畢業(yè)設(shè)計（論文）年產(chǎn)5萬噸水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素工藝設(shè)計

1、焦作大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）(化工與環(huán)境工程學(xué)院) 題 目 年產(chǎn)5萬噸水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素 工藝設(shè)計 專 業(yè) 應(yīng)用化工技術(shù) 班 級 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 完成日期 2011.03.202011.04.22 化工與環(huán)境工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）目錄摘 要1第一章 概述21.1尿素的物理化學(xué)性質(zhì)和用途21.1.1尿素的物理性質(zhì)21.1.2尿素的化學(xué)性質(zhì)21.1.3尿素的用途21.2 尿素的生產(chǎn)方法簡介31.2.1水溶液全循環(huán)法31.3兩種方法的比較41.3.1水溶液全循環(huán)尿素工藝的優(yōu)、缺點41.2.3 c02汽提法尿素工藝的優(yōu)、缺點51.3.3尿素的發(fā)展前景與展望5第二章 水溶液全循環(huán)法

2、生產(chǎn)尿素的原理72.1反應(yīng)原理72.2反應(yīng)機(jī)理72.2.1尿素合成的基本原理72.2.2反應(yīng)速度8第三章 水溶液全循環(huán)法的生產(chǎn)工藝流程93.1尿素的合成93.1.1液氨和二氧化碳直接合成尿素93.1.2合成尿素的理論基礎(chǔ)93.2尿素的工藝流程圖93.2.1水溶液全循環(huán)法合成尿素工藝流程93.2 合成尿素工藝流程103.3原料的準(zhǔn)備113.3.1氨的性質(zhì)113.3.2二氧化碳123.4原料的凈化與輸送123.4.1二氧化碳脫硫與壓縮原理123.4.2液氨的凈化與輸送133.5低壓分解與吸收133.6尿素溶液的蒸發(fā)與造粒13第四章 生產(chǎn)尿素的工藝條件144.1溫度的影響144.2氨碳比（摩爾比）或

3、過量氨的影響154.3水碳比154.4操作壓力154.5反應(yīng)時間164.6惰性氣體的影響16第五章 生產(chǎn)尿素的主要設(shè)備175.1脫硫塔175.2二氧化碳壓縮機(jī)175.3合成塔185.4高壓混合塔185.5中壓分解加熱器195.6中壓分解分離器195.7中壓吸收器205.8氨冷凝器205.9低壓分解精餾塔225.10低壓吸收第一氨基甲酸銨冷凝器225.11低壓吸收第二氨基甲酸銨冷凝器225.12氨吸收塔23第六章 物料衡算和熱量衡算246.1 物料衡算246.2 熱量衡算25致謝28參考文獻(xiàn)29ii摘 要尿素工業(yè)化生產(chǎn)以來的百余年間，一直是肥料工業(yè)生產(chǎn)的主要品種。由于具有生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)操作易

4、于掌握；生產(chǎn)設(shè)備容易制造，投資較?。皇┯煤笠娦Э?，增產(chǎn)顯著等特點。尿素在各種肥料新品種不斷涌現(xiàn)的情況下產(chǎn)銷量仍持高不下。本設(shè)計介紹了尿素的性質(zhì)、用途、生產(chǎn)方法和發(fā)展?fàn)顩r，詳細(xì)描述了水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素的工藝流程，重點介紹了尿素的工業(yè)生產(chǎn)的過程 ，并對單位質(zhì)量參加反應(yīng)的原料進(jìn)行物料衡算和熱量衡算，以期獲得低耗能、低污染、高產(chǎn)出的尿素生產(chǎn)工藝。關(guān)鍵詞：尿素；全循環(huán)；發(fā)展；工藝流程第一章 概述1.1尿素的物理化學(xué)性質(zhì)和用途 1.1.1尿素的物理性質(zhì)分子式：co(nh2)2，分子量 60.06，因最早由人類及哺乳動物的尿液中發(fā)現(xiàn)，故稱尿素。純凈的尿素為無色、無味針狀或棱柱狀晶體，含氮量為46.6%，

5、工業(yè)尿素因含有雜質(zhì)而呈白色或淺黃色，工業(yè)或農(nóng)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。超過熔點則分解。尿素較易吸濕，貯存要注意防潮。尿素易溶于水和液氨，其溶解度隨溫度升高而增大。1.1.2尿素的化學(xué)性質(zhì)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(jìn)行縮合反應(yīng)，生成縮二脲、縮三脲和三聚氰酸。加熱至160分解，產(chǎn)生氨氣同時變?yōu)榍杷?。因為在人尿中含有這種物質(zhì)，所以取名尿素。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）能水解生成氨和二氧化碳。對熱不穩(wěn)定，加熱至150160將脫氨成縮二脲。

