尿素工艺设计.docx

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1、1概述 31.1尿素-发现31.2尿素-简介31.3尿素-物化性质 31.4尿素的生产41.5尿素的用途61.6尿素正确贮存方法 72尿素的生产工艺 82.1尿素合成的基本原理82.2 尿素合成的工艺条件 82.3尿素的生产工艺流程92.4尿素的工艺计算122.5尿素合成塔142.6尿素合成塔的操作控制分析一化工生产操作之三143尿素溶液加工方法 163.1结晶法 163.2塔式喷淋法造粒 163.3颗粒成型法造粒174尿素工艺技术的改进 174.1尿素合成塔采用高效塔板 174.2Stamicarbon池式反应器工艺(Urea 2000+tm) 184.3合成塔出液NH3/CO2自动控制系统

2、 245尿素的贮存 266致谢 271概述1.1尿素-发现1773年，伊莱尔罗埃尔(Hilaire Rouelle)发现尿素。1828 年，弗里德里希维勒首次使用无机物质氰酸钾与硫酸铵人工合成了 尿素。本来他打算合成氰酸铵，却得到了尿素。从此，活力论的错误 证明了，有机化学实际上开辟了。活力论认为无机物与有机物有根本 性差异，无机物所以无法变成有机物。哺乳动物、两栖动物和一些鱼 的尿中含有尿素；鸟和爬行动物排放的是尿酸，因为其氮代谢过程使 用的水量比较少。1.2尿素-简介别名：碳酰二胺、碳酰胺、脲分子式：co(nh2)2，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

3、肥中含氮量最高的。尿素在人的蛋白质分解最终产物中占有相当大的比例尿素外观 为白色晶体或粉末。是动物蛋白质代谢后的产物，通常用作植物的氮 肥。尿素是哺乳类动物排出体内含氮代谢物的形式。尿素也是很重 要的肥料。1.3尿素-物化性质分子式：C0(NH2)2，分子量60.06，无色或白色针状或棒状结晶 体，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. 7C。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160C分解，产生氨气同时 变为氰酸。尿素在酸、碱、酶作用下（酸、碱需加

4、热）能水解生成氨 和二氧化碳。对热不稳定，加热至150160C将脱氨成缩二脲。若迅 速加热将脱氨而三聚成六元环化合物三聚氰酸。尿素易溶于水，在20C时100毫升水中可溶解105克，水溶液 呈中性反应。尿素产品有两种。结晶尿素呈白色针状或棱柱状晶形， 吸湿性强。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。尿素是生理中性肥料，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。尿素在转化前是分子态的，不能被土壤吸附，应 防止随水流失；转化后形成的氨也易挥发，所以尿素也要深施覆土。尿素是人工合成的第一个有机物，

5、广泛存在于自然界中，如新鲜 人粪中含尿素0.4%。尿素产量约占我国目前氮肥总产量的40%，是 仅次于碳铵的主要氮肥品种之一。尿素作为氮肥始于20世纪初。20 世纪50年代以后，由于尿素含氮量高（45%46%），用途广泛和工 业流程的不断改进，世界各国发展很快。我国从20世纪60年代开始 建立中型尿素厂。19861992年，我国尿素产量均在900万吨以上。 目前占氮肥总产量的40%。工业上用液氨和二氧化碳为原料，在高 温高压条件下直接合成尿素，化学反应如下：2NH3+CO2NH COONH CO（NH） +N O2 42 221.4尿素的生产尿素最先由鲁爱尔于1773年在蒸发人尿时发现的。182

6、8年佛勒 在实验室首先用氨和氰酸合成了尿素：HCON +NH =CO(NH2)2此后，出现了以氨基甲酸铵、碳酸铵及氰氨基钙等作为原料的50 余种合成尿素的方法.但是因原料难得或因有毒性或因反应条件难以 控制或因经济上不合理在工业上均未得到实现1868年巴扎罗夫提出高压下加热氨基甲酸铵脱水生成尿素的方 法.1922年首先在德国发本公司奥包工厂实现了以NH3和CO2直接合成 尿素的工业化生产，从而奠定了现代工业生产尿素的基础合成氨生产为NH3和CO2直接合成尿素提供了原料由NHJ CO2合 成尿素反应为：2NH+CO =CO(NH)+HO3 22 22该反应是放热的可逆反应，其产率受到化学平衡的限

