尿素合成氨生产原理

尿素合成氨生产原理

一、生产原理

尿素分子式(NH2)2C0，是由液氨和二氧化碳，在尿素合成塔反应生成铵基甲酸铵(甲铵)，其中一部分脱水生成尿素，其反应式为：

2NH3十C02＝NH2COON4

NH2C00NH4＝ NH2CONH2十H20

根据此反应机理，采用不同的压力、温度、氨碳比，形成各种生产工艺。

二、二氧化碳汽提工艺

二氧化碳汽提工艺特点是合成压力低，氨碳比低，反应率高而不设中压回收系统，流程短。缺点是由于氨碳比低，反应物料为酸性介质腐蚀性较强，为防腐蚀在二氧化碳气中添加氧较多达到0．55％～0．7％，如操作不当在合成塔顶排气中会产生过量氧与氢的爆炸性气体，故在高压洗涤器设有防爆板。在改进型二氧化碳汽提工艺中，为防止合成塔排气形成爆炸性气体，而采取了将二氧化碳气中氢脱除的方法即二氧化碳压缩机出口气体先经过气体加热器将气体加热，进入脱氢反应器(装有把催化剂)，然后再将气体冷却，这样增加了三个高压设备，增加了投资。在70年代一些二氧化碳气提尿素老厂进行技术改造，采用加双氧水技术进行防腐蚀，减少了向二氧化碳气中加氧气量，使其达不到氧氢混合爆炸范围，该项技术己得到推广应用。现将典型的二氧化碳汽提尿素的生产流程介绍如下：

1．原料液氨和气体二氧化碳的压缩

由界外供给的液氨，用高压氨泵将压力提高到16．0兆帕，经氨加热器进一步加热到70℃，送入高压喷射器，将高压洗涤器出来的甲铵液增压，一并送人高压冷凝器的顶部。由界外送来二氧化碳气体，经二氧化碳压缩机压缩至13．79兆帕进入其汽提塔底部。

2．合成和汽提

在高压甲铵冷凝器上部送人新鲜的液氨，含有氨和二氧化碳的气提气以及循环返回系统的甲铵液也在14兆帕下送入，出口温度为168～170℃，氨／二氧化碳为2．8～2．9。换热器用压力0．4兆帕温度143℃的沸水冷却，物料中的气体被冷凝，并反应生成甲铵，放出冷凝热和生成热，产生0．4兆帕的蒸汽，用于后续工序。

在高压冷凝器中，使氨与二氧化碳全部生成甲铵，大约有78％的氨和70％二氧化碳冷凝成液体，生成的甲铵液与末冷凝的气体从底部各自的管离开高压甲铵冷凝器，进入合成塔底部。反应物在合成塔内自下而上通过，在温度180~185℃、压力13．5～14．0兆帕下，将甲铵转化为尿素，二氧化碳转化率为57％～58％，从内部溢流管离开送人气提塔。

在合成塔顶部出气中除氨、二氧化碳外，还有氧、氮、氢、惰性气体等，送人

高压洗涤器。高压洗涤器下部是直立管壳式浸没冷凝器，器内充满液体，气体鼓泡向上通过，上部为鼓泡段。液体出鼓泡段，一部分从内溢流管返回浸没冷凝段底部，一部分外流出去进入喷射泵的吸入口。出口甲铵液的温度保持在160℃，为了防止冷却过度，管外用热水冷却，热水在一个封闭的加压系统中用循环水泵循环。从高压洗涤器顶部出来还含氨、二氧化碳气的惰性气进入吸收塔，被冷凝液吸收后放空。送入吸收塔的冷凝液是从氨水贮槽分别用解吸塔给料泵及升压泵经过顶部加料冷却器送人吸收塔的上段填料层，用闪蒸槽冷凝液泵将闪蒸槽冷凝液送人下段填料层，在塔底所得的稀甲铵液，部分返回下段填料层循环吸收，部分送人低压洗涤器中吸收从低压甲铵冷凝器出来的氨和二氧化碳。最终甲铵液从低压洗涤器或吸收器液位槽底部进入高压甲铵泵，升压后经高压洗涤器返回甲铵冷凝器。

因高压甲铵冷凝器中的压力要比高压洗涤器约高0．3兆帕，因此甲铵液必须在高压喷射器中用16．0兆帕液氨喷射才能返回到反应系统中去。

气提塔，亦称高压热交换器，从合成塔底部出来反应混合物从上部进入向下流入管束并以液膜状态沿管壁向下流，然后在165～175℃下从底部离开。从二氧化碳压缩机来二氧化碳气体从底部进入，将溶液中氨和二氧化碳赶出，实际上约有85％的氨及75％二氧化碳从反应混合物中被气提出来，同时也有一些水蒸发出来，出口液体含氨6％～8％。从气提塔顶部出来气体送入高压冷凝器的顶部。气提塔用2．0兆帕饱和蒸汽进行加热，与工艺液体相接触的管子的温度不能高于200℃，否则会发生严重腐蚀。