6、若迅速加熱將脫氨而三聚成六元環(huán)化合物三聚氰酸。（機(jī)理：先脫氨生成異氰酸（hn=c=o），再三聚）。在氨水等堿性催化劑作用下能與甲醛反應(yīng)，縮聚成脲醛樹脂。與水合肼生成氨基脲2nh3+co2nh2coonh4co(nh2)2+h2o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%，故尿素要避免在盛夏潮濕氣候下敞開存放。目前在尿素生產(chǎn)中加入石蠟等疏水物質(zhì)，其吸濕性大大下降。 1.1.3尿素的用途尿素是一種高濃度氮肥，屬中性速效肥料，也可用來生產(chǎn)多種復(fù)合肥料。在土壤中不殘留任何有害物質(zhì)，長期施用沒有不良影響， 但在造粒中

7、溫度過高會產(chǎn)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(yīng)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。尿素是有機(jī)態(tài)氮肥，經(jīng)過土壤中的脲酶作用，水解成碳酸銨或碳酸氫銨后，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。尿素屬中性速效肥料，長期施用不會使土壤發(fā)生板結(jié)。其分解釋放出的co2也可被作物吸收，促進(jìn)植物的光合作用。在土壤中，尿素能增進(jìn)磷、鉀、鎂和鈣的有效性，且施入土壤后無殘存廢物。1.2 尿素的生產(chǎn)方法簡介生產(chǎn)尿素的方法有很多種，20世紀(jì)60年代以來，全循環(huán)

8、法在工業(yè)上獲得普遍采用，最常用的是水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素和二氧化碳?xì)馓岱ㄉa(chǎn)尿素。合成氨生產(chǎn)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(yīng)為：2nh3+co2co(nh2)2+h2o。該反應(yīng)是放熱的可逆反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率一般為5070%。因此從合成塔出來的尿素溶液中除了尿素外，還有氮和甲銨。按未反應(yīng)物的循環(huán)利用程度，尿素生產(chǎn)方法可分為不循環(huán)法、半循環(huán)法和全循環(huán)法三種。 依氣提介質(zhì)的不同，分別稱為二氧化碳?xì)馓岱?、氨氣提法、變換氣氣提法。依照分離回收方法的不同主要分為水溶液全循環(huán)法、氣提法等。按氣提氣體的不同又可分為二氧化碳?xì)馓岱?、氨氣提法、變換氣氣提法。1.2.1水溶液全循環(huán)

9、法 20世紀(jì)60年代以來，全循環(huán)法在工業(yè)上獲得普遍采用。全循環(huán)法是將未轉(zhuǎn)化成尿素的氨和二氧化碳經(jīng)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(dá)97%以上。全循環(huán)法尿素生產(chǎn)主要包括四個基本過程：氨和二氧化碳原料的供應(yīng)及凈化；氨和二氧化碳合成尿素；未反應(yīng)物的分離與回收；尿素溶液的加工。其生產(chǎn)過程如圖1-1所示。圖1-1 水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素工藝流程圖1.3兩種方法的比較1.3.1水溶液全循環(huán)尿素工藝的優(yōu)、缺點水溶液全循環(huán)法是將未反應(yīng)的氨和二氧化碳,經(jīng)減壓加熱分解分離后，用水吸收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)采用水溶液全循環(huán)法。水溶液全循環(huán)尿素工藝生產(chǎn)裝置的靜

10、止高壓設(shè)備較少，只有尿素合成塔及液氨預(yù)熱器為高壓設(shè)備，其它均為中壓和低壓設(shè)備，所以該尿素工藝生產(chǎn)裝置的技術(shù)改造比較容易、方便，改造增產(chǎn)潛力較大。氨碳比控制的較高，一般摩爾比為4.0左右，工藝介質(zhì)對生產(chǎn)裝置的腐蝕性較低，由于氨碳比控制的較高，二氧化碳?xì)怏w中氧含量控制的較低，并且尿素合成塔操作壓力為19.6mpa，操作溫度為188190，所以水溶液全循環(huán)生產(chǎn)尿素工藝中二氧化碳轉(zhuǎn)化率較高，一般能達(dá)到42%-68%，經(jīng)過尿素合成塔塔板的改造，有的企業(yè)已經(jīng)達(dá)到68%以上。由于該工藝高壓設(shè)備較少，高壓系統(tǒng)停車保壓時間可以達(dá)到24h，所以生產(chǎn)裝置的中小檢修一般可以在尿素合成塔允許的停車保壓時間內(nèi)完成，減少了

