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1、焦作大学 毕 业 设 计（论 文）(化工与环境工程学院) 题 目 年产5万吨水溶液全循环法生产尿素 工艺设计 专 业 应用化工技术 班 级 姓 名 学 号 指导教师 完成日期 2011.03.202011.04.22 化工与环境工程学院毕业设计（论文）目录摘 要1第一章 概述21.1尿素的物理化学性质和用途21.1.1尿素的物理性质21.1.2尿素的化学性质21.1.3尿素的用途21.2 尿素的生产方法简介31.2.1水溶液全循环法31.3两种方法的比较41.3.1水溶液全循环尿素工艺的优、缺点41.2.3 C02汽提法尿素工艺的优、缺点51.3.3尿素的发展前景与展望5第二章 水溶液全循环法
2、生产尿素的原理72.1反应原理72.2反应机理72.2.1尿素合成的基本原理72.2.2反应速度8第三章 水溶液全循环法的生产工艺流程93.1尿素的合成93.1.1液氨和二氧化碳直接合成尿素93.1.2合成尿素的理论基础93.2尿素的工艺流程图93.2.1水溶液全循环法合成尿素工艺流程93.2 合成尿素工艺流程103.3原料的准备113.3.1氨的性质113.3.2二氧化碳123.4原料的净化与输送123.4.1二氧化碳脱硫与压缩原理123.4.2液氨的净化与输送133.5低压分解与吸收133.6尿素溶液的蒸发与造粒13第四章 生产尿素的工艺条件144.1温度的影响144.2氨碳比（摩尔比）或
3、过量氨的影响154.3水碳比154.4操作压力154.5反应时间164.6惰性气体的影响16第五章 生产尿素的主要设备175.1脱硫塔175.2二氧化碳压缩机175.3合成塔185.4高压混合塔185.5中压分解加热器195.6中压分解分离器195.7中压吸收器205.8氨冷凝器205.9低压分解精馏塔225.10低压吸收第一氨基甲酸铵冷凝器225.11低压吸收第二氨基甲酸铵冷凝器225.12氨吸收塔23第六章 物料衡算和热量衡算246.1 物料衡算246.2 热量衡算25致谢28参考文献29II摘 要尿素工业化生产以来的百余年间，一直是肥料工业生产的主要品种。由于具有生产工艺简单，生产操作易
4、于掌握；生产设备容易制造，投资较省；施用后见效快，增产显著等特点。尿素在各种肥料新品种不断涌现的情况下产销量仍持高不下。本设计介绍了尿素的性质、用途、生产方法和发展状况，详细描述了水溶液全循环法生产尿素的工艺流程，重点介绍了尿素的工业生产的过程 ，并对单位质量参加反应的原料进行物料衡算和热量衡算，以期获得低耗能、低污染、高产出的尿素生产工艺。关键词：尿素；全循环；发展；工艺流程第一章 概述1.1尿素的物理化学性质和用途 1.1.1尿素的物理性质分子式：CO(NH2)2，分子量 60.06，因最早由人类及哺乳动物的尿液中发现，故称尿素。纯净的尿素为无色、无味针状或棱柱状晶体，含氮量为46.6%，
5、工业尿素因含有杂质而呈白色或浅黄色，工业或农业品为白色略带微红色固体颗粒无臭无味。密度1.335g/cm3。熔点132.7。超过熔点则分解。尿素较易吸湿，贮存要注意防潮。尿素易溶于水和液氨，其溶解度随温度升高而增大。1.1.2尿素的化学性质易溶于水、醇，不溶于乙醚、氯仿。呈微碱性。可与酸作用生成盐。有水解作用。在高温下可进行缩合反应，生成缩二脲、缩三脲和三聚氰酸。加热至160分解，产生氨气同时变为氰酸。因为在人尿中含有这种物质，所以取名尿素。尿素含氮(N)46，是固体氮肥中含氮量最高的。尿素在酸、碱、酶作用下（酸、碱需加热）能水解生成氨和二氧化碳。对热不稳定，加热至150160将脱氨成缩二脲。
6、若迅速加热将脱氨而三聚成六元环化合物三聚氰酸。（机理：先脱氨生成异氰酸（HN=C=O），再三聚）。在氨水等碱性催化剂作用下能与甲醛反应，缩聚成脲醛树脂。与水合肼生成氨基脲2NH3+CO2NH2COONH4CO(NH2)2+H2O粒状尿素为粒径12毫米的半透明粒子，外观光洁，吸湿性有明显改善。20时临界吸湿点为相对湿度80，但30时，临界吸湿点降至72.5%，故尿素要避免在盛夏潮湿气候下敞开存放。目前在尿素生产中加入石蜡等疏水物质，其吸湿性大大下降。 1.1.3尿素的用途尿素是一种高浓度氮肥，属中性速效肥料，也可用来生产多种复合肥料。在土壤中不残留任何有害物质，长期施用没有不良影响， 但在造粒中
7、温度过高会产生少量缩二脲，又称双缩脲，对作物有抑制作用。我国规定肥料用尿素缩二脲含量应小于0.5%。缩二脲含量超过1%时，不能做种肥，苗肥和叶面肥，其他施用期的尿素含量也不宜过多或过于集中。尿素是有机态氮肥，经过土壤中的脲酶作用，水解成碳酸铵或碳酸氢铵后，才能被作物吸收利用。因此，尿素要在作物的需肥期前48天施用。尿素是目前使用的含氮量最高的化肥。尿素属中性速效肥料，长期施用不会使土壤发生板结。其分解释放出的CO2也可被作物吸收，促进植物的光合作用。在土壤中，尿素能增进磷、钾、镁和钙的有效性，且施入土壤后无残存废物。1.2 尿素的生产方法简介生产尿素的方法有很多种，20世纪60年代以来，全循环
8、法在工业上获得普遍采用，最常用的是水溶液全循环法生产尿素和二氧化碳气提法生产尿素。合成氨生产为NH3和CO2直接合成尿素提供了原料。由NH3和CO2合成尿素的总反应为：2NH3+CO2CO(NH2)2+H2O。该反应是放热的可逆反应，转化率一般为5070%。因此从合成塔出来的尿素溶液中除了尿素外，还有氮和甲铵。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。1.2.1水溶液全循环
9、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：氨和二氧化碳原料的供应及净化；氨和二氧化碳合成尿素；未反应物的分离与回收；尿素溶液的加工。其生产过程如图1-1所示。图1-1 水溶液全循环法生产尿素工艺流程图1.3两种方法的比较1.3.1水溶液全循环尿素工艺的优、缺点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。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
10、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4.0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19.6MPa，操作温度为188190，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
11、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。缺点是：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4.0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19.6 MPa，并且一段甲铵液的工
12、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20.0MPa，比CO2汽提法高5.0MPa，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() 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3010吨，最近山东化工规划设计院也设计了年产3040万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。1.2.3 C02汽提法尿素工艺的优、
13、缺点气提法是利用某一气体在与合成等压的条件下分解甲铵并将分解物返回合成系统的一种方法。气提法是全循环法的发展，具有热量回收完全，氨和二氧化碳处理量较少的优点。此外，在简化流程、热能回收和减少生产费用筹方面也都优于水溶液全循环法是尿素生产发展的一种方向。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2.89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
14、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13.514.5MPa，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。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
