尿素生产工艺及技术特点

1尿素生产工艺及技术特点3.1概述当代尿素生产，不论是采用哪种流程，基本由六个工艺单元，即原料供应、尿素的高压合成、含尿素溶液的分离过程、未反应氨和二氧化碳的回收、尿素溶液的浓缩、造粒与产品输送和工艺冷凝液处理，其基本过程如图3-1所示。原料CO2和NH3被加压送到高压合成圈，反应生成尿素，二氧化碳转化率在50%~75%范围，此过程被称为合成工序；分离过程与未反应物回收单元承担着把未转化为尿素的氨和二氧化碳从溶液中分离出来，并回收返回合成工序，因此这两个单元被统称为循环工序；最后在真空蒸发和造粒设备中把70%~75%的尿素溶液经浓缩加工为固体产品，称为最终加工工序。尽管尿素生产的基本过程相似，但在具体的流程、工艺条件、设备结构等方面，不同工艺存在一定的差异。迄今世界各地的尿素工厂，绝大多数都是由几家工程设计公司所开发设计的，已形成几种典型的工艺流程，典型的有荷兰斯太米卡邦（Stamicarbon）公司的水溶液全循环CO2气提法、意大利斯那姆（Snamprogetti）公司的氨气提法和蒙特爱迪生集团公司的等压双循环工艺（IDR）、日本三井东亚—东洋工程公司的全循环改良“C”法和改良“D”法及ACES法、美国尿素技术公司UTI的热循环法尿素工艺（HR）等。但不论是哪种工艺流程，生产过程中主要原料NH3和CO2的消耗基本上是相同的，其流程的先进与否主要表现在公用工程即水、电、汽的消耗上。尿素生产流程的改进过程，实质就是公用工程消耗降低的过程。图3-1尿素生产基本流程尿素溶液的浓缩工艺冷凝液处理造粒与产品输送分离过程CO2压缩CO2压缩液NH2尿素合成反应合成反应液未反应物回收（生成甲铵液）含氨工艺冷凝液甲铵液回反应系统2目前国内建有尿素装置200多套，规模分为大型(48万吨/年以上)、中型(11万吨/年以上)、小型(4万吨/年以上)。中、小型尿素装置均采用国内的水溶液全循环技术，大型装置多采用国外引进工艺技术。在国内的大型尿素装置工艺技术中，多数采用CO2气提工艺和氨气提工艺。目前设计的采用CO2气提工艺和氨气提工艺的尿素装置，其尿素氨耗基本接近于理论水平，公用工程消耗更低，相对于传统的设计，其投资更低。3.2Stamicarbon二氧化碳气提法尿素工艺从美国凯洛格公司引进的1620t/d尿素装置（简称美型尿素装置，下同），从法国赫尔蒂公司引进的1740t/d尿素装置（简称法型尿素装置，下同），以及由我国原化工部第四设计院和荷兰大陆公司联合设计的1740t/d尿素装置（简称中荷尿素装置，下同）均采用了CO2气提法尿素生产工艺。其中中荷尿素装置采用的是改良型CO2气提法，相比美型、法型尿素装置，在工艺流程上略有一些改进。3.2.1工艺流程Stamicarbon二氧化碳气提法尿素工艺由以下几个主要工序组成：1）CO2气体的压缩；2）液氨的加压；3）高压合成与CO2气提回收；4）低压分解与循环回收5）真空蒸发与造粒6）解吸与水解系统各工序之间的关系可用图3-2表示。图3-2CO2气提工艺方块图33.2.1.1CO2气体压缩从合成氨装置送来的CO2气体，先进入液滴分离器，将所含液滴分离后进入CO2压缩机。CO2压缩机是由蒸汽透平作动力驱动的两缸四段离心式压缩机，在每段之间分别设有段间冷却器和气液分离器。在压缩机各进出口设有若干温度、压力监测点，以便于监视压缩机的运行状况，压缩机的负荷是通过改变蒸汽透平的转速来控制的，经四段压缩后的气体(压力约为14.3MPa，温度为110℃左右)送去脱氢系统（视CO2中H2含量和合成系统高压尾气的洗涤吸收工艺方式而定，法型尿素装置不设脱氢装置），脱氢后的CO2中含氢及其它可燃气体小于50×10-6。在CO2液滴分离器前加入一定量的空气，以供脱氢和设备防腐所需的氧气。空气由空气鼓风机提供，进入系统的空气量由一流量控制阀来调节。3.2.1.2NH3的加压从合成氨装置送来的液氨经流量计量后引入高压氨泵，液氨在泵内加压至16.0MPa(A)左右。液氨的流量根据系统的负荷，通过控制氨泵的转速来调节。加压后的液氨经高压喷射器与来自高压洗涤器中的甲铵液，一起由顶部进入高压甲铵冷凝器。