全循环法合成尿素(年产10万吨).doc

四川理工学院专业课程设计 摘 要 本设计通过把合成氨取得的液氨和在制氨过程中得到的二氧化碳在高温高压下分：NH与CO的原料供应及净化，：NH与CO合成尿素，尿素熔融液未应成尿素物质分离和回收，尿素溶液的加工四个步骤进行合成尿素。 主要完成的任务是工艺设计、工艺计算和工程图设计。通过本设计的训练，使得我们对化工生产工艺工程，化工工程图设计和生产管理有一个全面、初步的了解。设计包括尿素生产设计说明书、全厂工艺流程图、全厂平面布置图、生产车间平面图（两张）、生产车间立面图。 关键词：尿素，水溶液全循环法，工艺，工艺流程图，布置图 目 录 摘 要………………………………………………………………………… 2 前 言 1 一 工艺流程论证 2 1.1 尿素的性质 2 1.2 各工艺流程方案的优缺点 4 1.3 工艺流程方案的选择 6 1.4 工艺流程论证 11 1.4.1 NH和CO的原料供应及净化……………………………………… 1.4.2 NH和CO合成尿素………………………………………………… 1.4.3 尿素熔融液与未反应成尿素物质的分离合成………………………… 1.4.4 尿素溶液的加工……………………………………………………… 二 典型机器设备选型及论证 2.1 尿素合成塔的选型与论证……………………………………………… 2.2 CO压缩机选型与论证………………………………………………… 2.3 换热器的选型与论证………………………………………………… 2.4 泵的选型与论证……………………………………………………… 总 结……………………………………………………………………… 参考文献…………………………………………………………………………… 致 谢 辞 13 附 录 一 14 附 录 二 14 前 言 尿素是是目前使用的固体氮肥中含氮量最高的化学肥料，以单位为氮为基准，尿素的生产、运输、储存和施用费用是最低的。尿素是一种良好的的中性肥料，不含酸根，适用于各种土壤和各种农作物，广泛用于农业、畜牧业、工业等，需求量大。 尿素广泛存在于人类和动物的尿中。人体每天排出尿素20-30g。1828年，德国化学家维勒将氰酸与氨的水溶液反应，产生一种白色结晶，这是人类历史上用人工方法，从无机物制得人体排泄出来的有机化合物尿素，成为现代有机化学兴起的标志。在维勒之后，又出现了制备尿素的其他方法，多达五十种，但是这些方法由于种种原因，或原料难得，或有毒，或反应难以控制，或经济上不合理，都未能工业化，唯一成为当代尿素工业基础反应的是俄国化学家提出在高压下加热氨基甲酸铵使之脱水，也制成了尿素 到20世纪初，开始出现工业规模的合成氨生产，由于尿素合成反应受到平衡的限制而总有来自未反应氨存在，早期的尿素工厂均将未反应的氨加工成为其他产品，所以尿素生产一定要与其他生产联合，不够方便。在20世纪30年代相继建成了第一批具有相当规模的连续不循环法尿素工厂，也称一次通过法。这为尿素工业发展奠定了基础。 此后，尿素工业高速发展起来。现在尿素是世界上普遍使用的固体氮肥。随着国家的三农政策和对农业的大力扶持，尿素生产能力在未来必然会大幅的增长。本次设计的是水溶液全循环制尿素，水溶液全循环法制尿素是指将尿素合成反应后的物料分段减压：加热使其中末反应的甲胺分解和游离氨解析出来，并逐段将氨和二氧化碳冷凝成液氨和吸收成氨基甲酸铵水溶液，用泵加压返回合成系统中去循环利用。水溶液全循环法制尿素生产过程一般可分为：原料的压缩和净化、尿素合成、循环回收、尾气吸收与解吸、蒸发和造粒等几个工序。 