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(NH22,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132.7℃。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160℃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(N46%,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。对热不稳定,加热至150~160℃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(NH22+H2O粒状尿素为粒径1~2毫米的半透明粒子,外观光洁,吸湿性有明显改善。20℃时临界吸湿点为相对湿度80%,但30℃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4~8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。
(二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+CO2→CO(NH22+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:①氨和二氧化碳原料的供应及净化;②氨和二氧化碳合成尿素;③未反应物的分离与回收;④尿素溶液的加工。其生产过程如图1所示。
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. C02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,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CO2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、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艺。
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 Saving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。
二、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:①氨与二氧化碳作用生成氨基甲酸铵(简称甲铵;②甲铵脱水生成尿素,其反应式为:
2NH3+CO2→NH2COONH4+159.47kJ①
NH2COONH4→CO(NH22+H2O-28.49kJ②
式①是快速、强放热反应,且平衡转化率高。式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℃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℃、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。
(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(NH22+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:
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(NH22+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:①氨和二氧化碳由气相进入液相的速率②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
(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(NH22+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(NH22+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,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。 41
23
5
79
12
14
13156
8
1710
去冷凝真空系统
尿素成品去回收系统
CO 2
氨基甲酸铵液液氨1116
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-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186~190℃,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77.7℃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∕℃132.4
临界压力(绝压∕MPa 11.15
临界比容∕(m3∕㎏ 4.26
密度(气体在标准状态下∕(㎎∕L760
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<10 mg/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7.29MPa,临界温度为31℃,临界密度为0.486g∕cm3,标准状态下气体密度为1.997g∕L,液体的密度为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,干法放在其后。其流程图如图4。
