工艺技术年产万吨尿素合成工艺设计.docx
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工艺技术年产万吨尿素合成工艺设计
年产8000吨尿素合成工艺设计
摘要
尿素是一种高浓度氮肥，是各种农作物的重要营养来源，在国民经济中有重要的作用。
目前尿素的生产方法主要有二氧化碳气提法，水溶液全循环法。
本设计采用的是水溶液全循环法。
本设计进行了物料衡算和能量衡算，同时也进行了一些主要设备的工艺计算，车间平面立面布置设计，成本估算，提出了安全环保措施，并绘制了带控制点的工艺流程图、厂区布置图、车间平面立面布置图及主要设备图。
关键词：
尿素水溶液全循环法物料衡算热量衡算设备的工艺计算车间的布置设计
ABSTRACT
Ureaisahighconcentrationofnitrogenfertilizer,andureaisthemajorsourceofnutritionofcrops,inthenationaleconomyhaveanimportantrole.Ureaproductioniscurrentlythemainmethodgasformulationofthereferencegas,full-cyclemethodinaqueoussolution.Thisdesignisusedinfull-cyclemethodinaqueoussolution.Designtasksinaccordancewiththerequirementsforthematerialbalanceandenergybalance,aswellasanumberofmajorprocessequipment,thelayoutdesignworkshopelevationplane,costestimatesandtotakesecurityenvironmentalprotectionmeasures,anddrawaflowchartofcontrolpointband,factorylayout,plantlayoutflatfacadeandmainequipmentplan.
Keywords:
Urea;full-circulationwithwatersolution;materialbalance;heatbalance;calculationoftheprocessequipment;equipmentlayoutdesign
第一章总论
1.1概述
1.1.1尿素的性质及用途
尿素别名碳酰二胺、碳酰胺、脲。
是由碳、氮、氧和氢组成的有机化合物，又称脲（与尿同音）。
分子式为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机无臭无味。
密度1．335g/cm3。
熔点132．7℃。
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（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。
尿素对热不稳定，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。
2NH3+CO2→NH2COONH4→CO（NH2）2+H2O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。
尿素是一种高浓度氮肥，属中性速效肥料，也可用了生产多种复合肥料。
在土壤中不残留任何有害物质，长期施用没有不良影响。
畜牧业可用作反刍动物的饲料。
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。
它可以大量作为三聚氰胺、脲醛树酯、水合阱、四环素、苯巴比妥、咖啡因、还原棕BR、酞青蓝B、酞青蓝Bx、味精等多种产品的生产原料。
尿素还有以下很多用途：
一、调节花量为了克服苹果地大小年，遇小年时，于花后5-6周（苹果花芽分化的临界期，新梢生长缓慢或停止，叶片含氮量呈下降趋势）叶面喷施0.5％尿素水溶液，连喷2次，可以提高叶片含氮量，加快新梢生长抑制花芽分化，使大年的花量适宜。
