年产20万吨水溶液全循环法制尿素中压系统的设计毕业论文(编辑修改稿)

年产20万吨水溶液全循环法制尿素中压系统的设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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。 5 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 ( 20xx ) 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 [5,6]。 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。 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 6 到 40m以下，使操作更加方便、动力消耗又有所降低。 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 [7,8]。 7 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(NH 2)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→NH 2COONH4+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(NH 2)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 （ 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 8 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浓氨水与来自液氨缓冲槽的回流氨进一步吸收，一段吸收塔顶排出的气体氨进入氨冷凝器，不凝气体至惰性洗涤器，在惰性洗涤器内被来自二段循环第二冷凝器的氨水吸收，尾气经减压后至尾气吸收塔。 惰性洗涤器排出的氨水至一段吸收塔顶部，一段吸收塔底部的浓氨基甲酸铵溶液用高压甲氨泵加压后至尿素合成塔。 预蒸馏塔排出的尿液经减压后至二段分解塔，与来自二段分解加热器的气体逆流接触后进入加热段被蒸汽加热，分解尿液中残留的过剩氨和甲铵。 出加热段的气液混合物经分离后，尿液经减压后至降膜式 真空预浓缩器，二段分解塔顶排出的气体与来自水解系统的解吸气混合后进入二段循环第一冷凝器，被二段蒸发表面冷凝液吸收，生成的二段甲铵液由甲铵泵送往真空预浓缩器的热能回收段。 出二段循环第一冷凝器的气体在二段循环第二冷凝器内继续被二段蒸发表面冷凝液吸收，生成的氨水由氨水泵送往惰性洗涤器，尾气至尾气吸收塔。 惰性洗涤器与二段循环第二冷凝器的尾气混合后进入尾气吸收塔被碳铵液吸收后进入碳铵液槽贮存，尾气通过放空总管放空。 （ 4）尿液加工 二段分解塔排出的尿液经减压后切线进入真空预浓缩蒸馏器的分离段，在 压力下，尿液中所含残余的 CO游离氨以及大部分水分蒸发出去，与液体经分布器，从换热管顶部沿管内壁向下流动形成液膜，避免蒸发的蒸汽逸出液膜表面到管中心的空间，在真空抽吸下向上流动，液膜沿管壁流下。 预蒸馏塔出口气相与二段甲铵夜在真空预浓缩器克侧反应，将尿液浓度有 76%提高到 96%（重量分数），真空预浓缩器的尿液流至收集槽，通过尿液给料泵送往蒸发分离器，在 （绝压）下，被浓缩到约为 %（质量分数）的熔融尿素，再由熔融尿素泵送往位于造粒塔顶部的旋转喷头进行造粒，造粒塔底部得到的成品颗粒尿素由皮 带输送机送至包装系统进行包装 [10]。 9 （ 5）尿素工艺流程简图 图 水溶液全循环法制尿素简图 预分离器 一段分解塔 二段分解塔 惰洗器 蒸发系统 尾气吸收塔 一吸外冷器 CO2 压缩机 尿素合成塔 一段吸收塔 10 第 3章 物料衡算 物料衡算计算条件的确定 在进行物料衡算之前，必须确定系统输入、输出、损失等物料量及计算基准等计算条件。 尿素物料衡算有下列各项： （ 1） 计算基准 尿素物料衡算常以每吨成品（含 N246%尿素）为基准。 （ 2）成品规格 按国家标准规定 [11] 表 尿素成分含量 含氮量 缩二脲 水 份 其他杂质 （ 3）原料消耗额 每生产一吨尿素耗氨 580 Kg,耗二氧化碳 785Kg。 （ 4）每吨成品中 NH3 损失量： NH3 消耗定额与成品中尿素和缩二脲所含 NH3 量之差NH3 损失量。 可按下式计算 [11] 0 3 5196 0 .0 6349 8 75 8 0   式中： —尿素分子量； —缩二脲分子量； 、 —分别为尿素及缩二脲中含 NH3 量。 （ 5） NH3 损失量在系统中具体分配 根据中间试验车间及同类型生产车间测定数据确定。 可参考下表数据： 表 氨损失分配表 高压液 氨泵漏损 Kg 解吸塔废液中排出 Kg 尾气吸收塔放空损失 Kg 二段蒸发冷凝器排出 Kg 一段蒸发喷射器放空损失 Kg 造粒塔损失 Kg 成品包装运输损失 Kg 总计 Kg （ 6）每吨成品中 CO2 损失量： CO2 消耗定额与成品中尿素和缩二脲所含 CO2 量之差即 11 为 CO2 损失量。 可按下式计算 [11] 44978780   式中： 4 88—分别为尿素及缩二脲中 CO2 含量。 （ 7） CO2 损失量在系统中具体分配 表 CO2损失分配表 二氧化碳压缩机损失 Kg 解吸塔废液排出 Kg 二段蒸发冷凝液排出 Kg 造粒塔损失 Kg 成品包装运输损失 Kg 总计 Kg （ 8）每吨成品在制造过程中 尿素的损失量及其在系统中的分配 表 尿素损失分配表 解吸塔废液中排出 二段蒸发冷凝液排出 造粒塔放空粉尘损失 成品包装运输损失 总计 一段分解系统的物料衡算 一段分解系统的工 艺条件 一段分解系统总的氨基甲酸铵分解率： 88% 一段分解系统总的过量氨蒸出率： 90% 一段分解系统预分离器的氨基甲酸铵分解率： 15% 一段分解系统预分离器的过量氨蒸出率： 66% 预分离器出口气相中水分含量： % 一段分解分离器出口气相中水分含量： 17% 一段分解加热器操作条件：压力 P=，温度 T=160℃ 12 一段分解系统的物料计算 一段分解塔出口气体组成 （ 1）气体中的 CO2 = ， （ 2）气体 中的 NH3 由过量氨蒸出： =， 由氨基甲酸铵分解而得 2=， 由一段分解塔分解出的 NH3 为 = ， 因此，气体中总氨量为 +=， （ 3） 气体中的 H2O[11] K m 。