年产5万吨水溶液全循环法生产尿素工艺设计.

1、摘要由于具有生产工艺简单，生产操作易于掌握；生产设备容易制造，投资较省;施用 后见效快，增产显著等特点，尿素在各种肥料新品种不断涌现的情况下产销量仍持高 不下。本设计介绍了尿素的性质、用途、生产方法和发展状况，详细描述了水溶液全循环法生产尿素的工艺流程，重点介绍了尿素的工业生产的过程，并对单位质量参 加反应的原料进行物料衡算和热量衡算，以期获得低耗能、低污染、高产出的尿素 生产工艺。关键词:尿素，全循环，发展，工艺流程一、概述（一尿素的物理化学性质和用途1. 尿素的物理性质分子式:CO（NH22,分子量60.06,因最早由人类及哺乳动物的尿液中发现，故称尿 素。纯净的尿素为无色、无味针状或棱柱

2、状晶体，含氮量为46.6%,工业尿素因含有杂质而呈白色或浅黄色，工业或农业品为白色略带微红色固体颗粒无臭无味。密度 1.335g/cm3。熔点1327C。超过熔点则分解。尿素较易吸湿，贮存要注意防潮。尿 素易溶于水和液氨，其溶解度随温度升高而增大。2. 尿素的化学性质易溶于水、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 160C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（N46%,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。对热不稳

3、定，加热至150160C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。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。与水合肼生成氨基脲2NH3+CONH2COONHCO(NH22+H2O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。20C时临界吸湿点为相对湿度80%,但 30C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。3. 尿素的用途尿素是一种高浓度氮肥，属中性速效肥料，也可用来生产多种复合肥料。在土壤 中不残留任何有害

4、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。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48天施用。尿素是目前使用的含 氮量最高的化肥。尿素属中性速效肥料，长期施用不会使土壤发生板结。其分解释 放出的CO2也可被作物吸收，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。(二尿素的生产方法简介生产尿

5、素的方法有很多种,20世纪60年代以来，全循环法在工业上获得普遍采 用，最常用的是水溶液全循环法生产尿素和二氧化碳气提法生产尿素。合成氨生产 为NH3和CO2直接合成尿素提供了原料。由NH3和CO2合成尿素的总反应为： 2NH3+COCO(NH22+H2O。该反应是放热的可逆反应，转化率一般为5070%。 因此从合成塔出来的尿素溶液中除了尿素外，还有氮和甲铵。按未反应物的循环利 用程度，尿素生产方法可分为不循环法、半循环法和全循环法三种。依气提介质的 不同，分别称为二氧化碳气提法、氨气提法、变换气气提法。依照分离回收方法的 不同主要分为水溶液全循环法、气提法等。按气提气体的不同又可分为二氧化碳

6、气 提法、氨气提法、变换气气提法。1水溶液全循环法20世纪60年代以来，全循环法在工业上获得普遍采用。全循环法是将未转化成尿素的氨和二氧化碳经减压加热和分离后。全部返回合成系统循环利用，原料氨利用率达97%以上。全循环法尿素生产主要包括四个基本过程：氨和二氧化碳原料 的供应及净化;氨和二氧化碳合成尿素；未反应物的分离与回收：尿素溶液的加 工。其生产过程如图1所示。图1水溶液全循环法生产尿素工艺流程图（三两种方法的比较1水溶液全循环尿素工艺水溶液全循环法是将未反应的氨和二氧化碳，经减压加热分解分离后，用水吸收 生成甲铵或碳酸铵水溶液再循环返回合成系统。我国尿素厂多数采用水溶液全循环 法。2. C

