【正文】 第一章 尿素工藝概況第一節(jié) 化工基礎(chǔ)知識（一）、化學(xué)基礎(chǔ)知識1．元素、原子與分子世界上任何物質(zhì)都是元素組成的。具有相同核電荷數(shù)的通一類原子叫元素。采用一定的符號來表示各種元素，叫做元素符號。尿素裝置所涉及到的主要元素有：氫（H）、碳（C）、氮（N）、氧（O）、硫（S）、鉻（Cr）、鎳（Ni）、鉬（Mo）等。分子是能夠獨(dú)立存在而仍具有該物質(zhì)一卻化學(xué)特性的最小微粒。用組成分子的各種原子的元素符號來表示這種分子，就形成了分子式。尿素裝置中最常用的分子式：物質(zhì)名稱二氧化碳?xì)錃饪諝饽蛩乜s二脲分子式CO2H2NH2CONH2NH2CONH CONH 2物質(zhì)名稱氨氧氣氮?dú)饧卒@分子式NH3O2N2NH4COONH22．化學(xué)反應(yīng)當(dāng)兩種以上的物質(zhì)相互作用產(chǎn)生化學(xué)變化時(shí)便發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。用元素符號和分子表示化學(xué)反應(yīng)的等式叫化學(xué)方程式。它不僅表示了化學(xué)反應(yīng)過程中，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化生成物的變化關(guān)系。而且還表示了反應(yīng)物轉(zhuǎn)化生成的過程的定量關(guān)系。（二）、化工基礎(chǔ)知識化工生產(chǎn)是以煤、石油、天然氣、水、空氣等天然資源或農(nóng)副產(chǎn)品為原料，經(jīng)過一系列化學(xué)變化或化學(xué)處理為主要手段，改變物質(zhì)原來的性質(zhì)，狀態(tài)和組成，制成所需的產(chǎn)品。1．化工單元操作化學(xué)工業(yè)的種類很多，涉及酸、堿、化肥、醫(yī)藥以及石油化工等，它們所采用的生產(chǎn)方法、工藝流程、設(shè)備大小也往往千差萬別，各有不同。它們之所以統(tǒng)歸化學(xué)工業(yè)范籌，首先是因?yàn)檫@些工業(yè)過程中所用的原料最終變?yōu)楫a(chǎn)品，不僅在物質(zhì)上發(fā)生了變化，而且一般地都伴隨化學(xué)性質(zhì)的變化，而這些不同的生產(chǎn)過程都是一些基本操作組成，如流體的流動與輸送、壓縮、分離、傳熱、蒸發(fā)、精餾、解吸、吸收、冷卻、破碎等操作，我們把這些操作稱為化學(xué)基本單元操作。若干單元操作串聯(lián)起來就構(gòu)成了一個(gè)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。在尿素的生產(chǎn)工藝中幾乎包括了所有的化工單元操作。2．化工單元操作分類按照單元操作所遵循的基本規(guī)律不同可歸納為幾個(gè)基本過程：（1）、動量傳遞過程：包括遵循流體動力學(xué)規(guī)律的一些單元操作，如流體的流動與輸送、沉降、離心泵以及固態(tài)流態(tài)化、空氣壓縮等。（2）、熱量傳遞過程：簡稱傳熱過程，包括主要遵循熱交換基本規(guī)律的一些單元操作，如傳熱、蒸發(fā)、冷凝等。（3）、質(zhì)量傳遞過程：簡稱傳質(zhì)過程，即物質(zhì)通過擴(kuò)散，從一個(gè)相轉(zhuǎn)移到另一個(gè)相的過程，包括蒸發(fā)、解吸、吸收、干燥等單元操作。