摘

要由于具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單生產(chǎn)操作易于掌握生產(chǎn)設(shè)備容易制造投資較省施用后見(jiàn)效快，增產(chǎn)顯著等特點(diǎn)，尿素在各種肥料新品種不斷涌現(xiàn)的情況下產(chǎn)銷量仍持高不下。本設(shè)計(jì)介紹了尿素的性質(zhì)、用途、生產(chǎn)方法和發(fā)展?fàn)顩r，詳細(xì)描述了水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素的工藝流程，重點(diǎn)介紹了尿素的工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程，并對(duì)單位質(zhì)量參加反應(yīng)的原料進(jìn)行物料衡算和熱量衡算，以期獲得低耗能、低污染、高產(chǎn)出的尿素生產(chǎn)工藝。關(guān)鍵詞：尿素，全循環(huán)，發(fā)展，工藝流程133一、概述（）素物化性和途1尿素的物理質(zhì)分子式CO(NH)，分子量因最早由人類及哺乳動(dòng)物的尿液中發(fā)現(xiàn)，2故稱尿素。純凈的尿素為無(wú)色、無(wú)味針狀或棱柱狀晶體，含氮量4，工業(yè)尿素因含有雜質(zhì)而呈白色或淺黃色工業(yè)或農(nóng)業(yè)品為白色略帶微紅色固體顆粒無(wú)臭無(wú)味。密度1.335g/cm。熔℃。超過(guò)熔點(diǎn)則分解。尿素較易吸濕，貯存要注意防潮。尿素易溶于水和液氨，其溶解度隨溫度升高而增大。2尿素的化學(xué)質(zhì)易溶于水、醇，不溶于乙醚、氯仿。呈微堿性。可與酸作用生成鹽。有水解作用在高溫下可進(jìn)行縮合反應(yīng)生成縮二脲三脲和三聚氰酸加熱至℃分解，產(chǎn)生氨氣同時(shí)變?yōu)榍杷?。因?yàn)樵谌四蛑泻羞@種物質(zhì)，所以取名尿素。尿素含氮％，是固體氮肥中含氮量最高的。尿素在酸、堿、酶作用下（酸、堿需加熱）能水解生成氨和二氧化碳對(duì)熱不穩(wěn)定加熱至150~160℃將脫氨成縮二脲若迅速加熱將脫氨而三聚成六元環(huán)化合物三聚氰酸脫氨生成異氰HN=C=O再三聚在氨水等堿性催化劑作用下能與甲醛反應(yīng)，縮聚成脲醛樹(shù)脂。與水合肼生成氨基脲2NH+CO→NHCOONH→CO(NH)+HO粒狀尿素為粒徑毫米的半324222透明粒子，外觀光潔，吸濕性有明顯改善。℃時(shí)臨界吸濕點(diǎn)為相對(duì)濕度80，但30時(shí)臨界吸濕點(diǎn)降至故尿素要避免在盛夏潮濕氣候下敞開(kāi)存放目前在尿素生產(chǎn)中加入石蠟等疏水物質(zhì)，其吸濕性大大下降。3尿素的用途尿素是一種高濃度氮肥，屬中性速效肥料，也可用來(lái)生產(chǎn)多種復(fù)合肥料。在土壤中不殘留任何有害物質(zhì)，長(zhǎng)期施用沒(méi)有不良影響，在造粒中溫度過(guò)高會(huì)產(chǎn)生少量縮二脲，又稱雙縮脲，對(duì)作物有抑制作用。我國(guó)規(guī)定肥料用尿素縮二脲含量應(yīng)小于0.5%?？s二脲含量超過(guò)1%時(shí)，不能做種肥，苗肥和葉面肥，其他施用期的尿素2含量也不宜過(guò)多或過(guò)于集中。尿素是有機(jī)態(tài)氮肥，經(jīng)過(guò)土壤中的脲酶作用，水解成碳酸銨或碳酸氫銨后，才能被作物吸收利用。因此，尿素要在作物的需肥期前4~8天施用。尿素是目前使用的含氮量最高的化肥。尿素屬中性速效肥料，長(zhǎng)期施用不會(huì)使土壤發(fā)生板結(jié)。其分解釋放出的CO也可被作物吸收，促進(jìn)植物的光合作用。在土壤中，尿素能增進(jìn)磷、2鉀、鎂和鈣的有效性，且施入土壤后無(wú)殘存廢物。（）尿的產(chǎn)法介生產(chǎn)尿素的方法有很多種世紀(jì)60代以來(lái)全循環(huán)法在工業(yè)上獲得普遍采用，最常用的是水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素和二氧化碳?xì)馓岱ㄉa(chǎn)尿素。合成氨生產(chǎn)為NH和CO直接合成尿素提供了原料。由NH和合成尿素的總反應(yīng)為：32322NH+CO→CO(NH)+H。該反應(yīng)是放熱的可逆反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率一般為。因322此從合成塔出來(lái)的尿素溶液中除了尿素外，還有氮和甲銨。按未反應(yīng)物的循環(huán)利用程度，尿素生產(chǎn)方法可分為不循環(huán)法、半循環(huán)法和全循環(huán)法三種。氣提介質(zhì)的不同，分別稱為二氧化碳?xì)馓岱?、氨氣提法、變換氣氣提法。依照分離回收方法的不同主要分為水溶液全循環(huán)法、氣提法等。按氣提氣體的不同又可分為二氧化碳?xì)馓岱ā睔馓岱?、變換氣氣提法。1水溶液全循法20紀(jì)60代以來(lái)全循環(huán)法在工業(yè)上獲得普遍采用全循環(huán)法是將未轉(zhuǎn)化成尿素的氨和二氧化碳經(jīng)減壓加熱和分離后。全部返回合成系統(tǒng)循環(huán)利用，原料氨利用率達(dá)以上。全循環(huán)法尿素生產(chǎn)主要包括四個(gè)基本過(guò)程：①氨和二氧化碳原料的供應(yīng)及凈化；②氨和二氧化碳合成尿素；③未反應(yīng)物的分離與回收；④尿素溶液的加工。其生產(chǎn)過(guò)程如圖1所示。2圖1