7、02汽提法尿素工艺气提法是利用某一气体在与合成等压的条件下分解甲铵并将分解物返回合成系 统的一种方法。气提法是全循环法的发展，具有热量回收完全，氨和二氧化碳处理量 较少的优点。此外，在简化流程、热能回收和减少生产费用筹方面也都优于水溶液 全循环法.是尿素生产发展的一种方向。3. 两种工艺的比较优点;水溶液全循环尿素工艺生产装置的静止高压设备较少，只有尿素合成塔及 液氨预热器为高压设备，其它均为中压和低压设备，所以该尿素工艺生产装置的技术 改造比较容易、方便，改造增产潜力较大。由于该工艺高压设备较少，高压系统停车 保压时间可以达到24h,所以生产装置的中小检修一般可以在尿素合成塔允许的停车 保压

8、时间内完成，减少了高压系统排放的次数，降低了尿素的消耗。水溶液全循环尿 素工艺可靠、设备材料要求不高、投资较低。C02气提法尿素工艺生产装置的工艺流程较短，在操作调节方面比较简单、方 便。能耗低、生产费用低。该工艺能够回收较高品位的甲按反应热 ，除本系统加热 使用外还可剩余少部分富裕低压蒸汽供外系统使用。缺点:水溶液全循环尿素工艺生产装置的工艺流程较长，在操作调节方面不如C02气提法生产尿素工艺简单、方便。由于氨碳摩尔比控制得较高，一般稳定在4.0 左右，并且未反应生成尿素的氨和二氧化碳气体全部要经过低压、中压循环吸收系 统回收后再返回到尿素合成塔，液氨泵和一段甲铵泵的输送量比较多，所以该工艺

9、中 液氨泵和一段甲铵泵的台数较多，动力消耗较多。CO2气提法生产尿素工艺装置的静止高压设备较多，有尿素合成塔、高压二氧 化碳气提塔、高压甲铵冷凝器、高压洗涤器四大主要设备，它们是CO2气提法尿素工艺生产装置的核心，其它均为低压设备，所以该尿素工艺生产装置的技术改造比较 困难，改造增产潜力较小。高压二氧化碳气提塔加热需要的蒸汽品质较高，为2.5MPa,不如水溶液全循环尿素需用的蒸汽压力低。4. 尿素的发展前景与展望尿素的合成是第一次用人工方法从无机物制得有机化合物。1773年Rouelle在蒸发人尿时第一次发现尿素；在1935年开始制造固体尿素，之后又出现了制备尿素的 其他方法，包括光气与氨反应

10、、CO2与氨反应、氰胺化钙水解等，由于种种原因,最终都未能实现工业化；唯一成为当代尿素工业化基础的是由氨和二氧化塔合成尿素的 反应。1935年开始生产固体尿素并将未转化物循环回收，逐步形成全循环法工艺。20世纪80年代之后，二氧化碳气提法和氨气提法得到进一步改进、完善；同时世界上著名的尿素公司还开发了其他的先进工艺：意大利的等压双循环工艺（Isobaric Double Recycle简称IDR;日本TEC/TMC开发了降低成本和节能新流程 ACES （Advancde Process for Cost and Energy Savin新工艺;瑞士 Amonnia Casale开发了分 级处理

11、合成液的气提法分流工艺等。国内情况是我国尿素的年消耗量约在 3000万吨,即使预计今后几年有所增长，大 概也不会超过3500万吨。现有的生产能力已经快要达到，我国今后十年内生产尿素 都将过剩。本设计主要叙述水溶液全循环法的有关内容。二、水溶液全循环法生产尿素的原理水溶液全循环法是将未反应的氨和二氧化碳经减压加热分解分离后，用水吸收生成甲铵或碳酸铵水溶液再循环返回合成系统。（一反应原理生产尿素的原料是氨和二氧化碳，后者是合成氨厂的副产品。尿素合成反应分 两步进行:氨与二氧化碳作用生成氨基甲酸铵（简称甲铵；甲铵脱水生成尿素，其 反应式为：2NH3+CgNH2COONH4+159.47kJ NH2C