美型和中荷型尿素装置将加压后的液氨在氨加热器中加热到约40℃后，再经高压喷射器与来自高压洗涤器中的甲铵液一起由顶部进入高压甲铵冷凝器。3.2.1.3高压合成与气提合成塔、气提塔、高压冷凝器和高压洗涤器这四个设备组成高压圈（如图3-3所示），这是二氧化碳气提法的核心部分，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热量的最大回收，以副产蒸汽。从高压冷凝器底部导出的液体甲铵和少量的未冷凝的氨和二氧化碳,分别用两条管线（图3-2中仅画了一条线）送入合成塔底，液相加气相物料总NH3/CO2(摩尔比)约为2.9，温度为165℃~170℃。合成塔内设有筛板，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。物料从塔底升到co2NH3气提塔高压甲铵冷凝器合成塔高压洗涤器图3-3CO2气提法高压圈流程4塔顶，设计停留时间约1小时。二氧化碳转化率可达56~58%，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，再经塔内液体分配器均匀地分配到每根气提管中。液体沿管壁成液膜下降，分配器液位高低起着自动调节各管内流量的作用。液体的均匀分配，以及在内壁成膜是非常重要的，否则气提管将遭到腐蚀。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。管间以蒸汽加热，合成反应液中过剩氨及未转化的甲铵将被气提蒸出和分解，从塔顶排出，尿液及少量未分解的甲铵从塔底排出。受操作温度的限制，气提塔中氨蒸出率约为85%，甲铵分解率约为75%，有4%的尿素水解，因当温度高于200℃时气提管会受到严重的腐蚀。另外也受负荷和液体在塔内停留时间的限制，换热面积不变的情况下负荷太低则尿液不能成膜，加热时间太长，则尿素水解和缩二脲生成将会增多。从气提塔底排出的液体，含有15%的氨和25%的二氧化碳，含缩二脲约0.4%。液体在气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，目前气提管长为6米。管数也不能太多，以避免影响膜的形成，气提塔出液温度控制在162℃~172℃之间。塔底液位控制在20%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。从气提塔顶排出180℃~185℃的气体，与新鲜氨及高压洗涤器来的甲铵液在约14.0MPa下一起进入高压甲铵冷凝器顶部。高压甲铵冷凝器是一个管壳式换热器，物料走管内，管间走水用以副产低压蒸汽。根据副产蒸汽压力高低，可以调节氨和二氧化碳的冷凝程度，控制冷凝量在约85%，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，而达到自热平衡。所以把控制副产蒸汽压力作为控制合成塔温度、压力的条件之一。为了使进入高压甲铵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，在高压甲铵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-液的良好分布。从合成塔顶排出的气体，温度约为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，然后经高压甲铵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，自高压洗涤器排出高压系统，经惰性气体放空筒放空。5高压洗涤器分为三个部分：上部为防爆空腔，中部为鼓泡吸收段，下部为管式浸没式冷凝段。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%)，然后导入下部浸没式冷凝段，与从中心管流下的甲铵液在底部混合，在列管内并流上升并进行吸收。其所以采用并流上升的冷凝方式，是为了使塔底不会形成太浓的溶液而析出结晶。管内得到约160℃的浓甲铵液(水约23%，NH3/CO2为2.5)。