水溶液全循环法生产尿素工艺介绍模板.doc

职业技术学院

毕 业 论 文（设 计）
(冶金化工系)

题 目 水溶液全循环法生产尿素工艺
专 业 应用化工技术
班 级
姓 名
学 号
指导老师
完成日期 6月25日-10月10日

目录
摘 要 1
第一章 概述 2
1.1尿素物理化学性质和用途 2
1.1.1尿素物理性质 2
1.1.2尿素化学性质 2
1.1.3尿素用途 2
1.2尿素生产方法介绍 3
1.2.1水溶液全循环法 4
1.2.2汽提法 4
1.3水溶液全循环法和CO2汽提法两种方法比较 4
1.3.1水溶液全循环尿素工艺优、缺点 5
1.3.2 C02汽提法尿素工艺优、缺点 6
1.3.3尿素发展前景和展望 6
第二章 水溶液全循环法生产尿素原理 9
2.1化学反应 9
2.2反应原理 9
第三章 水溶液全循环法生产工艺步骤 11
3.1原料准备 11
3.1.1氨 11
3.1.2二氧化碳 11
3.2尿素工艺步骤图 11
3.3原料净化和输送 13
3.3.1二氧化碳脱硫和压缩原理 13
3.3.2液氨净化和输送 13
3.4尿素合成 14
3.4.1液氨和二氧化碳直接合成尿素 14
3.4.2合成尿素理论基础 14
3.5中压分解和吸收 14
3.6低压分解和吸收 15
3.7尿素溶液蒸发和造粒 15
第四章 物料衡算和热量衡算 16
4.1物料衡算 16
4.1.1数据采集 16
4.1.2基础物料衡算 16
4.2热量衡算 17
4.2.1数据采集 17
4.2.2基础热量衡算 18
第五章 生产尿素工艺条件及关键设备 19
5.1生产尿素工艺条件 19
5.1.1温度 19
5.1.2氨碳比 20
5.1.3水碳比 20
5.1.4操作压力 20
5.1.5反应时间 21
5.2生产尿素关键设备 21
5.2.1脱硫塔 21
5.2.2合成塔 21
5.2.3高压混合塔 23
5.2.4中压分解加热塔 23
5.2.5中压分解分离塔 23
5.2.6中压吸收塔 24
5.2.7氨冷凝器 24
5.2.8低压分解精馏塔 25
5.2.9低压吸收第一氨基甲酸铵冷凝器 25
5.2.10低压吸收第二氨基甲酸铵冷凝器 25
致谢 27
参考文件 28

摘 要
受中国基础国情决定，中国农业发展在未来很长一段时间里全部将占据着关键地位，化肥在农业中地位是不可缺乏。尿素是氮肥中最关键化肥品种，尿素占中国氮肥使用量60%以上。近几年年以来，因为尿素产能过剩，加之成本上升、出口受限，造成尿素生产旺季不旺，市场疲软，经济效益显著下降，行业亏损加剧。这种情况是影响氮肥工业发展多个原因共同作用结果，是氮肥工业由扩张高峰期进入加速优化调整时期关键标志，尿素在未来发展将进入一个全新阶段。
所以这次毕业设计关键介绍了尿素生产原理、尿素生产方法、尿素生产工艺步骤、生产尿素关键设备和相关物料衡算和能量衡算作简明介绍。
关键词：尿素；全循环；发展

