年产20万吨尿素生产工艺设计

年产20万吨尿素生产工艺设计摘要尿素是一种重要化学肥料和工业原料，自从1922年尿素开始工业化生产以来，许多国家都致力于尿素生产的研究，在合成机理、热力学性质和工艺流程等各方面都有创新和突破。尿素生产工艺是比拟典型化工生产工艺之一。尿素生产工艺主要有水溶液全循环法，二氧化碳气提法，氨气气提法。本文介绍尿素生产工艺的根本概况，水溶液全循环法尿素生产工艺流程及特点，从尿素生产的热力学参数入手，对尿素的生产流程进行研究设计，以帮助指导尿素工业生产。论文主要内容有：〔1〕阐述对尿素生成研究概况，分析现存工艺流程的优缺点，建立适宜的工艺流程；〔2〕根据选择的工艺流程，以尿素生产和消耗为目标，进行了物料衡算和热量衡算。同时对生产系统关键性设备进行设计和选型；〔3〕根据设计数据，运用AutoCAD绘制工艺流程图和主要设备装置图。关键词:尿素生产；水溶液全循环；热量衡算；物料衡算；设备选型Ureaproductionprocessdesignof200,000tperyearAbstractUreaisakindofimportantchemicalfertilizersandindustrialrawmaterial,ureatoindustrializedproductionsince1922,manycountriesarecommittedtotheresearchofureaproduction,thesynthesismechanism,thermodynamicpropertiesandtechnologicalprocessinmanyaspectssuchasinnovationandbreakthrough.Ureaproductiontechnologyisoneofthetypicalchemicalproductionprocess.Ureaproductiontechnologymainlywithaqueoussolutiontotalcirculationmethod,carbondioxidegas,ammoniagas.Thispaperintroducesthebasicsituationoftheureaproductionprocess,theaqueoussolutiontotalcyclemethodoftheureaproductionprocessandcharacteristics,fromthethermodynamicsparametersofureaproduction,theproductionprocessofureatostudydesign,tohelpguidetheureaproduction.Papermaincontentsare:(1)inthispaper,thegeneralresearchsituationofurea,analysistheadvantagesanddisadvantagesoftheexistingtechnologicalprocess,establishpropertechnologicalprocess;(2)accordingtotheselectionprocess,withureaproductionandconsumptionasthegoal,thematerialbalanceandheatbalance.Fortheproductionsystemkeyequipmentdesignandselection;(3)accordingtothedesigndata,theuseofAutoCADdrawingprocessflowdiagramandmainequipmentinstallationdrawing.Keywords:ureaproduction;circulationoftheaqueoussolution;heatbalance;materialbalance;equipmentselection目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1尿素的物化性质及用途1尿素物理性质1尿素化学性质1尿素用途11.2尿素开展的简述21.3国内外尿素技术市场的简况21.4尿素生产方法简介3水溶液全循环法3二氧化碳气提法41.5本课题意义和内容51.5.1课题意义5课题内容5第2章水溶液全循环法工艺流程62.1尿素的合成62.2尿素的工艺流程6水溶液全循环法合成尿素工艺流程简图6工艺流程72.3主要的工艺条件82.4生产组织制度102.5本章小结10第3章物料衡算113.1物料衡算计算条件确定113.2水溶液全循环法流程物料衡算143.2.1压缩系统物料衡算143.2.2合成系统物料衡算153.2.3一段分解系统物料衡算173.2.4二段分解系统物料衡算20一段蒸发系统物料衡算213.2.6二段蒸发系统物料衡算24吸收—解吸系统物料衡算263.2.8二段吸收系统物料衡算28一段吸收系统物料衡算313.3本章小结32第4章热量衡算344.1合成塔热量衡算344.1.1合成塔工艺条件344.1.2合成塔热量计算方34合成塔热量计算364.1.4合成塔热量平衡表384.2预别离器热量衡算384.2.1预别离器工艺条件384.2.2预别离器热量计算394.2.3预别离器热量平衡表424.3一段分解塔热量衡算424.3.1一段分解塔工艺条件424.3.2一段分解塔热量计算434.3.3一段分解塔热平衡表454.4一段吸收塔热量衡算454.4.1一段吸收塔工艺条件454.4.2一段吸收塔热量计算464.4.3一段吸收塔热量平衡表494.5一段蒸发器热量衡算494.5.1一段蒸发器工艺条件494.5.2一段蒸发器热量计算504.5.3一段蒸发器热量平衡表524.6一段蒸发外表冷凝器热量衡算524.6.1一段蒸发外表冷凝器的工艺条件524.6.2一段蒸发外表冷凝器的热量计算534.6.3一段蒸发外表冷凝器热量平衡表544.7尾气吸收塔热量衡算544.7.1尾气吸收塔工艺条件544.7.2尾气吸收塔热量计算544.7.3尾气吸收塔热量平衡表554.8解吸塔热量衡算554.8.1解吸塔工艺条件55解吸塔热量计算564.8.3解吸塔热量平衡表574.9本章小结57第5章主要工艺设备计算595.1一段分解塔别离器工艺尺寸设计595.1.1一段分解塔别离器的工艺条件595.1.2一段分解塔别离器的工艺尺寸计算595.2一段吸收塔工艺尺寸设计605.2.1一段吸收塔的工艺条件605.2.2一段吸收塔的工艺尺寸计算605.3氨冷凝器工艺尺寸设计68氨冷凝器工艺条件685.3.2氨冷凝器工艺尺寸计算695.4本章小结73结论74致谢75参考文献76绪论尿素物理化学性质和用途尿素物理性质化学式：CO(NH2)2，分子质量60.06，CO(NH2)2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粒，无臭无味。含氮量约为46.67%。密度1.335g/cm3。熔点132.7℃。溶于水、醇，不溶于乙醚、氯仿。呈弱碱性。尿素较易吸湿，贮存要注意防潮。尿素易溶于水和液氨，其溶解度随温度升高而增大。尿素化学性质尿素呈微碱性，与酸作用生成盐。