水溶液循環(huán)法生產(chǎn)素工藝程圖（）種法比1水溶液全循尿素工水溶液全循環(huán)法是將未反應(yīng)的氨和二氧化,經(jīng)減壓加熱分解分離后，用水吸收生成甲銨或碳酸銨水溶液再循環(huán)返回合成系統(tǒng)。我國(guó)尿素廠多數(shù)采用水溶液全循環(huán)法。2.C0汽提尿素工2氣提法是利用某一氣體在與合成等壓的條件下分解甲銨并將分解物返回合成系統(tǒng)的一種方法。氣提法是全循環(huán)法的發(fā)展，具有熱量回收完全，氨和二氧化碳處理量較少的優(yōu)點(diǎn)。此外，在簡(jiǎn)化流程、熱能回收和減少生產(chǎn)費(fèi)用籌方面也都優(yōu)于水溶液全循環(huán)法．是尿素生產(chǎn)發(fā)展的一種方向。3兩種工藝的較優(yōu)點(diǎn)；水溶液全循環(huán)尿素工藝生產(chǎn)裝置的靜止高壓設(shè)備較少，只有尿素合成塔及液氨預(yù)熱器為高壓設(shè)備，其它均為中壓和低壓設(shè)備，所以該尿素工藝生產(chǎn)裝置的技術(shù)改造比較容易、方便，改造增產(chǎn)潛力較大。由于該工藝高壓設(shè)備較少，高壓系統(tǒng)停車保壓時(shí)間可以達(dá)到以生產(chǎn)裝置的中小檢修一般可以在尿素合成塔允許的停車保壓時(shí)間內(nèi)完成，減少了高壓系統(tǒng)排放的次數(shù)，降低了尿素的消耗。水溶液全循環(huán)尿素工藝可靠、設(shè)備材料要求不高、投資較低。CO氣提法尿素工藝生產(chǎn)裝置的工藝流程較短，在操作調(diào)節(jié)方面比較簡(jiǎn)單、方便。能耗低、生產(chǎn)費(fèi)用低。該工藝能夠回收較高品位的甲按反應(yīng)熱，除本系統(tǒng)加熱使用外還可剩余少部分富裕低壓蒸汽供外系統(tǒng)使用。3缺點(diǎn)：水溶液全循環(huán)尿素工藝生產(chǎn)裝置的工藝流程較長(zhǎng)，在操作調(diào)節(jié)方面不如CO氣提法生產(chǎn)尿素工藝簡(jiǎn)單、方便。由于氨碳摩爾比控制得較高，一般穩(wěn)定在4.02左右，并且未反應(yīng)生成尿素的氨和二氧化碳?xì)怏w全部要經(jīng)過(guò)低壓、中壓循環(huán)吸收系統(tǒng)回收后再返回到尿素合成塔，液氨泵和一段甲銨泵的輸送量比較多，所以該工藝中液氨泵和一段甲銨泵的臺(tái)數(shù)較多，動(dòng)力消耗較多。CO氣提法生產(chǎn)尿素工藝裝置的靜止高壓設(shè)備較多，有尿素合成塔、高壓二氧2化碳?xì)馓崴⒏邏杭卒@冷凝器、高壓洗滌器四大主要設(shè)備，它們是CO氣提法尿素2工藝生產(chǎn)裝置的核心，其它均為低壓設(shè)備，所以該尿素工藝生產(chǎn)裝置的技術(shù)改造比較困難，改造增產(chǎn)潛力較小。高壓二氧化碳?xì)馓崴訜嵝枰恼羝焚|(zhì)較高，為，不如水溶液全循環(huán)尿素需用的蒸汽壓力低。4尿素的發(fā)展景與展尿素的合成是第一次用人工方法從無(wú)機(jī)物制得有機(jī)化合物年Rouelle在蒸發(fā)人尿時(shí)第一次發(fā)現(xiàn)尿素；在年開(kāi)始制造固體尿素，之后又出現(xiàn)了制備尿素的其他方法，包括光氣與氨反應(yīng)與氨反應(yīng)、氰胺化鈣水解等，由于種種原因，2最終都未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化；唯一成為當(dāng)代尿素工業(yè)化基礎(chǔ)的是由氨和二氧化塔合成尿素的反應(yīng)。1935年開(kāi)始生產(chǎn)固體尿素并將未轉(zhuǎn)化物循環(huán)回收，逐步形成全循環(huán)法工藝。20紀(jì)80代之后，二氧化碳?xì)馓岱ê桶睔馓岱ǖ玫竭M(jìn)一步改進(jìn)、完善時(shí)世界上著名的尿素公司還開(kāi)發(fā)了其他的先進(jìn)工藝大利的等壓雙循環(huán)工DoubleRecycle，簡(jiǎn)稱本TEC/TMC開(kāi)發(fā)了降低成本和節(jié)能新流程（forCostSaving工藝瑞士AmonniaCasale開(kāi)發(fā)了分級(jí)處理合成液的氣提法分流工藝等。國(guó)內(nèi)情況是我國(guó)尿素的年消耗量約在噸，即使預(yù)計(jì)今后幾年有所增長(zhǎng)，大概也不會(huì)超過(guò)3500噸。現(xiàn)有的生產(chǎn)能力已經(jīng)快要達(dá)到，我國(guó)今后十年內(nèi)生產(chǎn)尿素都將過(guò)剩。本設(shè)計(jì)主要敘述水溶液全循環(huán)法的有關(guān)內(nèi)容。4二、水溶液循環(huán)法生產(chǎn)素的原理水溶液全循環(huán)法是將未反應(yīng)的氨和二氧化碳經(jīng)減壓加熱分解分離后，用水吸收生成甲銨或碳酸銨水溶液再循環(huán)返回合成系統(tǒng)。（）應(yīng)理生產(chǎn)尿素的原料是氨和二氧化碳，后者是合成氨廠的副產(chǎn)品。尿素合成反應(yīng)分兩步進(jìn)行：①氨與二氧化碳作用生成氨基甲酸銨(簡(jiǎn)稱甲銨)；②甲銨脫水生成尿素，其反應(yīng)式為：2NH→NH324NH→CO(NH)+H222

