1、1第一章 尿素工艺概况第一节 化工基础知识（ 一 ） 、 化 学 基 础 知 识1 元 素 、 原 子 与 分 子世 界 上 任 何 物 质 都 是 元 素 组 成 的 。 具 有 相 同 核 电 荷 数 的通 一 类 原 子 叫 元 素 。 采 用 一 定 的 符 号 来 表 示 各 种 元 素 ， 叫 做元 素 符 号 。 尿 素 装 置 所 涉 及 到 的 主 要 元 素 有 ： 氢 （ H） 、 碳（ C） 、 氮 （ N） 、 氧 （ O） 、 硫 （ S） 、 铬 （ Cr） 、 镍 （ Ni） 、 钼（ Mo） 等 。分 子 是 能 够 独 立 存 在 而 仍 具 有 该 物 质
2、 一 却 化 学 特 性 的 最小 微 粒 。 用 组 成 分 子 的 各 种 原 子 的 元 素 符 号 来 表 示 这 种 分 子 ，就 形 成 了 分 子 式 。尿 素 装 置 中 最 常 用 的 分 子 式 ：物质名称 二氧化碳 氢气 空气 尿素 缩二脲分子式 CO2 H2 NH2CONH2 NH2CONH CONH 2物质名称 氨 氧气 氮气 甲铵分子式 NH3 O2 N2 NH4COONH22 化 学 反 应当 两 种 以 上 的 物 质 相 互 作 用 产 生 化 学 变 化 时 便 发 生 了 化学 反 应 。用 元 素 符 号 和 分 子 表 示 化 学 反 应 的 等 式
3、叫 化 学 方 程 式 。它 不 仅 表 示 了 化 学 反 应 过 程 中 ， 反 应 物 转 化 生 成 物 的 变 化 关系 。 而 且 还 表 示 了 反 应 物 转 化 生 成 的 过 程 的 定 量 关 系 。2（ 二 ） 、 化 工 基 础 知 识化 工 生 产 是 以 煤 、 石 油 、 天 然 气 、 水 、 空 气 等 天 然 资 源或 农 副 产 品 为 原 料 ， 经 过 一 系 列 化 学 变 化 或 化 学 处 理 为 主 要手 段 ， 改 变 物 质 原 来 的 性 质 ， 状 态 和 组 成 ， 制 成 所 需 的 产 品 。1 化 工 单 元 操 作化 学 工
4、 业 的 种 类 很 多 ， 涉 及 酸 、 碱 、 化 肥 、 医 药 以 及 石油 化 工 等 ， 它 们 所 采 用 的 生 产 方 法 、 工 艺 流 程 、 设 备 大 小 也往 往 千 差 万 别 ， 各 有 不 同 。 它 们 之 所 以 统 归 化 学 工 业 范 筹 ，首 先 是 因 为 这 些 工 业 过 程 中 所 用 的 原 料 最 终 变 为 产 品 ， 不 仅在 物 质 上 发 生 了 变 化 ， 而 且 一 般 地 都 伴 随 化 学 性 质 的 变 化 ，而 这 些 不 同 的 生 产 过 程 都 是 一 些 基 本 操 作 组 成 ， 如 流 体 的 流动 与
5、 输 送 、 压 缩 、 分 离 、 传 热 、 蒸 发 、 精 馏 、 解 吸 、 吸 收 、冷 却 、 破 碎 等 操 作 ， 我 们 把 这 些 操 作 称 为 化 学 基 本 单 元 操 作 。若 干 单 元 操 作 串 联 起 来 就 构 成 了 一 个 化 工 产 品 的 生 产 过 程 。在 尿 素 的 生 产 工 艺 中 几 乎 包 括 了 所 有 的 化 工 单 元 操 作 。2 化 工 单 元 操 作 分 类按 照 单 元 操 作 所 遵 循 的 基 本 规 律 不 同 可 归 纳 为 几 个 基 本过 程 ：（ 1） 、 动 量 传 递 过 程 ： 包 括 遵 循 流 体
6、 动 力 学 规 律 的 一 些单 元 操 作 ， 如 流 体 的 流 动 与 输 送 、 沉 降 、 离 心 泵 以 及 固 态 流态 化 、 空 气 压 缩 等 。（ 2） 、 热 量 传 递 过 程 ： 简 称 传 热 过 程 ， 包 括 主 要 遵 循 热3交 换 基 本 规 律 的 一 些 单 元 操 作 ， 如 传 热 、 蒸 发 、 冷 凝 等 。（ 3） 、 质 量 传 递 过 程 ： 简 称 传 质 过 程 ， 即 物 质 通 过 扩 散 ，从 一 个 相 转 移 到 另 一 个 相 的 过 程 ， 包 括 蒸 发 、 解 吸 、 吸 收 、干 燥 等 单 元 操 作 。（
