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1、哈尔滨理工大学学士学位论文年产20万吨尿素生产工艺设计摘 要尿素是一种重要的化学肥料和工业原料，在世界范围内广泛使用。自从1922年尿素开始工业化生产以来，许多国家都致力于尿素生产系统的研究，在合成机理、热力学性质和工艺流程方面都有创新和进展。尿素生产工艺是典型的化工生产工艺之一。目前尿素的生产工艺主要有水溶液全循环法，二氧化碳气提法，氨气气提法。由于气提法技术还有很多限制，因此选择技术比较成熟的水溶液全循环法。论文的主要内容有：（1）阐述了前人对尿素生成的研究概况，分析了现存工艺流程的优缺点，在成型热力学参数的基础上，建立了合适的工艺流程；（2）根据选择的工艺流程，以尿素生产和消耗为目标，对
2、整个流程进行了物料衡算和热量衡算。同时对生产系统的关键性设备进行了设计和选型；（3）根据设计数据，运用Auto CAD绘制了工艺流程图和主要设备装置图。 关键词:尿素生产；水溶液全循环；物料衡算；热量衡算；设备选型 I哈尔滨理工大学学士学位论文Urea production process design of400,000t per yearAbstractUrea is one of the important nitrogen-based fertilizers and industrial raw materials, which is widely used around the wo
3、rld . Since its production was industrialized in 1922, urea process has attracted much research from different. Innovation and achievement has been made in the synthesis mechanism , thermodynamic property and flowsheeting.The urea production process is one of the typical chemical production processe
4、s.Today the world production process of Urea are total recycle of the aqueous solution , carbon dioxide stripping process, ammonia stripping process . There are many restrictions in stripping technology, so we select the technology,total recycle of the aqueous solution, which is relatively mature .T
5、his article describes the basic profiles of the urea production process , the aqueous solution of the full cycle of urea production process and characteristics.This work is started with the thermodynamic parameters of the urea production , and then the process fiowsheeting is researched, urea produc
6、tion process is developed in order to guide the production .The main content of this paper are as follows: (1)urea-generated profiles,which was presented by former,is summarized the advantages and disadvantages of the existing process , establishing a suitable process forming based on the thermodyna
7、mic parameters; (2) According to the chosen process , in the need of increasing yield and decreasing energy cost,we calculate material balance and heat balance of the entire process . Also, the key equipments of the production system design and select ; (3)According to the design data , we use Auto
8、CAD to draw process flow diagrams , and major equipment installation . II哈尔滨理工大学学士学位论文Key words: urea production ; circulation of the aqueous solution ; material balance ; heat balance ; equipment selectionIII哈尔滨理工大学学士学位论文目 录摘 要 . I Abstract . II第1章 绪论 . 11.1 尿素的物理化学性质和用途 . 11.1.1 尿素的物理性质 . 11.1.2 尿
9、素的化学性质 . 11.1.3 尿素的用途 . 11.2 尿素发展简述 . 21.3 国内外尿素技术市场简况 . 21.4 尿素的生产方法简介 . 31.4.1 水溶液全循环法 . 31.4.2 二氧化碳气提法 . 41.5 本课题的意义和内容 . 51.5.1 课题的意义 . 51.5.2 课题的内容 . 5第2章 水溶液全循环法工艺流程 . 62.1 尿素的合成 . 62.2 尿素的工艺流程 . 62.2.1 水溶液全循环法合成尿素工艺流程简图 . 62.2.2 工艺流程 . 72.3 主要工艺条件 . 82.4 生产组织制度 . 102.5 本章小结 . 10第3章 物料衡算 . 113
10、.1 物料衡算计算条件的确定 . 113.2 水溶液全循环法流程物料衡算 . 143.2.1 压缩系统的物料衡算 . 143.2.2 合成系统的物料衡算 . 153.2.3 一段分解系统的物料衡算 . 173.2.4 二段分解系统的物料衡算 . 203.2.5 一段蒸发系统的物料衡算 . 213.2.6 二段蒸发系统的物料衡算 . 243.2.7 吸收解吸系统的物料衡算 . 26IV哈尔滨理工大学学士学位论文3.2.8 二段吸收系统的物料衡算 . 283.2.9 一段吸收系统的物料衡算 . 313.3 本章小结 . 32第4章 热量衡算 . 344.1 合成塔的热量衡算 . 344.1.1 合
