水溶液全循环法制尿素中压系统工艺设计与优化毕业论文(编辑修改稿)

水溶液全循环法制尿素中压系统工艺设计与优化毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

架高度降到 40m以下，使操作更加方便、动力消耗又有所降低。 缺点： CO2 气提法生产尿素 工 艺装置的静止高压设备较多，有尿素合成塔、高压二氧化碳气提塔、高压甲铵冷凝器、高压洗涤 器四大主要设备，它们是 ： CO2 气提法尿素工艺生产装置的核心，其它均为低压设备，所以该尿素工艺生产装置的技术改造比较困 难，改造增产潜力较小。 高压二氧化碳气提塔加热需要的蒸汽品质较高 ， 为 ，不如水溶液全循环尿素需用的蒸汽压力低。 7 第 2 章 水溶液全循环法生产尿素的原理 水溶液全循环法是将未反应的氨和二 氧 化碳经减压加热分解分离后，用水吸收生成甲铵或碳酸铵水溶液再循环返回合成系统。 反应原理 生产尿素的原料是氨和二氧化碳，后 者 是合成氨厂的副产品 [5]。 尿素合成反应分两 步进行： ① 氨与二氧化碳作用生成氨基甲酸铵 (简称甲铵 )； ② 甲铵脱水生成尿素，其反应式为： 2NH3+CO2—NH2COONH4 + （ 21） NH2COONH4—CO(NH2)2+H2O （ 22） 式 (21)是快速、强放热反应，且平衡转化率髙。 式 (22)是慢速微吸热的可逆反应，且需要在液相中进行。 当温度为 170190176。 C 时 ，氨与二氧化碳的摩尔比为 ，压力高到足以使反应物得以保持液态时，甲铵转化成尿素的转化率为 50%；其反应速率随温度的提高而增大。 当温度不变时，转化率随压力的升高而增大，转化率达到一定值后继续提高压力，不再有 明 显增大，此时， 几 乎全部反应混合物都以液态存在。 提髙氨与二氧化碳的摩尔比 可 增 大二氧化碳的转化率，降低氨的转化率。 在实际生产过程中，由于氨的 回 收比二氧化碳容易，因此都釆用氨过量， 一 般氨与二氧化碳的摩尔比 3。 反应物料中水的存在将降低转化率，在工业设计中要把循环物料中的水量降低到 最小限度。 增加反应物料的停 留时间能提高转化率，但并不经济。 典型的工艺操作条件是温度 180200176。 C、 压力 〜 、 氨与二氧化碳摩尔比 反应物料停留时间2540min。 反应机理 尿素合成的基本原理 氨与二氧化碳直接合成尿素的总反应为： 2 NH3+CO2→ CO(NH2) 2+ H2O ﹣。 这是一个可逆、放热、体积缩小的反应，反应在液相中是分两步进行的。 首先液氨和二氧化碳反应生成甲铵，故称其为甲铵生成反应： 2NH3+CO2→ NH2COONH4。 在一 定条件下，此反应 速率很快，容易达到平衡。 且此反应二氧化碳的平衡转化率很高。 然后是液态甲铵脱水生成尿素，称为甲铵脱水反应：NH2COONH4→ CO(NH2) 2+ H2O。 平衡转化率一般为 50%70%，此步反应的速率也较缓慢， 8 是尿素合成中的控制速率的反应。 反应速度 从生成尿素的反应机理可知甲铵脱水是反应的控制阶段，但甲铵脱水反应在气相中不能进行，在同相中反应速率较慢，而在液相中反应速率较快，故甲铵脱水生成尿素的反应必须在液相中进行。 因 此决定反应速率的 因 素有两个 ： ① 氨和二氧化碳由气相进入液相的速率 ② 液相中甲铵脱 水的速率。 9 第 3 章 水溶液全循环法的生产工艺流程 尿素的合成 液氨和二氧化碳直接合成尿素 总反应为： 2 NH3+CO2—CO(NH2)2+H2O （ 31） 实 际上反应是分两步进行的 ， 首先是氨与二氧化碳反应生成氨甲酸铵： 2 NH3+ CO2—NH2COONH4 + （ 32） 该步反 应是一个可逆的体积缩小的强放热反应 ,在一定条件下，此反应速率很快 , 客易达到平衡，且此反应二氧化碳的平衡转化率很高。 