7、4） 、 热 力 过 程 ： 包 括 遵 循 热 力 学 规 律 一 些 单 元 操 作 ，如 冷 冻 等 。（ 5） 、 机 械 过 程 ： 包 括 遵 循 机 械 力 学 的 一 些 单 元 操 作 ，如 固 体 的 粉 碎 ， 筛 分 等 。3 化 工 单 元 操 作 简 介（ 1） 、 传 热 ： 传 热 是 化 工 生 产 中 必 不 可 少 的 操 作 过 程 。生 产 中 的 传 热 过 程 ， 通 常 都 是 在 两 种 流 体 之 间 进 行 的 。 某 些场 合 下 粒 状 固 态 物 料 也 参 与 传 热 过 程 ， 如 造 粒 的 冷 却 过 程 。实 现 冷 、 热
8、 流 体 之 间 热 量 传 递 的 设 备 称 为 换 热 器 。传 热 的 基 本 方 式 有 三 种 ： 传 导 、 对 流 、 辐 射 。（ 2） 、 蒸 发 ： 通 过 加 热 使 溶 液 中 的 一 部 分 溶 剂 汽 化 并 除去 的 操 作 ， 称 之 为 蒸 发 ， 蒸 发 是 一 个 体 现 传 热 过 程 基 本 过 程的 单 元 操 作 。蒸 发 操 作 一 般 都 是 在 溶 液 的 沸 点 下 进 行 的 。 在 蒸 发 过 程中 ， 只 有 溶 剂 是 挥 发 性 物 质 ， 溶 质 是 不 挥 发 的 ， 这 就 是 说 当溶 液 被 加 热 沸 腾 后 ， 只
9、 有 溶 剂 汽 化 ， 溶 质 在 整 个 过 程 中 的 数量 不 变 ， 这 就 使 蒸 发 操 作 的 显 著 特 点 之 一 。进 行 蒸 发 操 作 的 必 备 条 件 是 ： 必 须 不 断 的 供 给 热 量 和 排除 已 经 汽 化 的 蒸 汽 。4根 据 蒸 发 时 压 强 的 不 同 ， 可 将 蒸 发 操 作 分 为 常 压 蒸 发 、加 压 蒸 发 和 减 压 蒸 发 三 种 类 型 。（ 3） 、 气 体 吸 收 ： 气 体 吸 收 是 利 用 适 当 的 液 体 吸 收 剂 来处 理 气 体 混 合 物 ， 以 使 其 中 的 一 种 或 多 种 组 分 由 气
10、相 转 入 液相 的 操 作 。 吸 收 的 基 本 依 据 是 利 用 气 体 混 合 物 中 各 个 组 分 在吸 收 剂 中 的 溶 解 度 的 不 同 ， 从 而 将 其 中 溶 解 度 最 大 组 份 分 离出 来 。尿 素 装 置 中 吸 收 塔 的 操 作 是 为 了 回 收 气 体 中 有 效 成 分 ，如 氨 ； 同 时 减 少 有 害 气 体 （ NH3、 H2S 等 ） 对 环 境 的 污 染 。由 此 可 见 ， 吸 收 操 作 与 提 高 产 品 质 量 ， 增 加 产 量 ， 降 低 消 耗 ，消 除 污 染 ， 保 证 人 身 体 健 康 具 有 密 切 的 关
11、系 。吸 收 操 作 的 好 坏 ， 在 很 大 程 度 上 取 决 于 能 否 选 择 一 种 适宜 的 吸 收 剂 。（ 4） 、 干 燥 ： 利 用 加 热 时 固 体 物 料 中 的 湿 分 （ 包 括 水 分或 其 它 溶 剂 ） 汽 化 并 出 去 的 操 作 成 为 干 燥 。 根 据 热 能 传 给 湿物 料 的 方 法 不 同 ， 干 燥 可 分 为 ： 间 接 加 热 干 燥 、 对 流 干 燥 、辐 射 干 燥 和 介 电 加 热 干 燥 。（ 5） 、 解 吸 ： 解 吸 是 吸 收 的 逆 过 程 ， 传 热 方 向 与 吸 收 方向 相 反 溶 质 由 液 相 向
12、气 相 传 递 。 其 目 的 是 回 收 液 体 中 的溶 质 和 使 吸 收 剂 再 生 循 环 使 用 。（ 6） 、 蒸 馏 ： 化 工 生 产 中 为 了 达 到 提 纯 或 回 收 有 效 组 份的 目 的 ， 常 常 需 要 对 液 体 均 相 混 合 物 进 行 分 离 ， 蒸 馏 就 是 分离 液 体 均 相 混 合 物 的 单 元 操 作 ， 对 混 合 物 的 分 离 总 是 利 用 其5中 各 组 分 某 种 性 质 的 差 异 ， 蒸 馏 操 作 就 是 借 助 于 液 体 混 合 物中 各 组 份 挥 发 能 力 的 差 异 而 达 到 分 离 的 目 的 。按 蒸
