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。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 purification, 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. Reactor 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 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 reference 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；Material 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(NH2)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1.335gcm3，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，但尾气中仍有176 kg氨。) Z& 4 u! ?9 H: L; d 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。/ j0 A% U6 E * i/ p5 $ M# r 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。) C; D- 3 Z% c# Q 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。; f& R) E e( s7 l3 _ 1986年我国尿素工业掀起了一个新的发展高潮，即众多的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。* |+ V, S1 ?3 p% B 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。9 . 6 AW; l2 Z/ c6 k 中型尿素装置经“七五”、“八五”、“九五”的发展，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。- s H6 3 E, q; x( w( u 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。& o3 Z: V. Y7 v4 q 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，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