尿素不能使一般指示剂变色。在酸性或中性溶液中尿素具有水解作用，而在60℃以下，尿素不发生水解作用。随着温度的升高，水解速度会加快，水解程度也会增大。尿素高温下可进行缩合反响，生成缩二脲、缩三脲和三聚氰酸。在氨水等碱性催化剂作用下能和甲醛反响，缩聚成脲醛树脂。尿素的用途尿素的主要用途：作为化肥、作为饲料或作为其它工业用。作化肥用尿素是种高浓度氮肥，属中性速效肥料，同样可用来生产多种复合肥料。在土壤中不会残留任何有害物质，没有不良影响，但温度过高会产生少量的缩二脲，又称双缩脲，对作物有一定抑制作用。尿素还是有机态氮肥，在土壤中有脲酶作用，水解成碳酸铵或碳酸氢铵之后，才能被作物吸收并利用。所以，尿素在作物的需肥期前一个星期施用。尿素属中性速效肥料，长期施用也不会使土壤发生板结。分解并释放出的CO2可被作物吸收，促进植物的光合作用。在土壤中，尿素能增进磷、钾和镁的有效性，且施入土壤后无残存废物。作饲料用尿素中氮虽不是蛋白质形态的，但和碳水化合物一起经过在胃液的作用下，可以造成蛋白质而形态氮，因此可作为反雏动物的饲料。其它工业用据统计，全世界尿素作为工业原料在总产量中占很大比重。主要有脲醛树脂、塑料、油漆、和胶黏剂等，尿素缩合物三聚氰胺是种较好的涂料。尿素还可用作巴比妥、洁齿剂和利尿剂等药物原料。此外，尿素可用作石油精制剂、纤维软化剂、炸药稳定剂等。尿素开展简述1773年，Rouelle首先在尿液中发现了尿素。1828年，Woehler将氨和氰酸合成为尿素，开辟了以无机物合成有机物的先河。20世纪30年代，世界上首先以一次通过法实现尿素的工业化生产。40年代中，改进为局部循环法工艺；50年代末，实现水溶液全循环法工艺的工业化生产。之后，陆续出现各种水溶液全循环法工艺。60年代期间，建立起日产1000吨以上的单系列大型化装置。1967年，荷兰Snamprogetti工程公司率先开发成功高压等压气提工艺，以CO2气作为气提剂在日产220吨装置上实现了工业化上产。随之意大利Snamprogetti工程公司开发成功氨气提工艺，日产300吨装置投入生产，CO2气提法工艺在1968年、氨气提工艺在1971年分别建成1000吨/天以上单系列大型化装置。80年代初，为了进一步降低能耗，又推出了多种节能型高压气提工艺，如改进CO2气提工艺，改进氨自身气提工艺，意大利Montedison公司开发的IDR(IsobaricDoubleRecycle)工艺，日本ToyoEngineeringCorp.与MitsuiToatsuChemicalsInc.联合开发的ACES(AdvancedProcessforCostandEnergySaving)工艺等。以尿素生产工艺的开展历史而言，实现全循环是一次工艺技术的飞跃；它割掉了尾气氨加工制造其他氮肥的硕大尾巴；而实现高压合成圈等压气提回收那么是尿素工艺技术的又一次飞跃，在高压圈内回收了大量的未反响物，从而大幅度减轻下游分解及回收的负荷，而且回收了用于别离未反响物所耗的热量，用来副产低压蒸汽以用于下游工序，至于节能型尿素工艺的问世，只能视为尿素气提工艺经过十几年实践经验的积累，作出了较为重大的合理化改造，使氨基甲酸铵生成热更合理的回收利用，较大幅度地降低能耗，工艺技术更趋成熟，装置运转稳定可靠。国内外尿素技术市场简况目前在世界尿素工业界认为较先进的是三大尿素专利公司的技术，它们是Snamprogetti公司的氨自身气提工艺、TEC-MTC公司的ACES工艺、Stamicarbon公司的气提工艺。到目前为止，全世界已建成及在建的尿素装置总数达450套，总生产能力为301800吨/天。