目前，我国大型厂采用的多数是二氧化碳汽提法和传统水溶液全循环法 一 工艺流程论证 1.1 尿素的性质 尿素物理化学性质： ⊙常压熔点132.6℃. ⊙易吸湿：硝铵>尿素>硫铵 尿素的化学性质： 1.微碱性，但不能使指示剂变色 2.与盐生成络合物 3.水解 4.缩合 2尿素→缩二脲+氨气 5.与甲醛缩合生成脲醛塑料 通常尿素的工业生产以CO和NH为原料，在高温高压作用下合成尿素较廉价。总的反应为； 2NH+CO≒CO(NH)+HO 反应过程中首先是NH和CO混合物形成液相，并大部分以氨基甲酸铵NHCOONH形成存在；其次，氨基甲酸铵脱水成为尿素。尿素合成反应只在较高温度（140℃以上）下，其反应速度才较快而具有工业生产意义。由于反应物的易挥发性，而尿素反应又必须在液相进行，所以在较高的温度下要求压力也高。工业生产的条件范围为温度160—210℃和压力13—24Mpa。 但是由于尿素合成是一个可逆反应，所有已知的尿素制法都按照两个基本步骤进行，氨和二氧化碳在高温、高压下作用形成氨基甲酸铵；之后，氨基甲酸铵脱水生成尿素和水，其反应式为： 2NH+CO≒NHCOONH △H=-100500J/mol(167℃,14MPa) NHCOONH≒CO(NH)+HO △H=27600 J/mol(180℃) 氨基甲酸铵的脱水并转化为尿素的反应是可逆的而且是不完全的。投入的原料氨和二氧化碳仅部分地转化为尿素和水，而未反应的原料则溶解于这一水溶液中。通常，以二氧化碳计的转化率为50%--70%。因原料氨和二氧化碳的配比均高于化学计量比，即NH/ CO摩尔比大于2，所以以氨计的转化率则更低。从物料平衡来说，回收或利用未反应的原料是一重要的问题。从能量平衡来说，即如何充分利用反应热量以降低能耗，是提高生产经济性的关键。 1.2 各工艺流程方案的优缺点： 以氨和二氧化碳为原料的尿素生产技术流程有多种。最早实现工业化的方法是不循环法和部分循环法；后来即被水溶液全循环法所代替；其后， 又出现了各种气提法流程。这些不同方法的生产原理是相同的，但在其实现的流程和工艺条件上有所不同。主要的尿素生产技术的工艺流程、主要设备和操作条件。 ; ^3 D& H8 E) l0 K、①.不循环法和部分循环法 尿素生产工业化早期实现的是不循环和部分循环流程。$ X+ h# C0 k3 |9 K1 j& }. J原料液氨和压缩到高压的二氧化碳气混合进入尿素合成塔进行反应。合成塔出口溶液经一次减压分解，得到较为纯净的尿素水溶液并加工成尿素产品。未反应的NH和CO气体不再返回，而是送往氨加工车间，将未转化的氨加工为硫酸铵、硝酸铵等其他产品。这种原料一次通过，未反应物不循环返回合成塔的方法称为不循环法流程。若未反应物经减压加热分解，冷凝后部分返回合成系统，称为部分循环法。 优点：工艺简单、性能稳定。 缺点：无论是不循环法或是部分循环法，在生产尿素时必定伴有大量副产物生成。此法成本高，技术落后，早已淘汰不用。 (O3 e) D) f7 p) u% y  P( ~  ]  ~ ②.水溶液全循环法 " @$ E9 p, T8 P3 h0 F0 A3 {尿素合成反应后，未转化的反应物氨和CO经过几段减压及加热分解，将其从尿素溶液中分离出来，然后全部返回合成系统，以提高原料氨和CO的利用率。此法称为全循环法。按照未反应物氨和CO的回收方式不同，又分为溶液全循环法，气体分离法(选择吸附)，浆液循环法和热气循环法等。! Ⅰ. 传统! m  t- {  r1 A' cⅡⅡ水溶液全循环法。 原料液氨和二氧化碳同循环尿素合成后未反应物氨和CO，经分解分离后，用水吸收成甲铵溶液，然后循环回合成系统称为水溶液全循环法。自20世纪60年代起迅速得到推广，在尿素生产中占有很大的优势，至今仍在完善提高。 Ⅱ. 