7、制，只能部 分的转化为尿素,一般转化率为5070%.因而,按转化物的循环利用 程度，尿素的生产方法可分为不循环法、 半循环法和全循环法三 种.20世纪60年代以来,全循环法在工业上得到普遍的使用全循环法是将未转化成尿素氨和二氧化碳经多段蒸馏和分离后， 全部返回合成系统循环利用原料氨利用率达到97%以上.全循环法尿 素主要包括四个基本过程：(1)氨和二氧化碳的供应及净化；(2)氨和 二氧化碳合成尿素;(3)未反应物的分离与回收;(4 )尿素溶液的加工全循环法依照分离回收方法的不同又可分为热气循环法、气体 分离循环法、浆液循环法、水溶液循环法、气提法和等压循环法 其中水溶液循环法和气提法发展最快水

8、溶液循环法是将未反应的氨和二氧化碳用水吸收生成甲铵或 碳酸铵水溶液在循环返回合成系统根据添加水量的不同水溶液全循 环法分为两类.一类是添加水量较多,即H2O/CO2摩尔比近于1者，称为 碳酸铵盐水溶液全循环法;另一类是添加水量较少的基本上以甲铵溶 液返回系统的，称为甲铵溶液全循环法后者是前者的改进水溶液全 循环法在尿素生产中一直占有重要的位置且在不断的改进和发展中. 主要有我国的碳酸铵盐水溶液全循环法荷兰的斯塔弭谤水溶液全循 环法日本的三井东亚水溶液全循环法等气提法是利用某一介质在与合成等压的条件下分解甲铵并将分 解物返回系统使用的一种方法.按气提介质的不同又可分为二氧化碳 气提法、氨气提法、

9、变换气提法气提法是全循环法的发展具有热 量回收完全，低压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、延长运转周期和减少生产费用等方面也都优于水溶 液全循环法，是尿素发展的一种方向.具有代表的气提法的流程是荷 兰的斯塔米卡帮二氧化碳的气提流程.1.5尿素的用途尿素的用途非常的广泛，它不仅可以用作肥料，而且还可以用作 工业原料以及哺乳动物的饲料。1.5.1用作肥料尿素是目前使用的固体氮肥含氮量最高的化肥，其含氮量为硝酸 铵的1.3倍，氯化铵的1.8倍，硫酸铵的2.2倍，碳酸氢铵的2.6倍。 尿素属中性速效肥料，长期使用不会使土壤发生板结。其分解释放的 CO2也可以被农作物吸收，促进

10、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。利用尿素可 制得掺混肥料及复混肥料。1.5.2用作工业原料在有机合成工业中，尿素可用来制取高聚物合成材料，尿素甲醛 树脂可用于生产塑料漆料和胶合剂等；在医药工业中，尿素可作为 生产利尿剂、镇静剂、止痛剂等的原料。此外，在石油、纺织、纤 维素、造纸、炸药、制革、染料和选矿等生产中也要尿素。1.5.3用作饲料尿素可用作牛、羊等动物的辅助饲料，哺乳动物胃中的微生物将 尿素的胺态氮转变为蛋白质，使肉、奶增产。但作为饲料的尿素规 格和用法有特殊的要求，不能乱用。1.6尿素正确贮存方法（1）尿素如果贮存不当，容易吸湿结块，影

11、响尿素的原有质量， 给农民带来一定的经济损失，这就要求广大农户要正确贮存尿素。在 使用前一定要保持尿素包装袋完好无损，运输过程中要轻拿轻放，防 雨淋，贮存在干燥、通风良好、温度在20度以下的地方。（2）如果是大量贮存，下面要用木方垫起20公分左右，上部与 房顶要留有50公分以上的空隙，以利于通风散湿，垛与垛之间要留 出过道。以利于检查和通风。已经开袋的尿素如没用完，一定要及时 封好袋口，以利下年使用。2尿素的生产工艺2.1尿素合成的基本原理液氨和二氧化碳直接合成尿素的总反应式为2NH (l)+CO =CO(NH) +H O322 22这是一个放热体积减小的反应，其反应机理目前有很多的解释 但一

12、般认为，反应在液相中是分两步进行的.首先液氨和二氧化碳反 应生成甲铵，故称其为甲铵生成反应：2NH (l)+CO (g) =NHCOONH (l)3242该反应是一个体积缩小的强放热反应.在一定的条件下，此反应速率 很快，容易达到平衡.且此反应二氧化碳的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：NH COONH (l) =CO(NH) (l)+HO4 22 22该反应是微吸热反应,平衡转化率不是很高一般为50%-70%.此 步反应的速率很慢是尿素合成中的控制反应2.2尿素合成的工艺条件根据前述尿素合成的基本原理可知，影响尿素合成的主要因素有 温度、原料的配方压力、反映时间等.2.2

