尿素合成2

xxxxxxxxxxx学校 毕业论文（设计）

2012 届

题 目 氨气提尿素的生产工艺 专 业 应用化工生产技术 学生姓名 学 号 指导教师 完成日期 2014年 月 日

【摘要】：

尿素的用途非常广泛，本文主要介绍氨气提尿素的生产方法，尿素的物理、化学性质和用途，以及该工艺的生产原理和工艺流程。通过计算合成塔的能量守恒和物料衡算得到改进的方法。

【关键词】：尿素，生产流程，气提塔，设计

目 录

一、 前言 ................................................................................................... 4

二、概述 ..................................................................................................... 5

2.1 尿素的物理性质 ........................................................................... 5

2.2 尿素的化学性质 ........................................................................... 5

2.3尿素的用途 ........................................................................ 5

三、生产工艺............................................................................................. 6

3.1 尿素合成的基本原理 ................................................................... 6

3.2 工艺流程图 ................................................................................... 7

3.3 尿素合成与高压回收 ................................................................... 7

3.4 中压分解与回收 ........................................................................... 8

3.5 低压分解与回收 ........................................................................... 9

3.6 尿素浓缩及造粒 ........................................................................... 9

3.7 废水处理 ....................................................................................... 9

3.8 工艺指标 ..................................................................................... 10

四、生产工艺的相关计算 ...................................................................... 10

4.1 合成塔的物料衡算 .................................................................... 10

4.2 合成塔的热量衡算 ................................................................... 11

五、小结 ................................................................................................... 12

六、参考文献........................................................................................... 13

一、前言

尿素是重要的氮素肥料之一，化肥工业对农业的发展有着不言而喻的重要性。施用化肥对于提高农作物产量和质量效果非常显著，国内外公认化肥对农业增产的贡献约占40%，故使用化肥已经成为发展农业的重要的措施之一。我国是一个拥有13亿人口的大国，占世界人口约22%，但耕地面积却只占世界耕地面积的7%，而且耕地面积逐年减少，人口逐年增加，在这样情下，为了保证粮食的供给，提高粮食产量成为最有效的措施之一。

尿素生产工艺流程很多，目前工业方法以水溶液全循环法，二氧化碳气提法，氨气气提法最为典型。本文主要介绍氨气气提法。

水溶液全循环法是将未反应的氨和二氧化碳用水吸收生成甲铵或碳酸铵水溶液再循环返回合成系统。但该法存在以下问题：一、能量利用率低；二、一段甲铵泵腐蚀严重；三、流程过于复杂。气提法是针对水溶液全循环法的缺点而提出的。该法在简化流程、热能回收、延长运转周期和减少生产费用等方面都较水溶液全循环法。氨气提尿素法是利用氨气通入尿素合成出口溶液中，降低气相中二氧化碳的分压，从而促使液相甲铵分解和过剩氨的吸收。从世界范围来看氨气提尿素法发展非常迅速。氨气提法20世纪70年代初实现了工业化，虽不如二氧化碳气提法应用广泛，但有后来者居上的趋势。

尿素是目前使用的固体氮肥含氮量最高的化肥，其含氮量为硝酸铵的1.3倍，氯化铵的1.8倍，硫酸铵的2.2倍，碳酸氢铵的2.6倍。

按照最近的行业统计，尿素产量最大的公司是中国石化，其产量高达350万吨/年。但是由于中石化的总体收入很大，尿素所占比例还是非常小。其他的尿素大户有海南中国海油化学公司和乌鲁木齐石化总厂。与普通尿素相比，大颗粒尿素在生产应用和市场销售方面有明显的优势。在国际市场上，大颗粒尿素也十分俏销。北美市场的大颗粒尿素销售价格比普通尿素每吨高出5-10美元，在西欧市场高出10-15美元。国内目前仅有海南富岛和宁夏两个企业生产大颗粒尿素，年总产量约为100万吨左右，仅占国内尿素年总产量的3.7%左右，远远不能满足市场需求。若要达到国际上大颗粒尿素所占的比例，还需增加400万吨的

年产量。因此，尿素的生产开发目前在国内仍具有较大的发展空间。

二、概述

2.1 尿素的物理性质

尿素学名为碳酰二胺，分子式为CO(NH2)2,相对分子质量为60.06，纯净的尿

素为无色、无味、无臭的针状或棱柱状结晶体，生产农用尿素大都加工成颗粒状，其含氮量为46.6%，工业尿素因含有杂质而呈白色或浅黄色，熔点在大气压下为132.7℃，易溶于水和液氨中，也易溶于醇类，其相对密度为1.335，堆密度为0.75克/厘米3。

