尿素工艺中二氧化碳和氨气的生产设计.docx

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1、第一章1.1 简介用原料二氧化碳或氨气在合成压力下，将尿素熔融物气提，使其中的氨基甲酸镂分解,返回合成系统。如用氨进行汽提，称为氨汽提法。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，然后将气体导入高压甲镀冷凝器内，化合冷凝为甲镂液，放出热量用于副产蒸汽。动力消耗较低，经济效果明显。1.2 工艺的优缺陷长处高氨碳化，高转化率；由于合成塔采用高氨碳比操作，使合成塔中二氧化碳转化率提高，加上采用钛材的降膜式汽提塔，使汽提操作温度可以高达200oC在汽提塔内由于过剩氨0自汽提作用，使甲钱分解率提高，从而减少低压部分0负荷。采用甲钱喷射泵，使

2、合成高压设备水平布置。不仅节省了高框架，同步也以便了安装检修。热运用效率高，能耗低。操作弹性大，易于操作控制。由于合成采用高氨碳比，汽提塔采用钛管，使封塔时间可以较长，有助于装置的开停车操作，也减少了因排放所需0贮槽容积。爆炸危险小，由于使用钛材，加入0钝化空气少，防止了爆炸混合物0生成。原料器损失少。由于加入钝化空气量少，因此惰性气放空量少，原料损失少。缺陷占地面积相对较大，流程长，设备多，互相制约性强，控制点多，技术素质规定高等。1.3 基本原理使尿液中0甲钱按下述反应分解为N%和。2过程，反应方程如下：NHWOoNH液）=2NH3（气）+CO2（气）-Q（IT）此反应为可逆吸热，体积增大

3、的反应。我们只要提供热量，减少压力或者减少气相中N%与。2某一组分的分压，都可以使反应向右进行，以到达分解甲钱的目的。汽提法是在保持压力与合成塔相似B条件下，在供应热量的同步，采用减少气相中N”3和。2某一组分（或NH3与CO2都减少）B分压的措施来分解甲钱的过程。当温度为tC时，纯态甲铉日勺离解总压力与各组分（N%与Co2）的分解压的关系，按以上化学方程式可作如下表达：设总压为八，则从反应式中可以看到氨分解压力为2/3八，二氧化碳分压为1/3尸$,如反应式在温度为t时的平衡常数为K,则：K=（G）2M）V&（1-2）假如氨和二氧化碳之比不是2：1状态存在，在温度仍为tC时，它0总压为P,其各

4、组分时分压为：N/分压：总压X氨的分子分数=PXX耽CO2分压：总压X。2的分子分数=PXCO2XNHJXe,分别为气体中氨，二氧化碳的分子分数，这样反应式在温度为时的J平衡常数应为:K,=(PXXNH)2(PXg)=P3XXNH；Xm(13)温度相似，平衡常数相等，因此温度为时t时4,C(1-4)(1-5)(1-6)ps3=P3Xnh-XcoP=/053PSNXNH3*X8纯甲镂在某一固定温度下时离解压力为不变常数C,因此P=/O*CNXNH3%X82从此式可以看出，当Xg趋近于1时，则Xn%必趋近于0,NXNH:义Xco?就趋近于0,O53则/趋近于无穷大,即趋近于无限大，就是说甲铁液用C

5、O?通入，气相中几NXNH3*XCo2乎全为CO?时（Xg=I）,P趋近于无限大，即甲钱B离解压力近于无限大。我们懂得,假如在某温度下的离解压力不小于操作压力，甲筱就会分解，此即CO2汽提法分解甲钱B理论基础。当Xnh,趋近于1时，Xg趋近于。，同理P趋近于无限大，即当甲铉液用N&气体通入,气相几乎全为NH3时（XNM=1），同样甲镂离解压力近于无限大，操作压力不不小于离解压力，甲钱就得到分解，这就是氨汽提法分解甲钱0理论基础。斯那姆氨汽提尿素工艺是在与合成塔相似压力条件下，采用钛材的降膜式汽提塔，运用合成反应液中过剩的自气提作用，使甲钱得到分解，将溶液中的CO?气提出来。第二章集团年产20万