13、.1温度尿素合成的控制反应是甲铵脱水,它是一个微吸热反应，故提高 温度、甲铵脱水速度加快温度每升10C，反应速度约增加一倍因 此，从反应速率角度考虑高温是有利的.目前应选择略高于最高平衡转化率时的温度故尿素合成塔上部 大致为185200 C;在合成塔的下部，气液两相间的平衡对温度起者 决定性的作用.操作温度要低于物系平衡的温度 2.2.2氨碳比工业生产上,通过综合考虑，一般水溶液全循环法氨碳比应选择 在4左右，若利用合成塔副产蒸汽则氨碳比取3.5以下.2.2.3水碳比水溶液全循环法中，水碳比一般控制在0.60.7;（1）操作压力一般情况下，生产的操作压力要高于合成塔顶物料和该温度下的 平衡压力

14、13Mpa.对于水溶液全循环法当温度为190C和NH3/CO2 等于4时,相应的平衡压力是18Mpa左右，故其操作压力是一般为 20Mpa左右.（2）反应时间对于反应温度为180190C的装置，一般反应时间是4060min, 其转化率可达平衡转化率的9095%.对于反应温度为200C个装置， 反应时间一般为30min左右，其转化率也接近于平衡转化率 2.3尿素的生产工艺流程由于目前普遍采用水溶液全循环法生产尿素下面就简述水溶液 循环法生产尿素的流程一33 02&-T冬！ V.水溶冻金循环法造粒尿素工艺旖程图图3-19是目前在我国得到广泛应用的中压、低压两段分解水溶 液全循环法直接造粒尿素工艺流

15、程图。现将流程叙述如下：二氧化碳经压缩机1加压至20MPa左右，温度约为125C，进入 尿素合成塔5底部。经高压泵3加压，与经液氨预热器4预热到温度 约90C的液氨，配成氨碳比为4左右进入合成塔底部。从一段吸收 塔10来的甲铵溶液，由一段甲铵泵11加压后亦同样送入合成塔底部。 上述三股物料在合成塔内充分混合并反应生成甲铵。二氧化碳约有 62%左右转化为尿素。含有尿素、未转化的甲铵、过剩氨和水的混合溶液，通过减压阀 减压至1.721.82MPa，进入顶分离器6，在此进行气液分离。由顶 分离器出来的溶液，因膨胀气化，温度有所下降，进入一段分解最 进行加热分解。把一段分解塔分出的气体也引入预分离器后

16、，将气体一并引入一 段蒸发加热器19下部.在蒸发加热器中，部分气体冷凝，因而放出 热量使尿液蒸发。自蒸发器下部出来的气体，导入一段吸收塔底部鼓 泡吸收。在此约有95%气态CO2和全部水蒸气被吸收生成甲铵溶液。 未被吸收的气体在塔内上升，与由液氨缓冲槽2来的回流液氨逆流接 触，未吸收的CO2完全从气相中除去，而纯的气态氨离开吸收塔进入 氨冷凝器12，借冷却水将氨冷凝，被冷凝的液氨流入氨缓冲槽。在氨冷器中未冷凝的惰性气体进入洗涤器13，气体中的氢用二 段蒸发冷凝液来吸收。氨水在洗涤器中增浓，然后流入吸收塔顶。来自二段吸收塔14的甲铵液经二段甲铵泵15送入一段吸收塔下 部。浓的甲铵液由一段吸收塔底部

17、出来经一段甲铵泵进入合成塔底 部。由一段分解塔出来的溶液减压至0.3O.4MPa，进入二段分解塔 8进行加热分解。分离出来的液体送入闪蒸槽18,气体则进入二段吸 收塔底部，由加入塔顶的二段蒸发冷凝液来吸收。由二段吸收塔顶出 来的气体与惰性气体洗涤器出来的气体混合进入尾气吸收塔16，由 蒸发冷凝液进行循环回收。回收后，气体由尾气吸收塔顶放空，溶液 在浓度达到一定程度时，进入解吸塔17进行解吸，解吸后的气体引 入二段吸收塔底部。由二段分解塔底出来的溶液，减压后进入闪蒸槽中，在41kPa真 空下气化，除去部分水和溶解的氨等，使尿液不含溶解的氨和二氧化 碳并得到浓缩。经闪蒸后的尿液由尿液泵26送入蒸发