图4 二氧化碳脱硫原理图
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45~55℃,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120℃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(140℃→尿素粒子(140℃→尿素粒子(60℃。
四、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10℃,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/℃170 180 190
转化率∕%60 60 67.5
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185~200℃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。
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3.5~4.5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2.8~2.9。
(三水碳比
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:CO20.3 0.5 0.7 0.9 1.1
尿素平衡转
69.0 68.6 67.4 65.8 64.0
化率
备注:在20MPa,摩尔比NH3/CO2=4.51
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。
(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,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190℃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。
(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50~60 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40~50 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。
图6 脱硫塔结构简图
(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 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
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。
职业技术学院 毕业论文（设计） (冶金化工系) 题目水溶液全循环法生产尿素工艺 专业应用化工技术 班级 姓名 学号 指导教师 完成日期2010年6月25日-2010年10月10日
目录 摘要 (1) 第一章概述 (2) 1.1尿素的物理化学性质和用途 (2) 1.1.1尿素的物理性质 (2) 1.1.2尿素的化学性质 (2) 1.1.3尿素的用途 (2) 1.2尿素的生产方法简介 (3) 1.2.1水溶液全循环法 (4) 1.2.2汽提法 (4) 1.3水溶液全循环法和CO2汽提法两种方法的比较 (4) 1.3.1水溶液全循环尿素工艺的优、缺点 (5) 汽提法尿素工艺的优、缺点 (6) 1.3.2 C0 2 1.3.3尿素的发展前景与展望 (6) 第二章水溶液全循环法生产尿素的原理 (9) 2.1化学反应 (9) 2.2反应原理 (9) 第三章水溶液全循环法的生产工艺流程 (11) 3.1原料的准备 (11) 3.1.1氨 (11) 3.1.2二氧化碳 (11) 3.2尿素的工艺流程图 (11) 3.3原料的净化与输送 (13) 3.3.1二氧化碳脱硫与压缩原理 (13) 3.3.2液氨的净化与输送 (13) 3.4尿素的合成 (14)
3.4.1液氨和二氧化碳直接合成尿素 (14) 3.4.2合成尿素的理论基础 (14) 3.5中压分解与吸收 (14) 3.6低压分解与吸收 (15) 3.7尿素溶液的蒸发与造粒 (15) 第四章物料衡算和热量衡算 (16) 4.1物料衡算 (16) 4.1.1数据采集 (16) 4.1.2基本物料衡算 (16) 4.2热量衡算 (17) 4.2.1数据采集 (17) 4.2.2基本热量衡算 (18) 第五章生产尿素的工艺条件及主要设备 (19) 5.1生产尿素的工艺条件 (19) 5.1.1温度 (19) 5.1.2氨碳比 (20) 5.1.3水碳比 (20) 5.1.4操作压力 (20) 5.1.5反应时间 (21) 5.2生产尿素的主要设备 (21) 5.2.1脱硫塔 (21) 5.2.2合成塔 (21) 5.2.3高压混合塔 (23) 5.2.4中压分解加热塔 (23) 5.2.5中压分解分离塔 (23) 5.2.6中压吸收塔 (24) 5.2.7氨冷凝器 (24)
