尿素工艺设计 辅导员大作业Word文件下载.docx

1、1773年，伊莱尔罗埃尔（Hilaire Rouelle）发现尿素。1828年，弗里德里希维勒首次使用无机物质氰酸钾与硫酸铵人工合成了尿素。本来他打算合成氰酸铵，却得到了尿素。从此，活力论的错误证明了，有机化学实际上开辟了。活力论认为无机物与有机物有根本性差异，无机物所以无法变成有机物。哺乳动物、两栖动物和一些鱼的尿中含有尿素；鸟和爬行动物排放的是尿酸，因为其氮代谢过程使用的水量比较少。1.2 尿素-简介别名：碳酰二胺、碳酰胺、脲 分子式：CO（NH2）2，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。 尿素在人的蛋白质分解最终产物中占有相当大的比例。尿

2、素外观为白色晶体或粉末。是动物蛋白质代谢后的产物，通常用作植物的氮肥。尿素是哺乳类动物排出体内含氮代谢物的形式。尿素也是很重要的肥料。1.3 尿素-物化性质 CO（NH2）2，分子量60.06 ，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。密度1335g/cm3。熔点1327。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。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

3、聚成六元环化合物三聚氰酸。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12毫米的半透明粒子，外观光洁，吸湿性有明显改善。尿素是生理中性肥料，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。尿素在转化前是分子态的，不能被土壤吸附，应防止随水流失；转化后形成的氨也易挥发，所以尿素也要深施覆土。尿素是人工合成的第一个有机物，广泛存在于自然界中，如新鲜人粪中含尿素0.4。尿素产量约占我国目前氮肥总产量的40，是仅次于碳铵的主要氮肥品种之一

4、。尿素作为氮肥始于20世纪初。20世纪50年代以后，由于尿素含氮量高（4546），用途广泛和工业流程的不断改进，世界各国发展很快。我国从20世纪60年代开始建立中型尿素厂。19861992年，我国尿素产量均在900万吨以上。目前占氮肥总产量的40。 工业上用液氨和二氧化碳为原料，在高温高压条件下直接合成尿素，化学反应如下：2NH3+CO2NH2COONH4CO（NH2）2+N2O1.4 尿素的生产尿素最先由鲁爱尔于1773年在蒸发人尿时发现的。1828年佛勒在实验室首先用氨和氰酸合成了尿素： HCON +NH3 =CO（NH2）2此后,出现了以氨基甲酸铵、碳酸铵及氰氨基钙等作为原料的50余种合

5、成尿素的方法.但是因原料难得或因有毒性或因反应条件难以控制或因经济上不合理,在工业上均未得到实现.1868年巴扎罗夫提出高压下加热氨基甲酸铵脱水生成尿素的方法.1922年首先在德国发本公司奥包工厂实现了以NH3和CO2直接合成尿素的工业化生产,从而奠定了现代工业生产尿素的基础.合成氨生产为NH3和CO2直接合成尿素提供了原料.由NH3和CO2合成尿素反应为: 2NH3+CO2 CO（NH2）2 +H2O该反应是放热的可逆反应,其产率受到化学平衡的限制,只能部分的转化为尿素,一般转化率为5070%.因而,按转化物的循环利用程度,尿素的生产方法可分为不循环法、 半循环法和全循环法三种.20世纪60

6、年代以来,全循环法在工业上得到普遍的使用.全循环法是将未转化成尿素氨和二氧化碳经多段蒸馏和分离后,全部返回合成系统循环利用,原料氨利用率达到97%以上.全循环法尿素主要包括四个基本过程:（1）氨和二氧化碳的供应及净化;（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.全循环法依照分离回收方法的不同又可分为热气循环法、 气体分离循环法、 浆液循环法、 水溶液循环法 、气提法和等压循环法.其中水溶液循环法和气提法发展最快.水溶液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在循环返回合成系统.根据添加水量的不同水溶液全循环法分为两类.一类是添加水量较多,即

7、H2O/CO2摩尔比近于1者,称为碳酸铵盐水溶液全循环法;另一类是添加水量较少的基本上以甲铵溶液返回系统的,称为甲铵溶液全循环法.后者是前者的改进.水溶液全循环法在尿素生产中一直占有重要的位置,且在不断的改进和发展中.主要有我国的碳酸铵盐水溶液全循环法 荷兰的斯塔弭谤水溶液全循环法 日本的三井东亚水溶液全循环法等.气提法是利用某一介质在与合成等压的条件下分解甲铵并将分解物返回系统使用的一种方法.按气提介质的不同又可分为二氧化碳气提法、 氨气提法、 变换气提法 气提法是全循环法的发展,具有热量回收完全,低压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 、延长运转周期和减少生产费用等