式①是快速、強(qiáng)放熱反應(yīng)，且平衡轉(zhuǎn)化率高。式②是慢速微吸熱的可逆反應(yīng)，且需要在液相中進(jìn)行。當(dāng)溫度為℃時(shí)，氨與二氧化碳的摩爾比為，壓力高到足以使反應(yīng)物得以保持液態(tài)時(shí)，甲銨轉(zhuǎn)化成尿素的轉(zhuǎn)化率(以計(jì)為；其反應(yīng)速率隨溫度2的提高而增大。當(dāng)溫度不變時(shí)，轉(zhuǎn)化率隨壓力的升高而增大，轉(zhuǎn)化率達(dá)到一定值后，繼續(xù)提高壓力，不再有明顯增大，此時(shí)，幾乎全部反應(yīng)混合物都以液態(tài)存在。提高氨與二氧化碳的摩爾比，可增大二氧化碳的轉(zhuǎn)化率，降低氨的轉(zhuǎn)化率。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于氨的回收比二氧化碳容易，因此都采用氨過(guò)量，一般氨與二氧化碳的摩爾≥3。反應(yīng)物料中水的存在將降低轉(zhuǎn)化率，在工業(yè)設(shè)計(jì)中要把循環(huán)物料中的水量降低到最小限度。增加反應(yīng)物料的停留時(shí)間能提高轉(zhuǎn)化率，但并不經(jīng)濟(jì)。典型的工藝操作條件是溫度180~200℃、壓力、氨與二氧化碳摩爾比反應(yīng)物料停留時(shí)間25~40min。（）應(yīng)理1.尿素合成基本原理液氨和二氧化碳直接合成尿素的總反應(yīng)為：2NH→CO(NH)+H。3533222這是一個(gè)可逆、放熱、體積縮小的反應(yīng)，反應(yīng)在液相中是分兩步進(jìn)行的。首先液氨和二氧化碳反應(yīng)生成甲銨，故稱其為甲銨生成反應(yīng)：2NH→NH322在一定條件下，此反應(yīng)速率很快，容易達(dá)到平衡。且此反應(yīng)二氧化碳的平衡轉(zhuǎn)化率很高。然后是液態(tài)甲銨脫水生成尿素，稱為甲銨脫水反應(yīng)：NHCOONH→CO(NH)+H2平衡轉(zhuǎn)化率一般為50%~70%，此步反應(yīng)的速率也較緩慢，是尿素合成中的控制速率的反應(yīng)。2反應(yīng)速度從生成尿素的反應(yīng)機(jī)理可知甲銨脫水是反應(yīng)的控制階段，但甲銨脫水反應(yīng)在氣相中不能進(jìn)行，在固相中反應(yīng)速率較慢，而在液相中反應(yīng)速率較快，故甲銨脫水生成尿素的反應(yīng)必須在液相中進(jìn)行。因此決定反應(yīng)速率的因素有兩個(gè)：①氨和二氧化碳由氣相進(jìn)入液相的速率②液相中甲銨脫水的速率。三、水溶液循環(huán)法的生工藝流程（）素合1液氨和二氧碳直接成尿素總反應(yīng)為2NH→CO(NH)+H實(shí)際上反應(yīng)是分兩步進(jìn)行的，首先是氨與二氧化碳反應(yīng)生成氨基甲酸銨：2NH+CO→NH+159.47kJ32該步反應(yīng)是一個(gè)可逆的體積縮小的強(qiáng)放熱反應(yīng)，在一定條件下，此反應(yīng)速率很快，客易達(dá)到平衡，且此反應(yīng)二氧化碳的平衡轉(zhuǎn)化率很高.。然后是液態(tài)甲銨脫水生成尿素，稱為甲銨脫水反應(yīng)；NH→CO(NH)+H24此步反應(yīng)是一個(gè)可逆的微吸熱反應(yīng)，平衡轉(zhuǎn)化率一般為，并且反應(yīng)的速率也較緩慢，是尿素合成中的控制速率的反應(yīng)。6222合成尿素的論基礎(chǔ)在一定條件，氨基甲酸銨的生成速度是很快的，而氨基甲酸銨的脫水速度則很慢。所以，在合成尿素的生產(chǎn)中，反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短和尿素合成產(chǎn)率的高低，直接與氨基甲酸銨的脫水速度和尿素合成反應(yīng)的平衡有關(guān)。3尿素的工藝程圖（1）水溶液全循環(huán)法合成尿素工藝流程水溶液全循環(huán)法合成尿素工藝流程圖如圖2過(guò)加壓預(yù)熱的原料液氨與經(jīng)壓縮后的原料二氧化碳?xì)饧把h(huán)回收來(lái)的氨基甲酸銨液一并進(jìn)入預(yù)反應(yīng)器。在預(yù)反應(yīng)器內(nèi)氨與二氧化碳反應(yīng)生成氨基甲酸銨，在進(jìn)入尿素合成塔，在塔內(nèi)氨基甲酸銨脫水生成尿素。尿素熔融物從塔頂出來(lái)進(jìn)入預(yù)分離器，將氨基甲酸銨和氨進(jìn)行分離。氨基甲酸銨從預(yù)分離器底部出來(lái)進(jìn)入中壓循環(huán)加熱器，用蒸汽加熱進(jìn)一步提高溫度，促使殘余氨基甲酸銨分解。氣、液在低壓循環(huán)分離器內(nèi)分離。分離出來(lái)的尿液經(jīng)減壓至常壓后，進(jìn)入閃蒸槽，經(jīng)減壓后尿液中的氨基甲酸銨和氨幾乎全部清除。自閃蒸槽出來(lái)的尿液進(jìn)入尿液貯槽，用尿素溶液泵打入中壓蒸發(fā)加熱器及低壓蒸發(fā)加熱器，在不同真空度下加熱蒸發(fā)，氣、液分別在中壓蒸發(fā)分離器及低壓蒸發(fā)分離器內(nèi)分離。低壓分離器出口尿液濃度達(dá)（質(zhì)量）以上，用熔融尿素泵打入造粒塔，經(jīng)造粒噴頭撒成尿粒，在塔低得到成品尿素。去回收系統(tǒng)去冷凝真空統(tǒng)

