【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 架高度降到 40m以下，使操作更加方便、動(dòng)力消耗又有所降低。 缺點(diǎn)： CO2 氣提法生產(chǎn)尿素 工 藝裝置的靜止高壓設(shè)備較多，有尿素合成塔、高壓二氧化碳?xì)馓崴?、高壓甲銨冷凝器、高壓洗滌 器四大主要設(shè)備，它們是 ： CO2 氣提法尿素工藝生產(chǎn)裝置的核心，其它均為低壓設(shè)備，所以該尿素工藝生產(chǎn)裝置的技術(shù)改造比較困 難，改造增產(chǎn)潛力較小。高壓二氧化碳?xì)馓崴訜嵝枰恼羝焚|(zhì)較高 ， 為 ，不如水溶液全循環(huán)尿素需用的蒸汽壓力低。 7 第 2 章 水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素的原理 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)。 反應(yīng)原理 生產(chǎn)尿素的原料是氨和二氧化碳，后 者 是合成氨廠的副產(chǎn)品 [5]。尿素合成反應(yīng)分兩 步進(jìn)行： ① 氨與二氧化碳作用生成氨基甲酸銨 (簡(jiǎn)稱甲銨 )； ② 甲銨脫水生成尿素，其反應(yīng)式為： 2NH3+CO2—NH2COONH4 + （ 21） NH2COONH4—CO(NH2)2+H2O （ 22） 式 (21)是快速、強(qiáng)放熱反應(yīng)，且平衡轉(zhuǎn)化率髙。式 (22)是慢速微吸熱的可逆反應(yīng)，且需要在液相中進(jìn)行。 當(dāng)溫度為 170190176。C 時(shí) ，氨與二氧化碳的摩爾比為 ，壓力高到足以使反應(yīng)物得以保持液態(tài)時(shí)，甲銨轉(zhuǎn)化成尿素的轉(zhuǎn)化率為 50%；其反應(yīng)速率隨溫度的提高而增大。當(dāng)溫度不變時(shí)，轉(zhuǎn)化率隨壓力的升高而增大，轉(zhuǎn)化率達(dá)到一定值后繼續(xù)提高壓力，不再有 明 顯增大，此時(shí)， 幾 乎全部反應(yīng)混合物都以液態(tài)存在。 提髙氨與二氧化碳的摩爾比 可 增 大二氧化碳的轉(zhuǎn)化率，降低氨的轉(zhuǎn)化率。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于氨的 回 收比二氧化碳容易，因此都釆用氨過(guò)量， 一 般氨與二氧化碳的摩爾比 3。反應(yīng)物料中水的存在將降低轉(zhuǎn)化率，在工業(yè)設(shè)計(jì)中要把循環(huán)物料中的水量降低到 最小限度。增加反應(yīng)物料的停 留時(shí)間能提高轉(zhuǎn)化率，但并不經(jīng)濟(jì)。典型的工藝操作條件是溫度 180200176。C、 壓力 ? 、 氨與二氧化碳摩爾比 反應(yīng)物料停留時(shí)間2540min。 反應(yīng)機(jī)理 尿素合成的基本原理 氨與二氧化碳直接合成尿素的總反應(yīng)為： 2 NH3+CO2→ CO(NH2) 2+ H2O ﹣ 。 這是一個(gè)可逆、放熱、體積縮小的反應(yīng)，反應(yīng)在液相中是分兩步進(jìn)行的。首先液氨和二氧化碳反應(yīng)生成甲銨，故稱其為甲銨生成反應(yīng)： 2NH3+CO2→ NH2COONH4。在一 定條件下，此反應(yīng) 速率很快，容易達(dá)到平衡。且此反應(yīng)二氧化碳的平衡轉(zhuǎn)化率很高。然后是液態(tài)甲銨脫水生成尿素，稱為甲銨脫水反應(yīng)：NH2COONH4→ CO(NH2) 2+ H2O。