完整版年产20万吨水溶液全循环法制尿素中压系统的设计毕业论文Word格式文档下载.docx

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Themaincontentofthispaperareasfollows:

（1）urea-generatedprofiles,whichwaspresentedbyformer,issummarizedtheadvantagesanddisadvantagesoftheexistingprocess,establishingasuitableprocessformingbasedonthethermodynamicparameters;

（2）Accordingtothechosenprocess,intheneedofincreasingyieldanddecreasingenergycost,wecalculatematerialbalanceandheatbalanceoftheentireprocess.Also,thekeyequipmentsoftheproductionsystemdesignandselect;

（3）Accordingtothedesigndata,weuseAutoCADtodrawprocessflowdiagrams,andmajorequipmentinstallation.

Keywords：

circulationoftheaqueoussolution;

materialbalance;

heatbalance;

equipment

selection

引言

尿素的化学名称为碳酰二胺，分子式为CO（NH2）2，分子量为60.06，含氮量为46.65%。

纯尿素为无色、无味、无臭的针状或棱柱状结晶体。

其用途广泛，不仅是一种用于农业生产的氮肥，而且是工业中常用的化工原料。

目前国外工艺主要有斯塔米卡邦（STAMICARBON）CO2气提工艺，斯那姆氨气提工艺和东洋工程公司的改良ACES工艺。

而国内公艺主要包括水溶液半循环法，水溶液全循环法，气提法。

相对于国外工艺水溶液全循环法比较落后，但该工艺充分分析国内外现有尿素生产技术的各项优势，运用成熟高效的技术成果，抓住节能、节资的关键，优化工艺、优选设备显现了节能节资的优势。

提高一甲液的浓度，尾气采用精洗降低消耗并避免尾气爆炸，运用多级蒸发系统，合理使用热量，充分回收低位能，降低消耗和投资，在各中、小尿素厂得到不同程度的应用其增产、节能效果均达到预期设计目标。

本设计目的和意义在于了解合成尿素在国内外的发展现状，以及国内外尿素企业采用的工艺，了解各种工艺的优缺点，并结合实际情况对合成尿素车间进行合理的设计。

掌握以液氨为原料，用水溶液全循环法合成尿素的工艺，及工艺条件的选择，使尿素的质量达到国家的标准，满足工业和农业的使用要求，实现纯粹的无色、无味、无臭的国家优等产品。

第1章综述

1.1尿素的物理化学性质和用途

1.1.1尿素的物理性质

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，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。

1.1.2尿素的化学性质

尿素呈微碱性，可与酸作用生成盐。

但尿素不能使一般指示剂变色。

在酸性或中性溶液中尿素有水解作用，但在60℃以下，尿素不发生水解作用。

随着温度的升高，水解速度加快，水解程度也增大。

尿素在高温下可进行缩合反应，生成缩二脲、缩三脲和三聚氰酸。

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[1]。

1.1.3尿素的用途

尿素的主要用途：

作化肥用、作饲料用、其它工业用[2]。

1.1.3.1化肥作用

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。

1.1.3.2作饲料用

尿素中氮虽不是蛋白质形态的，但和碳水化合物一起经过胃液长时间作用，可以造成蛋白质形态氮，故可以作为反雏动物的饲料。

1.1.3.3其它作用

目前，据不完全统计，全世界尿素作工业原料在总产量中占很大比重。

主要有脲醛树脂、塑料、油漆、和胶黏剂，尿素的缩合物三聚氰胺是一种较好的涂料。

尿素还可以用作巴比妥、洁齿剂和利尿剂等药物的原料。

此外，尿素可以用作石油精制剂、纤维软化剂、炸药稳定剂等。

1.2尿素的发展史

1773年，Roselle首先在尿液中发现了尿素。

1828年，Wohler将氨和氰酸合成为尿素，开辟了以无机物合成有机物的先河。

20世纪30年代，世界上首先以一次通过法实现尿素的工业化生产。

40年代中，改进为部分循环法工艺；

50年代末，实现水溶液全循环法工艺的工业化生产。

之后，陆续出现各种水溶液全循环法工艺。

60年代期间，建立起日产1000吨以上的单系列大型化装置。

1967年，荷兰Snamprogetti工程公司率先开发成功高压等压气提工艺，以CO2气作为气提剂在日产220吨装置上实现了工业化上产。

随之意大利Snamprogetti工程公司开发成功氨气提工艺，日产300吨装置投入生产，CO2气提法工艺在1968年、氨气提工艺在1971年分别建成1000吨/天以上单系列大型化装置。

