年产20万吨尿素生产工艺设计

摘要

尿素是一种重要化学肥料和工业原料，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的研究，在合成机理、热力学性质和工艺流程等各方面都有创新和突破。

尿素生产工艺是比较典型化工生产工艺之一。尿素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。本文介绍尿素生产工艺的基本概况，水溶液全循环法尿素生产工艺流程及特点，从尿素生产的热力学参数入手，对尿素的生产流程进行研究设计，以帮助指导尿素工业生产。

论文主要内容有：（1）阐述对尿素生成研究概况，分析现存工艺流程的优缺点，建立合适的工艺流程；（2）根据选择的工艺流程，以尿素生产和消耗为目标，进行了物料衡算和热量衡算。同时对生产系统关键性设备进行设计和选型；（3）根据设计数据，运用Auto CAD绘制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；热量衡算；物料衡算；设备选型

Urea production process design of

200,000t per year

I

Abstract

Urea is a kind of important chemical fertilizers and industrial raw material, urea to industrialized production since 1922, many countries are committed to the research of urea production, the synthesis mechanism, thermodynamic properties and technological process in many aspects such as innovation and breakthrough.

Urea production technology is one of the typical chemical production process. Urea production technology mainly with aqueous solution total circulation method, carbon dioxide gas, ammonia gas. This paper introduces the basic situation of the urea production process, the aqueous solution total cycle method of the urea production process and characteristics, from the thermodynamics parameters of urea production, the production process of urea to study design, to help guide the urea production.

Paper main contents are: (1) in this paper, the general research situation of urea, analysis the advantages and disadvantages of the existing technological process, establish proper technological process; (2) according to the selection process, with urea production and consumption as the goal, the material balance and heat balance. For the production system key equipment design and selection; (3) according to the design data, the use of Auto CAD drawing process flow diagram and main equipment installation drawing.

Key words: urea production ; circulation of the aqueous solution ;

heat balance ; material balance ; equipment selection

II

目录

摘要.............................................................................................................. I Abstract ................................................................................................................ I

第1章绪论 (1)

1.1 尿素的物化性质及用途 (1)

1.1.1 尿素物理性质 (1)

1.1.2 尿素化学性质 (1)

1.1.3 尿素用途 (1)

1.2 尿素发展的简述 (2)

1.3 国内外尿素技术市场的简况 (2)

1.4 尿素生产方法简介 (3)

1.4.1 水溶液全循环法 (3)

1.4.2 二氧化碳气提法 (4)

1.5 本课题意义和内容 (5)

1.5.1 课题意义 (5)

1.5.2 课题内容 (5)

第2章水溶液全循环法工艺流程 (6)

2.1 尿素的合成 (6)

2.2 尿素的工艺流程 (6)

2.2.1 水溶液全循环法合成尿素工艺流程简图 (6)

2.2.2 工艺流程 (7)

2.3 主要的工艺条件 (8)

2.4 生产组织制度 (10)

2.5 本章小结 (10)

第3章物料衡算 (11)

3.1 物料衡算计算条件确定 (11)

3.2 水溶液全循环法流程物料衡算 (14)

3.2.1 压缩系统物料衡算 (14)

3.2.2 合成系统物料衡算 (15)

3.2.3 一段分解系统物料衡算 (17)

3.2.4 二段分解系统物料衡算 (20)

3.2.5 一段蒸发系统物料衡算 (21)

3.2.6 二段蒸发系统物料衡算 (24)

3.2.7 吸收—解吸系统物料衡算 (26)

III

3.2.8 二段吸收系统物料衡算 (28)

3.2.9 一段吸收系统物料衡算 (31)

3.3 本章小结 (32)

第4章热量衡算 (34)

4.1 合成塔热量衡算 (34)

4.1.1 合成塔工艺条件 (34)

4.1.2 合成塔热量计算方 (34)

4.1.3 合成塔热量计算 (36)

4.1.4 合成塔热量平衡表 (38)

4.2 预分离器热量衡算 (38)

4.2.1 预分离器工艺条件 (38)

4.2.2 预分离器热量计算 (39)

4.2.3 预分离器热量平衡表 (42)

4.3 一段分解塔热量衡算 (42)

4.3.1 一段分解塔工艺条件 (42)

4.3.2 一段分解塔热量计算 (43)

4.3.3 一段分解塔热平衡表 (45)

4.4 一段吸收塔热量衡算 (45)

4.4.1 一段吸收塔工艺条件 (45)

4.4.2 一段吸收塔热量计算 (46)

4.4.3 一段吸收塔热量平衡表 (49)

4.5 一段蒸发器热量衡算 (49)

4.5.1 一段蒸发器工艺条件 (49)