尿素的生产方法 工业上用二氧化碳与氨合成尿素，由于反应物不能完全转化，未反应物需要回收。回收方式很多，早期有不循环法和部分循环法，现均采用全循环法。 全循环法是尿素合成后，未转化的氨和二氧化碳经多段蒸馏和分离后，以各种不同形式全部返回合成系统循环利用。 无论何种全循环法，尿素生产的基本工艺相同，分为四个基本步骤： 1氨与二氧化碳的供应与净化； 2氨与二氧化碳合成尿素； 3尿素熔融液与未反应物质的分离与回收； 4尿素熔融物的加工。 目前，工业上采用水溶液全循环法及气提法。 (l)水溶液全循环法尿素合成的未反应物氨和COz，经减压加热分解分离后，用水吸收成甲铵溶液，然后循环回合成系统称为水溶液全循环法。该法自20世纪60年代起迅速得到推广，在尿素生产中占有很大的优势，至今仍在完善提高。典型的有荷兰斯塔米卡本水溶液全循环法、美国凯米科水溶液全循环法及日本三井东压的改良C法及D法等。我国中小型尿素厂多数采用水溶液全循环法。 水溶液全循环法工艺可靠、设备材料要求不高、投资较低。缺点是反应热没能充分利用，一段甲铵泵腐蚀严重，甲铵泵的制造、操作、维修比较麻烦；为了回收微量的CO2和氨气，使流程变得过于复杂。 (2)气提法是用气提剂如CO2、氨气、变换气或其他惰性气体，在一定压力下加热并气提合成反应液，促进未转化的甲铵分解。 NH2COONH4=2NH3(g)↑+CO2(g)↑（可以反映） 该式是吸热、体积增大的可逆反应，只要有足够的热量，并能降低反应产物中任意组分的分压，甲铵的分解反应就一直向右进行。气提法就是利用这一原理，当通入co.气时，气相中co.的分压接近于1，而氨的分压趋于O，致使反应不断进行。同样，用氨气提也有相同的结果。 根据通入气体介质的不同，分为c0.气提法、NH3气提法和变换气气提法等。 气提法工艺是当前尿素合成生产中重要的技术改进，与水溶液全循环法相比，具有流程简化、能耗低、生产费用低、单系列大型化和运转周期长等优点。
尿素循环有什么生理意义 尿素循环也叫做尿氨酸循环，我们知道人体肝脏当中的二分子氨和一分子的二氧化碳能够生成一分子的尿素，这是一种环式的代谢途径，尿素循环的主要过程分为五大部分反应。它对于人体的健康有着重要的意义，如果缺乏尿素循环，会导致婴儿出生不久出现死亡，或者是昏迷，甚至会早造成智力低下等症状表现。 ★循环过程 ★主要有5大步反应： （1）1分子氨和CO2在氨甲酰磷酸合成酶的催化下生成氨甲酰磷酸，反应在线粒体基质进行，消耗2分子ATP； （2）在鸟氨酸氨甲酰基转移酶的作用下，氨甲酰磷酸的氨甲酰基转移到鸟氨酸上形成瓜氨酸，反应在线粒体基质中进行； （3）瓜氨酸由线粒体运至胞浆，精氨基琥珀酸合成酶催化瓜氨酸和天冬氨酸缩合成精氨琥珀酸，反应在细胞质中进行，消
耗1分子ATP中的两个高能磷酸键（生成AMP）； （4）精氨琥珀酸酶（裂解酶）将精氨琥珀酸裂解为精氨酸，释放出延胡索酸，反应在细胞质内进行； （5）精氨酸被精氨酸酶水解为尿素和鸟氨酸，鸟氨酸进入线粒体，可再次与氨甲酰磷酸合成瓜氨酸，重复上述循环过程。 氨甲酰磷酸的合成由氨甲酰磷酸合成酶催化，底物为氨、碳酸（CO2的水合形式）和2分子ATP。其合成机理大概是：第一个ATP分子的γ-磷酸集团转移给碳酸，生成羧基磷酸，释放出ADP；接着NH3的氮原子进攻羧基磷酸的碳原子，历经一个四面体中间产物生成氨基甲酸；伴随第二个ATP参与反应，最后生成氨甲酰磷酸。氨甲酰磷酸合成酶受N-乙酰谷氨酸激活，如高蛋白膳食可导致激活剂增产，从而促进氨甲酰磷酸增加合成，有助于多余的氨的排除。 ★生理意义
（1）尿素循环不仅将氨和CO2合成为尿素，而且生成一分子延胡索酸，使尿素循环与柠檬酸循环联系起来。 （2）肝脏中尿素的合成是除去氨毒害作用的主要途径，尿素循环的任何一个步骤出问题都有可能产生疾病。如果完全缺乏尿素循环中的某一个酶，婴儿在出生不久就昏迷或死亡；如果是部分缺乏，引起智力发育迟滞、嗜睡和经常呕吐。在临床实践中，常通过减少蛋白质摄入量使轻微的高氨血遗传性疾病患者症状缓解，原因就是减少了游离氨的来源。 （3）植物体内也存在尿素循环，但转运活性低，其意义在于合成精氨酸。个别植物也可产生尿素，在脲酶作用下分解产生氨，用以合成其他含氮化合物，包括核酸、激素、叶绿体、血红素、胺、生物碱等。
尿素生产工艺图文详解 1性质：尿素：学名为碳酰二胺，分子式为CO（NH2）2，相对分子量为60.06。因最早由人类及哺乳动物的尿液中发现，故称为尿素。 纯净的尿素为无色、无味、无臭的针状或棱柱状的晶体，含氮量46.6%，工业尿素因含有杂质而呈白色或浅黄色。 尿素的熔点在常压下为132.6℃，超过熔点则分解。尿素较易吸湿，其吸湿性次于硝酸铵而大于硫酸铵，故包装、贮存要注意防潮。尿素易容于水和液氨，其溶解度随温度升高而增大，尿素还能容于一些有机溶剂，如甲醇、苯等。 2用途：尿素的用途非常的广泛，它不仅可以用作肥料，而且还可以用作工业原料以及哺乳动物的饲料。 2.1尿素是目前使用的固体氮肥含氮量最高的化肥； 2.2在有机合成工业中，尿素可用来制取高聚物合成材料，尿素甲醛树脂可用于生产塑料漆料和胶合剂等；在医药工业中，尿素可作为生产利尿剂、镇静剂、止痛剂等的原料。此外，在石油、纺织、纤维素、造纸、炸药、制革、染料和选矿等生产中也要尿素； 2.3尿素可用作牛、羊等动物的辅助饲料，哺乳动物胃中的微生物将尿素的胺态氮转变为蛋白质，使肉、奶增产。但作为饲料的尿素规格和用法有特殊的要求，不能乱用。 3原料来源：生产尿素的原料主要是液氨和二氧化碳气体，液氨是合成氨厂的主要产品，二氧化碳气体是合成氨原料气净化的的副产品。合成尿素用的液氨要求纯度高于99.5%，油含量小于10PPm，水和惰性气体小于0.5%并不含催化剂粉、铁锈等固体杂质。要求二氧化碳的纯度大于98.5%，硫化物含量低于15mg/Nm3。 4生产方法：水溶液全循环法. 5生产原理： 5.1化学及热、动力学原理：液氨和二氧化碳直接合成尿素的总反应式为: 2NH3(l)+CO2=CO(NH2)2+H2O这是一个放热体积减小的反应,其反应机理目前有很多的解释,但一般认为,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:2NH3(l)+CO2(g)=NH4COONH2(l)该反应是一个体积缩小的强放热反应.