（4）、熱力過程：包括遵循熱力學(xué)規(guī)律一些單元操作，如冷凍等。（5）、機(jī)械過程：包括遵循機(jī)械力學(xué)的一些單元操作，如固體的粉碎，篩分等。3．化工單元操作簡介（1）、傳熱：傳熱是化工生產(chǎn)中必不可少的操作過程。生產(chǎn)中的傳熱過程，通常都是在兩種流體之間進(jìn)行的。某些場合下粒狀固態(tài)物料也參與傳熱過程，如造粒的冷卻過程。實(shí)現(xiàn)冷、熱流體之間熱量傳遞的設(shè)備稱為換熱器。傳熱的基本方式有三種：傳導(dǎo)、對流、輻射。（2）、蒸發(fā)：通過加熱使溶液中的一部分溶劑汽化并除去的操作，稱之為蒸發(fā)，蒸發(fā)是一個(gè)體現(xiàn)傳熱過程基本過程的單元操作。蒸發(fā)操作一般都是在溶液的沸點(diǎn)下進(jìn)行的。在蒸發(fā)過程中，只有溶劑是揮發(fā)性物質(zhì)，溶質(zhì)是不揮發(fā)的，這就是說當(dāng)溶液被加熱沸騰后，只有溶劑汽化，溶質(zhì)在整個(gè)過程中的數(shù)量不變，這就使蒸發(fā)操作的顯著特點(diǎn)之一。進(jìn)行蒸發(fā)操作的必備條件是：必須不斷的供給熱量和排除已經(jīng)汽化的蒸汽。根據(jù)蒸發(fā)時(shí)壓強(qiáng)的不同，可將蒸發(fā)操作分為常壓蒸發(fā)、加壓蒸發(fā)和減壓蒸發(fā)三種類型。（3）、氣體吸收：氣體吸收是利用適當(dāng)?shù)囊后w吸收劑來處理氣體混合物，以使其中的一種或多種組分由氣相轉(zhuǎn)入液相的操作。吸收的基本依據(jù)是利用氣體混合物中各個(gè)組分在吸收劑中的溶解度的不同，從而將其中溶解度最大組份分離出來。尿素裝置中吸收塔的操作是為了回收氣體中有效成分，如氨；同時(shí)減少有害氣體（NHH2S等）對環(huán)境的污染。由此可見，吸收操作與提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加產(chǎn)量，降低消耗，消除污染，保證人身體健康具有密切的關(guān)系。吸收操作的好壞，在很大程度上取決于能否選擇一種適宜的吸收劑。（4）、干燥：利用加熱時(shí)固體物料中的濕分（包括水分或其它溶劑）汽化并出去的操作成為干燥。根據(jù)熱能傳給濕物料的方法不同，干燥可分為：間接加熱干燥、對流干燥、輻射干燥和介電加熱干燥。（5）、解吸：解吸是吸收的逆過程，傳熱方向與吸收方向相反——溶質(zhì)由液相向氣相傳遞。其目的是回收液體中的溶質(zhì)和使吸收劑再生循環(huán)使用。（6）、蒸餾：化工生產(chǎn)中為了達(dá)到提純或回收有效組份的目的，常常需要對液體均相混合物進(jìn)行分離，蒸餾就是分離液體均相混合物的單元操作，對混合物的分離總是利用其中各組分某種性質(zhì)的差異，蒸餾操作就是借助于液體混合物中各組份揮發(fā)能力的差異而達(dá)到分離的目的。按蒸餾方式與分離程度分類，可分為簡單蒸餾、平衡蒸餾（或叫閃蒸）和精餾。（7）、閃蒸：為連續(xù)操作的定常過程，帶有一定壓力和溫度的尿液，經(jīng)節(jié)流閥急劇減壓至規(guī)定壓力進(jìn)入閃蒸器中。在閃蒸器中與規(guī)定的壓力下部分料液迅速汽化，從頂部進(jìn)入冷凝器中被冷凝成液體（其中易揮發(fā)組份含量較高），進(jìn)入下一工序。另一部分為氣化的液體中易揮發(fā)的組分含量較高，由閃蒸器底部抽出（成為底部產(chǎn)品）。（8）、精餾：工業(yè)上的精餾分離通常采用連續(xù)操作。