化肥厂尿素装置生产原理及工艺流程技术讲座

尿素装置技术讲座尿素装置技术讲座目录：1、装置工艺流程简述（生产方法及工艺路线）；2、装置物料平衡图；3、装置关键控制点及控制方法；4、装置目前存在的问题及解决办法；5、装置进行过的技术改造及改造后装置的情况；1.装置工艺流程简述（生产方法及工艺路线）；1.1.1装置简介xxxx化肥厂尿素装置是上个世纪七十年代从荷兰STAMICARBON公司引进的CO2气提法尿素生产工艺技术，该装置由荷兰大陆公司总承包，国内设计院完成配套工程的设计，于1976年建成投产，生产出合格产品。大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座尿素装置总投资2.6亿多元人民币，总占地面积24000m2。尿素装置主要由原料NH3和CO2的压缩、高压合成、低压分解和循环吸收、解吸与水解、蒸发与造粒等部分组成。以合成氨车间输送来的NH3和CO2为原料,反应生成成品尿素，设计日产尿素1620吨，年生产能力为48万吨。大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座2005年，通过引进荷兰STAMICARBON公司的并联中压技术对尿素装置进行了扩能改造，使装置的生产能力由原设计1620吨/天提高至2300吨/天。本次扩能改造除新增一套并联中压系统外，还新增了一台CO2增压机、一台高压离心氨泵、一台高压离心甲铵泵以及一套新蒸发系统，另外还对高压洗涤器进行了更新。改造后的装置于2005年11月4日一次投料开车成功，生产出合格产品。改造后的装置不但产量有大幅度的提高，能耗物耗也有所下降。这还是国内首家利用并联中压技术对CO2气提法尿素生产工艺进行改造并取得成功的装置。大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座1.1.2工艺原理1、尿素生产的反应原理尿素生产的化学反应主要分两步，第一步是液态NH3和CO2反应生成氨基甲酸铵（即甲铵），分子式为NH4COONH2，反应式为：2NH3(液)+CO2(气)≒NH4COONH2(液)+119.2千焦/摩尔(1-1)第二步是甲铵在液相条件下发生脱水反应生成碳酰二胺（即尿素），分子式为CO(NH2)2,反应式为：NH4COONH2(液)≒CO(NH2)2+H2O(液)-15.5千焦/摩尔（1-2)大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座式（1-1）也称为甲铵的生成反应，是强放热、体积缩小的可逆反应。在一定的工艺条件下，如能及时地移走反应热，甲铵的生成反应可以在瞬间达到平衡。式（1-2）也称为尿素的生成反应，必须在液相下才能进行，是一个吸热的可逆反应。该反应进行得很缓慢，需要很长时间才能达到平衡。因此，在实际生产中，并不是所有的甲铵都能转化为尿素，而是只有一部分，转化率大约为55-59%。大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座2、反应条件的确定（1）甲铵的生成反应甲铵的生成反应是一个体积缩小的强放热反应。根据化学反应的平衡原理，为使反应尽快地达到平衡，必须及时地移走反应生成的热，并且提高反应压力对加快反应速度有利。在实际工业生产中，根据高压甲铵泵的出口压力确定反应压力为13.5～14.5MPa，反应热是由高压甲铵冷凝器壳侧的热水及时移走生成副产品低压蒸汽。大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座在该反应压力下，参考NH3-CO2二元气液平衡图，并综合考虑副产蒸汽量最大及满足合成塔的工艺要求（即保证有一部分NH3和CO2在合成塔内继续冷凝放热供生成尿素反应所需热量），确定反应温度为140-150℃，投料NH3/CO2为2.89。在这种条件下，实际上约有78-80%的NH3和CO2被冷凝成液体，冷凝后的温度为166.6℃。大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座（2）尿素的生成反应尿素的生成反应是一个必须在液相中进行的、吸热的可逆反应。根据化学反应的平衡原理，在反应进行的过程中必须持续地供给热量，而且该反应进行地非常缓慢，不容易达到平衡。在实际的工业生产中，尿素生成反应的反应热是由未反应的NH3和CO2在合成塔内继续冷凝所放出的热量供给的，且反应温度越高越好。大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座根据设备材质的耐用温度不超过190℃，确定操作温度为180-185℃。