第一章 概述
1.1尿素物理化学性质和用途
1.1.1尿素物理性质
分子式为CO(NH2)2，分子量 60.06，CO(NH2)2 为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132.7℃。
1.1.2尿素化学性质
易溶于水、醇，不溶于乙醚、氯仿。呈微碱性。可和酸作用生成盐。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160℃分解，产生氨气同时变为氰酸。因为在人尿中含有这种物质，所以取名尿素。尿素含氮(N)46％，是固体氮肥中含氮量最高。尿素在酸、碱、酶作用下（酸、碱需加热）能水解生成氨和二氧化碳。对热不稳定，加热至150~160℃将脱氨成缩二脲。若快速加热将脱氨而三聚成六元环化合物三聚氰酸。（机理：先脱氨生成异氰酸（HN=C=O），再三聚。）和乙酰氯或乙酸酐作用可生成乙酰脲和二乙酰脲。在乙醇钠作用下和丙二酸二乙酯反应生成丙二酰脲（又称巴比妥酸，因其有一定酸性）。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。和水合肼生成氨基脲2NH3+CO2→NH2COONH4→CO(NH2)2+H2O尿素易溶于水，在20℃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1～2毫米半透明粒子，外观光洁，吸湿性有显著改善。20℃时临界吸湿点为相对湿度80％，但30℃时，临界吸湿点降至72.5％，故尿素要避免在盛夏潮湿气候下敞开存放。现在在尿素生产中加入石蜡等疏水物质，其吸湿性大大下降。
1.1.3尿素用途
尿素用途很广泛，它不仅能够用作肥料，而且还能够用作反刍动物饲料和一些工业原料。尿素是一个高浓度氮肥，属中性速效肥料，也可用了生产多个复合肥料。在土壤中不残留任何有害物质，长久施用没有不良影响。畜牧业可用作反刍动物饲料。但在造粒中温度过高会产生少许缩二脲，又称双缩脲，对作物有抑制作用。中国要求肥料用尿素缩二脲含量应小于0.5％。缩二脲含量超出1％时，不能做种肥，苗肥和叶面肥，其它施用期尿素含量也不宜过多或过于集中。尿素现在使用固体氮化肥中含氮量最高。尿素含氮量是硝酸铵1.3倍，为氯化铵1.8倍，为石灰氮2.3倍，碳酸氢铵2.6倍。尿素是一个良好中性肥料，适适用于多种土壤和多种农作物。它既能够作追肥，又能够作基肥；能够干施，又能够湿施，对作物根部和叶面全部能够施用。尿素在施用过程中，不会在土壤中留下任何有害物质，而且分解释放出二氧化碳，还促进植物进行光和作用。所以长久施用尿素土壤不会变质。尿素能够作为单一肥料使用，也可和其它氮、磷、钾肥料组成混合（或复合）肥料施用，如尿素磷酸铵等。尿素和甲醛作用，还可制成脲醛长久有效化肥。粒状尿素吸湿性和结块性全部比其它氮肥小，并含有良好稳定性。所以，在运输、贮存和施用过程中氮损失全部较少。不过，尿素中缩二脲含有抑制种子发芽和生长作用，施用时必需注意，含缩二脲过高尿素不能作为拌种肥料。尿素用作饲料仅限于反刍类动物精饲料。尿素中氮虽不是蛋白质形态，但和碳水化合物一起经过胃液长时间作用，能够造成蛋白质形态氮，故能够作为反刍动物饲料。按蛋白质价值来比较，1kg尿素氮量，等于2.6~2.8kg蛋白质含氮量，约等于6kg豆饼或22~25kg大麦含氮量。作为饲料用尿素规格和使用方法有特殊要求，不能乱用，而且饲喂前必需经过试验。在有机合成工业中，尿素关键用作合成塑料原料，如生产脲醛树脂和有机玻璃。在医药工业中，纯尿素可用作利尿剂，生产制药原料氨基甲酸乙酯和作为安眠药、镇静剂、止痛剂、麻醉剂、甜味剂等原料。在石油工业中，尿素用来制造化学络合物，用作石油精炼过程脱蜡剂。在合成纤维中尿素时一个合成纤维——尤纶原料。尿素还能够用于纺织品人工防皱和作为处理麻纱软化剂。国防工业上尿素用作炸药稳定剂。在选框中尿素作为起泡剂。在制革及颜料、涂料、染料、等生产过程中，也全部要使用尿素。
1.2尿素生产方法介绍
生产尿素方法有很多个，20世纪60年代以来，全循环法在工业上取得普遍采取，最常见是水溶液全循环法生产尿素和二氧化碳气提法生产尿素。
合成氨生产为NH3和CO2直接合成尿素提供了原料。由NH3和CO2合成尿素总反应为：
2NH3+CO2→CO(NH2)2+H2O
该反应是放热可逆反应，转化率通常为50- 70%。按未反应物循环利用程度，尿素生产方法可分为不循环法、半循环法和全循环法三种。
1.2.1水溶液全循环法
20世纪60年代以来，全循环法在工业上取得普遍采取。
全循环法是将未转化成尿素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。
全循环法尿素生产关键包含四个基础过程：①氨和二氧化碳原料供给及净化；②氨和二氧化碳合成尿素；③未反应物分离和回收；④尿素溶液加工。
其生产过程图1-1所表示。