8、方面也都优于水溶液全循环法,是尿素发展的一种方向.具有代表的气提法的流程是荷兰的斯塔米卡帮二氧化碳的气提流程 .1.5 尿素的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。 1.5.1 用作肥料尿素是目前使用的固体氮肥含氮量最高的化肥，其含氮量为硝酸铵的1.3倍，氯化铵的1.8倍，硫酸铵的2.2倍，碳酸氢铵的2.6倍。尿素属中性速效肥料，长期使用不会使土壤发生板结。其分解释放的CO2也可以被农作物吸收，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。利用尿素可制得掺混肥料及复混肥料。1.5.2 用作工业原料在有机

9、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。1.5.3 用作饲料 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。1.6尿素正确贮存方法（1）尿素如果贮存不当，容易吸湿结块，影响尿素的原有质量，给农民带来一定的经济损失，这就要求广大农户要正确贮存尿素。在使用前一定要保持尿素包装袋完好无损，运输过程中要轻拿轻放，防雨淋，

10、贮存在干燥、通风良好、温度在20度以下的地方。（2）如果是大量贮存，下面要用木方垫起20公分左右，上部与房顶要留有50公分以上的空隙，以利于通风散湿，垛与垛之间要留出过道。以利于检查和通风。已经开袋的尿素如没用完，一定要及时封好袋口，以利下年使用。2尿素的生产工艺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

11、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.2.2 尿素合成的工艺条件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.2.2.1 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

12、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185200;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.2.2.2 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.2.2.3 水碳比水溶液全循环法中,水碳比一般控制在0.60.7;（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该温度下的平衡压力13Mpa.对于水溶液全循环法,当温度为190和NH3/CO2等于4时,相应的平衡压力是18Mpa左右,故其操作压力是一般为20Mpa左右.（2） 反应时

13、间对于反应温度为180190的装置,一般反应时间是4060min,其转化率可达平衡转化率的9095%.对于反应温度为200个装置,反应时间一般为30min左右,其转化率也接近于平衡转化率.2.3 尿素的生产工艺流程 由于目前普遍采用水溶液全循环法生产尿素下面就简述水溶液循环法生产尿素的流程. 图3-19是目前在我国得到广泛应用的中压、低压两段分解水溶液全循环法直接造粒尿素工艺流程图。现将流程叙述如下： 二氧化碳经压缩机1加压至20MPa左右，温度约为125，进入尿素合成塔5底部。经高压泵3加压，与经液氨预热器4预热到温度约90的液氨，配成氨碳比为4左右进入合成塔底部。从一段吸收塔10来的甲铵溶

14、液，由一段甲铵泵11加压后亦同样送入合成塔底部。上述三股物料在合成塔内充分混合并反应生成甲铵。二氧化碳约有62%左右转化为尿素。 含有尿素、未转化的甲铵、过剩氨和水的混合溶液，通过减压阀减压至1.721.82MPa，进入顶分离器6，在此进行气液分离。由顶分离器出来的溶液，因膨胀气化，温度有所下降，进入一段分解塔7进行加热分解。 把一段分解塔分出的气体也引入预分离器后，将气体一并引入一段蒸发加热器19下部在蒸发加热器中，部分气体冷凝，因而放出热量使尿液蒸发。自蒸发器下部出来的气体，导入一段吸收塔底部鼓泡吸收。在此约有95%气态CO2和全部水蒸气被吸收生成甲铵溶液。未被吸收的气体在塔内上升，与由液

15、氨缓冲槽2来的回流液氨逆流接触，未吸收的CO2完全从气相中除去，而纯的气态氨离开吸收塔进入氨冷凝器12，借冷却水将氨冷凝，被冷凝的液氨流入氨缓冲槽。 在氨冷器中未冷凝的惰性气体进入洗涤器13，气体中的氢用二段蒸发冷凝液来吸收。氨水在洗涤器中增浓，然后流入吸收塔顶。 来自二段吸收塔14的甲铵液经二段甲铵泵15送入一段吸收塔下部。浓的甲铵液由一段吸收塔底部出来经一段甲铵泵进入合成塔底部。 由一段分解塔出来的溶液减压至0.3O.4MPa，进入二段分解塔8进行加热分解。分离出来的液体送入闪蒸槽18，气体则进入二段吸收塔底部，由加入塔顶的二段蒸发冷凝液来吸收。由二段吸收塔顶出来的气体与惰性气体洗涤器出来