2.2 尿素的化学性质

常温时，尿素在水中缓慢地进行水解，最初转化为氨基甲醇铵，然后形成碳酸铵，最后分解为铵和二氧化碳。随着温度的升高，水解加快，水解程度也增大，在145℃以上尿素的水解速率剧增。这一点对尿素的生产有实际影响，故在循环和蒸发工序应予注意。但在60℃以下，尿素在酸性，碱性或中性溶液中不发生水解作用。

尿素在高温下可以进行缩合反应，生成缩二脲、缩三脲、三聚氰酸。缩二脲会烧伤作物的叶和嫩枝，故应控制缩二脲 的含量。往尿素中加硝铵，对尿素能起到稳定作用。

2.3尿素的用途

尿素是一种常用的速效氮肥，除作追肥以外，还有其它多种用途。

一是调节花量 为了克服苹果地大小年，遇小年时，于花后5-6周(苹果花芽分化的临界期，新梢生长缓慢或停止，叶片含氮量呈下降趋势)叶面喷施0.5％尿素水溶液，连喷2次，可以提高叶片含氮量，加快新梢生长抑制花芽分化，使大年的花量适。

二是疏花疏果 桃树的花器对尿素较为敏感但嘎面反应较迟钝，因此，国外用尿素对桃和油桃进行了疏花疏果试验，结果表明，桃和油桃的疏花疏果，需要较大浓度(7.4％)才能显示出良好效果，最适合浓度为8％-12％，喷后1—2周内，

即能达到疏花疏果的目的。但是，在不同的土地条件下，不同时期及不同品种的反应尚需进一步试验。

三是水稻制种 在杂交稻制种技术中，为了提高父母本的异交率，以增加杂交稻制种量或不育系繁种量，一般都采用赤毒素喷施母本以减轻母本包颈程度或使之完全抽出；或喷施父母本，调节二者的生长，使其花期同步。由于赤霉素价格较贵，用其制种成本高。人们用尿素代替赤霉素进行实验，在孕穗盛期、始穗期(20％抽穗)使用1.5％-2％尿素，其繁种效果与赤霉素类似，且不会增加株高。

四是防治虫害 用尿素、洗衣粉、清水4:1:400份，搅拌混匀后，可防止果树、蔬菜、棉花上的蚜虫、红蜘蛛、菜青虫等害虫，杀虫效果达90％以上。

五是尿素铁肥 尿素以络合物的形式，与Fe形成螯合铁。这种有机铁肥造价低，防治缺铁失绿效果很好。此外叶面喷0.3％硫酸亚铁时加入0.3％尿素，防治失绿效果比单喷0.3％硫酸亚铁好。

尿素不仅可以用作肥料，而且还可以用作工业原料以及反刍动物的饲料。工业上还用作制造脲醛树脂、三聚氰胺－甲醛树脂、聚氨酯的原料，在医药、炸药、制革、浮选剂、颜料和石油产品精制（脱蜡）等方面也有广泛的用途。 2+

三、生产工艺

3.1 尿素合成的基本原理

液氨和二氧化碳直接合成尿素的总反应方程式：

2NH3 (l)+ CO2 (g) 错误！未找到引用源。 CO(NH2)2(l) + H2O (l) ∆H=-

103.7kJ/mol

这是一个可逆、放热、体积减小的反应，首先液氨和二氧化碳反应生成甲胺，即甲胺生成反应：

2NH3 (l) + CO2 (g) 错误！未找到引用源。 NH4COONH2 (l) ∆H=-119.2

kJ/mol

该反应是一个可逆的体积缩小的强放热反应，在一定条件下此反应速率很快，容易达到平衡。且此反应二氧化碳的平衡转化率很高。

然后是液态甲铵脱水生成尿素，称为甲铵脱水反应：

NH4COONH2 (l) 错误！未找到引用源。 CO(NH2)2 (l) + H2O (l) ∆H=15.

