年产40万吨尿素生产工艺设计

年产40万吨尿素生产工艺设计内容摘要：

壤后无残存废物。 作饲料用 尿素中氮虽不是蛋白质形态的，但和碳水化合物一起经过胃液长时间作哈尔滨理工大学学士学位论文 2 用，可以造成蛋白质形态氮，故可以作为反雏动物的饲料。 其它工业用 目前，据不完全统计，全世界尿素作工业原料在总产量中占很大比重。 主要有脲醛树脂、塑料、油漆、和胶黏剂，尿素的缩合物三聚氰胺是一种较好的涂料。 尿素还可以用作巴比妥、洁齿剂和利尿剂等药物的原料。 此外，尿素可以用作石油精制剂、纤维软化剂、炸药稳定剂等。 尿素发展简述 1773 年， Rouelle 首先在尿液中发现了尿素。 1828 年， Woehler 将氨和氰酸合成为尿素，开辟了以无机物合成有机物的先河。 20 世纪 30 年代，世界上首先以一次通过法实现尿素的工业化生产。 40 年代中，改进为部分循环法工艺； 50 年代末，实现水溶液全循环法工艺的工业化生产。 之后，陆续出现各种水溶液全循环法工艺。 60 年代期间，建立起日产 1000 吨以上的单系列大型化装置。 1967 年，荷兰 Snamprogetti 工程公司率先开发成功高压等压气提工艺，以 CO2 气作为气提剂在日产 220 吨装置上实现了工业化上产。 随之意大利 Snamprogetti 工程公司开发成功氨气提工艺 ，日产 300 吨装置投入生产， CO2 气提法工艺在 1968 年、氨气提工艺在 1971 年分别建成 1000 吨 /天 以上单系列大型化装置。 80 年代初，为了进一步降低能耗，又推出了多种节能型高压气提工艺，如改良 CO2气提工艺，改良氨自身气提工艺，意大利 Montedison 公司开发的IDR(Isobaric Double Recycle)工艺，日本 Toyo Engineering Mitsui Toatsu Chemicals ACES(Advanced Process for Cost and Energy Saving)工艺等。 以尿素生产工艺的发展历史而言，实现全循环是一次工艺技术的飞跃；它割掉了尾气氨加工制造其他氮肥的硕大尾巴；而实现高压合成圈等压气提回收则是尿素工艺技术的又一次飞跃，在高压圈内回收了大量的未反应物，从而大幅度减轻下游分解及回收的负荷，而且回收了用于分离未反应物所耗的热量，用来副产低压蒸汽以用于下游工序，至于节能型尿素工艺的问世，只能视为尿素气提工艺经过十几年实践经验的积累，作出了较为重大的合理化改造，使氨基甲酸铵生成热更合理的回收利用，较大幅度地降低能耗，工艺技术更 趋成熟，装置运转稳定可靠。 国内外尿素技术市场简况 目前在世界尿素工业界认为较先进的是三大尿素专利公司的技术，它们是 Snamprogetti 公司的氨自身气提工艺、 TECMTC 公司的 ACES 工艺、Stamicarbon 公司的气提工艺。 到目前为止，全世界已建成及在建的尿素装置总数达 450 套，总生产能力为 301800 吨 /天。 其中采用三大尿素专利公司的哈尔滨理工大学学士学位论文 3 工艺技术建造的有 348 套，总生产能力占世界总能力的 90%，采用最多的Stamicarbon 公司工艺，有 196 套，总生产能力占全世界的 %；其次为Snamprogetti 公司工艺，有 68 套，总生产能力占 %；再次之是 TECMTC公司的 ACES 工艺，有 84 套，总生产能力占 %。 我国已建及在建的尿素生产装置共 110 套，总生产能力为 58680 吨 /天，占世界总生产能力的 20%。 国内尿素装置采用的工艺技术除我国自行研发的水溶液全循环法外，世界上的主要工艺也均引进。 我国自 20 世纪 70 年代开始引进 CO2 气提法工艺的大型装置，目前共有 15 套大型装置 （ 全套引进或合作设计、采购 ） ， 6 套中型装置以及 2 套小型装置 （ 均为国内自行设计、自行制造设备 ）。 在 110 套装置 中 30 套大、中型装置采用国外工艺，总生产能力为 39880 吨 /天，占全国总生产能力 68%[3,4]。 