12、OONH4CO（NH22+H2O -28.49kJ式是快速、强放热反应，且平衡转化率高。式是慢速微吸热的可逆反应，且 需要在液相中进行。当温度为170190C时，氨与二氧化碳的摩尔比为2.0,压力高到足以使反应物得 以保持液态时，甲铵转化成尿素的转化率(以C02计为50%;其反应速率随温度的提 高而增大。当温度不变时，转化率随压力的升高而增大，转化率达到一定值后，继续提 高压力，不再有明显增大，此时，几乎全部反应混合物都以液态存在。提高氨与二氧化碳的摩尔比，可增大二氧化碳的转化率，降低氨的转化率。在实 际生产过程中，由于氨的回收比二氧化碳容易，因此都采用氨过量，一般氨与二氧化碳 的摩尔比3反应

13、物料中水的存在将降低转化率，在工业设计中要把循环物料中的 水量降低到最小限度。增加反应物料的停留时间能提高转化率，但并不经济。典型的工艺操作条件是温度180200C、压力13.824.6MPa、氨与二氧化碳摩尔比2.84.5反应物料停留时间2540min。匚反应机理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为：2NH3+CgCO(NH22+H2O -103.7kJ。这是一个可逆、放热、体积缩小的反应，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+CONH2COONH4在一定条件下，此反应速率很快,容易达到平衡。且此反应二氧化碳的平

14、衡转化 率很高。然后是液态甲铵脱水生成尿素，称为甲铵脱水反应：NH2COONH4CO(NH22+H2O平衡转化率一般为50%70%,此步反应的速率也较缓慢，是尿素合成中的控制速 率的反应2. 反应速度从生成尿素的反应机理可知甲铵脱水是反应的控制阶段，但甲铵脱水反应在气相中不能进行，在固相中反应速率较慢，而在液相中反应速率较快，故甲铵脱水生成尿 素的反应必须在液相中进行。因此决定反应速率的因素有两个：氨和二氧化碳由气相进入液相的速率液 相中甲铵脱水的速率。三、水溶液全循环法的生产工艺流程(一尿素的合成1液氨和二氧化碳直接合成尿素总反应为：2NH3+CgCO(NH22+H2O -103.7kJ实际

15、上反应是分两步进行的，首先是氨与二氧化碳反应生成氨基甲酸铵:2NH3+Cg NH2COONH4+159.47kJ该步反应是一个可逆的体积缩小的强放热反应，在一定条件下,此反应速率很快, 客易达到平衡，且此反应二氧化碳的平衡转化率很高.。然后是液态甲铵脱水生成尿素，称为甲铵脱水反应；NH2COONH4CO(NH22+H2O -28.49kJ此步反应是一个可逆的微吸热反应，平衡转化率一般为50%70%,并且反应的速 率也较缓慢，是尿素合成中的控制速率的反应。2.合成尿素的理论基础在一定条件，氨基甲酸铵的生成速度是很快的，而氨基甲酸铵的脱水速度则很 慢。所以，在合成尿素的生产中，反应时间的长短和尿素

16、合成产率的高低，直接与氨基 甲酸铵的脱水速度和尿素合成反应的平衡有关。3. 尿素的工艺流程图(1水溶液全循环法合成尿素工艺流程水溶液全循环法合成尿素工艺流程图如图2,经过加压预热的原料液氨与经压缩后的原料二氧化碳气及循环回收来的氨基甲酸铵液一并进入预反应器。在预反应器 内氨与二氧化碳反应生成氨基甲酸铵，在进入尿素合成塔，在塔内氨基甲酸铵脱水生 成尿素。尿素熔融物从塔顶出来进入预分离器，将氨基甲酸铵和氨进行分离。氨基 甲酸铵从预分离器底部出来进入中压循环加热器，用蒸汽加热进一步提高温度，促使 残余氨基甲酸铵分解。气、液在低压循环分离器内分离。分离出来的尿液经减压至 常压后，进入闪蒸槽，经减压后尿

