2)2+H2O-103.7kJ，實際上反應是分兩步進行的，首先是氨與二氧化碳反應生成氨基甲酸銨：2NH3+CO2NH2COONH4該步反應是一個可逆的體積縮小的強放熱反應。在一定條件下，此反應速率專門快，容易達到平衡。且此反應二氧化碳的平衡

38、轉化率專門高.然后是液態(tài)甲銨脫水生成尿素，稱為甲銨脫水反應；NH2COONH4CO(NH2)2+H2O-28.49kJ，此步反應是一個可逆的微吸熱反應，平衡轉化率一般為50%70。此步反應的速率也較緩慢，是尿素合成中的操縱速率的反應。3.4.2合成尿素的理論基礎在一定條件，氨基甲酸銨的生成速度是專門快的，而氨基甲酸銨的脫水速度則專門慢。因此，在合成尿素的生產中，反應時刻的長短和尿素合成產率的高低，直接與氨基甲酸銨的脫水速度和尿素合成反應的平衡有關。3.5中壓分解與汲取尿素合成過程中，進入合成塔的原來不可能全部轉變?yōu)槟蛩亍Ｒ话銇碇v，約有67左右的二氧化碳和34的氨轉變?yōu)槟蛩?，其余的氨和二氧化碳則

39、以氨基甲酸銨、游離二氧化碳和游離氨的形式存在于尿素合成液中。這部分物質必須和尿素分離后，作為原料重新循環(huán)使用，使原料氨和二氧化碳利用率分不達到98-99及94-96.5。氨基甲酸銨、游離二氧化碳、游離氨與尿素分離，要采納減壓加熱法（包括降低氨或二氧化碳分壓而不降低其總壓力）。其原則是降低合成反應液平衡壓使為轉化的氨基甲酸銨、游離氨和游離二氧化碳在分解設備內被分離成氣相，然后進入汲取設備。在一定工藝條件下, 氣相氨、二氧化碳重新冷凝或者被汲取生成液態(tài)氨基甲酸銨，送回合成塔。3.6低壓分解與汲取中壓分解后的尿素溶液中未轉化的氨基甲酸銨需要再一次減壓后進入低壓系統(tǒng)在進行分解，實驗測得數(shù)據表明，在0.

40、49MPa表壓以下及120以上時，分解后的液相組成僅與溫度、壓力有關，而原始溶液總成無關。3.7尿素溶液的蒸發(fā)與造粒尿素合成反應液經二次減壓加熱和閃蒸，將未反應物分離之后，得到溫度為95、濃度為7375的尿素溶液，貯存于尿液貯槽。次尿液必須進一步濃縮，將含水量降到0.3，然后造粒，才便于貯存和運輸。尿素濃縮能夠采納蒸發(fā)法，也能夠采納結晶法。從蒸發(fā)法得到熔融狀尿素直接能夠造粒，而結晶法得到固體結晶尿素，仍須加熱再熔融后進行造粒。這是由于結晶尿素易于吸潮結塊。蒸發(fā)法制的粒狀尿素含縮二脲在0.9左右，而結晶法制的粒狀尿素中縮二脲的含量能夠降到0.3.前者設備較少，基建投資較少，后者投資稍有增加。具體

41、采納哪種方法依情況而定。熔融尿素(140)尿素粒子(140)尿素粒子(60) 第四章 物料衡算和熱量衡算4.1物料衡算4.1.1數(shù)據采集(1)計算范圍：以第一反應器為計算范圍，如圖4-1所示。(2)年生產力：10萬噸尿素(3)年開工時數(shù)：8000h。10104103kg8000h=12500kg/h(以1h為基準，以下計算中，不再寫h-1) 圖44.1.1.1進料氣體的純度（摩爾分數(shù)）氨50%，二氧化碳40%，甲銨10%；純循環(huán)甲銨的純度（摩爾分數(shù)）80%，甲銨的分解率70%，尿素的回收率60%，氨的轉化率60%，二氧化碳的轉化率60%。4.1.1.總反應方程式：2NH3+CO2CO(NH2)

42、2+H2O分步反應方程式：2NH3+CO2NH2COONH4+159.47kJNH2COONH4CO(NH2)2+H2O-28.49kJ4.1.2差不多物料衡算第一反應器中生成的尿素的量：12500kg60%=20833.3kg=347.2kmol第一反應器中生成的水的量：12500kg60%=20833.3kg=347.2kmol=6249.6kg純循環(huán)甲銨的量：12500kg60%=20833.3kg=347.2kmol=6249.6kg循環(huán)甲銨的量：347.2kmol80%70%=620.0kmol=48360kg進料中甲銨的量：620.0kmol10%=6200.0kmol=48360

43、0kg進料中氨的量：26200kmol50%=24800kmol=421600kg進料中二氧化碳的量：6200.0kmol40%=15500kmol=682000kg出料中氨的量：24800kmol(1-60%)=9920kmol=168640kg出料中二氧化碳的量：15500kmol(1-60%)=6200kmol=272800kg出料中甲銨的量：620.0kmol-347.2kmol=272.8kmol=21278.4kg列物料衡算表，見表4-2。表42 年產10萬噸的尿素生產物料衡算表進反應系統(tǒng)的原料組成出反應系統(tǒng)的原料組成組分kmol組分kmolNH3992028424NH399201