18、系统。一段蒸发器将尿液 蒸浓到96%,并经分离器20进行气液分离。从分离器出来的蒸汽与 闪蒸槽的蒸汽一并进入一段蒸发表面冷凝器27内冷凝。一段蒸发在 58kPa真空下操作。尿液自一段蒸发分离器进入二段蒸发加热器21, 尿液在其中蒸浓至99.7%(重量)，温度约140C。气液混合物自蒸发 器进入蒸发分离器22,分离出来的99.7%的浓缩尿素溶液，经熔融尿 素泵23送至造粒塔顶旋转式造粒喷头24喷洒造粒。粒状尿素再经皮 带运输、包装即成为产品。2.4尿素的工艺计算物料衡算：1物料衡算所需的基本公式： 预热前后物料质量不变，即G=G (1-W)=G (1-W ) C 1122 水分蒸发量W=Gc (

19、X1-X2) 空气消耗量：L = W/H2-Hi在大气中空气的湿基含水量为10%，预热后空气中的湿基含水 量为7%，假设预热空气量为6000 kg/h，原始空气的湿度为0.0117 kg/kg，温度为20C，经预热器加热至80C进入氧化炉，出炉的废 气湿度为0.0379 kg水/kg$空气,需求空气在预热器中蒸发的水分量 为多少？将空气送入预热器的鼓风机入口风量是多大？解：已知 叫=0.0117 kg/kg4=0.0379 kg水/kg+空气W=10%=0.1W=7%=0.07G=6000 k/h122贝 0X1=W1 / 1-W1 =0.1 / 1-0.1 = 0.1111 kg水/kg空气

20、X2=W2 /1-W2=0.07 / 1-0.07=0.0752 k水/k空 气GC=G2 (1-W2)=6000 (1 -0.07)=5580 k/h蒸发的水分量为W = Gc (X1-X2)=5580(0.1111-0.0752)=200 kg水/ h干空气消耗量为L=W/H =200/0.03790.0117=0.7633X104 kg空气/ hUh=(0.773 + 1.244H1)273+t0/273= (0.773+1.244X0.0117) 273 + 20/273= 0.845mb/kg 干空气故鼓风机入口风量为Vh=L H=0.7633X104X0.845=0.6449X10

21、 4 m3/ h如果在夏季生产，气温升高湿度和相对湿度都会增加，出氧化炉 的废气的湿度也会相应增加，在要求废气湿度不变的情况下，空气消 耗量也会随之增加，所以在计算中一般按照夏季平均最高值条件来计 算空气消耗量。2.5尿素合成塔合成塔是合成尿素生产中的关键设备之一由于合成尿素是在高 温、高压下进行的,且溶液又具有强烈的腐蚀性所以,尿素合成塔应 符合高压容器的要求兵应具有良好的耐腐蚀性目前我国采用的合成塔是多衬里式尿素合成塔主要由高压外筒 和不锈钢衬里两大部分构成不锈钢衬里直接衬在塔壁上他的作用 是防止塔筒体腐蚀.水溶液衬里合成塔在高压筒内壁上衬有耐腐蚀的 不锈钢或者高铬锰不锈钢,其厚度一般在5

22、mm以上.在塔内离塔2m和 4m处设有两块多孔筛板其作用是促使反应物料充分混合和减少熔融 物的返混.一般在该塔之前要设置一个预反器使氨、二氧化碳和甲铵溶液在预反器混合反应后在进入合成塔一进行甲铵 脱水生成尿素的反应。2.6尿素合成塔的操作控制分析一化工生产操作之三化工生产是一个复杂的工艺过程，各个工序之间，有着密切的影 响和联系。因而化工生产的每个步骤的工艺条件，既是可调节的，但 又不是都可以任意选定的。对于工程技术人员来讲，在制定工艺条件和工艺手段时，不但要 考虑单个工艺条件对生产的影响，还要综合考虑相互之间的影响，这 样制定的工艺条件和调节手段才能保证产品的质量好，产量高，消耗 低；生产稳

23、定、安全和持续。尿素合成塔的操作控制是尿素生产的核心。合成塔操作的好坏， 将直接影响到全系统的负荷分配和消耗定额。因此，以尿素合成塔岗 位的操作控制为例分析生产岗位控制参数及调节手段的选定。由于生产中需要考虑的工艺参数很多，有时各个参数对生产的影 响又是相互矛盾的，这就要抓住主要矛盾，以高产低耗 稳定安全 为目标。尿素合成塔的中心任务就是合成出尿素，因此，尿素转化率的高 低是判断合成塔操作好坏的重要指标。当转化率发生波动，循环系统 必然跟着波动，循环系统波动又会影响到转化率的波动，他们之间相 互影响，关系密切。如果控制不好，有可能造成整个系统的恶性循环， 所以，合成塔操作中，应首先将尿素的转化