13、 馏 方 式 与 分 离 程 度 分 类 ， 可 分 为 简 单 蒸 馏 、 平 衡 蒸馏 （ 或 叫 闪 蒸 ） 和 精 馏 。（ 7） 、 闪 蒸 ： 为 连 续 操 作 的 定 常 过 程 ， 带 有 一 定 压 力 和温 度 的 尿 液 ， 经 节 流 阀 急 剧 减 压 至 规 定 压 力 进 入 闪 蒸 器 中 。在 闪 蒸 器 中 与 规 定 的 压 力 下 部 分 料 液 迅 速 汽 化 ， 从 顶 部 进 入冷 凝 器 中 被 冷 凝 成 液 体 （ 其 中 易 挥 发 组 份 含 量 较 高 ） ， 进 入下 一 工 序 。 另 一 部 分 为 气 化 的 液 体 中 易
14、挥 发 的 组 分 含 量 较 高 ，由 闪 蒸 器 底 部 抽 出 （ 成 为 底 部 产 品 ） 。（ 8） 、 精 馏 ： 工 业 上 的 精 馏 分 离 通 常 采 用 连 续 操 作 。 其主 要 设 备 包 括 精 馏 塔 、 再 沸 器 （ 或 循 环 加 热 器 ） 、 冷 凝 器 等 。按 操 作 压 强 分 ： 可 分 为 常 压 、 加 压 、 减 压 精 馏 。3 化 工 过 程 的 基 本 规 律对 千 变 万 化 的 各 种 化 工 生 产 过 程 都 可 以 将 其 单 元 操 作 归纳 在 几 个 化 工 基 本 生 产 过 程 中 ， 并 遵 循 其 各 自
15、的 基 本 规 律 ，但 这 些 基 本 过 程 又 同 时 遵 循 着 某 些 共 同 的 规 律 ， 掌 握 和 运 用这 些 过 程 的 共 同 规 律 ， 有 助 于 我 们 从 工 程 观 点 出 发 去 分 析 某个 过 程 技 术 生 的 可 行 性 和 经 济 上 的 合 理 性 ， 这 些 共 同 的 规 律是 ：（ 1） 、 质 量 守 恒 ： 在 化 工 生 产 中 ， 随 着 过 程 的 进 行 ， 物质 在 不 断 的 起 着 变 化 ， 但 在 一 个 固 定 的 系 统 或 固 定 的 设 备 内 ，6它 必 须 符 合 ：输 入 的 物 料 输 出 的 物 料
16、量 物 料 的 损 失 量（ 2） 、 能 量 守 恒 ： 在 化 工 生 产 中 ， 除 了 物 质 的 变 化 ， 还必 然 伴 随 着 能 量 的 转 换 ， 例 如 ： 在 流 体 流 动 与 输 送 中 ， 就 存在 流 体 的 位 能 、 动 能 、 静 压 能 或 外 加 机 械 能 的 转 化 问 题 ， 在热 量 的 传 递 过 程 和 质 量 传 递 过 程 中 ， 也 存 在 着 冷 热 流 体 之 间以 及 环 境 之 间 的 热 量 交 换 问 题 。 根 据 能 量 守 恒 定 律 ， 在 任 何一 个 系 统 中 ： 输 入 的 物 料 输 出 的 物 料 量 物
17、 料 的 损 失 量（ 3） 、 平 衡 关 系 ： 在 化 工 生 产 过 程 中 ， 像 固 体 的 溶 解 与结 晶 、 气 体 的 吸 收 等 操 作 过 程 ， 都 是 在 一 定 条 件 下 由 不 平 衡向 平 衡 状 态 转 化 ， 以 达 到 过 程 进 行 的 最 大 限 度 。 一 个 过 程 在一 定 条 件 下 能 否 进 行 ， 能 进 行 到 什 么 程 度 ， 都 可 以 由 平 衡 关系 推 知 。 同 时 还 能 为 生 产 操 作 条 件 的 选 择 和 改 进 提 供 依 据 。（ 4） 、 过 程 的 速 率 ： 平 衡 关 系 只 说 明 过 程 的
18、 方 向 和 极 限 ，而 过 程 进 行 的 快 慢 在 工 程 上 是 比 平 衡 关 系 更 重 要 。 单 位 时 间里 的 各 种 过 程 进 行 的 变 化 称 之 为 过 程 的 速 率 。 过 程 的 速 率 越高 ， 设 备 的 生 产 能 力 越 大 ， 在 同 样 产 量 的 条 件 下 ， 设 备 尺 寸可 以 越 小 。 过 程 的 速 率 可 以 用 如 下 基 本 关 系 表 示 ：过 程 的 速 率 过 程 的 推 动 力 过 程 的 阻 力过 程 的 推 动 力 是 过 程 在 某 一 瞬 间 状 态 的 因 素 距 离 平 衡 状态 因 素 的 差 额 。
19、在 流 体 流 动 过 程 中 ， 它 表 现 为 位 差 或 压 差 ；在 传 热 过 程 中 它 是 冷 热 流 体 的 温 差 ； 在 传 质 过 程 中 ， 它 是 物质 的 浓 度 差 。 构 成 过 程 阻 力 的 因 素 很 多 ， 而 且 同 样 是 因 过 程7的 性 质 不 同 而 不 同 ， 提 高 过 程 速 率 的 途 径 在 于 加 大 过 程 的 推动 力 和 减 少 过 程 的 阻 力 。第 二 节 尿 素 的 性 质尿 素 ， 是 由 于 人 及 哺 乳 动 物 的 尿 液 中 含 有 这 种 物 质 而 得名 。 分 子 式 为 CO(NH2)2 或 写 成