在一定的条件下,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:NH4COONH2(l) =CO(NH2)2(l)+H2O该反应是微吸热反应,平衡转化率不是很高,一般为50%-70%.此步反应的速率很慢是尿素合成中的控制反应. 5.2工艺条件选择：根据前述尿素合成的基本原理可知,影响尿素合成的主要因素有温度、原料的配方压力、反映时间等. 5.2.1温度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10℃,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. 目前应选择略高于最高平衡转化率时的温度,故尿素合成塔上部大致为185～200℃;在合成塔的下部,气液两相间的平衡对温度起者决定性的作用.操作温度要低于物系平衡的温度. 5.2.2氨碳比工业生产上,通过综合考虑,一般水溶液全循环法氨碳比应选择在4左右,若利用合成塔副产蒸汽,则氨碳比取3.5以下. 5.2.3水碳比水溶液全循环法中,水碳比一般控制在0.6～0.7;（1）操作压力一般情况下,生产的操作压力要高于合成塔顶物料和
SNCR脱硝工程 尿 素 一、系统概述 本工程设置的尿素溶液制备与储存系统为立达矸石电厂3×220t/h循环流化床锅炉SNCR脱硝专用系统。其中包括尿素溶解罐、尿素溶液储存罐、尿素溶液输送泵、尿素溶液混合泵等设备。若三台锅炉同时使用SNCR脱硝系统，在BMCR工况下脱硝效率达到50%时，三台锅炉消耗固体尿素的最大量为0.234t/h。
尿素制备车间的控制系统采用DCS控制系统，实现制备系统的远程操作，锅炉控制室内DCS监视尿素溶液储存罐液位、循环泵出口流量、温度及压力等信号。袋装尿素经汽车运输至尿素制备区，人工拆袋后经过斗式提升机投放到尿素溶解配制罐。使用溶解罐内的蒸汽盘管将工艺水加热至60℃，自动控制溶解水温度。启动搅拌器，配置成50%浓度的尿素溶液，通过蒸汽盘管，保持溶解罐温度在40℃以上， 5
二、50%尿素溶液配制 1、尿素分析表 本工程脱硝系统设计用的反应剂为纯尿素，其品质符合GB2440-2001国家标准中合格品指标 的尿素要求，如下表： 。（液 观察供气压力，正常后打开尿素溶解罐蒸汽疏水门，使蒸汽冷凝水到配制车间采暖回水管道，然后在DCS系统中打开尿素溶解罐进气管道蒸汽电磁阀，正常进汽后，观察尿素溶解罐温度，在DCS系统中设定温控自动（温度设定值为60-70℃）尿素配置罐温度保持在60℃左右，有利于尿素溶解。由于尿素的溶解过程是吸热反应，
其溶解热高达 -57.8cal/g（负号代表吸热）。也就是说，当 1克尿素溶解于 1 克水中，仅尿素溶解，水温就会下降57.8℃。尿素配置罐温度保持在60℃左右，有利 于尿素溶解。 （3）尿素溶解罐进固体尿素 若所用尿素是袋装尿素50kg/袋，要配制50%wt的尿素溶液，需要加入尿素3T 通过观察 35 （6）尿素输送泵、尿素混合泵冲洗： 长时间停运泵（1-2天），要用工业水冲洗泵及其相应管道，防止设备长期停滞 引起尿素溶液结晶造成管道堵塞。 长时间（1-2天）不进行还原剂配置时，向搅拌罐内注入1m工艺水，启动尿素运输泵向储存罐注水，1-2分钟后停止尿素运输泵，泵及管道冲洗完毕。
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。对热不稳定，加热至150~160°C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1~2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
尿素是由碳、氮、氧和氢组成的有机化合物，又称脲（与尿同音）。其化学公式为CON2H4、(NH2)2CO 或CN2H4O，分子质量60，国际非专利药品名称为Carbamide。外观是白色晶体或粉末。它是动物蛋白质代谢后的产物，通常用作植物的氮肥。尿素在肝合成，是哺乳类动物排出的体内含氮代谢物。这代谢过程称为尿素循环。尿素是第一种以人工合成无机物质而得到的有机化合物。活力论从此被推翻 物理性质 化学式：CO(NH2)2，分子质量60.06 ，CO(NH2)2无色或白色针状或棒状结晶体，工业或农业品为白色略带微红色固体颗粒，无臭无味。含氮量约为46.67%。密度1.335g/cm3。熔点132.7℃。溶于水、醇，难溶于乙醚、氯仿。呈弱碱性。 CAS No.：57-13-6 EINECS号：200-315-5 分子式：CH4N2O 分子量：60.05 熔点：131-135℃ 沸点：196.6°Cat760mmHg 折射率：n20/D 1.40 闪光点：72.7°C Inchi：InChI=1/CH4N2O/c2-1(3)4/h(H4,2,3,4) 密度：1.335 水溶性：1080 g/L (20℃)化学性质
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160℃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。 对热不稳定，加热至150~160℃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。） 与乙酰氯或乙酸酐作用可生成乙酰脲与二乙酰脲。 在乙醇钠作用下与丙二酸二乙酯反应生成丙二酰脲（又称巴比妥酸，因其有一定酸性）。 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。 与水合肼作用生成氨基脲。 尿素易溶于水，在20℃时100毫升水中可溶解105克，水溶液呈中性反应。尿素产品有两种。结晶尿素呈白色针状或棱柱状晶形，吸湿性强。粒状尿素为粒径1～2毫米的半透明粒子，外观光洁，吸湿性有明显改善。20℃时临界吸湿点为相对湿度80%，但30℃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。 农业应用：