然 后是液态甲铵脱水生成尿素，称为甲铵脱水反应 ： NH2COONH4—CO(NH2)2+H2O （ 33） 此步反应是一个可逆的微吸热反应，平衡转化率一般为 50%〜 70%，并且反应的速率也较缓慢，是尿素合成中的控制速率的反应。 合成尿素的理论基础 在一定条件，氨基甲酸铵的生成速度是很快的，而氨基甲酸 铵的脱水速度则很慢。 所以，在合成尿素的生产中，反应时间的长短和尿素合成产率的高低，直接与氨基甲酸铵的脱水速度和尿素合成反应的平衡有关。 尿素的工艺流程图 水溶液全循环法合成尿素工艺流程 ： 水溶液全循环法合成尿素工艺流程图如图 31，经过加压预热的原料液氨与经压缩后的原料二氧化碳气及循环回收来的氨基甲酸铵液一并进入预反应器。 在预反应器内氨与二氧化碳反应生成氨基甲酸铵，在进入尿素合成塔，在塔内氨基甲酸铵脱水生成尿素。 尿素熔融物从塔顶出来进入预分离器，将氨基甲酸铵和氨进行分离。 氨基甲酸铵从预分离器底部出来 进入中压循环加热器，用蒸汽加热进一步提高温度，促使残余氨基甲酸铵分解。 气、液在低压循环分离器内分离。 分离出来的尿液经减压至常压后，进入闪蒸槽，经减压后尿液中的氨基甲酸铵和氨 几 乎全部清除。 自闪蒸 槽 出来的尿液进入尿液贮槽，用尿素溶液泵打入中压蒸发加热器及低压蒸发加热器，在不同真空度下加热蒸发，气、液分别在中压蒸发分离器及低压蒸发分离器内分离。 低压分离器出口尿液浓度达 % (质量）以上，用熔融尿素泵打入造粒塔，经造粒喷头撒成尿粒，在塔 底 得到成品尿素 [6]。 10 去 回收系统 去 冷凝真空系统 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 图 水溶液全循环法合成尿素示意流程图 Figure fullcirculation with water solution for urea synthesis flow chart 1预反应器； 2尿素合成塔； 3预分离器； 4中 压循环加热器； 5中 压循环分离器； 6精馏塔。 7低压循环加热器； 8低压循环分离器； 9闪蒸槽； 10尿素贮槽； 11尿素溶液泵； 12—段蒸发加热器； 13—段蒸发分离器； 14二段蒸发加热器； 15二段蒸发分离器； 16熔 融尿素泵； 17造粒塔预 分离器、中压循环分离器、低压循环分离器及精馏塔顶部出来的氨和二氧化碳，进入 回 收系统。 回收的氨 与 二氧化碳以液氨或氨基甲酸铵的形式返回合成系统循环使一段蒸发分离器、二段蒸发分离器及闪蒸槽出来的气体，大部分水蒸气和少量的 氨去冷凝、真空系统，回收残余氨后放空。 合成尿素工艺流程 水溶液全循环法合成尿素工艺流程简图如 32，由造气炉产生的半水煤气脱碳后 ， 其中大部分的二氧化碳由脱碳液吸收、解吸后，经油水分离器，除去二氧化碳气 体 携带的脱碳液，进入二氧化碳 压 缩机系统，由 压 缩机出来的二氧化碳气体 压 力达到 16 MPa 后 进入尿素合成塔。 从合成氨车间氨库来的液氨进入氨储罐，经过氨升压泵加 压进入高压液氨泵，加压至 20MPa 左右，经过预热后进入甲铵喷射器作为推动液，将来自甲铵分离器的铵 11 溶液增压后混合一起进入尿素合成塔。 尿素合成塔内温度为 186〜 190176。 C， 压力为 200MPa左右， NH3/CO2 的摩尔比和 H2O/CO2 的摩尔比控制在一定的范围内。 合成后的气液混合物进入一段分解，进行气液分离，将分离气相后的尿液 送入二段分解，进一步见混合物中的气相除去。 