44、68640CO21550034716CO26200272800NH2COONH46200.0483600H2O347.26249.6NH2COONH4272.821278.4CO(NH2)2347.241820總量546740總量5107884.2熱量衡算4.2.1數(shù)據采集(1) 298.15K標準生成熱如下：fHm(CO(NH2)2)=-113.085kJ/mol fHm(CO2)=-393.511 kJ/mol fHm(NH3)=-46.19kJ/mol fHm(NH2COONH4)=-326.42 kJ/mol fHm(H2O)=-241.825kJ/mol (2) 物料摩爾定壓熱容數(shù)據

45、，見表4-3。表4-3 物料摩爾定壓熱容數(shù)據物質摩爾定壓熱容Cp,m/(kJ(molK)-1)物質摩爾定壓熱容Cp,m/(kJ(molK)-1)2516025160NH335.6542.3CO237.1239.52H2O33.834.1NH2COONH469.3773.42CO(NH2)280.50反應混合氣進口溫度25，反應溫度和出口溫度160。4.2.2差不多熱量衡算 (1) 298.15K反應熱效應：rHm1=+159.47kJ/molrHm2=-28.49kJ/molQ放=24800Kmol(+159.47-28.49)=3248304103kJ=3.25106MJ(2) 反應混合氣帶

46、入熱：Q帶入=(2480035.65+1550037.12+620069.37) 25kJ=4.722107kJ=4.722104MJ(3) 產物氣帶出熱：Q帶出=(992042.3+620039.52+347.234.1+272.873.42+347.280.50) (160-25)kJ =7.25105135kJ=9.79104MJQ放(298.15)+Q帶入=Q帶出+Q移出Q移出= Q放(298.15) +Q帶入-Q帶出 =3.25106MJ+4.722104MJ-9.79104MJ =3.20106MJ(4) 列熱量衡算表，見表4-4。表4-4 年產10萬噸尿素生產熱量衡算表輸入輸出項

47、目熱量/ MJ項目熱量/ MJ反應氣帶入熱4.722104產物氣帶出熱9.79104298.15K反應放熱3.25106移出熱3.20106總計3.30106總計3.30106第五章 生產尿素的工藝條件及要緊設備5.1生產尿素的工藝條件為保證產品質量并取得較好的技術經濟效益，在生產過程中需嚴格操縱各項工藝條件，生產尿素的要緊工藝條件如下。5.1.1溫度尿素合成的操縱反應是甲銨脫水，它是一個微吸熱反應，故提高溫度甲銨脫水速度加快。溫度每升高10，反應速度約增加一倍，因此，從反應速率角度考慮，高溫是有利的。由實驗和熱力學計算表明，平衡轉化率開始時隨溫度升高而增大。若接著升溫平衡轉化率逐漸下降。表5

48、-1 反應溫度與二氧化碳轉化率的關系反應溫度/170180190轉化率606067.5注：NH3:CO2=4, H2O:CO2=0.6圖5-1溫度與轉化率的關系這是因為高溫時甲銨在液相中分解成氨和二氧化碳所造成；綜合進行考慮尿素合成塔內部操作溫度大致為185200。5.1.2氨碳比氨碳比是指反應物料中NH3CO2的摩爾比，常用符號a表示?！鞍边^量率”是指原料中氨量超過化學反應式的理論量的摩爾百分數(shù)。兩者是有聯(lián)系的，如當原料a=2時氨過量率為0，而a=4時，則氨過量率為100%。實驗表明，NH3過量能提高尿素的轉化率，因為過量的NH3促使CO2轉化，同時能與脫出的H2O結合成氨水。使水排除于反應

49、之外，這就等于移去都分產物，也促使平衡向生成尿素的方向移動。再者，過剩氨還會抑制甲銨的水解和尿素的縮合等有害副反應，也有利于提高轉化率。因此，過量氨增多；平衡轉化率增大，故工業(yè)上都采納氨過量操作，即氨碳比必須大于2。一般水溶液全循環(huán)法氨碳比選擇在3.54.5左右，CO2氣提法尿素生產流程中因設有高壓甲銨冷凝器移走熱量和副產蒸汽，不存在超溫問題，而從相平衡及合成系統(tǒng)壓力考慮，其氨碳比選擇在2.82.9。5.1.3水碳比水碳比是指合成塔進料中H2O/CO2的摩爾比，常用符號b來表示。水的來源有兩方面：一是尿素合成反應的產物，二是現(xiàn)有各種水溶液全循環(huán)法中，一定量的水會隨同未反應的NH3和CO2返回合

