尿素生產(chǎn)工藝流程分析目錄TOC\o"1-3"\h\u2049尿素生產(chǎn)工藝流程分析 173051.1合成尿素的反應(yīng)原理 1307741.2尿素的反應(yīng)機(jī)理 245641.1.1尿素合成的基本原理 255601.1.2反應(yīng)速度 3214431.3尿素的工藝流程圖 3186101.4原料的準(zhǔn)備 4307561.4.1氨的性質(zhì) 4114561.4.2二氧化碳 5156251.5原料的凈化與輸送 5238141.5.1二氧化碳脫硫與壓縮原理 5145801.5.2液氨的凈化與輸送 697691.6中壓分解與吸收 6321241.7低壓分解與吸收 7299201.8尿素溶液的蒸發(fā)與造粒 7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)1.1合成尿素的反應(yīng)原理在化工生產(chǎn)中，通常用天然氣、煤炭和重油等來生產(chǎn)尿素。中國的特點是地大物博，但是能源結(jié)構(gòu)方面的劣勢也是非常的明顯，“缺油、少氣、有煤”是中國目前最明顯的特點，所以我國在化工生產(chǎn)方面也將煤多的特點充分發(fā)揮，在國內(nèi)化學(xué)工業(yè)中，尿素生產(chǎn)工藝形成了和國外不同的路線：生產(chǎn)尿素需要氨和二氧化碳，而煤、天然氣與空氣在一定的條件下能夠反應(yīng)轉(zhuǎn)化為我們所需要的氨和二氧化碳在國內(nèi)靠近中東部尿素生產(chǎn)工藝是以煤炭為生產(chǎn)原料，而在西部地區(qū)尿素生產(chǎn)企業(yè)使用天然氣的成本遠(yuǎn)低于煤炭，所以選擇用天然氣作為原料能夠降低生產(chǎn)成本。國內(nèi)天然氣和煤能源結(jié)構(gòu)比例為3:7，這也符合尿素生產(chǎn)能源分布比例。液態(tài)氨和CO2氣體在一定條件下反應(yīng)生成尿素的反應(yīng)式為：2N該反應(yīng)是一個放出熱量的可逆反應(yīng)。實際情況是產(chǎn)物尿素?zé)o法一步直接反應(yīng)得到，需要進(jìn)行兩步工藝路線得到，兩步路線依次進(jìn)行。這兩步反應(yīng)的反應(yīng)式為：2NHNH（1）是用氨與二氧化碳為原料得到中間體氨基甲酸銨（NH4COON當(dāng)溫度為170~190℃，NH3/CO2（摩爾比）=1.0，高壓的情況下使反應(yīng)物中的氣態(tài)原料以液態(tài)的形式存在，氨基甲酸銨轉(zhuǎn)化為尿素的反應(yīng)方程的原料轉(zhuǎn)化率（以CO2計）為50%，其反應(yīng)速率與溫度呈正比。當(dāng)溫度一定時，轉(zhuǎn)化率與壓力呈正比，當(dāng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到一定的數(shù)值后，無論壓力如何增大變化，轉(zhuǎn)化率將不再發(fā)生變化，與此同時，反應(yīng)釜中，幾乎所有的反應(yīng)混合物都是以液態(tài)的形式存在。增加NH3/CO2（摩爾比），會增加CO2的轉(zhuǎn)化率，降低NH3的轉(zhuǎn)化率。在實際生產(chǎn)尿素的過程中，考慮到實際的情況，NH3的回收成本比CO2的成本要低，所以一般都選擇回收NH3，會加入過多的NH3，一般情況下NH3/CO2（摩爾比）≥3。