2022年全循环法合成尿素(年产10万吨)

1、摘 要 本设计通过把合成氨取得的液氨和在制氨过程中得到的二氧化碳在高温高压下分：NH与CO的原料供给及净化，：NH与CO合成尿素，尿素熔融液未应成尿素物质别离和回收，尿素溶液的加工四个步骤进展合成尿素。 主要完成的任务是工艺设计、工艺计算和工程图设计。通过本设计的训练，使得我们对化工生产工艺工程，化工工程图设计和生产管理有一个全面、初步的了解。设计包括尿素生产设计说明书、全厂工艺流程图、全厂平面布置图、生产车间平面图两张、生产车间立面图。 关键词：尿素，水溶液全循环法，工艺，工艺流程图，布置图目 录摘 要 2前 言1一 工艺流程论证21.1 尿素的性质21.2 各工艺流程方案的优缺点41.3

2、工艺流程方案的选择61.4 工艺流程论证111.4.1 NH和CO的原料供给及净化 NH和CO合成尿素1.4.3 尿素熔融液与未反响成尿素物质的别离合成1.4.4 尿素溶液的加工二 典型机器设备选型及论证2.1 尿素合成塔的选型与论证2.2 CO压缩机选型与论证2.3 换热器的选型与论证2.4 泵的选型与论证总 结参考文献致 谢 辞13附 录 一14附 录 二14前 言 尿素是是目前使用的固体氮肥中含氮量最高的化学肥料，以单位为氮为基准，尿素的生产、运输、储存和施用费用是最低的。尿素是一种良好的的中性肥料，不含酸根，适用于各种土壤和各种农作物，广泛用于农业、畜牧业、工业等，需求量大。尿素广泛存

3、在于人类和动物的尿中。人体每天排出尿素20-30g。1828年，德国化学家维勒将氰酸与氨的水溶液反响，产生一种白色结晶，这是人类历史上用人工方法，从无机物制得人体排泄出来的有机化合物尿素，成为现代有机化学兴起的标志。在维勒之后，又出现了制备尿素的其他方法，多达五十种，但是这些方法由于种种原因，或原料难得，或有毒，或反响难以控制，或经济上不合理，都未能工业化，唯一成为当代尿素工业根底反响的是俄国化学家提出在高压下加热氨基甲酸铵使之脱水，也制成了尿素 到20世纪初，开场出现工业规模的合成氨生产，由于尿素合成反响受到平衡的限制而总有来自未反响氨存在，早期的尿素工厂均将未反响的氨加工成为其他产品，所以

4、尿素生产一定要与其他生产联合，不够方便。在20世纪30年代相继建成了第一批具有相当规模的连续不循环法尿素工厂，也称一次通过法。这为尿素工业开展奠定了根底。 此后，尿素工业高速开展起来。现在尿素是世界上普遍使用的固体氮肥。随着国家的三农政策和对农业的大力扶持，尿素生产能力在未来必然会大幅的增长。本次设计的是水溶液全循环制尿素，水溶液全循环法制尿素是指将尿素合成反响后的物料分段减压：加热使其中末反响的甲胺分解和游离氨解析出来，并逐段将氨和二氧化碳冷凝成液氨和吸收成氨基甲酸铵水溶液，用泵加压返回合成系统中去循环利用。水溶液全循环法制尿素生产过程一般可分为：原料的压缩和净化、尿素合成、循环回收、尾气吸

5、收与解吸、蒸发和造粒等几个工序。 目前，我国大型厂采用的多数是二氧化碳汽提法和传统水溶液全循环法 一 工艺流程论证1.1 尿素的性质尿素物理化学性质：常压熔点132.6. 易吸湿：硝铵>尿素>硫铵 尿素的化学性质：1.微碱性，但不能使指示剂变色2.与盐生成络合物3.水解4.缩合 2尿素缩二脲+氨气5.与甲醛缩合生成脲醛塑料通常尿素的工业生产以CO和NH为原料，在高温高压作用下合成尿素较廉价。总的反响为；2NH+COCO(NH)+HO反响过程中首先是NH和CO混合物形成液相，并大局部以氨基甲酸铵NHCOONH形成存在；其次，氨基甲酸铵脱水成为尿素。尿素合成反响只在较高温度140以上下

