水溶液全循环法尿素蒸发工段的工艺流程设计
引 言
我国是农业大国，在农业高速发展的今天，化肥行业也发展迅猛，在制造尿素中比较热门的方法有水循环法，水循环法制尿素适合中国现阶段国情，操作简单，造价低，现在这种方法发展比较完善，这片设计主要对水循环法制尿素有关尿素蒸发工段的工艺流程介绍，和设备的设计。我国的化肥产业自动化发展还不完善，小型化工化肥厂众多，鉴于以上原因，水溶液全循环法这个简单易装备的方法得到普遍应用，为我国化肥的生产制造提供了大量产品，本文主要介绍尿素的生产流程，对了解我国化工生产尿素非常有使用价值。仅供学
生学习和参考。
第1章 尿素发展概况和主要用途
1.1 尿素发展概况
尿素别名碳酰二胺、碳酰胺、脲 。是由碳、氮、氧和氢组成的有机化合物又称脲（与尿同音）。其化学公式为 CON2H4、CO(NH2)2或CN2H4O ，国际非专利药品名称为 Carbamide。外观是白色晶体或粉末。它是动物蛋白质代谢后的产物，通常用作植物的氮肥。尿素在肝合成，是哺乳类动物排出的体内含氮代谢物。这代谢过程称为尿素循环。尿素是第一种以人工合成无机物质而得到的有机化合物尿素大量存在于人类和哺乳动物的尿中, 是韦勒在1828年人工合成的第一种有机化合物, 从而打破了无机化合物和有机化合物的绝对界限。工业上由氨和二氧化碳制得。它有许多用途, 是含氮址较高的重要氮肥, 也可制成含氮和五氧化二磷炼制的脱蜡剂等。[3]
1.2 尿素的主要用途
尿素可以大量作为三聚氰胺、脲醛树酯、水合肼、四环素、苯巴比妥、咖啡因、还原棕BR 、酞青蓝B 、酞青蓝Bx 、味精等多种产品的生产原料。
一、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，使大年的花量适宜。
二、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、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 尿素可作为一种非蛋白氮饲料添加剂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、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、尿素铁肥
尿素以络合物的形式，与Fe2+形成螯合铁。这种 尿素可作为一种非蛋白氮饲料添加剂，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。
六. 因为尿素具有优异的溶解染料性能, 又有温和的还原性抗氧化性及极为优异的吸湿性, 所以在纺织工业上是优良的染料溶剂吸湿剂粘胶纤维膨化剂, 树脂整理剂, 有广泛的用途. [1]
第2章 尿素的物理化学性质
尿素的化学式：CO(NH2)2分子质量 60为无色或白色针状或棒状结晶体，工业或农业品为白色略带微红色固体颗机无臭无味。含氮量约为46.67%。密度
1．335gcm3。熔点132．7℃溶于水、醇，不溶于乙醚、氯仿。呈现弱碱性。
化学性质:可与酸作用生成盐。有水解作用。在高温下可进行缩合反应，生成缩二脲、缩三脲和三聚氰酸。加热至160℃分解，产生氨气同时变为氰酸。因为在人尿中含有这种物质，所以取名尿素。尿素含氮(N)46％，是固体氮肥中含氮量最高的。
生产方法：工业上用液氨和二氧化碳为原料，在高温高压条件下直接合成尿素。
化学反应如下： 2NH3+CO2→NH2COONH4→CO(NH2)2+H2O
