尿素生产技术

第三章尿素生产技术全循环法热气全循环法矿物油全循环法尾气分离全循环法水溶液全循环法(1)不循环法；(2)半循环法(部分循环法、高效半循环)；(3)全循环法发展：改良C、D法，二氧化碳汽提法，氨汽提法及联尿法等。水溶液全循环法的流程图尿素合成塔尿素造粒塔尿液蒸发器低压分解塔中压分解塔尾气吸收塔过剩氨冷凝器低压吸收塔中压吸收塔惰气洗涤解吸塔尿素成品CO2水排放冷凝液低压分解气中压分解气吸收液回流液氨放空水溶液全循环法尿素生产原则流程分解塔底来﹙74-75%尿液）尿素蒸发造粒系统工艺流程图粗料返回系统○○○○○闪蒸槽一段蒸发加热器二段蒸发加热器分离器LsLs分离器冷凝器冷凝器造粒塔斗提升机电振筛成品去包装LsLsA1A2140℃99.7%105℃水溶液全循环法的工艺流程图主要设备--合成塔520世纪50年代以前：双套筒式。外壳碳钢承受压力，内有两个不锈钢套筒，内筒不受压力。液氨从外壳与外筒及外筒与内筒之间的两个环隙，再进入内筒，与CO2反应，这样外筒不与腐蚀介质接触。缺点：容积利用率低，且不锈钢耗量大。目前：衬里的高压容器。外筒为多层卷焊受压容器，内部衬有一层耐腐蚀的不锈钢板，隔离尿素甲铵腐蚀介质，外壳保温，防止热量外散。优点：容积利用率高，耐腐蚀材料用量少，操作方便三股物料从合成塔底部进入，呈气液两相混合物的形式自下而上，边反应边流动，不断生成尿素，尿素浓度不断上升。反应后的熔融物从塔顶排出。衬里式尿素合成塔最初采用空塔，不设内件，塔的高径比较大。高径比小的衬里合成塔，通常设混合器或筛板等内件，以减少返混的影响。主要设备--合成塔5为解决高负荷生产下出现的中压分解负荷重，一吸塔热负荷高等“瓶颈”问题，使装置高产，低耗和平稳运行，增设了预分离器6，进一步提高了装置的生产能力。主要设备--预分离器6流程：合成塔出口液进预分离器自然减压进行气液预分离，它的液相进一段分解塔7。气体送入一段蒸发器19下部。一段分解塔出口气体也引入预分离器。预分离器有改造为预精馏塔的，内装填料，气液逆流接触，可降低出口气体的温度和水分。气体送入一段蒸发器19下部，充分利用了预分离器出口气体的冷凝热，部分气体冷凝并放出热量，供尿液蒸发用。主要设备--预分离器6分两段。下段为鼓泡段，上段为精洗段。在鼓泡段，气液混合物利用低压循环来的稀甲铵液吸收，在此将气体中绝大多数CO2和几乎全部水蒸气及部分氨气吸收下来转入液相。在精洗段，未被吸收的气体在塔内上升，与由液氨缓冲槽2来的回流液氨和清洗液与其配成的浓氨水逆流接触，使气体中CO2和水蒸气完全得到吸收，纯的气态氨进入氨冷凝器12，冷凝下来的液氨流入液氨缓冲槽2一段吸收器起着精馏作用，塔顶得到纯NH3气，塔底是甲铵液。主要设备--一段吸收塔10在一段吸收塔中，若液氨中混有少量的CO2，则会生成氨基甲酸铵结晶而堵塞设备和管道，因此一段吸收塔要保证CO2被完全吸收。在原料返回时，氨以纯氨和甲铵液形式，CO2以甲铵液形式返回，甲铵液肯定会带一定量的水，水是反应不希望的。所以应减少CO2返回量---尽量提高CO2的转化率。主要设备--一段吸收塔10典型操作条件合成塔：原料液氨、CO2及循环甲铵液自下而上进入合成塔。压力：20-22MPa，温度：185-190℃，氨碳比：4-4.5，水碳比：0.6-0.7，氧含量：0.5-0.8%，停留时间：1h，出口CO2转化率为：62-64%。分解塔：出口液通过三级分解：中压（1.8-2.5MPa，160℃）、低压（0.2-0.5MPa,150℃）、闪蒸（0.05MPa，75%）蒸发：一段（0.033MPa，95%），二段（0.0033MPa，99.7%）工艺流程简述造气炉产生的半水煤气脱碳后，其中大部分的二氧化碳由脱碳液吸收、解吸后，经油水分离器，除去二氧化碳气体中携带的脱碳液，进入二氧化碳压缩机系统，由压缩机出来的二氧化碳气体进入尿素合成塔。