17、液中的氨基甲酸铵和氨几乎全部清除。自闪蒸槽出 来的尿液进入尿液贮槽，用尿素溶液泵打入中压蒸发加热器及低压蒸发加热器，在不同真空度下加热蒸发，气、液分别在中压蒸发分离器及低压蒸发分离器内分离。低 压分离器出口尿液浓度达99.7%(质量以上，用熔融尿素泵打入造粒塔，经造粒喷头撒 成尿粒，在塔低得到成品尿素。41235791214131561710去冷凝真空系统尿素成品去回收系统CO 2氨基甲酸铵液液氨1116图2水溶液全循环法合成尿素示意流程图1-预反应器;2-尿素合成塔;3-预分离器;4-中压循环加热器;5-中压循环分离器;6- 精馏塔；7-低压循环加热器;8-低压循环分离器；9-闪蒸槽;10-

18、尿素贮槽;11-尿素溶液 泵;12-一段蒸发加热器；13-段蒸发分离器；14-二段蒸发加热器;15-二段蒸发分离 器;16-熔融尿素泵；17-造粒塔预分离器、中压循环分离器、低压循环分离器及精馏塔顶部出来的氨和二氧化 碳，进入回收系统。回收的氨与二氧化碳以液氨或氨基甲酸铵的形式返回合成系统 循环使用。一段蒸发分离器、二段蒸发分离器及闪蒸槽出来的气体，大部分水蒸气和少量 的氨去冷凝、真空系统，回收残余氨后放空。(2合成尿素工艺流程水溶液全循环法合成尿素工艺流程简图如图3,由造气炉产生的半水煤气脱碳后其中大部分的二氧化碳由脱碳液吸收、解吸后，经油水分离器，除去二氧化碳气体中 携带的脱碳液，进入二氧

19、化碳压缩机系统，由压缩机出来的二氧化碳气体压力达到16kg后进入尿素合成塔。从合成氨车间氨库来的液氨进入氨储罐，经过氨升压泵加压进入高压液氨泵，加压至20kg左右，经过预热后进入甲铵喷射器作为推动液，将来自甲铵分离器的甲铵溶液增压后混合一起进入尿素合成塔。尿素合成塔内温度为186190C ,压力为200kg左右,NH 3/ CO2的摩尔比和H2O/CO2的摩尔比控制在一 定的范围内。合成后的气液混合物进入一段分解，进行气液分离，将分离气相后的尿 液送入二段分解，进一步见混合物中的气相除去。净化后的尿液依次进入闪蒸槽、 一段蒸发、二段蒸发浓缩，最后得到尿素熔融物，用刮料泵输送到尿素造粒塔喷洒器

20、经在空气中沉降冷却固化成粒状尿素，并通过尿素塔底机用运输皮带送往储存包装 车间。图3水溶液全循环法生产尿素工艺流程简图从一段分解、二段分解出来的气相含有未反应的氨和二氧化碳，分别进入一段吸收和二段吸收，氨和二氧化碳被后面闪蒸、一段蒸发、二段蒸发工段冷凝下来的 冷凝水吸收混合形成水溶液，用泵送入尿素合成塔；一段吸收后剩余的气体进入惰洗 器稀释后，与二段吸收的残余气体混合进入尾气吸收塔，与一段蒸发、二段蒸发工段 气相冷凝除去水后残余的气体混合后放空。匚原料的准备合成尿素的主要原料是液氨和气体二氧化碳，二者分别是合成氨厂的主副产品 所以合成氨和尿素生产装置设在一起，联合生产。1.氨的性质氨的分子式为

21、NH3,分子量为17.03,在常温常压下是无色的具有特殊刺激性的 气体，在低温高压下可以液化，当温度低于77.7C以下时，氨可以成为具有臭味的无色 结晶,其主要物理性质如下：临界温度/ 132.4临界压力（绝压/ MPa 11.15临界比容/ （m裁4.26密度（气体在标准状态下 沟（/ L760尿素生产对液氨质量的要求其质量分数为：氨99.5%,水0.5%,油10 mg/kg。2.二氧化碳二氧化碳是无色气体，在一定条件下可以液化，在强烈冷却时可以变为固体，成为 干冰其分子式为CO2,分子量为44其临界压力为7.29MPa,临界温度为31C ,临界密 度为0.486g / cm标,准状态下气体