尿素在酸、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，加热至150~160℃将脱氨成缩二脲。若迅速加热将脱氨而三聚成六元环化合物三聚氰酸。与乙酰氯或乙酸酐作用可生成乙酰脲与二乙酰脲。在乙醇钠作用下与丙二酸二乙酯反应生成丙二酰脲（又称巴比妥酸，因其有一定酸性）。在氨水等碱性催化剂作用下能与甲醛反应，缩聚成脲醛树脂。尿素易溶于水，在20℃时100毫升水中可溶解105克，水溶液呈中性反应。
尿素产品有两种。结晶尿素呈白色针状或棱柱状晶形，吸湿性强。粒状尿素为粒径1～2毫米的半透明粒子，外观光洁，吸湿性有明显改善。20℃时临界吸湿点为相对湿度80％，但30℃时，临界吸湿点降至72.5％，故尿素要避免在盛夏潮湿气候下敞开存放。目前在尿素生产中加入石蜡等疏水物质，其吸湿性大大下降。尿素是一种高浓度氮肥，属中性速效肥料，也可用于生产多种复合肥料。在土壤中不残留任何有害物质，长期施用没有不良影响。畜牧业可用作反刍动物的饲料。但在造粒中温度过高会产生少量缩二脲，又称双缩脲，对作物有抑制作用。我国规定肥料用尿素缩二脲含量应小于0.5％。缩二脲含量超过1％时，不能做种肥，苗肥和叶面肥，其他施用期的尿素含量也不宜过多或过于集中。
第3章 尿素生产工艺简介
3.1 尿素的合成
原料气二氧化碳由合成车间净化工段送来，在进入二氧化碳压缩机之前，为防止合成、循环系统的腐蚀，加入二氧化碳总量的百分之0.5（体积）的氧气，然后进二氧化碳压缩机，经五段压缩至20MPa ，温度 约125度进入尿素合成塔。
由氨库送来的液氨进入液氨缓冲罐，与中压循环系统回收的液氨汇合后，其中一部分作为一段吸收塔回流，其余液氨进入高压氨泵加压到20MPa ，经氨预热器预热到55~55度进入合成塔。
从一段吸收塔来的温度88~92度的氨基甲酸铵溶液，经一段甲铵泵加压到20MPa 进入合成塔，合成塔操作压力为19.5±0.5MPa ，温度为188±2度，在合成塔内有62~63%的二氧化碳转化为尿素。[4]
3.2 水溶液全循环工艺
水溶液全循环工艺虽属60年代技术水平，但由于我国尿素工艺研究和工业生产发展过程中均以该工艺为主，因此积累了工艺设计、设备制造、操作技术和生产管理的丰富经验，为小氮肥厂改产尿素提供了丰富技术，使小尿素装置投产以后即能稳定运行。小尿素装置发展迅速，是适合我国国情的，充分发挥了原小氮肥厂的优势。
引进时的传统工艺在中压分解前设置预分离器，以减轻一段分解加热器的负荷，出预分离器的气相单独进入一吸塔。一段分解气(160℃) 中含有较高的水蒸气分压，通过一蒸加热器热利用段后进入一吸塔，一甲液返回合成塔，使入塔H 2OCO 2分子比较高(0.70~0.75) ,合成塔CO 2转化率在63％。此工艺的主要缺
点是甲铵生成热没有充分利用，而在一段分解未反应物时却需耗用大量蒸汽，吸收时又用大量冷却水加以冷却，一吨尿素消耗蒸汽设计值为1.7吨(负荷高时，实耗1.5吨) ，吨尿素汽耗比气提法工艺高0.6~0.7吨。
第4章 蒸发技术研究
4.1 应用范围
蒸发是重要的化工单元操作之一，它在工业生产中的应用十分广泛。蒸发操作可在加压、常压、真空下进行。为了保证产品生产过程的系统压力，则蒸发需要在加压状态下操作; 对于热敏性物料，为了保证产品质量，在较低温度下浓缩，则需要采用真空操作以降低溶液沸点; 若要回收利用低位热能，采用真空操作也是有利的，因为在真空下热源与被蒸发溶液间的温度差比常压下增大，从而加速了热量传递过程。但由于沸点低，溶液的粘度也相应增大，而且设置真空发生系统，也需要增加设备和动力。因此，一般无特殊要求的溶液，采用常压蒸发是最佳的。