从合成氨车间氨库来的液氨进入氨储罐，经过氨升压泵加压进入高压液氨泵，经过预热后进入甲胺喷射器作为推动液，将来自甲胺分离器的甲胺溶液增压后混合一起进入尿素合成塔。尿素合成塔内，NH3/CO2的摩尔比和H2O/CO2的摩尔比控制在一定的范围内进行反应。合成后的气液混合物进入预分离器，一段分解，进行气液分离，将分离气相后的尿液送入二段分解，进一步将混合物中的气相除去。净化后的尿液依次进入闪蒸器、一段蒸发、二段蒸发浓缩，最后得到尿素熔融物，用泵输送到尿素造粒塔喷洒器，经在空气中沉降冷却固化成粒状尿素，并通过尿素塔底刮料机用运输皮带送往储存包装车间。吸收工段：从一段分解、二段分解出来的气相含有未反应的氨和二氧化碳，分别进入一段吸收和二段吸收，氨和二氧化碳被后面闪蒸、一段蒸发、二段蒸发工段冷凝下来的冷凝水吸收混合形成水溶液，用泵送入尿素合成塔；一段吸收后剩余的气体进入惰洗器稀释后，与二段吸收的残余气体混合进入尾气吸收塔，与一段蒸发、二段蒸发工段气相冷凝除去水后残余的气体混合后放空。水溶液全循环法的缺点①能量利用率低；合成系统总反应是放热的，但因加入大量过剩氨以调节反应温度，反应热没有加以利用；另外，一段、二段甲铵冷凝器均需用水冷却，不但冷凝热得不到利用，反而需要消耗大量的冷却水。②一段甲铵泵腐蚀严重，制造、操作、维修都较麻烦；③流程过于复杂：三段分解，三段吸收。改良C法（日本）改良C法，是传统水溶液全循环法的改进，生产低缩二脲含量尿素产品，也生产常规尿素产品。合成塔：温度：190-200℃，压力：23-25MPa，氨碳比：4，水碳比：0.37，转化率：72%。合成塔为高径比18的空塔，用钛衬里，耐高温腐蚀。分解塔：高压分解（1.7-1.9MPa，165℃：其热量由塔外的热虹吸式再沸器和塔内的列管式降膜加热器保持）；低压分解（0.3-0.4MPa，130℃）；常压分解（0.1-0.15MPa，92℃：塔底设有加热器）。改良C法--操作条件高压分解：高压分解塔3和再沸器2。高压分解塔的上部设有几层筛板，上升的热气体与下降的低温液体逆流接触，进行热量和质量交换，使出口气温度降到125℃，即回收了热量又降低了出气中的水分。低压分解：低压分解塔5、加热器4和再沸器6。塔底通入少量CO2气，有助于NH3和CO2的气提，并调整溶液中的氨碳比。常压分解：在闪蒸分解塔7进行，并通入空气进行气提，促使NH3和CO2的彻底分离。经三次分解得到NH3和CO2含量极低，尿素含量为74%的溶液，送真空结晶器8，在减压下进行绝热蒸发结晶。结晶尿素经离心分离机10分离和热风干燥，送造粒塔13顶上熔融槽，再次熔融后喷洒造粒。各段分解气在相应吸收塔内冷凝吸收，并依次逐段循环返回。吸收部分：高压分解塔---浸没式高压吸收塔冷却器14---高压吸收塔15---吸收剂为来自低压吸收系统的稀甲铵液和来自氨回收吸收塔17的氨水。---在氨冷凝器16中冷凝---进入氨贮槽18---合成塔。不凝气体放空改良C法的特点优点：（1）采用较高的合成压力和温度，并取较高的氨碳比和较低的水碳比，转化率高，降低了分解循环吸收负荷。（2）采用结晶重熔方法，可制得缩二脲低0.35%的产品。缺点：热回收利用不高，总能耗优于传统水溶液全循环法，但不及各种气提法流程。热循环法（HR）（美国）第一次分解分离第二次分解分离新一代尿素工艺中唯一不采用气提技术的生产工艺热循环法（HR）（美国）合成塔—等温反应器：内部换热式的反应器。原料自塔顶进入设于塔内的盘管，进行合成甲铵的反应，并放出热量传到盘管以外。盘管的下端形成开口的罩式分布器，反应物自此流出，又与一部分液氨混合，再自下而上流动，进行甲铵脱水的吸热反应。盘管内外热量匹配，有利于管内甲铵的生成和管外尿素的生成，达到塔顶，CO2的转化率达74%特点：充分利用反应热使大部分工艺物流与工艺物流换热，而不借助于蒸汽作为中间介质。合成塔操作条件：压力：20MPa，温度：190℃，氨碳比：4-4.2，水碳比：0.86，CO2转化率：74%热循环法（HR）（美国）合成塔原料：原料CO2有60%进入合成塔，其余40%进入中压系统。