20、 H2NCONH2。 NH2化 学 结 构 式 ： O C NH2在 尿 素 工 业 生 产 中 ， 常 用 符 号 “Ur”来 表 示 尿 素 。 1、 物 理 性 质纯 粹 的 尿 素 为 无 色 、 无 味 、 无 嗅 的 针 状 或 柱 状 晶 体 。 工业 尿 素 因 含 有 杂 质 常 为 白 色 、 淡 黄 色 或 淡 红 色 。 纯 尿 素 的 理论 含 氮 量 为 46.65 ， 分 子 量 为 60.06 。2、 化 学 性 质尿 素 呈 微 碱 性 ， 但 不 能 使 一 般 指 示 剂 变 色 ， 与 酸 作 用可 生 成 盐 类 。例 如 ， 尿 素 与 硝 酸 反
21、应 生 成 硝 酸 CO(NH2)2HNO3 。尿 素 与 磷 酸 作 用 生 成 磷 酸 尿 素 CO(NH2)2 H3PO4 。尿 素 与 盐 类 相 互 作 用 可 生 成 络 合 物 。 例 如 ， 尿 素 与 硝 酸钙 反 应 生 成 Ca(NO3)2. 4CO(NH2)2。 尿 素 与 磷 酸 一 钙 作 用 时 ，反 应 如 下 ：Ca(NO3)2 . H2O CO(NH2)2 CO(NH2)2.H3PO4 （ 磷 酸 钙 ） （ 磷 酸 尿 素 ） 8 Ca(H2PO4) H2O(磷 酸 氢 钙 )尿 素 能 与 酸 或 盐 相 互 作 用 的 性 质 ， 在 复 合 肥 料
22、生 产 中 具有 重 要 意 义 。尿 素 在 水 中 易 产 生 水 解 作 用 ， 生 成 氨 和 CO2； 在 高 温下 易 发 生 缩 合 反 应 ， 生 成 缩 二 脲 、 缩 三 脲 等 。 这 两 个 性 质 在尿 素 生 产 中 都 是 不 利 因 素 ， 是 较 为 重 要 的 。在 盐 酸 作 用 下 ， 尿 素 同 甲 醛 反 应 生 成 甲 基 尿 素 ； 在 中 性溶 液 中 与 甲 醛 反 应 生 成 二 甲 基 尿 素 。第 三 节 尿 素 合 成 的 基 本 原 理（ 一 ） 、 工 业 上 生 产 尿 素 是 在 高 温 高 压 条 件 下 进 行 的 。一
23、般 认 为 是 在 液 相 中 分 两 步 完 成 。第 一 步 ： 氨 和 二 氧 化 碳 在 水 存 在 下 生 成 甲 铵 ：2NH3（ 液 ） +CO2（ 气 ） NH4COONH2（ 液 ）第 二 步 ： 甲 铵 脱 水 生 成 尿 素NH4COONH2（ 液 ） CO（ NH2） 2（ 液 ） +H2O（ 液 ）上 述 反 应 是 在 高 温 下 进 行 的 。 第 一 步 反 应 只 要 能 及 时 移去 反 应 热 ， 反 应 进 行 很 快 且 易 达 到 化 学 平 衡 ， 而 第 二 步 反 应即 使 在 液 态 和 供 给 热 量 中 利 用 第 一 步 反 应 热 的
24、 条 件 下 ， 平 衡转 化 率 只 能 达 到 5070%。 所 以 第 二 步 反 应 是 尿 素 生 产 的 控制 步 骤 。9合 成 尿 素 总 的 反 应 式 为 ：2NH3（ 液 ） +CO2（ 气 ） （ NH2） 2 CO（ 液 ）+H2O+Q亦 即 合 成 尿 素 的 总 反 应 为 逆 放 热 反 应 。（ 二 ） 、 氨 基 甲 酸 铵 的 生 成（ 1） 、 工 业 生 产 中 的 甲 铵 生 成 反 应 式 为 ：2NH3（ 液 ） +CO2（ 气 ） NH4COONH2（ 液 ） +Q（ 2） 、 甲 铵 生 成 的 反 应 速 度常 温 、 常 压 下 ， 甲
25、铵 生 成 的 速 度 相 当 缓 慢 ， 而 且 甲 铵 极易 分 解 ； 但 当 压 力 在 980kPa 以 上 ， 温 度 超 过 150 时 ， 甲铵 生 成 反 应 几 乎 瞬 时 就 可 完 成 ； 液 相 中 的 二 氧 化 碳 大 部 分 转化 为 甲 铵 。 而 且 反 应 速 度 几 乎 与 压 力 的 平 方 成 正 比 。 在 一 定的 范 围 内 提 高 温 度 也 能 提 高 甲 铵 的 生 成 速 度 。由 此 可 见 ， 为 了 加 快 甲 铵 生 成 速 度 ， 必 须 采 用 较 高 压 力和 与 此 压 力 相 适 应 的 温 度 。（ 3） 、 尿 素
