尿素生產(chǎn)原理、工藝流程及工藝指標(biāo)

1.生產(chǎn)原理
尿素是通過(guò)液氨和氣體二氧化碳的合成來(lái)完成的，在合成塔D201中，氨和二氧化碳反應(yīng)生成氨基甲酸銨，氨基甲酸銨脫水生成尿素和水，這個(gè)過(guò)程分兩步進(jìn)行。
第一步：2NH3＋CO2          NH2COONH4＋Q
第二步：NH4COONH2         CO（NH2）2＋H2O－Q
第一步是放熱的快速反應(yīng)，第二步是微吸熱反應(yīng)，反應(yīng)速度較慢，它是合成尿素過(guò)程中的控制反應(yīng)。
1、2工藝流程：
尿素裝置工藝主要包括：CO2壓縮和脫氫、液氨升壓、合成和氣提、循環(huán)、蒸發(fā)、解吸和水解以及大顆粒造粒等工序。
1、2、1  二氧化碳?jí)嚎s和脫氫
從合成氨裝置來(lái)的CO2氣體，經(jīng)過(guò)CO2液滴分離器與來(lái)自空壓站的工藝空氣混合（空氣量為二氧化碳體積4%），進(jìn)入二氧化碳?jí)嚎s機(jī)。二氧化碳出壓縮機(jī)三段進(jìn)脫硫、脫氫反應(yīng)器，脫氫反應(yīng)器內(nèi)裝鉑系[wiki]催化劑[/wiki]，操作溫度：入口≥150℃，出口≤200℃。脫氫的目的是防止高壓洗滌器可燃?xì)怏w積聚發(fā)生爆炸。在脫氫反應(yīng)器中H2被氧化為H2O，脫氫后二氧化碳含氫及其它可燃?xì)怏w小于50ppm，經(jīng)脫硫、脫氫后，進(jìn)入壓縮機(jī)四段、五段壓縮，最終壓縮到14.7MPa（絕）進(jìn)入汽提塔。
二氧化碳?jí)嚎s機(jī)設(shè)有中間冷凝器和分離器，二氧化碳?jí)嚎s機(jī)壓縮氣體設(shè)有三個(gè)回路，以適應(yīng)尿素生產(chǎn)負(fù)荷的變化，多余的二氧化碳由放空管放空。
1、2、2  液氨升壓
液氨來(lái)自合成氨裝置氨庫(kù)，壓力為2.3 MPa(絕),溫度為20℃,進(jìn)入液氨過(guò)濾器,經(jīng)過(guò)濾后進(jìn)入高壓氨泵的入口,液氨流量在一定的范圍內(nèi)可以自調(diào),并設(shè)有副線以備開停車及倒泵用.主管上裝有流量計(jì).液氨經(jīng)高壓氨泵加壓到18.34 MPa(絕)，高壓液氨泵是電動(dòng)往復(fù)式柱塞泵，并帶變頻調(diào)速器，可在20—110%的范圍內(nèi)變化，在總控室有流量記錄，從這個(gè)記錄來(lái)判斷進(jìn)入系統(tǒng)的氨量，以維持正常生產(chǎn)時(shí)的原料N/C（摩爾比）為2.05:1。高壓液氨送到高壓噴射器，作為噴射物料，將高壓洗滌器來(lái)的甲銨帶入高壓冷凝器，高壓液氨泵前后管線均設(shè)有安全閥，以保證裝置設(shè)備安全。
1、2、3  合成和汽提
生產(chǎn)原理：合成塔、氣提塔、高壓甲銨冷凝器和高壓洗滌器四個(gè)設(shè)備組成高壓圈，這是本工藝的核心部分，這四個(gè)設(shè)備的操作條件是統(tǒng)一考慮的，以期達(dá)到尿素的最大產(chǎn)率和最大限度的熱量回收。
從高壓冷凝器底部導(dǎo)出的液體甲銨和少量的未冷凝的氨和二氧化碳，分別用兩條管線送入合成塔底，液相加氣相物料N/C（摩爾比）為2.9—3.2，溫度為165--172℃。
合成塔內(nèi)設(shè)有11塊塔板，形成類似幾個(gè)串聯(lián)的反應(yīng)器，塔板的作用是防止物料在塔內(nèi)返混。物料從塔底至塔頂，設(shè)計(jì)停留時(shí)間1小時(shí)，二氧化碳轉(zhuǎn)化率可達(dá)58%，相當(dāng)于平衡轉(zhuǎn)化率90%以上。