6、，其反响速度才较快而具有工业生产意义。由于反响物的易挥发性，而尿素反响又必须在液相进展，所以在较高的温度下要求压力也高。工业生产的条件范围为温度160210和压力1324Mpa。但是由于尿素合成是一个可逆反响，所有的尿素制法都按照两个根本步骤进展，氨和二氧化碳在高温、高压下作用形成氨基甲酸铵；之后，氨基甲酸铵脱水生成尿素和水，其反响式为： 2NH+CONHCOONHH=-100500J/mol(167,14MPa) NHCOONHCO(NH)+HO H=27600 J/mol(180)氨基甲酸铵的脱水并转化为尿素的反响是可逆的而且是不完全的。投入的原料氨和二氧化碳仅局部地转化为尿素和水，而未反

7、响的原料那么溶解于这一水溶液中。通常，以二氧化碳计的转化率为50%-70%。因原料氨和二氧化碳的配比均高于化学计量比，即NH/ CO摩尔比大于2，所以以氨计的转化率那么更低。从物料平衡来说，回收或利用未反响的原料是一重要的问题。从能量平衡来说，即如何充分利用反响热量以降低能耗，是提高生产经济性的关键。1.2 各工艺流程方案的优缺点：以氨和二氧化碳为原料的尿素生产技术流程有多种。最早实现工业化的方法是不循环法和局部循环法；后来即被水溶液全循环法所代替；其后， 又出现了各种气提法流程。这些不同方法的生产原理是一样的，但在其实现的流程和工艺条件上有所不同。主要的尿素生产技术的工艺流程、主要设备和操作

8、条件。; 3 D& H8 E) l0 K、.不循环法和局部循环法尿素生产工业化早期实现的是不循环和局部循环流程。$ X+ h# C0 k3 |9 K1 j& . J原料液氨和压缩到高压的二氧化碳气混合进入尿素合成塔进展反响。合成塔出口溶液经一次减压分解，得到较为纯洁的尿素水溶液并加工成尿素产品。未反响的NH和CO气体不再返回，而是送往氨加工车间，将未转化的氨加工为硫酸铵、硝酸铵等其他产品。这种原料一次通过，未反响物不循环返回合成塔的方法称为不循环法流程。假设未反响物经减压加热分解，冷凝后局部返回合成系统，称为局部循环法。优点：工艺简单、性能稳定。缺点：无论是不循环法或是局部循环

9、法，在生产尿素时必定伴有大量副产物生成。此法本钱高，技术落后，早已淘汰不用。 (O3 e) D) f7 p) u% y  P(      .水溶液全循环法 " $ E9 p, T8 P3 h0 F0 A3 尿素合成反响后，未转化的反响物氨和CO经过几段减压及加热分解，将其从尿素溶液中别离出来，然后全部返回合成系统，以提高原料氨和CO的利用率。此法称为全循环法。按照未反响物氨和CO的回收方式不同，又分为溶液全循环法，气体别离法(选择吸附)，浆液循环法和热气循环法等。!. 传统! m  t-  &#

10、160;r1 A' c水溶液全循环法。原料液氨和二氧化碳同循环尿素合成后未反响物氨和CO，经分解别离后，用水吸收成甲铵溶液，然后循环回合成系统称为水溶液全循环法。自20世纪60年代起迅速得到推广，在尿素生产中占有很大的优势，至今仍在完善提高。. 改进C法日本三井东压/东洋工程全循环改进C法，是传统水溶液全循环改进，此法采用较高的合成压力和温度，并取较高的氨碳比和较低的水碳比，转化效率高，降低了分解循环吸收的负荷。采用结晶重熔方法，可制得缩二脲低于0.35%的产品。但热回收利用不高，总能耗低于传统水溶液全循环法。优点：水溶液全循环法不消耗贵重的溶剂，循环动力消耗较小投资省，曾被广泛采用，