60kt/a尿素生产水溶液全循环法工艺初步设计毕业设计 目录 第一章绪论 (1) 1.1尿素产品的用途 (1) 1.2尿素的性质 (1) 1.3尿素生产的原料和工艺原理［1］ (2) 1.4设计流程 (2) 1.4.1工艺流程简图 (2) 1.4.2全溶液水循环法生产尿素流程叙述 (3) 1.5计算依据［3］ (4) 1.5.1尿素合成塔 (4) 1.5.2一段分解分离器 (4) 1.5.3二段分解塔 (4) 1.5.4成品尿素含量 (4) 第二章物料衡算 (5) 2.1物料流程简图 (5) 2.2合成塔 (5) 2.2.1已知数据及反应框图 (5) 2.2.2物料计算 (6) 2.2.3合成塔物料平衡数据表 (7) 2.3一段分解分离器 (7) 2.3.1反应框图与已知数据 (7) 2.3.2物料计算 (8) 2.3.3一段分离器物料平衡数据表 (8) 2.4二段分解塔 (9) 2.4.1反应框图与已知数据 (9) 2.4.2物料计算 (10) 2.4.3二段分解塔物料平衡数据表 (11) 第三章热量衡算 (12) 3.1合成塔 (12)
3.1.2尿素合成塔热平衡计算项目 (12) 3.1.3合成塔热量计算 (12) 3.1.4合成塔热量平衡数据表 (15) 3.2一段分解分离器 (15) 3.2.1计算依据［6］ (15) 3.2.2一段分解分离器热量计算 (15) 3.2.3一段分解分离器热量平衡数据表 (17) 3.3二段分解塔 (17) 3.3.1计算依据 (17) 3.3.2二段分解塔热量计算 (17) 3.3.3二段分解塔热量平衡数据表 (18) 第四章设备设计及选型 (20) 4.1合成塔特性 (20) 4.1.1合成塔设计条件［8］ (20) 4.1.2合成塔的有效容积 (20) 4.2一段分解加热器 (20) 4.2.1一段分解加热器设计条件 (20) 4.2.2一段分解加热器传热面积S1 (21) 4.3一段分解分离器的作用 (21) 4.3.1设计条件 (21) 4.3.2计算过程 (21) 4.4二段分解加热器的作用 (23) 4.4.1设计条件 (23) 4.4.2二段分解加热器传热面积S2 (23) 4.5二段分解塔的作用 (23) 4.5.1全塔的理论板数及其他参数 (24) 4.5.2计算浮阀塔塔高和塔径 (26) 4.5.3溢流装置 (28) 4.5.4塔板流体力学的验算 (30) 4.5.5塔板负荷性能图 (33) 4.6辅助设备及附属设备的选择 (38) 4.6.1裙座 (38) 4.6.2人孔 (38)
水溶液全循环法 在尿素生产中，未反应物的分离与回收的方法很多，其中水溶液全循环法是很重要的一种方法。水溶液全循环法采用两段减压加热分离与回收，即中压分解与回收和低压分解与回收，其中中压分解与回收的量约占未反应物总量的85％～90％，因此，中压分解与吸收的好坏将影响全系统的回收效率及经济技术指标。在中压分解与回收系统中，中压吸收塔是系统的关键设备，中压分解气中的二氧化碳全部由该设备吸收返回合成塔，因此该设备操作的好坏，直接影响尿素消耗和整个系统的稳定运行。下面就中压吸收塔的操作加以讨论，以达到优化操作的目的。 1 操作压力的控制 氨与二氧化碳的吸收过程，不仅是一个气体溶解在液体中物理吸收过程，而且还伴有体积减小的化学反应，2NH3＋CO2—→NH2COONH4＋Q，因此，增加压力，不仅对物理吸收有利，还有利于甲铵生成反应的平衡；另外经中压吸收塔吸收后的气体送氨冷凝器冷凝，此时中压吸收塔的操作压力除了应满足吸收液平衡蒸汽压外，还应大于氨冷凝器中使氨冷凝的最低压力，后者主要取决于氨冷凝器中冷却水的温度，因为气氨约在40℃下冷凝，对应的饱和蒸汽压为1.585 MPa，加上惰性气体的存在，气氨冷凝条件要求中压吸收压力为1.7～1.8 MPa；由于中压吸收与中压分解组成了中压循环回收系统，所以在中压吸收压力选择上必须考虑中压分解条件，而压力大并不利于甲铵的分解，故在满足吸收和氨冷凝所必须的压力前提下，应选择较低的压力。综合以上的因素，中压吸收操作压力选择在1.6～1.8 MPa左右。 2 操作温度的控制 因为NH3与CO2在吸收塔中的溶解和生成甲铵的反应都放出热量，所以操作温度低对吸收有利，因系统操作压力已固定，溶液中的水碳比受系统水平衡条件的限制而不能任意改变，所以溶液中的温度就决定中压吸收系统的状态，而溶液中的温度又决定了溶液中的氨碳比，氨碳比高温度低，气液平衡时气相中二氧化碳含量低，吸收情况好。如果中压吸收塔溶液温度维持100℃时，精洗中部温度将达到70℃左右，塔顶气相出口二氧化碳将会增高很多，中压吸收塔鼓泡段温度正常情况下一般控制在90～95℃左右。鼓泡段的温度控制可分直接与间接两种：直接控制就是通过调节回流氨量与塔底加热器来控制；间接控制是通过调整合成塔即中压分解塔一段蒸发系统的操作指标来进行调节。正常情况下通过改变回流氨量就能很好地调节，不正常时将这两种调节手段灵活采用，才能稳定操作。 3 水碳比的控制 中压吸收塔溶液中的水碳比影响了合成塔进料中的水碳比，因此吸收溶液中的水碳比降低，对提高合成塔CO2的转化率有利，当吸收溶液中水碳比增加时，有两种控制方法。（1）当进合成塔原料中氨与CO2量不变时，如果吸收液中的水碳比增大，则进合成塔的物料中的水碳比增大，使二氧化碳转化率下降，未反应物的回收量增多，如果还要保持原来的吸收溶液中的浓度，就需要增加吸收剂的水量，则系统的循环水量增加，返回合成塔的甲铵溶液量也增加，使物料在合成塔内停留时间缩短，转化率下降，当转化率下降到某一数值后，系统开始形成恶性循环，此时只有减少未反应物的回收量，将多余的中压吸收液排至系统外以调整系统达到新的平衡。（2）由于吸收液中水碳比上升，引起合成塔二氧化碳转化率下降。未反应物增加，如果不增加吸收剂水量，在可能的情况下提高中压吸收液浓度，降低甲铵液的水碳比，也可以使合成塔转化率又重新上升，使系统达到新的平衡，改变中压吸收溶液的水碳比时，要考虑合成塔进料的水碳比，甲铵溶液中水碳比下降，甲铵熔点升高，不饱和度降低，溶液中易析出甲铵结晶，同时气相中二氨化碳含量升高，吸收情况不好，所以中压回收溶液既要考虑合成塔的二氨化碳转化率，又要考虑中压吸收塔二氨化碳的吸收效率。 4 氨水、回流氨的控制