在工藝路線中會有水的產(chǎn)生，水的存在將降低原料的轉(zhuǎn)化率，所以在工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計中會把循環(huán)物料中的水的含量降低到最少，最大程度降低水對反應(yīng)的影響。增加反應(yīng)物料在反應(yīng)釜中的停留時間，增加反應(yīng)釜中的反應(yīng)時間，以此來增加轉(zhuǎn)化率。在目前尿素生產(chǎn)中典型的工藝操作條件是溫度180~200℃，壓力13.8~24.6Mpa，NH3/CO2（摩爾比）1.8~4.5,反應(yīng)物料停留時間25~40分鐘[9]。1.2尿素的反應(yīng)機(jī)理1.1.1尿素合成的基本原理液態(tài)的氨和氣態(tài)的二氧化碳反應(yīng)生成尿素的反應(yīng)為：2NH這個反應(yīng)是一個體積減小的可逆、產(chǎn)生熱量的反應(yīng)，在反應(yīng)釜中是先后發(fā)生了兩步反應(yīng)。第一步是用液氨和二氧化碳反應(yīng)得到氨基甲酸銨，這個反應(yīng)稱為氨基甲酸銨生成反應(yīng)：2NH在正常的情況下，該反應(yīng)速率比較慢，但是在特定的條件下，這個反應(yīng)會劇烈反應(yīng)，得到產(chǎn)物的速率會變的非常快，很快原料就接近達(dá)到理想的平衡轉(zhuǎn)化率，反應(yīng)就會停止。由于反應(yīng)的比較徹底，所以該反應(yīng)二氧化碳的轉(zhuǎn)化率與理想的轉(zhuǎn)化率相近。之后的反應(yīng)是液態(tài)的氨基甲酸銨發(fā)生脫水反應(yīng)得到最終產(chǎn)物尿素，這個反應(yīng)稱為氨基甲酸銨脫水反應(yīng)：NH2由于反應(yīng)在無外界控制的情況下，原料的平衡轉(zhuǎn)化率只有50~70%，所以這個反應(yīng)生成產(chǎn)物的速率比較的慢，但是如果有外界的干擾，反應(yīng)的速率會發(fā)生變化，所以這一步反應(yīng)是能夠控制尿素合成反應(yīng)的速率，即能夠控制產(chǎn)物的生成速率。1.1.2反應(yīng)速度從生產(chǎn)尿素的原理中可以知道，氨基甲酸銨脫水反應(yīng)是控制反應(yīng)速率的重要一步，但是這個反應(yīng)也是有限制條件。在液相的條件下，氨基甲酸銨才能脫水得到尿素。這兩步工藝流程中，每一步工藝都能控制反應(yīng)的速率。第一步工藝中：氨與二氧化碳從氣相轉(zhuǎn)為液相的速率；脫水反應(yīng)中，氨基甲酸銨脫水的速度。這兩步共同決定決定尿素生成的速率。1.3尿素的工藝流程圖水溶液全循環(huán)法合成尿素工藝流程圖（詳細(xì)流程圖見附圖一）如下圖所示，原料首先凈化，脫去硫雜質(zhì)和惰性氣體。之后氨氣液化送入氨預(yù)熱器加壓預(yù)熱，二氧化碳?xì)怏w壓縮后送入預(yù)反應(yīng)器中。在預(yù)反應(yīng)器中，氨與二氧化碳反應(yīng)生成氨基甲酸銨，與之前剩余的氨基甲酸銨混合，送入尿素合成塔，氨基甲酸銨脫水得到熔融態(tài)尿素。熔融態(tài)產(chǎn)物送入預(yù)分離器，在預(yù)分離器中分離多余的氨和氨基甲酸銨。氨基甲酸銨送入中壓循環(huán)加熱器，用蒸汽加熱使氨基甲酸銨分解。氣液兩相在低壓循環(huán)分離器中進(jìn)行分離操作。分離出來的尿素溶液經(jīng)減壓送入閃蒸槽，減壓將尿素溶液中的剩余氨基甲酸銨和氨幾乎完全除凈。