1、 年产 35 万吨尿素化工厂的设计 摘 要 尿素在工 业上是由 NH3与 CO2直 接合成的。 本设计 为 ACES 法年产 35 万吨尿素化工厂设计 ，其合成温度为 190，合成压力为 17.1MPa， 主要包括合成、分离及结晶造粒三个主要工序。 设计 内容 主要 包括整个尿素生产过程的工艺设计，合成工段和造粒工段的物料衡算、热量衡算及设备选型，工厂布置设计。主要设计图包括尿素生产工艺流程图、车间剖面图、车间平面图及全厂布置图。 关键词： 尿素 ， ACES， 物料衡算，热量衡算，设备选型 Chemical Plant Design of 350,000 tons Carbamide per
2、 year by ACES ABSTRACT Carbamide is directly synthesized by NH3 and CO2 in the industry.This indication is to design for a chemical factory, which is synthesizing 350,000t Carbamide per Year by ACES,the synthesis temperature for 190 degrees ang composite pressure for 17.1 MPa. including synthesis,se
3、paration and crystallization of the three main granulation processes. The design content mainly includes the entire process of carbamide production process design,synthesis and granulation Section of the material balance and heat balance selection of equipment， factory layout design. Design plans in
4、clude major urea production process maps,profiles workshop,workshop floor plan and plant layout. KEY WORDS： ACES, Carbamide, Material balance , Heat balance ,Equipment type 目 录 摘 要 . I ABSRACT . II 1 绪论 . 1 1.1 项目依据 . 1 1.1.1 尿素的性质 . 1 1.1.2 尿素的用途 . 1 1.1.3 我国尿素产业概况 . 2 1.2 设计原则 . 2 1.3 设计任务 . 2 1.4
5、 厂制概况 . 3 1.4.1 工厂组织制度 . 3 1.4.2 人员配备 . 3 1.5 厂址选择 . 3 1.5.1 建厂依据 . 3 1.5.2 指导方针 . 4 1.5.3 选厂经过 . 4 1.6 环境保护及废物处理 . 4 1.7 原材料及产品的技术规格 . 4 1.7.1 原材料的技术规格 . 4 1.7.2 产品的技术规格 . 4 1.8 装置危险性物料主要物性 . 5 2 工艺设计 . 6 2.1 工 艺流程设计的重要性 . 6 2.2 工艺流程设计的原则 . 6 2.3 工艺流程选择 . 6 3 工艺计算和设备选型 . 8 3.1 物料衡算和热量衡算 . 8 3.1.1 设
6、计条件的确定 . 9 3.1.2 CO2 压缩系统 . 10 3.1.3 合成塔 . 12 3.1.4 洗涤器 . 16 3.1.5 汽提塔 . 17 3.1.6 高压分解器 . 20 3.1.7 低压分解器 . 24 3.1.8 真空浓缩器（一段蒸发） . 27 3.1.9 最终浓缩器（二段蒸发） . 32 3.1.10 表面冷凝器 . 35 3.1.11 洗涤塔 . 37 3.1.12 工艺冷凝汽提塔 . 38 3.1.13 低压吸收器 . 41 3.1.14 高压吸收器 . 43 3.1.15 洗涤器 . 45 3.1.16 甲铵冷凝器 . 48 4 设备选型 . 52 4.1 合成塔