16、的气体混合进入尾气吸收塔16，由蒸发冷凝液进行循环回收。回收后，气体由尾气吸收塔顶放空，溶液在浓度达到一定程度时，进入解吸塔17进行解吸，解吸后的气体引入二段吸收塔底部。 由二段分解塔底出来的溶液，减压后进入闪蒸槽中，在41kPa真空下气化，除去部分水和溶解的氨等，使尿液不含溶解的氨和二氧化碳并得到浓缩。 经闪蒸后的尿液由尿液泵26送入蒸发系统。一段蒸发器将尿液蒸浓到 96%，并经分离器20进行气液分离。从分离器出来的蒸汽与闪蒸槽的蒸汽一并进入一段蒸发表面冷凝器27内冷凝。一段蒸发在58kPa真空下操作。尿液自一段蒸发分离器进入二段蒸发加热器21，尿液在其中蒸浓至99.7%（重量），温度约14

17、0。气液混合物自蒸发器进入蒸发分离器22，分离出来的99.7%的浓缩尿素溶液，经熔融尿素泵23送至造粒塔顶旋转式造粒喷头24喷洒造粒。粒状尿素再经皮带运输、包装即成为产品。2.4 尿素的工艺计算物料衡算：1物料衡算所需的基本公式： 预热前后物料质量不变，即 GC=G1（1-W1）=G2（1-W2 ） 水分蒸发量 =GC（X1-X2） 空气消耗量：L在大气中空气的湿基含水量为10，预热后空气中的湿基含水量为7，假设预热空气量为6000/h,原始空气的湿度为0.0117，温度为20，经预热器加热至80进入氧化炉，出炉的废气湿度为0.0379水/干空气,需求空气在预热器中蒸发的水分量为多少？将空气送

18、入预热器的鼓风机入口风量是多大？解：已知H0.0117 H0.0379水/干空气 W1=10=0.1 W2=7=0.07 G2=6000/h 则 X1W11-W10.110.10.1111水/空气 X2W2W20.0710.070.0752水/空气 GCG2（W2）6000（10.07）5580/h蒸发的水分量为（X1-X2）5580（0.11110.0752）200水/ h干空气消耗量为LHH200/0.03790.01170.7633104空气/ h（0.7731.244H1）273t0/273 （0.7731.2440.0117）27320/2730.845m3/干空气 故鼓风机入口风量

19、为hL0.76331040.8450.644910m3/ h如果在夏季生产，气温升高湿度和相对湿度都会增加，出氧化炉的废气的湿度也会相应增加，在要求废气湿度不变的情况下，空气消耗量也会随之增加，所以在计算中一般按照夏季平均最高值条件来计算空气消耗量。2.5 尿素合成塔合成塔是合成尿素生产中的关键设备之一,由于合成尿素是在高温、高压下进行的,且溶液又具有强烈的腐蚀性,所以,尿素合成塔应符合高压容器的要求,兵应具有良好的耐腐蚀性.目前我国采用的合成塔是多衬里式尿素合成塔,主要由高压外筒和不锈钢衬里两大部分构成,不锈钢衬里直接衬在塔壁上,他的作用是防止塔筒体腐蚀.水溶液衬里合成塔在高压筒内壁上衬有耐

20、腐蚀的不锈钢或者高铬锰不锈钢,其厚度一般在5mm以上.在塔内离塔2m和4m处设有两块多孔筛板,其作用是促使反应物料充分混合和减少熔融物的返混.一般在该塔之前要设置一个预反器,使氨、二氧化碳和甲铵溶液在预反器混合反应后,在进入合成塔一进行甲铵脱水生成尿素的反应。2.6 尿素合成塔的操作控制分析化工生产操作之三 化工生产是一个复杂的工艺过程，各个工序之间，有着密切的影响和联系。因而化工生产的每个步骤的工艺条件，既是可调节的，但又不是都可以任意选定的。 对于工程技术人员来讲，在制定工艺条件和工艺手段时，不但要考虑单个工艺条件对生产的影响，还要综合考虑相互之间的影响，这样制定的工艺条件和调节手段才能保