從閃蒸槽送入儲罐中，用加壓泵送入中壓蒸發(fā)加熱器和低壓蒸發(fā)加熱器，經(jīng)不同的真空壓進(jìn)行加熱蒸發(fā)，氣液兩相在中壓蒸發(fā)分離器及低壓蒸發(fā)分離器中分離。從低壓分離器出口得到的尿素濃度接近100%，通過熔融尿素泵加壓送入至造粒塔，最終得到成品尿素。從預(yù)分離器、中壓循環(huán)分離器和低壓循環(huán)分離器回收得到的氨和二氧化碳進(jìn)入回收系統(tǒng)，以液氨或氨基甲酸銨的形式返回合成系統(tǒng)循環(huán)反應(yīng)，可提高原料的轉(zhuǎn)化率。圖1.1水溶液全循環(huán)法合成尿素示意流程圖（1-預(yù)反應(yīng)器；2-尿素合成塔；3-預(yù)分離器；4-中壓循環(huán)加熱器；5-中壓循環(huán)分離器；6-精餾塔；7-低壓循環(huán)加熱器；8-低壓循環(huán)分離器；9-閃蒸槽；10-尿素貯槽；11-尿素溶液泵；12-一段蒸發(fā)加熱器；13-一段蒸發(fā)分離器；14-二段蒸發(fā)加熱器；15-二段蒸發(fā)分離器；16-熔融尿素泵；17-造粒塔）1.4原料的準(zhǔn)備1.4.1氨的性質(zhì)氨（NH3），在標(biāo)態(tài)下是的具有刺激性的無色氣體，在低溫高壓下可以液化，當(dāng)溫度低于-77.7℃以下時，氨可以凝結(jié)成有臭味的無色晶體，主要物理性質(zhì)如表1.1所示。表1.1氨的物理性質(zhì)項目標(biāo)準(zhǔn)分子量17.03臨界溫度/℃131.4臨界壓力（絕壓）/MPa11.15臨界比容/(m34.26密度（氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）/（mg/L）760尿素生產(chǎn)對液氨質(zhì)量的要求子式和尿素其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：氨＞99.5%，水＜0.5%，油＜10mg/kg[4]。1.4.2二氧化碳二氧化碳（CO2）是一種可以液化的無色氣體，在強(qiáng)烈冷卻時可以變?yōu)楣腆w，成為干冰。，沸點為-56.2℃，熔點為-78.48℃，其他物理性質(zhì)如表1.2所示。表1.2二氧化碳的物理性質(zhì)項目標(biāo)準(zhǔn)分子量44臨界溫度/℃31臨界壓力（絕壓）/MPa7.29密度（氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）/(mg/L)1997液體密度/（g/cm0.9248臨界密度/（g/cm0.486尿素生產(chǎn)工藝對二氧化碳質(zhì)量的要求：CO2含量＞98.5%（體積分?jǐn)?shù)）；H2S含量＜15mg/m1.5原料的凈化與輸送1.5.1二氧化碳脫硫與壓縮原理（1）合成氨生產(chǎn)反應(yīng)中會發(fā)生一部分的副反應(yīng)，其中會有CO2生成，而這正好是尿素生產(chǎn)反應(yīng)中所需要的其中一項原材料，但這些CO2中含有一些少量的雜質(zhì)，其中硫化物（主要是硫化氫）最為豐富。硫化氫會對尿素生產(chǎn)設(shè)備和輸送管道造成腐蝕危害，增加了尿素生產(chǎn)裝置的維護(hù)成本，所以將合成氨反應(yīng)中產(chǎn)生的CO2投入尿素生產(chǎn)裝置之前，還要經(jīng)過脫硫這一道程序。