4.2 蒸发器的设计原则
蒸发器是一个大的热能消耗装置，由于能源价格不断地提高。因此，在系统工程中以及蒸发装置本身，如何降低能耗，有效地利用各种余热更加重要。
多效蒸发依然是研究的重点，其最佳化参数有:效数、温度差、浓度比、年经营效用和总传热面积等。
蒸发器的结构型式种类繁多，应结合具体的蒸发任务来加以选择。首先，必须考虑的因素是溶液的物化性质，确保蒸发浓缩产品的质量。被蒸发的溶液均具有一定的特性，包括组成、粘性、热敏性、发泡性、腐蚀性，以及在蒸发过程中是否易结晶、结垢，是否含有固体悬浮物等。这些性质对蒸发器的造型起着至关重要的作用。如对于高浓度的溶液不适宜于采用升膜式蒸发器，因为其二次蒸汽流速不够，从而难以形成良好的传热膜；高粘度的溶液因流动性差，则可选择刮板薄膜式蒸发器或强制循环蒸发器; 热敏性的溶液易分解、异构、缩聚等，应选择储液量少、停留时间短的膜式蒸发器；有结晶或易结垢的溶液一般应选用强制循环式或外加热式以避免结晶物附着管壁或结垢:易发泡的溶液不宜在真空下蒸发，同时应选用升膜式、强制循环式或外加热式等破泡能力强的蒸发器。当几种型式的蒸发器均能适应溶液性质时，可结合经济性和可行性确定。其次，传热效果是选用和设计蒸发器应考虑的重要问题，蒸发器所需传热面积的大小，决定着设备费用，在相同的额定生产负荷下，良好的传热效果可节约投资，而在设各面积一定的条件下又可提高生产能力。[2]刘家琪，《分离过程》
为尽量缩短蒸发加热时间，减少尿液蒸发过程中副反应的发生，本设计的一段，二段蒸发器都选用升膜蒸发器进行蒸发。
4.3 蒸发操作的流程
蒸发是采用加热的方法，使含有不挥发性杂质（如盐类）的溶液沸腾，除去其中被汽化单位部分杂质，使溶液得以浓缩的单元操作过程。
蒸发操作广泛用于浓缩各种不挥发性物质的水溶液，是化工、医药、食品等工业中较为常见的单元操作。化工生产中蒸发主要用于以下几种目的：
① 获得浓缩的溶液产品；
② 将溶液蒸发增浓后，冷却结晶，用以获得固体产品，如烧碱、抗生素、糖等产品；
③ 脱除杂质，获得纯净的溶剂或半成品，如海水淡化。进行蒸发操作的设备叫做蒸发器。
蒸发器内要有足够的加热面积，使溶液受热沸腾。溶液在蒸发器内因各处密度的差异而形成某种循环流动，被浓缩到规定浓度后排出蒸发器外。蒸发器内备有足够的分离空间，以除去汽化的蒸汽夹带的雾沫和液滴，或装有适当形式的除沫器以除去液沫，排出的蒸汽如不再利用，应将其在冷凝器中加以冷凝。
蒸发过程中经常采用饱和蒸汽间壁加热的方法，通常把作热源用的蒸汽称做一次蒸汽，从溶液蒸发出来的蒸汽叫做二次蒸汽。[13]
4.4 蒸发操作的分类
按操作的方式可以分为间歇式和连续式，工业上大多数蒸发过程为连续稳定操作的过程。
按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发，若产生的二次蒸汽不加利用，直接经冷凝器冷凝后排出，这种操作称为单效蒸发。若把二次蒸汽引至另一操作压力较低的蒸发器作为加热蒸气，并把若干个蒸发器串联组合使用，这种操作称为多效蒸发。多效蒸发中，二次蒸汽的潜热得到了较为充分的利用，提高了加热蒸汽的利用率。
按操作压力可以分为常压、加压或减压蒸发。真空蒸发有许多优点：
① 在低压下操作，溶液沸点较低，有利于提高蒸发的传热温度差，减小蒸发器的传热面积；
② 可以利用低压蒸气作为加热剂；
③ 有利于对热敏性物料的蒸发；
④ 操作温度低，热损失较小。
在加压蒸发中，所得到的二次蒸气温度较高，可作为下一效的加热蒸气加以利用。因此，单效蒸发多为真空蒸发；多效蒸发的前效为加压或常压操作，而后效则在真空下操作。