5kJ/mol

此步反应是一个可逆的微吸热反应，平衡转化率不是很高，一般为50%～70%。此步反应的速率也较缓慢，是尿素合成中的控制反应。

3.2 工艺流程图

氨气提尿素的工艺流程图如图1所示。

图1氨气提工艺流程

1-尿素合成塔；2-二氧化碳压缩机；3-高压液氨预热器；4-甲铵分解器；5-气提塔；6-高压甲铵冷凝器;7-高压氨泵；8-高压甲铵预热器；9-中压分解分离器；10-中压冷凝器；11-高压甲铵液泵；12-中压氨吸收洗涤塔；13-氨回收塔槽；14-氨冷凝器；15-氨升压泵；16-

中压吸收塔；17-氨水泵；18-低压分解分离器；19-低压冷凝器；20-洗涤塔碳铵液槽；21-碳铵液泵；22-真空预浓缩塔；23-尿液泵；24-液氨储罐

3.3 尿素合成与高压回收

来自界区外的液氨，经氨升压泵升压，在经高压氨泵送入氨预热器，高压液氨用作氨基甲酸铵喷射泵的驱动流体，使来自甲铵分离器的氨基甲酸铵溶液升至合成压力。氨与甲铵的混合液进入合成塔与入塔的二氧化碳进行反应，生成氨基甲酸铵和尿素。

由界区外送来二氧化碳经压缩机压缩至15.69兆帕，在二氧化碳压缩机入口前加入少量空气用以钝化不锈钢表面，防止由于反应物所造成的腐蚀。

离开合成塔的反应产物减压后流至气提塔，其操作压力比合成塔操作压力低0.98兆帕。混合物在降膜式加热器向下流动的同时被蒸汽加热。溶液中的二氧化碳由于氨的气提作用而从溶液中沸腾逸出，从而使溶液中的二氧化碳含量得到降低。

来自气提塔顶部的气体和中压吸收塔并经高压甲铵泵增压的回收液，送往高压甲铵冷凝器，全部混合物在此冷凝并经喷射泵返回合成塔。

3.4 中压分解与回收

从气提塔底部出来的含有低残留量二氧化碳的溶液减压至1.765兆帕，进入中压分解分离器顶部，减压释放出的气体和溶液在此进行分离。溶液中残留的甲铵在底部分离器分离。

含氨和二氧化碳的中压分解气体离开分离器顶部进入真空预浓缩器，被来自低压分解回收的一部分碳铵溶液吸收，所产生的热量供尿素蒸发使用。

中压分解气最终在中压冷凝器中冷凝，冷凝热量由冷却水移走。在冷凝器中二氧化碳几乎全部被吸收。从冷凝器来的混合物流入中压吸收塔的下部，未吸收和未冷凝的气体进入上部精馏段，二氧化碳在过程中被吸收，氨则被精馏出来。

回流氨送入顶部塔板，除去出塔气体中的微量二氧化碳和水。

回流液氨经氨升压泵从液氨储槽抽出送往中压吸收塔顶部。中压吸收塔出塔的溶液经高压甲铵液泵再经高压甲铵预热器预热后，返回到合成回收。

含有惰性气体的氨气离开中压吸收塔顶部在氨冷凝器中冷凝，冷凝的液氨和含有氨的惰性气体送入液氨储槽，由氨回收塔出来的氨和惰性气体则送往中压氨洗涤吸收塔，与逆流冷凝液进行接触洗涤，将气氨回收。从中压氨洗涤吸收塔底部出来的氨气溶液经离心泵返回到中压吸收塔。

3.5 低压分解与回收

离开中压分解器收集罐底部的溶液减压到0.44兆帕后进入低压分解器顶部分离器，减压释放出的闪蒸气体在此分离，残留的甲铵在底部分解加热段分解。离开低压分解器分离器顶部的气体与来自解吸塔的气体汇合，首先进入氨预热器进行吸收和冷凝，然后进入低压冷凝器，用冷却水进行再吸收和将冷凝热带走。惰性气体在洗涤塔中被清洗后排入大气。

混有残留惰性气体的液体被送到碳铵液储槽，再经离心泵将碳铵液送至真空预浓缩器分离器。

真空预浓缩：由低压分解器收集底部出来的溶液减压到0.034兆帕，进入降膜式真空预浓缩器。顶部减压释放分离闪蒸气体，残留的甲铵在底部分解加热段分解。从顶部出来的气体进入真空系统。真空预浓缩器底部液位罐的尿素溶液经尿液泵送到真空浓缩系统。

3.6 尿素浓缩及造粒

来自尿素溶液泵的浓度约为85%的尿素溶液送往真空浓缩器，蒸发汽液被真空系统抽走。由二段真空分离器分离下来的熔融尿素经熔融尿素泵送往造粒塔顶部喷头喷淋造粒，经造粒塔形成颗粒状成品尿素。

