【正文】 煤合成100wt/a尿素 氨合成工段項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案第1章 緒論、用途及重要性 尿素的性質(zhì) 尿素，分子式CO(NH2)2,它的學(xué)名是碳酰二胺。 物理性質(zhì)：，℃，可溶于水、醇，但不溶于氯仿、乙醚。純凈的尿素是無(wú)色、無(wú)味的針狀或棒狀結(jié)晶體，尿素是氮肥中含氮量最高的，%。 化學(xué)性質(zhì)：呈弱堿性，可以和酸作用生產(chǎn)鹽。有水解作用，在常溫下，尿素在水中逐漸地進(jìn)行水解，先轉(zhuǎn)化為氨基甲酸銨（簡(jiǎn)稱甲銨），再形成（NH3)2CO3，最終分解為CO2與氨。它的水解速度溫度升高成正比，同時(shí)水解進(jìn)行更容易。尿素在高溫下還可進(jìn)行縮合反應(yīng)，產(chǎn)物為縮二脲、縮三脲、三聚氰酸。當(dāng)加熱到160℃時(shí)，會(huì)分解產(chǎn)生氨氣同時(shí)變?yōu)榍杷帷．?dāng)溫度小于60℃時(shí)，尿素?zé)o論在酸、中或堿性溶液中都不水解[1]。 尿素的用途 尿素在工業(yè)和農(nóng)業(yè)還有其他方面都有著十分廣泛的作用。在工業(yè)上，尿素可用來(lái)生產(chǎn)高聚物合成材料，如脲醛樹脂。在農(nóng)業(yè)上可用作肥料，尿素是當(dāng)前使用的固體氮肥中含氮量最高的化肥。除此以外，在紡織、炸藥、染料等生產(chǎn)中，也都利用了尿素。國(guó)外還用尿素用在環(huán)保方面，吸收污染物質(zhì)，以保護(hù)環(huán)境[2]。尿素還有以下用途：①水稻種植：在雜交稻技術(shù)中，可用尿素代替赤霉素，%2%的尿素，可提高父母本的異交率和增加雜交稻制種量，同時(shí)還不會(huì)增加株高。②調(diào)節(jié)花量：為克服蘋果的小年，在開花后的56周，在其頁(yè)面上噴灑低濃度的尿素水溶液，可提高葉子的含氮量，使新梢生長(zhǎng)，抑制花芽分化。③疏花疏果：用尿素對(duì)桃進(jìn)行疏花疏果，但需要一定的濃度，不同的土地也有不同的效果。④尿素鐵肥：尿素與2價(jià)鐵生成螯合鐵，這是一種成本較低的有機(jī)鐵肥，可以防止去熱帖失綠。⑤防治害蟲：用尿素、洗衣粉、清水按照一定的比例混合均勻后，可用來(lái)防止蔬菜、果樹、棉花上的紅蜘蛛、菜青蟲等害蟲[3]。 尿素的發(fā)展趨勢(shì) 直接用二氧化碳和氨制尿素，在20世紀(jì)50年代之前都發(fā)展的很慢，但后來(lái)在尿素生產(chǎn)中的技術(shù)問(wèn)題得到解決后，尿素工業(yè)也逐漸發(fā)展起來(lái)。20世紀(jì)60年代初主要是采用水溶液全循環(huán)法，到了70年代就以二氧化碳?xì)馓岱ň佣嗔耍钡?0年代后期氨氣提法等快速發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模也逐漸增大。這么多年以來(lái)，盡管經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)，但尿素的生產(chǎn)工藝也沒(méi)有根本性變化[2]。 2012年2月3日發(fā)布的《化肥工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中提到了，為適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，轉(zhuǎn)變化肥工業(yè)發(fā)展方式，推進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，加快調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)展農(nóng)化服務(wù)業(yè)，提高化肥利用效率等?！