4.5 蒸发操作的特点
从上述对蒸发过程的简单介绍可知，常见的蒸发时间壁两侧分别为蒸气冷凝和液体沸腾的传热过程，蒸发器也就是一种换热器。但和一般的传热过程相比，蒸发操作又有如下特点 :
① 沸点升高 蒸发的溶液中含有不挥发性的溶质，在港台压力下溶液的蒸气压较同温度下纯溶剂的蒸气压低，使溶液的沸点高于纯溶液的沸点，这种现象称
为溶液沸点的升高。在加热蒸气温度一定的情况下，蒸发溶液时的传热温差必定小于加热唇溶剂的纯热温差，而且溶液的浓度越高，这种影响也越显著。 ② 物料的工艺特性 蒸发的溶液本身具有某些特性，例如有些物料在浓缩时可能析出晶体，或易于结垢；有些则具有较大的黏度或较强的腐蚀性等。如何根据物料的特性和工艺要求，选择适宜的蒸发流程和设备是蒸发操作彼此必须要考虑的问题。
③ 节约能源 蒸发时汽化的溶剂量较大，需要消耗较大的加热蒸气。如何充分利用热量，提高加热蒸气的利用率是蒸发操作要考虑的另一个问题。
第5章 蒸发系统物料衡算
5.1计算依据
① 规模：20万吨年。
② 年操作时间：8000小时，三班连续生产。
③ 理论产量：20万吨年 = 22831 kg = 117根，列管φ25×2.5 ，长 = 2000 mm
③ 传热面积： 25 m2
④ 传热系数： 800
7.2二段蒸发器设计选型
7.2.1已知条件
① 操作压力： P = 0.034 kgcm2 （绝）
② 操作温度：进入物料 ：
出料温度：
③ 加热蒸汽条件
压力：P=12.5大气压（绝）
温度：
④ 冷凝温度：
冷凝潜热：
⑤ 热负荷：
⑥ 物料平衡数据
进一段加热器尿液浓度： 96％
出一段加热器尿液浓度： 99.7％
⑦ 加热蒸汽用量：
加热蒸汽质量流量：149138.9 ÷ 475 = 313.98 kg = 51根，列管φ25×2.5 ，长 = 2000 mm
③ 传热面积：10 m2
④ 传热系数：800 kcal(m2·h ·℃)
结论
本次的设计的完成是在指导老师的悉心指导和关注下完成的，通过参与这次的毕业设计锻炼我对化工计算、绘图、编辑设计文件、使用规范化手册等基本工作实际能力。
蒸发工艺主要运用于大量的化工产品浓缩过程，例如，芒硝，食盐，药品等等。蒸发的过程包含了浓缩，结晶，传热，传质等过程。通过本次毕业设计，让我了解了蒸发工艺的初步设计，以及传质，传热等过程。让我拥有了比较清晰的设计思路，这对于以后我接触有关蒸发，传热等过程的工艺有极大的帮助。
由于这是初次设计，所以有很多错误和考虑不足的地方；但是通过设计，让我深入的理解了课本知识，树立了科学的设计思路，通过以后在实际中的锻炼，我一定可以做到更好。
参 考 文 献
[1] 郭树才，化肥工学从书[M] ．北京：化学工业出版社，2001.
[2] 刘家琪，分离过程[M] 北京：化学工业出版社，2002.4.
[3] 袁翰青，庄礼文．《化学重要史实》[M]．北京：人民教育出版社，1989.
[4]《大化肥基础教材-尿素》[M] ．四川天然气化工厂，1991.
[5] 大氮肥科技情报站．大氮肥信息[J]．2001.
[6] 陈敏恒，丛德兹等. 化工原理(上、下册)(第二版). 北京：化学工业出版社，2000.
[7] 大连理工大学化工原理教研室. 化工原理课程设计. 大连：大连理工大学出版社，1994.
[8] 柴诚敬，刘国维，李阿娜. 化工原理课程设计. 天津：天津科学技术出版社，1995.
[9] 时钧，汪家鼎等. 化学工程手册，北京：化学工业出版社，1996年.
[10] 上海医药设计院. 化工工艺设计手册(上、下). 北京：化学工业出版社，1986.