3．循环

离开气提塔的尿素减压到0．25～0．35兆帕，送入精馏塔。尿液中的一部分甲铵分解，所需的热由溶液本身供给，从而使溶液的温度下降到105～110℃。溶液从精馏塔底进入循环加热器，在此溶液的温度升高到135℃，结果使甲铵再一次分解。在精馏塔底部的分离器中进行液气分离，气体通过填料上升，被下流的冷尿液所冷却。

而出精馏塔的气体与解吸塔来的气体一并进人低压甲铵冷凝器的底部。为了取走甲铵生成热与冷凝热用调温水冷却，而调温水又在循环水冷却器中冷却，这样可避免冷却水温度过低而引起固体甲铵生成。

低压甲铵冷凝器顶部的气液混合物进人液位槽，进行气液分离。大部分甲铵液循环回低压甲铵冷凝器，而一部分从底部抽出，用高压甲铵泵送人高压洗涤器的顶部。

从液位槽的液体中分离出来的气体随即进入低压吸收器被甲铵液洗涤，除惰性气体外全部气体被吸收下来，末冷凝的气体离开吸收器顶部放空。

从精馏塔底部出来的溶液减压后进入闪蒸槽，在溶液减压时少量的氨同较大量蒸汽从溶液中逸出，使溶液在温度从135℃降到90～95℃，得到尿素溶液浓度约为73％，经过大气腿流入尿液贮槽。

4．尿液蒸发与造粒

在蒸发系统中将尿素溶液中的水蒸发，浓缩成浓度为99．7％的尿液，蒸发采用两段真空蒸发。二段蒸发器用0．9兆帕蒸汽供热，此时溶液浓缩到99．7％。离开二段蒸发器底部的尿素熔体，由熔融尿素泵送人造粒塔顶的造粒喷头，喷淋造粒。颗粒状尿素从造粒塔底出来被送往贮存包装。产品尿素含氮≥46．3％(质量)，缩二脲≤0．9％(质量)。

5．解吸

在闪蒸槽及蒸发系统中蒸发出来的水蒸气在冷凝器中冷凝后，含有少量的尿素、氨和二氧化碳，经过大气腿流人氨水贮槽。从蒸发冷凝器来的含有少量尿素和氨的冷凝液流入氨水贮槽另一小室，被送到解吸塔的顶部。

解吸塔是浮阀塔，进入的液体经过各层塔板上的溢流管逐层流下，从塔底出去。蒸汽从塔底进入，由于液体与蒸汽的逆流接触，液体中的氨和二氧化碳愈来愈少，而离开塔顶的蒸汽中含有全部解吸出来的氨和二氧化碳以及水蒸气。混合气通过调节引人低压冷凝器，将解吸的氨和二氧化碳循环回到反应系统中去。解吸塔底部出来的液体通过换热器与入塔溶液换热后，再通过塔底液位自动控制减压后送人下水道，水中含有尿素0．2％，含氨0．05％，温度约70℃。吨尿素耗氨580千克。

80年代引进的尿素装置将解吸塔排出水再经高压水解器用高压蒸汽将水中含尿素和氨分解回收，使排水中含尿素和氢达到5×10—6以下，可以用作锅炉用水，不再排入下水道。

三、新一代改进二氧化碳气提工艺

新一代改进二氧化碳气提工艺，将原来立式高压冷凝器改为卧式池式冷凝器，将布置高压设备的框架降低了。特点是采用池式冷凝器，将原来立式降膜式甲铵冷凝器改为卧式结构，工艺介质走壳侧，低压蒸汽走管侧，壳侧为高压简体内衬316L，筒体内设U型管束，材质为25-22-2，U型管与管板的焊接采用内孔焊，即管子不穿过管板，只对管端头与管板上的25-22-2衬里相焊接，施工难度较大。管内通入蒸汽冷凝液用泵强制循环，利用甲铵冷凝反应热副产低压蒸汽。汽提气在卧式壳侧的甲铵液中鼓泡湍动冷凝吸收，大大提高了甲铵液在甲铵冷凝器中的停留时间，大约有63％的尿素在甲铵冷凝器中生成，而可将尿素合成塔容积减少，降低合成塔的高度。由原来布置高压设备高框架由65米降到38．5米，随之工艺框架也降低了。改进二氧化碳气提尿素合成塔采用了新型高效塔板，防止塔内反应溶液的返混现象，合成塔容积较一般的二氧化碳气体合成塔减少20％~25％。池式冷凝器为高压设备，材质要求高，设备造价也高，日产1000吨尿素装置，设备费超过1000万人民币，是其缺点。该工艺消耗指标较先进。

四、氨汽提工艺

工艺特点是：

(1)氨／二氧化碳比较高，为防腐蚀在二氧化碳气中加氧量少，二氧化碳转化率较高。