15

尿素液氨

CO

成品氨基甲酸銨7圖2水溶液循環(huán)法成尿素示意程圖1-預(yù)反應(yīng)器；2-素合成塔；預(yù)分離器；4-壓循環(huán)加熱器5-中壓循環(huán)分離器；精餾塔；7-低壓循環(huán)加熱器；8-低壓循環(huán)分離器；閃蒸槽；尿素貯槽；11-素溶液泵；12-一段蒸發(fā)加熱器；一段蒸發(fā)分離器二段蒸發(fā)加熱器15-段蒸發(fā)分離器16-融尿素泵；17-造粒塔預(yù)分離器、中壓循環(huán)分離器、低壓循環(huán)分離器及精餾塔頂部出來(lái)的氨和二氧化碳，進(jìn)入回收系統(tǒng)。回收的氨與二氧化碳以液氨或氨基甲酸銨的形式返回合成系統(tǒng)循環(huán)使用。一段蒸發(fā)分離器、二段蒸發(fā)分離器及閃蒸槽出來(lái)的氣體，大部分水蒸氣和少量的氨去冷凝、真空系統(tǒng)，回收殘余氨后放空。（2）合成尿素工藝流程水溶液全循環(huán)法合成尿素工藝流程簡(jiǎn)圖如圖，由造氣爐產(chǎn)生的半水煤脫碳后，其中大部分的二氧化碳由脫碳液吸收、解吸后，經(jīng)油水分離器，除去二氧化碳?xì)怏w中攜帶的脫碳液，進(jìn)入二氧化碳?jí)嚎s機(jī)系統(tǒng)，由壓縮機(jī)出來(lái)的二氧化碳?xì)怏w壓力達(dá)到16kg進(jìn)入尿素合成塔從合成氨車間氨庫(kù)來(lái)的液氨進(jìn)入氨儲(chǔ)罐經(jīng)過(guò)氨升壓泵加壓進(jìn)入高壓液氨泵，加壓至左右，經(jīng)過(guò)預(yù)熱后進(jìn)入甲銨噴射器作為推動(dòng)液，將來(lái)自甲銨分離器的甲銨溶液增壓后混合一起進(jìn)入尿素合成塔。尿素合成塔內(nèi)溫度為186~190℃力為左右NH/CO的摩爾比和HO/CO的摩爾比控制322在一定的范圍內(nèi)。合成后的氣液混合物進(jìn)入一段分解，進(jìn)行氣液分離，將分離氣相后的尿液送入二段分解，進(jìn)一步見(jiàn)混合物中的氣相除去。凈化后的尿液依次進(jìn)入閃蒸槽、一段蒸發(fā)、二段蒸發(fā)濃縮，最后得到尿素熔融物，用刮料泵輸送到尿素造粒塔噴灑器，經(jīng)在空氣中沉降冷卻固化成粒狀尿素，并通過(guò)尿素塔底機(jī)用運(yùn)輸皮帶送往儲(chǔ)存包裝車間。8333333圖3