3.7 废水处理

来自真空系统的工艺冷凝器含有氨、二氧化碳和尿素，收集与工艺冷凝液储槽中，然后送往深度水解系统。

经水解系统的净化废水含氨和尿素小于5×10，换热冷却后送出尿素界区，再经离子交换树脂处理后可用作锅炉给水。

3.8 工艺指标

下表为氨气提尿素合成塔的参数指标：

表1 氨气提尿素合成塔参数表（表头放上面）

-6

四、生产工艺的相关计算

4.1 合成塔的物料衡算

液氨和二氧化碳直接合成尿素的总反应方程式为：

2NH3 (l)+ CO2 (g) 错误！未找到引用源。 CO(NH2)2(l) + H2O (l) ∆H=-

103.7kJ/mol

此反应可分为两步，方程式分别为：

2NH3 (l) + CO2 (g) 错误！未找到引用源。 NH4COONH2 (l) ∆H=-119.2

kJ/mol

NH4COONH2 (l) 错误！未找到引用源。 CO(NH2)2 (l) + H2O (l) ∆H=15.5kJ/mol

根据以上方程式计算已知进合成塔的成分：

设液氨的通入量为70kg/h，尿素的转化率为75%，甲铵的分解率为65%。

尿素的转化率（%）=

转化为尿素的CO2的物质的量

100%=75%

原料中CO2的物质的量

（175%）=5kg/h 合成塔出口的CO2的流量 wCO210020%

1815

6.136kg/h 44

3415

合成塔出口的氨的流量 WNH37058.409kg/h

44

6015

合成塔出口的尿素的流量 W尿素20.455kg/h

44786.14

合成塔出口的甲铵的流量 W甲铵（165%）9.312kg/

h

合成塔出口的水的流量 WH2O

4.2 合成塔的热量衡算

根据稳流物系热力学第一定律有：HQ,即系统与环境交换的热量等于系统的焓变。焓是状态函数，过程的焓变之取决于反应的初终态，而与变化途径无关。

假设原料由入塔状态变为出塔状态分两步完成，第一步液体组成不变，温度由入塔温度T1升至出塔温度T2,其焓变为H1；第二步在出塔温度T2下进行反应，液体组成发生变化，氨含量由xNH3,1变为xNH3，2，其焓变为H2。

H=H1+H2 H1=N1cpm,1(T2T1)

H2NNH3HR,2

N1xNH31xNH3,2

HR,2

不计合成塔散热损失H=0

1xNH3,2

xNH3HR,2

(T2T1)

cpm,11xNH3,2

xNH3HR,2

T2T1

cpm,11xNH3,2N1cpm,1(T2T1)

N1xNH3

HR,2

cpm,1——进合成塔液体在T1～T2之间的平均摩尔恒压热容，kJ/(kmolC)； HR,2——出合成塔温度T2时的反应热，kJ/kmol；

N1——进合成塔液体的物质的量，kmol/h； xNH3,2——进合成塔液体中液氨的摩尔分数。

假设进口温度为180℃，出口温度为230℃，查的cpm,1为0.67kJ/(kmolC)，

HR,2为80.8kJ/kmol.，代入公式得：

T2=229.66℃.满足计算精度的要求。

五、小结

通过对氨气提尿素生产工艺的学习和了解进行分析，可通过提高尿素合成塔的NH 3/CO 2比例来保证氨基甲酸铵转化成尿素的转化率达到75％，另外通过减少氨基甲酸铵的分解、回收工段中氨基甲酸铵的再循环以及缩小设备尺寸去降低了投资费用和运转费用，也可通过列管换热器的设计如冷热流体通道的选择，流体两端温度和温度差的确定来提高生产效率。

六、参考文献

[1] 李殿宝，《化工原理》，大连：大连理工大学出版社，2005.3 [2] 刘镜远，《合成氨和尿素》，第二版，北京：中国石油出版社，2005 [3] 郑广俭，张志华，《无机化工生产技术》北京：化学工业出版社，2002

致谢

在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师的悉心指导。老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。您渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。同时，此次毕业设计过程中我也学到许多有关氨气提尿素生产的知识。