50、成塔中。從平衡移動原理可知：水量增加，不利于尿素的形成它將導致尿素平衡轉化率下降。表5-2 水碳比的阻礙H2O：CO20.30.50.70.91.1尿素平衡轉化率69.068.667.465.864.0水溶液全循環(huán)法中，水碳比一般操縱在0.71.2；CO2氣提法中，氣提分解氣在高壓下冷凝，返回合成塔系統(tǒng)的水量較少，因此水碳比一般在0.30.4之間。5.1.4操作壓力尿素合成總反應是一個體積減少的反應，因而提高壓力對尿素合成有利，尿素轉化率隨壓力增加而增大。但合成壓力也不能過高，因壓力與尿素轉化率的關系并非直線關系，在足夠的壓力下，尿素轉化率逐步趨于一個定值，壓力再升高，轉化率增加專門少，但同時

51、壓縮的動力消耗增大，生產成本提高，高壓下甲銨對設備的腐蝕也加劇。關于水溶液全循環(huán)法，當溫度為190和NH3：CO2等于4時，相應的平衡壓力為1820MPa左右。關于CO2氣提法操作壓力為1314MPa。5.1.5反應時刻在一定條件下，甲銨生成反應速率極快，而且反應比較完全，但甲銨脫水反應速率專門慢，而且反應專門不完全。因此尿素合成反應時刻要緊是指甲銨脫水生成尿素反應時刻。甲銨脫水速率隨溫度升高和氨碳比加大而加快。為了使甲銨脫水反應進行得比較完全，就必須使物料在合成塔內有足夠的停留時刻。然而，反應時刻過長，設備容積要相應增大，或生產能力下降，同時，甲銨的不穩(wěn)定性增加，尿素縮合反應加劇且甲銨對設備

52、的腐蝕也加劇，操作操縱比較困難。關于水溶液全循環(huán)法反應時刻一般為5060 min：其CO2轉化率可達62%64%。關于二氧化碳氣提法，反應時刻一般為 4050 min左右，其轉化率約為53%。5.2生產尿素的要緊設備5.2.1脫硫塔該塔為圓柱形立式設備，其作用是在加壓的條件下（2.0MPa），脫出二氧化碳中的硫化氫。含硫化氫的二氧化碳氣體，自上而下通過多層氫氧化鐵脫硫劑，發(fā)生脫硫反應，從塔的底部流出。為了提高脫硫效率，一般采納多塔并聯(lián)和串聯(lián)的組合方式。由于脫硫反應是在常壓和加壓的條件下進行，故該設備外殼為16MN材質制作。其結構示意圖如圖5-3。5.2.2合成塔合成塔是尿素合成的關鍵設備之一，

53、液氨與二氧化碳在塔內反應，最后生成尿素。尿素合成塔在較高的壓力下操作，因而應符合高壓容器要求，工業(yè)生高壓筒體一般采納較大的高徑比。尿素的合成是在較高溫度下操作，外殼需要保溫，保持熱量不擴散。尿素的合成反應需要一段時刻，因此塔內需要有足夠的空間，反應中不需要外加催化劑和換熱裝置，因此合成塔為空筒形式，有的內裝有塔板，以防物料的返混。尿素合成反應液具有強烈的腐蝕作用，塔內壁采納耐腐蝕材料襯里，現(xiàn)在一般用超低碳奧氏體不銹鋼、高鉻錳不銹鋼或鈦作為襯里或內套。外殼為整體鍛造或多層鋼板卷焊制成的高壓圓筒，頂蓋于筒體的密封結構，也能夠采納強制式的，目前都采納強制式的。其結構圖如圖5-4。圖5-3 脫硫塔圖5

54、-4套筒式合成塔5.2.3高壓混合塔高壓混合塔為鍛制圓筒體，有三部分總成：頂蓋、底部、筒體。筒體外采納中壓蒸汽伴管保溫。頂蓋底蓋與筒體材料相同，也是鍛制而成，頂蓋與出口管相連，出口關上設有溫度點，用以觀看物料混合后的溫度而推斷進料的組分比例。底蓋與二氧化碳、氨、氨基甲酸銨溶液進口相連，進口管分布為二氧化碳與氨互成180，氨基甲酸銨溶液管則與之互成90，這種分布的混合均勻效果較好。底蓋與支座相連，支座用地腳螺栓固定在混凝土基礎上。5.2.4中壓分解加熱塔中壓分解加熱器為立式列管換熱器，殼體為碳鋼，列管及頂、底蓋為不銹鋼。中壓分解加熱器的要緊作用是將合成塔出口反應液中未反應的液態(tài)游離氨、二氧化碳及氨基甲酸銨加熱分解成氣相氨與二氧化碳。5.2.5中壓分解分離塔中壓分解分離器為立式旋風分離裝置，氣體從切線方向有接管一進入器內，產生離心力，液滴依靠重力而下沉。分離后的氣體經喇叭形排氣管通過不銹鋼絲網除沫層，從頂部出口管3排出。設置喇叭形排氣管的目的是使氣體中冷凝液沿著椎體流向中間，防止冷凝液再被進口氣體帶走。其結構示意圖如圖5-5。圖5-5旋風分離器5.2.6中壓汲取塔中壓汲取塔是將中壓分解氣體氨和二氧化碳用來自低壓汲取的稀氨基甲酸銨液汲取下來，它是水溶液全循環(huán)工藝的關