21、证产品的质量好，产量高，消耗低；生产稳定、 安全和持续。尿素合成塔的操作控制是尿素生产的核心。合成塔操作的好坏，将直接影响到全系统的负荷分配和消耗定额。因此，以尿素合成塔岗位的操作控制为例分析生产岗位控制参数及调节手段的选定。由于生产中需要考虑的工艺参数很多，有时各个参数对生产的影响又是相互矛盾的，这就要抓住主要矛盾，以高产 低耗 稳定 安全为目标。 尿素合成塔的中心任务就是合成出尿素，因此，尿素转化率的高低是判断合成塔操作好坏的重要指标。当转化率发生波动，循环系统必然跟着波动，循环系统波动又会影响到转化率的波动，他们之间相互影响，关系密切。如果控制不好，有可能造成整个系统的恶性循环，所以，合

22、成塔操作中，应首先将尿素的转化率控制好。 合成塔塔顶 塔底温度的变化，基本上是由于进塔的NH3/CO2、 H2O/CO2 和氨预热器温度决定的。因此在生产上一般均以这三个参数来调节温度，但是生产中温度的调节一般以NH3/CO2和氨预热温度调节为主。 最常见的塔底 、塔顶温度异常情况及其产生的原因一般有下述几种 塔底温度偏高，塔顶温度偏低H2O/CO2偏高。 塔底温度偏低，塔顶温度偏高H2O/CO2偏低。 塔底温度偏高，塔顶温度偏高NH3/CO2偏低。 塔底温度偏低，塔顶温度偏低NH3/CO2偏高。 塔底温度变化不大，塔顶温度偏高或偏低塔内热平衡需要调整，一般而言，氨预热温度偏高或偏低。以上所述

23、，从尿素合成塔的任务及提高转化率的重要性出发，考虑操作应保证足够高的转化率，然后根据生产原理和实际，把温度和压力确定为主要控制指标，以温度为例，分析了影响温度的因素，再决定调节温度的手段，即，一般用NH3/CO2和氨预热温度调节尿素合成塔的温度。3 尿素溶液加工方法尿液经过两段蒸发，即首先在30kPa下把尿液加热至 130以上， 使其蒸浓到 95；再在3.3kPa下将尿液加热至约140，使其浓度达到99.5以上。采用两段蒸发的目的，是保证在较低温度下蒸发大部分水分，借以减少缩二脲的生成。蒸发器大多采用升膜式蒸据不同要求，可以采用三种方法生产固体尿素。3.1结晶法将尿液蒸浓到约85，再通过冷却、

24、结晶、分离、干燥而得到产品。在结晶过程中，通入约95的热空气，使结晶与干燥同时进行的方法称为无母液结晶法。也有采用真空结晶法，借以充分利用系统的反应热（如三井东压法）。结晶法的特点是成品中缩二脲含量0.3，但成品易吸湿、结块，一般作工业尿素用。3.2塔式喷淋法造粒目前使用最广泛的方法。将99.5的尿液在造粒塔顶通过喷头（大多用旋转喷头）喷成液滴下落，与塔底通入的空气逆流接触凝结、冷却而成为粒径0.82.5mm的颗粒产品。此法优点是消耗动力很少，但产品机械强度不高，易破碎；且塔顶排出的空气含尿素大于100mg/m3，污染大气，需在造粒塔顶加设庞大的净化装置（见尿素造粒塔）。3.3颗粒成型法造粒塔

25、式喷淋造粒法产品强度较低，粒径较小，抗碎、抗磨强度较差，不能满足掺混肥料及机械施肥的需要。60年代起，发展了颗粒成型法造粒新技术，即把96以上的尿液，逐层凝结在晶种粒子表面而形成颗粒尿素。产品粒度为24mm（根据需要可达711mm），不但强度高，且不易吸湿。一般可通过下面几种途径解决尿素粒径问题：选用大颗粒造粒喷头，使80%的尿素颗粒直径大于2mm；采用流化床冷却装置，降低入袋温度，解决超产后易结块问题，将颗粒与粉尘分开；采用北京达立科公司开发的双转鼓流化床大颗粒尿素技术，尿素颗粒直径可达46mm，国内已有2家采用此技术； 原有的造粒系统不动，将增产的尿素在造粒之前取出，用尿素熔融液来生产氮磷