图1-1 全循环法生产尿素工艺步骤简图
1.2.2汽提法
依据分离回收方法不一样关键分为水溶液全循环法、气提法等。水溶液全循环法是将未反应氨和二氧化碳,经减压加热分解分离后，用水吸收生成甲铵或碳酸铵水溶液再循环返回合成系统。中国尿素厂多数采取水溶液全循环法。
气提法是利用某一气体在和合成等压条件下分解甲铵并将分解物返回合成系统一个方法。按气提气体不一样又可分为二氧化碳气提法、氨气提法、变换气气提法。气提法是全循环法发展，含有热量回收完全，氨和二氧化碳处理量较少优点。另外，在简化步骤、热能回收和降低生产费用筹方面也全部优于水溶液全循环法．是尿素生产发展一个方向。
本设计关键叙述讲解水溶液全循环法相关内容。
1.3水溶液全循环法和CO2汽提法两种方法比较
1.3.1水溶液全循环尿素工艺优、缺点
水溶液全循环尿素工艺生产装置静止高压设备较少，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技术改造比较轻易、方便，改造增产潜力较大。氨碳比控制较高，通常摩尔比为4.0左右，工艺介质对生产装置腐蚀性较低，除尿素合成塔衬里为尿素级316L材质外，其它设备和管道使用316L不锈钢或一般不锈钢材质即可，所以对设备、管道用材料相对于二氧化碳汽提工艺来说要低部分。因为氨碳比控制较高，二氧化碳气体中氧含量控制较低，而且尿素合成塔操作压力为19.6MPa，操作温度为188～190℃，所以水溶液全循环尿素工艺二氧化碳转化率较高，通常能达成42%～68%，经过尿素合成塔塔板改造，有企业已经达成68%以上。因为该工艺高压设备较少，高压系统停车保压时间能够达成24h，所以生产装置中小检修通常能够在尿素合成塔许可停车保压时间内完成，降低了高压系统排放次数，降低了尿素消耗。因为氨碳比控制较高，中低压分解系统温度控制合适，尿素产品质量较轻易控制，通常能够控制在优级品范围内。水溶液全循环尿素工艺生产装置数量在中国现阶段尿素生产中占有绝对优势，经过该工艺尿素企业和科研、设计、制造等单位共同努力研究、探讨和生产实践经验积累总结，水溶液全循环尿素工艺生产装置从设计、建造、技术改造、工艺操作到生产综合管理全部积累了相当丰富经验，是含有中国小氮肥企业特色最成熟尿素工艺。
但其缺点是：水溶液全循环尿素工艺生产装置工艺步骤较长，在操作调整方面不如CO2汽提法尿素工艺简单、方便。因为氨碳摩尔比控制得较高，通常稳定在4.0左右，而且未反应生成尿素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，液氨泵和一段甲按泵输送量比较多，所以该工艺中液氨泵和一段甲按泵台数较多，动力消耗较多。因为该工艺高压系统操作压力高达19.6 MPa，而且一段甲铁液工艺要求温度高达90℃左右，所以一段甲钱泵和液氨泵运行周期较短、检修维护时间较多、维修费用较高。二氧化碳气体压缩机因为出口压力高达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另一个缺点就是，现在中国在运行生产装置大多为年产(10～20) ×104t/a(经过改造后生产能力)，也有部分厂家经过双尿素合成塔改造后达成了年产30×10吨，最近山东化工计划设计院也设计了年产30～40万吨尿素水溶液全循环尿素装置，但从单套装置设计生产能力来说，相对于CO2汽提法尿素工艺生产装置还相差较远。
1.3.2 C02汽提法尿素工艺优、缺点
CO2汽提法尿素工艺生产装置工艺步骤较短，在操作调整方面比较简单、方便。该工艺特点是采取共沸物下CO(NH2)2摩尔比为2.89作为操作控制最好指标进行操作，大部分未反应生成尿素氨和二氧化碳在高压系统内循环继续反应生成尿素，只有较少部分氨和二氧化碳需要在低压部分进行回收，液氨泵和甲钱泵输送量比较少，所以该装置中液氨泵和甲钱泵台数较少，动力消耗较少，而且该工艺高压系统操作压力较低，为13.5～14.5MPa，使液氨泵和甲按泵运行周期较长，维修费用较少。该工艺能够回收较高端甲按反应热，除本系统加热使用外还可剩下少部分富裕低压蒸汽供外系统使用。CO2汽提法尿素另一个优点就是，生产装置生产能力范围较宽，运行全部很正常稳定。而且荷兰斯塔米卡邦企业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尿素尿素池式冷凝器技术。和传统高压甲铁冷凝器不一样是，池式冷凝器可提供一定停留时间，使甲钱生成尿素反应在此可达成反应平衡60%～80%，使生产装置产能在原设计能力基础上翻一番，而且尿素主框架高度降到40m以下，使操作愈加方便、动力消耗又有所降低。
但其缺点：CO2汽提法尿素工艺生产装置静止高压设备较多，有尿素合成塔、高压二氧化碳汽提塔、高压甲按冷凝器、高压洗涤器四大关键设备，它们是CO2汽提法尿素工艺生产装置关键，其它均为低压设备，所以该尿素工艺生产装置技术改造比较困难，改造增产潜力较小。高压二氧化碳汽提塔加热需要蒸汽品位较高，为2.5MPa，不如水溶液全循环尿素需用蒸汽压力低。
1.3.3尿素发展前景和展望
尿素合成是第一次用人工方法从无机物制得有机化合物。1773年Rouelle在蒸发人尿时第一次发觉尿素；1824年，Prout经过分析得出尿素试验式；1828年德国化学家Wohler在试验室以氰酸和氨制尿素；1932年美国杜邦企业用直接合成法制取尿素氨水，在1935年开始制造固体尿素。以后又出现了制备尿素其它方法，包含光气和氨反应、CO2和氨反应、氰胺化钙水解等，因为种种原因，最终全部未能实现工业化；唯一成为现代尿素工业化基础是由氨和二氧化塔合成尿素反应。1932年，美国DU Pont企业用氨和 二氧化碳直接合成尿素并副产氨水；1935年开始生产固体尿素并将未转化物循环回收，逐步形成全循环法工艺。
20世纪50年代世界各国推出多个溶液全循环工艺步骤，类型有：热气循环法；悬浮液循环法；气体分离循环法；水溶液全循环法等。其中，仅水溶液全循环法地成功取得了工业应用：未反应氨和二氧化碳以气态形式和尿素水溶液分离后，用水吸收为水溶液，再用泵送回系统。其工艺包含气液分离、液体吸收、气体冷凝多个步骤。
当初工业化应用较成功技术有美国Chemico法、Du Pont法和瑞士Incenta法。另外，法国Pechiney推出未反应物以不一样溶剂选择性吸收循环步骤。
20世纪60年代，尿素工业发展特点是：其一，尿素装置趁于单系列大型化，装置能力达成1000t/a～1500t/a；其二，气提法工艺被广泛采取。气提法是针对水溶液全循环法缺点而开发一个工艺，其实质是在和合成反应相等压力条件下，利用一个气体经过反应物系（同时伴有加热）是未反应氨或二氧化碳被带出。所以，前后出现了二氧化碳气提法（由Stamiearbon开发，使尿素生产能耗大为降低）；氨气提法（由意大利Snam Progetu开发），1966年建成第一个氨气提法尿素工厂；日本Toyo Koatsu全循环改良C法（合成压力高达25MPa，温度为200℃，转化率72％）和D法；美国UTI热循环法。
20世纪80年代以后，二氧化碳气提法和氨气提法得到深入改善、完善；同时世界上著名尿素企业还开发了其它优异工艺：意大利等压双循环工艺（Isobaric Double Recycle，简称IDR）；日本TEC/TMC开发了降低成本和节能新步骤ACES（Advancde Process for Cost and Energy Saving）新工艺；瑞士Amonnia Casale开发了分级处理合成液气提法分流工艺等。和原有二氧化碳气提法相比，含有以下特点：一是采取了新型高效塔盘；二是开发了卧式池式冷凝器替换原立式高压冷凝器；三是降低了尿素主框架高度；四是增设了二氧化碳脱氢装置，使二氧化碳气中氢气体积分数由约0.5％降到了50×0.05 以下，确保尿素洗涤系统安全运行。
中国情况是中国尿素年消耗量约在3000万吨，即使估计以后几年有所增加，大约也不会超出3500万吨。现有生产能力已经快要达成，中国以后十年内生产尿素全部将过剩。