净化后的尿液依次进入闪蒸槽、一段蒸发、二段 蒸发浓缩，最后得到尿素熔融物，用刮料 泵输送到尿素造粒塔喷洒器， 图 水溶液全循环法生产尿素 工 艺流程简图 Figure fullcirculation with water solution urea production process flow diagram 在空气中沉降冷却同化成粒状尿素，并通过尿素塔底机用运输皮带送往储存包装车从一段分解、二段分解出来的气相含有未反应的氨和二氧化碳，分别进入一段吸收和二段吸收，氨和二氧化碳被后面闪蒸、一段蒸发、二段蒸发工段冷凝下来的 冷凝水吸收混合形成水溶液，用泵送入尿素合成塔；一段吸收后剩余的气体进入惰洗器稀释后，与二段吸收的残余气体混合进入尾气吸收塔，与一段蒸发、二段蒸发工段气相冷凝除去水后残余的气体混合后放空。 原料的准备 合成尿素的主要原料是液氨和气体二氧化碳，二者分别是合成氨厂的主副产品，所以合成氨和尿素生产装置设在一起，联合生产 [7]。 氨的性质 氨的分子式为 NH3，分子量为 ，在常温常压下是无色的具有特殊刺激性的气体， 液氨 泵 冷凝 合 成 塔 分 解 分 离 吸收 蒸发 分离 冷凝 减压 干燥造粒 尿素 含氨 凝液 压缩 二氧 化 碳 12 在低温高压下可以液化，当温度低于 176。 C 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 / 176。 C 临界压力（绝压） /MPa 临界比容 /(nrg) 密度（气体在标准状态下 ） / (mg/L) 760 尿素生产对液氨质量的要求其 质量数 氨 %，水 %，油 10mg/kg。 二氧化碳 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为 同体，成 为干冰 ， 其分子式为 CO2,分子量 为 44，其临界压力为 ， 临界温度为 31176。 C， 临界密度为 的 1113，标准状态下气体密度为 外，液体的密度为 的 m3， 沸点为176。 C， 熔点为 176。 C. 尿素生产对原料二氧化碳气的要求为： CO2 含量 % (体积分数） H2S 含量 15mg/m3。 原料的净化与输送 二氧化碳脱硫与压缩原理 脱硫 原料二氧化碳是合成氨装置生产的副产物，其中含有极少量的硫化物（主要是硫化氢）。 为了减少硫化氢对尿素设备及 管道的腐蚀 ， 首 先必须对其进行脱硫。 方法有 干法和湿法，干法较常用，可以达到很高的净化度，但只有当空气中的硫化氢含量较低时才能应用 （ lg/m3)， 所以必须与湿法串联，干法放在其后。 其流程图如图 33。 13 风机 文丘里 烟气 排渣脱水干化运走 二氧化碳脱硫原理图 Figure carbon dioxide desulfurization principle diagram 压缩 有合成氨系统送来的二氧化碳气体，进入压缩机之前，在总管内与氧气混合。 加氧是为了防止合成、循环系统的设备腐蚀。 氧气需要量约为二氧化碳总量的 0. 5% (体积），二氧化碳通过一个带有水封的液滴分离器，用来除去二氧化碳气体中的水滴以保护二氧化碳压 缩机。 在液滴分离器之前设有放空阀， 当 系统停车或生产能力骤减时 , 由此放出一部分二氧化碳。 液氨的净化与输送 从合成氨装置内送来的 表压下的液氨 ,通过氨过滤器除去杂质进入 系统 [8]。 过滤后的液氨送入液氨缓冲槽的原料室 中。 液氨缓冲槽设有控制阀可自动控调节，并在控制盘上设有液氨缓冲槽的高低液位报警器。 由中压循环系统 来的液氨进入氨循环槽的 回 流室，一部分作为中压塔的回流氨，多余的氨流过的溢流隔板进入原料室，与新鲜原料混合。 原料液氨 与 溢流氨汇合后从氨缓冲槽原料室进入高 压 氨泵。 高 压 液氨进入合成塔之前，先经过预热器预热到 4555176。 C,高。