11、高壓系統(tǒng)排放的次數(shù)，降低了尿素的消耗。由于氨碳比控制的較高，中低壓分解系統(tǒng)溫度控制適當(dāng)，尿素產(chǎn)品質(zhì)量較容易控制，一般可以控制在優(yōu)級品范圍內(nèi)。水溶液全循環(huán)尿素工藝可靠、設(shè)備材料要求不高、投資較低。缺點是：水溶液全循環(huán)尿素工藝生產(chǎn)裝置的工藝流程較長，在操作調(diào)節(jié)方面不如co2氣提法生產(chǎn)尿素工藝簡單、方便。由于氨碳摩爾比控制得較高，一般穩(wěn)定在4.0左右，并且未反應(yīng)生成尿素的氨和二氧化碳?xì)怏w全部要經(jīng)過低壓、中壓循環(huán)吸收系統(tǒng)回收后再返回到尿素合成塔，液氨泵和一段甲銨泵的輸送量比較多，所以該工藝中液氨泵和一段甲銨泵的臺數(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(dá)19.6 mpa，并且一段甲銨液的工

12、藝要求溫度高達(dá)90左右，所以一段甲銨泵和液氨泵的運(yùn)行周期較短、檢修維護(hù)時間較多、維修費用較高。二氧化碳?xì)怏w壓縮機(jī)由于出口壓力高達(dá)20.0mpa，比co2汽提法高5.0mpa，故其運(yùn)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就是，目前國內(nèi)在運(yùn)行的生產(chǎn)裝置大多為年產(chǎn)() 104t/a(經(jīng)過改造后的生產(chǎn)能力)，也有個別廠家經(jīng)過雙尿素合成塔改造后達(dá)到了年產(chǎn)3010噸，最近山東化工規(guī)劃設(shè)計院也設(shè)計了年產(chǎn)3040萬噸尿素的水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素的裝置，但從單套裝置的設(shè)計生產(chǎn)能力來說，相對于co2氣提法生產(chǎn)尿素工藝的裝置還相差較遠(yuǎn)。1.2.3 c02汽提法尿素工藝的優(yōu)、

13、缺點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。氣提法是全循環(huán)法的發(fā)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(chǎn)費用籌方面也都優(yōu)于水溶液全循環(huán)法是尿素生產(chǎn)發(fā)展的一種方向。co2氣提法尿素工藝生產(chǎn)裝置的工藝流程較短，在操作調(diào)節(jié)方面比較簡單、方便。能耗低、生產(chǎn)費用低。該工藝的特點是采用共沸物下的co(nh2)2摩爾比為2.89作為操作控制最佳指標(biāo)進(jìn)行操作，大部分未反應(yīng)生成尿素的氨和二氧化碳在高壓系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)繼續(xù)反應(yīng)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(jìn)行回收，液氨泵和甲銨泵的輸送量比較少，所以該裝置中液氨

14、泵和甲銨泵的臺數(shù)較少，動力消耗較少，并且該工藝高壓系統(tǒng)的操作壓力較低，為13.514.5mpa，使液氨泵和甲銨泵的運(yùn)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(yīng)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氣提法尿素的另一個優(yōu)點就是，生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)能力的范圍較寬，運(yùn)行都很正常穩(wěn)定。并且荷蘭斯塔米卡邦公司最近幾年又對該工藝進(jìn)行了大量研究工作，開發(fā)出了單套裝置年產(chǎn)100100t/a尿素的尿素池式冷凝器技術(shù)。與傳統(tǒng)高壓甲銨冷凝器不同的是，池式冷凝器可提供一定的停留時間，使甲銨生成尿素的反應(yīng)在此可達(dá)到反應(yīng)平衡的60%80%，使生產(chǎn)裝置產(chǎn)能在原設(shè)計能力的基礎(chǔ)上翻一番，

15、并且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。缺點：co2氣提法生產(chǎn)尿素工藝裝置的靜止高壓設(shè)備較多，有尿素合成塔、高壓二氧化碳?xì)馓崴⒏邏杭卒@冷凝器、高壓洗滌器四大主要設(shè)備，它們是co2氣提法尿素工藝生產(chǎn)裝置的核心，其它均為低壓設(shè)備，所以該尿素工藝生產(chǎn)裝置的技術(shù)改造比較困難，改造增產(chǎn)潛力較小。高壓二氧化碳?xì)馓崴訜嵝枰恼羝焚|(zhì)較高，為2.5mpa，不如水溶液全循環(huán)尿素需用的蒸汽壓力低。1.3.3尿素的發(fā)展前景與展望尿素的合成是第一次用人工方法從無機(jī)物制得有機(jī)化合物。1773年rouelle在蒸發(fā)人尿時第一次發(fā)現(xiàn)尿素；1824年，prout通過分析得出尿素的實驗式；18

16、28年德國化學(xué)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(yīng)、co2與氨反應(yīng)、氰胺化鈣水解等，由于種種原因，最終都未能實現(xiàn)工業(yè)化；唯一成為當(dāng)代尿素工業(yè)化基礎(chǔ)的是由氨和二氧化塔合成尿素的反應(yīng)。1932年，美國du pont公司用氨和二氧化碳直接合成尿素并副產(chǎn)氨水；1935年開始生產(chǎn)固體尿素并將未轉(zhuǎn)化物循環(huán)回收，逐步形成全循環(huán)法工藝。20世紀(jì)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)法成功

