合成氨生产尿素原理仅供参考.docx

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合成氨生产尿素原理仅供参考

尿素合成氨生产原理

一、生产原理

尿素分子式（NH2）2C0，是由液氨和二氧化碳，在尿素合成塔反应生成铵基甲酸铵（甲铵），其中一部分脱水生成尿素，其反应式为：

2NH3十C02＝NH2COON4

NH2C00NH4＝NH2CONH2十H20

根据此反应机理，采用不同的压力、温度、氨碳比，形成各种生产工艺。

二、二氧化碳汽提工艺

二氧化碳汽提工艺特点是合成压力低，氨碳比低，反应率高而不设中压回收系统，流程短。

缺点是由于氨碳比低，反应物料为酸性介质腐蚀性较强，为防腐蚀在二氧化碳气中添加氧较多达到0．55％～0．7％，如操作不当在合成塔顶排气中会产生过量氧与氢的爆炸性气体，故在高压洗涤器设有防爆板。

在改进型二氧化碳汽提工艺中，为防止合成塔排气形成爆炸性气体，而采取了将二氧化碳气中氢脱除的方法即二氧化碳压缩机出口气体先经过气体加热器将气体加热，进入脱氢反应器（装有把催化剂），然后再将气体冷却，这样增加了三个高压设备，增加了投资。

在70年代一些二氧化碳气提尿素老厂进行技术改造，采用加双氧水技术进行防腐蚀，减少了向二氧化碳气中加氧气量，使其达不到氧氢混合爆炸范围，该项技术己得到推广应用。

现将典型的二氧化碳汽提尿素的生产流程介绍如下：

1．原料液氨和气体二氧化碳的压缩

　　由界外供给的液氨，用高压氨泵将压力提高到16．0兆帕，经氨加热器进一步加热到70℃，送入高压喷射器，将高压洗涤器出来的甲铵液增压，一并送人高压冷凝器的顶部。

由界外送来二氧化碳气体，经二氧化碳压缩机压缩至13．79兆帕进入其汽提塔底部。

2．合成和汽提

在高压甲铵冷凝器上部送人新鲜的液氨，含有氨和二氧化碳的气提气以及循环返回系统的甲铵液也在14兆帕下送入，出口温度为168～170℃，氨／二氧化碳为2．8～2．9。

换热器用压力0．4兆帕温度143℃的沸水冷却，物料中的气体被冷凝，并反应生成甲铵，放出冷凝热和生成热，产生0．4兆帕的蒸汽，用于后续工序。

　　在高压冷凝器中，使氨与二氧化碳全部生成甲铵，大约有78％的氨和70％二氧化碳冷凝成液体，生成的甲铵液与末冷凝的气体从底部各自的管离开高压甲铵冷凝器，进入合成塔底部。

反应物在合成塔内自下而上通过，在温度180~185℃、压力13．5～14．0兆帕下，将甲铵转化为尿素，二氧化碳转化率为57％～58％，从内部溢流管离开送人气提塔。

　　在合成塔顶部出气中除氨、二氧化碳外，还有氧、氮、氢、惰性气体等，送人高压洗涤器。

高压洗涤器下部是直立管壳式浸没冷凝器，器内充满液体，气体鼓泡向上通过，上部为鼓泡段。

液体出鼓泡段，一部分从内溢流管返回浸没冷凝段底部，一部分外流出去进入喷射泵的吸入口。

出口甲铵液的温度保持在160℃，为了防止冷却过度，管外用热水冷却，热水在一个封闭的加压系统中用循环水泵循环。

从高压洗涤器顶部出来还含氨、二氧化碳气的惰性气进入吸收塔，被冷凝液吸收后放空。

送入吸收塔的冷凝液是从氨水贮槽分别用解吸塔给料泵及升压泵经过顶部加料冷却器送人吸收塔的上段填料层，用闪蒸槽冷凝液泵将闪蒸槽冷凝液送人下段填料层，在塔底所得的稀甲铵液，部分返回下段填料层循环吸收，部分送人低压洗涤器中吸收从低压甲铵冷凝器出来的氨和二氧化碳。

