1、ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY本 科 毕 业 论 文年产 20 万吨水溶液全循环法尿素蒸发系统工艺设计与优化The process design and optimization of evaporation system in aqueous solution total recycle which yearly produces two hundred thousand ton urea年产 20 万吨水溶液全循环法尿素蒸发系统工艺设计及优化摘要 水溶液全循环法生产尿素工艺装置，主要包括六个方面：原料的压缩和净化，尿素的合成，中低压解吸收，解吸，蒸发造粒。原料
2、 CO2 由合成车间净化工段送来，液氨由氨库送来，两种反应物经加压加热送入合成塔反应生成尿素。合成塔出来的合成液中含有尿素、氨基甲酸铵、过剩的氨和水。再经过循环回收进入合成塔，整个过程靠水作为循环介质。由闪蒸槽流出的尿液进入一段蒸发器的加热段加热至 130，在 0.033Mpa 压力下，尿素浓度达到96（W ）,进入二段蒸发加热器，加热至 140，继续减压至 0.0033Mpa（绝） ，尿液浓度提高至 99.7（W ） ，尿液进入熔融泵送往造粒塔，由旋转喷头喷洒造粒。本设计主要通过参考工厂数据进行蒸发阶段的物料及热量衡算，得出蒸发阶段各部分的出入物料及热量，然后进行设备选型及对整个工段进行优化
3、。关键词：水溶液全循环法 一段蒸发器 物料衡算 热量衡算 The process design and optimization of evaporation system in aqueous solution total recycle which yearly produces two hundred thousand ton ureaAbstract Total recycle urea solution production process equipment, including sixareas: raw materials, compression and purificati
4、on, urea synthesis solution in the low absorption, desorption, evaporation and granulation. CO2 from the purification of raw materials, synthetic plant Section sent, liquid ammonia from the ammonia library brought the two reactants into the reactor by the pressure and heat the reaction of urea. Reac
5、tor out of the synthesis solution containing urea, ammonium carbamate, excess ammonia and water. Then after recycling into the reactor, the whole process by the water as the circulating medium. Outflow of urine from the flash tank into a heating section of the evaporator heated to 130 , the pressure
6、 in the 0.033Mpa urea concentration 96% (W), into the secondary evaporator heater, heated to 140 , to decompression To 0.0033Mpa (absolute), urine concentrations increased to 99.7% (W), the urine into the melt pump sent to the granulation tower, from the rotating nozzle spray granulation. The refere