痘使I(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》在“十一五”化肥工業(yè)發(fā)展成就的基礎(chǔ)上，提出淘汰落后產(chǎn)能、實(shí)現(xiàn)磷肥、氮肥完全自給并且可以少量出口及鉀肥我國(guó)保障能力在60%以上的“十二五”發(fā)展目標(biāo)，尿素作為氮肥中比重最大的產(chǎn)品，肯定會(huì)帶來(lái)新一輪產(chǎn)業(yè)升級(jí)的發(fā)展熱潮[4]。 尿素的幾中生產(chǎn)方法及特點(diǎn) 目前工業(yè)上主要是用氨與二氧化碳直接生產(chǎn)尿素，整個(gè)過(guò)程包括以下4步：二氧化碳和氨的供給和凈化；二氧化碳和氨反應(yīng)；反應(yīng)生產(chǎn)的尿素熔融液和沒(méi)有反應(yīng)的分離；尿素熔融液加工成尿素成品。尿素的生產(chǎn)有幾種不同的流程，是根據(jù)合成過(guò)程中未反應(yīng)物的利用方式不同。 一、氣提法：在和合成塔等壓的條件下，用一種氣體介質(zhì)通過(guò)反應(yīng)液分解出甲胺，并把分解物返回系統(tǒng)使用。 二、氣體分離循環(huán)法：用選擇性吸收劑吸收CO2和氨，吸收后的溶液再生，CO2和氨吸收后返回合成。 三、水溶液全循環(huán)法：用水吸收沒(méi)反應(yīng)的CO2和氨，再返回系統(tǒng)中。加入的水量較多，CO2和水的摩爾比接近1，稱為碳酸銨鹽水溶液全循環(huán)法；加入的水較少，基本上是以甲銨返回系統(tǒng)，則叫做氨基甲酸銨溶液全循環(huán)法。 四、熱氣循環(huán)法：把沒(méi)反應(yīng)的CO2和氨在較高溫度下直接加壓后，返回系統(tǒng)循環(huán)使用。 我國(guó)一般選用的是二氧化碳?xì)馓岱ê图卒@水溶液循環(huán)法[1]。22013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)第2章 氨的合成 設(shè)計(jì)產(chǎn)品所需的主要原料來(lái)源、規(guī)格 主要原料來(lái)源 由于資源結(jié)構(gòu)的原因，在我國(guó)以氣、油為原料制造氨，其原料成本較高，況且供應(yīng)也不能保證。原料選用煤，不僅成本較低，而且來(lái)源也更豐富。目前，已形成以煤為主，油氣并存的局面，以煤為原料制氨處于中國(guó)主導(dǎo)地位，本設(shè)計(jì)就是以煤為原料合成氨[5]。 主要原料規(guī)格 （一）合成塔進(jìn)塔氣體組成 （1）氫氮?dú)? 當(dāng)氫氮比是3時(shí)，對(duì)于氨合成發(fā)應(yīng)，能得到最大平衡氨濃度，但在動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看，最適宜氫氮比隨著氨含量的不同而變化。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，把入塔氣體中的氫氮比降到3以下，有利于氨的合成。，故可在循環(huán)氣中有一定的過(guò)量氮，而新鮮的氮?dú)錃鈶?yīng)根據(jù)氮?dú)浔鹊男枰獊?lái)調(diào)節(jié)。 （2）惰性氣含量 新鮮氮?dú)錃庵泻蠧H4和Ar，以及微量的氦、氖、氪等稀有氣體，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)參與氨合成反應(yīng)，也不會(huì)使催化劑中毒，因此它會(huì)積累在系統(tǒng)中。但維持過(guò)低的惰性氣又需要排放大量循環(huán)氣。惰性氣的存在，不管從化學(xué)平衡角度還是動(dòng)力學(xué)角度都是不利的。因此，循環(huán)氣中惰性氣體含量還跟新鮮氣惰性氣體含量、催化劑活性、操作壓力等有關(guān)。 （3）氨含量 合成塔出口氣中氨分離采用冷凝法，因?yàn)榇朔ú豢赡馨褮怏w中的氨全部冷凝下來(lái)，所以返回合成塔進(jìn)口的氣體還有一些氨，一般為2%5%（體積）。