尿素的生产方法简介 按未反应物的循环利用程度，尿素生产方法可分为不循环法、半循环法和全循环法三种。 依气提介质的不同，分别称为二氧化碳气提法、氨气提法、变换气气提法。 依照分离回收方法的不同主要分为水溶液全循环法、气提法等。 按气提气体的不同又可分为二氧化碳气提法、氨气提法、变换气气提法。 水溶液全循环法 20 世纪 60 年代以来，全循环法在工业上获得普遍采用。 全循环法是将未转化成尿素的氨和二氧化碳经减压加热和分离 后。 全部返回合成系统循环利用，原料氨利用率达 97%以上。 全循环法尿素生产主要包括四个基本过程：①二氧化碳的压缩；②氨输送和尿素合成；③循环回收；④尿素溶液的加工。 我国尿素厂多数采用水溶液全循环法。 水溶液全循环尿素工艺生产装置的静止高压设备较少，只有尿素合成塔及液氨预热器为高压设备，其它均为中压和低压设备，所以该尿素工艺生产装置的技术改造比较容易、方便，改造增产潜力较大。 氨碳比控制的较高，一般摩尔比为 左右，工艺介质对生产装置的腐蚀性较低，由于氨碳比控制的较高，二氧化碳气体中氧含量控制的较低，并且尿素合 成塔操作压力为 ，操作温度为 188~190℃ ，所以水溶液全循环生产尿素工艺中二氧化碳转化率较高，一般能达到 42%68%，经过尿素合成塔塔板的改造，有的企业已经达到 68%以上。 由于该工艺高压设备较少，高压系统停车保压时间可以达到 24h，所以生产装置的中小检修一般可以在尿素合成塔允许的停车保压时间内完成，减少了高压系统排放的次数，降低了尿素的消耗。 由于氨碳比控制的较高，中低压分解系统温度控制适当，尿素产品质量较容易控制，一般可以控制在优级品范围内。 水溶液全循环尿素工艺可靠、设备材料要求不高、投资较 低。 哈尔滨理工大学学士学位论文 4 但也存在不足：水溶液全循环尿素工艺生产装置的工艺流程较长，在操作调节方面不如 CO2 气提法生产尿素工艺简单、方便。 由于氨碳摩尔比控制得较高，一般稳定在 左右，并且未反应生成尿素的氨和二氧化碳气体全部要经过低压、中压循环吸收系统回收后再返回到尿素合成塔，液氨泵和一段甲铵泵的输送量比较多，所以该工艺中液氨泵和一段甲铵泵的台数较多，动力消耗较多。 由于该工艺高压系统的操作压力高达 MPa，并且一段甲铵液的工艺要求温度高达 90℃左右，所以一段甲铵泵和液氨泵的运行周期较短、检修维护时间较多、维修费用较高。 二氧化碳气体压缩机由于出口压力高达 ，比 CO2汽提法高 ，故其运行周期也相对较短、维修工作量较多、维修费用较高。 水溶液全循环尿素工艺的另一个缺点就是，目前国内在运行的生产装置大多为年产 ( 2020 ) 104t/a(经过改造后的生产能力 )，也有个别厂家经过双尿素合成塔改造后达到了年产 30~10 吨 ，最近山东化工规划设计院也设计了年产 30~40 万吨尿素的水溶液全循环法生产尿素的装置，但从单套装置的设计生产能力来说，相对于 CO2 气提法生产尿素工艺的装置还 相差较远 [4,5]。 二氧化碳气提法 二氧化碳气提法就是把合成塔排出的合成反应液，在合成压力和较高温度下在“汽提塔”内与气提气 （ 氨、二氧化碳或惰性气体 ） 逆流相遇，将氨和二氧化碳从尿液中分解出来，然后将气体导入一个“高压甲铵冷凝器”内，与新鲜氨化合并冷凝为甲铵液，放出的热量用于副产蒸汽。 二氧化碳气提法尿素生产主要包括四个基本过程：①原料液氨和 CO2 的压缩；②尿素合成及 CO2气提；③循环回收；④尿素溶液的加工。 CO2 气提法尿素工艺生产装置的工艺流程较短，在操作调节方面比较简单、方便。 能耗低、生产费用低。 该工 艺的特点是采用共沸物下的 CO(NH2)2摩尔比为 作为操作控制最佳指标进行操作，大部分未反应生成尿素的氨和二氧化碳在高压系统内循环继续反应生成尿素，只有较少部分的氨和二氧化碳需要在低压部分进行回收，液氨泵和甲铵泵的输送量比较少，所以该装置中液氨泵和甲铵泵的台数较少，动力消耗较少，并且该工艺高压系统的操作压力较低，为 ~，使液氨泵和甲铵泵的运行周期较长，维修费用较少。 