尿素生产工艺学

尿素生产工艺学前言：在化学肥料中，以氮肥需要量最大，应用最广：尿素是氮肥中的一个重要品种，按国家规定，肥料尿素的规格如下，氮含量不小于46％，缩二脲含量不大于0.9％，含水量不大于0.3％，粒度在φ1～2.5毫米之间要占90％以上。尿素人工合成是在1828年实验室里成功的，而它的工业生产到1920年才在德国实现，在1965年以前，尿素生产装置的单系列产是小于300吨／月，到了1965年以后才开始生产装置大型化，我们国家是在70年初开始引进新建的到目前已有16套年产30万吨合成氨及尿素48万吨52万吨装置建成投产。目录前言第一章概述概述尿素生产原料第二章工艺流程说明1、工艺流程2、蒸汽冷凝液流程3、原料CO2气体的脱氨第三章尿素的合成1、尿素的合成反应机理2、影响尿素合成反应化学平衡的因素（一）温度（二）NH3／CO2（三）H2O／CO2（四）压力3、尿素合成反应速度与工业条件的选定一、温度二、NH3／CO2三、H2O／CO2四、压力4、相图及其应用一、相律二、甲铵的单元相三、二元相四、三元相NH3—CO2—H2O三元系统的液固相图NH3—O2—H2O三元系统的气液相平衡NH3—CO2—VrH2O似三元系统的气液相平衡5、尿素合成液的高压分解CO2气提及合成塔尾气的回收一、概述二、气提分解合成液的原理三、气提过程在NH3—CO2—VrH2O似三元相图上的表示四、工艺操作控制要点五、合成塔尾气的回收第四章循环系统低压分解与精馏一、概述二、减压加热基本原理三、低压分解的影响1、温度影响2、压力影响3、精馏原理四、分解率的计算1、甲铵分解率2、总氨蒸出率五、低压分解六、分解气体冷凝回收第五章尿素溶液的蒸发一、尿素溶液和尿素熔融物的一般性质二、Vr—H2O的平衡相图三、尿素溶液的蒸发四、尿素晶种造粒第六章工艺冷凝液的解吸和水解一、工艺冷凝液的解吸二、水解法回收解吸废液中的尿素第七章开车一、首次开车准备工作二、原始开车高压系统的升温钝化蒸汽加空气的升温钝化方法三、投料前准备四、开车五、短期停车后开车第八章停车一、正常停车二、紧急停车第九章正常生产主要调节参数及动作范围的限度一、合成部份二、循环部份三、蒸发部份四、解吸与水解第十章尿素设备腐蚀及防腐蚀一、尿素一甲铵溶液对设备的腐蚀二、尿素设备的腐蚀类型三、尿素设备的防腐蚀四、我厂设备用材简介第十一章主要设备简介一、脱氢反应器（9101—D）二、尿素合成塔（9201—D）三、高压热交换器（气提塔）（9201—C）四、高压甲铵冷凝器（9202—C）五、高压洗涤器（9203—C）六、精馏塔和循环加热器（9301—E、、7301—ECA/B）七、低压甲铵冷凝器（9301—C）八、第一解吸塔、第二解吸塔（9701—E/9702—E）九、水解塔（9703—E）十、膜式蒸发器（9401—C、9401—CF、9402—C、9402—CF）十一、二氧化碳压缩机组（9102—J/JT）十二、高压氨泵（9103—J/JA）高压甲铵泵（9301—J/JA）附录：分析控制点一览表第一章概述一、尿素的物理化学性质尿素的化学名为碳酰二铵，分子式为（NH2）2CO，分子量为60.60，含氮量为46.6％，纯尿素的熔点在1大气压下为132.7℃，在高于150～160℃的温度时，会发生缩合作用生成缩二脲。氨和二氧化碳合成尿素，其总反应可以表示为：2NH3+CO2（NH2）2CO+H2O+Q这一放热反应需要在高温（一般为180℃）高压（＞140kg/cm2）下进行，由于这是可逆反应，因此氨与二氧化碳不可能全部转化为尿素。在工业生产情况下，二氧化碳的转化率仅在50～70％之间。为了处理未反应的氨和二氧化碳，可以将合成熔融物加热分解气体逸出。但要将氨和二氧化碳气重新压缩，但在压缩过程中会生成固体的氨基甲酸铵，堵塞设备和管道，为了克服这种困难就出现了各种气体循环的工艺流程。最初的工艺流程以不循环法开始，到半循环法，全循环法，全循环法又分为水溶液全循环法和气提全循环法，本工艺主要将CO2气提法全循环作一介绍。