7、nce plant design data, primarily through the evaporation stage of materials and heat balance, obtained access to all parts of evaporation stage of materials and energy, then the entire section in equipment selection and optimization.Key words Aqueous solution total recycle；Evaporator section；Materia
8、l balance；Heat balance目录第一章水溶液全循环法概述引言尿素别名碳酰二胺、碳酰胺、脲，由碳、氮、氧和氢三种元素组成，是第一种以人工合成无机物质而得到的有机化合物，分子式：CO(NH 2)2，分子量 60.06，外观为无色或白色针状结晶体或粉末，工业或农业品为白色略带微红色固体颗粒，无臭无味，密度 1.335gcm 3，熔点 132.7。尿素易溶于水，在20时 100 毫升水中可溶解 105 克。溶于醇，不溶于乙醚、氯仿，呈微碱性。尿素是哺乳类动物蛋白质代谢后的产物，通常用作植物的氮肥。可与酸作用生成盐，有水解作用，在酸、碱、酶作用下（酸、碱需加热）能水解生成氨和二氧化碳。对
9、热不稳定，在高温下可进行缩合反应，加热至 150160将脱氨成缩二脲、缩三脲和三聚氰酸。加热至 160分解，产生氨气同时变为氰酸。由于在人尿中含有这种物质，所以取名尿素。 中国尿素工艺始于 1957 年，在上海化工研究院氮肥室进行尿素生产的理论研究和实验工作。1958 年在南京永利宁厂筹建我国第一套半循环工艺的中试装置。第一章水溶液全循环法概述中国尿素中间试验装置（3000 t/a）于 1958 年在南京化肥厂建成投产，因此至今年中国尿素工业化生产整整 50 年了。试验是从水溶液半循环法开始的，吨尿尾气中氨量为 650kg 左右，后发展到高效半循环，即一段分解气中氨回收利用程度有所提高，但尾气
10、中仍有 176 kg 氨。1960 年我国引进前苏联 10 Kt/a 不循环法尿装置在太原化肥厂投产。1962 年南京永利宁厂半循环装置通过国家技术鉴定。根据此工艺由化四院设计的 2 套40 Kt/a 半循环法装置先后在上海吴泾化工厂和浙江衢州化工厂投产。1966 年我国引进荷兰 STAMICARBO 公司的两套 80Kt/a 水溶液全循环工艺装置在泸州天然气化工厂投产，同时化四院利用上海化工研究院测试的水溶液全循环法工艺技术数据，并借鉴进口装置的设备结构，自行设计了 80 Kt/a 和 110 Kt/a 尿素装置 (整个装置的设备也均由国内生产) ，于 1966 年 11 月在石家庄化肥厂投
11、入生产。直至 1970 年 1 月，湖南湘江氮肥厂新建的 45Kt/a 合成氨配80Kt/a 尿素装置投产，可以说这是国产化的第一套水溶液全循环法工艺装置，采用的是预分离工艺，衬里式合成塔（内径 1.4 m）由上海锅炉厂试制，这也是国产第一台尿塔，一吸塔精洗段为浮阀塔，也是第一台。上世纪 70 年代开始至 80 年代初，我国建设 80110Kt/a 中型规模的尿素装置有 32 个厂，38 套（包括两套进口），称前 38 套。这期间不断对中尿设计进行修改，前后共有四个版本。第四版是较为完善的一个版本，如浙江衢化、江西氨厂等都使用此版本建设。1986 年我国尿素工业掀起了一个新的发展高潮，即众多的
12、小氮肥厂进行改产尿素的技术改造，使小氮肥厂发生了质的变化，首先 3 套 40Kt/a 水溶液全循法小尿素试验装置在山东邹城、平度和河南辉县相继投产。在“七五” 和“八五”期间，国家选定 150 家有较好条件的小氮肥厂改产尿素，共有 120 多个厂，其中18 家厂建有两套，山东鲁西和山西临猗各建三套，投产装置中约有 70%的装置改造至 100t/a 以上，其中还有 150200t/a 规模的。小尿素装置迅速发展，是符合我国国情的，充分发挥了原小氮肥厂的优势，不少厂选用本地的煤。水力、电力资源丰富的省更占优势，这样生产成本低，具有市场竞争力。中型尿素装置经“ 七五 ”、“八五”、“九五” 的发展，
13、增加了 16 套，又称后 16套，因此中尿装置共有 54 套。后 16 套在原小氮肥厂中建设的多，原中型厂建第二套时采用氨汽提、CO2 汽提者为多。上世纪 90 年代后期至今，小尿素厂加大了技改力度，使装置能力大幅度提高，汽耗大幅度下降，在中国是水溶液全循环法工艺装置高产低耗的楷模。经过简单的增产节能技术改造，汽耗可降至 1100kg，众多的原小氮肥厂新建尿素装置时仍采用此工艺，其投资低于 CO2 汽提工艺装置的一半，如813，1220，1830 规模的厂相继建成。鲁西集团八厂的水溶液全循环工艺装置设计为 400 Kt/a，最近实产已达到 500Kt/a。这是我国目前最大生产规模的水溶液全循环