22、密度为1.997g /液体的密度为0.9248g / cm沸点为 56.2C ,熔点为 78.48C .尿素生产对原料二氧化碳气的要求为:CO2含量98.5%（体积分数H2S含量 15mg/m3o（三原料的净化与输送（1二氧化碳脱硫与压缩原理a脱硫原料二氧化碳是合成氨装置生产的副产物，其中含有极少量的硫化物（主要是硫 化氢。为了减少硫化氢对尿素设备及管道的腐蚀，首先必须对其进行脱硫。方法有 干法和湿法，干法较常用，可以达到很高的净化度，但只有当空气中的硫化氢含量较低 时才能应用（1g/m3,所以必须与湿法串联，干法放在其后。其流程图如图4。图4二氧化碳脱硫原理图b.压缩有合成氨系统送来的二氧化

23、碳气体，进入压缩机之前，在总管内与氧气混合。加 氧是为了防止合成、循环系统的设备腐蚀。氧气需要量约为二氧化碳总量的0.5%（体积，二氧化碳通过一个带有水封的液滴分离器，用来除去二氧化碳气体中的水滴以 保护二氧化碳压缩机。在液滴分离器之前设有放空阀，当系统停车或生产能力骤减 时,由此放出一部分二氧化碳。2.液氨的净化与输送从合成氨装置内送来的2.0MPa表压下的液氨，通过氨过滤器除去杂质进入系 统。过滤后的液氨送入液氨缓冲槽的原料室中。液氨缓冲槽设有控制阀可自动控调 节，并在控制盘上设有液氨缓冲槽的高低液位报警器。由中压循环系统来的液氨进 入氨循环槽的回流室，一部分作为中压塔的回流氨，多余的氨流

24、过的溢流隔板进入原 料室，与新鲜原料混合。原料液氨与溢流氨汇合后从氨缓冲槽原料室进入高压氨泵。高压液氨进入合成塔之前，先经过预热器预热到4555C,高压液氨经预热后送 入高压混合器，然后进入尿素合成塔。（二低压分解与吸收中压分解后的尿素溶液中未转化的氨基甲酸铵需要再一次减压后进入低压系统 在进行分解，实验测得数据表明，在0.49MPa表压以下及120C以上时，分解后的液相 组成仅与温度、压力有关，而原始溶液总成无关。（三尿素溶液的蒸发与造粒尿素合成反应液经二次减压加热和闪蒸，将未反应物分离之后，得到温度为95 C、浓度为73%75%的尿素溶液，贮存于尿液贮槽。次尿液必须进一步浓缩,将含 水量降

25、到0.3%,然后造粒,才便于贮存和运输。尿素浓缩可以采用蒸发法，也可以采 用结晶法。从蒸发法得到熔融状尿素直接可以造粒，而结晶法得到固体结晶尿素，仍 须加热再熔融后进行造粒。这是由于结晶尿素易于吸潮结块。蒸发法制的粒状尿素 含缩二脲在0.9%左右，而结晶法制的粒状尿素中缩二脲的含量可以降到0.3%。前者设备较少，即投资较少,后者投资稍有增加。具体采用哪种方法依情况而定。熔融尿 素（140C-尿素粒子（140C-尿素粒子（60To四、生产尿素的工艺条件保证产品质量并取得较好的技术经济效益，在生产过程中需严格控制各项艺条件，生产尿素的主要工艺条件如下。（一温度的影响尿素合成的控制反应是甲铵脱水，它

26、是一个微吸热反应，故提高温度甲铵脱水速 度加快。温度每升高10T ,反应速度约增加一倍，因此，从反应速率角度考虑，高温是 有利的。由实验和热力学计算表明，平衡转化率开始时随温度升高而增大。若继续 升温平衡转化率逐渐下降。表1反应温度与二氧化碳转化率的关系反应温度厂c 170 180 190转化率 / %60 60 67.5备注:氨碳比NH3:CO2=4,水碳比H2O:CO2=0.6这是因为高温时甲铵在液相中分解成氨和二氧化碳所造成。综合进行考虑：尿素合成塔内部操作温度大致为185200C出现最大值，即最高平衡转化率。温度继续升高，平衡转化率下降。图5温度与转化率的关系（二氨碳比（摩尔比或过量氨