尿素生产原料一、氨的性质：氨的分子式为NH3分子量为17.03，在常温常压下为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-77.7℃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（大气压）111.5临界比容（米3/公斤）4.26密度：气体在标准状态下（毫克/升）760沸点（℃）-33.35凝固点（℃）-77.7液氨质量要求：氨含量＞99.5%（重量）油＜10ppm（重量）水及惰性物＜0.5%（重量）二、二氧化碳的性质：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成固体，通常称之为干冰，其分子式为CO2分子量为44，主要物理性质如下：临界压力（大气压）72.9临界温度（℃）31临界密度（克/厘米）0.468密度：气体（标准状态下克/升）1.9248沸点（℃）-56.2熔点（℃）-78.48二氧化碳气体质量要求纯度应大于98.5%（体积）硫化物含量应小于2毫克/标准米3H2含量应小于1.0%（体积）CO含量应小于0.2%（体积）甲醇含量应小于300ppm第二章工艺流程说明第一节工艺流程说明一、NH3与CO2的压缩以及CO2的脱氢：（100#）从合成界区热氨产品泵送来的液氨，压力25kg/cm2（绝），温度30℃～40℃，经过流量累积器FQ101进入高压氨泵9103J/JA，在氨泵的进口管线上设有低压报警PAL9102，高压报井PAH9107A/B，测温点TI9101；TI9107A/B，测压点PI9101，PI9103A/B以及温度记录TR9003/7，以便对液氨的压力和温度进行临测。液氨在高压氨泵内加到164～180kg/cm2。泵的打量是根据CO2的负荷来确定的，通过调节控制变矩器的SIC9101A/B来改变泵的转速来达到打量的改变。氨泵送出的液氨依次通过第一高压氨加热器9103-c和第二高压氨加热器9104C，分别用低压甲铵冷凝器（9301C）的密封循环水以及上部循环加热器（9301ECA）壳侧的蒸汽冷凝液作为热源，将液氨加热到70℃左右。在9103C以及9104C出口分别设有温度指赤TI0001/2、TI9001/3。然后，液氨进入高压氨喷射器9201L，此喷射器可用HIC9207改变喷针的位置以调节来自高压洗涤器9203—C和尿素合成塔9201D的甲铵液抽吸量。在喷射器的进口氨管道上设有PI9201，PR9201以便对高压系统的压力进行观察和记录。喷射器送出的液氨与甲铵液的混合物进入高压甲铵冷凝器9202—C的项部。压力为1.6～1.7kg/cm2（绝），温度25～35℃，组成≥98.5%（干基体积）的CO2气体，其在合成界区的总管上设有压力控制器PIC—42和自动放空的旁路以及甲醇的高含量报警。CO2气体进入尿素界区，在CO2液滴分离器（9101F）前的总管上与防腐及脱氢所用的空气相混合。此空气由工艺空气鼓风机9101J供给，加入量由FIC9103控制约为CO2总量的6.5～7.0%（V），（其中4%是作为防腐用的）。CO2气体和空气的混合物经过液滴分离器（分离出来的水排入地沟）进入CO2压缩机9102J。该压缩机是由蒸汽透平9102JT来驱动的两缸四段离心式压缩机。在每段之间分别设有段间冷却器（9102—Jc/JC2/JC3）以及在2段与3段，3段与4段之间设有段间分离器（9102—JF2/JF3）。CO2压缩机的打气量是通过蒸汽透平9102JT转速调节器HIC103来控制的。调节范围在82.9%～115.5%，气体被压缩到144～151kg/cm2(a)，温度134～140℃送出。从CO2压缩机送出的含有空气的CO2气体，进入高压CO3加热器9101C，加热到200℃，在出口管道上配置有温度调节器TIC9102以及低温报警TAL9103以控制监测此混合气体的温度，加热后的气体进入脱氢反应器9101—D，器内装有以Al2O3作为载体的铂（0.3%wt）触媒，气体中的H2及其它可燃性气体在触媒作用下与氧气反应生成H2O和CO2。