该工艺能够回收较高品位的甲按反应热，除本系统加热使用外还可剩余少部分富裕低压蒸汽供外系统使用。 CO2 气提法尿素的另一个 优点就是，生产装置的生产能力的范围较宽，运行都很正常稳定。 并且荷兰斯塔米卡邦公司最近几年又对该工艺进行了大量研究工作，开发出了单套装置年产100100t/a 尿素的尿素池式冷凝器技术。 与传统高压甲铵冷凝器不同的是，池式冷凝器可提供一定的停留时间，使甲铵生成尿素的反应在此可达到反应平衡的 60%~80%， 使生产装置产能在原设计能力的基础上翻一番，并且尿素主框架高度降到 40m 以下，使操作更加方便、动力消耗又有所降低。 哈尔滨理工大学学士学位论文 5 CO2 气提法也存在缺点：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。 CO2 气提工艺还暴露出一些不足，主要是尾气的易燃爆，设备腐蚀严重、操作条件苛刻、操作弹性较差 [6～ 8]。 本课题的意义和内容 课题的意义 传统的水溶液全循环工艺是 20 世纪 50 年代最早实现全循环的尿素生产流程，目前我国采用水溶液全循环法的中型尿素厂有 30 多套，小型厂120 套，但是年产 30～ 40 万吨的大型尿素厂很少。 本课题在总结国内外先进尿素工艺技术的基础上，建立年产 40 万吨水溶液全循环尿素生产模型，进行研究设计，从而实现大型尿素厂水溶液全循环法的生产。 课题的内容 主要 进行工艺 流程选择 、 物料衡算、能量衡算、主要 设备选型 ，并绘制了 工艺流程图和 全厂平面布置图。 哈尔滨理工大学学士学位论文 6 第 2章 水溶液全循环法工艺流程 尿素的合成 工业上是由液氨和二氧化碳直接合成尿素的，其总反应式为： 2NH3+CO2→CO(NH2)2+mol 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基甲酸铵： 2NH3+CO2→NH2COONH4+mol 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+mol 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 [9]。 尿素的工艺流程 水溶液全循环法合成尿素工 艺流程简图 水溶液全循环法合成尿素工艺流程简图见图 21。 图 21 水溶液全循环法尿素工艺流程简图 哈尔滨理工大学学士学位论文 7 工艺流程 1． 二氧化碳压缩 来自脱碳工段的二氧化碳气体经分离器分离后进入 CO2 压缩机；经五段压缩至 ，气体温度约为 125℃ ，送往尿素合成塔。 2． 氨的输送和尿素合成 原料液氨经过氨 过滤器过滤后进入液氨缓冲槽的原料室中。 由中压循环系统返回的液氨，进入液氨缓冲槽的回流室。 一部分作为吸收塔的回流氨，多余的液氨流过溢流隔板进入原料室，与新鲜原料氨混合。 混合后的液氨进入高压液氨泵，被加压到 ，然后去液氨预热器加热至 40～ 60℃进入尿素合成塔。 原料 CO2 气体、液氨、循环回收工序来的甲铵液同时送入尿素合成塔底部，其组成 NH3/CO2=、 H2O/CO2=，在约为 （绝压）， 190℃的条件下合成。 气液混合物自下而上经等温内件及多块塔板，保证 25～40min 的 停留时间，约有 63%的 CO2转化为尿素。 3． 循环回收 尿素合成塔的反应产物经减压至 后进入预分离器，在此分离出闪蒸气体后，溶液自流至预蒸馏塔，与来自一段加热器的热气体逆流接触，进行蒸馏，使液相中的部分甲铵与过剩氨进一步分解、气化，同时气相中的水蒸汽部分冷凝，蒸馏后的尿液自下而上进入蒸汽加热器管内，在蒸汽的加热作用下约 88%的甲铵在此分解。 预分离器分离出的气体至一段吸收外冷凝器。 预蒸馏塔底排出的液相减压后至二段分解塔。 来自预蒸馏塔的气体与二甲铵液在降膜式真空预浓缩气器的热能回收段加热尿液，出热能回收的气液混合物与预分离气体混合后进入一段吸收外冷凝器，在软水的循环冷却作用下，气体发生冷凝，出一段吸收外冷凝器的气液混合物进入一段吸收塔，未被吸收的气体被来自惰性洗涤器的。