26、 的 生 成 、 甲 铵 脱 水 生 成 尿 素 的 化 学 平 衡甲 铵 脱 水 生 成 尿 素 的 反 应 为 ：NH4COONH2（ 液 ） CO（ NH2） 2（ 液 ） +H2O Q上 述 反 映 在 一 定 的 温 度 ， 压 力 下 进 行 ， 是 一 个 可 逆 吸 热反 应 。 、 甲 铵 脱 水 生 成 尿 素 的 反 应 速 度由 尿 素 合 成 的 反 应 机 理 可 知 ， 甲 铵 脱 水 是 反 应 的 控 制 步10骤 ， 即 决 定 尿 素 合 成 的 速 度 。 甲 铵 脱 水 的 反 应 速 度 体 现 于 二氧 化 碳 转 化 率 与 温 度 、 时 间
27、的 关 系 。第 四 节 尿素相关工艺及比较（ 一 ） 、 尿 素 技 术 方 案 的 选 择国 际 尿 素 生 产 工 艺 较 多 ， 但 国 内 尿 素 生 产 工 艺 主 要 有 ：水 溶 液 全 循 环 法 ， CO2 汽 提 法 ， 氨 汽 提 法 三 种 。 根 据 各 种工 艺 生 产 的 特 点 、 及 生 产 厂 家 的 实 际 运 行 情 况 ， 综 合 评 价 这三 种 ： 水 溶 液 全 循 环 法 适 用 中 、 小 型 尿 素 装 置 （ 4-15 万 吨/年 ） 的 生 产 ， 且 生 产 技 术 成 熟 ； CO2 汽 提 法 和 氨 气 提 工 艺适 用 于
28、大 中 型 尿 素 装 置 （ 15-52 万 吨 /年 ） 的 生 产 。 氨 气 提法 与 CO2 气 提 法 工 艺 相 比 ， 消 耗 比 较 接 近 ， 但 是 氨 气 提 法工 艺 流 程 长 ， 设 备 昂 贵 ， 且 未 国 产 化 。（ 二 ） 、 下 表 为 三 种 生 产 工 艺 特 点 对 比 表 。水溶液 CO2 汽提法 氨汽提法NH3 580 575 575CO2 Kg 775 Kg 750 Kg 750 Kg循环水 150m3 100 m3 95 m3电 KW/h 150 KW/h 120 KW/h 140 KW/h蒸汽 1.5 T/h 1050 T/h 780
29、T/h外送 0.4 Mpa 蒸汽 消耗/Tur180 Kg/Tur高压圈设备 1 台 5 台 5 台艺流 中压系统 有 无 有11低压系统 有 有 有脱氢 无 有流程长 高压圈高压转化率高 高压圈转化率高程流程短 流程长合成塔 188 183 188操作压力 20.0Mpa 14.0Mpa 14.8MpaN/C 4.0 3.0 3.4H/C 0.65 0.4 0.7合成条件框架结构 中框架（30m）高框架（60m） 中框架（30m）国产化 完全国产化 国产化 Ti 材汽提塔进口安全性 无脱氢 有脱氢安全可靠 安全可靠投资比例 1 1.21.25 1.35水 溶 液 全 循 环 法 与 气 提
30、法 尿 素 相 比 能 量 利 用 不 合 理 ， 消耗 较 高 ， 流 程 较 长 ， 近 几 年 新 建 的 大 中 型 尿 素 已 很 少 采 用 该工 艺 。氨 气 提 法 特 点 ： 工 艺 先 进 ， 消 耗 低 ， 无 高 框 架 结 构 ， 无爆 炸 危 险 ， 是 该 工 艺 的 特 点 ， 但 该 工 艺 需 购 买 国 外 专 利 工 艺包 ， 装 置 不 能 国 产 化 ， 国 外 设 备 制 造 周 期 长 ， 故 不 采 用 该 工艺 。CO2 气 提 法 特 点 ： 高 压 圈 操 作 压 力 最 低 ， 由 于 高 压 转化 率 较 高 ， 装 置 无 中 压
31、系 统 ， 该 工 艺 采 用 CO2 脱 氢 技 术 ，根 本 上 杜 绝 了 生 产 中 的 爆 炸 危 险 性 ， 该 工 艺 流 程 短 、 设 备 少 、生 产 稳 定 、 消 耗 较 低 、 投 资 较 少 ， 在 国 内 有 丰 富 的 设 计 、 设备 制 造 、 生 产 经 验 ， 近 几 年 新 建 的 项 目 多 为 CO2 气 提 法 。12第二章 尿素装置工艺流程叙述第一节 二氧化碳基本原理合 成 尿 素 的 反 应 一 般 在 液 相 中 分 两 步 来 进 行 的 。第 一 步 ： 甲 铵 生 成 反 应2NH3（ 液 ） +CO2（ 气 ） NH4COONH2（