另外，我还要特别感谢我的同学，他们在帮助我一起找资料等方面提供了很大的帮助，使我得以顺利完成论文。

xxxxxxxxxxx学校 毕业论文（设计）

2012 届

题 目 氨气提尿素的生产工艺 专 业 应用化工生产技术 学生姓名 学 号 指导教师 完成日期 2014年 月 日

【摘要】：

尿素的用途非常广泛，本文主要介绍氨气提尿素的生产方法，尿素的物理、化学性质和用途，以及该工艺的生产原理和工艺流程。通过计算合成塔的能量守恒和物料衡算得到改进的方法。

【关键词】：尿素，生产流程，气提塔，设计

目 录

一、 前言 ................................................................................................... 4

二、概述 ..................................................................................................... 5

2.1 尿素的物理性质 ........................................................................... 5

2.2 尿素的化学性质 ........................................................................... 5

2.3尿素的用途 ........................................................................ 5

三、生产工艺............................................................................................. 6

3.1 尿素合成的基本原理 ................................................................... 6

3.2 工艺流程图 ................................................................................... 7

3.3 尿素合成与高压回收 ................................................................... 7

3.4 中压分解与回收 ........................................................................... 8

3.5 低压分解与回收 ........................................................................... 9

3.6 尿素浓缩及造粒 ........................................................................... 9

3.7 废水处理 ....................................................................................... 9

3.8 工艺指标 ..................................................................................... 10

四、生产工艺的相关计算 ...................................................................... 10

4.1 合成塔的物料衡算 .................................................................... 10

4.2 合成塔的热量衡算 ................................................................... 11

五、小结 ................................................................................................... 12

六、参考文献........................................................................................... 13

一、前言

尿素是重要的氮素肥料之一，化肥工业对农业的发展有着不言而喻的重要性。施用化肥对于提高农作物产量和质量效果非常显著，国内外公认化肥对农业增产的贡献约占40%，故使用化肥已经成为发展农业的重要的措施之一。我国是一个拥有13亿人口的大国，占世界人口约22%，但耕地面积却只占世界耕地面积的7%，而且耕地面积逐年减少，人口逐年增加，在这样情下，为了保证粮食的供给，提高粮食产量成为最有效的措施之一。

尿素生产工艺流程很多，目前工业方法以水溶液全循环法，二氧化碳气提法，氨气气提法最为典型。本文主要介绍氨气气提法。

水溶液全循环法是将未反应的氨和二氧化碳用水吸收生成甲铵或碳酸铵水溶液再循环返回合成系统。但该法存在以下问题：一、能量利用率低；二、一段甲铵泵腐蚀严重；三、流程过于复杂。气提法是针对水溶液全循环法的缺点而提出的。该法在简化流程、热能回收、延长运转周期和减少生产费用等方面都较水溶液全循环法。氨气提尿素法是利用氨气通入尿素合成出口溶液中，降低气相中二氧化碳的分压，从而促使液相甲铵分解和过剩氨的吸收。从世界范围来看氨气提尿素法发展非常迅速。氨气提法20世纪70年代初实现了工业化，虽不如二氧化碳气提法应用广泛，但有后来者居上的趋势。

尿素是目前使用的固体氮肥含氮量最高的化肥，其含氮量为硝酸铵的1.3倍，氯化铵的1.8倍，硫酸铵的2.2倍，碳酸氢铵的2.6倍。

按照最近的行业统计，尿素产量最大的公司是中国石化，其产量高达350万吨/年。但是由于中石化的总体收入很大，尿素所占比例还是非常小。其他的尿素大户有海南中国海油化学公司和乌鲁木齐石化总厂。与普通尿素相比，大颗粒尿素在生产应用和市场销售方面有明显的优势。在国际市场上，大颗粒尿素也十分俏销。北美市场的大颗粒尿素销售价格比普通尿素每吨高出5-10美元，在西欧市场高出10-15美元。国内目前仅有海南富岛和宁夏两个企业生产大颗粒尿素，年总产量约为100万吨左右，仅占国内尿素年总产量的3.7%左右，远远不能满足市场需求。若要达到国际上大颗粒尿素所占的比例，还需增加400万吨的

年产量。因此，尿素的生产开发目前在国内仍具有较大的发展空间。

二、概述

2.1 尿素的物理性质

尿素学名为碳酰二胺，分子式为CO(NH2)2,相对分子质量为60.06，纯净的尿

素为无色、无味、无臭的针状或棱柱状结晶体，生产农用尿素大都加工成颗粒状，其含氮量为46.6%，工业尿素因含有杂质而呈白色或浅黄色，熔点在大气压下为132.7℃，易溶于水和液氨中，也易溶于醇类，其相对密度为1.335，堆密度为0.75克/厘米3。