26、钾复合肥，目前上海化工研究院正在几家小尿素厂中实施该技术。4 尿素工艺技术的改进4.1 尿素合成塔采用高效塔板目前各工艺的尿素合成塔虽在塔内设有隔板，但塔内的气体分布和液体的流动状态仍不甚理想。此前卡萨里公司开发了条状倒“U”形塔板（图3-22所示），改善气体分布和稳定两相在塔内的流动状态，此改进可以提高CO2转化率2%4%，生产一吨尿素可节省汽提塔的蒸汽消耗80120kg。斯塔米卡邦公司改进的高效塔板仍为干板，设计成串联式的尿素合成塔，共有11块塔板，每个间隔均为一个高压鼓泡塔，气体均匀分布，使气液充分混合接触，完全防止各间隔之间溶液返混，形成活塞流，从而提高CO2转化率，可以达到理论平衡转

27、化率的95%。据称如不增加汽提塔的负荷和不影响汽提效率的前提下，原有的高压合成系统可以增加20%的能力。如新设计，合成塔的容积可减少约25%。4.2 Stamicarbon池式反应器工艺（Urea 2000+TM）CO2气提法工艺由于CO2单程转化率较低，从而存在消耗指标高；操作要求严格；加氧量较高，尾气易形成可燃爆气体；设备腐蚀较严重；高压系统物料的循环靠位差，必须建高框架等不足之处。20世纪80年代以后，斯塔米卡邦公司为提高该工艺技术的市场竞争力，经过多年潜心研究，在工艺流程、设备结构和用材、设备布置等方面作了不少改进，从而使设备尺寸大幅度减小、框架高度大幅度降低、消耗指标进一步降低、设备

28、腐蚀问题得以控制、消耗指标进一步降低和相应降低投资，同时使装置的更大型化和老装置的扩能、降耗改造得以实现。Stamicarbon公司于1996年提出新型尿素超优工艺（Urea 2000 plusTM），它在技术上的主要改进有先进的合成塔塔盘设计、池式冷凝器和池式反应器，前两项改进已经工业化生产，池式反应器也在1997年11月由Stamicarbon的母公司DSM在荷兰格林（Geleen）新建的1150 t/d尿素的工厂采用。4.2.1 池式冷凝器工艺池式冷凝器在1994年由建于孟加拉国吉大港的戈尔诺谱利化肥有限公司（KAFCO）开始应用，因为成功引用了池式冷凝器代替通常的垂直降膜式甲铵冷凝器，

29、从而降低了装置的总高度。池式冷凝器是一具有浸没式U型管束的卧式容器，改变过去工艺介质走管程的立式降膜型，而是工艺介质走壳程、低压蒸汽在管程发生，其结构如图3-23所示。壳侧为高压筒体，内衬尿素级316L，筒体内设U形管束、气体分布器、挡板和导流板，材质均为25-22-2；管板为碳钢堆衬25-22-2 （工艺介质侧）。 U形管与管板的焊接采用内孔焊，即管子不穿入管板，只管端头与管板上的2522-2衬里相焊接。采用池式冷凝器的高压圈示意流程图见图3-24。高压圈的设备包括合成塔、汽提塔、高压洗涤器和池式冷凝器，与CO2汽提法的标准设计有四台高压设备相同，原料液氨进入池式冷凝器的一侧，从汽提塔出来的气相混合物进入池式冷凝器的底部，而且沿冷凝器的整个长度均匀分布扰动，池式冷凝器由于汽提气通过管束引起的湍流增加了热量的传递和反应组分的混合，冷凝放出的热量由列管内副产低压蒸汽移走，冷凝程度则依靠蒸汽压力来控制，锅炉给水由泵强制循环，传热优于立式降膜式冷凝器的自然循环。在池式冷凝器内生成的部分尿素和水，提高了混合物在冷凝器出口的沸点，温度提高至175177（而降膜式冷凝器只有165167），因而传热温差提高，加上管内外传质传热效率的提高，甲铵冷凝器的传热面积可减少约30%。池式冷凝器和合成塔压力控制为14 MPa，氨碳比3.0。由于池式冷凝器出口混合物的温度温度相对较高，在