7、. 52 4.2 汽提塔 . 52 4.3 甲铵冷凝器 . 55 4.4 高压分解器 . 56 4.5 真空浓缩器（下部） . 58 4.6 高压吸收器 . 60 4.7 造粒塔 . 62 4.2 设备型号一览表 . 63 4.2.1 设备选型的总体原则 . 63 4.2.2 塔的选择 . 63 4.2.3 泵和容器的选择 . 63 4.2.4 冷凝器、再沸器的选择 . 63 5 全厂总平面设计 . 66 5.1 总平面设计任务和步骤 . 66 5.1.1 总平面设计任务 . 66 5.1.2 工厂组织 . 66 5.2 总平面设计原则 . 66 5.3 总平面布置论述 . 67 6 设计结果
8、 . 69 6.1 设计成果 . 69 6.2 关键设备一览表 . 69 总 结 . 71 致 谢 . 72 参 考 文 献 . 73 年产 35 万吨尿素化工厂设计 1 1 绪论 1.1 项目依据 1.1.1 尿素的性质 尿素学名为碳酰二胺，化学式为 CO(NH2)2，相对分子质量为 60.06，含量为 46.65% 结构式为 H2N C NH2O。 尿素 是 碳、氢、氧、氮元素组成的有机化合物，因尿素这种物质首先 发现于人及哺乳动物的尿液中，故称之为尿素。纯净的尿素在室温下是无色、无味、无臭的针状晶体，在一定条件下也呈斜方棱柱结晶状。易溶于水和液氨，同时也溶于甲醇、乙醇、甘油，不溶于乙醚和
9、氯仿。其在水或液氨中的溶解度均随温度的升高而增加。尿素的熔点为132.7 ，比重为 1.335g/cm3,导热系数为 79.91W/（ m ），临界温度为 102.3 1。 常温常压下，固体尿素比较稳定，受热升华转变为同分异构物氰酸铵 CNONH4 。熔融态尿素在高温下缓慢放出 3NH 而缩合成多种化合物，其中，主要的是生成缩二脲22CONHCONHNH ，缩二脲为固体结晶，熔点 190 ，难溶于水。 尿素是目前使用的固体氮肥中含氮量最高的化学肥料。尿素的含氮量为硝酸铵的1.3 倍，氯化铵的 1.8 倍，硫酸铵的 2.2 倍，石灰氮的 2.3 倍，碳酸氢铵的 2.6 倍，以单位氮为基准，尿素的
10、的生产、运输、储存和施用费用最低的。尿素是一种良好的中性肥料，不含酸根，适用于各种土壤和各种农作物，它既可以作基肥，也可以作追肥，可以干施又可以湿施。 对作物根部和叶面都可以施用，还能与其他化学肥料混合施用。尿素在施用过程中，不会在土壤中留下有害物质。尿素分子中的氮元素被作物吸收时，分解释放出的二氧化碳还会促使作物进行光合作用，所以，长期使用尿素不会使土壤板结或变质。 固体尿素易吸湿，随温度升高和相对湿度增大而吸湿性增大，故尿素产品应密闭包装，在运输、储存和施用时，应注意防止尿素吸湿潮解。 1.1.2 尿素的用途 尿素的用途很广泛，在农业和工业上都有很多应用。 尿素可用作反刍动物 (如牛，羊等
11、 )饲料的非蛋白氮添加剂。尿素在反刍动物胃中微生物的作用下将尿素所 含的氮元素提供于合成蛋白质、使肉、奶增产。仅限于用作反刍动物的饲料生产，按蛋白质的价值比较， 1kg 尿素的含氮量等于 2.62.8kg，蛋白质的含氮量，约等于 5kg 豆饼或 22 25kg 大麦 的含氮量。 尿素在工业上的用途也很广泛，在有机合成工业中，尿素主要用作合成高分子聚合物的原料，如用于生产合成脲醛树脂，有机玻璃等。在医药工业中，纯尿素可用作利尿 陕西科技大学毕业设计说明书 2 剂 ，生产制药原料氨基甲酸乙酯，以及用于生产安眠药、镇静剂、麻醉剂、甜味剂等的原料。在石油工业中，尿素用来制造化学配合物，用作石油精炼过程