2.2 尿素的化学性质

常温时，尿素在水中缓慢地进行水解，最初转化为氨基甲醇铵，然后形成碳酸铵，最后分解为铵和二氧化碳。随着温度的升高，水解加快，水解程度也增大，在145℃以上尿素的水解速率剧增。这一点对尿素的生产有实际影响，故在循环和蒸发工序应予注意。但在60℃以下，尿素在酸性，碱性或中性溶液中不发生水解作用。

尿素在高温下可以进行缩合反应，生成缩二脲、缩三脲、三聚氰酸。缩二脲会烧伤作物的叶和嫩枝，故应控制缩二脲 的含量。往尿素中加硝铵，对尿素能起到稳定作用。

2.3尿素的用途

尿素是一种常用的速效氮肥，除作追肥以外，还有其它多种用途。

一是调节花量 为了克服苹果地大小年，遇小年时，于花后5-6周(苹果花芽分化的临界期，新梢生长缓慢或停止，叶片含氮量呈下降趋势)叶面喷施0.5％尿素水溶液，连喷2次，可以提高叶片含氮量，加快新梢生长抑制花芽分化，使大年的花量适。

二是疏花疏果 桃树的花器对尿素较为敏感但嘎面反应较迟钝，因此，国外用尿素对桃和油桃进行了疏花疏果试验，结果表明，桃和油桃的疏花疏果，需要较大浓度(7.4％)才能显示出良好效果，最适合浓度为8％-12％，喷后1—2周内，

即能达到疏花疏果的目的。但是，在不同的土地条件下，不同时期及不同品种的反应尚需进一步试验。

三是水稻制种 在杂交稻制种技术中，为了提高父母本的异交率，以增加杂交稻制种量或不育系繁种量，一般都采用赤毒素喷施母本以减轻母本包颈程度或使之完全抽出；或喷施父母本，调节二者的生长，使其花期同步。由于赤霉素价格较贵，用其制种成本高。人们用尿素代替赤霉素进行实验，在孕穗盛期、始穗期(20％抽穗)使用1.5％-2％尿素，其繁种效果与赤霉素类似，且不会增加株高。

四是防治虫害 用尿素、洗衣粉、清水4:1:400份，搅拌混匀后，可防止果树、蔬菜、棉花上的蚜虫、红蜘蛛、菜青虫等害虫，杀虫效果达90％以上。

五是尿素铁肥 尿素以络合物的形式，与Fe形成螯合铁。这种有机铁肥造价低，防治缺铁失绿效果很好。此外叶面喷0.3％硫酸亚铁时加入0.3％尿素，防治失绿效果比单喷0.3％硫酸亚铁好。

尿素不仅可以用作肥料，而且还可以用作工业原料以及反刍动物的饲料。工业上还用作制造脲醛树脂、三聚氰胺－甲醛树脂、聚氨酯的原料，在医药、炸药、制革、浮选剂、颜料和石油产品精制（脱蜡）等方面也有广泛的用途。 2+

三、生产工艺

3.1 尿素合成的基本原理

液氨和二氧化碳直接合成尿素的总反应方程式：

2NH3 (l)+ CO2 (g) 错误！未找到引用源。 CO(NH2)2(l) + H2O (l) ∆H=-

103.7kJ/mol

这是一个可逆、放热、体积减小的反应，首先液氨和二氧化碳反应生成甲胺，即甲胺生成反应：

2NH3 (l) + CO2 (g) 错误！未找到引用源。 NH4COONH2 (l) ∆H=-119.2

kJ/mol

该反应是一个可逆的体积缩小的强放热反应，在一定条件下此反应速率很快，容易达到平衡。且此反应二氧化碳的平衡转化率很高。

然后是液态甲铵脱水生成尿素，称为甲铵脱水反应：

NH4COONH2 (l) 错误！未找到引用源。 CO(NH2)2 (l) + H2O (l) ∆H=15.