其中采用三大尿素专利公司的工艺技术建造的有348套，总生产能力占世界总能力的90%，采用最多的Stamicarbon公司工艺，有196套，总生产能力占全世界的44.4%；其次为Snamprogetti公司工艺，有68套，总生产能力占25.6%；再次之是TEC-MTC公司的ACES工艺，有84套，总生产能力占20.1%。我国已建及在建的尿素生产装置共110套，总生产能力为58680吨/天，占世界总生产能力的20%。国内尿素装置采用的工艺技术除我国自行研发的水溶液全循环法外，世界上的主要工艺也均引进。我国自20世纪70年代开始引进CO2气提法工艺的大型装置，目前共有15套大型装置〔全套引进或合作设计、采购〕，6套中型装置以及2套小型装置〔均为国内自行设计、自行制造设备〕。在110套装置中30套大、中型装置采用国外工艺，总生产能力为39880吨/天，占全国总生产能力68%[3,4]。尿素的生产方法简介按未反响物的循环利用程度，尿素生产方法可分为不循环法、半循环法和全循环法三种。依气提介质的不同，分别称为二氧化碳气提法、氨气提法、变换气气提法。依照别离回收方法的不同主要分为水溶液全循环法、气提法等。按气提气体的不同又可分为二氧化碳气提法、氨气提法、变换气气提法。水溶液全循环法20世纪60年代以来，全循环法在工业上获得普遍采用。全循环法是将未转化成尿素的氨和二氧化碳经减压加热和别离后。全部返回合成系统循环利用，原料氨利用率达97%以上。全循环法尿素生产主要包括四个根本过程：①二氧化碳的压缩；②氨输送和尿素合成；③循环回收；④尿素溶液的加工。我国尿素厂多数采用水溶液全循环法。水溶液全循环尿素工艺生产装置的静止高压设备较少，只有尿素合成塔及液氨预热器为高压设备，其它均为中压和低压设备，所以该尿素工艺生产装置的技术改造比拟容易、方便，改造增产潜力较大。氨碳比控制的较高，一般摩尔比为4.0左右，工艺介质对生产装置的腐蚀性较低，由于氨碳比控制的较高，二氧化碳气体中氧含量控制的较低，并且尿素合成塔操作压力为19.6MPa，操作温度为188~190℃，所以水溶液全循环生产尿素工艺中二氧化碳转化率较高，一般能到达42%-68%，经过尿素合成塔塔板的改造，有的企业已经到达68%以上。由于该工艺高压设备较少，高压系统停车保压时间可以到达24h，所以生产装置的中小检修一般可以在尿素合成塔允许的停车保压时间内完成，减少了高压系统排放的次数，降低了尿素的消耗。由于氨碳比控制的较高，中低压分解系统温度控制适当，尿素产品质量较容易控制，一般可以控制在优级品范围内。水溶液全循环尿素工艺可靠、设备材料要求不高、投资较低。但也存在缺乏：水溶液全循环尿素工艺生产装置的工艺流程较长，在操作调节方面不如CO2气提法生产尿素工艺简单、方便。由于氨碳摩尔比控制得较高，一般稳定在4.0左右，并且未反响生成尿素的氨和二氧化碳气体全部要经过低压、中压循环吸收系统回收后再返回到尿素合成塔，液氨泵和一段甲铵泵的输送量比拟多，所以该工艺中液氨泵和一段甲铵泵的台数较多，动力消耗较多。由于该工艺高压系统的操作压力高达19.6MPa，并且一段甲铵液的工艺要求温度高达90℃左右，所以一段甲铵泵和液氨泵的运行周期较短、检修维护时间较多、维修费用较高。二氧化碳气体压缩机由于出口压力高达20.0MPa，比CO2汽提法高5.0MPa，故其运行周期也相对较短、维修工作量较多、维修费用较高。水溶液全循环尿素工艺的另一个缺点就是，目前国内在运行的生产装置大多为年产()×104t/a(经过改造后的生产能力)，也有个别厂家经过双尿素合成塔改造后到达了年产30~10吨，最近山东化工规划设计院也设计了年产30~40万吨尿素的水溶液全循环法生产尿素的装置，但从单套装置的设计生产能力来说，相对于CO2气提法生产尿素工艺的装置还相差较远[4,5]。