水溶液循環(huán)法生產(chǎn)素工藝程簡(jiǎn)圖從一段分解、二段分解出來(lái)的氣相含有未反應(yīng)的氨和二氧化碳，分別進(jìn)入一段吸收和二段吸收，氨和二氧化碳被后面閃蒸、一段蒸發(fā)、二段蒸發(fā)工段冷凝下來(lái)的冷凝水吸收混合形成水溶液，用泵送入尿素合成塔；一段吸收后剩余的氣體進(jìn)入惰洗器稀釋后，與二段吸收的殘余氣體混合進(jìn)入尾氣吸收塔，與一段蒸發(fā)、二段蒸發(fā)工段氣相冷凝除去水后殘余的氣體混合后放空。（）料準(zhǔn)合成尿素的主要原料是液氨和氣體二氧化碳，二者分別是合成氨廠的主副產(chǎn)品，所以合成氨和尿素生產(chǎn)裝置設(shè)在一起，聯(lián)合生產(chǎn)。1.氨的性質(zhì)氨的分子式為NH，分子量，在常溫常壓下是無(wú)色的具有特殊刺激性的3氣體，在低溫高壓下可以液化，當(dāng)溫度低于77.7℃下時(shí)，氨可以成為具有臭味的無(wú)色結(jié)晶，其主要物理性質(zhì)如下：臨界溫度∕

臨界壓力（絕壓）∕MPa11.15臨界比容∕(m

3

∕㎏)4.26密度（氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）∕㎎∕）

760尿素生產(chǎn)對(duì)液氨質(zhì)量的要求其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：氨＞％，水＜0.5％，油10mg/kg。2二氧化碳二氧化碳是無(wú)色氣體，在一定條件下可以液化，在強(qiáng)烈冷卻時(shí)可以變?yōu)楣腆w，成為干冰分子式為CO子量為44臨界壓力為界溫度為31℃，2臨界密度為0.486g∕cm，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度1.997g液體的密度為0.9248g∕cm，沸點(diǎn)為℃，熔點(diǎn)為78.48℃尿素生產(chǎn)對(duì)原料二氧化碳?xì)獾囊鬄椋汉浚?8.5%（體積分?jǐn)?shù)）HS含量2＜15mg/m。9（）料凈與送（1）二氧化碳脫硫與壓縮原理脫硫原料二氧化碳是合成氨裝置生產(chǎn)的副產(chǎn)物，其中含有極少量的硫化物（主要是硫化氫為了減少硫化氫對(duì)尿素設(shè)備及管道的腐蝕，首先必須對(duì)其進(jìn)行脫硫。方法有干法和濕法，干法較常用，可以達(dá)到很高的凈化度，但只有當(dāng)空氣中的硫化氫含量較低時(shí)才能應(yīng)用／所以必須與濕法串聯(lián)，干法放在其后。其流程圖如圖4。圖

二氧化脫硫原理圖b.壓縮有合成氨系統(tǒng)送來(lái)的二氧化碳?xì)怏w，進(jìn)入壓縮機(jī)之前，在總管內(nèi)與氧氣混合。加氧是為了防止合成、循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)備腐蝕。氧氣需要量約為二氧化碳總量0.5％（體積二氧化碳通過(guò)一個(gè)帶有水封的液滴分離器，用來(lái)除去二氧化碳?xì)怏w中的水滴以保護(hù)二氧化碳?jí)嚎s機(jī)。在液滴分離器之前設(shè)有放空閥，當(dāng)系統(tǒng)停車或生產(chǎn)能力驟減時(shí)，由此放出一部分二氧化碳。2液氨的凈化輸送從合成氨裝置內(nèi)送來(lái)的表壓下的液氨，通過(guò)氨過(guò)濾器除去雜質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)。過(guò)濾后的液氨送入液氨緩沖槽的原料室中。液氨緩沖槽設(shè)有控制閥可自動(dòng)控調(diào)節(jié)，并在控制盤上設(shè)有液氨緩沖槽的高低液位報(bào)警器。由中壓循環(huán)系統(tǒng)來(lái)的液氨進(jìn)入氨循環(huán)槽的回流室，一部分作為中壓塔的回流氨，多余的氨流過(guò)的溢流隔板進(jìn)入原料10室，與新鮮原料混合。原料液氨與溢流氨匯合后從氨緩沖槽原料室進(jìn)入高壓氨泵。高壓液氨進(jìn)入合成塔之前先經(jīng)過(guò)預(yù)熱器預(yù)熱到45~55℃高壓氨經(jīng)預(yù)熱后送入高壓混合器，然后進(jìn)入尿素合成塔。（）壓解吸中壓分解后的尿素溶液中未轉(zhuǎn)化的氨基甲酸銨需要再一次減壓后進(jìn)入低壓系統(tǒng)在進(jìn)行分解，實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)表明，在0.49MPa表壓以下及℃以上時(shí)，分解后的液相組成僅與溫度、壓力有關(guān)，而原始溶液總成無(wú)關(guān)。（）素液蒸與粒尿素合成反應(yīng)液經(jīng)二次減壓加熱和閃蒸，將未反應(yīng)物分離之后，得到溫度為95、濃度為的尿素溶液，貯存于尿液貯槽。次尿液必須進(jìn)一步濃縮，將含水量降到0.3%，然后造粒，才便于貯存和運(yùn)輸。尿素濃縮可以采用蒸發(fā)法，也可以采用結(jié)晶法。從蒸發(fā)法得到熔融狀尿素直接可以造粒，而結(jié)晶法得到固體結(jié)晶尿素，仍須加熱再熔融后進(jìn)行造粒。這是由于結(jié)晶尿素易于吸潮結(jié)塊。蒸發(fā)法制的粒狀尿素含縮二脲在左右，而結(jié)晶法制的粒狀尿素中縮二脲的含量可以降到0.3%。前者設(shè)備較少，即投資較少，后者投資稍有增加。具體采用哪種方法依情況而定。熔融尿素()→尿素粒子(140℃→尿素粒子(℃)。四、生產(chǎn)尿的工藝條件保證產(chǎn)品質(zhì)量并取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，在生產(chǎn)過(guò)程中需嚴(yán)格控制各項(xiàng)藝條件，生產(chǎn)尿素的主要工藝條件如下。（）度影尿素合成的控制反應(yīng)是甲銨脫水，它是一個(gè)微吸熱反應(yīng)，故提高溫度甲銨脫水速度加快。溫度每升高℃，反應(yīng)速度約增加一倍，因此，從反應(yīng)速率角度考慮，高溫是有利的。由實(shí)驗(yàn)和熱力學(xué)計(jì)算表明，平衡轉(zhuǎn)化率開(kāi)始時(shí)隨溫度升高而增大。若繼續(xù)升溫平衡轉(zhuǎn)化率逐漸下降。表1