5kJ/mol

此步反应是一个可逆的微吸热反应，平衡转化率不是很高，一般为50%～70%。此步反应的速率也较缓慢，是尿素合成中的控制反应。

3.2 工艺流程图

氨气提尿素的工艺流程图如图1所示。

图1氨气提工艺流程

1-尿素合成塔；2-二氧化碳压缩机；3-高压液氨预热器；4-甲铵分解器；5-气提塔；6-高压甲铵冷凝器;7-高压氨泵；8-高压甲铵预热器；9-中压分解分离器；10-中压冷凝器；11-高压甲铵液泵；12-中压氨吸收洗涤塔；13-氨回收塔槽；14-氨冷凝器；15-氨升压泵；16-

中压吸收塔；17-氨水泵；18-低压分解分离器；19-低压冷凝器；20-洗涤塔碳铵液槽；21-碳铵液泵；22-真空预浓缩塔；23-尿液泵；24-液氨储罐

3.3 尿素合成与高压回收

来自界区外的液氨，经氨升压泵升压，在经高压氨泵送入氨预热器，高压液氨用作氨基甲酸铵喷射泵的驱动流体，使来自甲铵分离器的氨基甲酸铵溶液升至合成压力。氨与甲铵的混合液进入合成塔与入塔的二氧化碳进行反应，生成氨基甲酸铵和尿素。

由界区外送来二氧化碳经压缩机压缩至15.69兆帕，在二氧化碳压缩机入口前加入少量空气用以钝化不锈钢表面，防止由于反应物所造成的腐蚀。

离开合成塔的反应产物减压后流至气提塔，其操作压力比合成塔操作压力低0.98兆帕。混合物在降膜式加热器向下流动的同时被蒸汽加热。溶液中的二氧化碳由于氨的气提作用而从溶液中沸腾逸出，从而使溶液中的二氧化碳含量得到降低。

来自气提塔顶部的气体和中压吸收塔并经高压甲铵泵增压的回收液，送往高压甲铵冷凝器，全部混合物在此冷凝并经喷射泵返回合成塔。

3.4 中压分解与回收

从气提塔底部出来的含有低残留量二氧化碳的溶液减压至1.765兆帕，进入中压分解分离器顶部，减压释放出的气体和溶液在此进行分离。溶液中残留的甲铵在底部分离器分离。

含氨和二氧化碳的中压分解气体离开分离器顶部进入真空预浓缩器，被来自低压分解回收的一部分碳铵溶液吸收，所产生的热量供尿素蒸发使用。

中压分解气最终在中压冷凝器中冷凝，冷凝热量由冷却水移走。在冷凝器中二氧化碳几乎全部被吸收。从冷凝器来的混合物流入中压吸收塔的下部，未吸收和未冷凝的气体进入上部精馏段，二氧化碳在过程中被吸收，氨则被精馏出来。

回流氨送入顶部塔板，除去出塔气体中的微量二氧化碳和水。

回流液氨经氨升压泵从液氨储槽抽出送往中压吸收塔顶部。中压吸收塔出塔的溶液经高压甲铵液泵再经高压甲铵预热器预热后，返回到合成回收。

含有惰性气体的氨气离开中压吸收塔顶部在氨冷凝器中冷凝，冷凝的液氨和含有氨的惰性气体送入液氨储槽，由氨回收塔出来的氨和惰性气体则送往中压氨洗涤吸收塔，与逆流冷凝液进行接触洗涤，将气氨回收。从中压氨洗涤吸收塔底部出来的氨气溶液经离心泵返回到中压吸收塔。

3.5 低压分解与回收

离开中压分解器收集罐底部的溶液减压到0.44兆帕后进入低压分解器顶部分离器，减压释放出的闪蒸气体在此分离，残留的甲铵在底部分解加热段分解。离开低压分解器分离器顶部的气体与来自解吸塔的气体汇合，首先进入氨预热器进行吸收和冷凝，然后进入低压冷凝器，用冷却水进行再吸收和将冷凝热带走。惰性气体在洗涤塔中被清洗后排入大气。

混有残留惰性气体的液体被送到碳铵液储槽，再经离心泵将碳铵液送至真空预浓缩器分离器。

真空预浓缩：由低压分解器收集底部出来的溶液减压到0.034兆帕，进入降膜式真空预浓缩器。顶部减压释放分离闪蒸气体，残留的甲铵在底部分解加热段分解。从顶部出来的气体进入真空系统。真空预浓缩器底部液位罐的尿素溶液经尿液泵送到真空浓缩系统。

3.6 尿素浓缩及造粒

来自尿素溶液泵的浓度约为85%的尿素溶液送往真空浓缩器，蒸发汽液被真空系统抽走。由二段真空分离器分离下来的熔融尿素经熔融尿素泵送往造粒塔顶部喷头喷淋造粒，经造粒塔形成颗粒状成品尿素。