最终甲铵液从低压洗涤器或吸收器液位槽底部进入高压甲铵泵，升压后经高压洗涤器返回甲铵冷凝器。

　　因高压甲铵冷凝器中的压力要比高压洗涤器约高0．3兆帕，因此甲铵液必须在高压喷射器中用16．0兆帕液氨喷射才能返回到反应系统中去。

　　气提塔，亦称高压热交换器，从合成塔底部出来反应混合物从上部进入向下流入管束并以液膜状态沿管壁向下流，然后在165～175℃下从底部离开。

从二氧化碳压缩机来二氧化碳气体从底部进入，将溶液中氨和二氧化碳赶出，实际上约有85％的氨及75％二氧化碳从反应混合物中被气提出来，同时也有一些水蒸发出来，出口液体含氨6％～8％。

从气提塔顶部出来气体送入高压冷凝器的顶部。

气提塔用2．0兆帕饱和蒸汽进行加热，与工艺液体相接触的管子的温度不能高于200℃，否则会发生严重腐蚀。

3．循环

离开气提塔的尿素减压到0．25～0．35兆帕，送入精馏塔。

尿液中的一部分甲铵分解，所需的热由溶液本身供给，从而使溶液的温度下降到105～110℃。

溶液从精馏塔底进入循环加热器，在此溶液的温度升高到135℃，结果使甲铵再一次分解。

在精馏塔底部的分离器中进行液气分离，气体通过填料上升，被下流的冷尿液所冷却。

　　而出精馏塔的气体与解吸塔来的气体一并进人低压甲铵冷凝器的底部。

为了取走甲铵生成热与冷凝热用调温水冷却，而调温水又在循环水冷却器中冷却，这样可避免冷却水温度过低而引起固体甲铵生成。

　　低压甲铵冷凝器顶部的气液混合物进人液位槽，进行气液分离。

大部分甲铵液循环回低压甲铵冷凝器，而一部分从底部抽出，用高压甲铵泵送人高压洗涤器的顶部。

　　从液位槽的液体中分离出来的气体随即进入低压吸收器被甲铵液洗涤，除惰性气体外全部气体被吸收下来，末冷凝的气体离开吸收器顶部放空。

　　从精馏塔底部出来的溶液减压后进入闪蒸槽，在溶液减压时少量的氨同较大量蒸汽从溶液中逸出，使溶液在温度从135℃降到90～95℃，得到尿素溶液浓度约为73％，经过大气腿流入尿液贮槽。