吸收作用是生成甲铵的放热反应，在高压洗涤器中冷凝放出的热量由高压调温水带走，调温水温度控制在120～130℃。高压调温水在高压洗涤器循环水泵、高压调温水冷却器、高压洗涤器壳程之间进行闭路循环（有些装置高压调温水还作为精馏塔下部循环加热器的热源）。水温由循环冷凝器的温度控制阀及其旁路来控制，通过恒压泵或恒压槽恒定其压力在1.0~1.2MPa，以防止高压调温水汽化。在下部浸没式冷凝段未能冷凝的气体，进到中部的鼓泡段，经鼓泡吸收后的气体，尚含有一定数量的氨和二氧化碳送往惰性气体放空筒放空（或进入0.6MPa吸收塔）。在合成塔到高压洗涤器的气相管线上设有安全阀，在防爆空腔的隔板上设有防爆板。从高压洗涤器中部溢流出的甲铵液，其压力与合成塔顶部的压力相等。为将其引入较高压力的高压甲铵冷凝器(约高出0.3MPa),必须用喷射器。来自高压液氨泵的液氨（压力约为16MPa）进入高压喷射器，将高压洗涤器来的甲铵升压，二者一并进入高压甲铵冷凝器的顶部。高压喷射器设在与合成塔底部相同的标高位置。从合成塔底引出一股合成反应液，与高压洗涤器的甲铵液混合，然后一起进入高压喷射器。引出这股合成反应液的目的：第一，为了保证经常有足够的液体来满足高压喷射器的吸入要求，而不必为高压洗涤器设V4高压洗涤器合成塔高压甲铵冷凝器气提塔N1N2N3N4N5V1V2N6N7V3V5V6图3-4带排放管线的高压系统流程来自高压甲铵泵液氨二氧化碳去低压系统高压尾气6置复杂的流量或液位控制系统；第二，合成塔引出的合成反应液含有一定量的尿素，可使高压冷凝器中的液体沸点得到提高,有利于提高副产蒸汽的操作压力。根据生产要求将高压系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趋势和合成塔液相NH3/CO2分析数据，加以全面考虑和分析，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分，从而判断合成塔内的操作条件是否正常来调节有关参数。图3-4中增加了尿素装置停车时高压系统排放流程管线。阀Ni（i=1~7）为排放阀。高压设备和管线中的全部液体通过N5排到低压系统。美型和法型尿素装置设计有0.6MPa吸收系统，则在合成塔的气相管线上为高压系统单独设计了放空阀V4，用于手动卸压，正常生产中该阀是关闭的。中荷型尿素装置的高压洗涤器高压尾气直接通过减压阀放空。3.2.1.4低压分解与循环回收从气提塔出来的反应混合物（压力约14.0MPa，温度为162～172℃），经液位控制阀减压到约0.3MPa，减压膨胀，使溶液中甲铵分解气化，所需热量由溶液自身供给，溶液温度降至120℃左右，气-液混合物进入精馏塔顶部，喷洒到精馏塔鲍尔环填料上。液体从底部流出，温度约110℃进入循环加热器，进行甲铵的分解和游离NH3及CO2的解吸，其热量由壳侧的低压蒸汽（美型和中高压甲铵泵甲铵液去高压洗涤器补充吸收液吸收液循环与冷却低压冷凝吸收系统调温水系统低压分解塔循环加热器加热蒸汽尿液去闪蒸槽来自解吸系统回流冷凝液低压吸收系统尾气进常压吸收塔来自气提塔来自氨水槽回氨水槽来自解吸系统回流冷凝器的尾气尾气进放空筒液面槽图3-5低压分解与循环回收系统7荷型尿素装置利用高调水作为补充热源）提供。加热蒸汽压力由调节阀调节流量大小来控制。离开循环加热器的气液混合物在精馏塔分离段中气液相发生分离，分离后的尿液经液位调节阀进入闪蒸槽，尿液温度为135℃左右。分离出来的气体进入填料段与喷淋液逆流接触，进行传热传质，进一步吸收NH3及CO2。离开精馏塔顶部的气体(NH3/CO2分子比为2左右)以及解吸回流泵送来的解吸冷凝液分别进入低压甲铵冷凝器冷凝。由于NH3/CO2分子比较低，达不到最佳冷凝，因而在低压甲铵冷凝器底部加入一定量由高压氨泵进口来的液氨，将NH3/CO2调整到2.0～2.5(分子比)的最佳冷凝工况（设有0.6MPa吸收塔的装置，因进入低压吸收系统的吸收液中氨浓度要高些，因此设计中未考虑向低压系统加氨）。甲铵的冷凝热及生成热由闭路循环的低压调温水带走。低压调温水在循环水泵、氨加热器（如果有）、低调水循环冷却器、低压甲铵冷凝器中密闭循环，其温度由进低调水循环冷却器的低调水主