此种触媒对H2S极为敏感，极易中毒，故CO2气中的H2S含量不超过2Mg/NM3。反应以后的CO2气达268℃（H2含量为0～50PPM），在9101D出口管上设有温度及流量记录TR9003/1。FR9102，高温报警TAH9105。气体通过高压CO2冷却器9102—C，温度降至100℃。为监测9101D的工作情况以及CO2气体中防腐用的氧含量，在管线上设有自动分析仪（S，2，3，1），自动记录H2含量和O2含量（AR101，AR102）及高氢报警（报警值100PPM），低氧报AAL9102（报警值0.7%V），高氧报警AAH9102，降温后的CO2进入高压热交换器（即汽提塔）9201—C的底部，CO2气压入塔前设有PIC9204控制的自动放空旁路，此旁路仅在开、停车时或检验压缩机性能时用，并设有CO2气体的压力记录PR9204（在正常生产时可作为高压系统的压力参数）。二、合成与气提（200#）尿素合成塔9201—D顶部的反应混合物中含有尿素、水，未转化的氨基甲酸铵以及游离的氨、二氧化碳，温度约183℃（TR002/5），经内部的溢流管从塔底流出。合成塔的液位由LR9201自动记录，并由出料管上的调节伐HIC9201控制，此管上还设有分析取样点（S2—5—2），定期分析出料组成（cr：33.6%，NH329.2%，CO219.2%）以观察合成塔的反应情况，液体靠位差流入高压热交换器9201C顶部的液体分配器，经分配小孔均匀地流入到每根气提管中，沿着管壁形成膜状自上而下流动。同时从塔底进入的约140kg/cm2，100℃的CO2气体经过分布器亦均匀地分配到每根气提管中自上而下流动，气液逆流接触，液体中游离NH2及甲铵随即分解蒸出进入气相中，其所需的热量由进入热换器壳侧内高压饱和蒸汽所供给，到达塔底的液体温度170℃，组成分U：56～57%（wt）、CO2、10.5%（wt），NH3，7.5～8.5%（wt）；从塔底流出，出口管上设有高温报警TAH9201，高液位报LAH9201，以及液位调节器LIC9203，液体进入循环系统。高压热交换器的加热蒸汽由高压蒸饱和器9902F，进汽管上的压力控制PIC9904来调节。随着生产负荷的不同，蒸汽压力在17～21kg/cm2(a)之间变化。离开高压热交换器顶部的气体含有NH3：345%（V），CO2：34.5%（V），H2O：3.63%(V)，惰气及氧气：1.37%（V）：进入高压甲铵冷凝器9202C的顶部，与从高压氨喷射器9201L来的原料液氨及回收的甲铵液在分布板上汇合，此气一液混合物均匀地分配到管束中，并沿着管壁向下流，此时，加料物中的蒸汽冷凝，并发生生成甲铵的反应，放出冷凝热和生成器。这些热量用于产生低压蒸汽，进入kg/cm2(a)蒸汽管网，蒸汽压力由蒸汽控制器HIC921以及低压忒汽管网上的放空控制伐PIC9205来控制的。改变蒸汽压力，也即改变了高压甲铵冷凝器9202C的壳侧温度，这样就可以控制管内甲铵的冷凝程度，即控制了出高压甲铵冷凝器的气液比。高压甲铵冷凝器出来的液相及未冷凝的气相从底部的两根出口管分别流入尿素合成塔9201D的底部。未冷凝的这部分NH2和CO2继续反应生成甲铵、入出热量，这热量除了用于生成尿素所需的热量以外，并使合成塔的物料温度上升。该顶部温度可达183℃。合成塔内部装有8块筛板，目的是使气液两相间混和良好以及避免返混，顶部液相从溢流管经由液位控制HIC9201调节进入高压交换器。合成塔内液位过高会使液体进入高压洗涤9203C，造成堵塞。合成塔的气相从顶部流出其体积百分组成为：NH3：67.1%，CO2：21.2%、O2：0.975、H2O：3.62%，惰性气：7.1%，温度183℃，其组成由装置在高压洗涤器防爆球体上的色谱仪自动分析，根据分析数据可以了解整个系统的操作好坏。合成塔顶出来的气体经出气管进入高压洗涤器9203C的防爆空间