二、疏花疏果桃树的花器对尿素较为敏感但嘎面反应较迟钝，因此，国外用尿素对桃和油桃进行了疏花疏果试验，结果表明，桃和油桃的疏花疏果，需要较大浓度（7.4％）才能显示出良好效果，最适合浓度为8％-12％，喷后1—2周内，即能达到疏花疏果的目的。
但是，在不同的土地条件下，不同时期及不同品种的反应尚需进一步试验。
三、水稻制种在杂交稻制种技术中，为了提高父母本的异交率，以增加杂交稻制种量或不育系繁种量，一般都采用赤毒素喷施母本以减轻母本包颈程度或使之完全抽出；或喷施父母本，调节二者的生长，使其花期同步。
由于赤霉素价格较贵，用其制种成本高。
人们用尿素代替赤霉素进行实验，在孕穗盛期、始穗期（20％抽穗）使用1.5％-2％尿素，其繁种效果与赤霉素类似，且不会增加株高。
四、防治虫害用尿素、洗衣粉、清水4:
1:
400份，搅拌混匀后，可防止果树、蔬菜、棉花上的蚜虫、红蜘蛛、菜青虫等害虫，杀虫效果达90％以上。
五、尿素铁肥尿素以络合物的形式，与Fe2+形成螯合铁。
这种有机铁肥造价低，防治缺铁失绿效果很好。
此外叶面喷0.3％硫酸亚铁时加入0.3％尿素，防治失绿效果比单喷0.3％硫酸亚铁好。
1.1.2市场需求
用肥期来临，市场整体库存不够。
夏季，农用需求备肥旺季不断临近，江苏、安徽、浙江、山东、河南、河北等很多省份马上就要进入用肥期，据国家相关部门统计，仅山东地区土地耕种面积较去年相比增加了300多万亩，用肥量必将大幅提升。
由于目前粮食价格有所上调，尤其是绿豆、玉米等价格的火爆，加上去年北方地区干旱使得粮食减产，可以预计今年秋季冬麦种植面积将有所增加，用肥量必定增加。
另外，今年开春以来，中国北方大部分地方一度出现了连续低温降雨的“倒春寒”天气，严重地影响了夏熟作物生产。
最严重的是，夏熟作物生育期被推迟了，东北地区、江苏等地区春玉米的整个长势也较往年明显偏弱。
按理来说，根据以往气候条件的一些影响，当地农户没有在玉米苗期施肥的习惯。
但今年就大不同了，玉米播种后遭遇连续低温阴雨天气，种子出苗前，在土壤中的时间较长，消耗的养分较多，出苗后玉米生长势较弱，因此，今年不施肥不行。
当地农业部门要求，今年玉米苗肥的施用比较重要，忽视不得，每亩至少需要尿素5－8公斤浇施。
玉米是我国北方秋季最主要的一大经济作物。
今年因为气候特殊，反而得用尿素了，平添出来的化肥用量，平添出来的尿素市场。
国内部分地区尿素价格稳中略升。
东北地区淡储市场及出口订单的成交对山东、山西、河北、河南等地区尿素价格带来的支撑逐渐显现出来，目前山西及山东地区个别大厂10月份的订单已经基本排满，所以出厂报价缓慢上调,高端已经重回1500元／吨略高的水平。
不过上调以后的价格成交量不多，近期厂家所执行的主要都是前期1470～1480元／吨上下接的订单。
西北地区暂时没有用肥需求，各大厂家都还在忙着联储，实际出厂成交价格不太明朗。
不过从目前新疆地区代理商批发报价一般在1570～1620元／,甘肃地区代理商批发1640元／吨左右，以陕西地区代理商批发l570～l580元／吨的价格推算，实际出厂价格约在l500～l550元／吨的水平。
现在中下游市场采购的积极性非常低，尿素产品基本都以联储的形式积压在了上游代理商的仓库里。
综合来看，近段时间一直表现平淡的市场较开始有所好转，虽然在供大于求的现状下整体行情仍不乐观，但今年中原地区冬小麦播种二铵用量比较大，尿素作为氮肥的补充也有少量需求。
如果市场行情比较理想的话，10月下旬秋播结束以后，河北、河南、山东、江苏、安徽等地区的经销商很可能也会开始淡储采购，而且11月1日关税将再次调回l0％近日已经有不少贸易商开始采购货物准备出口。
这些因素聚到一起有可能会促成一波涨幅，不过限于整体市场环境不太理想，所以持续上涨的可能性较小，而且涨幅也不会太大。
1.2文献综述
尿素的生产方法主要有不循环法及全循环法。
原料液氨以及净化后的CO2气体，经压缩后进入尿素合成塔，合成反应液经一次减压分解其中未反应的氨和CO2，舍氨尾气送往氨加工车间生成铵盐。
未反应物不返回合成系统，故叫不循环法。
若未反应物经减压加热分解，冷凝后部分返回合成系统，称为部分循环法。
此法成本高，技术落后，早已淘汰不用。
尿素的全循环法主要有水溶液循环法和气提全循环工艺。
尿素合成反应后，未转化的反应物氨和CO2经过几段减压及加热分解，将其从尿素溶液中分离出来，然后全部返回合成系统，以提高原料氨和CO2的利用率。
此法称为全循环法。
水溶液循环法是60年代起被广泛采用的一类全循环工艺，是1932年美国杜邦公司发明的水溶液全循环法的进一步改进。