11、为尿素工业的开展做出了积极的奉献。缺点：但水溶液全循环法存在不少问题.如能量得不到充分利用，反响热被大量的循环液所降温，没有充分利用；一段甲铵泵腐蚀严重，对甲铵泵的制造、操作和维修比拟麻烦；为了回收微量的CO2和氨气使流程变得过于复杂。.气提法2 % J- L5 C; c) w所谓气提法就是用气提剂如CO2、氨气、变换气或其他惰性气体，在一定压下加热，促进未转化成尿素的甲铵的分解和液氨气化。气提分解效率受压力、温度、液气比及停留时间的影响，温度过高会加速氨的水解和缩二脲的增加，压力过低，分解物的冷凝吸收率下降。气提时间愈短愈好，可防止水解和缩合反响。故气提法是采用二段合成原理，即液氨和气体CO

12、2在高压冷凝器内进展反响生成甲铵，而甲铵的脱水反响那么在尿素合成塔中进展。实际上，为了维持合成尿素塔的反响温度，局部甲铵的生成留在合成塔中，而不是全部在高压冷凝器中完成.二氧化碳气提法工艺的特点：用原料CO2气提，气提效率高，使未转化物大局部直接返回，少量剩余物在一次低压分解循环即可回收，省去了中压循环，简化流程。其次，合成压力低，节省压缩机和泵的动力。高压圈内高压冷凝器的余热温度高，用来副产蒸汽，有利于能量的利用，降低蒸汽和冷却水消耗。二氧化碳气提采用低碳比、低温、低压的合成条件，具有明显的优点，但也用其缺乏之处：合成反响的CO2转化率较低，增大了循环量。低氨碳比下介质的腐蚀性较严重，因此采

13、用防腐氧气，并需注意爆炸问题。优点：流程短、设备少、易操作。动力消耗少，循环物料少。操作压力、温度、流量最低，降低了合成塔，压缩机之要求。蒸汽用量，冷却水用量少。输送设备少，无甲铵泵等，缺点：高压设备腐蚀严重，需特别处理因流量低，使尿素中缩二脲落高于其他法. j+ 8 o9 k  R7 H: ?# ) |) L0 s$ O1 y, F% m8 s .氨气提法 氨气提工艺的特点：提高合成氨碳比，提高原料CO2转化率，并有助于提高气提效率。通过热气提方式，使相当多的未转化物直接返回。高压圈内高压冷凝器副产蒸汽，有利于能量的利用。合成系统采用高碳比，还有助于减轻设备的腐蚀，少加防

14、腐空气。 优点：与二氧化碳气提法流程相比，氨气提采用高氨碳比、高温、高压的合成条件，具有一定的优点，合成反响的CO2转化率较高，系统的腐蚀问题较轻。 缺点：氨气提热气提效率不如二氧化碳气提，需要设中压分解循环，流程长，设备较多。1.3 工艺流程方案的选择虽然二氧化碳气提法也较好，流程短、效率高，设备少，易操作动力消耗少，循环物料少。操作压力、温度、流量最低，降低了合成塔，压缩机之要求。蒸汽用量，冷却水用量少。输送设备少，无甲铵泵等。但是此合成法技术较新，许多方面还不够成熟，且高压设备腐蚀严重，需特别处理，并且容易爆炸，有一定的危险。水溶液全循环法和气提法比拟，水溶液全循环法应用较广，时间较长，

15、所以无论是技术还是经历方面都较为成熟，水溶液全循环法不消耗贵重的溶剂，循环动力消耗较小投资省。由于我国尿素生产主要采取水溶液全循环法而且由于碳酸铵盐水溶液全循环法工艺及技术相当成熟，设备要求简单且投资相对少，工艺流程方便易行，再添加污水处理系统以后，使整个生产的污染减少，所以这里采用碳酸铵盐水全循环法。所以从技术性，经历性，经济性，平安性方面综合考虑选用碳酸铵盐水溶液全循法较好。1.4 工艺流程论证目前，工业上由NH和CO直接合成尿素分以下四个步骤：NH和CO的原料供给及净化NH和CO合成尿素尿素熔融液与未反响成尿素物质的别离和回收尿素溶液的加工1.4.1 NH和CO的原料供给及净化 二氧化碳

16、的压缩:来自脱碳工段的3540，0.1052MPa绝，纯度为95.7%(干基，体积)，含氧量为0.5%干基，体积的原料二氧化碳气体，经液滴别离法别离出液滴后进入CO压缩机，经一、二段压缩到0.981-1.128MPa绝，冷却除水后送往CO压缩机，经三四，五段压缩至20.89 MPa绝。约125送往尿素合成塔，二氧化碳净化：来自CO压缩机二段出口的CO气体，进入两个串联的脱硫槽，气体中的硫化物与脱硫剂作用。从0.15g/cm(标)以下，出脱硫槽的净化气体去CO压缩机三段入口，当脱硫剂含硫量趋于饱和，CO气体含硫量缺乏时，启用备用的脱硫槽，并对原脱硫槽中的废脱硫剂进展交换，以资备用。 NH和CO合