第二章 水溶液全循环法生产尿素原理
水溶液全循环法是将未反应氨和二氧化碳,经减压加热分解分离后，用水吸收生成甲铵或碳酸铵水溶液再循环返回合成系统。
2.1化学反应
生产尿素原料是氨和二氧化碳，后者是合成氨厂副产品。尿素合成反应分两步进行：①氨和二氧化碳作用生成氨基甲酸铵(简称甲铵)；②甲铵脱水生成尿素，其反应式为：
2NH3+CO2→NH2COONH4+159.47kJ　　　(1)
NH2COONH4→CO(NH2)2+H2O-28.49kJ　　(2)
式(1)是强放热反应，在常压下反应速度很慢,加压下则很快。式(2)是温和吸热反应。
当温度为170～190℃,氨和二氧化碳摩尔比为2.0，压力高到足以使反应物得以保持液态时，甲铵转化成尿素转化率(以CO2计)为 50％；其反应速率随温度提升而增大。当温度不变时，转化率随压力升高而增大，转化率达成一定值后，继续提升压力，不再有显著增大，此时，几乎全部反应混合物全部以液态存在。
提升氨和二氧化碳摩尔比，可增大二氧化碳转化率，降低氨转化率。在实际生产过程中，因为氨回收比二氧化碳轻易，所以全部采取氨过量，通常氨和二氧化碳摩尔比≥3。反应物料中,水存在将降低转化率，在工业设计中要把循环物料中水量降低到最小程度。少许氧（空气）存在能阻缓材料腐蚀。增加反应物料停留时间能提升转化率,但并不经济,工艺设计中最好条件选择是在经济合理情况下，追求单位时间最大产量。经典工艺操作条件是温度180～200℃、压力13.8～24.6MPa、氨和二氧化碳摩尔比2.8～4.5反应物料停留时间25～40min。
2.2反应原理
2NH3+CO2→CO(NH2)2+H2O
这是一个可逆、放热、体积缩小反应，反应在液相中是分两步进行。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：
2NH3+CO2→NH2COONH4
该步反应是一个可逆体积缩小强放热反应。在一定条件下，此反应速率很快，客易达成平衡。且此反应二氧化碳平衡转化率很高。
然后是液态甲铵脱水生成尿素，称为甲铵脱水反应；
NH2COONH4→CO(NH2)2+H2O
此步反应是一个可逆微吸热反应，平衡转化率通常为50%－70％。此步反应速率也较缓慢，是尿素合成中控制速率反应。