二氧化碳气提法二氧化碳气提法就是把合成塔排出的合成反响液，在合成压力和较高温度下在“汽提塔〞内与气提气〔氨、二氧化碳或惰性气体〕逆流相遇，将氨和二氧化碳从尿液中分解出来，然后将气体导入一个“高压甲铵冷凝器〞内，与新鲜氨化合并冷凝为甲铵液，放出的热量用于副产蒸汽。二氧化碳气提法尿素生产主要包括四个根本过程：①原料液氨和CO2的压缩；②尿素合成及CO2气提；③循环回收；④尿素溶液的加工。CO2气提法尿素工艺生产装置的工艺流程较短，在操作调节方面比拟简单、方便。能耗低、生产费用低。该工艺的特点是采用共沸物下的CO(NH2)2摩尔比为2.89作为操作控制最正确指标进行操作，大局部未反响生成尿素的氨和二氧化碳在高压系统内循环继续反响生成尿素，只有较少局部的氨和二氧化碳需要在低压局部进行回收，液氨泵和甲铵泵的输送量比拟少，所以该装置中液氨泵和甲铵泵的台数较少，动力消耗较少，并且该工艺高压系统的操作压力较低，为13.5~14.5MPa，使液氨泵和甲铵泵的运行周期较长，维修费用较少。该工艺能够回收较高品位的甲按反响热，除本系统加热使用外还可剩余少局部富裕低压蒸汽供外系统使用。CO2气提法尿素的另一个优点就是，生产装置的生产能力的范围较宽，运行都很正常稳定。并且荷兰斯塔米卡邦公司最近几年又对该工艺进行了大量研究工作，开发出了单套装置年产100×100t/a尿素的尿素池式冷凝器技术。与传统高压甲铵冷凝器不同的是，池式冷凝器可提供一定的停留时间，使甲铵生成尿素的反响在此可到达反响平衡的60%~80%，使生产装置产能在原设计能力的根底上翻一番，并且尿素主框架高度降到40m以下，使操作更加方便、动力消耗又有所降低。CO2气提法也存在缺点：生产尿素工艺装置的静止高压设备较多，有尿素合成塔、高压二氧化碳气提塔、高压甲铵冷凝器、高压洗涤器四大主要设备，它们是CO2气提法尿素工艺生产装置的核心，其它均为低压设备，所以该尿素工艺生产装置的技术改造比拟困难，改造增产潜力较小。高压二氧化碳气提塔加热需要的蒸汽品质较高，为2.5MPa，不如水溶液全循环尿素需用的蒸汽压力低。CO2气提工艺还暴露出一些缺乏，主要是尾气的易燃爆，设备腐蚀严重、操作条件苛刻、操作弹性较差[6～8]。本课题的意义和内容课题的意义传统的水溶液全循环工艺是20世纪40、50年代最早实现全循环的尿素生产流程，目前我国采用水溶液全循环法的中型尿素厂有30多套，小型厂120套，但是年产30～40万吨的大型尿素厂很少。本课题在总结国内外先进尿素工艺技术的根底上，建立年产40万吨水溶液全循环尿素生产模型，进行研究设计，从而实现大型尿素厂水溶液全循环法的生产。课题的内容主要进行工艺流程选择、物料衡算、能量衡算、主要设备选型，并绘制了工艺流程图和全厂平面布置图。水溶液全循环法工艺流程尿素的合成工业上是由液氨和二氧化碳直接合成尿素的，其总反响式为：2NH3+CO2→CO(NH2)2+H2O-103.7kJ·mol实际上反响是分两步进行的，首先是氨与二氧化碳反响生成氨基甲酸铵：2NH3+CO2→NH2COONH4+159.47kJ·mol该步反响是一个可逆的体积缩小的强放热反响，在一定条件下，此反响速率很快，客易到达平衡，且此反响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，称为甲铵脱水反响：NH2COONH4→CO(NH2)2+H2O-28.49kJ·mol此步反响是一个可逆的微吸热反响，平衡转化率一般为50%~70%，并且反响的速率也较缓慢，是尿素合成中的控制速率的反响[9]。