4．尿液蒸发与造粒

　　在蒸发系统中将尿素溶液中的水蒸发，浓缩成浓度为99．7％的尿液，蒸发采用两段真空蒸发。

二段蒸发器用0．9兆帕蒸汽供热，此时溶液浓缩到99．7％。

离开二段蒸发器底部的尿素熔体，由熔融尿素泵送人造粒塔顶的造粒喷头，喷淋造粒。

颗粒状尿素从造粒塔底出来被送往贮存包装。

产品尿素含氮≥46．3％（质量），缩二脲≤0．9％（质量）。

5．解吸

　　在闪蒸槽及蒸发系统中蒸发出来的水蒸气在冷凝器中冷凝后，含有少量的尿素、氨和二氧化碳，经过大气腿流人氨水贮槽。

从蒸发冷凝器来的含有少量尿素和氨的冷凝液流入氨水贮槽另一小室，被送到解吸塔的顶部。

　　解吸塔是浮阀塔，进入的液体经过各层塔板上的溢流管逐层流下，从塔底出去。

蒸汽从塔底进入，由于液体与蒸汽的逆流接触，液体中的氨和二氧化碳愈来愈少，而离开塔顶的蒸汽中含有全部解吸出来的氨和二氧化碳以及水蒸气。

混合气通过调节引人低压冷凝器，将解吸的氨和二氧化碳循环回到反应系统中去。

解吸塔底部出来的液体通过换热器与入塔溶液换热后，再通过塔底液位自动控制减压后送人下水道，水中含有尿素0．2％，含氨0．05％，温度约70℃。

吨尿素耗氨580千克。

　　80年代引进的尿素装置将解吸塔排出水再经高压水解器用高压蒸汽将水中含尿素和氨分解回收，使排水中含尿素和氢达到5×10—6以下，可以用作锅炉用水，不再排入下水道。

三、新一代改进二氧化碳气提工艺

　　新一代改进二氧化碳气提工艺，将原来立式高压冷凝器改为卧式池式冷凝器，将布置高压设备的框架降低了。

特点是采用池式冷凝器，将原来立式降膜式甲铵冷凝器改为卧式结构，工艺介质走壳侧，低压蒸汽走管侧，壳侧为高压简体内衬316L，筒体内设U型管束，材质为25-22-2，U型管与管板的焊接采用内孔焊，即管子不穿过管板，只对管端头与管板上的25-22-2衬里相焊接，施工难度较大。

管内通入蒸汽冷凝液用泵强制循环，利用甲铵冷凝反应热副产低压蒸汽。

汽提气在卧式壳侧的甲铵液中鼓泡湍动冷凝吸收，大大提高了甲铵液在甲铵冷凝器中的停留时间，大约有63％的尿素在甲铵冷凝器中生成，而可将尿素合成塔容积减少，降低合成塔的高度。

由原来布置高压设备高框架由65米降到38．5米，随之工艺框架也降低了。

改进二氧化碳气提尿素合成塔采用了新型高效塔板，防止塔内反应溶液的返混现象，合成塔容积较一般的二氧化碳气体合成塔减少20％~25％。

池式冷凝器为高压设备，材质要求高，设备造价也高，日产1000吨尿素装置，设备费超过1000万人民币，是其缺点。

该工艺消耗指标较先进。

四、氨汽提工艺

工艺特点是：

（1）氨／二氧化碳比较高，为防腐蚀在二氧化碳气中加氧量少，二氧化碳转化率较高。

（2）在高压合成后，设有中低压分解循环回收系统，操作弹性大，在50％负荷下能正常运转。

（3）气提塔的操作温度、压力较高，采用钦材或衬铬的双金属管材，防止腐蚀。

（4）尿素合成塔、甲铵冷凝器均布置在地面，没有高框架，维修安装均方便。

（5）热回收完善，蒸汽消耗量较少。

工艺流程说明如下。

尿素合成与高压回收

　　来自界区外的液氨，经氨升压泵升压，再经高压氨泵送入氨预热器，高压液氨用作氨基甲酸铵喷射泵的驱动流体，使来自甲铵分离器的氨基甲酸铵溶液升至合成压力。

氨与甲铵的混合液进入合成塔与人塔的二氧化碳进行反应，生成氨基甲酸铵和尿素。

　　由界区外送来二氧化碳经压缩机压缩至15．69兆帕，在二氧化碳压缩机人口前加入少量空气用以纯化不锈钢表面，防止由于反应物所造成的腐蚀。

　　混合物在降膜式加热器向下流动的同时被蒸汽加热。

溶液中的二氧化碳由于氨的气提作用而从溶液中沸腾逸出，从而使溶液中的二氧化碳含量得到降低。

　　来自气提塔顶部的气体和中压吸收塔并经高压碳铵泵增压的回收液，送往高压甲铵冷凝器，全部混合物在此冷凝并经喷射泵返回合成塔。

2．中压分解与回收

　　从气提塔底部出来的含有低残留量二氧化碳的溶液减压至1．765兆帕，进人中压分解分离器顶部，减压释放出的气体和溶液在此进行分离。

溶液中残留的甲铵在底部分解器分离。

含氨和二氧化碳的中压分解气体离开分离器顶部进入真空预浓缩器，，被来自低压分解回收的一部分碳铵溶液吸收，所产生的热量供尿素蒸发使用中压分解气最终在中压冷凝器中冷凝，冷凝热量由冷却水移走。