6、吨氨汽提尿素工艺流程简介2.1原料的供应本装置0两种原料均来自合成氨装置。液氨压力不低于2.2MPa,温度40,进入装置界区的液氨存贮在氨贮槽V105,打入高压系统。第一台是氨升压泵P105,出口压力2.2MPa0第二台是高压氨泵PlOl,深入加压到高压系统所需压力。高压液氨在氨预热器E107中预热至95C,同步回收了低压气体的冷凝热。预热后的高压液氨压力为21.9MPa.作为氨基甲酸镂喷射器LlOl的动力，将循环的氨基甲酸镂液一并带入尿素合成塔RlOl底部。从合成氨装置进入界区0二氧化碳气体，温度不高于40,压力为0.04MPa,经二氧化碳压缩机入口液滴分离罐VIIl分离清除雾滴后进入由蒸汽

7、透平驱动0双缸四段离心式二氧化碳压缩机KlO1,加压至15.9MPa段与段之间有中间冷却器，但末级出来的二氧化碳直接送入尿素合成塔Rl01。在二氧化碳压缩机入口分离器Vlll后0管线上，加入一定量的空气，以钝化高压系统不锈钢设备的表面，使其免受反应物和产物的腐蚀。2.2高压合成、汽提、回收系统尿素合成条件为：188C,15.6MPa,进料氨与二氧化碳0物质0量比是3.6,水与二氧化碳的物质0量比为0.67。尿素合成塔RlOl内发生如下的化学反应：2NHi+CO2=NH1COONH4+Q(2-1)NHWOONHA=Co(NHMHQ-Q(2-2)在此条件下反应在液相中进行，以原料二氧化碳运用率表达

8、的转化率约65%o为了回收未反应物，离开尿素合成塔的反应混合物流入与合成塔同压氨汽提塔ElOl。混合液向下流动时应受热而有氨气逸出，运用逸出的氨气作为汽提剂，又使二氧化碳逸出。由汽提塔ElOl出来的气体，与中压系统返回时碳镂液汇合，一并进入高压氨基甲酸铉冷凝器ElO4。在此几乎所有冷凝下来。其冷凝热用于副产0.35MPa的低压蒸汽。氨基甲酸镂冷凝器E104出来的混合物进入氨基甲酸铉分离器VlOl进行气液分离。液相称氨基甲酸镂液，经喷射器Llol返回合成塔。未冷凝的气体重要是惰气亦具有一定的氨气和二氧化碳。在压力控制下送往中压分离器ElOIAB0下部。高压系统的重要设备是合成塔RIo1,汽提塔E

9、loL氨基甲酸钱冷凝器E104和氨基甲铉酸分离器Vlo1。2.3中压分解回收系统离开汽提塔底部0尿液，虽己经汽提出相称数量0未反应物氨气和二氧化碳，但还需深入回收和提纯。本流程0回收提纯系统分三级，即中压L8MPa,真空0.035MPa,低压0.45MPa0离开汽提塔底部的尿液减压到1.7MPa,进入降膜式中压分解器E102,同步，高压系统的少许未冷凝气体也进入的E102A/B底部。中压分解器E102分两部分：尿液减压首先进入它的顶部分离器V102,将闪蒸出来的气体排走，然后液体流入位于其下的管束，即分解部分。使残留的氨基甲酸筱受热而继续分解。所需热量来自两部分：壳体上部（ElO2A）是0.4

10、7MPa,160的蒸气；壳体下部（E102B）来自汽提塔壳侧的2.2MPa蒸汽冷凝液，并补充有一定数量同压蒸汽，以满足热量的规定。离开中压分解器E1020液体送入低压系统。离开中压分解器顶部分离器V1020气体与来自低压系统0碳镀液汇合，然后送往真空预浓缩器El13日勺管间部分，在此进行气体日勺吸取，而放出时吸取热和冷凝热用来蒸发尿液。离开真空预浓缩器E113管间部分的气液混合物，送入中压冷凝器E106深入冷却。此时放出的热量已无法运用，被冷却水带走。离开中压冷凝器E1O60气液混合物进入中压吸取塔ClO1。塔0下部是鼓泡段，在此用碳钺液循环吸取。未被吸取的气体继续上升到精微段，与喷淋下来的回

11、流液氨和氨水相遇，气体中的二氧化碳几乎所有被吸取下来。塔顶得到纯的气氨，但包括进入系统得惰气和少许的二氧化碳。塔底溶液经P102升压，再经高压预热器E105预热，送往高压系统。中压吸取塔顶部出来的气氨和惰气进入氨冷凝器E109并进入液氨贮槽V105o液氨用氨升压泵P105打回中压吸取塔CIO1,作为回流。前已指出，来自合成氨装置0原料氨液是存贮在氨贮槽V105中0,但它先进入氨贮槽上方0氨回收塔C105,从塔顶喷淋下来，与氨贮槽排出0气体接触，然后进入氨贮槽。泵P105打出来的液氨除一部分作为中压吸取塔CI（H回流外，尚有一部分经高压泵送入高压系统。液氨贮槽V105中的气体，除惰气外尚有一部分