12、的脱脂剂。在合成纤维中，尿 素是合成纤维 尤纶的原料，尿素还可以用于纺织品的人工防皱和麻纱处理的软化剂。在国防工业中，尿素用作炸药的稳定剂 ;在选矿中用作起泡剂；在制革、颜料、涂料、油漆、染料、摄影显影剂及日用化工产品生产中也都要使用尿素 。 1.1.3 我国尿素产业概况 据统计， 2007 年至 2009 年尿素生产国主要集中在亚洲地区。 2009 年，中国、西亚、印度共生产尿素 8820.76 万吨，占世界产量的 71%，其中中国产量为 5704.65 万吨，为世界最大的尿素生产国，占世界总产量的 46%。 2009 年全球尿素产能 1.708 亿吨，产量为 1.517 亿吨。在我国， 2
13、009 年新增尿素产能约 500 万吨，总产能接近 6400 万吨 2009年产量为 5705 万吨，消费量为 5365 万吨。 2010 年，由于节能减排企业限产，尿素产量出现多年来首次下滑，而 2011 年产量同比有所增加，但任未超过 2009 年的产量。截止2011 年底，中国尿素产能已达 7100 万吨。在 2012 年 1 月至 11 月中国尿素产量为 2797万吨。 2013 年前 11 个月国内尿素产量达到 6684 万吨，同比增长 8.4%。由此，可以看出尿素这种巨大的产能化产品对我国经济的影响。对于这种大需求量产品，在我国具有较广阔的 市场前景。 目前在国际市场上，尿素产品通
14、常以大颗粒形式销售，国内绝大多数生产企业生产的尿素颗粒较小、均匀度差，具有粘连现象，严重影响产品的外观质量，产品在包装，运输及储存过程中还易吸结块，直接影响产品的销售和施用时肥效的发挥。因此，改产大颗粒尿素，开拓市场，提高工厂经济效益具有重大意义。相比之下，我国氮肥产量虽居世界第一位，但目前我国尿素产品大多为喷淋造粒。大颗粒尿素生产所占比重极小，尽快发展我国的大颗粒尿素技术并进行规模化生产有着深远意义。 因此可以预测尿素在国内都具有良好的市场前景。 1.2 设计原则 （ 1）遵 守法则，法规，贯彻党的基本建设方针，实事求是，因地制宜 ； （ 2）合 理利用国家资源和财产，最大限度的发挥硬件设施
15、的内在潜力，节约土地，减少投资，降低成本； （ 3）采 用成熟先进的工艺流程 及 设备，学习先进的生产技术，努力实现自动化 、 现代化 ， 提高产品的科技含量； （ 4） 轻化工业产品批量小、品种多的特点，努力做到 “一钱多用，一钱多能 ”， 使 本厂具有较强的市场适应力 ；尽 可能创造良好的劳动条件，以利于劳动工人的身心健康 。 1.3 设计任务 本设计 主 要 进行了工艺流程选择、物料衡算，能量衡算，主要设备选型 、 画出工年产 35 万吨尿素化工厂设计 3 艺流程 图并绘制了全厂平面布置图、主要车间的平面图和立面图。 1.4 厂制概况 1.4.1 工厂组织制度 本厂职工按工作性质分为：生
16、产性人员和非生产性人员。生产人员占全长职工的60左右，非生产人员占全厂人员的 40左右，在非生产性人员中： 38为科研人员（兼职行政人员）， 6为保安人员 ，其余 为勤杂人员。 本厂采用连续工作制，为 4 班倒制， 法定假日和星期假日采用轮换倒班制度： 工作日 =365设备维修日节假日 =365 15 30 =320(天 ) 1.4.2 人员配备 表 1-1 人员配备 序号 岗位名称 每日班次 周工作天数 单班人数 在册人数 1 门卫 3 7 6 12 2 劳司 2 6 1 2 3 食堂 2 7 3 6 4 成品库 3 7 2 6 5 锅炉房 3 7 3 9 6 配电所 3 7 1 3 7 一
17、车间 3 6 3 10 8 二车间 3 6 3 10 9 三车间 3 6 3 9 10 技术员 1 6 4 6 11 车间管理员 1 6 2 4 总计 31 77 1.5 厂址选择 1.5.1 建厂依据 根据各行业发展的需求，以及国际市场的需求，经政府有关部门的批准，新建厂的厂 址拟选在西北地区。 新建厂的主要原料，主要来自合成氨车间的二氧化碳和氨水，经再次处理而达到生产原料要求。 该地区全年平均温度 10 ，主导风向为 东 风向，风力变化不大，全年平均 3-4 级。本厂的所有经济活动必将得到政府的全力支持，并且缓解局部地区尿素需求紧张的压陕西科技大学毕业设计说明书 4 力，及降低了尿素在该地