其主要設(shè)備包括精餾塔、再沸器（或循環(huán)加熱器）、冷凝器等。按操作壓強(qiáng)分：可分為常壓、加壓、減壓精餾。3．化工過程的基本規(guī)律對千變?nèi)f化的各種化工生產(chǎn)過程都可以將其單元操作歸納在幾個(gè)化工基本生產(chǎn)過程中，并遵循其各自的基本規(guī)律，但這些基本過程又同時(shí)遵循著某些共同的規(guī)律，掌握和運(yùn)用這些過程的共同規(guī)律，有助于我們從工程觀點(diǎn)出發(fā)去分析某個(gè)過程技術(shù)生的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性，這些共同的規(guī)律是：（1）、質(zhì)量守恒：在化工生產(chǎn)中，隨著過程的進(jìn)行，物質(zhì)在不斷的起著變化，但在一個(gè)固定的系統(tǒng)或固定的設(shè)備內(nèi)，它必須符合：輸入的物料＝輸出的物料量＋物料的損失量（2）、能量守恒：在化工生產(chǎn)中，除了物質(zhì)的變化，還必然伴隨著能量的轉(zhuǎn)換，例如：在流體流動與輸送中，就存在流體的位能、動能、靜壓能或外加機(jī)械能的轉(zhuǎn)化問題，在熱量的傳遞過程和質(zhì)量傳遞過程中，也存在著冷熱流體之間以及環(huán)境之間的熱量交換問題。根據(jù)能量守恒定律，在任何一個(gè)系統(tǒng)中：輸入的物料＝輸出的物料量＋物料的損失量（3）、平衡關(guān)系：在化工生產(chǎn)過程中，像固體的溶解與結(jié)晶、氣體的吸收等操作過程，都是在一定條件下由不平衡向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化，以達(dá)到過程進(jìn)行的最大限度。一個(gè)過程在一定條件下能否進(jìn)行，能進(jìn)行到什么程度，都可以由平衡關(guān)系推知。同時(shí)還能為生產(chǎn)操作條件的選擇和改進(jìn)提供依據(jù)。（4）、過程的速率：平衡關(guān)系只說明過程的方向和極限，而過程進(jìn)行的快慢在工程上是比平衡關(guān)系更重要。單位時(shí)間里的各種過程進(jìn)行的變化稱之為過程的速率。過程的速率越高，設(shè)備的生產(chǎn)能力越大，在同樣產(chǎn)量的條件下，設(shè)備尺寸可以越小。過程的速率可以用如下基本關(guān)系表示：過程的速率＝過程的推動力／過程的阻力過程的推動力是過程在某一瞬間狀態(tài)的因素距離平衡狀態(tài)因素的差額。在流體流動過程中，它表現(xiàn)為位差或壓差；在傳熱過程中它是冷熱流體的溫差；在傳質(zhì)過程中，它是物質(zhì)的濃度差。構(gòu)成過程阻力的因素很多，而且同樣是因過程的性質(zhì)不同而不同，提高過程速率的途徑在于加大過程的推動力和減少過程的阻力。第二節(jié) 尿素的性質(zhì)尿素，是由于人及哺乳動物的尿液中含有這種物質(zhì)而得名。分子式為CO(NH2)2或?qū)懗蒆2NCONH2。 NH2化學(xué)結(jié)構(gòu)式：O＝C NH2在尿素工業(yè)生產(chǎn)中，常用符號“Ur”來表示尿素。 物理性質(zhì)純粹的尿素為無色、無味、無嗅的針狀或柱狀晶體。工業(yè)尿素因含有雜質(zhì)常為白色、淡黃色或淡紅色。％，％。化學(xué)性質(zhì)尿素呈微堿性，但不能使一般指示劑變色，與酸作用可生成鹽類。