32、 液 ） 111.17KJ， 反 应 是 强 放 热 反 应 ， 反 应 速 度 快 ， 容 易 达 到 化学 平 衡 。第 二 步 ： 甲 铵 脱 水 反 应NH4COONH2（ 液 ） NH2CONH2（ 液 ） +H2O（ 液 ） 15.48KJ此 反 应 是 微 放 热 反 应 ， 主 要 是 在 液 相 中 进 行 ， 且 为 控 制反 应 。第二节 二氧化碳工艺流程（ 一 ） 、 概 述本 装 置 采 用 二 氧 化 碳 气 体 技 术 生 产 99.7 熔 融 尿 素 ， 然后 进 入 19000 造 粒 塔 ， 利 用 上 部 旋 转 喷 头 造 粒 。 尿 素 主 装 置为
33、1400T/日 ， 设 计 能 力 为 1400 吨 日 。 装 置 主 要 包 括 ：CO2 压 缩 、 脱 硫 、 脱 氢 ， 液 氨 升 压 、 尿 素 合 成 和 汽 提 、 循 环 、蒸 发 、 解 吸 水 解 、 尿 素 造 粒 等 工 序 。13（ 二 ） 、 工 艺 流 程 说 明1 二 氧 化 碳 压 缩 、 脱 硫 、 脱 氢 ：从 脱 碳 来 的 二 氧 化 碳 （ CO2 98.5 ， H2 1.2 ） 气体 ， 其 温 度 30 ， 压 力 ： 0.13Mpa（ 绝 ） ， 经 二 氧 化 碳 液 滴分 离 器 ， 经 压 缩 在 二 段 入 口 前 与 一 定 的
34、空 气 混 合 ， 空 气 量 为二 氧 化 碳 体 积 的 4 。 从 压 缩 二 段 出 来 的 二 氧 化 碳 控 制 水 冷温 度 60 ， 进 入 水 解 槽 有 机 硫 水 解 ， 后 进 水 冷 器 降 温 40 ， 经 氧 化 铁 脱 硫 槽 脱 硫 后 ， 去 压 缩 三 段 入 口 。 四 段 出口 二 氧 化 碳 为 14.2Mpa、 150 进 入 脱 氢 系 统 。 开 车 时 由 中 压蒸 汽 在 开 工 加 热 器 中 将 二 氧 化 碳 温 度 提 高 到 150 ， 以 利于 脱 氢 反 应 器 中 脱 氢 反 应 的 进 行 。 脱 氢 反 应 器 内 装
35、铂 系 催 化剂 ， 操 作 温 度 ： 入 口 150 、 出 口 200 。 脱 氢 后 二 氧 化碳 含 氢 50PPm。 经 高 压 CO2 冷 却 器 用 循 环 水 冷 却 降 温 至110 。 二 氧 化 碳 压 缩 机 设 1-1、 1-3、 1-5 三 个 回 路 ， 用 于调 节 生 产 负 荷 。2 液 氨 升 压 ：液 氨 来 自 合 成 氨 装 置 ， 压 力 为 2.5Mpa（ 绝 ） ， 温 度 为40 ， 经 液 氨 过 滤 器 进 入 液 氨 缓 冲 槽 再 到 高 压 液 氨 泵 入 口 ，主 管 上 装 有 流 量 计 。 液 氨 经 高 压 液 氨 泵
36、加 压 到 18.0MPa(绝 )，高 压 液 氨 泵 是 电 动 往 复 柱 塞 泵 ， 带 变 频 调 速 ， 可 以 在35 110 的 负 荷 范 围 内 变 化 。 在 总 控 室 由 流 量 累 积 记 录器 ， 从 这 个 记 录 器 来 判 断 进 入 尿 素 界 区 的 氨 量 ， 高 压 液 氨 送到 高 压 喷 射 器 ， 作 为 喷 射 物 料 ， 将 高 压 洗 涤 器 来 的 甲 铵 液 带14入 高 压 冷 凝 器 。 高 压 液 氨 泵 以 及 高 压 液 氨 泵 出 口 以 后 管 线 均设 有 安 全 阀 ， 以 保 证 装 置 设 备 安 全 。3 合 成
37、 和 汽 提 ：合 成 塔 、 汽 提 塔 、 高 压 冷 凝 器 和 高 压 洗 涤 器 四 个 设 备 组成 高 压 圈 。 这 是 本 工 艺 的 核 心 部 分 。 这 四 个 设 备 的 操 作 条 件是 统 一 考 虑 的 ， 以 期 达 到 尿 素 的 最 大 产 率 和 最 大 限 度 的 热 量回 收 ， 以 副 产 蒸 汽 。从 高 压 冷 凝 器 底 部 导 出 的 液 体 甲 铵 液 和 少 量 的 未 冷 凝 的氨 和 二 氧 化 碳 ， 分 别 用 两 条 管 线 送 入 合 成 塔 底 。 液 相 加 气 相物 料 NH3/CO2（ 摩 尔 比 ） 为 2.9，