尿 素合成反應(yīng)液從塔內(nèi)上升到正常液位，溫度上升到180--185℃，經(jīng)過(guò)溢流管從塔下出口排出，經(jīng)過(guò)合成塔出液閥（HPV2201）汽提塔上部，再經(jīng)塔內(nèi) 液體分配器均勻地分配到每根氣提管中，沿管壁成液膜下降，分配器液位高低，起著自動(dòng)調(diào)節(jié)各管內(nèi)流量的作用，尿液在氣提管均勻分配并在內(nèi)壁形成液膜下降，內(nèi) 壁液膜是非常重要的，否則氣提管將遭到腐蝕，由塔下部導(dǎo)入的二氧化碳?xì)怏w，在管內(nèi)與合成反應(yīng)液逆流相遇，氣提管外以蒸汽加熱，合成反應(yīng)液中過(guò)剩氨及未轉(zhuǎn)化的甲銨將被氣提氣蒸出和分解，從塔頂排出，尿液及少量未分解的甲銨從塔底排出，氣提塔出液溫度控制在165--174℃之間。塔底液位控制在40--80%左右，以防止二氧化碳?xì)怏w隨著液體流至低壓分解工段造成低壓設(shè)備超壓。
從氣提塔頂排出185--189℃的氣體，與新鮮氨及高壓洗滌器來(lái)的甲銨液在14.22 MPa(絕)下混合一起進(jìn)入高壓冷凝器頂部。高壓冷凝器是一個(gè)管殼式換熱器，物料走管內(nèi)，管間走水用以副產(chǎn)蒸汽，根據(jù)副產(chǎn)蒸汽壓力高低，可以調(diào)節(jié)氨和二氧化碳的冷凝程度。但要保留一部分氣體在合成塔內(nèi)冷凝以便補(bǔ)償在合成塔內(nèi)甲銨轉(zhuǎn)化為尿素所需熱量，而達(dá)到自熱平衡。所以把控制副產(chǎn)蒸汽壓力作為控制合成塔溫度、壓力的條件之一。
生成的甲銨，已冷凝的和未冷凝的氨和二氧化碳被導(dǎo)入到合成塔的底部，在這里，發(fā)生了甲銨轉(zhuǎn)化為尿素、氨和二氧化碳反應(yīng)生成氨基甲酸銨兩個(gè)最主要的反應(yīng)，轉(zhuǎn)化和加熱合成塔中的溶液所需的熱量由附加的氨和二氧化碳的冷凝熱來(lái)提供。
從合成塔頂排出的氣體，溫度約為180--185℃，進(jìn)入高壓洗滌器，在這里將氣體中的氨和二氧化碳用加壓后的低壓吸收段的甲銨液冷凝吸收，然后經(jīng)高壓冷凝器再返回合成塔，不冷凝的惰性氣體和一定數(shù)量的氨氣，自高壓洗滌器排出高壓系統(tǒng)，進(jìn)入低壓吸收塔吸收后，直接放空。
甲銨吸收冷凝的熱量被管間的調(diào)溫冷卻水帶走，調(diào)溫水從110℃升到125℃，并由高壓洗滌器循環(huán)水冷卻器調(diào)節(jié)到110--120℃，經(jīng)高壓洗滌器循環(huán)水泵循環(huán)使用。
從合成塔至高壓洗滌器的管道，除設(shè)有安全閥外，還裝有分析取樣閥，通過(guò)對(duì)氣相的分析，測(cè)得氣相中氨、二氧化碳和惰性氣體含量，從而可以判斷合成塔的操作是否正常。
1、2、4  循環(huán)
來(lái)自氣提塔底部的尿素—甲銨溶液，經(jīng)過(guò)氣提塔的液位控制閥LPv—2202，減壓到0.25—0.35 MPa(絕),溶液中41.5%的二氧化碳和69%的氨得到閃蒸，并使溶液溫度從175℃降到107℃，氣液混和物噴到精餾塔 頂，精餾塔上部為填料塔，起著氣體精餾作用，，下部為分離器，經(jīng)過(guò)填料段下落的尿素—甲銨液流入循環(huán)加熱器。循環(huán)加熱器用高壓冷凝器副產(chǎn)的0.4 MPa(絕)蒸汽加熱。溫度升高到135--138℃，甲銨進(jìn)一步分解，而后進(jìn)入精餾塔下部的分離器分離。液體經(jīng)液位控制閥LIC2301流入閃蒸槽，氣 體上升到精餾塔填料段，精餾后的氣體導(dǎo)出精餾塔與部分回流液、解吸液和液氨混合送到浸沒式低壓甲銨冷凝器。在此，兩相并流上升進(jìn)行吸收，吸收時(shí)產(chǎn)生的熱 量，被冷凝器中冷卻水帶走，冷卻水溫從55℃升到65℃。此冷卻水經(jīng)低壓甲銨冷凝器循環(huán)水泵送低壓甲銨冷凝器循環(huán)冷卻器冷卻后循環(huán)使用。氣液混合物從浸沒 式低壓甲銨冷凝器上部溢流到低壓甲銨冷凝器液位槽，液體從液位槽底導(dǎo)出，經(jīng)高壓甲銨泵升壓到16.0 MPa(絕)，送入高壓洗滌器頂部，高壓甲銨泵是往復(fù)泵，采用變頻調(diào)節(jié)甲銨流量。液位槽分離出的氣體，經(jīng)低甲冷液位槽氣相閥TPV2302閥進(jìn)入常壓吸收 塔，經(jīng)填料段，被來(lái)自低壓吸收塔和常壓吸收塔循環(huán)泵經(jīng)循環(huán)冷卻器冷卻后的氨水噴淋吸收，未能被吸收的惰性氣體，經(jīng)吸收塔放空筒放空。