11、成塔的工艺条件 . 344.1.2 合成塔的热量计算方 . 344.1.3 合成塔的热量计算 . 364.1.4 合成塔热量平衡表 . 384.2 预分离器的热量衡算 . 384.2.1 预分离器的工艺条件 . 384.2.2 预分离器的热量计算 . 394.2.3 预分离器热量平衡表 . 424.3 一段分解塔的热量衡算 . 424.3.1 一段分解塔的工艺条件 . 424.3.2 一段分解塔的热量计算 . 434.3.3 一段分解塔热平衡表 . 454.4 一段吸收塔的热量衡算 . 454.4.1 一段吸收塔的工艺条件 . 454.4.2 一段吸收塔的热量计算 . 464.4.3 一段吸收
12、塔热量平衡表 . 494.5 一段蒸发器的热量衡算 . 494.5.1 一段蒸发器的工艺条件 . 494.5.2 一段蒸发器的热量计算 . 504.5.3 一段蒸发器热量平衡表 . 524.6 一段蒸发表面冷凝器的热量衡算 . 524.6.1 一段蒸发表面冷凝器的工艺条件 . 524.6.2 一段蒸发表面冷凝器的热量计算 . 534.6.3 一段蒸发表面冷凝器热量平衡表 . 544.7 尾气吸收塔的热量衡算 . 544.7.1 尾气吸收塔的工艺条件 . 544.7.2 尾气吸收塔的热量计算 . 544.7.3 尾气吸收塔热量平衡表 . 554.8 解吸塔的热量衡算 . 554.8.1 解吸塔的
13、工艺条件 . 554.8.2 解吸塔的热量计算 . 564.8.3 解吸塔热量平衡表 . 574.9 本章小结 . 57 V 哈尔滨理工大学学士学位论文第5章 主要工艺设备计算 . 595.1 一段分解塔分离器工艺尺寸设计 . 595.1.1 一段分解塔分离器的工艺条件 . 595.1.2 一段分解塔分离器的工艺尺寸计算 . 595.2 一段吸收塔工艺尺寸设计 . 605.2.1 一段吸收塔的工艺条件 . 605.2.2 一段吸收塔的工艺尺寸计算 . 605.3 氨冷凝器工艺尺寸设计 . 695.3.1 氨冷凝器的工艺条件 . 695.3.2 氨冷凝器的工艺尺寸计算 . 695.4 本章小结
14、. 73结论 . 74致谢 . 75参考文献 . 76附录 A . 77附录 B . 83附录C . 92附录D . 93 VI 哈尔滨理工大学学士学位论文第1章 绪论1.1 尿素的物理化学性质和用途1.1.1 尿素的物理性质尿素的化学名称为碳酰二胺，分子式为CO(NH2)2，分子量为60.06，含氮量为46.65%。纯尿素为无色、无味、无臭的针状或棱柱状结晶体。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。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
15、尿素呈微碱性，可与酸作用生成盐。但尿素不能使一般指示剂变色。在酸性或中性溶液中尿素有水解作用，但在60以下，尿素不发生水解作用。随着温度的升高，水解速度加快，水解程度也增大。尿素在高温下可进行缩合反应，生成缩二脲、缩三脲和三聚氰酸。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1。1.1.3 尿素的用途尿素的主要用途：作化肥用、作饲料用、其它工业用2。1.1.3.1 作化肥用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
16、.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。1.1.3.2 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 1 哈尔滨理工大学学士学位论文用，可以造成蛋白质形态氮，故可以作为反雏动物的饲料。
17、1.1.3.3 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。1.2 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
18、。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Toy
19、o Engineering Corp.与Mitsui Toatsu Chemicals Inc.联合开发的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 2 哈尔滨理工大学学士学位论文工艺技术建造的有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44.4%；其次为Snamprogetti公司工艺，有
20、68套，总生产能力占25.6%；再次之是TEC-MTC公司的ACES工艺，有84套，总生产能力占20.1%。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。1.4 尿素的生产方法简介
21、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。1.4.1 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：二氧化碳的压缩；氨输送和尿素合成；循环回收；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
22、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
23、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。3 哈尔滨理工大学学士学位论文但也存在不足：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
24、系统的操作压力高达19.6 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 4 哈尔滨理工大学学士学位论文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
25、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2.5MPa，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68。1.5 本课题的意义和内容1.5.1 课题的意义传统的水溶液全循环工艺是20世纪40、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3040万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。1.5.2 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。 5 哈尔滨理工大学学士学位论文第2章 水溶液全循环法工艺流程2.1 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+CO2CO(NH2)2+H2O-103.7kJmol实际上反应是分两步进行的，首先是氨与二氧化