當(dāng)其他條件確定后，入塔氣體中氨含量增加，出塔氨的含量也增加，但因?yàn)榘贝嬖跁?huì)影響氨合成效率，氨含量卻減少。合成塔進(jìn)口氣中初始氨含量的高低取決于氨分離的方法，就冷凍分離氨，初始氨含量與冷凝溫度和系統(tǒng)壓力有關(guān)。操作壓力為30MPa時(shí)，%%[6]。 （二）硫化物和碳氧化物含量 不管用什么原料來(lái)制原料氣，都會(huì)產(chǎn)生一定的硫化物。即使它的含量不是很高，但對(duì)氨的生產(chǎn)有很不利。硫化物對(duì)很多催化劑來(lái)說(shuō)都有毒，H2S會(huì)使設(shè)備管道腐蝕。為防止CO和CO2對(duì)催化劑的毒害，規(guī)定CO和CO2總含量不得多余20ppm[7]。 氨合成操作條件的選擇 在選擇氨的生產(chǎn)工藝時(shí)，要選可以產(chǎn)量高、消耗低的，而且要流程不是很復(fù)雜、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全度高的。能影響生產(chǎn)條件的有溫度、壓力、催化劑等。 氨合成催化劑 有許多金屬，如Ru、Fe、Mo、Mn、W等對(duì)氨合成有一定催化作用。但采用鐵系催化劑且加有促進(jìn)劑的，不僅便宜容易得到，且活性好、使用壽命長(zhǎng)，所以應(yīng)用很多。 氨合成使用的催化劑，是黑色、帶有金屬光澤的，且有不規(guī)則成型的固體顆粒。至今已有球型顆粒的，雖然容易在空氣中受潮，從而使鉀鹽析出降低活性，但經(jīng)還原后的催化劑中，F(xiàn)eO被還原為小的活性鐵晶體均勻的分布在Al2O3上，就變成了海綿狀的結(jié)構(gòu)且孔隙率較大，鐵催化劑被還原后若敞在空中會(huì)很快被氧化，就沒(méi)有活性了。COCO、水蒸氣、硫化物等都會(huì)使催化劑永遠(yuǎn)或暫時(shí)中毒，何況不同的鐵催化劑也有最適宜反應(yīng)溫度、耐熱溫度和起始活性溫度。 壓力 壓力升高，有助于合成氨反應(yīng)平衡，對(duì)反應(yīng)速率也有利，空間速度確定后，氨出口的濃度和氨凈值都隨壓力增大而增大，進(jìn)而生產(chǎn)能力就增大，同時(shí)氨產(chǎn)率也上升。 壓力能反應(yīng)氨生產(chǎn)過(guò)程能量消耗的高低，其中的能量消耗包括氨分離的冷凍功與循環(huán)氣壓縮功。原料氣的壓縮功和氨凈值隨壓力升高而增加，那么循環(huán)氣量會(huì)減少，進(jìn)而循環(huán)氣壓縮功也減少。氨的分離在壓力高的情況下更有利，溫度高更有利于氨冷凝成液氨，也降低了冷凍功。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)在2035MPa下消耗的總能量會(huì)比較低。 溫度 氨的合成中要用催化劑，所以在氨的合成過(guò)程要在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行最好。 在一個(gè)溫度下，能使某催化劑在此生產(chǎn)條件下使氨的生產(chǎn)率最高，那么這個(gè)溫度就是最適宜溫度，催化劑不同則最佳溫度也不同，即使是同種催化劑在不同的時(shí)間這個(gè)最佳溫度也不同。這個(gè)最佳溫度也跟空間速度有關(guān)，空間速度確定后，氨產(chǎn)率會(huì)先隨溫度的升高而增加，達(dá)到最佳溫度后，會(huì)隨溫度的升高而降低，每個(gè)空間速度對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳溫度。為了合成最大的氨產(chǎn)率，合成氨的產(chǎn)率隨著空間速度的增加而提高，在最適宜溫度以外，不管是升溫還是降溫，氨產(chǎn)率都會(huì)降低。氨產(chǎn)率也會(huì)受催化層內(nèi)溫度分布的影響，進(jìn)催化層的溫度高，出催化層的溫度低。