尿素的工艺流程水溶液全循环法合成尿素工艺流程简图水溶液全循环法合成尿素工艺流程简图见图2-1。图2-1水溶液全循环法尿素工艺流程简图工艺流程二氧化碳压缩来自脱碳工段的二氧化碳气体经别离器别离后进入CO2压缩机；经五段压缩至21.61Mpa，气体温度约为125℃，送往尿素合成塔。氨的输送和尿素合成原料液氨经过氨过滤器过滤后进入液氨缓冲槽的原料室中。由中压循环系统返回的液氨，进入液氨缓冲槽的回流室。一局部作为吸收塔的回流氨，多余的液氨流过溢流隔板进入原料室，与新鲜原料氨混合。混合后的液氨进入高压液氨泵，被加压到21.61Mpa，然后去液氨预热器加热至40～60℃进入尿素合成塔。原料CO2气体、液氨、循环回收工序来的甲铵液同时送入尿素合成塔底部，其组成NH3/CO2=4.1、H2O/CO2=0.65，在约为21.57Mpa〔绝压〕，190℃的条件下合成。气液混合物自下而上经等温内件及多块塔板，保证25～40min的停留时间，约有63%的CO2转化为尿素。循环回收尿素合成塔的反响产物经减压至1.765Mpa后进入预别离器，在此别离出闪蒸气体后，溶液自流至预蒸馏塔，与来自一段加热器的热气体逆流接触，进行蒸馏，使液相中的局部甲铵与过剩氨进一步分解、气化，同时气相中的水蒸汽局部冷凝，蒸馏后的尿液自下而上进入蒸汽加热器管内，在蒸汽的加热作用下约88%的甲铵在此分解。预别离器别离出的气体至一段吸收外冷凝器。预蒸馏塔底排出的液相减压后至二段分解塔。来自预蒸馏塔的气体与二甲铵液在降膜式真空预浓缩气器的热能回收段加热尿液，出热能回收的气液混合物与预别离气体混合后进入一段吸收外冷凝器，在软水的循环冷却作用下，气体发生冷凝，出一段吸收外冷凝器的气液混合物进入一段吸收塔，未被吸收的气体被来自惰性洗涤器的浓氨水与来自液氨缓冲槽的回流氨进一步吸收，一段吸收塔顶排出的气体氨进入氨冷凝器，不凝气体至惰性洗涤器，在惰性洗涤器内被来自二段循环第二冷凝器的氨水吸收，尾气经减压后至尾气吸收塔。惰性洗涤器排出的氨水至一段吸收塔顶部，一段吸收塔底部的浓氨基甲酸铵溶液用高压甲氨泵加压后至尿素合成塔。预蒸馏塔排出的尿液经减压后至二段分解塔，与来自二段分解加热器的气体逆流接触后进入加热段被蒸汽加热，分解尿液中残留的过剩氨和甲铵。出加热段的气液混合物经别离后，尿液经减压后至降膜式真空预浓缩器，二段分解塔顶排出的气体与来自水解系统的解吸气混合后进入二段循环第一冷凝器，被二段蒸发外表冷凝液吸收，生成的二段甲铵液由甲铵泵送往真空预浓缩器的热能回收段。出二段循环第一冷凝器的气体在二段循环第二冷凝器内继续被二段蒸发外表冷凝液吸收，生成的氨水由氨水泵送往惰性洗涤器，尾气至尾气吸收塔。惰性洗涤器与二段循环第二冷凝器的尾气混合后进入尾气吸收塔被碳铵液吸收后进入碳铵液槽贮存，尾气通过放空总管放空。尿液加工二段分解塔排出的尿液经减压后切线进入真空预浓缩蒸馏器的别离段，在0.044Mpa压力下，尿液中所含剩余的CO2、游离氨以及大局部水分蒸发出去，与液体经分布器，从换热管顶部沿管内壁向下流动形成液膜，防止蒸发的蒸汽逸出液膜外表到管中心的空间，在真空抽吸下向上流动，液膜沿管壁流下。预蒸馏塔出口气相与二段甲铵夜在真空预浓缩器克侧反响，将尿液浓度有76%提高到96%〔重量分数〕，真空预浓缩器的尿液流至收集槽，通过尿液给料泵送往蒸发别离器，在0.003Mpa〔绝压〕下，被浓缩到约为99.7%〔质量分数〕的熔融尿素，再由熔融尿素泵送往位于造粒塔顶部的旋转喷头进行造粒，造粒塔底部得到的成品颗粒尿素由皮带输送机送至包装系统进行包装[10]。