在冷凝器中二氧化碳几乎全部被吸收。

从冷凝器来的混合物流人中压吸收塔的下部，未吸收和末冷凝的气体进入上部精馏段，二氧化碳在过程中被吸收，氨则被精馏出来。

回流氨送入顶部塔板，除去出塔气体中的微量二氧化碳和水。

　　回流液氨经氨升压泵从液氨贮槽抽出送往中压吸收塔顶部。

中压吸收塔出塔的溶液经高压碳铵液泵再经高压碳铵预热器预热后，返回到合成回收。

　　含有惰性气体的氨气离开中压吸收塔顶部在氨冷凝器中冷凝，冷凝的液氨和含有氨的惰气进人液氨贮槽，由氨回收塔出来的氨和惰性气体则送往中压氨洗涤吸收塔，与逆流冷凝液进行接触洗涤，将气氨回收。

从中压氨洗涤吸收塔底部出来的氨水溶液经离心泵返回到中压吸收塔。

　　低压分解与回收：

离开中压分解器收集罐底部的溶液减压到0．44兆帕后进入低压分解器顶部分离器，减压释放出的闪蒸气体在此分离，残留的甲铵在底部分解加热段分解。

离开低压分解器分离器顶部的气体与来自解吸塔的气体汇合，首先进入氨预热器进行吸收和冷凝，然后进入低压冷凝器，用冷却水进行再吸收和将冷凝热带走。

惰性气体在洗涤塔中被清洗后排放。

　　混有残留情性气体的液体被送到碳铵液贮槽，再经离心泵将碳铵液送至真空预浓缩器分离器。

　　真空预浓缩：

由低压分解器收集器底部出来的溶液减压到0．034兆帕，进入降膜式真空预浓缩器。

顶部减压释放分离闪蒸气体，残留的甲铵在底部分解加热段分解。

从顶部出来的气体进人真空系统。

真空预浓缩器底部液位罐的尿素溶液经尿液泵送到真空浓缩系统。

3．尿素浓缩及造粒

　　来自尿素溶液泵的浓度约为85％的尿素溶液送往真空浓缩器，蒸发汽液被真空系统抽走。

由二段真空分离器分离下来的熔融尿素经熔融尿素泵送往造粒塔顶部喷头喷淋造粒，经造粒塔形成颗粒状成品尿素。

4．废水处理

　　来自真空系统的工艺冷凝液含有氨、二氧化碳和尿素，收集于工艺冷凝液贮槽中。

然后由冷凝液泵先经预热器预热后送入解吸塔。

经过塔上部的初步汽提以后，由水解槽给料泵送入水解槽预热器中换热，然后进入尿素水解槽。

由尿素水解槽出来的气体与解吸塔顶部出来的气体汇合并与低压分解器分离出来的气体混合在一起，然后送入氨预热器。

　　由解吸塔底部出来的净化废水含氨和尿素小于5×10-6，换热冷却后送出尿素界区，再经离子交换树脂处理后可用作锅炉给水。

五、水溶液循环法与二氧化碳气提技术相结合

　　该法是将水溶液循环法与二氧化碳气提技术相结合。

其特点是较高氨／二氧化碳比，转化率较高；气提塔上部设置塔板，下部为液膜换热器，气提效率高；高压甲铵冷凝器的热量用于回收副产蒸汽，热利用率较高。

其工艺流程说明如下。

1．合成

　　由界外送来液氨经高压氨泵加压后经氨预热器送入尿素合成塔。

　　由界外送来二氧化碳经二氧化碳压缩机压缩至18．2兆帕，送入气提塔，在二氧化碳压缩机的中段加入防腐用的空气。

　　来自回收工段的循环甲铵溶液由高压甲铵泵送到2号甲铵冷凝器和高压洗涤器。

合成塔操作压力18．04兆帕，操作温度190℃，氨与二氧化碳分子比为4，二氧化碳转化率为邱％，合成反应生成物从中心管溢流从塔底排入气提塔。