17、獲得了工業(yè)應(yīng)用：未反應(yīng)的氨和二氧化碳以氣態(tài)形式與尿素水溶液分離后，用水吸收為水溶液，再用泵送回系統(tǒng)。其工藝包括氣液分離、液體吸收、氣體冷凝幾個步驟。當(dāng)時工業(yè)化應(yīng)用較成功的技術(shù)有美國chemico法、du pont法和瑞士的incenta法。另外，法國pechiney推出未反應(yīng)物以不同溶劑選擇性吸收循環(huán)流程。20世紀(jì)60年代，尿素工業(yè)發(fā)展的特點是：其一，尿素裝置趁于單系列大型化，裝置能力達(dá)到1000t/a1500t/a；其二，氣提法工藝被廣泛采用。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，其實質(zhì)是在與合成反應(yīng)相等壓力條件下，利用一種氣體通過反應(yīng)物系（同時伴有加熱）是未反應(yīng)的氨或二氧化碳被

18、帶出。因此，先后出現(xiàn)了二氧化碳?xì)馓岱ǎㄓ蓅tamiearbon開發(fā)，使尿素生產(chǎn)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(dá)25mpa，溫度為200，轉(zhuǎn)化率72%）和d法；美國的uti熱循環(huán)法。20世紀(jì)80年代之后，二氧化碳?xì)馓岱ê桶睔馓岱ǖ玫竭M(jìn)一步改進(jìn)、完善；同時世界上著名的尿素公司還開發(fā)了其他的先進(jìn)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 f

19、or 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?xì)馓岱ㄏ啾?，具有以下特點：一是采用了新型高效的塔盤；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(shè)了二氧化碳脫氫裝置，使二氧化碳?xì)庵袣錃怏w積分?jǐn)?shù)由約0.5%降到了500.05 以下，確保尿素洗滌系統(tǒng)安全運(yùn)行。國內(nèi)情況是我國尿素的年消耗量約在3000萬噸，即使預(yù)計今后幾年有所增長，大概也不會超過3500萬噸。現(xiàn)有的生產(chǎn)能力已經(jīng)快要達(dá)到，我國今后十年內(nèi)生產(chǎn)尿素都將過剩。本設(shè)計主要敘述水溶液全循環(huán)法的有關(guān)內(nèi)容。第二章 水

20、溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素的原理水溶液全循環(huán)法是將未反應(yīng)的氨和二氧化碳經(jīng)減壓加熱分解分離后，用水吸收生成甲銨或碳酸銨水溶液再循環(huán)返回合成系統(tǒng)。2.1反應(yīng)原理生產(chǎn)尿素的原料是氨和二氧化碳，后者是合成氨廠的副產(chǎn)品。尿素合成反應(yīng)分兩步進(jìn)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(yīng)式為： 2nh3+co2nh2coonh4+159.47kjnh2coonh4co(nh2)2+h2o-28.49kj式是快速、強(qiáng)放熱反應(yīng)，且平衡轉(zhuǎn)化率高。式是慢速微吸熱的可逆反應(yīng)，且需要在液相中進(jìn)行。當(dāng)溫度為170190時，氨與二氧化碳的摩爾比為2.0，壓力高到足以使反應(yīng)物得以保持液態(tài)時，甲銨轉(zhuǎn)化成尿

21、素的轉(zhuǎn)化率(以co2計)為 50%；其反應(yīng)速率隨溫度的提高而增大。當(dāng)溫度不變時，轉(zhuǎn)化率隨壓力的升高而增大，轉(zhuǎn)化率達(dá)到一定值后，繼續(xù)提高壓力，不再有明顯增大，此時，幾乎全部反應(yīng)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(zhuǎn)化率，降低氨的轉(zhuǎn)化率。在實際生產(chǎn)過程中，由于氨的回收比二氧化碳容易，因此都采用氨過量，一般氨與二氧化碳的摩爾比3。反應(yīng)物料中水的存在將降低轉(zhuǎn)化率，在工業(yè)設(shè)計中要把循環(huán)物料中的水量降低到最小限度。增加反應(yīng)物料的停留時間能提高轉(zhuǎn)化率，但并不經(jīng)濟(jì)。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(yīng)物料停留時間2540

22、min。2.2反應(yīng)機(jī)理2.2.1尿素合成的基本原理液氨和二氧化碳直接合成尿素的總反應(yīng)為：2nh3+co2co(nh2)2+h2o-103.7kj。這是一個可逆、放熱、體積縮小的反應(yīng)，反應(yīng)在液相中是分兩步進(jìn)行的。首先液氨和二氧化碳反應(yīng)生成甲銨，故稱其為甲銨生成反應(yīng)：2nh3+co2nh2coonh4。在一定條件下，此反應(yīng)速率很快，容易達(dá)到平衡。且此反應(yīng)二氧化碳的平衡轉(zhuǎn)化率很高。然后是液態(tài)甲銨脫水生成尿素，稱為甲銨脫水反應(yīng)：nh2coonh4co(nh2)2+h2o。平衡轉(zhuǎn)化率一般為50%70%，此步反應(yīng)的速率也較緩慢，是尿素合成中的控制速率的反應(yīng)。2.2.2反應(yīng)速度從生成尿素的反應(yīng)機(jī)理可知甲銨脫