平衡轉(zhuǎn)化率一般為 50%70%，此步反應(yīng)的速率也較緩慢， 8 是尿素合成中的控制速率的反應(yīng)。 反應(yīng)速度 從生成尿素的反應(yīng)機(jī)理可知甲銨脫水是反應(yīng)的控制階段，但甲銨脫水反應(yīng)在氣相中不能進(jìn)行，在同相中反應(yīng)速率較慢，而在液相中反應(yīng)速率較快，故甲銨脫水生成尿素的反應(yīng)必須在液相中進(jìn)行。 因 此決定反應(yīng)速率的 因 素有兩個(gè) ： ① 氨和二氧化碳由氣相進(jìn)入液相的速率 ② 液相中甲銨脫 水的速率。 9 第 3 章 水溶液全循環(huán)法的生產(chǎn)工藝流程 尿素的合成 液氨和二氧化碳直接合成尿素 總反應(yīng)為： 2 NH3+CO2—CO(NH2)2+H2O （ 31） 實(shí) 際上反應(yīng)是分兩步進(jìn)行的 ， 首先是氨與二氧化碳反應(yīng)生成氨甲酸銨： 2 NH3+ CO2—NH2COONH4 + （ 32） 該步反 應(yīng)是一個(gè)可逆的體積縮小的強(qiáng)放熱反應(yīng) ,在一定條件下，此反應(yīng)速率很快 , 客易達(dá)到平衡，且此反應(yīng)二氧化碳的平衡轉(zhuǎn)化率很高 。然 后是液態(tài)甲銨脫水生成尿素，稱為甲銨脫水反應(yīng) ： NH2COONH4—CO(NH2)2+H2O （ 33） 此步反應(yīng)是一個(gè)可逆的微吸熱反應(yīng)，平衡轉(zhuǎn)化率一般為 50%? 70%，并且反應(yīng)的速率也較緩慢，是尿素合成中的控制速率的反應(yīng)。 合成尿素的理論基礎(chǔ) 在一定條件，氨基甲酸銨的生成速度是很快的，而氨基甲酸 銨的脫水速度則很慢。所以，在合成尿素的生產(chǎn)中，反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短和尿素合成產(chǎn)率的高低，直接與氨基甲酸銨的脫水速度和尿素合成反應(yīng)的平衡有關(guān)。 尿素的工藝流程圖 水溶液全循環(huán)法合成尿素工藝流程 ： 水溶液全循環(huán)法合成尿素工藝流程圖如圖 31，經(jīng)過(guò)加壓預(yù)熱的原料液氨與經(jīng)壓縮后的原料二氧化碳?xì)饧把h(huán)回收來(lái)的氨基甲酸銨液一并進(jìn)入預(yù)反應(yīng)器。在預(yù)反應(yīng)器內(nèi)氨與二氧化碳反應(yīng)生成氨基甲酸銨，在進(jìn)入尿素合成塔，在塔內(nèi)氨基甲酸銨脫水生成尿素。尿素熔融物從塔頂出來(lái)進(jìn)入預(yù)分離器，將氨基甲酸銨和氨進(jìn)行分離。氨基甲酸銨從預(yù)分離器底部出來(lái) 進(jìn)入中壓循環(huán)加熱器，用蒸汽加熱進(jìn)一步提高溫度，促使殘余氨基甲酸銨分解。氣、液在低壓循環(huán)分離器內(nèi)分離。分離出來(lái)的尿液經(jīng)減壓至常壓后，進(jìn)入閃蒸槽，經(jīng)減壓后尿液中的氨基甲酸銨和氨 幾 乎全部清除。自閃蒸 槽 出來(lái)的尿液進(jìn)入尿液貯槽，用尿素溶液泵打入中壓蒸發(fā)加熱器及低壓蒸發(fā)加熱器，在不同真空度下加熱蒸發(fā)，氣、液分別在中壓蒸發(fā)分離器及低壓蒸發(fā)分離器內(nèi)分離。低壓分離器出口尿液濃度達(dá) % (質(zhì)量）以上，用熔融尿素泵打入造粒塔，經(jīng)造粒噴頭撒成尿粒，在塔 底 得到成品尿素 [6]。 