反應(yīng)溫與二氧化碳化率的系反應(yīng)溫度℃轉(zhuǎn)化率∕％

17060

18060

19067.51133備注：氨碳比NH:CO=4,水碳比H:CO=0.632這是因?yàn)楦邷貢r(shí)甲銨在液相中分解成氨和二氧化碳所造成。綜合進(jìn)行考慮：尿素合成塔內(nèi)部操作溫度大致為185200出現(xiàn)最大值，即最高平衡轉(zhuǎn)化率。溫度繼續(xù)升高，平衡轉(zhuǎn)化率下降。圖溫度轉(zhuǎn)化率關(guān)系（）碳（爾）過(guò)氨影氨碳比是指反應(yīng)物料中的摩爾比，常用符號(hào)表示?！鞍绷柯省笔侵冈现邪绷砍^(guò)化學(xué)反應(yīng)式的理論量的摩爾百分?jǐn)?shù)兩者是有聯(lián)系的如當(dāng)原料時(shí)氨過(guò)量率為，而，則氨過(guò)量率為100%。實(shí)驗(yàn)表明，NH過(guò)量能提高尿素的轉(zhuǎn)化率，因?yàn)檫^(guò)量的NH促使CO轉(zhuǎn)化，同32時(shí)能與脫出的HO結(jié)成氨水，使水排除于反應(yīng)之外，這就等于移去都分產(chǎn)物，也2促使平衡向生成尿素的方向移動(dòng)。再者，過(guò)剩氨還會(huì)抑制甲銨的水解和尿素的縮合等有害副反應(yīng)，也有利于提高轉(zhuǎn)化率。所以，過(guò)量氨增多，平衡轉(zhuǎn)化率增大，故工業(yè)上都采用氨過(guò)量操作，即氨碳比必須大于2。一般水溶液全循環(huán)法氨碳比選擇在3.5~4.5左右氣提法尿素生產(chǎn)流程中因2設(shè)有高壓甲銨冷凝器移走熱量和副產(chǎn)蒸汽，不存在超溫問(wèn)題，而從相平衡及合成系統(tǒng)壓力考慮，其氨碳比選擇在。12（）碳水碳比是指合成塔進(jìn)料中HO/CO的摩爾比，常用符號(hào)來(lái)表示。水的來(lái)源有2兩方面：一是尿素合成反應(yīng)的產(chǎn)物，二是現(xiàn)有各種水溶液全循環(huán)法中，一定量的水會(huì)隨同未反應(yīng)的NH和CO返回合成塔中。從平衡移動(dòng)原理可知：水量增加，不利32于尿素的形成．它將導(dǎo)致尿素平衡轉(zhuǎn)化率下降。表2