4.5.2 一段蒸发器热量计算 (50)

4.5.3 一段蒸发器热量平衡表 (52)

4.6 一段蒸发表面冷凝器热量衡算 (52)

4.6.1 一段蒸发表面冷凝器的工艺条件 (52)

4.6.2 一段蒸发表面冷凝器的热量计算 (53)

4.6.3 一段蒸发表面冷凝器热量平衡表 (54)

4.7 尾气吸收塔热量衡算 (54)

4.7.1 尾气吸收塔工艺条件 (54)

4.7.2 尾气吸收塔热量计算 (54)

4.7.3 尾气吸收塔热量平衡表 (55)

4.8 解吸塔热量衡算 (55)

4.8.1 解吸塔工艺条件 (55)

4.8.2 解吸塔热量计算 (56)

4.8.3 解吸塔热量平衡表 (57)

4.9 本章小结 (57)

第5章主要工艺设备计算 (59)

5.1 一段分解塔分离器工艺尺寸设计 (59)

5.1.1 一段分解塔分离器的工艺条件 (59)

5.1.2 一段分解塔分离器的工艺尺寸计算 (59)

5.2 一段吸收塔工艺尺寸设计 (60)

5.2.1 一段吸收塔的工艺条件 (60)

5.2.2 一段吸收塔的工艺尺寸计算 (60)

5.3 氨冷凝器工艺尺寸设计 (69)

5.3.1 氨冷凝器工艺条件 (69)

5.3.2 氨冷凝器工艺尺寸计算 (69)

5.4 本章小结 (73)

结论 (74)

致谢 (75)

参考文献 (76)

第1章绪论

1.1尿素物理化学性质和用途

1.1.1尿素物理性质

化学式：CO(NH2)2，分子质量60.06 ，CO(NH2)2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。含氮量约为46.67%。密度 1.335g/cm3。熔点132.7℃。溶于水、醇，不溶于乙醚、氯仿。呈弱碱性。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尿素化学性质

尿素呈微碱性，与酸作用生成盐。尿素不能使一般指示剂变色。在酸性或中性溶液中尿素具有水解作用，而在60℃以下，尿素不发生水解作用。随着温度的升高，水解速度会加快，水解程度也会增大。尿素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和甲醛反应，缩聚成脲醛树脂。

1.1.3尿素的用途

尿素的主要用途：作为化肥、作为饲料或作为其它工业用。

1.1.3.1作化肥用

尿素是种高浓度氮肥，属中性速效肥料，同样可用来生产多种复合肥料。在土壤中不会残留任何有害物质，没有不良影响，但温度过高会产生少量的缩二脲，又称双缩脲，对作物有一定抑制作用。尿素还是有机态氮肥，在土壤中有脲酶作用，水解成碳酸铵或碳酸氢铵之后，才能被作物吸收并利用。所以，尿素在作物的需肥期前一个星期施用。尿素属中性速效肥料，长期施用也不会使土壤发生板结。分解并释放出的CO2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、钾和镁的有效性，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在胃液的作用下，可以造成蛋白质而形态氮，因此可作为反雏动物的饲料。

1.1.3.3其它工业用

据统计，全世界尿素作为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、和胶黏剂等，尿素缩合物三聚氰胺是种较好的涂料。尿素还可用作巴比妥、洁齿剂和利尿剂等药物原料。此外，尿素可用作石油精制剂、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。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Toyo 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，在高压圈内回收了大量的未反应物，从而大幅度减轻下游分解及回收的负荷，而且回收了用于分离未反应物所耗的热量，用来副产低压蒸汽以用于下游工序，至于节能型尿素工艺的问世，只能视为尿素气提工艺经过十几年实践经验的积累，作出了较为重大的合理化改造，使氨基甲酸铵生成热更合理的回收利用，较大幅度地降低能耗，工艺技术更趋成熟，装置运转稳定可靠。

1.3国内外尿素技术市场简况

目前在世界尿素工业界认为较先进的是三大尿素专利公司的技术，它们是Snamprogetti公司的氨自身气提工艺、TEC-MTC公司的ACES工艺、Stamicarbon公司的气提工艺。到目前为止，全世界已建成及在建的尿素装置总数达450套，总生产能力为301800吨/天。其中采用三大尿素专利公司的工艺技术建造的有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

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：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 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。

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CO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(20

10 ) ×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[4,5]。

1.4.2二氧化碳气提法

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。二氧化碳气提法尿素生产主要包括四个基本过程：①原料液氨和CO2的压缩；②尿素合成及CO2气提；③循环回收；④尿素溶液的加工。

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13.5~14.5MPa，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100×100t/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。

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 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[6～8]。

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30～40万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。