38、温 度 165 -170 。合 成 塔 内 设 有 11 块 筛 板 ， 形 成 类 似 几 个 串 联 的 反 应 器 ，塔 板 的 作 用 是 防 止 物 料 在 塔 内 返 混 。 物 料 从 塔 底 至 塔 顶 ， 设计 停 留 时 间 约 1 小 时 。 二 氧 化 碳 转 化 率 可 达 58 ， 相 当 于平 衡 转 化 率 的 90 以 上 。尿 素 合 成 反 应 液 从 塔 内 上 升 到 正 常 液 位 ， 温 度 上 升 到183 185 ， 经 过 溢 流 管 从 塔 下 出 口 排 出 ， 经 过 液 位 控 制 阀进 入 气 提 塔 上 部 ， 再 经 塔 内 液
39、 体 分 配 器 均 匀 地 分 配 到 每 根 汽提 管 中 ， 沿 管 壁 成 液 膜 状 下 降 。 分 配 器 液 位 高 低 ， 起 着 自 动调 节 各 管 内 流 量 的 作 用 。 尿 液 在 汽 提 管 内 均 匀 分 配 并 在 内 壁形 成 液 膜 下 降 ， 内 壁 液 膜 是 非 常 重 要 的 ， 否 则 汽 提 管 将 遭 到腐 蚀 。 由 塔 下 部 导 入 的 二 氧 化 碳 气 体 ， 在 管 内 与 合 成 反 应 液逆 流 相 遇 ， 气 提 管 外 以 蒸 汽 加 热 ， 合 成 反 应 液 中 过 剩 氨 及 未转 化 的 甲 铵 将 被 气 提 蒸
40、 出 和 分 解 ， 从 塔 顶 排 出 。 尿 液 及 少 量15未 分 解 的 甲 铵 从 塔 底 排 出 。 氨 蒸 出 率 约 85 ， 甲 铵 分 解 率约 75 。 这 是 因 为 受 了 温 度 的 限 制 ， 高 于 200 时 管 道 就 受到 严 重 的 腐 蚀 。 另 外 也 受 换 热 面 积 和 时 间 的 限 制 。 换 热 面 积太 大 则 尿 液 不 能 形 成 膜 ； 加 热 时 间 太 长 ， 则 尿 素 水 解 和 缩 二脲 生 成 将 会 增 多 。 在 现 有 条 件 下 ， 从 汽 提 塔 底 排 出 的 液 体 ，含 有 8 的 氨 和 10 的
41、二 氧 化 碳 。尿 液 在 汽 提 管 内 要 有 一 定 的 停 留 时 间 ， 以 提 高 分 解 率 。管 子 太 长 或 太 短 都 是 不 利 的 。 目 前 汽 提 管 长 6 米 。 管 数 也 不能 太 多 ， 以 避 免 影 响 液 膜 的 形 成 ， 汽 提 塔 出 液 温 度 控 制 在155-170 之 间 。 塔 底 液 位 控 制 在 150mm 左 右 ， 以 防 止 二 氧化 碳 气 体 随 液 体 流 入 低 压 分 解 工 段 造 成 低 压 设 备 超 压 。从 汽 提 塔 顶 排 出 的 180-185 的 气 体 ， 与 新 鲜 氨 及 高 压洗 涤
42、 器 来 的 甲 铵 在 14.1Mpa（ 绝 ） 下 混 合 一 起 进 入 高 压 冷 凝器 顶 部 。 高 压 冷 凝 器 是 一 个 管 壳 式 换 热 器 。 物 料 走 管 内 ， 管间 走 水 用 于 副 产 蒸 汽 ， 根 据 副 产 蒸 汽 的 压 力 高 低 ， 可 以 调 节氨 和 二 氧 化 碳 的 冷 凝 程 度 。 但 要 保 留 一 部 分 气 体 在 合 成 塔 内冷 凝 ， 以 便 补 偿 在 合 成 塔 内 甲 铵 转 化 为 尿 素 所 需 热 量 ， 以 达到 自 热 平 衡 。 所 以 把 控 制 副 产 蒸 汽 压 力 作 为 合 成 塔 温 度 、
43、 压力 的 条 件 之 一 。为 了 使 进 入 高 压 冷 凝 器 上 部 的 气 相 和 液 相 得 到 更 好 的 混合 ， 增 加 其 接 触 时 间 ， 在 高 压 冷 凝 器 上 部 设 有 一 个 液 体 分 布器 。 在 分 布 器 上 维 持 一 定 的 液 位 ， 就 可 以 保 证 气 相 液 相 的良 好 分 布 。16从 合 成 塔 顶 排 出 的 气 体 ， 温 度 约 183-185 ， 进 入 高 压洗 涤 器 。 在 这 里 将 气 体 中 的 氨 和 二 氧 化 碳 用 加 压 后 的 低 压 吸收 段 的 甲 铵 液 冷 凝 吸 收 ， 然 后 经 高 压