荷兰、日本、意大利、美国、瑞士和法国的几家公司都有各自的专利，它们的基本工艺相同，但在操作条件选择、热量回收方法和节能手段方面各有特点。
典型流程的工艺要点是：
二氧化碳和氨被水吸收生成甲铵的水溶液,返回尿素合成系统。
水的返回降低了转化率,并增加了水的蒸发量,因此,用水量必须降到最低限度。
合成系统的条件是温度190～200℃、压力19.7～24.6MPa，氨与二氧化碳的摩尔比3.5～4.5，合成塔内二氧化碳的一次转化率为62％～72％。
氨总回收率大于99％。
甲铵分解采用逐级降压多级分解器法，每级中分解出来的气体用下一级生成稀甲铵水溶液吸收，最后返回合成系统。
此法工艺流程较多，但其设计都要求：
①最大限度地回收热量；②甲铵水溶液的循环量和水量降低到最低水平；③最大限度地降低动力消耗；④氨回收达到最佳值。
气提全循环工艺出现在60年代中期，与其他全循环工艺的不同点在于用氨、二氧化碳或其他气体作为气提剂，在高压下（或与合成等压）促使甲铵分解。
具有代表性的二氧化碳气提工艺流程是：
从合成塔出来的溶液依靠重力流入气提塔。
气提塔的结构为列管式的降膜塔,温度保持在180～190℃，溶液在列管内壁成膜从塔顶流向塔底；二氧化碳原料气从塔底进入，向上流动。
从气提塔出来的氨和二氧化碳流入高压甲铵冷凝器的顶部，同时还送入稀甲铵循环溶液和一部分由合成塔引出的溶液，保证有足够的溶剂，使甲铵不致析出。
从高压甲铵冷凝器底部流出的溶液再返回合成塔，形成循环。
从气提塔出来的溶液通过阀降压，然后进入低压分解系统（包括精馏塔、加热器和闪蒸罐）。
分离出来的氨和二氧化碳再凝缩成稀甲铵溶液，返回高压系统。
合成塔操作条件;压力约13.8MPa、温度180～185℃、氨与二氧化碳的摩尔比约2.8。
设备采用含钼的低碳不锈钢（气提塔用高镍铬不锈钢）。
气提法工艺还有多种类型，如意大利斯纳姆公司的氨气气提工艺、意大利蒙特爱迪生集团公司的氨与二氧化碳双气提工艺、日本东洋工程公司的节能型二氧化碳气提工艺、中国上海化工研究院等开发的变换气气提与合成氨脱除二氧化碳联合生产的工艺等。
气提技术的采用使甲铵的分解与回收可以在较高压力下进行,相应地可以回收压力0.4～0.5MPa的蒸汽供本系统自用，使每吨尿素蒸汽耗量降至1t以下。
我国小型尿素装置时吸收中尿素装置生产运行经验的基础上发展起来的。
小型尿素装置出现了很多公益技术的改进和发展。
例如，一段分解采用预蒸馏流程，一段吸收增设一吸冷却器、解吸设置冷凝器等等。
使装置的生产能力成倍的增加，并降低了原料、动力消耗，提高产品质量。
1.3设计任务来源
设计课题为年产6万吨尿素合成的工艺设计，由老师指定。
第二章尿素生产工艺流程
2.1生产方法的确定
目前，我国大型厂采用的多数是二氧化碳气提法和溶液全循环改良C法，小型厂绝大多数采用水溶液全循环法。
水溶液全循环工艺虽然是上世纪60年代的技术，但由于我国对尿素工艺的研究和开发，均以此工艺为主，因此在工艺设计、设备制造、操作技术和生产管理方面积累了丰富的经验。
此工艺在中国从1966年到2008年经历了42年的生产和技改，已创出汽耗为1100Kg的水平。
进一步回收热能，使汽耗降到900Kg的工艺也将出现。
因此中国式的改良型水溶液全循环法尿素新工艺即将诞生，它大大不同于60年代传统的预分离工艺。
1986年我国小型氮肥厂碳铵改产尿素的技术改造在山东邹城等三个小型氮肥厂水溶液全循环工艺实验装置上（4万t/年）相继获得成功。
国家在“七五”和“八五”期间选择有条件的小型氮肥厂，安排上百家企业采用水溶液循环法将碳酸氢铵产品改为尿素，推动了小型氮肥工业产品结构的调整。
小型尿素装置建成和投产后，技术改造工作不断取得新的成果，小型尿素装置的生产呈现出产量增加、能耗降低，产品质量提高的可喜局面，为企业取得了好的经济效益，也为小型氮肥厂的发展注入了新的活力。
上世纪90年代后期至今，小尿素厂加大了技改力度，使装置能力大幅度提高，汽耗大幅度下降，在中国是水溶液全循环法工艺装置高产低耗的楷模。
经过简单的增产节能技术改造，汽耗可降至1100Kg，众多的原小氮肥厂新建尿素装置时仍采用此工艺，其投资低于CO2汽提工艺装置的一半，如8－13，12－20，18－30规模的厂相继建成。
鲁西集团八厂的水溶液全循环工艺装置设计为400Kt/a，最近实产已达到500Kt/a。