10 去 回收系統(tǒng) 去 冷凝真空系統(tǒng) 6 3 17 8 13 15 5 9 9 7 2 12 14 14 4 10 16 1 16 液氨 水 11 尿素成品 CO2 圖 水溶液全循環(huán)法合成尿素示意流程圖 Figure fullcirculation with water solution for urea synthesis flow chart 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—段蒸發(fā)加熱器； 13—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造粒塔預(yù) 分離器、中壓循環(huán)分離器、低壓循環(huán)分離器及精餾塔頂部出來(lái)的氨和二氧化碳，進(jìn)入 回 收系統(tǒng)?；厥盏陌?與 二氧化碳以液氨或氨基甲酸銨的形式返回合成系統(tǒng)循環(huán)使一段蒸發(fā)分離器、二段蒸發(fā)分離器及閃蒸槽出來(lái)的氣體，大部分水蒸氣和少量的 氨去冷凝、真空系統(tǒng)，回收殘余氨后放空 。 合成尿素工藝流程 水溶液全循環(huán)法合成尿素工藝流程簡(jiǎn)圖如 32，由造氣爐產(chǎn)生的半水煤氣脫碳后 ， 其中大部分的二氧化碳由脫碳液吸收、解吸后，經(jīng)油水分離器，除去二氧化碳?xì)?體 攜帶的脫碳液，進(jìn)入二氧化碳 壓 縮機(jī)系統(tǒng)，由 壓 縮機(jī)出來(lái)的二氧化碳?xì)怏w 壓 力達(dá)到 16 MPa 后 進(jìn)入尿素合成塔。從合成氨車間氨庫(kù)來(lái)的液氨進(jìn)入氨儲(chǔ)罐，經(jīng)過(guò)氨升壓泵加 壓進(jìn)入高壓液氨泵，加壓至 20MPa 左右，經(jīng)過(guò)預(yù)熱后進(jìn)入甲銨噴射器作為推動(dòng)液，將來(lái)自甲銨分離器的銨 11 溶液增壓后混合一起進(jìn)入尿素合成塔。尿素合成塔內(nèi)溫度為 186? 190176。C， 壓力為 200MPa左右， NH3/CO2 的摩爾比和 H2O/CO2 的摩爾比控制在一定的范圍內(nèi)。 合成后的氣液混合物進(jìn)入一段分解，進(jìn)行氣液分離，將分離氣相后的尿液 送入二段分解，進(jìn)一步見(jiàn)混合物中的氣相除去。 凈化后的尿液依次進(jìn)入閃蒸槽、一段蒸發(fā)、二段 蒸發(fā)濃縮，最后得到尿素熔融物，用刮料 泵輸送到尿素造粒塔噴灑器， 圖 水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素 工 藝流程簡(jiǎn)圖 Figure fullcirculation with water solution urea production process flow diagram 在空氣中沉降冷卻同化成粒狀尿素，并通過(guò)尿素塔底機(jī)用運(yùn)輸皮帶送往儲(chǔ)存包裝車從一段分解、二段分解出來(lái)的氣相含有未反應(yīng)的氨和二氧化碳，分別進(jìn)入一段吸收和二段吸收，氨和二氧化碳被后面閃蒸、一段蒸發(fā)、二段蒸發(fā)工段冷凝下來(lái)的 冷凝水吸收混合形成水溶液，用泵送入尿素合成塔；一段吸收后剩余的氣體進(jìn)入惰洗器稀釋后，與二段吸收的殘余氣體混合進(jìn)入尾氣吸收塔，與一段蒸發(fā)、二段蒸發(fā)工段氣相冷凝除去水后殘余的氣體混合后放空。 原料的準(zhǔn)備 合成尿素的主要原料是液氨和氣體二氧化碳，二者分別是合成氨廠的主副產(chǎn)品，所以合成氨和尿素生產(chǎn)裝置設(shè)在一起，聯(lián)合生產(chǎn) [7]。 