17、成尿素 来自液氨贮鑵温度30，压力约2.06MPa绝的原料液氨经液氨过滤器过滤，并经流量计后进入液氨缓冲鑵的原料室。来自液氨冷凝器的循环液氨进入液氨缓冲鑵的回流室，其中的局部超过挡板，与原料氨混合后，经液氨泵加压至约20.69MPa绝送往液氨预热器，被蒸汽冷凝液加热至约70进入尿素合成塔，液氨缓冲槽回流室的液氨作为回流氨去一段吸收塔。 原料CO气体.液氨.循环回收工序来的一段甲胺溶液同时送入尿素合成塔底部，其组成NH/CO-0.7(摩尔比)，188，在19.71 MPa绝，在188的合成条件下，经过足够的停留空间，约有64%的CO转化为尿素，反响熔融液自塔顶排出。尿素合成塔压力有出口压力调节阀

18、控制。1.4.3 尿素熔融液与未反响成尿素物质的别离合成 尿素合成塔的反响熔融液物经出口压力调节阀减压至1.765 MPa绝，进入预蒸馏塔上部，在此别离出闪蒸气体后，溶液自流至中部蒸馏段，与一段分解加热器来的热气体逆流接触，进展换热蒸馏，使液相总的局部甲胺与过剩氨分解、气化进入汽相。同时，汽相中的水蒸汽局部冷凝。与蒸馏后的尿素溶液自蒸馏段下部流往一段分解加热器上升到预蒸馏塔底局部离为两相，液相自塔低流出，经减压送往二段分解塔，汽相自上而下的通过蒸馏段自塔顶溢出一段蒸馏塔的热能回收段，一段分解系统所需的防腐空气自一段分解尿液管道上补入。 来自预蒸馏塔的一段分解气体与来自二段甲胺泵的二段碳酸液在一

19、段蒸发器热能回收段混合，发生局部冷凝，放出的热量用于加热尿素溶液。热能回收段派出的气液混合物进入一段吸收冷却器底部，在循环冷却软水的冷却作用下，气体进一步发生冷凝。出一段吸收冷却器的气液混合物进入一段吸收塔的底部，气相经鼓泡段鼓泡只收后，为吸收的气体进入槽流段被来自惰气洗涤器的浓氨水与来自液氨缓冲槽的回流氨进一步清洗吸收，塔顶排出的50，含CO100PPM的气氮进入氮冷凝器，局部气氮在此冷凝下了流往液氨缓冲槽。出氨冷凝器的气体经惰气洗涤进防爆空间后，依次进入氨冷凝器，在此冷凝的氨也流入液氨缓冲鑵。未冷凝气体送至惰气洗涤器，来自二循二冷凝器的氨水吸收，尾气减压送至尾气吸收。惰气洗涤器排出的约45

20、的浓氨水送往一段吸收塔顶部，一段吸收塔底部得到的90-95的一段碳铵液通过一段甲胺泵加压后送往尿素合成塔。 MPa绝后，送往二段分解塔上部，与来自二段分解塔顶部排出，与来自解吸气混合后进入二循一冷凝器，被蒸发冷凝液吸收送往一段蒸发器热能回收段。出二循一冷凝器的气体在二循二冷凝器内继续被蒸发冷凝器吸收。惰气洗涤器尾气与二循二冷凝器尾气只收塔，被来自尾气吸收塔的蒸发冷凝液吸收，生成的碳铵液送至碳铵液槽贮存，尾气通过放空总管放空。 尿素溶液的加工 二段分解塔排出的尿素溶液减压至约0.04MPa绝后进入闪蒸槽，从此别离为气液两相，约70%重量的尿素排出一段蒸发器，在约0.033 MPa绝下，尿素溶液经