水碳比尿素平衡轉(zhuǎn)率的關(guān)HO：CO2

2

0.3

0.7

0.9

1.1尿素平衡轉(zhuǎn)69.0

68.6

67.4

65.8

64.0化率備注：在20MPa摩爾比NH3水溶液全循環(huán)法中，水碳比一般控制在0.7~1.2；CO氣提法中，氣提分解氣在2高壓下冷凝，返回合成塔系統(tǒng)的水量較少，因此水碳比一般在之間。（）作力尿素合成總反應(yīng)是一個(gè)體積減少的反應(yīng)，因而提高壓力對(duì)尿素合成有利，尿素轉(zhuǎn)化率隨壓力增加而增大，但合成壓力也不能過(guò)高，因壓力與尿素轉(zhuǎn)化率的關(guān)系并非直線關(guān)系，在足夠的壓力下，尿素轉(zhuǎn)化率逐步趨于一個(gè)定值，壓力再升高，轉(zhuǎn)化率增加很少，但同時(shí)壓縮的動(dòng)力消耗增大，生產(chǎn)成本提高，高壓下甲銨對(duì)設(shè)備的腐蝕也加劇。對(duì)于水溶液全循環(huán)法，當(dāng)溫度為和NHCO等于4時(shí)，相應(yīng)的平衡壓力32為左右。對(duì)于CO氣提法操作壓力為。2（）應(yīng)間在一定條件下，甲銨生成反應(yīng)速率極快，且反應(yīng)比較完全；但甲銨脫水反應(yīng)速率很慢，且反應(yīng)很不完全；所以尿素合成反應(yīng)時(shí)間主要是指甲銨脫水生成尿素反應(yīng)時(shí)間。甲銨脫水速率隨溫度升高和氨碳比加大而加快。為了使甲銨脫水反應(yīng)進(jìn)行得比較完全，就必須使物料在合成塔內(nèi)有足夠的停留時(shí)間。但是，反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，設(shè)備容積要相應(yīng)增大，或生產(chǎn)能力下降，同時(shí)，甲銨的不穩(wěn)定性增加，尿素縮合反應(yīng)13加?。壹卒@對(duì)設(shè)備的腐蝕也加劇，操作控制比較困難。對(duì)于水溶液全循環(huán)法反應(yīng)時(shí)間一般為minCO轉(zhuǎn)化率可達(dá)62%~64%。2對(duì)于二氧化碳?xì)馓岱?，反?yīng)時(shí)間一般為40~50min左右，其轉(zhuǎn)化率約為。（）性體影CO原料氣中，通常含少量的N、H和O等雜質(zhì)，稱為惰性氣體，它使CO22

2的濃度降低，將導(dǎo)致尿素轉(zhuǎn)化率的下降。在CO氣體濃度86%~100%圍內(nèi)，惰性2氣體含量每增加，合成轉(zhuǎn)化率約降低。此外，H，等還可能導(dǎo)致尾氣發(fā)22生燃燒爆炸，影響安全生產(chǎn)。工業(yè)生產(chǎn)中，原料CO氣濃度要求>98%（體積2純愈好。五、生產(chǎn)尿的主要設(shè)備（）硫該塔為圓柱形立式設(shè)備，其作用是在加壓的條件下脫出二氧化碳中的硫化氫。含硫化氫的二氧化碳?xì)怏w，自上而下通過(guò)多層氫氧化鐵脫硫劑，發(fā)生脫硫反應(yīng)，從塔的底部流出。為了提高脫硫效率，一般采用多塔并聯(lián)和串聯(lián)的組合方式。由于脫硫反應(yīng)是在常壓和加壓的條件下進(jìn)行，故該設(shè)備外殼為16Mn材質(zhì)制作，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖614圖

脫硫塔構(gòu)簡(jiǎn)圖（）成合成塔是尿素合成的關(guān)鍵設(shè)備之一，液氨與二氧化碳在塔內(nèi)反應(yīng)，最后生成尿素。尿素合成塔在較高的壓力下操作，因而應(yīng)符合高壓容器要求，工業(yè)生高壓筒體一般采用較大的高徑比。尿素的合成是在較高溫度下操作，外殼需要保溫，保持熱量不擴(kuò)散。尿素的合成反應(yīng)需要一段時(shí)間，所以塔內(nèi)需要有足夠的空間，反應(yīng)中不需要外加催化劑和換熱裝置，所以合成塔為空筒形式，有的內(nèi)裝有塔板，以防物料的返混。尿素合成反應(yīng)液具有強(qiáng)烈的腐蝕作用，塔內(nèi)壁采用耐腐蝕材料襯里，現(xiàn)在一般用超低碳奧氏體不銹鋼、高鉻錳不銹鋼或鈦?zhàn)鳛橐r里或內(nèi)套。外殼為整體鍛造或多層鋼板卷焊制成的高壓圓筒，頂蓋于筒體的密封結(jié)構(gòu)，也可以采用強(qiáng)制式的，目前都采用強(qiáng)制式的，其結(jié)構(gòu)圖如圖7。15圖（）壓解熱

套筒式成塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)中壓分解加熱器為立式列管換熱器，殼體為碳鋼，列管及頂、底蓋為不銹鋼。中壓分解加熱器的主要作用是將合成塔出口反應(yīng)液中未反應(yīng)的液態(tài)游離氨氧化碳及氨基甲酸銨加熱分解成氣相氨與二氧化碳，中壓分解加熱器如圖。圖8