18、区出现价格浮动的可能性 ，为 促进经济的稳定性发展。 1.5.2 指导方针 （ 1）遵守国家的政策规定； （ 2）符合城市规划和工业布局； （ 3）利于生产，便于生活； （ 4）对环境不会造成威胁； （ 5）合理利用资源； （ 6）节 约投资，留 有余地。 1.5.3 选厂经过 厂址选择工作组（又设计部门与工业局主管组成）依据省市委指示，经过多方磋商，考虑到地势、交通、协作等问题，作为大型尿素生产产地，厂址定在 甘肃省兰州市 。 主要理由如下： （ 1）工业布局符合安全环境保护要求，地势平整，减少了三通一平的工作量，且排水良好； （ 2）有充足的原料；有可靠的供电网，输、供电系统； （ 3）厂
19、址附近有充足的劳动力资源，有充足的施工力量、建筑材料供应，有充足的施 工、设备组装、堆放场地。 1.6 环境保护及废物处理 随着世界特别是我国环境的明显恶化，国民的环境保护 意识逐步提高，为了我们生存环境，为了我们自己，为了我们的子孙后代，必须保护环境。对污染源、废水、废气、废渣、噪音粉尘烟等的具体防止和处理方法主要依据环境保护法及相应的可行性研究、环保报告和初审意见来确定。 1.7 原材料及产品的技术规格 1.7.1 原材料的技术规格 （ 1）液 氨 优等品 氨 99.9wt.% 水 0.1wt.% 油 10ppm 惰气含量 0.050wt.% （ 2）二氧 化碳 CO2 98.5vol.%
20、 惰气含量 1.5vol.% 甲醇 250ppm 总硫 3.5ppm 1.7.2 产品的技术规格 尿素 优等品 年产 35 万吨尿素化工厂设计 5 总氮 46.5wt.% 缩二脲 0.8wt.% 水分 0.2wt.% 1.8 装置危险性物料主要物性 表 1-2 装置危险性物料主要物性 物质 分子 熔点 沸点 闪点 自然温度 爆炸 毒性 火险 爆炸 国家卫生 名称 量 （ ） （ ） （ ） （ ） 极限 程度 分类 级组 标准 mg/m3 氨 17.03 -77.7 -33.5 / 651 27.4 级 乙 AT2 30 陕西科技大学毕业设计说明书 6 2 工艺设计 2.1 工艺流程设计的重要
21、性 （ 1）工 艺流程设计是工艺设计的基础。工艺流程设计是工厂设计中最主要的内容，是工艺设计的核心。因为工艺流程设计的质量直接决定车间的生产产品质量、生产能力、操作条件、安全生产、三废治理、经济效益等一系列根本性问题。 （ 2） 工艺流程设计是物料衡算、设备选型的基础。从哲学角度来 说，工艺流程设计是定性分析工作阶段，物料衡算是定量计算阶段。一般来说，先定性后定量，所以，工艺流程设计是物料衡算的前提和基础。 2.2 工艺流程设计的原则 （ 1）先 进性 工艺流程的先进性从两个方面考虑：一方面是技术的先进；一方面是经济上的合理。两方面同等重要，缺一不可。 （ 2）可 靠性 所设计的工艺流程必须可
22、靠即经过实验室、工业小试、中试，证明技术是成熟的，生产安全可靠，才可以设计选用。 （ 3）结 合国情，因地制宜 工艺流程的选择从技术角度来说，应尽量采用新工艺、新技术，单从具体情况考虑，并不必选择国外的先进的 技术。因为国外的技术往往价格较高，技术保密性强，没有实用价值。所以，结合实际，选择自己易于掌握和改进的技术要方便、实用。 2.3 工艺流程选择 目前世界上具有竞争力的尿素生产工艺主要有：荷兰斯塔米卡邦公司的二氧化碳气提工艺，日本东洋公司的 ACES 工艺，意大利斯纳姆公司的氨气提工艺，意大利蒙特 -爱迪生公司的等压双气提工艺（简称 IDR 法）和美国 UTI 的热循环工艺。以上工艺大都采用了气提技术，大幅度的降低了水、电、汽的消耗，代表了目前大型尿素装置工艺技术的最新水平。 本设计采用 ACES 工艺流程生产尿素。 ACES 工艺流程主要包括：二氧化碳压缩 ,液氨升压 ,合成和气提 ,分解和浓缩，造粒及回收等工序。 工艺流程： ACES 工艺是将 液态合成氨通过液氨泵加入尿素合成塔，另一原料CO2 气由 CO2 压缩机压缩 到 18.2MPa(表压 )送入汽提塔。合成塔出口液 (包含有尿素、氨基甲酸铵、过量氨和水 )流入汽提塔，在汽提塔中，所有未转化物料，均在蒸汽加热和 CO2 气提的联合作用下从合成液中分离出来，而合成液呈薄膜状附着在管壁上穿过塔