27、的影响氨碳比是指反应物料中NH3/CO2的摩尔比，常用符号a表示。氨过量率”是指 原料中氨量超过化学反应式的理论量的摩尔百分数。两者是有联系的，如当原料a=2时氨过量率为0%,而a=4时,则氨过量率为100%。实验表明,NH3过量能提高尿素的转化率，因为过量的NH3促使CO2转化，同时 能与脱出的H2O结合成氨水，使水排除于反应之外，这就等于移去都分产物，也促使 平衡向生成尿素的方向移动。再者，过剩氨还会抑制甲铵的水解和尿素的缩合等有 害副反应，也有利于提高转化率。所以，过量氨增多，平衡转化率增大，故工业上都采用 氨过量操作，即氨碳比必须大于2。一般水溶液全循环法氨碳比选择在 3.54.5左右

28、,CO2气提法尿素生产流程中因 设有高压甲铵冷凝器移走热量和副产蒸汽，不存在超温问题,而从相平衡及合成系统 压力考虑，其氨碳比选择在2.82.9。（三水碳比水碳比是指合成塔进料中H2O/CO2的摩尔比，常用符号b来表示。水的来源有 两方面:一是尿素合成反应的产物，二是现有各种水溶液全循环法中，一定量的水会随 同未反应的NH3和CO2返回合成塔中。从平衡移动原理可知：水量增加，不利于尿 素的形成它将导致尿素平衡转化率下降。表2水碳比与尿素平衡转化率的关系H2O:CO20.3 0.5 0.7 0.9 1.1尿素平衡转69.0 68.6 67.4 65.8 64.0化率备注:在 20MPa,摩尔比

29、NH3/CO2=4.51水溶液全循环法中，水碳比一般控制在0.71.2;CO2气提法中，气提分解气在高 压下冷凝,返回合成塔系统的水量较少，因此水碳比一般在0.30.4之间。（四操作压力尿素合成总反应是一个体积减少的反应，因而提高压力对尿素合成有利，尿素转 化率随压力增加而增大，但合成压力也不能过高，因压力与尿素转化率的关系并非直 线关系，在足够的压力下，尿素转化率逐步趋于一个定值，压力再升高，转化率增加很少 但同时压缩的动力消耗增大，生产成本提高,高压下甲铵对设备的腐蚀也加剧。对于水溶液全循环法，当温度为190C和NH3:CO2等于4时，相应的平衡压力为1820MPa左右。对于CO2气提法操

30、作压力为1314MPa。（五反应时间在一定条件下，甲铵生成反应速率极快，且反应比较完全；但甲铵脱水反应速率很 慢，且反应很不完全；所以尿素合成反应时间主要是指甲铵脱水生成尿素反应时间。 甲铵脱水速率随温度升高和氨碳比加大而加快。为了使甲铵脱水反应进行得比较完 全，就必须使物料在合成塔内有足够的停留时间。但是 ，反应时间过长，设备容积要相 应增大，或生产能力下降，同时，甲铵的不稳定性增加，尿素缩合反应加剧.且甲铵对设备的腐蚀也加剧，操作控制比较困难。对于水溶液全循环法反应时间一般为 5060 min,其CO2转化率可达62%64%。对于二氧化碳气提法，反应时间一般为4050 min左右,其转化率