第三章 水溶液全循环法生产工艺步骤
3.1原料准备
3.1.1氨
(1)氨性质
氨分子式为NH3，分子量为17.03，在常温常压下是无色含有特殊刺激性气体，在低温高压下能够液化，当温度低于—77.7℃以下时，氨能够成为含有臭味无色结晶，其关键物理性质以下：
临界温度∕℃
132.4
临界压力（绝压）∕MPa
11.15
临界比容∕(m3∕㎏)
4.26
密度（气体在标准状态下）∕（㎎∕L）
760
(2)尿素生产对液氨质量要求子式和尿素其质量分数为：氨＞99.5％，水＜0.5％，油＜10 mg/kg。
3.1.2二氧化碳
(1)二氧化碳性质
二氧化碳是无色气体，在一定条件下能够液化，在强烈冷却时能够变为固体，成为干冰。其分子式为CO2，分子量为44，其临界压力为7.29MPa，临界温度为31℃，临界密度为0.486g∕cm3,标准状态下气体密度为1.997g∕L,液体密度为0.9248g∕cm3，沸点为-56.2℃，熔点为-78.48℃.
(2)尿素生产对二氧化碳质量要求
对原料二氧化碳气要求为：CO2含量＞98.5％（体积分数）；H2S含量＜15mg/m3。
3.2尿素工艺步骤图
水溶液全循环法示意步骤图3-1所表示。经过加压预热原料液氨和经压缩后原料二氧化碳气及循环回收来氨基甲酸铵液一并进入预反应器。在预反应器内氨和二氧化碳反应生成氨基甲酸铵，再进入尿素合成塔，在塔内氨基甲酸铵脱水生成尿素。尿素熔融物从塔顶出来进入预分离器，将氨基甲酸铵和氨进行分离。氨基甲酸铵从预分离器底部出来进入中压循环加热器，用蒸汽间接加热使氨基甲酸铵分解，然后进入中压分离器，分离出尿液再减压进入精馏塔，深入分解氨基甲酸铵。精馏塔底出来尿液进入低压循环加热器，用蒸汽加热深入提升温度，促进残余氨基甲酸铵分解。气、液在低压循环分离器内分离。分离出尿液经减压至常压后，进入闪蒸槽，经减压后尿液中氨基甲酸铵和氨几乎全部清除。自闪蒸槽出来尿液进入尿液贮槽，用尿素溶液泵打入中压蒸发加热器及低压蒸发加热器，在不一样真空度下加热蒸发，气、液分别在中压蒸发分离器及低压蒸发分离器内分离。低压分离器出口尿液浓度达99.7%(质量)以上，用熔融尿素泵打入造粒塔，经造粒喷头洒成尿粒，在塔底得到成品尿素。

