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 ，进料氨和二氧化碳的物质的量比是3.6，水和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 ++

其次步，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，因此氨和二氧化碳不行能全部转化为尿素。在工业生产条件下，二氧化碳转化率仅在50%-70%之间[3]。为了分别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。但要将逸出的氨和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、气体分别全循环法、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。

其次章 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]。我们只要能够供应热量，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和合成塔相同的条件下，在给热量的同时接受降低气相中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和各组分（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

232

CO 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 =⋅⋅ ⇒

但纯甲胺在某一固定温度下离解力为不变的常数C ，所以

从今式可以看出，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，我们知道假如甲铵在某温度下的离解压力大和操作压力，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.接受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。这些措施相当于节约蒸汽约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，可干脆作为锅炉给水运用，也相应削减了操作费用。

(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天也不须要排放，事故解除后即可快速开车，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

尿素合成工段接受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干脆坐落于地面上，无需高层框架。使安装和修理费用降低。

(5)操作平安性强

气提塔运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削减，这样，在中低压系统排出的混合气中含量较低，避开生成爆炸性混合气体。同时，也相应削减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，可干脆回收利用，同时，由于接受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，限制点多，技术素养要求高[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原料供应

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 ，其次台是氨高压泵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（氨基甲酸铵分别器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别罐V111分别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 。段和段之间有中压冷凝器，但末级出来的二氧化碳气不经冷却干脆送入尿素合成塔R101。在二氧化碳压缩机入口分别器V111后的管线时，加入确定量的空气，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 ，精料氨和二氧化碳的物质的量之比是3.6，水和二氧化碳的物质的量之比是0.67。略高于物料计算值（氨和二氧化碳的物质的量比是3.5，水和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：