23、水是反應(yīng)的控制階段，但甲銨脫水反應(yīng)在氣相中不能進(jìn)行，在固相中反應(yīng)速率較慢，而在液相中反應(yīng)速率較快，故甲銨脫水生成尿素的反應(yīng)必須在液相中進(jìn)行。因此決定反應(yīng)速率的因素有兩個：氨和二氧化碳由氣相進(jìn)入液相的速率液相中甲銨脫水的速率。第三章 水溶液全循環(huán)法的生產(chǎn)工藝流程3.1尿素的合成3.1.1液氨和二氧化碳直接合成尿素總反應(yīng)為：2nh3+co2co(nh2)2+h2o-103.7kj實際上反應(yīng)是分兩步進(jìn)行的，首先是氨與二氧化碳反應(yīng)生成氨基甲酸銨：2nh3+co2nh2coonh4+159.47kj該步反應(yīng)是一個可逆的體積縮小的強(qiáng)放熱反應(yīng)，在一定條件下，此反應(yīng)速率很快，客易達(dá)到平衡，且此反應(yīng)二氧化碳的平

24、衡轉(zhuǎn)化率很高.。然后是液態(tài)甲銨脫水生成尿素，稱為甲銨脫水反應(yīng)；nh2coonh4co(nh2)2+h2o-28.49kj此步反應(yīng)是一個可逆的微吸熱反應(yīng)，平衡轉(zhuǎn)化率一般為50%70%，并且反應(yīng)的速率也較緩慢，是尿素合成中的控制速率的反應(yīng)。3.1.2合成尿素的理論基礎(chǔ)在一定條件，氨基甲酸銨的生成速度是很快的，而氨基甲酸銨的脫水速度則很慢。所以，在合成尿素的生產(chǎn)中，反應(yīng)時間的長短和尿素合成產(chǎn)率的高低，直接與氨基甲酸銨的脫水速度和尿素合成反應(yīng)的平衡有關(guān)。3.2尿素的工藝流程圖3.2.1水溶液全循環(huán)法合成尿素工藝流程水溶液全循環(huán)法合成尿素工藝流程圖如圖3-1，經(jīng)過加壓預(yù)熱的原料液氨與經(jīng)壓縮后的原料二氧化

25、碳?xì)饧把h(huán)回收來的氨基甲酸銨液一并進(jìn)入預(yù)反應(yīng)器。在預(yù)反應(yīng)器內(nèi)氨與二氧化碳反應(yīng)生成氨基甲酸銨，在進(jìn)入尿素合成塔，在塔內(nèi)氨基甲酸銨脫水生成尿素。尿素熔融物從塔頂出來進(jìn)入預(yù)分離器，將氨基甲酸銨和氨進(jìn)行分離。氨基甲酸銨從預(yù)分離器底部出來進(jìn)入中壓循環(huán)加熱器，用蒸汽加熱進(jìn)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(nèi)分離。分離出來的尿液經(jīng)減壓至常壓后，進(jìn)入閃蒸槽，經(jīng)減壓后尿液中的氨基甲酸銨和氨幾乎全部清除。自閃蒸槽出來的尿液進(jìn)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、液分別在中壓蒸發(fā)分離器及低壓蒸發(fā)分離器內(nèi)分離。低壓分離器出口尿液濃度達(dá)99.7

26、%（質(zhì)量）以上，用熔融尿素泵打入造粒塔，經(jīng)造粒噴頭撒成尿粒，在塔低得到成品尿素。圖3-1 水溶液全循環(huán)法合成尿素示意流程圖1-預(yù)反應(yīng)器；2-尿素合成塔；3-預(yù)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-尿素貯槽；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(yù)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，進(jìn)入回收系統(tǒng)?；厥盏陌迸c二氧化碳以液氨或氨基甲酸銨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)

27、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。 3.2 合成尿素工藝流程水溶液全循環(huán)法合成尿素工藝流程簡圖如3-2，由造氣爐產(chǎn)生的半水煤氣脫碳后，其中大部分的二氧化碳由脫碳液吸收、解吸后，經(jīng)油水分離器，除去二氧化碳?xì)怏w中攜帶的脫碳液，進(jìn)入二氧化碳壓縮機(jī)系統(tǒng)，由壓縮機(jī)出來的二氧化碳?xì)怏w壓力達(dá)到16 kg后進(jìn)入尿素合成塔。從合成氨車間氨庫來的液氨進(jìn)入氨儲罐，經(jīng)過氨升壓泵加壓進(jìn)入高壓液氨泵，加壓至20kg左右，經(jīng)過預(yù)熱后進(jìn)入甲銨噴射器作為推動液，將來自甲銨分離器的甲銨溶液增壓后混合一起進(jìn)入尿素合成塔。尿素合成塔內(nèi)溫度為186190，壓力為200kg左右,nh 3