1、2、5  蒸發(fā)
出 精餾塔底部的尿素溶液，經(jīng)液位槽液位控制閥LIC2301減壓后送到閃蒸槽，壓力為0.056 MPa(絕)，溫度從135℃降到91℃，有相當(dāng)一部分NH3、CO2和水閃蒸出來(lái)，閃蒸氣與一段蒸發(fā)分離器氣相一并進(jìn)到一段蒸發(fā)冷凝器，冷凝液相進(jìn)入氨 水槽，不凝氣體經(jīng)一段蒸發(fā)噴射器抽出放至大氣。
離開閃蒸槽的尿液，溫度約為90--95℃，濃度約為72%進(jìn)入尿液槽，通過(guò)尿液泵經(jīng)流量控制閥 FPV2401進(jìn)入一段蒸發(fā)器加熱段，用加蒸汽閥PPV2401控制低壓蒸汽對(duì)其進(jìn)行加熱，使尿素進(jìn)一步濃縮，氣相進(jìn)入一段蒸發(fā)冷凝器，液相約95%的尿 液，通過(guò)熔融尿素泵送到大顆粒造粒系統(tǒng)。
1、2、6  解吸和水解
入氨水槽的蒸發(fā)閃蒸冷凝液，含有一定量的NH3，少量CO2和少量尿 素，這部分氨水分別用兩臺(tái)泵打出循環(huán)利用，由低壓吸收塔循環(huán)泵打出的氨水分成三路，一路進(jìn)入低壓吸收塔作吸收劑，一路作一段蒸發(fā)器氣相管線的沖洗用水，一 路進(jìn)入一段蒸發(fā)器作沖洗用水。由解吸塔給料泵打出的氨水也分成三路：一路去精餾塔氣相，一路與解吸塔氣相混合沖洗回流冷凝器，一路經(jīng)解吸塔換熱器，加熱到 117℃送到第一解吸塔上部，解吸出氨和二氧化碳，解吸塔的操作壓力為0.27--0.3 MPa(絕)，出第一解吸塔的液體，經(jīng)水解給料泵加壓到2.0 MPa(絕)經(jīng)水解塔換熱器換熱后，進(jìn)入水解塔的上部，水解塔的下部通入2.4 MPa(絕)的蒸汽，使液體中所含的少量尿素水解成氨和二氧化碳。氣相進(jìn)入第一解吸塔上部，液相經(jīng)水解塔換熱器換熱后溫度為137℃，進(jìn)入第二解吸塔上 部，操作壓力為0.3 MPa(絕)，塔下部通入0.4 MPa(絕)的蒸汽進(jìn)行解吸，塔底溫度為145℃，從液相中解吸出來(lái)的氨和二氧化碳及水蒸汽，直接導(dǎo)入第一解吸塔的下部，與第一解吸塔的液體進(jìn)行質(zhì)熱交 換，出第一解吸塔的氣體，含水小于40%。在回流冷凝器中冷凝，冷凝液一部分作為回流液回流到第一解吸塔的頂部，進(jìn)行質(zhì)熱交換，以減少出塔氣相的水含量， 另一部分冷凝液，送到低壓甲銨冷凝器，未被冷凝的氣體進(jìn)入常壓吸收塔，進(jìn)一步回收氨和二氧化碳后放空，在第二解吸塔解吸后的液體含氨小于50ppm，尿素 小于50ppm，經(jīng)解吸塔換熱器換熱和廢水冷卻器冷卻后送出尿素界區(qū)。
1、2、7  大顆粒
置于19m處的甲醛貯槽利用靜壓送甲醛（37%）至熔融泵進(jìn)口與135℃、濃度96%的尿素溶液混合，經(jīng)PV211減壓到0.15—0.25Mpa,進(jìn)入造粒機(jī)噴嘴。