图3-1水溶液全循环法生产尿素工艺步骤图
1-预反应器；2-尿素合成塔；3-预分离器；4-中压循环加热器；5-中压循环分离器；6-精馏塔；7-低压循环加热器；8-低压循环分离器；9-闪蒸槽；10-尿液贮槽；11-尿素溶液泵；12-一段蒸发加热器；13-一段蒸发分离器；14-二段蒸发加热器；15-二段蒸发分离器；16-熔融尿素泵；17-造粒塔
预分离器、中压循环分离器、低压循环分离器及精馏塔顶部出来氨和二氧化碳气体，进入回收系统。回收氨和二氧化碳以液氨或氨基甲酸铵形式返回合成系统循环使用。
一段蒸发分离器、二段蒸发分离器及闪蒸槽出来气体，大部分水蒸气和少许氨去冷凝、真空系统，回收残余氨后放空。
3.3原料净化和输送
3.3.1二氧化碳脱硫和压缩原理
(1) 原料二氧化碳是合成氨装置生产副产物，其中含有极少许硫化物（关键是硫化氢）。为了降低硫化氢对尿素设备及管道腐蚀，首先必需对其进行脱硫。方法有干法和湿法，干法较常见，能够达成很高净化度，但只有当空气中硫化氢含量较低时才能应用（<1g/m3）,所以必需和湿法串联，干法放在其后。其步骤图图3-2。

图3-2 二氧化碳脱硫原理图
(2) 有合成氨系统送来二氧化碳气体，进入压缩机之前，在总管内和氧气混合。加氧是为了预防合成、循环系统设备腐蚀。氧气需要量约为二氧化碳总量0.5％（体积），二氧化碳经过一个带有水封液滴分离器，用来除去二氧化碳气体中水滴以保护二氧化碳压缩机。在液滴分离器之前设有放空阀，当系统停车或生产能力骤减时，由此放出一部分二氧化碳。
3.3.2液氨净化和输送
从合成氨装置内送来2.0MPa表压下液氨，经过氨过滤器除去杂质进入系统。过滤后液氨送入液氨缓冲槽原料室中。液氨缓冲槽位有控制阀自控调整，并在控制盘上设有液氨缓冲槽高低液位报警器。由中压循环系统来液氨进入氨循环槽回流室，一部分作为中压塔回流氨，多出氨流过溢流隔板进入原料室，和新鲜原料混合。原料液氨和溢流氨汇合后从氨缓冲槽原料室进入高压氨泵。高压液氨进入合成塔之前，先经过预热器预热到45-55℃，高压液氨经预热后送入高压混合器，然后进入尿素合成塔。
3.4尿素合成
3.4.1液氨和二氧化碳直接合成尿素
总反应为：2NH3+CO2→CO(NH2)2+H2O-103.7kJ，实际上反应是分两步进行，首先是氨和二氧化碳反应生成氨基甲酸铵：
2NH3+CO2→NH2COONH4
该步反应是一个可逆体积缩小强放热反应。在一定条件下，此反应速率很快，轻易达成平衡。且此反应二氧化碳平衡转化率很高.
然后是液态甲铵脱水生成尿素，称为甲铵脱水反应；NH2COONH4→CO(NH2)2+H2O-28.49kJ，此步反应是一个可逆微吸热反应，平衡转化率通常为50%－70％。此步反应速率也较缓慢，是尿素合成中控制速率反应。
3.4.2合成尿素理论基础
在一定条件，氨基甲酸铵生成速度是很快，而氨基甲酸铵脱水速度则很慢。所以，在合成尿素生产中，反应时间长短和尿素合成产率高低，直接和氨基甲酸铵脱水速度和尿素合成反应平衡相关。
3.5中压分解和吸收
尿素合成过程中，进入合成塔原来不可能全部转变为尿素。通常来说，约有67％左右二氧化碳和34％氨转变为尿素，其它氨和二氧化碳则以氨基甲酸铵、游离二氧化碳和游离氨形式存在于尿素合成液中。这部分物质必需和尿素分离后，作为原料重新循环使用，使原料氨和二氧化碳利用率分别达成98％-99％及94％-96.5％。氨基甲酸铵、游离二氧化碳、游离氨和尿素分离，要采取减压加热法（包含降低氨或二氧化碳分压而不降低其总压力）。其标准是降低合成反应液平衡压使为转化氨基甲酸铵、游离氨和游离二氧化碳在分解设备内被分离成气相，然后进入吸收设备。在一定工艺条件下, 气相氨、二氧化碳重新冷凝或被吸收生成液态氨基甲酸铵，送回合成塔。
3.6低压分解和吸收
中压分解后尿素溶液中未转化氨基甲酸铵需要再一次减压后进入低压系统在进行分解，试验测得数据表明，在0.49MPa表压以下及120℃以上时，分解后液相组成仅和温度、压力相关，而原始溶液总成无关。
3.7尿素溶液蒸发和造粒
尿素合成反应液经二次减压加热和闪蒸，将未反应物分离以后，得到温度为95℃、浓度为73％～75％尿素溶液，贮存于尿液贮槽。次尿液必需深入浓缩，将含水量降到0.3％，然后造粒，才便于贮存和运输。尿素浓缩能够采取蒸发法，也能够采取结晶法。从蒸发法得到熔融状尿素直接能够造粒，而结晶法得到固体结晶尿素，仍须加热再熔融后进行造粒。这是因为结晶尿素易于吸潮结块。蒸发法制粒状尿素含缩二脲在0.9％左右，而结晶法制粒状尿素中缩二脲含量能够降到0.3％.前者设备较少，基建投资较少，后者投资稍有增加。具体采取哪种方法依情况而定。熔融尿素(140℃)→尿素粒子(140℃)→尿素粒子(60℃)

