尿素生产工艺设计

第一章 尿素生产概述

1.1尿素生产的原理

尿素的合成原料是氨和二氧化碳，这两种原料均来自合成氨装置。尿素合成的条件为：

188℃，15.6MPa ，进料氨与二氧化碳的物质的量比是3.6，水与二氧化碳的物质的量比是

0.67[2]。

一般认为在合成塔尿素的反应分以下两部进行

第一步，氨基甲酸铵的生成。反应式为：

324212()()()NH l CO g NH COONH l Q ++

第二步，氨基甲酸铵脱水。反应式为：

422222()()()()NH COONH l CO NH l H O l Q +-

1.2尿素生产的方法

由于这两个反应都是可逆反应，因此氨与二氧化碳不可能全部转化为尿素。在工业生

产条件下，二氧化碳转化率仅在50%-70%之间[3]。为了分离和回收未反应的氨和二氧化碳，

可将合成熔融物加热分解，使气体逸出。但要将逸出的氨与二氧化碳全部或部分返回合成

塔重新合成尿素，这就出现了各种不同的流程。有循环法，半循环法和全循环法。

全循环法又可以分为热气全循环法、矿物油全循环法、气体分离全循环法、水溶液全

循环法及汽提全循环法。

气提全循环法又可以分为二氧化碳汽提法、氨汽提法和双汽提法。

第二章 斯那姆氨汽提工艺

2.1工艺基本原理

汽提是使尿液中的甲铵按下述反应分解为3NH 和2CO 的过程：

4232()2()()NH COONH l NH g CO g Q +-

这是一个可逆体积增大的反应[4]。我们只要能够供给热量，降低压力或降低气相中3NH 和

2CO 某一组分的分压都可使反应向右方进行，以达到分解甲铵的目的。汽提法是在保持压

力与合成塔相同的条件下，在给热量的同时采用降低气相中3NH 和2CO 某一组分的过程。

当温度为T ℃时，纯态甲铵的离解压力与各组分（3NH 和2CO ）的分压的关系按以上化学

方程式可作如下表示：设总压力为P s 则从反应式中可以看到氨分压为2/3P s 二氧化碳分压

为1/3P s 如反应式在温度为t ℃时的平衡常数为K t ，则:

23(2/3)(1/3)4/27t s s s K P P P ==

假如氨和二氧化碳之比不是按2：1状态存在，在温度仍为t ℃时，它的总压力为P ，其各

组分的分压为：3NH 的分压

33NH NH P X =⨯⨯总压氨的分子数=P

2CO 的分压

232CO NH P X =⨯⨯总压二氧化碳的分子数P

3NH X 和2CO X 分别为气体中氨，二氧化碳的分子分数这样反应式在温度为t ℃时平衡常

数应为：

323

2232()()NH CO NH CO Kt P X P X P X X =⋅⋅⋅=⋅⋅ 温度相同，平衡常数应相等，所以当温度为t ℃

3

23334/27NH CO Ps P X X =⋅⋅

⇒23

s P =

但纯甲胺在某一固定温度下离解力为不变的常数C ，所以

P =

从此式可以看出，当趋近于1时，则3NH X 必趋近于0，就趋近于0，则2CO X 趋近于无限大，

就是说当甲铵液用二氧化碳气体通入，气相中几乎全为二氧化碳时（2CO X =1）P 趋于无限

大，即甲铵的离解压力近于无限大，我们知道如果甲铵在某温度下的离解压力大与操作压

力，甲铵就会得到分解，现分解压力为无限大，大于固定操作压力，所以液相中甲铵就进

行分解，这就是二氧化碳气提法分解甲铵的理论基础[5]。

2.2工艺特点

（1）高32/NH CO 高转化率

合成塔入口物料中32/NH CO 为3.3-3.6，塔内操作温度186-189℃,操作压力约

15.5MPa ，2CO 的单程转化率可达65-67%。

（2）热利用率高能耗低

a.采用钛材的降模式氨气提塔，操作温度高达205℃左右，气体效率高，从而减轻了

下游工序的分解负荷，降低了共用物料的消耗。

b.中压分解气的冷凝热，用于真空预浓缩器蒸发尿液；低压分解气和解吸气在液氨预

热器加热液氨；蒸汽冷凝液用于高压甲铵泵后加氨液加热。这些措施相当于节省蒸汽约

400kg/t 尿素。使蒸汽和冷却水的消耗降低。另外，工艺冷凝液经处理后，可直接作为锅

炉给水使用，也相应减少了操作费用。

(3)操作弹性大年运转率高[6]

由于该装置的防腐性能好，可在40%的生产负荷下稳定运行，封塔时间可达4天也不

需要排放，事故排除后即可快速开车，提高了装置的运转率。本装置的年运转天数可达340

天左右。

(4)设备水平布置

尿素合成工段采用了高压喷射器作为抽吸循环甲铵液的动力，使得合成塔高压设备直

接坐落于地面上，无需高层框架。使安装和维修费用降低。

(5)操作安全性强

气提塔使用钛材以及反应物料中较高的32/NH CO ，使得系统中需加入的防腐空气量

减少，这样，在中低压系统排出的混合气中含量较低，避免生成爆炸性混合气体。同时，

也相应减少了惰性气中的氨损失。

(6)污染小

经高效解吸和深度水解后，液体排放物得到净化处理，工艺冷凝液中铵和尿素含量降

至1ppm 以下，可直接回收利用，同时，由于采用高质量的造粒喷头及自然通风技术，造

粒排放气体中尿素粉尘含量在20kg/3m 以下，对周边环境造成的污染变得很薄弱。

（7）流程长，设备多，相互制约性强，控制点多，技术素质要求高[7]。

2.3工艺流程图

工艺流程图见图2-1

2.4工艺流程简介

2.4.1原料供给

本装置的两种原料均来自合成氨装置。液氨压力不低于2.2MPa,温度40℃。进入尿素

界去的液氨存贮在液氨贮槽V105（通过位于其上的氨 回收塔C105喷洒下来），再经过两

台串联的泵打如高压系统。第一台是氨升压泵P105，出口压力2.2MPa ，第二台是氨高压

泵P101（两级离心泵），进一步加压到高压系统所需压力。高压液氨在氨预热器E107中

预热至95℃，同时回收了低压气体的冷凝热。预热后的高压液氨压力为21.9MPa ，作为氨

基甲酸铵喷射器L101的动力，将循环的氨基甲酸铵液（氨基甲酸铵分离器V101压力为

14.7MPa ）一并带入尿素合成塔R101底部。从合成氨装置进入界区的二氧化碳气体，温度

不高于40℃，压力为0.4MPa ，经二氧化碳压缩机入口液滴分离罐V111分离清除雾滴后进

入由蒸汽透平驱动的双缸四段离心式二氧化碳压缩机K101，加压至15.9MPa 。段与段之间

有中压冷凝器，但末级出来的二氧化碳气不经冷却直接送入尿素合成塔R101。在二氧化碳

压缩机入口分离器V111后的管线时，加入一定量的空气，以钝化高压系统不锈钢设备的

表面，使其免受反应物和产物的腐蚀[8]。

2.4.2高压合成、汽提、回收

尿素合成条件为：188℃，15.6 MPa ，精料氨与二氧化碳的物质的量之比是3.6，水与

二氧化碳的物质的量之比是0.67。略高于物料计算值（氨与二氧化碳的物质的量比是3.5，

水与二氧化碳的物质的量比是0.66[9]）。尿素合成塔内发生如下的化学反应：