來(lái) 自流化空氣風(fēng)機(jī)VV101壓力為600mmH2O的流化空氣，把晶種由流化床多孔板上吹起，由霧化風(fēng)機(jī)CR101來(lái)的溫度為135℃、壓力為0.045 MPa左右的霧化空氣，將由尿液噴嘴噴出的尿液霧化，形成約5μm的小液滴，小液滴在流化床溫度為105--110℃情況下，凝結(jié)到流化狀態(tài)的晶種上，隨 著小液滴的不斷凝結(jié)，尿素顆粒不斷增大，增大到要求粒度時(shí)，就會(huì)掉到多孔板上，由于多孔板開孔為斜向前開，在尿素顆粒流化狀態(tài)的同時(shí)，它還慢慢向前運(yùn)動(dòng)， 達(dá)到要求的尿素顆粒被流化空氣吹到造粒機(jī)冷卻室冷卻到70℃，經(jīng)液位調(diào)節(jié)閥LV2213出造粒機(jī)。
經(jīng)造粒機(jī)出來(lái)的尿素顆粒，由振動(dòng)給料機(jī)均勻振動(dòng) 輸送到安全篩SV101上，又送到第一流化床冷卻器冷卻至70℃左右，由斗提機(jī)經(jīng)分料閥將顆粒送往振動(dòng)篩SV102A、SV102B，在此尿素分成三類： 大顆粒送破碎機(jī)，破碎成小顆粒和從振動(dòng)篩分料器篩下的小顆?；旌?，回造粒機(jī)作晶種，合格品經(jīng)換向器送往最終產(chǎn)品冷卻器BFC102，在產(chǎn)品冷卻器內(nèi)由循環(huán) 冷卻水將尿素顆粒冷卻至45℃以下，經(jīng)皮帶送往包裝。
造粒機(jī)、第一流化床冷卻器、斗提機(jī)、振動(dòng)篩產(chǎn)生的粉塵經(jīng)除塵風(fēng)機(jī)VV105送入造粒冷卻洗滌器，用界外來(lái)的脫鹽水和洗滌器循環(huán)貯槽來(lái)的洗滌液進(jìn)行洗滌。
來(lái)自三通閥沖洗、振動(dòng)篩分料器、破碎機(jī)料斗、第一流化床冷卻器、造粒機(jī)、安全篩、SR101和各種排放的尿液、尿素回收到循環(huán)槽SR103，由蒸汽噴射泵EJ101將噴射0.4MPA（絕）的低壓蒸汽將回收尿素加以溶解和加熱，濃度達(dá)到40%時(shí)，用尿液回收泵PC103返回到尿液槽，循環(huán)槽產(chǎn)生煙氣由抽出風(fēng)機(jī)VV109送到洗滌室加以洗滌回收。
洗滌室洗滌尾氣經(jīng)絲網(wǎng)除沫器除液后，經(jīng)洗滌器抽風(fēng)機(jī)VV102抽到放空筒S-751放空。、
1、2、8  蒸汽系統(tǒng)
主要由透平機(jī)抽出的2.5 MPa、285℃的過(guò)熱蒸汽進(jìn)入界區(qū)后通過(guò)高壓蒸汽進(jìn)汽閥PV2904直接進(jìn)入高壓蒸汽飽和器F213，在高壓蒸汽飽和器F213中過(guò)熱蒸汽將變成1.5—2.0MPa、219℃的飽和蒸汽，用于汽提塔E204的加熱。
高壓蒸汽飽和器的蒸汽冷凝液減壓進(jìn)入中壓蒸汽飽和器產(chǎn)生0.8 MPa的飽和中壓蒸汽，用于夾套伴管蒸汽和高壓甲銨冷凝器安全閥保溫蒸汽，部分2.2MPa的過(guò)熱蒸汽對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充。
0.4MPa低壓蒸汽一部分產(chǎn)生于高壓甲銨冷凝器側(cè)低壓汽包，壓力低時(shí)可由2.5 MPa蒸汽和0.8 MPa蒸汽補(bǔ)充，壓力高時(shí)，可由放空閥HPV2901放空，它用于精餾塔循環(huán)加熱器，蒸汽噴射泵，解吸塔加熱及伴管保溫和安全閥吹掃蒸汽。
1、2、9  冷凝液及沖洗水系統(tǒng)：
系統(tǒng)所有蒸汽冷凝液經(jīng)過(guò)氣液分離器，液相進(jìn)入蒸汽冷凝液槽，氣相經(jīng)蒸汽冷凝器冷凝后也進(jìn)入冷凝液槽，不凝氣放空至大氣。
界外來(lái)的脫鹽水從頂部進(jìn)入蒸汽冷凝液槽F210，蒸汽冷凝液槽F210的冷凝液經(jīng)冷凝液泵 J210A/B分兩路，一路直接打入沖洗水管網(wǎng)，一路經(jīng)鍋爐給水罐補(bǔ)液閥LV2901-2閥進(jìn)鍋爐給水罐F211，由鍋爐給水泵通過(guò)出液閥LPV2905閥打入低壓蒸汽包，低壓蒸汽包冷凝液液位高時(shí)通過(guò)下液閥LV2901-1排入蒸汽冷凝液槽循環(huán)利用.