方脫硫的方法有兩種：干法和濕法，其中大部分脫硫裝置都是以干法為主，成本低，能耗低，可以達(dá)到投入尿素生產(chǎn)的硫含量要求，但是這只有當(dāng)空氣中的硫化氫含量較低（<1gm3），干法可以直接使用，如果硫化氫的含量超過這個量的時候，就必須將這兩種方法，相互配合使用，在使用干法脫硫前，先進(jìn)行濕法脫硫，這樣才能夠達(dá)到合成尿素CO2的標(biāo)準(zhǔn)。脫硫原理如圖圖1.2二氧化碳脫硫原理（2）在合成氨系統(tǒng)管道送來的經(jīng)過脫硫處理的CO2氣體，進(jìn)入壓縮機(jī)之前，會在總管內(nèi)輸入少量的O2使兩種氣體混合。混入O2的原理是為了防止發(fā)生反應(yīng)，對循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)備有損害造成腐蝕。O2需要量和CO2的總量的體積比為1:20，CO2氣體在進(jìn)入CO2壓縮機(jī)之前需要除去氣體中的水分，水分會對壓縮機(jī)造成危害，所以在壓縮機(jī)之前增加一個帶有水封的液滴分離器，這樣就可以保護(hù)CO2壓縮機(jī)。當(dāng)遇到系統(tǒng)故障發(fā)生停車或需要CO2的量發(fā)生減少時，為了不影響整個CO2的進(jìn)氣量，我們可以在分離器之前增加一個放空閥，用來調(diào)節(jié)CO21.5.2液氨的凈化與輸送在合成氨反應(yīng)裝置中產(chǎn)生合成尿素所需要的原料液氨，液氨的壓力達(dá)到了1.0Mpa，在進(jìn)入尿素合成系統(tǒng)之前，也必須先通過氨過濾器除去其中的雜質(zhì)之后才能再進(jìn)入系統(tǒng)。除去雜質(zhì)之后的液氨通過輸送管道進(jìn)入液氨緩沖槽的原料室中。液氨緩沖槽中對液氨的量也有限定的要求，在緩沖槽中的量達(dá)到一定的值后，液位報警器將會自動報警，一部分液氨將會進(jìn)入氨循環(huán)槽的回流室，作為中壓塔的氨回流，多余的氨將通過溢流隔板又重新回到原料室，與重新送入的液氨混合。經(jīng)過濾與原料室中的液氨混合后送入高壓泵。由于溫度過低，送入合成塔之前，需要對進(jìn)入的液氨進(jìn)行加熱，所以就要先通過預(yù)熱器，當(dāng)溫度達(dá)到45~55℃之后，達(dá)到預(yù)定的溫度后，就可送入高壓混合器，之后從高壓混合器輸送到尿素合成塔進(jìn)行反應(yīng)。1.6中壓分解與吸收原料在尿素合成塔合成的過程中，由于轉(zhuǎn)化率的緣故，原料無法100%轉(zhuǎn)化為尿素產(chǎn)品。根據(jù)實際尿素工廠的測算，大約只有70%的CO2和30%的O2在合成塔中參與了反應(yīng)，而剩余的原料一部分轉(zhuǎn)化為了游離態(tài)的氨基甲酸銨，其余部分只能以游離態(tài)形式存在，這些都和合成尿素溶液混合，之后從合成塔出來。生產(chǎn)公司為了降低成本，將尿素從中分離，剩余部分又會作為反應(yīng)原料重新投入反應(yīng)，循環(huán)利用，這使得這些反應(yīng)剩余的原料的利用率接近于100%，大大降低了生產(chǎn)原料的成本。在分離合成塔出來的產(chǎn)品時，只需要將尿素從中分離，因此可以用減壓加熱法，使從尿素中分離游離態(tài)的氨、二氧化碳和氨基甲酸銨溶液。1.7低壓分解與吸收中壓分解后得到的尿素溶液經(jīng)測樣，還有未轉(zhuǎn)化的副產(chǎn)物氨基甲酸銨，需要再一次分解吸收。再次減壓，進(jìn)入低壓系統(tǒng)在進(jìn)行分解。實驗數(shù)據(jù)表明，在0.49Mpa（表壓）和120℃以上