第四章 物料衡算和热量衡算
4.1物料衡算
4.1.1数据采集
(1)计算范围：以第一反应器为计算范围，图4-1所表示。
(2)年生产力：10万吨尿素
(3)年开工时数：8000h。
10×104×103kg÷8000h=12500kg/h(以1h为基准，以下计算中，不再写h-1) 图4-1第一反应器
4.1.1.1基础数据
进料气体纯度（摩尔分数）氨50%，二氧化碳40%，甲铵10%；纯循环甲铵纯度（摩尔分数）80%，甲铵分解率70%，尿素回收率60%，氨转化率60%，二氧化碳转化率60%。
4.1.1.2反应方程式
总反应方程式：
2NH3+CO2→CO(NH2)2+H2O
分步反应方程式：
2NH3+CO2→NH2COONH4+159.47kJ　　　
NH2COONH4→CO(NH2)2+H2O-28.49kJ　
4.1.2基础物料衡算
第一反应器中生成尿素量：12500kg÷60%=20833.3kg=347.2kmol
第一反应器中生成水量：12500kg÷60%=20833.3kg=347.2kmol=6249.6kg
纯循环甲铵量：12500kg÷60%=20833.3kg=347.2kmol=6249.6kg
循环甲铵量：347.2kmol÷80%÷70%=620.0kmol=48360kg
进料中甲铵量：620.0kmol÷10%=6200.0kmol=483600kg
进料中氨量：2×6200kmol÷50%=24800kmol=421600kg
进料中二氧化碳量：6200.0kmol÷40%=15500kmol=68kg
出料中氨量：24800kmol×(1-60%)=9920kmol=168640kg
出料中二氧化碳量：15500kmol×(1-60%)=6200kmol=272800kg
出料中甲铵量：620.0kmol-347.2kmol=272.8kmol=21278.4kg
列物料衡算表，见表4-2。
表4－2 年产10万吨尿素生产物料衡算表
进反应系统
原料组成
出反应系统
原料组成
组分
kmol
㎏
组分
kmol
㎏
NH3
9920
28424
NH3
9920
168640
CO2
15500
34716
CO2
6200
272800
NH2COONH4
6200.0
483600
H2O
347.2
6249.6

NH2COONH4
272.8
21278.4

CO(NH2)2
347.2
41820
总量

546740
总量

510788
4.2热量衡算
4.2.1数据采集
(1) 298.15K标准生成热以下：
∆fHm(CO(NH2)2)=-113.085kJ/mol ∆fHm(CO2)=-393.511 kJ/mol
∆fHm(NH3)=-46.19kJ/mol ∆fHm(NH2COONH4)=-326.42 kJ/mol
∆fHm(H2O)=-241.825kJ/mol
(2) 物料摩尔定压热容数据，见表4-3。
表4-3 物料摩尔定压热容数据
物质

摩尔定压热容
Cp,m/(kJ·(mol·K)-1)
物质
摩尔定压热容
Cp,m/(kJ·(mol·K)-1)
25℃
160℃
25℃
160℃
NH3
35.65
42.3
CO2
37.12
39.52
H2O
33.8
34.1
NH2COONH4
69.37
73.42
CO(NH2)2

80.50

反应混合气进口温度25℃，反应温度和出口温度160℃。
4.2.2基础热量衡算
(1) 298.15K反应热效应：
∆rHm1=+159.47kJ/mol
∆rHm2=-28.49kJ/mol
Q放=24800Kmol×(+159.47-28.49)
=3248304×103kJ
=3.25×106MJ
(2) 反应混合气带入热：
Q带入=(24800×35.65+15500×37.12+6200×69.37) ×25kJ
=4.722×107kJ
=4.722×104MJ
(3) 产物气带出热：
Q带出=(9920×42.3+6200×39.52+347.2×34.1+272.8×73.42+347.2×80.50) ×(160-25)kJ
=7.25×105×135kJ
=9.79×104MJ
Q放(298.15)+Q带入=Q带出+Q移出
Q移出= Q放(298.15) +Q带入-Q带出
=3.25×106MJ+4.722×104MJ-9.79×104MJ
=3.20×106MJ
(4) 列热量衡算表，见表4-4。
表4-4 年产10万吨尿素生产热量衡算表
输入
输出
项目
热量/ MJ
项目
热量/ MJ
反应气带入热
4.722×104
产物气带出热
9.79×104
298.15K反应放热
3.25×106
移出热
3.20×106
总计
3.30×106
总计
3.30×106