28、/ co2的摩爾比和h2o/co2的摩爾比控制在一定的范圍內(nèi)。合成后的氣液混合物進(jìn)入一段分解，進(jìn)行氣液分離，將分離氣相后的尿液送入二段分解，進(jìn)一步見混合物中的氣相除去。凈化后的尿液依次進(jìn)入閃蒸槽、一段蒸發(fā)、二段蒸發(fā)濃縮，最后得到尿素熔融物，用刮料泵輸送到尿素造粒塔噴灑器，經(jīng)圖3-2 水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素工藝流程簡圖在空氣中沉降冷卻固化成粒狀尿素，并通過尿素塔底機(jī)用運(yùn)輸皮帶送往儲存包裝車間。從一段分解、二段分解出來的氣相含有未反應(yīng)的氨和二氧化碳，分別進(jìn)入一段吸收和二段吸收，氨和二氧化碳被后面閃蒸、一段蒸發(fā)、二段蒸發(fā)工段冷凝下來的冷凝水吸收混合形成水溶液，用泵送入尿素合成塔；一段吸收后剩余的氣體

29、進(jìn)入惰洗器稀釋后，與二段吸收的殘余氣體混合進(jìn)入尾氣吸收塔，與一段蒸發(fā)、二段蒸發(fā)工段氣相冷凝除去水后殘余的氣體混合后放空。3.3原料的準(zhǔn)備合成尿素的主要原料是液氨和氣體二氧化碳，二者分別是合成氨廠的主副產(chǎn)品，所以合成氨和尿素生產(chǎn)裝置設(shè)在一起，聯(lián)合生產(chǎn)。3.3.1氨的性質(zhì)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特殊刺激性的氣體，在低溫高壓下可以液化，當(dāng)溫度低于77.7以下時，氨可以成為具有臭味的無色結(jié)晶，其主要物理性質(zhì)如下：臨界溫度 132.4臨界壓力（絕壓）mpa 11.15臨界比容(m3) 4.26密度（氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）（l） 760尿素生產(chǎn)對液氨質(zhì)量的要求其質(zhì)量分?jǐn)?shù)

30、為：氨99.5，水0.5，油10 mg/kg。3.3.2二氧化碳二氧化碳是無色氣體，在一定條件下可以液化，在強(qiáng)烈冷卻時可以變?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(biāo)準(zhǔn)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.尿素生產(chǎn)對原料二氧化碳?xì)獾囊鬄椋篶o2含量98.5%（體積分?jǐn)?shù)）h2s含量15mg/m3。3.4原料的凈化與輸送3.4.1二氧化碳脫硫與壓縮原理3.4.1.1脫硫 原料二氧化碳是合成氨裝置生產(chǎn)的副產(chǎn)物，其中含有極少量的硫化物（主要是硫化氫）。為了

31、減少硫化氫對尿素設(shè)備及管道的腐蝕，首先必須對其進(jìn)行脫硫。方法有干法和濕法，干法較常用，可以達(dá)到很高的凈化度，但只有當(dāng)空氣中的硫化氫含量較低時才能應(yīng)用（98%（體積），愈純愈好。第五章 生產(chǎn)尿素的主要設(shè)備5.1脫硫塔該塔為圓柱形立式設(shè)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?xì)怏w，自上而下通過多層氫氧化鐵脫硫劑，發(fā)生脫硫反應(yīng)，從塔的底部流出。為了提高脫硫效率，一般采用多塔并聯(lián)和串聯(lián)的組合方式。由于脫硫反應(yīng)是在常壓和加壓的條件下進(jìn)行，故該設(shè)備外殼為16mn材質(zhì)制作，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-1。5.2二氧化碳壓縮機(jī)二氧化碳壓縮機(jī)采用對置機(jī)體，機(jī)體由機(jī)身和四個滑

32、道中體組成，常用優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵鑄造。二氧化碳壓縮機(jī)中一、二、三段汽缸為雙作用夾套式汽缸，用優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵制成，夾套中流通冷卻水，用以帶走部分熱量。四、五段汽缸為單作用夾套汽缸，四段汽缸由鑄鐵制成，五段汽缸由鍛鋼制成，亦均通入冷卻水冷卻。為了防止活塞于汽缸咬合，提高汽缸使用壽命，四、五段缸鑲有鑄鐵缸套，其中間有一空隙引入壓縮機(jī)三段進(jìn)口氣體，稱為平衡段，用以平衡活塞力，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-2。-19-圖5-1 脫硫塔結(jié)構(gòu)簡圖圖5-2 二氧化碳壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)圖5.3合成塔合成塔是尿素合成的關(guān)鍵設(shè)備之一，液氨與二氧化碳在塔內(nèi)反應(yīng)，最后生成尿素。尿素合成塔在較高的壓力下操作，因而應(yīng)符合高壓容器要求，工業(yè)生高壓筒體一