改良C法 日本三井东压/东洋工程全循环改良C法，是传统水溶液全循环改进，此法采用较高的合成压力和温度，并取较高的氨碳比和较低的水碳比，转化效率高，降低了分解循环吸收的负荷。采用结晶重熔方法，可制得缩二脲低于0.35%的产品。但热回收利用不高，总能耗低于传统水溶液全循环法。 优点：水溶液全循环法不消耗贵重的溶剂，循环动力消耗较小投资省，曾被广泛采用，为尿素工业的发展做出了积极的贡献。 缺点：但水溶液全循环法存在不少问题.如能量得不到充分利用，反应热被大量的循环液所降温，没有充分利用；一段甲铵泵腐蚀严重，对甲铵泵的制造、操作和维修比较麻烦；为了回收微量的CO2和氨气使流程变得过于复杂。 ③.气提法 2 `% J- L5 C; c) w所谓气提法就是用气提剂如CO2、氨气、变换气或其他惰性气体，在一定压下加热，促进未转化成尿素的甲铵的分解和液氨气化。气提分解效率受压力、温度、液气比及停留时间的影响，温度过高会加速氨的水解和缩二脲的增加，压力过低，分解物的冷凝吸收率下降。气提时间愈短愈好，可防止水解和缩合反应。故气提法是采用二段合成原理，即液氨和气体CO2在高压冷凝器内进行反应生成甲铵，而甲铵的脱水反应则在尿素合成塔中进行。实际上，为了维持合成尿素塔的反应温度，部分甲铵的生成留在合成塔中，而不是全部在高压冷凝器中完成 Ⅰ.二氧化碳气提法 工艺的特点：用原料CO2气提，气提效率高，使未转化物大部分直接返回，少量残余物在一次低压分解循环即可回收，省去了中压循环，简化流程。其次，合成压力低，节省压缩机和泵的动力。高压圈内高压冷凝器的余热温度高，用来副产蒸汽，有利于能量的利用，降低蒸汽和冷却水消耗。 二氧化碳气提采用低碳比、低温、低压的合成条件，具有明显的优点，但也用其不足之处：合成反应的CO2转化率较低，增大了循环量。低氨碳比下介质的腐蚀性较严重，因此采用防腐氧气，并需注意爆炸问题。 优点：⑴流程短、设备少、易操作。⑵动力消耗少，循环物料少。操作压力、温度、流量最低，降低了合成塔，压缩机之要求。⑶蒸汽用量，冷却水用量少。⑷输送设备少，无甲铵泵等， 缺点：⑴高压设备腐蚀严重，需特别处理 ⑵因流量低，使尿素中缩二脲落高于其他法. j+ @8 o9 k  R7 H : ?# {) |) L0 s$ O1 y, F% m8 s Ⅱ.氨气提法 氨气提工艺的特点：提高合成氨碳比，提高原料CO2转化率，并有助于提高气提效率。通过热气提方式，使相当多的未转化物直接返回。高压圈内高压冷凝器副产蒸汽，有利于能量的利用。合成系统采用高碳比，还有助于减轻设备的腐蚀，少加防腐空气。 优点：与二氧化碳气提法流程相比，氨气提采用高氨碳比、高温、高压的合成条件，具有一定的优点，合成反应的CO2转化率较高，系统的腐蚀问题较轻。 缺点：氨气提（热气提）效率不如二氧化碳气提，需要设中压分解循环，流程长，设备较多。 1.3 工艺流程方案的选择 虽然二氧化碳气提法也较好，流程短、效率高，设备少，易操作动力消耗少，循环物料少。操作压力、温度、流量最低，降低了合成塔，压缩机之要求。蒸汽用量，冷却水用量少。输送设备少，无甲铵泵等。但是此合成法技术较新，许多方面还不够成熟，且高压设备腐蚀严重，需特别处理，并且容易爆炸，有一定的危险。 水溶液全循环法和气提法比较，水溶液全循环法应用较广，时间较长，所以无论是技术还是经验方面都较为成熟，水溶液全循环法不消耗贵重的溶剂，循环动力消耗较小投资省。 由于我国尿素生产主要采取水溶液全循环法而且由于碳酸铵盐水溶液全循环法工艺及技术相当成熟，设备要求简单且投资相对少，工艺流程方便易行，再添加污水处理系统以后，使整个生产的污染减少，所以这里采用碳酸铵盐水全循环法。 所以从技术性，经验性，经济性，安全性方面综合考虑选用碳酸铵盐水溶液全循法较好。