14、工艺装置，从汽耗降低水平来看，可以与大型 CO2 汽提、氨汽提工艺相媲美。水溶液全循环工艺虽然是上世纪 60 年代的技术，国外早已淘汰，但由于我国对尿素工艺的研究和开发，均以此工艺为主，因此在工艺设计、设备制造、操作技术和生产管理方面积累了丰富的经验。此工艺在中国从 1966 年到 2008年经历了 42 年的生产和技改，已创出汽耗为 1100 kg 的水平。进一步回收热能，使汽耗降到 900 kg 的工艺也将出现。因此中国式的改良型水溶液全循环法尿素新工艺即将诞生，她大大不同于 60 年代传统的预分离工艺。第二章 水溶液全循环法工艺流程1.1 尿素的合成原料气二氧化碳由合成车间净化工段送来，
15、在进入 CO2 压缩机之前，为防止合成，循环系统的腐蚀，加入 CO2 总量的 0.5（体积）的氧气，然后进CO2 压缩机，经五段压缩机至 20Mpa，温度约 125进入尿素合成塔由氨库送来的液氨进入液氨缓冲槽，与中压循环系统回收的液氨汇合后，其中一部分作为吸收塔回流，其余液氨进入高压氨泵加压到 20Mpa，经氨预热器预热至 5055进入合成塔。从一段吸收塔来的温度 8892的氨基甲酸铵溶液，经一段甲铵泵加压到20Mpa 进入合成塔，合成塔操作压力位 19.50.5Mpa,温度为 1882，在合成塔内有 6263的 CO2 转化为尿素。1.2 循环回收合成塔反应的溶液中有尿素，氨基甲酸铵，过剩的
16、氨和水，通过 P4 调节阀减压节流到 1.7Mpa，进入分离器分离过剩的氨，并分解部分氨基甲酸铵，放出的气态 CO2 和水由顶部出来与精馏气汇合进入一段吸收塔底部。预分液 U 行管进入精馏塔上部，通过和向下而上的一部分气逆流接触，进行质热交换，精馏气自塔顶出来与二甲液进入一段蒸发器底部进行反应，反应热能回收利用后经中压外冷凝器与预分气汇合进入一段吸收塔，精馏液则进入一段分解塔加热到 156160，过剩的氨基甲酸铵进一步分解，为防止设备腐蚀，在精馏液进入一分塔前的管线上加入防腐空气，从一分塔分离出来的液体进一步减压后，送往二段分离塔。精馏气和二甲液混合经回收热量后进入中压外冷器，进一步吸收其中的
17、CO2，反应生成的热量经温水冷却器后由循环水移走。反应液从外冷器出来进入一段吸收塔底部，大部分氨和二氧化碳经底部鼓泡段吸收下来，少量的氨和二氧化碳在上升过程中被吸收塔顶喷淋的回流氨吸收下来，同时控制了吸收塔顶温度，吸收塔底部温度也被回流的氨来控制鼓泡段的温度。从吸收塔底部出来的一甲液温度 8892，NH 3/CO2 为 3:1 左右，经一段甲胺泵加压到 20Mpa送入合成塔。一段吸收塔出来的气体进入串联的三台氨冷器，冷凝下来的液氨流入液氨缓冲槽，没被冷凝下来的惰性气体及部分的氨气进入惰洗器，由二循二冷来的稀氨水吸收其中大部分的氨，洗涤下来的氨水送入一段吸收塔作为吸收剂，没被吸收的气体送往尾气吸
18、收塔最后吸收。自一段分解他出来的溶液经减压后，送入二段分解塔顶喷淋，塔内上升的气体被溶液冷却而减少了气体中水蒸汽含量，而溶液被加热到 130左右，此溶液经二段分解加热器加热到 150左右，使氨基甲酸铵进一步分解，分离出来的溶液进入闪蒸槽。 二分塔气相和解吸塔气相汇合后进入两个串联的二段循环冷凝器冷凝，并以二段蒸发冷凝液为吸收剂进行吸收，二循一冷出口溶液经一冷外冷器再次冷却后进入一冷上部分离器，从分离器出来的一冷液经二段甲铵泵送入一蒸加热器换热段（一蒸下部）与精馏气混合换热后进入一段吸收塔，二循二冷出口尾气汇合送往尾气吸收塔最后吸收。1.3 蒸发造粒从二分塔出来的尿液进入闪蒸槽，在真空条件下气化
19、分离，溶液温度降至97105，含尿素约 74（重量） 。从闪蒸槽出来的尿液送到一段蒸发加热器，加热后气液混合物在一段蒸发分离器分离，气体与闪蒸槽的气相混合后到一段蒸发气相洗涤器被二段蒸发冷凝液进行洗涤，洗涤下来的气体进入一段蒸发表面冷凝器冷凝，冷凝液送往尾气泵作尾气吸收液，没被冷凝的气体经一段水力双系泵抽射放空。一段蒸发操作压力压力为 3540Kpa，温度约为 130左右，蒸发后浓度96.6的尿液进入二段蒸发加热器，在 58Kpa 下蒸浓到 99.7，蒸汽混合物在二段蒸发分离器分离，气体经升压器升压，进入二段蒸发表面冷凝器冷凝，没被冷凝的气体经二段蒸发喷射泵 A 带入中间冷凝器进一步冷凝，中间