例如，尿素與硝酸反應(yīng)生成硝酸［CO(NH2)2HNO3］。尿素與磷酸作用生成磷酸尿素［CO(NH2)2．H3PO4］。尿素與鹽類相互作用可生成絡(luò)合物。例如，尿素與硝酸鈣反應(yīng)生成Ca(NO3)2. 4CO(NH2)2。尿素與磷酸一鈣作用時(shí)，反應(yīng)如下：Ca(NO3)2 . H2O＋CO(NH2)2 CO(NH2) （磷酸鈣） （磷酸尿素） ＋Ca(H2PO4) ＋H2O (磷酸氫鈣)尿素能與酸或鹽相互作用的性質(zhì)，在復(fù)合肥料生產(chǎn)中具有重要意義。尿素在水中易產(chǎn)生水解作用，生成氨和CO2；在高溫下易發(fā)生縮合反應(yīng)，生成縮二脲、縮三脲等。這兩個(gè)性質(zhì)在尿素生產(chǎn)中都是不利因素，是較為重要的。在鹽酸作用下，尿素同甲醛反應(yīng)生成甲基尿素；在中性溶液中與甲醛反應(yīng)生成二甲基尿素。第三節(jié) 尿素合成的基本原理（一）、工業(yè)上生產(chǎn)尿素是在高溫高壓條件下進(jìn)行的。一般認(rèn)為是在液相中分兩步完成。第一步：氨和二氧化碳在水存在下生成甲銨：2NH3（液）+CO2（氣） NH4COONH2（液）第二步：甲銨脫水生成尿素NH4COONH2（液） CO（NH2）2（液）+H2O（液）上述反應(yīng)是在高溫下進(jìn)行的。第一步反應(yīng)只要能及時(shí)移去反應(yīng)熱，反應(yīng)進(jìn)行很快且易達(dá)到化學(xué)平衡，而第二步反應(yīng)即使在液態(tài)和供給熱量中利用第一步反應(yīng)熱的條件下，平衡轉(zhuǎn)化率只能達(dá)到50~70%。所以第二步反應(yīng)是尿素生產(chǎn)的控制步驟。合成尿素總的反應(yīng)式為：2NH3（液）+CO2（氣） （NH2）2 CO（液）+H2O+Q亦即合成尿素的總反應(yīng)為逆放熱反應(yīng)。（二）、氨基甲酸銨的生成（1）、工業(yè)生產(chǎn)中的甲銨生成反應(yīng)式為：2NH3（液）+CO2（氣） NH4COONH2（液）+Q（2）、甲銨生成的反應(yīng)速度常溫、常壓下，甲銨生成的速度相當(dāng)緩慢，而且甲銨極易分解；但當(dāng)壓力在980kPa以上，溫度超過150℃時(shí)，甲銨生成反應(yīng)幾乎瞬時(shí)就可完成；液相中的二氧化碳大部分轉(zhuǎn)化為甲銨。而且反應(yīng)速度幾乎與壓力的平方成正比。在一定的范圍內(nèi)提高溫度也能提高甲銨的生成速度。由此可見，為了加快甲銨生成速度，必須采用較高壓力和與此壓力相適應(yīng)的溫度。（3）、尿素的生成①、甲銨脫水生成尿素的化學(xué)平衡甲銨脫水生成尿素的反應(yīng)為：NH4COONH2（液） CO（NH2）2（液）+H2O－Q上述反映在一定的溫度，壓力下進(jìn)行，是一個(gè)可逆吸熱反應(yīng)。②、甲銨脫水生成尿素的反應(yīng)速度由尿素合成的反應(yīng)機(jī)理可知，甲銨脫水是反應(yīng)的控制步驟，即決定尿素合成的速度。甲銨脫水的反應(yīng)速度體現(xiàn)于二氧化碳轉(zhuǎn)化率與溫度、時(shí)間的關(guān)系。第四節(jié) 尿素相關(guān)工藝及比較（一）、尿素技術(shù)方案的選擇國際尿素生產(chǎn)工藝較多，但國內(nèi)尿素生產(chǎn)工藝主要有：水溶液全循環(huán)法，CO2汽提法，氨汽提法三種。