在气提塔上部，来自合成塔的合成尿素溶液与来自下部的二氧化碳气体接触，进行有效的二氧化碳气提。

在气提塔下部，合成尿素溶液中所含的氨基甲酸铵和过量的氨通过二氧化碳气提和在降膜式换热器中的蒸汽进行分解和分离出来。

气提塔的操作压力为18．04兆帕，温度为177℃，塔顶气体送到1号和2号甲铵冷凝器中。

　　在甲铵冷凝器中，气提塔的塔顶气体被冷凝下来，并被来自回收工段的循环甲铵溶液吸收，在此冷凝热和吸收热用于1号甲铵冷凝器中产生0．59兆帕的蒸汽和在2号甲铵冷凝器中加热气提塔出口尿素溶液。

甲铵冷凝器底部的气体和溶液都送到合成塔中。

　　从合成塔顶部出来气体含有少量氨、二氧化碳，送到高压洗涤器进行回收。

在洗涤器中，利用循环甲铵溶液回收氨和二氧化碳，然后送入l号甲铵冷凝器作吸收剂。

从洗涤器顶部出来气体送人高压分解器，以进一步回收氨和二氧化碳。

2．净化

　　从气提塔底出来尿素溶液先经2号甲铵冷凝器预热至155℃，然后送往高压分解器，由内部热交换器中的蒸汽冷凝液进一步加热，将氨基甲酸铵分解成气氨和二氧化碳，然后将气体送到高压吸收塔中。

当大部分氨基甲酸铵在高压分解器中分离出来后，尿素溶液在降压到0．35兆帕情况下被送入低压分解器，溶液进一步提纯到残余氨和二氧化碳含量分别为0．5％和0．4％。

　　低压分解器分离出来的气体送到低压吸收塔，尿素溶液被送到闪蒸分离器进行最后阶段提纯，通过真空闪蒸将残余的氨和二氧化碳进一步分离出来。

　　在尿素溶液槽出口处的尿素溶液中含有大约70％的尿素和大约0．4％的氨，此尿素溶液被尿液泵送到浓缩工序。

3．浓缩，造粒

　　尿素溶液首先送到真空浓缩器，浓缩至大约84％尿素。

　　尿素溶液在0．02兆帕真空下，由低压蒸汽加热至132℃，使出真空浓缩器的尿素浓度达95．5％。

经过浓缩的尿素溶液被送到最终浓缩器，由低压蒸汽加热至138℃，在最终分离器，在0．肋3兆帕真空下，溶液浓缩至含尿素99．8％，由熔融尿素泵送往造粒塔顶部。

通过造粒喷头向塔内喷洒造粒，落在塔底尿素经皮带送往仓库贮存或进行包装。

4．回收

　　来自低压分解器的塔顶气体被送到低压吸收塔。

在高压吸收塔中形成的甲铵溶液，经甲铵泵输送，其中一部分循环至2号甲铵冷凝器，另一部分经过合成工段的洗涤塔循环至1号甲铵冷凝器。

5．工艺冷凝液的处理

　　来自最终浓缩器表面冷凝器的冷凝液在工艺冷凝槽中收集后经吸收泵送入洗涤塔，用于洗涤来自高压吸收塔的放空气体。

来自第一和第二表面冷凝器的工艺冷凝液在工艺冷凝液贮槽贮存，然后经工艺冷凝液泵送至工艺冷凝液气提塔，通过蒸汽气提从冷凝液中将氨和二氧化碳汽提出来，塔顶气体送至低压分解器进行回收。

来自工艺冷凝气提塔中间段的气提冷凝液用泵送到尿素水解器，在该水解器中尿素全部水解为氨和二氧化碳。

来自尿素水解器的工艺冷凝液再次送到工艺冷凝液气提塔下部，其中的氨和二氧化碳气提出来。

处理后的工艺冷凝液中尿素和氨含量均小于1×10—6，送出界区可用作锅炉给水。