80年代初，为了进一步降低能耗，又推出了多种节能型高压气提工艺，如改良CO2气提工艺，改良氨自身气提工艺，意大利MontEdison公司开发的IDR（IsobaricDoubleRecycle）工艺，日本ToyoEngineeringCorp.与MitsuiToatsuChemicalsInc.联合开发的ACES（AdvancedProcessforCostandEnergySaving）工艺等。

以尿素生产工艺的发展历史而言，实现全循环是一次工艺技术的飞跃；

它割掉了尾气氨加工制造其他氮肥的硕大尾巴；

而实现高压合成圈等压气提回收则是尿素工艺技术的又一次飞跃，在高压圈内回收了大量的未反应物，从而大幅度减轻下游分解及回收的负荷，而且回收了用于分离未反应物所耗的热量，用来副产低压蒸汽以用于下游工序，至于节能型尿素工艺的问世，只能视为尿素气提工艺经过十几年实践经验的积累，作出了较为重大的合理化改造，使氨基甲酸铵生成热更合理的回收利用，较大幅度地降低能耗，工艺技术更趋成熟，装置运转稳定可靠。

1.3国外尿素技术市场简况

目前在世界尿素工业界认为较先进的是三大尿素专利公司的技术，它们是Snamprogetti公司的氨自身气提工艺、TEC-MTC公司的ACES工艺、Stamicarbon公司的气提工艺。

到目前为止，全世界已建成及在建的尿素装置总数达450套，总生产能力为301800吨/天。

其中采用三大尿素专利公司的工艺技术建造的有348套，总生产能力占世界总能力的90%，采用最多的Stamicarbon公司工艺，有196套，总生产能力占全世界的44.4%；

其次为Snamprogetti公司工艺，有68套，总生产能力占25.6%；

再次之是TEC-MTC公司的ACES工艺，有84套，总生产能力占20.1%。

我国已建及在建的尿素生产装置共110套，总生产能力为58680吨/天，占世界总生产能力的20%。

国内尿素装置采用的工艺技术除我国自行研发的水溶液全循环法外，世界上的主要工艺也均引进。

我国自20世纪70年代开始引进CO2气提法工艺的大型装置，目前共有15套大型装置（全套引进或合作设计、采购），6套中型装置以及2套小型装置（均为国内自行设计、自行制造设备）。

在110套装置中30套大、中型装置采用国外工艺，总生产能力为39880吨/天，占全国总生产能力68%[3,4]。

1.4尿素生产方法的简介

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。

1.4.1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）二氧化碳的压缩；

（2）氨输送和尿素合成；

（3）循环回收；

（4）尿素溶液的加工。

我国尿素厂多数采用水溶液全循环法。

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。

氨碳比控制的较高，一般摩尔比为4.0左右，工艺介质对生产装置的腐蚀性较低，由于氨碳比控制的较高，二氧化碳气体中氧含量控制的较低，并且尿素合成塔操作压力为19.6MPa，操作温度为188~190℃，所以水溶液全循环生产尿素工艺中二氧化碳转化率较高，一般能达到42%-68%，经过尿素合成塔塔板的改造，有的企业已经达到68%以上。

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。

由于氨碳比控制的较高，中低压分解系统温度控制适当，尿素产品质量较容易控制，一般可以控制在优级品范围内。

水溶液全循环尿素工艺可靠、设备材料要求不高、投资较低。

但也存在不足：

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。

由于该工艺高压系统的操作压力高达19.6MPa，并且一段甲铵液的工艺要求温度高达90℃左右，所以一段甲铵泵和液氨泵的运行周期较短、检修维护时间较多、维修费用较高。