44、 冷 凝 器 再 返 回 合 成 塔 。不 冷 凝 的 惰 性 气 体 和 一 定 数 量 的 氨 气 ， 自 高 压 洗 涤 器 减 压 后排 出 高 压 系 统 ， 进 入 低 压 吸 收 塔 吸 收 后 直 接 放 空 。高 压 洗 涤 器 分 为 三 个 部 分 ： 上 部 为 预 防 爆 炸 而 充 满 惰 性气 体 的 空 腔 ； 中 部 为 鼓 泡 吸 收 ； 下 部 为 管 式 侵 没 式 冷 凝 段 。从 合 成 塔 导 入 的 气 体 ， 先 进 入 上 部 空 腔 ， 作 为 防 爆 的 惰 性 气体 （ 氨 和 二 氧 化 碳 之 和 不 小 于 89 ） ， 然 后
45、导 入 下 部 的 侵 没式 冷 凝 段 ， 与 从 中 心 管 流 下 的 甲 铵 液 在 底 部 混 合 ， 在 列 管 内并 流 上 升 进 行 吸 收 。 吸 收 作 用 是 生 成 甲 铵 的 放 热 反 应 。 反 应热 由 管 间 的 冷 却 水 带 走 ， 管 内 得 到 约 160 的 浓 甲 铵 液 （ 水为 23 ； NH3/CO2 为 2.5） 。 管 间 冷 却 水 从 80 升 到 95 。95 的 水 在 高 压 洗 涤 器 循 环 水 冷 却 器 中 调 节 到 80 （ 温 度不 能 再 低 ， 以 防 管 内 结 晶 ） ， 经 高 压 洗 涤 器 循 环
46、水 泵 循 环 使用 。 在 下 部 侵 没 式 冷 凝 段 未 能 冷 凝 的 气 体 ， 进 入 中 部 的 鼓 泡段 。 经 鼓 泡 段 吸 收 后 的 气 体 ， 尚 含 有 一 定 数 量 的 氨 和 二 氧 化碳 进 入 低 压 吸 收 塔 进 形 氨 的 回 收 。 高 压 洗 涤 器 前 设 有 安 全 阀 。从 合 成 塔 至 高 压 洗 涤 器 的 管 道 ， 设 有 安 全 阀 外 ， 还 设 有分 析 取 样 阀 。 通 过 气 相 的 分 析 ， 测 得 气 相 中 氨 、 二 氧 化 碳 和惰 性 气 体 含 量 ， 从 而 可 以 判 断 合 成 塔 的 操 作
47、是 否 正 常 。从 高 压 洗 涤 器 中 部 溢 流 出 的 甲 铵 液 ,其 压 力 与 合 成 塔 顶 部17的 压 力 相 等 。 为 将 其 引 入 较 高 压 力 的 高 压 冷 凝 器 (约 高 出0.3Mpa)必 须 用 高 压 喷 射 泵 。 来 自 高 压 液 氨 泵 的 液 氨 ， 压 力 约为 16Mpa（ 绝 ） ， 进 入 高 压 喷 射 器 ， 将 高 压 洗 涤 器 来 的 甲 铵升 压 ， 二 者 一 起 进 入 高 压 冷 凝 器 的 顶 部 。 高 压 喷 射 器 设 在 与合 成 塔 底 部 相 同 的 标 高 。根 据 生 产 要 求 将 高 压 系
48、 统 的 主 要 参 数 均 指 示 在 控 制 盘 上 。由 操 作 人 员 根 据 各 参 数 变 化 的 倾 向 ， 加 以 全 面 考 虑 或 分 析 ，以 手 控 进 行 适 当 的 调 整 。 此 外 ， 必 要 时 也 可 分 析 合 成 塔 上 部气 相 组 份 ， 从 而 判 断 合 成 塔 内 的 操 作 条 件 是 否 正 常 来 调 节 有关 参 数 。为 了 保 护 设 备 的 安 全 ， 高 压 系 统 在 必 要 位 置 设 有 安 全 阀及 超 压 报 警 器 等 。4 循 环 系 统 ：来 自 汽 提 塔 底 部 的 尿 素 -甲 铵 溶 液 ， 经 过 汽
49、提 塔 的 液 位 控制 阀 减 压 到 0.25-0.35Mpa（ 绝 ） ， 溶 液 中 41.5 的 二 氧 化 碳和 69 的 氨 得 到 闪 蒸 ， 并 使 溶 液 温 度 从 170 降 到 107 ，气 液 混 合 物 进 入 精 馏 塔 顶 。 精 馏 塔 上 部 为 填 料 塔 ， 起 着 气体 精 馏 作 用 ， 下 部 为 分 离 器 。 经 过 填 料 段 下 落 的 尿 素 甲 铵流 入 循 环 加 热 器 。 用 高 压 冷 凝 器 副 产 的 0.4Mpa（ 绝 ） 蒸 汽加 热 。 温 度 升 高 到 135 ， 甲 铵 进 一 步 分 解 ， 而 后 进 入 精 馏塔 下 部 的 分 离 器 分 离 。 尿 液 经 液 位 控 制 阀 流 入 闪 蒸 槽 ， 气 体上 升 到 精 馏 塔 填 料 段 ， 精 馏 后 的 气 体 导 出 精 馏 塔 ， 送 到 侵 没式 低 压 甲 铵 冷 凝 器 。 在 此 ， 两 相 并 流 上