原料液氨在泵出口处加入少量的钝化空气，经预热后70%自塔顶进入盘管，其余30%从合成塔低引入，以保持全塔的热平衡。尿素流程：塔出料减压至2.6MPa进入液体分布器6，进行闪蒸，再减压至2.3MPa进入第一分解器7，第一加热器8和第一分离器9。压力减压至0.2MPa，进入第二分解器和第二分离器11；然后送去浓缩，造粒。回收流程：第二分离器出来的气体进入第二冷凝器回收氨，惰性气体排入大气。出液经回流冷却器5放出一部分热量，至第一分解器壳侧，与第一分离器来的气体混合。由水解解吸系统回收的NH3和CO2送回合成塔，废液达到标准后排放。热循环法（HR）（美国）优点：①热循环法尿素工艺采用等温合成塔，CO2转化率高，减少了循环甲铵量和下游设备尺寸。②原料中有40%CO2直接进入中压系统节省压缩功耗。③采用工艺物料间互相换热，不借助于蒸汽，能充分利用热量。热循环法（HR）（美国）28三种传统水溶液全循环法的工艺比较水循环方法工艺条件传统水溶液循环改良C法热循环法压力（MPa）２０～２２２３～２５２０温度（℃）185-1901９０-２００１９０氨碳比4-4.54４-４．２水碳比0.6-0.70.３７0.８6停留时间（h）1－－CO2转化率（%）62-64７２７４293.3汽提法一、二氧化碳气提法二、氨气气提法三、ACES法四、等压双气提法气提法是20世纪60年代以来尿素生产工艺最重要的改进，气提法也是水溶液全循环流程，但采用了气提技术，使尿素合成塔出来的反应液中大部分未转化的NH3和CO2在与合成同等压力下从尿液分出，并重新返回合成塔。优点：能耗及生产费用明显降低，流程简化。目前，尿素厂几乎都采用CO2气提或NH3气提剂以及它们的变型。气提法概述一、二氧化碳气提法主要工段：①CO2压缩工段②液氨的升压③合成与气提（四个高压设备：合成塔、气提塔、高压冷凝器、高压洗涤器）核心部分④循环工段⑤蒸发与造粒⑥解吸32二氧化碳气提法工艺流程该方法是现在世界上建厂最多，生产能力最大的尿素生产技术操作条件合成塔1：氨碳比：2.8-2.9，水碳比：0.4-0.5，温度：180-185℃，压力：14MPa，CO2转化率：57-58%。气提塔14：气提剂CO2，先配入4%空气，压缩、脱氢后进气提塔；NH3和CO2的气提率分别为85%和70%，出液温度约160-170℃，出气温度180-185℃。减压操作：低压精馏塔0.25-0.35MPa，真空闪蒸槽0.45MPa，尿素溶液高于72%，NH3和CO2含量均低于1%。高压循环圈：合成塔、CO2气提塔、高压甲铵冷凝器、高压洗涤器。立面布置在高层框架中，利用液位差自流流动。原料液氨加压至15-16MPa，再作为动力通过喷射器将来自高压洗涤器的甲铵液一起送入高压甲铵冷凝器。这种自流循环，节省了设备投资和动力消耗。高压圈物料的流动方式循环工段：气提塔出液经两次减压操作，从低压精馏塔出来的气体送入低压甲铵冷凝器，被冷凝，吸收，得到的较浓溶液用高压甲铵泵打回高压系统。蒸发与造粒工段：尿液经尿液泵送入串联的两台真空蒸发器，得到99.7%的尿素熔融物，送造粒塔造粒。解吸工段：真空蒸发系统的冷凝液和其他废水在冷凝液处理系统进行解吸，水解处理，回收的NH3和CO2送回循环，净化后的水作为锅炉水或冷却水的补充。主要工段溢流管：使合成反应液从塔底引出，不夹带气体。可保证气提塔的进料稳定27上盖塔壁衬里66661435正常液位旋涡消除器多孔板溢流管图2衬里式尿素合成塔1-来自高压甲铵冷凝器的气体进口；2-合成塔气体出口；3-高压甲铵冷凝器来的液体进口；4-去高压喷射泵的甲铵液出口；5-尿液出口至气体塔；6-塔壁温度指示孔；7-液位传送器孔主要设备—尿素合成塔127上盖塔壁衬里66661435正常液位旋涡消除器多孔板溢流管图2衬里式尿素合成塔1-来自高压甲铵冷凝器的气体进口；2-合