二氧化碳气体压缩机由于出口压力高达20.0MPa，比CO2汽提法高5.0MPa，故其运行周期也相对较短、维修工作量较多、维修费用较高。

水溶液全循环尿素工艺的另一个缺点就是，目前国内在运行的生产装置大多为年产（）×

104t/a（经过改造后的生产能力），也有个别厂家经过双尿素合成塔改造后达到了年产30~10吨，最近山东化工规划设计院也设计了年产30~40万吨尿素的水溶液全循环法生产尿素的装置，但从单套装置的设计生产能力来说，相对于CO2气提法生产尿素工艺的装置还相差较远[5,6]。

1.4.2二氧化碳气提法

二氧化碳气提法就是把合成塔排出的合成反应液，在合成压力和较高温度下在“汽提塔”内与气提气（氨、二氧化碳或惰性气体）逆流相遇，将氨和二氧化碳从尿液中分解出来，然后将气体导入一个“高压甲铵冷凝器”内，与新鲜氨化合并冷凝为甲铵液，放出的热量用于副产蒸汽。

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。

该工艺的特点是采用共沸物下的CO（NH2）2摩尔比为2.89作为操作控制最佳指标进行操作，大部分未反应生成尿素的氨和二氧化碳在高压系统内循环继续反应生成尿素，只有较少部分的氨和二氧化碳需要在低压部分进行回收，液氨泵和甲铵泵的输送量比较少，所以该装置中液氨泵和甲铵泵的台数较少，动力消耗较少，并且该工艺高压系统的操作压力较低，为13.5~14.5MPa，使液氨泵和甲铵泵的运行周期较长，维修费用较少。

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。

CO2气提法尿素的另一个优点就是，生产装置的生产能力的范围较宽，运行都很正常稳定。

并且荷兰斯塔米卡邦公司最近几年又对该工艺进行了大量研究工作，开发出了单套装置年产100×

100t/a尿素的尿素池式冷凝器技术。

与传统高压甲铵冷凝器不同的是，池式冷凝器可提供一定的停留时间，使甲铵生成尿素的反应在此可达到反应平衡的60%~80%，使生产装置产能在原设计能力的基础上翻一番，并且尿素主框架高度降到40m以下，使操作更加方便、动力消耗又有所降低。

CO2气提法也存在缺点：

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。

CO2气提工艺还暴露出一些不足，主要是尾气的易燃爆，设备腐蚀严重、操作条件苛刻、操作弹性较差[7,8]。

第2章水溶液全循环法工艺流程

2.1尿素的合成

工业上是由液氨和二氧化碳直接合成尿素的，其总反应式为：

2NH3+CO2→CO（NH2）2+H2O-103.7kJ·

mol

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·

mol　

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·

mol

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[9]。

2.2尿素的工艺流程

（1）二氧化碳压缩

来自脱碳工段的二氧化碳气体经分离器分离后进入CO2压缩机；

经五段压缩至21.61Mpa，气体温度约为125℃，送往尿素合成塔。

（2）氨的输送和尿素合成

原料液氨经过氨过滤器过滤后进入液氨缓冲槽的原料室中。

由中压循环系统返回的液氨，进入液氨缓冲槽的回流室。

一部分作为吸收塔的回流氨，多余的液氨流过溢流隔板进入原料室，与新鲜原料氨混合。

混合后的液氨进入高压液氨泵，被加压到21.61Mpa，然后去液氨预热器加热至40～60℃进入尿素合成塔。

原料CO2气体、液氨、循环回收工序来的甲铵液同时送入尿素合成塔底部，其组成NH3/CO2=4.1、H2O/CO2=0.65，在约为21.57Mpa（绝压），190℃的条件下合成。

气液混合物自下而上经等温内件及多块塔板，保证25～40min的停留时间，约有63%的CO2转化为尿素。

（3）循环回收

尿素合成塔的反应产物经减压至1.76Mpa后进入预分离器，在此分离出闪蒸气体后，溶液自流至预蒸馏塔，与来自一段加热器的热气体逆流接触，进行蒸馏，使液相中的部分甲铵与过剩氨进一步分解、气化，同时气相中的水蒸汽部分冷凝，蒸馏后的尿液自下而上进入蒸汽加热器管内，在蒸汽的加热作用下约88%的甲铵在此分解。