12、气氨，它从C105顶部排出，送入中压降膜惰气吸取塔EIIl和其尚存的惰气洗涤塔C103。蒸汽冷凝液从C103顶部喷下以吸取气氨，接着又流入EIIlrJ管束，以降膜形式吸取气氨。EIII为一换热器，用冷却水把吸取热带走。从洗涤塔顶部排出的气体经压力控制器排放到烟囱，一般已基本不含氨。ElII底部的氨水用泵P107回到吸取塔Clo1。2.4低压分解回收及真空预浓缩系统离开中压分解器E102底部0溶液，再次减压到0.35MPa,并进入降膜式低压分解器E103o上方是顶部分离器V103,释放出来日勺闪蒸气在此排出，液体流到下方分解部分的管束中，深入受热分解，所需热量由管间0.35MPa的饱和蒸汽提供。

13、离开分解器V103的气体与来自解吸塔C102的气体汇合,通过冷凝和吸取的措施回收。首先是在氨预热器E107换热，然后是在低压冷凝器E108受到冷却和冷凝。气液混合物送到碳铉液贮槽V106,气体由此进入位于V106上方的低压惰气洗涤塔C104,用蒸汽冷凝液清洗，经压力控制器排入烟囱VII3。此惰气实际上不含氨。清洗液流入贮槽V106。贮槽V106中0碳铉液用中压碳铁泵P103抽出，一部分送回中压系统，另一部分送往工艺冷凝液处理系统。第三级分解回收是在真空下进行的,低压分解器E103底部出来的溶液减压到0.35MPa,并进入降膜式真空预浓缩器EII3。释放出来的闪蒸气体先在顶部分离器V104排出，

14、液体则进入下部分解部分0管束，深入受热分解。所需热量来自分解器E1O20气体0冷凝和吸取供应。由V104出来0气体送往真空系统进行冷凝回收，El13流下0溶液搜集于底部液位罐Ll04,已是含量为85%（质量）的纯净尿液，经泵送往浓缩系统。2.5真空浓缩（蒸发）与造粒来自P1O6含量约为85%0尿素溶液送至一段真空浓缩器E114,其尿液被浓缩至94.97%（质量）。由El14出来的气液混合物进入汽液混合物进入气液分离器V107,其中的蒸汽被一段真空系统L105抽走。而液体则进入二段真空浓缩器EII5。尿液被浓缩至99.75%（质量）的熔融尿素。由二段真空分离器V108分离下来的熔融尿素被熔融尿素

15、泵P108加压送至造粒塔顶日勺造粒喷头L109o由此旋转喷头将熔融尿素沿造粒塔截面喷洒成小液滴下落和上升0冷空气逆流接触，被冷却固化成颗粒尿素。真空系统所需喷射蒸汽及一二段真空浓缩器所需热量，由副产B低压蒸汽供应。真空预浓缩器和一二段真空浓缩器日勺气体经各自B分离器（VlO4、V107V108）后送至一二段真空系统（L105/L106）在表面冷凝器内冷凝成工艺冷凝液,汇集在工艺冷凝液贮槽T102,以备送至解吸水解系统。尿素造粒塔为自然通风，以节省电耗和减少尿素粉尘对厂区周围环境的污染。落在造粒塔底部的颗粒状尿素经旋转刮料机HlO1,送到皮带运送机Hlo2。由此再送往自动称量机WTO9616,然后进入仓库。第三章尿素合成塔设计3.1论述所研究对象尿素合成塔由于考虑到反应物料具有较强0腐蚀性。尿素合成塔B材质必须具有优良B耐腐蚀性能，选择尿素及361L不锈钢作为尿素合成塔的衬里。并在操作中加入少许B空气，使之能在不锈钢衬里表面上形成“钝化膜”防止腐蚀，尿素合成反应是在液相中分两步进行的。第一步氨基甲酸铉的生成反应为瞬间反应，但氨基甲酸铉脱水生成尿素的反应需要时间较短。因此，合成塔要有足够的容积以保证一定的停留时间。合成塔的容积很大，物料从塔底部进入塔顶部溢流管流