华能莱芜电厂 2×300MW机组扩建工程脱硝装置(SNCR) 尿素溶液配制手册（试行） 南京龙源环保有限公司 二零一一年七月
文件信息 1、设备系统概述
本工程设置#4、#5机组公用的尿素溶液配制和输送系统，包括配置罐、储存罐、尿素输送泵、尿素循环泵、地坑泵等。两台炉同时脱硝时，在BMCR运行工况下，脱硫效率在35%--40%时，固体尿素两台炉最大耗量约为0.665t/h。 工艺描述：尿素制备车间的控制系统采用PLC控制系统，该系统可以独立运行，实现制备系统的现场操作，锅炉控制室内DCS监视尿素溶液储存罐液位、循环泵出口流量、温度及压力等信号。散装尿素经汽车运输至尿素制备区，经双梁起重机及人工拆袋投放到尿素溶解配制罐。使用溶解罐内的蒸汽盘管将工业水加热至所需温度，自动控制溶解水温度。启动搅拌器，固体尿素经人工拆袋后投放到尿素溶解罐进行溶解，配置成40~60%浓度的尿素溶液，通过蒸汽盘管，保持溶解罐温度在45℃以上，避免尿素结晶析出。 尿素溶液配好后由尿素溶液输送泵输送到尿素溶液储罐，经尿素溶液循环装置送至尿素溶液计量分配装置，回流液自动返回尿素溶液储罐，尿素输送管道需要保温，控制溶液温度在30℃以上，避免管道内有尿素结晶析出。 本期工程的尿素溶液制备和输送系统为公用系统，共有二台尿素溶液储罐，所制尿素液满足2台锅炉7天的用量。 2、尿素溶液配制（50%wt） 2.1 纯尿素分析资料
脱硝系统用的反应剂为纯尿素，其品质符合GB2440-2001国家标准中农用合格品指标的尿素要求，如下表： 2.2 50%WT尿液配制步骤和方法： （1）尿素溶解罐进水 打开工业水进水手动门，观察电厂来工艺水压力,正常后通过PLC画面打开配制罐气动门XV-0102向尿素配制罐进水，尿素配制罐液位LT-0101联锁投入（液位SP值为1000+x），x为连续配制溶液时罐内存留的液体液位，进水重量约7T。 （2）尿素溶解罐温度控制 观察蒸汽压力PI-0101和温度TI-0103，正常后打开尿素配置罐蒸汽疏水门，使疏水（蒸汽冷凝液）到配制车间地坑，然后在PLC触摸屏上打开尿素溶解罐入口蒸汽阀XV-0101，正常进汽后，观察尿素配置罐温度TE-0101，，在PLC画面投上自动（温度SP值70--80℃），使尿素配置罐温度保持在70℃左右，利于尿素溶解。 （3）尿素配置罐进固体尿素 本车间所用尿素是袋装尿素50kg/袋，要配制50%wt的尿素溶液，需要加入尿素7T，即需连续加入140袋。通过双梁起重机运送到尿素卸料平台，经人工拆袋后投进尿素卸料斗进入配置罐，然后通过加热和搅拌对其进行溶解。 （4）系统循环加速尿素溶解（尿素全部投入后，等待20分钟启动尿素输送泵）打开尿素输送泵出口循环管气动阀XV-0106，打开尿素输送泵P101A/P101B入口手动门，PLC画面启动尿素输送泵P101A/P101B，5秒后打开出口气动阀XV-0104A/XV-0104B(可投自动），注意观察尿素输送泵电流和就地压力表。 （5）取样测密度 7T尿素加入完毕，溶解罐温度控制阀投入自动SP值改为45℃-50℃，当尿素溶液温度稳定后，搅拌器一直搅拌约半小时后，通知化验室取样测尿素溶液密度，判断尿素是否全部溶解。如全部溶解即可输送至尿素储存罐A/B。 （6）尿素储存罐A/B进料 尿素输送泵P101A/P101B运行，打开储存罐A/B进料阀气动阀XV-0201A/XV-0201B
安全操作规程(水循环设备) 一、任务： 本岗位负责一次水供应，负责合成氨系统循环水、尿素循环水的冷却，降温，加药处理，排污净化工作，负责岗位设备的正常运转，保质保量满足生产需要。 二、职权责任： 1、严格遵守各项纪律，落实班组管理制度。 2、搞好设备的维护与保养工作，做好设备的检查和检修工作，及时反映和处理设备问题。 3、保证岗位设备的卫生清洁，及时打扫区域卫生及打捞池内杂物，随时捡拾塑料袋。 4、按规定进行加药，及时了解水质情况，做好水位调节工作，合理进行补水和排水工作，按规定做好反洗和排污工作。 5、加强对本职业务的学习，熟练掌握操作本领，有权向上级提出技术上的不同意见，对违犯操作规程的有权制止，并及时上报。 6、有权提出不安全设备停用的意见，有权提出设备技术改造的建议，有权进行紧急处理突发故障，事后及时上报车间。 7、负责区域内的各项安全工作，保证设备及辅助设备的安全，保证公物、工具的妥善保管。 8、应有良好的职业道德，尽心尽力，工作认真负责，随时记录岗位情况，并对记录负全部责任。 三工作联系及交接班制度： 1、发现不正常情况不利于解决的应逐级汇报，对车间及处室有关指令要坚决执行。 2、当水质超标或水位不正常时，应及时与调度联系，查找原因，确保安全供水。 3、在供水不正常时，及时与调度联系，保证一次水供应。 4、与保全连系及时解决处理设备问题，保证设备的正常运转。 5、与电工及仪表值班人员联系，及时解决处理电器、仪表故障。 6、与主要用水岗位联系，平衡用水情况，确保一次水安全水压指标。 7、交接班时接班人员要看明白记录，了解上班生产情况后再进行交接班，并向车间主任汇报岗位异常情况。 8、按规定严格交接班，不得弄虚作假，要检查工艺指标，要检查设备运转，要检查各处卫生，要检查工具物品齐全。