再根据尿素生成过程的平衡压力图，考虑到原料中5%（V）的空气及惰气，最终确定反应压力为13.6MPa。另外，根据反应方程式，降低系统中的水含量对尿素的生成有利，但水含量也不能太低，以免循环系统的甲铵液太浓，产生结晶。因此，要合理控制高压系统中的水含量。大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座1.1.3工艺流程说明（1）原料液氨和二氧化碳加压输送系统原料液氨经高压液氨泵加压后，与高压洗涤器来的浓甲铵液一同经高压喷射器送进高压甲铵冷凝器。原料二氧化碳气体经搀入防腐用空气后，进入液滴分离器分液（有冷凝液排放），之后经压缩进入气提塔底部。大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座（2）合成和高压循环系统新鲜液氨和浓甲铵液、含有氨和二氧化碳的气提气一同送至高压甲铵冷凝器，大部分氨和二氧化碳在其中反应生成甲铵溶液。甲铵溶液与未反应的氨和二氧化碳自高压甲铵冷凝器出来进入尿素合成塔，继续进行甲铵生成反应，同时甲铵脱水转化为尿素。合成液分流一部分进入中压分解和循环系统，其余进入气提塔上部，合成气进入高压洗涤器。大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座在气提塔，用饱和蒸汽进行加热气提。合成液与塔底进入的二氧化碳气体逆流接触，未转化为尿素的甲铵分解生成氨和二氧化碳，与原料二氧化碳混合成为气提气，进入高压甲铵冷凝器。气提液进入低压循环系统。合成气进入高压洗涤器后，用来自循环系统的高压甲铵液洗涤吸收，吸收液进入高压喷射器，气体送至吸收塔继续回收氨和二氧化碳。大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座（3）中压分解与循环系统合成反应液、二氧化碳原料气分别进入中压分解塔分离段和加热段，气提分解后的尿液进入低压分解、循环系统。分解气进入真空预浓缩器，用低压甲铵液进行冷凝吸收，部分冷凝液吸收后，再进入中压冷凝器，甲铵液经中压冷凝器分离器分离后进入高压甲铵泵循环返回高压洗涤器顶部。中压分解后的尿液进入低压循环系统。大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座（4）低压分解与循环系统气提液经减压进入精馏塔，精馏气体去低压甲铵冷凝器，生成甲铵液送入高压洗涤器顶部。来自高压洗涤器的气体进入中压吸收塔，自下而上与喷淋下来的吸收液逆流接触，使气体中剩余的氨和二氧化碳被冷凝进一步得到回收，尾气经减压、消音后放空。来自氨水槽的吸收液分两路进入吸收塔上、下两段填料层：进入上段的为来自一段和二段蒸发的含氨较低的工艺冷凝液，可使气体中的氨得以充分吸收；进入下段的为来自闪蒸槽冷凝器的含氨较高的工艺冷凝液，采用循环吸收以增加喷淋密度、提高吸收效率。循环吸收后液体送至低压洗涤器再作为吸收液。大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座来自精馏塔的低压水解气、水解系统的回流液、低压洗涤器的循环液一同进入低压甲铵冷凝器底部，气体中的氨和二氧化碳被混合吸收液冷凝吸收，吸收后物料进入液位槽进行气液分离，气体直接进入低压洗涤器中，自下而上与来自中压吸收塔来的循环吸收液逆流接触，气体中的氨和二氧化碳被进一步冷凝吸收，吸收后液体升压后送入高压洗涤器作为吸收液。经低压洗涤器后未被吸收的气体及水解系统出气一并进入尾气吸收塔底部，与从塔顶部进入的氨水（来自氨水槽）在塔内逆向接触传质，吸收气相中的氨和二氧化碳，尾气经排气筒排入大气。吸收后的稀氨水返回氨水槽。大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座（5）尿液浓缩工序精馏液经减压后,与大颗粒尿素粉尘回收形成的稀尿液一同进入真空预浓缩器（新增，取消了原闪蒸槽），采用饱和蒸汽作热源，将尿液浓度由70%预浓缩至80%，浓缩液进入尿液储槽，之后送一段蒸发器。一段蒸发器出来的浓尿液浓度达到约96%，一部分（约占40%）抽出直接送大颗粒尿素造粒机，其余进入二段蒸发器经进一步浓缩至99.7%，送造粒塔。真空预浓缩器、一段蒸发器及二段蒸发器气液分离后，自顶部蒸发出的蒸汽经多级冷凝，形成工艺冷凝液，排入氨水槽内。不凝气与吸收塔尾气一并经排气筒排入大气。大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座（6）造粒塔造粒系统二段蒸发器出来的浓尿液经熔融泵送至旋转的造粒喷头，均匀地喷洒在造粒塔的截面上，液滴在下降过程中被冷却固化，造粒塔底生成的普通颗粒尿素产品，由刮料机送入下料槽，经尿素产品后冷器冷却后，运输至成品车间。