氨的性質(zhì) 氨的分子式為 NH3，分子量為 ，在常溫常壓下是無(wú)色的具有特殊刺激性的氣體， 液氨 泵 冷凝 合 成 塔 分 解 分 離 吸收 蒸發(fā) 分離 冷凝 減壓 干燥造粒 尿素 含氨 凝液 壓縮 二氧 化 碳 12 在低溫高壓下可以液化，當(dāng)溫度低于 176。C 以下時(shí)，氨可以成為具有臭味的無(wú)色結(jié) 晶，其主要物理性質(zhì)如下 ： 臨界溫度 / 176。C 臨界壓力（絕壓） /MPa 臨界比容 /(nrg) 密度（氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下 ） / (mg/L) 760 尿素生產(chǎn)對(duì)液氨質(zhì)量的要求其 質(zhì)量數(shù) 氨 %，水 %，油 10mg/kg。 二氧化碳 二氧化碳是無(wú)色氣體，在一定條件 下 可以液化，在強(qiáng)烈冷卻時(shí)可以變?yōu)?同體，成 為干冰 ， 其分子式為 CO2,分子量 為 44，其臨界壓力為 ， 臨界溫度為 31176。C， 臨界密度為 的 1113，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度為 外，液體的密度為 的 m3， 沸點(diǎn)為176。C， 熔點(diǎn)為 176。C. 尿素生產(chǎn)對(duì)原料二氧化碳?xì)獾囊鬄椋?CO2 含量 % (體積分?jǐn)?shù)） H2S 含量 15mg/m3。 原料的凈化與輸送 二氧化碳脫硫與壓縮原理 脫硫 原料二氧化碳是合成氨裝置生產(chǎn)的副產(chǎn)物，其中含有極少量的硫化物（主要是硫化氫）。為了減少硫化氫對(duì)尿素設(shè)備及 管道的腐蝕 ， 首 先必須對(duì)其進(jìn)行脫硫。方法有 干法和濕法，干法較常用，可以達(dá)到很高的凈化度，但只有當(dāng)空氣中的硫化氫含量較低時(shí)才能應(yīng)用 （ lg/m3)， 所以必須與濕法串聯(lián)，干法放在其后。其流程圖如圖 33。 13 風(fēng)機(jī) 文丘里 煙氣 排渣脫水干化運(yùn)走 二氧化碳脫硫原理圖 Figure carbon dioxide desulfurization principle diagram 壓縮 有合成氨系統(tǒng)送來(lái)的二氧化碳?xì)怏w，進(jìn)入壓縮機(jī)之前，在總管內(nèi)與氧氣混合。加氧是為了防止合成、循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)備腐蝕。氧氣需要量約為二氧化碳總量的 0. 5% (體積），二氧化碳通過(guò)一個(gè)帶有水封的液滴分離器，用來(lái)除去二氧化碳?xì)怏w中的水滴以保護(hù)二氧化碳?jí)?縮機(jī)。在液滴分離器之前設(shè)有放空閥， 當(dāng) 系統(tǒng)停車或生產(chǎn)能力驟減時(shí) , 由此放出一部分二氧化碳。 液氨的凈化與輸送 從合成氨裝置內(nèi)送來(lái)的 表壓下的液氨 ,通過(guò)氨過(guò)濾器除去雜質(zhì)進(jìn)入 系統(tǒng) [8]。過(guò)濾后的液氨送入液氨緩沖槽的原料室 中 。液氨緩沖槽設(shè)有控制閥可自動(dòng)控調(diào)節(jié)，并在控制盤上設(shè)有液氨緩沖槽的高低液位報(bào)警器。由中壓循環(huán)系統(tǒng) 來(lái)的液氨進(jìn)入氨循環(huán)槽的 回 流室，一部分作為中壓塔的回流氨，多余的氨流過(guò)的溢流隔板進(jìn)入原料室，與新鮮原料混合。原料液氨 與 溢流氨匯合后從氨緩沖槽原料室進(jìn)入高 壓 氨泵。高 壓 液氨進(jìn)入合成塔之前，先經(jīng)過(guò)預(yù)熱器預(yù)熱到 4555176。C,高