31、约为53%。（六惰性气体的影响CO2原料气中，通常含少量的N2、H2和O2等杂质，称为惰性气体，它使CO2的 浓度降低，将导致尿素转化率的下降。在 CO2气体浓度86%100%范围内，惰性气体 含量每增加1%,合成转化率约降低0.6%。此外,H2,O2等还可能导致尾气发生燃烧 爆炸,影响安全生产。工业生产中，原料CO2气浓度要求98%（体积，愈纯愈好。五、生产尿素的主要设备（一脱硫塔该塔为圆柱形立式设备，其作用是在加压的条件下（2.0MPa,脱出二氧化碳中的硫 化氢。含硫化氢的二氧化碳气体，自上而下通过多层氢氧化铁脱硫剂，发生脱硫反应, 从塔的底部流出。为了提高脱硫效率，一般采用多塔并联和串联

32、的组合方式。由于 脱硫反应是在常压和加压的条件下进行，故该设备外壳为16Mn材质制作，其结构示 意图如图6。图6脱硫塔结构简图匚合成塔合成塔是尿素合成的关键设备之一，液氨与二氧化碳在塔内反应，最后生成尿 素。尿素合成塔在较高的压力下操作，因而应符合高压容器要求，工业生高压筒体- 般采用较大的高径比。尿素的合成是在较高温度下操作，外壳需要保温，保持热量不扩散。尿素的合成 反应需要一段时间，所以塔内需要有足够的空间，反应中不需要外加催化剂和换热装 置，所以合成塔为空筒形式，有的内装有塔板，以防物料的返混。尿素合成反应液具有强烈的腐蚀作用，塔内壁采用耐腐蚀材料衬里，现在一般用 超低碳奥氏体不锈钢、高

33、铬锰不锈钢或钛作为衬里或内套。外壳为整体锻造或多层 钢板卷焊制成的高压圆筒，顶盖于筒体的密封结构，也可以采用强制式的，目前都采用 强制式的，其结构图如图7。图7套筒式合成塔结构简图（三中压分解加热器中压分解加热器为立式列管换热器，壳体为碳钢,列管及顶、底盖为不锈钢。中压分解加热器的主要作用是将合成塔出口反应液中未反应的液态游离氨、二氧化碳及氨基甲酸铵加热分解成气相氨与二氧化碳，中压分解加热器如图 &图8中压分解加热器1-尿素合成反应液进口 ；2-中压分解气液出口 ；3-加热蒸汽进口 ;4-冷凝液出口 ；5,6-放气阀;7-压力表接管（四中压分解分离器中压分解分离器为立式旋风分离装置，气体从切线

34、方向有接管进入器内，产生离 心力,液滴依靠重力而下沉。分离后的气体经喇叭形排气管通过不锈钢丝网除沫层 , 从顶部出口管3排出。设置喇叭形排气管的目的是使气体中冷凝液沿着椎体流向中 间，防止冷凝液再被进口气体带走，其结构示意图如图9图9旋风分离器（五氨冷凝器氨冷却器的作用是将中压吸收塔塔顶排出的气体氨冷凝成液氨。该设备为卧式列管式热交换器，用碳钢制成。水在管内流动，气氨由冷凝器接管1进入，管见内装折 流板15块,气体沿管间曲折通过，冷凝的液氨向下流动。接管7进入液氨缓冲槽。为 了将气氨充分冷凝下来，通常串联两个氨冷却器，第一氨冷凝器中未冷凝的气体从体 从接管2排出进入第二氨冷凝器。冷却水与气氨逆

35、向流动。从第二氨冷凝器来的冷 却水由接口 3进入第一冷凝器后，再经出口接管4排出。冷凝器通冷却水前必须将 排气阀5打开,保证冷却水充满列管，提高冷凝效果，其结构图如图10。图10氨冷凝器结构简图1-人孔盖;2-人孔短节;3-球形封头;4-管箱;5-隔板;6-管板;7-换热管;8-低压壳体;9-折流板;10-支撑板（六低压吸收第一氨基甲酸铵冷凝器低压吸收第一氨基甲酸铵冷凝器是立式不锈钢列管换热器，它的主要作用是把低压分解气及解吸塔来的解吸气冷凝和吸收为稀的氨基甲酸铵，其结构简图如图11。图11低压吸收第一氨基甲酸铵冷凝器1-上管箱;2-上管板;3-出水口 ;4-壳体;5-换热;6-膨胀节;7-下