后冷器排气进造粒塔中部，其中尿素粉尘成为尿素造粒的晶核，提高尿素产品品质，减少尿素粉尘排放。造粒过程的尿素粉尘自造粒塔顶排出。大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座2、装置物料平衡图大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座2.2工艺指标2.2.1原料指标2.2.1.1NH3(液态)来源：合成氨装置压力：2.2MPa（A）温度：18℃组成：NH3≥99.9%(wt)油5ppm(wt)水+惰性物质≤0.1%(wt)流量：54194.2kg/h（设计）大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座2.2.1.2CO2(气体)来源：合成氨装置压力：0.11MPa(绝)温度：40℃组成：CO2：≥98.5%(V·干基)H2：≤1%(V·干基)惰性气：≤0.5%(V·干基)总硫：≤0.5ppm(wt)流量：39658Nm3/h（设计）大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座2.2.2三剂指标1.2.2.1二氧化碳脱氢TH-1型催化剂型号TH-1标准装置尿素装置厂家西北化工研究院序号分析项目单位指标检验方法1外观灰色球状物企标Q/XBA049-20012粒度mmΦ（2.5~3.5）企标Q/XBA049-20013载体球型r-Al2O3企标Q/XBA049-20014主要活性组分%（wt）Pt+Pd≥0.3企标Q/XBA049-20015堆密度kg/l0.60~0.80企标Q/XBA049-20016径向抗压碎力均值N/粒≥50企标Q/XBA049-20017磨耗率%≤0.25企标Q/XBA049-20018正常使用条件：常压～15MPa；温度：150～220℃；空速：3.0～3.5×104，当原料气中总硫：≤2mg/Nm3；CO：≤0.2%；CH3OH：≤300ppm(300×10-6)；CO2≥98%；H2：0.9~1.0%；O2：1.0～1.4％时，出口尾气中残氢量ppm≤50(50×10-6)企标Q/XBA049-20012.2.2.2氧化铝球大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座规格标准装置尿素装置厂家序号分析项目单位指标检验方法1Al2O3+SiO2%≥92验证2Al2O3%≥40验证3SiO2%≥42验证4Fe2O3%≤1.0验证5尺寸mm∮6验证2.2.3产品及副产品规格2.2.3.1产品规格尿素装置生产的昆仑牌颗粒尿素规格（GB2440-2001优级品）:含氮量≥46.6％（wt）；缩二脲（Bi）≤0.9％（wt）；水份（H2O）≤0.4％（wt）；筛分≥93％（wt），粒度在0.85-2.8ｍｍ之间。大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座2.2.3.2产品性质（物理及化学）纯粹的尿素为无色、无味、无臭的针状或柱状晶体，工业尿素因含有杂质常为白色、淡黄色或淡红色，纯尿素的理论含氮量为46.6％，分子量为60.06，粒状尿素有不易结块，流动性好，易于使用等优点。尿素的比重为1.335kg/m3（20℃）。自然堆积的尿素每m3重0.7-0.75吨，或称堆积比重为0.7-0.75t/m3。大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座3、装置关键控制点及控制方法；3.1脱氢系统操作指南3.1.1脱氢系统操作原则对脱氢反应器入口和出口之间的温差予以监控，因为它是催化剂活性的强有力的反映。对送合成系统的CO2中氧的含量及脱氢后氢的含量用分析仪加以监控，因为这是保证高压设备不发生腐蚀的前提。大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座在保证R101中能发生H2和O2催化燃烧且脱氢后氢含量分析AI1201不超标的前提下，可将R101进口温度控制在低值，对延长催化剂的寿命有利。为防止脱氢后CO2中的水蒸汽发生冷凝，腐蚀碳钢设备及管线、管件，E-107出口温度TI-1206应控制在115℃以上。大庆石化公司化肥厂尿素装置技术讲座3.1.2脱氢系统氧含量控制控制范围：AIC12020.55～0.70%(V