24、率控制好。合成塔塔顶塔底温度的变化，基本上是由于进塔的nh3/co2、 H2O/CO2和氨预热器温度决定的。因此在生产上一般均以这三个参数 来调节温度，但是生产中温度的调节一般以NH3/CO2和氨预热温度调 节为主。最常见的塔底、塔顶温度异常情况及其产生的原因一般有下述 几种塔底温度偏高，塔顶温度偏低一2O/CO2偏高。塔底温度偏低，塔顶温度偏高一2O/CO2偏低。塔底温度偏高，塔顶温度偏高一H3/CO2偏低。塔底温度偏低，塔顶温度偏低一H3/CO2偏高。塔底温度变化不大，塔顶温度偏高或偏低一一塔内热平衡需要调 整，一般而言，氨预热温度偏高或偏低。以上所述，从尿素合成塔的任务及提高转化率的重要

25、性出发，考 虑操作应保证足够高的转化率，然后根据生产原理和实际，把温度和 压力确定为主要控制指标，以温度为例，分析了影响温度的因素，再 决定调节温度的手段，即，一般用NH3/CO2和氨预热温度调节尿素合 成塔的温度。3尿素溶液加工方法尿液经过两段蒸发，即首先在30kPa下把尿液加热至130C以 上，使其蒸浓到95%；再在3.3kPa下将尿液加热至约140C，使 其浓度达到99.5%以上。采用两段蒸发的目的，是保证在较低温度 下蒸发大部分水分，借以减少缩二脲的生成。蒸发器大多采用升膜式 蒸据不同要求，可以采用三种方法生产固体尿素。3.1结晶法将尿液蒸浓到约85%，再通过冷却、结晶、分离、干燥而得

26、到 产品。在结晶过程中，通入约95C的热空气，使结晶与干燥同时进 行的方法称为无母液结晶法。也有采用真空结晶法，借以充分利用系 统的反应热（如三井东压法）。结晶法的特点是成品中缩二脲含量V 0.3%，但成品易吸湿、结块，一般作工业尿素用。3.2塔式喷淋法造粒目前使用最广泛的方法。将99.5%的尿液在造粒塔顶通过喷头 （大多用旋转喷头）喷成液滴下落，与塔底通入的空气逆流接触凝结、 冷却而成为粒径0.82.5mm的颗粒产品。此法优点是消耗动力很少，但产品机械强度不高，易破碎；且塔顶排出的空气含尿素大于100mg/m3,污染大气，需在造粒塔顶加设庞大的净化装置（见尿素造 粒塔）。3.3颗粒成型法造粒

27、塔式喷淋造粒法产品强度较低，粒径较小，抗碎、抗磨强度较差， 不能满足掺混肥料及机械施肥的需要。60年代起，发展了颗粒成型法造粒新技术，即把96%以上的尿液，逐层凝结在晶种粒子表面而 形成颗粒尿素。产品粒度为24mm（根据需要可达711mm），不但强度高，且不易吸湿。般可通过下面几种途径解决尿素粒径问题: 选用大颗粒造粒喷头，使80%的尿素颗粒直径大于2mm ；采用流化床 冷却装置，降低入袋温度，解决超产后易结块问题，将颗粒与粉尘分 开；采用北京达立科公司开发的双转鼓流化床大颗粒尿素技术，尿素 颗粒直径可达46mm，国内已有2家采用此技术；原有的造粒系统 不动，将增产的尿素在造粒之前取出，用尿素

28、熔融液来生产氮磷钾复 合肥，目前上海化工研究院正在几家小尿素厂中实施该技术。4尿素工艺技术的改进UHl4.1尿素合成塔采用高效塔板目前各工艺的尿素合成塔虽在塔内设有隔板，但塔内的气体分布 和液体的流动状态仍不甚理想。此前卡萨里公司开发了条状倒勺”形塔板(图3-22所示)，改善气体 分布和稳定两相在塔内的流动状态，此改进可以提高CO转化率2% 24%，生产一吨尿素可节省汽提塔的蒸汽消耗80120kg。斯塔米卡邦 公司改进的高效塔板仍为干板，设计成串联式的尿素合成塔，共有 11块塔板，每个间隔均为一个高压鼓泡塔，气体均匀分布，使气液 充分混合接触，完全防止各间隔之间溶液返混，形成活塞流，从而提 高