21、热能回收段和蒸气加热段被加热至130，浓度约96%,在段蒸发器别离段别离出的尿液去二段蒸发器中，在0.0033MPa，140下浓缩得到含水0.5%的熔融尿素，经别离段别离后，熔融尿素自熔融尿素泵送往位于造粒顶部的造粒器进展造粒。 闪蒸气与一段蒸发气送至一段蒸发器冷凝，未凝气有一段蒸发喷射器抽至放空总管放空。 二段蒸发气进入二段蒸发冷凝器冷凝，其其其凝气有二段蒸发喷射器抽至中间冷凝器继续冷凝，其不凝气由二段喷射器抽至放空总管放空。 二段蒸发冷凝气以从冷冻工段开到液氨作为冷却介质，液氨吸热气化后，气氨返回冷冻工段。 二 典型机器设备选型及论证2.1 尿素合成塔的选型与论证塔设备的作用是实现气汽液相

22、或液液相之间的充分接触，从而到达相际间传热与传质的目的。按其内件构造分为填料塔、板式塔，也是目前工业上应用的最广泛的塔的设备。尿素合成塔尿塔是生产尿素的关键设备。由于尿素生产系统中大都是尿液或NH-CO-HO三元溶液，它们的熔点都比拟高，如使用板式塔极易反响结晶堵塞，会使生产无法正常进展。因此，为了稳妥起见，在尿素生产中的塔设备常采用填料塔。大中型尿素工厂使用的尿素合成塔为衬里的高压容器。合成塔的外筒为多层卷焊受压容器，也可以整体锻造。内部衬有一层耐腐蚀的316L不锈钢板，使筒体和尿素甲铵腐蚀介质隔离。外壳保温，防止热量外散。这种设备的容积利用率高，耐腐蚀材料用量少，操作方便可靠。几股反响物料

23、通常从底部进入，呈气液两相混合物的形式自下而上，边反响边流动，不断生成尿素，尿素浓度不断上升。反响后的熔融物从塔顶排出，或者通过一个溢流管，将液体从塔的底部引出。衬里式尿素合成塔最初采用空塔，不设置内件，塔的高径比拟大。对于高径比小的衬里合成塔，通常设置混合器或筛板等内件，以减少返混的影响。2.2 CO压缩机选型与论证 尿素的合成是高温、高压下进展的;未反响物的回收是在中，低压下进展的。由此决定了在尿素工业中需要用压缩机和泵对原料CO气体、原料液氨、循环液氨、回收的甲铵溶液进展升压并输送到合成高压圈。 因为尿素的合成压力在13MPa以上，所以二氧化碳压缩机的类型为多段型往复式压缩机或多级型离心

24、压缩机。自70年代起，尿素单系列生产规模大型化后，普遍才离心式压缩机。 由于机械制造的原因，目前尿素生产规模大与750，压力小于20时，采用离心式压缩机：压力大于20，可采用离心压缩机串联往复式压缩机：生产规模大于750，那么选用往复式压缩机。 在该流程工艺下选用往复式压缩机。离心式压缩机的主要优缺点如下。优点： 输气量大； 气体连续流动，无脉冲，运转平稳，振动很小； 机组外形尺寸小，占地面积少； 机组重量轻，土建根底小； 机组易损零件少，使用期限长，维修工作量少； 机体内部不需要润滑，CO气体不被污染，有利于工艺传热过程； 机组控制自动化程度高，易于操作； 由于转速高，可用蒸汽轮机直接带动，

25、因而可以使全厂蒸汽合理利用，并可充分利用工艺装置的副产的低压蒸汽，节约了能耗； 机组连续运转周期长，单台机组年工作日可到330-345天，国外曾出现过连续运行450天的记录。缺点： 气体的流动损失，漏气损失和轮阻损失比拟大，帮效率较低，一般比往复式压缩机低5%-10%； 对压力的适用范围较窄，一般适用于中、低压和大流量的场合； 会产生“喘振； 需要两机并联运行时，那么难于操作； 气体的密度变化对离心式压缩机的工作影响较大； 离心式压缩机的通用性能较差，在输送不同介质时，其性能差异大；往复式二氧化塔：离心式压缩机适用于大流量，中、低压力，可靠性好。但是在小流量时，离心压缩机的叶轮制造困难，工作情