根據(jù)各種工藝生產(chǎn)的特點(diǎn)、及生產(chǎn)廠家的實(shí)際運(yùn)行情況，綜合評價(jià)這三種：水溶液全循環(huán)法適用中、小型尿素裝置（415萬噸/年）的生產(chǎn)，且生產(chǎn)技術(shù)成熟；CO2汽提法和氨氣提工藝適用于大中型尿素裝置（1552萬噸/年）的生產(chǎn)。氨氣提法與CO2氣提法工藝相比，消耗比較接近，但是氨氣提法工藝流程長，設(shè)備昂貴，且未國產(chǎn)化。（二）、下表為三種生產(chǎn)工藝特點(diǎn)對比表。消耗/Tur水溶液CO2汽提法氨汽提法NH3580575575CO2 Kg775 Kg750 Kg750 Kg循環(huán)水150m3100 m395 m3電KW/h150 KW/h120 KW/h140 KW/h蒸汽 T/h1050 T/h780 T/h Mpa蒸汽 180 Kg/Tur藝流程高壓圈設(shè)備1臺5臺5臺中壓系統(tǒng)有無有低壓系統(tǒng)有有有脫氫無有流程長高壓圈高壓轉(zhuǎn)化率高高壓圈轉(zhuǎn)化率高流程短流程長合成條件合成塔 ℃188183188操作壓力N/CH/C框架結(jié)構(gòu)中框架（30m）高框架（60m）中框架（30m）國產(chǎn)化完全國產(chǎn)化國產(chǎn)化Ti材汽提塔進(jìn)口安全性無脫氫有脫氫安全可靠安全可靠投資比例1~水溶液全循環(huán)法與氣提法尿素相比能量利用不合理，消耗較高，流程較長，近幾年新建的大中型尿素已很少采用該工藝。氨氣提法特點(diǎn)：工藝先進(jìn)，消耗低，無高框架結(jié)構(gòu)，無爆炸危險(xiǎn)，是該工藝的特點(diǎn)，但該工藝需購買國外專利工藝包，裝置不能國產(chǎn)化，國外設(shè)備制造周期長，故不采用該工藝。CO2氣提法特點(diǎn)：高壓圈操作壓力最低，由于高壓轉(zhuǎn)化率較高，裝置無中壓系統(tǒng)，該工藝采用CO2脫氫技術(shù)，根本上杜絕了生產(chǎn)中的爆炸危險(xiǎn)性，該工藝流程短、設(shè)備少、生產(chǎn)穩(wěn)定、消耗較低、投資較少，在國內(nèi)有豐富的設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，近幾年新建的項(xiàng)目多為CO2氣提法。第二章 尿素裝置工藝流程敘述第一節(jié) 二氧化碳基本原理合成尿素的反應(yīng)一般在液相中分兩步來進(jìn)行的。第一步：甲銨生成反應(yīng)2NH3（液）+CO2（氣） NH4COONH2（液）＋，反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，反應(yīng)速度快，容易達(dá)到化學(xué)平衡。第二步：甲銨脫水反應(yīng)NH4COONH2（液） NH2CONH2（液）+H2O（液）－此反應(yīng)是微放熱反應(yīng)，主要是在液相中進(jìn)行，且為控制反應(yīng)。第二節(jié) 二氧化碳工藝流程（一）、概述％熔融尿素，然后進(jìn)入19000造粒塔，利用上部旋轉(zhuǎn)噴頭造粒。尿素主裝置為1400T/日，設(shè)計(jì)能力為1400噸／日。裝置主要包括：CO2壓縮、脫硫、脫氫，液氨升壓、尿素合成和汽提、循環(huán)、蒸發(fā)、解吸水解、尿素造粒等工序。（二）、工藝流程說明1．二氧化碳壓縮、脫硫、脫氫：從脫碳來的二氧化碳（CO2≥％，H2≤％）氣體，其溫度＜30℃，壓力