中壓分加熱器1-尿素合成反應(yīng)液進(jìn)口；中壓分解氣液出口；3-加熱蒸汽進(jìn)口；4-冷凝液出口；，放氣閥；壓力表接管（）壓解離中壓分解分離器為立式旋風(fēng)分離裝置氣體從切線方向有接管進(jìn)入器內(nèi)產(chǎn)生離心力，液滴依靠重力而下沉。分離后的氣體經(jīng)喇叭形排氣管通過(guò)不銹鋼絲網(wǎng)除沫層，從頂部出口管3出。設(shè)置喇叭形排氣管的目的是使氣體中冷凝液沿著椎體流向中間，防止冷凝液再被進(jìn)口氣體帶走，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖16圖9旋風(fēng)分離器（）冷器氨冷卻器的作用是將中壓吸收塔塔頂排出的氣體氨冷凝成液氨設(shè)備為臥式列管式熱交換器，用碳鋼制成。水在管內(nèi)流動(dòng)，氣氨由冷凝器接管1進(jìn)入，管見(jiàn)內(nèi)裝折流板15塊氣體沿管間曲折通過(guò)，冷凝的液氨向下流動(dòng)。接管進(jìn)入液氨緩沖槽。為了將氣氨充分冷凝下來(lái)通常串聯(lián)兩個(gè)氨冷卻器第一氨冷凝器中未冷凝的氣體從體從接管2出進(jìn)入第二氨冷凝器冷卻水與氣氨逆向流動(dòng)從第二氨冷凝器來(lái)的冷卻水由接口3入第一冷凝器后再經(jīng)出口接管排出冷凝器通冷卻水前必須將排氣閥5開(kāi)，保證冷卻水充滿列管，提高冷凝效果，其結(jié)構(gòu)圖如圖10。圖氨冷凝器構(gòu)簡(jiǎn)圖1-人蓋2-人孔短節(jié)；3-球形頭4-管箱5-隔板；6-板；7-換熱管；8-低壓殼體；9-折流板；10-支板-

-（）壓收一基酸冷器低壓吸收第一氨基甲酸銨冷凝器是立式不銹鋼列管換熱器的主要作用是把低壓分解氣及解吸塔來(lái)的解吸氣冷凝和吸收為稀的氨基甲酸銨，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖。圖低壓吸收第一氨甲酸銨凝器1-上管箱；2-管板；3-出水口；4-殼體；5-換熱；膨脹節(jié)下管板；8-入水口；排氣口（）吸塔吸收塔是一立式填料塔，它的主要作用是吸收高、低壓循環(huán)系統(tǒng)尾氣中的氨氣，其結(jié)構(gòu)如圖12圖氨吸收塔六、物料衡和熱量衡算（）物衡年產(chǎn)萬(wàn)噸水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素，進(jìn)料量中NH60%，,氨基甲銨3。計(jì)算范圍以反應(yīng)器為計(jì)算范圍，如圖13示。-

-323323液氨2氨基甲酸銨液

液氨氨基甲酸銨尿素2H2圖

尿素物衡算示意圖反應(yīng)式為總反應(yīng)方程式：分步反應(yīng)方程式：

2NH+CO→CO(NH)+H32NH→NH+159.47kJ324NH→CO(NH)+H222計(jì)算任務(wù)原料消耗量和產(chǎn)物生成量。

選擇數(shù)據(jù)尿素回收率NH的轉(zhuǎn)化率80%循環(huán)氨基甲銨3的轉(zhuǎn)化率；循環(huán)氨基甲銨轉(zhuǎn)化率100%計(jì)算過(guò)程

2生成尿素的物質(zhì)的量為

5

=4900kg生成水的物質(zhì)的量為4900kmol=88200kg純循環(huán)氨基甲銨的物質(zhì)的量為4900kmolkg原料中循環(huán)氨基甲銨的物質(zhì)的量為kmol=424663.290%4900原料的物質(zhì)的量為kmol10%4900進(jìn)料中NH的物質(zhì)的量為10%4900進(jìn)料中CO的物質(zhì)的量為90%4900出料中NH的物質(zhì)的量為×60%(1-80%)=6533.34kmol=111066.78kg10%出料中CO的物質(zhì)的量為2

－80%)=3266.66kmol=143733.04kg-

-θθf(wàn)2f2θθf(wàn)3f22θf(wàn)24θθ3θθf(wàn)2f2θθf(wàn)3f22θf(wàn)24θθ3出料中環(huán)氨基甲銨的物質(zhì)的量為(6)列物料衡算表見(jiàn)表。表3

×30%=16333.3kmol=1273997.4kg物料衡表物料名稱

相對(duì)分

輸入

輸出子質(zhì)量

質(zhì)量/kg物質(zhì)的量/kmol

質(zhì)量/kg

物質(zhì)的量/NH3CO2NHCOONH2)22H2總計(jì)

1744786018

555333.9718665.2424663.25444.41698662.3

111066.786533.34143733.043266.661273997.416333.329400049008820049001910997.2235933.3（二）量衡算年產(chǎn)5噸水溶液全循環(huán)法合成尿素中第一反應(yīng)器的物料衡算數(shù)據(jù)作熱量衡算。計(jì)算任務(wù)選擇數(shù)據(jù)

輸入熱量和輸出熱量。標(biāo)準(zhǔn)生成熱如下：Δ)=393.51kJ/mol；H（HO=–Δm(NH)=；ΔHm)）=ΔmNH）=21.92kJ/mol表4

各物料定壓熱容（298K時(shí)的Cp,m）物料名稱NH3CO2NH24)22H2

CJ/(mol.K)6.75根據(jù)或Cp,m=a+bT+c計(jì)算初始溫度為25℃到180℃時(shí)的Cp,m，熱損失為反應(yīng)放熱量的10%?！?53－2=4095164-

-333433366565333433366565=4.1×10kJ/(mol.K)Cp,m(NH)=26.79+25.