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(NH22,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132.7℃。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160℃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(N46%,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。对热不稳定,加热至150~160℃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
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：CONH22，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132.7℃。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160℃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N46％，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。对热不稳定，加热至150160℃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（HNCO），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 2NH3CO2→NH2COONH4→CONH22H2O 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。20℃时临界吸湿点为相对湿度80％，但30℃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。（二）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：2NH3CO2→CONH22H2O。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
《化学工艺学》复习题 第三章 合成气衍生产品 1、用方框图写出以煤作原料合成氨的基本过程。 2、氨合成反应必须有适当的催化剂才有可观的反应速度，常用的催化剂主要是铁催化剂，其组成主要是：Fe 3O 4，促进剂为：K 2O 、CaO 、MgO 、Al 2O 3，SiO 2等。 3、简要说明合成氨的主要流程。 原料气制取压缩合成 液氨 4、说出氨合成塔主要类型，并简要说出其操作原理。 为了氨合成反应接近最适宜温度，力求降低塔压力降，减小循环动力，出现几类合成塔： ① 冷管式，在催化剂层内设置冷却管，用反应前的低温原料气移走反应热， 降低反应温度，并预热原料气。 ② 冷激式，催化剂分3～5层，每层为绝热反应段，层间掺入冷原料气控制反应气温度。 目前大型氨厂用冷激式多，它具有各床层温度调节方便，操作更接近最佳温度。 蒸汽 煤 空气
5、简要说明尿素的生产步骤。 目前工业上生产的尿素是由NH 3与CO 2直接合成的。工业过程包括四个步骤：（1）NH 3与CO 2的供给与净化；（2）NH 3与CO 2反应；（3）反应生成的尿素熔融液与未反应物的分离；（4）尿素熔融液加工成尿素成品。 6、简要说明尿素合成的反应机理。 由氨和二氧化碳合成尿素的总反应式为： )l (O H )l (CONH NH )l (CO )l (NH 222223+=+ 一般认为反应是在液相中分两步进行的。 mo /kJ 93.86)l (COONH NH )l (CO )l (NH 24223+=+此反应为快速放热反应，反应程度很大，生成溶解态的氨基甲酸铵。 mo /kJ 45.28)l (O H )l (CONH NH )l (COONH NH 22242-+=脱水生成尿素的反应为慢速吸热反应，且为显著可逆反应。 7、尿素合成过程的适宜条件中，氨碳比是指反应原料中NH 3与CO 2的摩尔比； 水碳比是指反应原料中H 2O 与CO 2的摩尔比。 8、工业合成尿素的反应条件一般为： 温度：185～200℃； 压力：18～20MPa ； 氨碳比：3～4.5； 水碳比：水溶液全循环法0.7～1.2，CO 2汽提法0.3～0.35； 转化率：50～75％。 9、常见的尿素生产工艺：水溶液全循环法、CO 2气提法和NH 3气提法。 10、简要说明水溶液全循环法尿素生产工艺。 水溶液全循环法是将未反应的氨和二氧化碳用水吸收生成甲铵或碳酸铵水溶液返回合成系统的生产方法。 未转化物需两段分解、三段吸收。流程较长且分解压力不高，分解气的冷凝热除小部分被利用外，其余须用冷却水移走，能耗较高。此外，循环甲铵液量大，甲铵泵易腐蚀，且发生结晶堵塞时，操作维修麻烦。
尿素合成工艺流程 2.1尿素合成原理 尿素合成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：①氨与二氧化碳作用生成氨基甲酸铵(简称甲铵)；②甲铵脱水生成尿素，其反应式为： 2NH3+CO2→NH2COONH4+159.47kJ① NH2COONH4→CO(NH2)2+H2O-28.49kJ② 总反应为：2NH3+CO2→CO(NH2)2+H2O-103.7kJ。 式①该步反应是一个可逆，强放热体积缩小的反应，在一定条件下，此反应率很快，容易达到平衡，且此反应二氧化碳的平衡转化率很高。式②是可逆慢速微吸热的可逆反应,平衡转化率一般为50%~70%，也是是尿素合成中的控制速率的反应,该步需要在液相中进行。氨与二氧化碳的摩尔比为2.0，温度为170~190℃时，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。温度不变，转化率随压力的升高而增大，转化率达到某一值后，压力升高，转化率并不会有明显变化，此时，几乎全部反应混合物都以液态形式存在于合成系统中。 氨和二氧化碳的摩尔比提高，二氧化碳转化率增加，氨的转化率降低。实际生产工艺过程中一般要求氨与二氧化碳的摩尔比≥3，这是由于氨的回收较二氧化碳容易，因此都需要使氨过量。反应物料中水的存在将降低转化率，在工业设计过程中需要把循环物料中水分量降低到最小限度。反应物料停留时间的增加可使转化率提高，但是这种做法并不经济。典型的尿素合成工艺操作条件为温度 180~200℃、压力13.8~24.6MPa、反应物料停留时间25~40min，氨与二氧化碳摩尔比2.8~4.5。 2.2水溶液全循环法工艺流程 水溶液全循环法生产工艺流程详见图