汽耗可望降至1000Kg。
这是我国目前最大生产规模的水溶液全循环工艺装置，从汽耗降低水平来看，可以与大型CO2汽提、氨汽提工艺相媲美。
本设计年产6万吨，为小型氨厂。
由于改造水溶液全循环工艺装置，技改投资低，增产幅度大，汽耗下降显著，与目前引进的NH3汽提装置或用高压圈改造的装置相比，水溶液全循环工艺装置的尿素因生产成本低更具有市场竞争力。
所以本设计采用水溶液全循环法。
2.2工艺流程叙述
水溶液全循环法工艺流程为：
纯度为98.5％的CO2气体（要求气体中氧含量保持在0.5％－0.7％）进入压缩机，经五段压缩后送入合成塔。
来自氨罐的新鲜液氨，通过氨过滤进入液氨缓冲槽与回流氨混合进入高压氨泵，再经氨预热器加热进入合成塔。
由二氧化碳压缩机送来的CO2气体、高压氨泵送来的液氨和高压甲铵泵送来的甲铵液同时送入合成塔底部。
出合成塔的尿液经合成塔压力调节阀减压后，进入一段分解塔。
尿液在一段分解塔闪蒸，液相在精馏段与一段分解分离器来的气体进行逆流传热，尿液被进一步分离。
液相进入一段分解加热器加热，加热后的尿液在一段分解分离器中进行气液分离。
为防止设备管道被腐蚀，往一段分解加热器液相进口管补入空气。
出一段分解器的尿液进入二段分解塔顶部。
出二段分解塔的气体进入二循一冷和二循二冷冷凝吸收，出二段分解塔的尿液进入闪蒸槽。
从一段分解塔从出来的气体和低压甲铵泵送来的稀甲铵液一起进入一段蒸发加热器下部的热利用段，然后进入一段吸收塔底部。
出一段吸收塔的气氨在氨冷器中用水冷凝成液氨后，流至液氨缓冲槽。
出氨冷器的气体进入惰性气体洗涤塔，其中氨被氨水泵送来的氨水吸收，出惰性气体洗涤塔的气体送往尾气吸收塔。
来自解吸塔的气体与二段分解塔来的气体混合后，进入二循一冷底部，气相中的大部分氨、二氧化碳和水被冷凝吸收，生成的稀甲氨液由低压甲氨泵送入一段吸收塔。
出二循一冷的气体进入二循二冷底部，被蒸发冷凝液吸收，剩余的气体送往尾气塔。
惰性气体洗涤塔出来的气体和二循二冷出来的气体进入尾气塔经洗涤后，残余气体放空，液体返回碳铵液槽。
碳铵液槽的碳铵液经解吸泵送入解吸塔，出解吸塔的气体进入二循一冷，出解吸塔的废液经解吸换热器换热后排入地沟。
出二段分解塔的尿液进入闪蒸槽被闪蒸后流入一段蒸发加热器。
尿液经热利用段和加热段加热，在一段蒸发分离段分离出的尿液去二段蒸发器，被管间蒸汽加热后进入二段蒸发分离器进行气液分离。
液相的熔融尿素，经熔融泵送往造粒喷头进行旋转喷洒造粒。
一段蒸发气相和闪蒸气相一道进入一段蒸发表冷器内冷凝为碳铵液。
二段蒸发气相经升压器进入二段蒸发表冷凝器内冷凝。
2.3工艺流程简图
第三章工艺计算
3.1物料衡算
3.1.1产量及产品质量与消耗定额
3.1.1.1产量
设计产量年产尿素6万吨，年开工时间340天。
3.1.1.2产品质量
符合GB2440-91国家农用尿素标准。
表3–1GB2440-91国家农用尿素标准
指标名称
一等品
二等品
指标名称
一等品
二等品
含氮
≥46.30％
≥46.0％
含缩二脲
≤1.0％
≤2.5％
含水
≤0.6％
≤1.0％
粒度（0.8–2.6mm）
≥90％
≥90％
3.1.2计算条件的确定
3.1.2.1计算基准
以一吨成品尿素为计算基准。
3.1.2.2成品规格
粒状尿素的规格为：
含氮量46％（折合尿素98.5％，重量，其中未含缩二脲含氮量）缩二脲1.0％水0.5％
3.1.2.3原料消耗定额
年产6×104万吨尿素装置通用设计采用的吨尿素原料消耗定额为：
NH3630KgCO2750Kg
3.1.2.4每吨成品尿素氨的损耗及其分配
总损失量：
630－985×2×17/60－10×3×17/103＝66.882Kg
式中60——尿素的摩尔质量；
17——氨的摩尔质量；
103——缩二脲的摩尔质量；
3——每摩尔缩二脲中所消耗的氨的摩尔数；
2——每摩尔尿素中所消耗氨的摩尔数。
其中：
解吸废液以尿素形式排出0.73Kg
液氨泵漏损47.51Kg
尾气吸收塔放空损失2.64Kg
二段蒸发冷凝液排出3.70Kg
一段蒸发喷射器放空损失4.63Kg
造粒塔损失2.76Kg
成品包装运输损失4.27Kg
总计66.882Kg
3.1.2.5每吨成品尿素CO2的损失及分配
总损失量：
750－985×44/60－10×2×44/103＝19.123Kg
式中44——CO2摩尔质量；
2——每摩尔缩二脲中所消耗CO2的摩尔数；