29、CO2转化率，可以达到理论平衡转化率的95%。据称如不增加汽提塔的负荷和不影响汽提效率的前提下，原有的 高压合成系统可以增加20%的能力。如新设计，合成塔的容积可减少 约 25%。4.2 Stamicarbon 池式反应器工艺(Urea 2000+tm)CO2气提法工艺由于CO2单程转化率较低，从而存在消耗指标高； 操作要求严格；加氧量较高，尾气易形成可燃爆气体；设备腐蚀较严 重；高压系统物料的循环靠位差，必须建高框架等不足之处。20世 纪80年代以后，斯塔米卡邦公司为提高该工艺技术的市场竞争力， 经过多年潜心研究，在工艺流程、设备结构和用材、设备布置等方面 作了不少改进，从而使设备尺寸大幅度

30、减小、框架高度大幅度降低、 消耗指标进一步降低、设备腐蚀问题得以控制、消耗指标进一步降低 和相应降低投资，同时使装置的更大型化和老装置的扩能、降耗改造 得以实现。Stamicarbon公司于1996年提出新型尿素超优工艺(Urea 2000 plUSTM)，它在技术上的主要改进有先进的合成塔塔盘设计、池式冷凝器和池式反应器，前两项改进已经工业化生产，池式反应器也在1997 年11月由Stamicarbon的母公司DSM在荷兰格林（Geleen）新建的1150 t/d尿素的工厂采用。4.2.1池式冷凝器工艺池式冷凝器在1994年由建于孟加拉国吉大港的戈尔诺谱利化肥 有限公司（KAFCO）开始应用

31、，因为成功引用了池式冷凝器代替通常 的垂直降膜式甲铵冷凝器，从而降低了装置的总高度。图3-23.池式甲铉冷凝器内衬尿素级316L，筒体内设U材质均为25-22-2；管板为碳池式冷凝器是一具有浸没式U型 管束的卧式容器，改变过去工艺介质 走管程的立式降膜型，而是工艺介质 走壳程、低压蒸汽在管程发生，其结 构如图3-23所示。壳侧为高压筒体， 形管束、气体分布器、挡板和导流板 钢堆衬25-22-2 （工艺介质侧）。U形管与管板的焊接采用内孔焊， 即管子不穿入管板，只管端头与管板上的2522-2衬里相焊接。采用池式冷凝器的高压圈示意流程图见图3-24。高压圈的设备包括合成塔、汽提塔、高压洗涤器和池式

32、冷凝器，与CO汽提法的标 2准设计有四台高压设备相同，原料液氨进入池式冷凝器的一侧，从汽提塔出来的气相混合物进入池式冷凝器的底部，而且沿冷凝器的整个 长度均匀分布扰动，池式冷凝器由于汽提气通过管束引起的湍流增加 了热量的传递和反应组分的混合，冷凝放出的热量由列管内副产低压 蒸汽移走，冷凝程度则依靠蒸汽压力来控制，锅炉给水由泵强制循环，版高压甲饿于来a、降膜式高压甲铵冷凝器高压圈流程从华、池式冷凝器高压圈流程好图3g 池式冷凝器高压圈流程与传统降膜式高压圈流程比较传热优于立式降膜式冷凝器的自然循环。在池式冷凝器内生成的部分 尿素和水，提高了混合物在冷凝器出口的沸点温度提高至175177C (而降

33、膜式冷凝器只有165167C),因而传热温差提高，加上管内外传质传热效率的提高，甲铵冷凝器的传热面积可减少约30%。池式图3-25最佳反应器设计冷凝器和合成塔压力控制为14MPa，氨碳比3.0。由于池式冷凝器出 口混合物的温度温度相对较高，在100%负荷时，低压蒸汽的压力可达0.44 MPa (4.5 kgf/m)(表压)，而降膜式冷凝器的蒸汽压力为0.343MPa (3.5 kgf/cm2)，池式冷凝器和合 成塔总停留时间约1小时。随着工艺气相在池式冷凝器壳侧的冷凝，壳侧大容积空间为甲铵 冷凝提供了充分的停留时间以产生甲铵脱水生成尿素的反应，这就意 味着池式冷凝器部分地起到了尿素合成塔的作用