26、况不稳定。因此当需要小流量和高压力时那么选用往复式压缩机。其优点是效率比离心式压缩机高；调节气量时排气压力几乎不改变。但其缺点是：压缩机体积大而且重，因此占地大；构造复杂，易损零、部件多，维修工作量大。 综上考虑: 在该流程工艺下选用往复式压缩机。2.3 换热器的选型与论证换热设备是使热量从热流体传递到冷流体的设备。在工业生产中换热设备的主要作用是使热量有较高的流体传递给温度较低的流体，是流体温度到达工艺过程规定的指标，以满足工艺过程的需要。 在该流程中典型的换热设备有第一、二冷凝器，回流冷却器，第一加热器、氨回热器等。下面对这几个设备进展选型与论证。 在工业中常用的换热器有：固定管板式 固定

27、管板式换热器昌用焊接的方式将连接收束的管板固定在壳体两端。它的主要特点是制造方便，紧凑，造价较低。但由于管板和壳体间的构造原因，使得管外侧不能进展机械清洗。另外当管壁温与壳体壁温之差较大时，会产生很大的热应力，严重时会毁坏换热器。固定管板式换热器适用于壳程流体清洁，不易结垢，或者管外侧污垢能用化学处理方法除掉的场合，同时要求壳体壁温与管子壁温之差不能太大。一般情况下，该温差不得大于50.假设超过此值，应加温度补偿装置。通常是在壳体上加一膨胀节。但这种装置只能用在管壁温与壳体壁温与壳体壁温之差低于60-70及壳程压力不高的场合。当壳程流体表压超过0.7MPa时，由于膨胀节的材料较厚，难以伸缩而失

28、去对热变形的补偿作用，此时不宜采用这种构造。浮头式换热器 这类换热器的主要特点是管束可以从壳体中抽出，便于清洗管间和管内。管束可以在壳体内自由伸缩，不会产生热应力。但这种换热构造较为复杂，造价高，制造安装要求高，由以上特点可以看出浮头式换热口碑 应用范围很广，能在较高的压力下工作，适用于壳体壁温与管壁温差较大或壳唾流体易结垢的场合。U型管式换热器 这类换热器的管束是由弯成U型的传热管组成。其特点是管束可以自由伸缩，不会产生温差应力，构造简单、造价比浮头式低，管外容易清洗。但管板上排列的管子较少。另外由于管束中心一带存在间隙，且各排管子回弯处曲率不同，长度不同，帮壳程流体分流不够均匀，影响传热效

29、果。U型管式换热器适用于壳程流体易结垢，或壳体壁温与管壁温之差较大的场合，但要求管程流体应较为清洁，不易结垢。填料函式换热器 这类换热器具有浮头换热器的优点，这种换热器的构造特点一浮头式换热器相类似，浮亲耐滴局部露在壳体以外， 在浮头与壳体的滑动接触面处采用填料函式密封构造。由于采用填料函式密封构造，使得管束在壳体轴向可以自由伸缩，不会产生壳壁与管壁热变形差而引起的热应力。其构造较浮头式换热器简单，加工制造方便。节省材料，造价比拟低廉，且管束可以从壳体内抽出，管内，管间都能进展清洗，维修方便。 考虑腐蚀、温差、压力、本钱等的影响在该流程下换热器选用U管式换热器。2.4 泵的选型与论证 泵是把机

30、械能转换成液体的能量，用来增压输送液体的机械。 在该流程中有高压氨泵、高压甲铵泵、低压甲铵泵、尿素产品泵等，同样考虑到尿素生产中物料具有很强的腐蚀性所以在选择上应选择耐腐蚀的泵。 在各种尿素生产工艺流程中的高压氨泵和高压甲铵泵通常采用往复式柱塞泵。但是所输送介质液氨和氨基甲酸铵性质是渗透性强及强腐蚀性，因此柱塞密封填料使用寿命不长，泵体机械故障较多，并且有脉动的缺点，因而设备费用和维修费用较高。高压甲铵泵、高压氨泵通常采用离心泵中的离心式高压泵。随着尿素工厂的单机组、大型化的开展，高压氨泵和高压氨基甲酸铵泵已经较普遍地使用离心式高压泵。不管装置生产能力如何，往复泵的较低功率可以补偿较高的维修费用。而大装置往复泵的装置费用要比离心泵大一些。这说明在较大装置中