其中：
CO2压缩机损失17.27Kg
解析塔废液排出0.20Kg
二段蒸发冷凝液排出0.39Kg
造粒塔损失0.30Kg
总共19.123
每吨成品尿素的损失1.49Kg水解消耗的尿素2.18Kg
缩二脲生成量3.27Kg系统中循环的尿素量2.5Kg
3.1.3CO2压缩系统
3.1.3.1条件
（1）CO2气体的组成
加防腐空气后，干基，体积%，惰气除氧外全部按氮计。
CO295.7%N23.8%
O20.5%气体含硫量忽略不计。
（2）O2气体进入压缩系统的参数
压力P=0.1052MPa温度≤35°C
（3）CO2气体湿含量按吸入条件下饱和水蒸气含量计
35°C时，水蒸气的压力为：
0.0056MPa
（4）CO2气体五段入口压力7.995MPa，40°C，五段出口压力为20.595MPa（绝），温度125°C
3.1.3.2计算
（1）进入CO2压缩系统的干CO2气体量
CO2：
750Kg或17.0454Kmol
O2：
17.0454*0.5/95.7＝0.089Kmol或2.850Kg
N2：
17.0454*4.0/95.7＝0.6768Kmol或18.9511Kg
干CO2气体量：
750+2.850+18.951=771.8011Kg
或17.0454+0.089+06768＝17.8112Kmol
（2）CO2气体带入水量
17.112*0.0056/（0.1052-0.0056）=1.0014Kmol或18.026Kg
（3）CO2气体在压缩系统的损失量（干基）
CO2：
17.27Kg或0.3925Kmol
O2：
0.3925*0.5/95.7＝0.0020Kmol或0.0656Kg
N2：
0.3925*4.0/95.7＝0.0156Kmol或0.4364Kg
（4）压缩后的CO2气体量（干基）
CO2：
750-17.27=732.73Kg或16.6529Kmol
O2：
2.850-0.0656=2.194Kg或0.06856Kmol
N2：
18.951－0.4364＝18.5146Kg或0.6612Kmol
总共：
753.4386Kg或17.3827Kmol
（5）压缩后的CO2气体含水量
CO2气体压缩机未设置五段水冷器，故压缩后的CO2气体含水量为五段入口CO2气体的饱和水蒸气含量。
四段水分离器后泄露的水蒸气忽略不计。
40°C时，水蒸气的压力为0.0074MPa
故气相含水量;
17.3827*0.0074/（7.995-0.0074）＝0.0161Kmol或0.290Kg
（6）CO2压缩机各段排出水量
H2O18.026-0.290＝17.736Kg或0.9853Kmol
3.1.4尿素合成塔
3.1.4.1条件
（1）尿素合成塔原始物料组成
NH3/CO2＝4.3（摩尔比）H2O/CO2＝0.7（摩尔比）
（2）操作条件
压力：
19.712MPa温度：
188±2°C
（3）CO2的转化率维尔64％
（4）原料液氨带入系统的水量忽略不计。
（5）由一段吸收系统返回尿素合成塔的氨基甲酸铵溶液中
NH3/CO2＝3.2（摩尔比），含循环尿素2.5Kg
3.1.4.2计算
（1）生成尿素的计算
每吨成品尿素含尿素985Kg
损失尿素1.49Kg
水解尿素2.18Kg
生成缩二脲消耗尿素3.27*2*60/103＝3.81Kg
尿素合成塔应生成尿素量：
985+1.49+2.18+3.81=992.48Kg或16.5413Kmol
消耗氨992.48*2*17/60＝562.405Kg或33.0827Kmol
消耗CO2：
992.48*44/60＝727.819Kg或16.5413Kmol
生成水：
992.48*18/60＝297.744Kg或16.5413Kmol
（2）入塔原料二氧化碳气体
由二氧化碳压缩系统物料平衡可知;
CO2：
16.6529Kmol或732.73Kg
O2：
0.06856Kmol或2.194Kg
N2：
0.6612Kmol或18.5146Kg
H2O：
0.0161Kmol或0.290Kg
（3）入塔一段甲胺溶液
CO2：
992.48*44/（60*0.64）-732.73=404.487Kg或9.1929Kmol
NH3：
404.487*3.2
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