34、。在池式冷凝器中甲 铵脱水生成尿素的反应程度可以达到平衡的60%，见图3-25。由于在池式冷凝器中生成部分尿素，尿素合成塔所需的容积可以 减小，与采用立式降膜式冷凝器的传统设计标准相比，尿素合成塔的 容积大概只需原来的65%，而由于尿素合成塔容积的减少，相应合成 塔的高度降低，从而工艺框架的高度可以由59m降至38.5m。池式冷凝器与降膜式冷凝器相比，优点如下:热/质传递池式冷凝器降膜式冷凝器充分湍动受气膜与液膜间的层流控制传递面积大（借气泡）面积受限制（管子数量）有生成尿素的反应无生成尿素的反应工艺温度175C工艺温度170C池式冷凝器的主要优点如下:（1）U形管与管板的焊接采用内孔焊，管子

35、不存在与管板的间 隙，完全消除了可能出现的氯离子应力裂纹腐蚀；（2）采用浸没式冷凝，池式冷凝器操作中相当于气液鼓泡冷却 器，因此只需要较小的冷却面积；与传统降膜式甲铵冷凝器 相比，换热面积可降低约45% ；（3）由于介质停留时间延长，且未凝气体的扰动带来非常高的传 热系数，使得池式冷凝器中的温度比传统垂直降膜式冷凝器 中的温度高约5C；（4）可将池式冷凝器看做反应器的一部分，故可使尿素合成塔容 积减小40%，且高压合成系统压力降较低；(5) 池式冷凝器对NH/CO的偏离敏感性小；32(6) 池式冷凝器钢结构框架约10米；(7) 采用池式冷凝器的尿素装置总投资比降膜式冷凝器的标准设计降低7.7%

36、；4.2.2池式反应器工艺图3-26池式反应器高压圈工艺简图池式反应器是在池式冷凝器工业 化成功的基础上进一步发展起来的，池 式反应器高压圈工艺简图见图3-26。 高压圈已不再包括立式合成塔，主要有 CO2汽提塔、伸长的池式冷凝器(即池 式反应器)和具有安全防护的高压洗涤 器，高压洗涤器中的换热器已删去。池式反应器和池式冷凝器的结构相似，所用材质也相同。采用碳 钢外壳内衬尿素级316L不锈钢，设备结构、检漏系统均借以彳主Stamicarbon建造合成塔的经验，唯一不同的是池式反应器是水平安 装的，而以彳主的合成塔为立式。与池式冷凝器相似，管子均借准确控制内孔焊接程序焊接在带衬图3-2久池式反应

37、器里的管板上，池式反应器结构简图见图3-27。基本上来说，池式反应器是池式冷凝器和尿素合成反应器的组 合。含有“U ”型管束的容器区间相当于一个池式冷凝器，在管束中 产生低压蒸汽，围绕管束外的反应气体产生部分冷凝，并有一定量的 甲铵脱水生成尿素。与池式冷凝器不同的是在此反应区甲铵的脱水反 应达到了反应平衡的95%。池式反应器工艺的优点如下：（1）工艺简便，与其它工艺相比，所用设备量最少，工艺步骤少， 连续开工率高；（2）池式反应器内设有挡板，可以完全阻止发生返混，从而使尿 素反应最大限度地趋于平衡状态，转化率高，下游设备尺寸 小；（3）汽提温度低，汽提塔无须采用钛材等昂贵材料，且能避免腐 蚀；

38、（4）合成反应多余的氨在高压圈内大部分回收，无须再增加分离 步骤；（5）与传统工艺比较，其投资费用降低约11.4%，这是因为： 省了一个价格昂贵的高压容器； 省了一个高压喷射器； 合成部分的高压管道大量减少； 钢结构或混凝土结构高度降低。（6）尿素单套生产能力达到3000t/d以上；（7）氨泵及甲铵泵流量小，耗能低；（8）整个工艺以重力为推动力，合成部分的设备布局合理，无须 能量驱动，未转化的NH3和CO2进行内部循环；（9）水平池式反应器的另一个优点是可操作控制的能力提高，这 可以通过在各反应室和水平室之间安装带阀门的气体分布 管而实现。当反应器充满反应物时，依靠气体分布管可启动 气提过程，

39、实现反应物向产物的连续转化；（10）采用了耐腐蚀性能更好的新型合成结构材料Safurex， 合成系统达到无氧合成，不再需要加入钝化的空气和脱除可 能引起燃烧的氢气；（11）由于进入合成系统的惰性气体减少到几乎为零，合成压 力接近系统压力，并且尿素反应器采用高效塔板，从而获得 更高的尿素转化率；（12）装置消耗更低，目前设计的CO气提法尿素装置，其设2计氨耗为568kg/t.Ur，达到无污染排放的要求。4.3合成塔出液NH3/CO2自动控制系统实现合成塔出液NH3/CO2 自动控制的基础是采用了合成塔出液NH /CO在线自动分析仪表装置（图3-28），该系统的样品输入接口位 32于尿素合成塔的出