3.7 废水处理

来自真空系统的工艺冷凝器含有氨、二氧化碳和尿素，收集与工艺冷凝液储槽中，然后送往深度水解系统。

经水解系统的净化废水含氨和尿素小于5×10，换热冷却后送出尿素界区，再经离子交换树脂处理后可用作锅炉给水。

3.8 工艺指标

下表为氨气提尿素合成塔的参数指标：

表1 氨气提尿素合成塔参数表（表头放上面）

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四、生产工艺的相关计算

4.1 合成塔的物料衡算

液氨和二氧化碳直接合成尿素的总反应方程式为：

2NH3 (l)+ CO2 (g) 错误！未找到引用源。 CO(NH2)2(l) + H2O (l) ∆H=-

103.7kJ/mol

此反应可分为两步，方程式分别为：

2NH3 (l) + CO2 (g) 错误！未找到引用源。 NH4COONH2 (l) ∆H=-119.2

kJ/mol

NH4COONH2 (l) 错误！未找到引用源。 CO(NH2)2 (l) + H2O (l) ∆H=15.5kJ/mol

根据以上方程式计算已知进合成塔的成分：

设液氨的通入量为70kg/h，尿素的转化率为75%，甲铵的分解率为65%。

尿素的转化率（%）=

转化为尿素的CO2的物质的量

100%=75%

原料中CO2的物质的量

（175%）=5kg/h 合成塔出口的CO2的流量 wCO210020%

1815

6.136kg/h 44

3415

合成塔出口的氨的流量 WNH37058.409kg/h

44

6015

合成塔出口的尿素的流量 W尿素20.455kg/h

44786.14

合成塔出口的甲铵的流量 W甲铵（165%）9.312kg/

h

合成塔出口的水的流量 WH2O

4.2 合成塔的热量衡算

根据稳流物系热力学第一定律有：HQ,即系统与环境交换的热量等于系统的焓变。焓是状态函数，过程的焓变之取决于反应的初终态，而与变化途径无关。

假设原料由入塔状态变为出塔状态分两步完成，第一步液体组成不变，温度由入塔温度T1升至出塔温度T2,其焓变为H1；第二步在出塔温度T2下进行反应，液体组成发生变化，氨含量由xNH3,1变为xNH3，2，其焓变为H2。

H=H1+H2 H1=N1cpm,1(T2T1)

H2NNH3HR,2

N1xNH31xNH3,2

HR,2

不计合成塔散热损失H=0

1xNH3,2

xNH3HR,2

(T2T1)

cpm,11xNH3,2

xNH3HR,2

T2T1

cpm,11xNH3,2N1cpm,1(T2T1)

N1xNH3

HR,2

cpm,1——进合成塔液体在T1～T2之间的平均摩尔恒压热容，kJ/(kmolC)； HR,2——出合成塔温度T2时的反应热，kJ/kmol；

N1——进合成塔液体的物质的量，kmol/h； xNH3,2——进合成塔液体中液氨的摩尔分数。

假设进口温度为180℃，出口温度为230℃，查的cpm,1为0.67kJ/(kmolC)，

HR,2为80.8kJ/kmol.，代入公式得：

T2=229.66℃.满足计算精度的要求。

五、小结

通过对氨气提尿素生产工艺的学习和了解进行分析，可通过提高尿素合成塔的NH 3/CO 2比例来保证氨基甲酸铵转化成尿素的转化率达到75％，另外通过减少氨基甲酸铵的分解、回收工段中氨基甲酸铵的再循环以及缩小设备尺寸去降低了投资费用和运转费用，也可通过列管换热器的设计如冷热流体通道的选择，流体两端温度和温度差的确定来提高生产效率。

六、参考文献

[1] 李殿宝，《化工原理》，大连：大连理工大学出版社，2005.3 [2] 刘镜远，《合成氨和尿素》，第二版，北京：中国石油出版社，2005 [3] 郑广俭，张志华，《无机化工生产技术》北京：化学工业出版社，2002

致谢

在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师的悉心指导。老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。您渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。同时，此次毕业设计过程中我也学到许多有关氨气提尿素生产的知识。

另外，我还要特别感谢我的同学，他们在帮助我一起找资料等方面提供了很大的帮助，使我得以顺利完成论文。