年产40万吨尿素生产工艺设计 摘要 尿素是一种重要的化学肥料和工业原料，在世界范围内广泛使用。自从1922年尿素开始工业化生产以来，许多国家都致力于尿素生产系统的研究，在合成机理、热力学性质和工艺流程方面都有创新和进展。 尿素生产工艺是典型的化工生产工艺之一。目前尿素的生产工艺主要有水溶液全循环法，二氧化碳气提法，氨气气提法。由于气提法技术还有很多限制，因此选择技术比较成熟的水溶液全循环法。本文介绍了尿素生产工艺的基本概况，水溶液全循环法尿素生产工艺流程及特点，从尿素生产的热力学参数入手，对尿素生产流程进行研究设计，以帮助指导尿素工业生产。 论文的主要内容有：（1）阐述了前人对尿素生成的研究概况，分析了现存工艺流程的优缺点，在成型热力学参数的基础上，建立了合适的工艺流程；（2）根据选择的工艺流程，以尿素生产和消耗为目标，对整个流程进行了物料衡算和热量衡算。同时对生产系统的关键性设备进行了设计和选型；（3）根据设计数据，运用Auto CAD绘制了工艺流程图和主要设备装置图。 关键词:尿素生产；水溶液全循环；物料衡算；热量衡算；设备选型 I
Urea production process design of 400,000t per year Abstract Urea is one of the important nitrogen-based fertilizers and industrial raw materials, which is widely used around the world . Since its production was industrialized in 1922, urea process has attracted much research from different. Innovation and achievement has been made in the synthesis mechanism , thermodynamic property and flowsheeting. The urea production process is one of the typical chemical production processes.Today the world production process of Urea are total recycle of the aqueous solution , carbon dioxide stripping process, ammonia stripping process . There are many restrictions in stripping technology, so we select the technology,total recycle of the aqueous solution, which is relatively mature .This article describes the basic profiles of the urea production process , the aqueous solution of the full cycle of urea production process and characteristics.This work is started with the thermodynamic parameters of the urea production , and then the process fiowsheeting is researched, urea production process is developed in order to guide the production . The main content of this paper are as follows: (1)urea-generated profiles,which was presented by former,is summarized the advantages and disadvantages of the existing process , establishing a suitable process forming based on the thermodynamic parameters; (2) According to the chosen process , in the need of increasing yield and decreasing energy cost,we calculate material balance and heat balance of the entire process . Also, the key equipments of the production system design and select ; (3)According to the design data , we use Auto CAD to draw process flow diagrams , and major equipment installation . II