33、般采用較大的高徑比。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(kuò)散。尿素的合成反應(yīng)需要一段時間，所以塔內(nèi)需要有足夠的空間，反應(yīng)中不需要外加催化劑和換熱裝置，所以合成塔為空筒形式，有的內(nèi)裝有塔板，以防物料的返混。尿素合成反應(yīng)液具有強(qiáng)烈的腐蝕作用，塔內(nèi)壁采用耐腐蝕材料襯里，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(nèi)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(jié)構(gòu)，也可以采用強(qiáng)制式的，目前都采用強(qiáng)制式的，其結(jié)構(gòu)圖如圖5-3。5.4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。筒體外采用中壓出口蒸汽伴管保溫。頂蓋底蓋與筒體材料相同，

34、也是鍛制而成，頂蓋與出口管相連，關(guān)上設(shè)有溫度點，用以觀察物料混合后的溫度而判斷進(jìn)料的組分比例。底蓋與二氧化碳氨、氨基甲酸銨溶液進(jìn)口相連，進(jìn)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，支座圖5-3 套筒式合成塔結(jié)構(gòu)簡圖用地腳螺栓固定在混凝土基礎(chǔ)上。5.5中壓分解加熱器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。中壓分解加熱器的主要作用是將合成塔出口反應(yīng)液中未反應(yīng)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，中壓分解加熱器如圖5-4。圖5-4 中壓分解加熱器 1-尿素合成反應(yīng)液進(jìn)口；2-中壓分

35、解氣液出口；3-加熱蒸汽進(jìn)口；4-冷凝液出口； 5，6-放氣閥；7-壓力表接管 5.6中壓分解分離器中壓分解分離器為立式旋風(fēng)分離裝置，氣體從切線方向有接管進(jìn)入器內(nèi)，產(chǎn)生離心力，液滴依靠重力而下沉。分離后的氣體經(jīng)喇叭形排氣管通過不銹鋼絲網(wǎng)除沫層，從頂部出口管3排出。設(shè)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(jìn)口氣體帶走，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-5。圖5-5 旋風(fēng)分離器5.7中壓吸收器中壓吸收塔是將中壓分解氣體氨和二氧化碳用來自低壓吸收的稀氨基甲酸銨液吸收下來，它是水溶液全循環(huán)工藝的關(guān)鍵設(shè)備之一。中壓吸收塔一般為立式設(shè)備，分上下兩段，下部為鼓泡段，其中有氣體分布器和加熱與冷

36、卻管束。上部是吸收段，也稱精洗段。該段有的填環(huán)狀填料，有的使用浮閥塔板，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-6。5.8氨冷凝器氨冷卻器的作用是將中壓吸收塔塔頂排出的氣體氨冷凝成液氨。該設(shè)備為臥式列管式熱交換器，用碳鋼制成。水在管內(nèi)流動，氣氨由冷凝器接管1進(jìn)入，管見內(nèi)裝折流板15塊，氣體沿管間曲折通過，冷凝的液氨向下流動。接管7進(jìn)入液氨緩沖槽。為了將氣氨充分冷凝下來，通常串聯(lián)兩個氨冷卻器，第一氨冷凝器中未冷凝的氣體從圖5-6 中壓吸收塔圖5-7 氨冷凝器結(jié)構(gòu)簡圖1-人孔蓋；2-人孔短節(jié)；3-球形封頭；4-管箱；5-隔板；6-管板；7-換熱管；8-低壓殼體；9-折流板；10-支撐板體從接管2排出進(jìn)入第二氨冷凝器。

37、冷卻水與氣氨逆向流動。從第二氨冷凝器來的冷卻水由接口3進(jìn)入第一冷凝器后，再經(jīng)出口接管4排出。冷凝器通冷卻水前必須將排氣閥5打開，保證冷卻水充滿列管，提高冷凝效果，其結(jié)構(gòu)圖如圖5-7。5.9低壓分解精餾塔低壓分解精餾塔為立式填料塔，該塔的主要作用是：使來自低壓分解分離器的氣體與中壓循環(huán)來的進(jìn)料液進(jìn)行精餾和換熱，從而降低了低壓分解加熱器的熱負(fù)荷，也減少了出塔氣相水分。低壓分解分離器來的氣體從塔的下部進(jìn)入，在填料段與塔頂進(jìn)料液相逆流接觸，換熱后，通過不銹鋼絲網(wǎng)除沫層，從塔頂氣相管排出。5.10低壓吸收第一氨基甲酸銨冷凝器低壓吸收第一氨基甲酸銨冷凝器是立式不銹鋼列管換熱器，它的主要作用是把低壓分解氣及