36、管板;8-入水口 ；9-排气口（七氨吸收塔吸收塔是一立式填料塔，它的主要作用是吸收高、低压循环系统尾气中的氨气 其结构如图12。图12氨吸收塔六、物料衡算和热量衡算（一物料衡算年产5万吨水溶液全循环法生产尿素，进料量中NH3 60%,C0230%，氨基甲铵（1计算范围以反应器为计算范围,如图13所示CO 2氨基甲酸铵液液氨液氨氨基甲酸铵尿素CO 2H 20图13尿素物料衡算示意图(2反应式为总反应方程式：2NH 3+C0 2CO(NH 22+H 20分步反应方程式：2NH 3+C0 2 NH 2C00NH 4+159.47kJ NH 2C00NH 4CO(NH 22+H 20 - 28.49k

37、J (3计算任务原料消耗量和产物生成量。(4选择数据 尿素回收率60%;NH 3的转化率80%;纯循环氨基甲铵90%;C0 2的转化率80%;循环氨基甲铵转化率100%。(5计算过程生成尿素的物质的量为17%601054? =4900 kmol=294000 kg生成水的物质的量为4900kmol=88200kg纯循环氨基甲铵的物质的量为4900kmol =382200 kg原料中循环氨基甲铵的物质的量为%904900=5444.4 kmol=424663.2 kg原料的物质的量为 %10%904900=54444.4 kmol进料中NH 3的物质的量为%10%904900? W0%=3266

38、6.7kmol=555333.9kg 进料中 CO 2 的物质的量为%10%904900? X10%=16333.3kmol=718665.2kg 出料中 NH 3 的物质的量为%10%904900? 00%(1-80%=6533.34kmol =111066.78kg出料中 CO 2 的物质的量为 X30%(1-80%=3266.66kmol =143733.04kg出料中环氨基甲铵的物质的量为(6列物料衡算表 见表3。表3物料名称 相对分 子质量17 44 78 60 18 30%=16333.3kmol=1273997.4kg物料衡算表 输出 质量/ kg 111066.78 14373

39、3.04 1273997.4 294000 88200 1910997.2物质的量 / kmol 6533.34 3266.66 16333.3 4900 4900 35933.3 NH3 CO2 NH2COONH4 CO(NH22 H2O总计 输 入 质量/ kg 物质的量 / kmol 555333.9 32666.7 718665.2 16333.3 424663.2 5444.41698662.3 54444.4 (二)热量衡算 年产5万吨水溶液全循环法合成尿素中第一反 应器的物料衡算数据作热量衡算。(1计算任务(2选择数据 输入热量和输出热量。298K 标准生成热如下：？fH 9 m

40、(CO2=-93.51kJ/mol; ?fH 9m (H2O) = 285.838 kJ/mol ?fH 9 m(NH346.19 kJ/mol; ?fH 9 m (CO(NH22) = - 333.19 kJ/mol ?fH 9 m(NH2COONH4) =21.92 kJ/mol 表 4 各物料的定压热容 (298K 时的 C9 pm) C 9 p,m J/(mol.K 35.65 37.12 69.37 6.75 33.5物料名称 NH3 CO2 NH2COONH4 CO(NH22 H2O 根据 Cp,m=a+bT+cT 或 Cp,m=a+bT+c 计算初始温度为 25C升到 180C 时 的 Cp,m，热损失为反应放热量的 10%。Cp,m(CO2=44.14+9.04 103 M53 8.54 为0-5 -4532 =4095164 -20-=4.1 X03kJ/(mol.K Cp,m(NH3=26.79+25.48 10水453+(-.665 4532=1.15 04kJ/(mol.K Cp,m (H2O) =30.12+11.3 3 453 =5.12 3kJ/(mol.K (3 计 算过程 298K 反应热效应：？rHm(