因?yàn)閯傔M(jìn)入催化層的氣體中氨含量低，離平衡遠(yuǎn)，為了提高氨含量要加快合成反應(yīng)，催化層上面升高溫度能加快反應(yīng)速率。 空間速度 在溫度、操作壓力、入塔氣組成確定后，空間速度的增加會(huì)使氣體通過(guò)催化層的速度也增加，這樣催化劑和氣體接觸時(shí)間變少，那么出塔氣中氨含量降低。但空間速度增大的幅度比氨凈值降低的幅度要大，氨的生產(chǎn)能力隨空間速度增大而提高，氨產(chǎn)量也跟著增大。其余條件確定后，空間速度的增大可以提高催化劑的生產(chǎn)強(qiáng)度，冷凍功也增大，但單位循環(huán)氣量的氨產(chǎn)量也隨之降低，若單位循環(huán)氣的反應(yīng)熱減少到一定量時(shí)，整個(gè)合成塔將很難維持“自然”。 一般中壓法合成氨，空間速度在2000040000/h之間[8]。 氨合成的工藝流程 （一）合成氨工藝流程 本設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)中壓氨合成流程（圖21）。圖21 傳統(tǒng)中壓流程簡(jiǎn)圖 從合成塔1出來(lái)的氣體，被水冷器2冷卻到差不多30℃，有些氨冷凝后，在氨冷器中分出液氨，為降低惰性氣體濃度，循環(huán)氣在氨冷器中被放出，大部分循環(huán)氣被循環(huán)壓縮機(jī)4壓縮，再進(jìn)到油分離器，同時(shí)也補(bǔ)充新鮮氣。 氣體到了6上面的換熱器管內(nèi)，將從7出來(lái)的循環(huán)氣的能量回收，再通過(guò)氨冷器冷至差不多10℃，把大部分氨冷凝后，再在冷熱交換器的下面氨分離段把氨分離出來(lái)。 分離出液氨的低溫循環(huán)氣經(jīng)過(guò)冷熱交換器管間預(yù)冷進(jìn)氨冷器的氣體，自身被加熱到1030℃后進(jìn)入氨合成塔，完成循環(huán)過(guò)程[8]。 (二）反應(yīng)熱的回收利用 氨的合成反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以有必要回收并利用這部分反應(yīng)熱?，F(xiàn)在回收利用反應(yīng)熱的方法有很多，現(xiàn)在我們一般都采用把副產(chǎn)蒸汽和氫氮混合氣在反應(yīng)前加熱，這樣回收的熱量較多，且可得副產(chǎn)蒸汽[9]。 62013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)第 3 章 工藝計(jì)算 原始條件 （1）年產(chǎn)量100wt尿素，若損失量為5%， wt，年生產(chǎn)時(shí)間扣除檢修等時(shí)間后按330天計(jì)，則產(chǎn)量為： （2）新鮮補(bǔ)充氣組成表31 新鮮補(bǔ)充氣組成組分H2N2CH4Ar總計(jì)含量（%）24100 （3）合成塔入口中氨的含量： （4）合成塔出口中氨的含量： （5）合成塔入口中惰性氣體的含量： （6）合成塔的操作壓力： （7）精煉氣溫度： ℃ 物料衡算 該過(guò)程的物料計(jì)算按照?qǐng)D31中的物料點(diǎn)流程計(jì)算，見(jiàn)圖31： 合成塔物料衡算 （1）合成塔入口氣組分： 入塔時(shí)氨的含量: y5，NH3 = % ； 入塔時(shí)甲烷的含量：y5，CH4 = 15%（+）100%= 12% 入塔時(shí)氮的含量：y5，N2 =[100%－（%+15%）] 1/4100%= % 入塔時(shí)氫的含量：y5，H2 =[100%－（%+15%）] 3/4100%= % 入塔時(shí)氬的含量：15%－12%= 3% （2）合成塔出口氣組分： 以100kmol入塔氣為計(jì)算基準(zhǔn)來(lái)計(jì)算出塔氣組分： 計(jì)算塔內(nèi)生成氨含量：MNH3= = 出塔氣量：M8=入塔氣量—生成氨含量=100－= 出塔氨的含量：y8，NH3 = 16% 出塔甲烷含量：y8，CH4==(100/)12%= %.——精煉氣 ； .——合成氣； 13——放空氣 20——弛放氣 ； ——液氨