38、解吸塔來的解吸氣冷凝和吸收為稀的氨基甲酸銨，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖5-8。 圖5-8 低壓吸收第一氨基甲酸銨冷凝器1-上管箱；2-上管板；3-出水口；4-殼體；5-換熱；6-膨脹節(jié)；7-下管板；8-入水口；9-排氣口-24-5.11低壓吸收第二氨基甲酸銨冷凝器 低壓吸收第二氨基甲酸銨冷凝器為立式不銹鋼u形管束換熱器，它的主要作用是將第一氨基甲酸銨冷凝器未冷凝的殘余氣氨在此冷凝吸收。5.12氨吸收塔吸收塔是一立式填料塔，它的主要作用是吸收高、低壓循環(huán)系統(tǒng)尾氣中的氨氣，其結(jié)構(gòu)如圖5-9。圖5-9 氨吸收塔第六章 物料衡算和熱量衡算6.1 物料衡算年產(chǎn)5萬噸水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素，進(jìn)料量中nh3 60%，c

39、o230% ,氨基甲銨10%。(1) 計算范圍以反應(yīng)器為計算范圍，如圖6-1所示。圖6-1 尿素物料衡算示意圖(2) 反應(yīng)式為總反應(yīng)方程式： 2nh3+co2co(nh2)2+h2o分步反應(yīng)方程式：2nh3+co2nh2coonh4+159.47kj nh2coonh4co(nh2)2+h2o-28.49kj (3) 計算任務(wù) 原料消耗量和產(chǎn)物生成量。(4) 選擇數(shù)據(jù) 尿素回收率60%；nh3 的轉(zhuǎn)化率80%；純循環(huán)氨基甲銨90%；co2的轉(zhuǎn)化率80%；循環(huán)氨基甲銨轉(zhuǎn)化率100%。(5) 計算過程 生成尿素的物質(zhì)的量為 =4900 kmol=294000 kg生成水的物質(zhì)的量為 4900kmo

40、l=88200kg純循環(huán)氨基甲銨的物質(zhì)的量為4900kmol =382200 kg原料中循環(huán)氨基甲銨的物質(zhì)的量為=5444.4 kmol=424663.2 kg原料的物質(zhì)的量為=54444.4 kmol進(jìn)料中nh3的物質(zhì)的量為60%=32666.7kmol=555333.9kg進(jìn)料中co2的物質(zhì)的量為10%=16333.3kmol=718665.2kg出料中nh3的物質(zhì)的量為60%(1-80%)=6533.34kmol =111066.78kg出料中co2的物質(zhì)的量為30%(180%)=3266.66kmol =143733.04kg出料中環(huán)氨基甲銨的物質(zhì)的量為30%=16333.3kmol=

41、1273997.4kg(6) 列物料衡算表 見表6-1。表6-1 物料衡算表物料名稱相對分子質(zhì)量輸入輸出質(zhì)量/ kg物質(zhì)的量/ kmol質(zhì)量/ kg物質(zhì)的量/ kmolnh317555333.932666.7111066.786533.34co244718665.216333.3143733.043266.66 nh2coonh478424663.25444.41273997.416333.3co(nh2)2602940004900h2計1698662.354444.41910997.2235933.36.2 熱量衡算年產(chǎn)5萬噸水溶液全循環(huán)法合成尿素中第一反應(yīng)器的物料

42、衡算數(shù)據(jù)作熱量衡算。(1) 計算任務(wù) 輸入熱量和輸出熱量。(2) 選擇數(shù)據(jù) 298k標(biāo)準(zhǔn)生成熱如下： fhm(co2)=393.51kj/mol；fhm（h2o）= 285.838 kj/mol fhm(nh3)=46.19 kj/mol；fhm（co(nh2)2）= 333.19 kj/mol fhm（nh2coonh4）=21.92 kj/mol表6-2 各物料的定壓熱容 （298k時的cp,m）物料名稱cp,m j/(mol.k)nh335.65co237.12nh2coonh469.37co(nh2)26.75h2o33.57根據(jù)cp,m=a+bt+ct或cp,m=a+bt+ct計算初

43、始溫度為25升到180時的cp,m，熱損失為反應(yīng)放熱量的10%。cp,m(co2)=44.14+9.04103 4538.5410-54532 =4095164 =4.1103kj/(mol.k)cp,m(nh3)=26.79+25.48103453+(1.665)4532 =1.15104kj/(mol.k) cp,m（h2o）=30.12+11.3103453 =5.12103kj/(mol.k)(3) 計算過程 298k反應(yīng)熱效應(yīng)：rhm()=21.9+393.51+246.19=463.99 kj/(mol.k)rhm()=285.838333.19+21.9=597.13 kj/(mol.k)q (298k)放熱=rhm=32666.7103(463.