预分离器分离出的气体至一段吸收外冷凝器。

预蒸馏塔底排出的液相减压后至二段分解塔。

来自预蒸馏塔的气体与二甲铵液在降膜式真空预浓缩气器的热能回收段加热尿液，出热能回收的气液混合物与预分离气体混合后进入一段吸收外冷凝器，在软水的循环冷却作用下，气体发生冷凝，出一段吸收外冷凝器的气液混合物进入一段吸收塔，未被吸收的气体被来自惰性洗涤器的浓氨水与来自液氨缓冲槽的回流氨进一步吸收，一段吸收塔顶排出的气体氨进入氨冷凝器，不凝气体至惰性洗涤器，在惰性洗涤器内被来自二段循环第二冷凝器的氨水吸收，尾气经减压后至尾气吸收塔。

惰性洗涤器排出的氨水至一段吸收塔顶部，一段吸收塔底部的浓氨基甲酸铵溶液用高压甲氨泵加压后至尿素合成塔。

预蒸馏塔排出的尿液经减压后至二段分解塔，与来自二段分解加热器的气体逆流接触后进入加热段被蒸汽加热，分解尿液中残留的过剩氨和甲铵。

出加热段的气液混合物经分离后，尿液经减压后至降膜式真空预浓缩器，二段分解塔顶排出的气体与来自水解系统的解吸气混合后进入二段循环第一冷凝器，被二段蒸发表面冷凝液吸收，生成的二段甲铵液由甲铵泵送往真空预浓缩器的热能回收段。

出二段循环第一冷凝器的气体在二段循环第二冷凝器内继续被二段蒸发表面冷凝液吸收，生成的氨水由氨水泵送往惰性洗涤器，尾气至尾气吸收塔。

惰性洗涤器与二段循环第二冷凝器的尾气混合后进入尾气吸收塔被碳铵液吸收后进入碳铵液槽贮存，尾气通过放空总管放空。

（4）尿液加工

二段分解塔排出的尿液经减压后切线进入真空预浓缩蒸馏器的分离段，在0.044Mpa压力下，尿液中所含残余的CO2、游离氨以及大部分水分蒸发出去，与液体经分布器，从换热管顶部沿管内壁向下流动形成液膜，避免蒸发的蒸汽逸出液膜表面到管中心的空间，在真空抽吸下向上流动，液膜沿管壁流下。

预蒸馏塔出口气相与二段甲铵夜在真空预浓缩器克侧反应，将尿液浓度有76%提高到96%（重量分数），真空预浓缩器的尿液流至收集槽，通过尿液给料泵送往蒸发分离器，在0.003Mpa（绝压）下，被浓缩到约为99.7%（质量分数）的熔融尿素，再由熔融尿素泵送往位于造粒塔顶部的旋转喷头进行造粒，造粒塔底部得到的成品颗粒尿素由皮带输送机送至包装系统进行包装[10]。

（5）尿素工艺流程简图

图2.1水溶液全循环法制尿素简图

第3章物料衡算

3.1物料衡算计算条件的确定

在进行物料衡算之前，必须确定系统输入、输出、损失等物料量及计算基准等计算条件。

尿素物料衡算有下列各项：

（1）计算基准尿素物料衡算常以每吨成品（含N246%尿素）为基准。

（2）成品规格按国家标准规定[11]

表3.1尿素成分含量

含氮量

缩二脲

水份

其他杂质

0.46

0.09

0.03

0.01

（3）原料消耗额每生产一吨尿素耗氨580Kg,耗二氧化碳785Kg。

（4）每吨成品中NH3损失量：

NH3消耗定额与成品中尿素和缩二脲所含NH3量之差NH3损失量。

可按下式计算[11]

式中：

60.06—尿素分子量；

103.16—缩二脲分子量；

34.06、51.09—分别为尿素及缩二脲中含NH3量。

（5）NH3损失量在系统中具体分配根据中间试验车间及同类型生产车间测定数据确定。

可参考下表数据：

表3.2氨损失分配表

高压液氨泵漏损

11.69Kg

解吸塔废液中排出

0.48Kg

尾气吸收塔放空损失

0.65Kg

二段蒸发冷凝器排出

0.91Kg

一段蒸发喷射器放空损失

1.14Kg

造粒塔损失

0.68Kg

成品包装运输损失

0.75Kg

总计

16.3Kg

（6）每吨成