主要工艺条件二氧化碳压缩机操作压力一段入口2.94Kpa五段出口21.57Mpa操作温度一段入口40℃五段出口125℃CO2气体纯度>98%CO2气体中含氧量0.5%〔体积比〕CO2气体中含硫量15mg/m3尿素合成塔操作压力21.57Mpa操作温度190℃入塔物料NH3/CO2〔分子比〕4.1H2O/CO2〔分子比〕0.65二氧化碳转化率63%一段分解操作压力1.765Mpa操作温度160℃一段吸收操作压力1.765Mpa操作温度塔底液相100℃塔顶气相50℃出塔甲铵液组成NH3/CO2〔分子比〕3.1H2O/CO2〔分子比〕1.8二段分解操作压力0.392Mpa操作温度塔底液相150℃塔顶气相120℃二段吸收操作压力0.392Mpa操作温度40℃一段蒸发操作压力26.66Mpa操作温度入口尿液98℃出口尿液130℃出口尿液的浓度96%二段蒸发操作压力3.33Kpa操作温度出口尿液温度140℃出口尿液浓度99.7%解吸操作压力0.392Mpa操作温度塔底液相143℃塔顶气相85℃排出废液含NH3量<0.4Kg/t尿素成品尿素含氮量46%缩二脲0.9%含水量0.3%其他杂质0.1%以上是水溶液全循环尿素生产的主要工艺参数[11]。生产组织制度法定假日和星期假日采用轮换倒班制度，采用4班倒制，连续工作制：工作日=365—设备维修日=365-45=320天每天生产成品尿素：400000/320=1250t本章小结本章主要讨论了水溶液全循环法尿素生产的工艺路线，以及尿素生产的主要工艺条件。物料衡算尿素生产过程的物料衡算同其他化学生产过程的物料衡算一样，根据质量守恒定律，通过计算求得参加设备和离开设备的物料各组分的成份、重量和体积，为进一步进行热量衡算、设备计算、化工管道计算等提供定量的依据。物料衡算根据以下公式：式中：—输入物料总和；—输出物料总和；—损失物料总和。对于溶液全循环法尿素生产，由于物料的循环反响，在计算物料平衡时，全系统物料平衡的完整性很重要。改变某设备的任何一个参数都会影响全系统的物料平衡。各设备的物料衡算，必须在全系统物衡算完成以后才能判断各设备物料衡算的结果。因此对尿素生产过程必须进行全系统的物料衡算[12]。物料衡算计算条件确实定在进行物料衡算之前，必须确定系统输入、输出、损失等物料量及计算基准等计算条件。尿素物料衡算有以下各项：计算基准尿素物料衡算常以每吨成品〔含N246%尿素〕为基准成品规格按国家标准规定[13]。粒状尿素成品规格：〔重量比〕含氮量46%〔折合成尿素98.7%，不包括缩二脲含氮量〕缩二脲0.9%水份0.3%其他杂质0.1%原料消耗额生产尿素的原料NH3和CO2的消耗定额，可根据中间试验车间及同类型生产车间测定的数据确定。年产40万吨尿素车间通用设计采用的原料消耗定额为：NH3580Kg/t成品尿素CO2785Kg/t成品尿素每吨成品中NH3损失量：NH3消耗定额与成品中尿素和缩二脲所含NH3量之差NH3损失量。可按下式计算：式中：60.06—尿素分子量；103.16—缩二脲分子量；34.06、51.09—分别为尿素及缩二脲中含NH3量。NH3损失量在系统中具体分配根据中间试验车间及同类型生产车间测定数据确定。可参考以下数据：高压液氨泵漏损11.69Kg解吸塔废液中排出0.48Kg尾气吸收塔放空损失0.65Kg二段蒸发冷凝器排出0.91Kg一段蒸发喷射器放空损失1.14Kg造粒塔损失0.68Kg成品包装运输损失0.75Kg总计16.3Kg每吨成品中CO2损失量：CO2消耗定额与成品中尿素和缩二脲所含CO2量之差即为CO2损失量。可按下式计算：〔3-3〕式中：44、88—分别为尿素及缩二脲中CO2含量。其余同前式。