第五章 生产尿素工艺条件及关键设备
5.1生产尿素工艺条件
为确保产品质量并取得很好技术经济效益，在生产过程中需严格控制各项工艺条件，生产尿素关键工艺条件以下。
5.1.1温度
尿素合成控制反应是甲铵脱水，它是一个微吸热反应，故提升温度甲铵脱水速度加紧。温度每升高10℃，反应速度约增加一倍，所以，从反应速率角度考虑，高温是有利。由试验和热力学计算表明，平衡转化率开始时随温度升高而增大。若继续升温平衡转化率逐步下降。
表5-1 反应温度和二氧化碳转化率关系
反应温度/℃
170
180
190
转化率∕％
60
60
67.5
注：NH3:CO2=4, H2O:CO2=0.6

图5-1温度和转化率关系
这是因为高温时甲铵在液相中分解成氨和二氧化碳所造成；综合进行考虑．尿素合成塔内部操作温度大致为185～200℃。
5.1.2氨碳比
氨碳比是指反应物料中NH3／CO2摩尔比，常见符号a表示。“氨过量率”是指原料中氨量超出化学反应式理论量摩尔百分数。二者是有联络，如当原料a=2时氨过量率为0％，而a=4时，则氨过量率为100%。
试验表明，NH3过量能提升尿素转化率，因为过量NH3促进CO2转化，同时能和脱出H2O结合成氨水。使水排除于反应之外，这就等于移去全部分产物，也促进平衡向生成尿素方向移动。再者，过剩氨还会抑制甲铵水解和尿素缩合等有害副反应，也有利于提升转化率。所以，过量氨增多；平衡转化率增大，故工业上全部采取氨过量操作，即氨碳比必需大于2。
通常水溶液全循环法氨碳比选择在3.5～4.5左右，CO2气提法尿素生产步骤中因设有高压甲铵冷凝器移走热量和副产蒸汽，不存在超温问题，而从相平衡及合成系统压力考虑，其氨碳比选择在2.8～2.9。
5.1.3水碳比
水碳比是指合成塔进料中H2O/CO2摩尔比，常见符号b来表示。水起源有两方面：一是尿素合成反应产物，二是现有多种水溶液全循环法中，一定量水会随同未反应NH3和CO2返回合成塔中。从平衡移动原理可知：水量增加，不利于尿素形成．它将造成尿素平衡转化率下降。
表5-2 水碳比影响
H2O：CO2
0.3
0.5
0.7
0.9
1.1
尿素平衡
转化率
69.0
68.6
67.4
65.8
64.0
水溶液全循环法中，水碳比通常控制在0.7～1.2；CO2气提法中，气提分解气在高压下冷凝，返回合成塔系统水量较少，所以水碳比通常在0.3～0.4之间。
5.1.4操作压力
尿素合成总反应是一个体积降低反应，所以提升压力对尿素合成有利，尿素转化率随压力增加而增大。但合成压力也不能过高，因压力和尿素转化率关系并非直线关系，在足够压力下，尿素转化率逐步趋于一个定值，压力再升高，转化率增加极少，但同时压缩动力消耗增大，生产成本提升，高压下甲铵对设备腐蚀也加剧。
对于水溶液全循环法，当温度为190℃和NH3：CO2等于4时，对应平衡压力为18～20MPa左右。对于CO2气提法操作压力为13～14MPa。
5.1.5反应时间
在一定条件下，甲铵生成反应速率极快，而且反应比较完全，但甲铵脱水反应速率很慢，而且反应很不完全。所以尿素合成反应时间关键是指甲铵脱水生成尿素反应时间。甲铵脱水速率随温度升高和氨碳比加大而加紧。为了使甲铵脱水反应进行得比较完全，就必需使物料在合成塔内有足够停留时间。不过，反应时间过长，设备容积要对应增大，或生产能力下降，同时，甲铵不稳定性增加，尿素缩合反应加剧．且甲铵对设备腐蚀也加剧，操作控制比较困难。
对于水溶液全循环法．反应时间通常为50～60 min：其CO2转化率可达62%～64%。对于二氧化碳气提法，反应时间通常为 40～50 min左右，其转化率约为53%。
5.2生产尿素关键设备
5.2.1脱硫塔
该塔为圆柱形立式设备，