20、冷凝器中没冷凝的气体经二段水力双吸泵抽射放空。二表冷和中间冷凝器的冷凝液均流入二段蒸发冷凝液槽（叫二蒸液） ，作为水力双吸泵抽射的动力循环液，同时经二蒸泵一部分送往二段循环冷凝器作吸收剂用，一部分送往一段蒸发气相洗涤器作洗涤剂。蒸浓后分离出来的熔融尿素经尿素熔融泵达到造粒塔喷淋造粒，颗粒尿素由造粒塔经皮带运输送往成品库进行包装。1.4 尾气吸收与解吸惰洗器和二循二冷出来的气体进入尾气吸收塔，回收其中的氨和 CO2。尾气吸收循环泵将一段蒸发冷凝液及系统排放的液体经尾气吸收塔冷却后送往尾吸收塔顶部做吸收剂用，洗涤下来的液体流入碳铵液槽，没被吸收下来的惰性气体则从塔顶放空。碳铵液用解吸塔给料泵送往解
21、吸塔，其中一部分经解吸塔换热器换热后进入解吸塔中部，另一部分作为冷流送往解吸塔上部控制塔顶温度，解吸所需热量由塔底加入蒸汽直接供给，解吸出来的气体去二循一冷回收，解吸后的废液送往供水处理后作为造气的废热锅炉给水。尿 素 合 成 过 程 中 ， 由 于 受 化 学 平 衡 的 限 制 ， 进 入 合 成 塔 的 NH3和 CO2 不 可 能 全 部 转 变 为 尿 素 ， 其 中 未 转 化 的 氨 和 CO2 以 氨 基 甲 酸铵 和 游 离 氨 的 形 式 存 在 于 尿 素 熔 融 液 中 。 如 何 将 这 部 分 未 反 应 物 循 环 利用 ， 构 成 全 循 环 工 艺 尿 素 生
22、 产 中 的 一 个 主 要 问 题 。 采 用 方 法 不 同 ， 生 产尿 素 工 艺 流 程 不 ， 均 可 以 分 为 以 下 四 个 步 骤 ：（ 1） 原 料 的 净 化 和 压 缩 ；（ 2） 尿 素 的 合 成 ；（ 3） 未 反 应 物 中 甲 胺 的 分 解 ， 过 量 氨 的 吸 收 及 氨 和 二 氧 化 碳 的 回 收 循 环 ；（ 4） 尿 素 溶 液 的 加 工 。各 工 艺 不 同 点 在 第 三 个 部 分 ， 传 统 的 水 溶 液 全 循 环 工 艺 使 用 蒸 汽 加热 分 解 甲 胺 和 解 吸 氨 ， 并 采 用 循 环 水 冷 却 ， 是 氨 冷
23、凝 回 收 。 这 样 大 量 的甲 胺 生 成 反 应 热 未 充 分 利 用 ， 反 而 需 要 大 量 蒸 汽 和 冷 却 水 。 70 年 代开 始 ， 各 种 移 走 甲 胺 反 应 热 ， 以 及 提 高 尿 素 合 成 塔 转 化 率 以 减 少 循 环 回收 部 分 的 热 能 消 耗 ， 降 低 尿 素 生 产 能 耗 的 工 艺 应 运 而 生 ， 其 中 以 气 提 技术 为 代 表 。水 溶 液 全 循 环 工 艺 ， 是 将 尿 素 合 成 反 应 后 的 物 料 分 两 段 减 压 加 热 ，使 其 中 未 反 应 的 甲 胺 分 解 和 游 离 氨 解 吸 出 来
24、 ， 并 逐 段 将 NH3 和 CO2冷 凝 成 液 氨 和 解 吸 成 甲 胺 水 溶 液 ， 用 泵 将 上 述 物 料 全 部 返 回 合 成 塔 中 ，循 环 利 用 。其 生 产 工 艺 流 程 方 框 示 意 图 如 下 ：尿 素 合 成由 液 氨 和 二 氧 化 碳 气 提 直 接 合 成 尿 素 的 总 反 应 式 为2NH3（ 液 ） +CO2（ 气 ） =（ NH2） CO（ 液 ） +H2O（ 液 ） +Q这 是 一 个 可 逆 的 放 热 反 应 。 实 际 上 ， 该 反 应 分 两 步 进 行 。 第 一 步 由 氨于 二 氧 化 碳 生 成 中 间 产 物 氨
25、基 甲 酸 铵 NH4COONH2， 简 称 甲 胺 。 反 应式 为 ：2NH3（ 液 ） +CO2（ 气 ） =NH4CONH2（ 液 ） + Q1这 是 一 个 可 逆 的 强 放 热 反 应 。 生 成 甲 胺 的 反 应 速 度 比 较 快 ， 容 易 达 到动 态 的 化 学 平 衡 ， 达 到 平 衡 时 ， 甲 胺 可 达 90%以 上 。第 二 部 由 甲 胺 脱 水 生 成 尿 素 反 应 式 为 ：NH4CONH2（ 液 ） =CO(NH2)2（ 液 ） +H2O（ 液 ） -Q2这 是 一 个 可 逆 的 微 吸 热 反 应 。 反 应 速 度 较 慢 ， 达 到 动 态 平 衡 时 间 较 长 ，一 般 约 需 1h 才 能 达 到 平 衡 ， 但 即 使 达 到 化 学 平 衡 ， 也 不 能 使 全 部 甲 胺 都脱 水 转 化 为 尿 素 ， 转 化 率 一 般 在 55%70%， 因 此 这 个 反 应 是 合 成 尿 素的 控 制 反 应 。蒸 发 阶 段 工 艺 流 程 图 ：