40、液管线上，样品的输出口位于精馏塔到循环加热器 的物料管线上。NH3/CO2在线自动分析仪由4个主要组成部分：A:取样装置，包括一只角阀和一只三通单向阀，并提供了相应 的隔离和冲洗;B:冲洗系统，主要设备为高压冲洗水泵，为取样装置和NH/CO 32分析仪注入冲洗水；C:压力控制装置，用于对分析仪密度元件内的压力进行精密控 制；D: NH /CO分析仪箱体，为关键部件，配有密度传感器、密度变 32送器等电子设备。在分析仪箱体内，尿液样品首先被冷却。尿液冷却 后，压力降低。为大幅度降低压力，在箱内还安装一个毛细管减压器， 而最终的压力控制是通过安装在密度传感器下游的一个带夹套的压 力控制装置（背压式

41、调节器）来完成的。Stamicarbon公司的氨碳比自动分析仪的核心部件是一个可振动 垂直管，称作密度传感器，它可以输出一个连续的在线液体密度的测 量信号。密度传感器的工作原理是基于共振频率技术，当合成塔出液 流过振动管时，它的共振频率即发生相应变化，这一频率是管中液体 密度的函数，它能测量出非常准确的密度值。依据是在一定的温度和 压力条件下，合成塔出液的密度和NH3/CO2成线性关系，就能连续输 出合成塔出液NH3/CO2的值。根据实验结果，NH3/CO2的线性关系如下式：NH 3 / CO 2 = 9.536 - 0.00592 p p式中：p 一在给定的温度和给定的压力条件下尿素溶液的密

42、度。Stamicarbon设计的密度装置和NH3/CO2分析系统中始终都要防 止尿素结晶。当尿素取样管线上的压力太高或温度太高时，其冲洗系 统将自动冲洗分析系统。在使用中应注意以下事项：（1）为了确保NH3/CO2分析仪的安全运行，只有当合成塔正常运 行，压力和温度在正常工艺条件下才投用分析仪。合成塔应具备的条 件是：合成塔投用1小时以上，温度达到175C以上，压力达到13MPa 以上，液位在50%附近，合成塔出液流量稳定。（2）NH3/CO2分析仪具有一定的测量范围，一般值为正常生产的 操作范围。（3）必须严格控制氨碳比测量系统的温度和压力在设计的工艺 指标范围，才能保证测量密度的准确性。冷

43、凝液图3-28在线NH3/CO2分析仪示意流程图5尿素的贮存由于尿素易受潮，所以尿素的存储是很重要的，正确贮存方法是：（1）尿素是固体氮肥中含氮量最高的肥料，理化性质较稳定， 施后对土壤性质没有影响，可施用于任何土壤和作物，可做根外施肥 使用。同时尿素也是树脂、塑料、炸药、医药、食品等工业的重要原 料。（2）尿素也可以部分代替蛋白质饲料，例如把尿素加入到奶牛 青饲料中能代替一部分蛋白质饲料，但尿素的加入量有能超过青饲料 的3%和总饲料量的1%，否则牲畜肾脏负担过重，容易引起疾病，大 豆饼中含脲酶，不要与尿素混合供给。（3）尿素如果贮存不当，容易吸湿结块，影响尿素的原有质量， 给农民带来一定的经

44、济损失，这就要求广大农户要正确贮存尿素。在 使用前一定要保持尿素包装袋完好无损，运输过程中要轻拿轻放，防 雨淋，贮存在干燥、通风良好、温度在20度以下的地方。（4）如果是大量贮存，下面要用木方垫起0公分左右，上部与 房顶要留有50公分以上的空隙，以利于通风散湿，垛与垛之间要留 出过道。以利于检查和通风。已经开袋的尿素如没用完，一定要及时 封好袋口，以利下年使用。生产原料：天然气、煤炭、石油是生产化肥的三大原料，通常被称为 气头、煤头、油头三类，近年来，由于石油和煤炭价格的升幅远大于 天然气，故按成本优势排列为气头、煤头、油头。比如气头企业云天 化的毛利率达58%，而煤头企业华鲁恒升的毛利率为90%.6致谢在本次设计过程中，感谢葛业君老师在设计过程中给予的细心指 导和督促，他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作 用，感染和激励着我们。在此，我们表示最诚挚的感谢和崇高的敬意！