CO2损失量在系统中具体分配二氧化碳压缩机损失49.94Kg解吸塔废液排出0.58Kg二段蒸发冷凝液排出1.13Kg造粒塔损失0.88Kg成品包装运输损失0.97Kg总计53.5Kg每吨成品在制造过程中尿素的损失量及其在系统中的分配解吸塔废液中排出0.36Kg二段蒸发冷凝液排出1.2Kg造粒塔放空粉尘损失1.2Kg成品包装运输损失1.33Kg总计4.09Kg生产过程中水解消耗的尿素量及在系统中具体分配一段蒸发系统4.5Kg二段蒸发系统1.5Kg总计6.0Kg缩二脲在各处的生成量二段分解系统前6.0Kg一段蒸发系统前1.0Kg二段蒸发系统前2.0Kg总计9.0Kg尿素缩合成缩二脲需耗用尿素量可由下式计算：式中：120.12—两个尿素分子量；103.16—缩二脲分子量。成品中尿素含量及各项尿素损失量成品中含尿素量987.00Kg成品中含缩二脲消耗尿素量10.45Kg生产过程中损失的尿素量4.09Kg生产过程中水解损失的尿素量6.00Kg总计1007.54Kg在系统中循环的尿素该局部尿素系随二段蒸发冷凝液返回合成塔。取为总产量的0.25%即2.5Kg。解吸塔废液中各组分的数量由上列条件即可算出：尿素0.36KgNH3CO2排出的二段蒸发冷凝液中各组分量由上列条件即可算出：尿素1.2KgNH3CO2水溶液全循环法流程物料衡算压缩系统的物料衡算压缩系统的工艺条件二氧化碳气的组成〔干气，体积比〕CO299%惰性气1%〔按N2计〕总S量15mg/m3(可忽略)CO2气体进入压缩机温度：40℃。压缩机吸入压力：3.923Kpa。吸入大气压以1atm为基准。CO2气体内水蒸汽含量按吸入条件下饱和水蒸汽含量计算。40℃时饱和水蒸汽压力为7.375Kpa在CO2气体中含氮量。由防腐条件确定，取为0.5%〔体积比〕。氧气的组成〔体积比〕O2：95%，N2：5%CO2气体经五段压缩最终压力为21.57Mpa〔表〕，最终温度为125℃。CO2气体进五段的压力为7.99Mpa〔表〕，温度为40℃。压缩系统物料计算进入系统的CO2气体总量CO2质量为785Kg，体积为(1.976—CO2在标准状况下的密度，Kg/m3)CO2气体中的惰性气〔包括H2、N2；为简化计算均按N2计〕，〔1.25—N2在标准状况下的密度，Kg/m3)，故进入车间CO2气体量为：CO2气体中含水分CO2气的总压：40℃时饱和水蒸汽压力为7.375Kpa，故CO2气中水含量为：进入系统的O2气量纯O2在CO2气中占0.5%〔体积比〕即，〔1.429—O2在标准状况下的密度，Kg/m3〕随O2带入的N2量为，故进入系统的O2气总量为2.02+0.11=2.13m3，2.89+0.13=23.02Kg压缩后的气体成分计算CO2在压缩机中的损失量为，压缩后的CO2量为785-49.4=735.16Kg，397.3-25.2=372.1m3压缩后的惰性气量为N2：4.01+0.11=4.12m3，5.01+0.13=5.14Kg，O2：2.02m3，2.89Kg压缩系统物料平衡表压缩系统物料平衡见表3-1表3-1压缩系统物料平衡表输入输出组分质量/Kg体积/m3组分质量/Kg体积/m3CO2气815.21401.310其中：CO2785.00397.300惰性气5.914.010H2O25.20O2气3.022.130其中：O22.892.020N20.180.110CO2气743.39378.240其中：CO2735.06372.100O22.890.090N25.140.185H2O0.28压缩机排出74.8625.200其中：CO249.9425.200H2O24.92总计818.23403.330总计818.23403.330合成系统的物料衡算合成系统的工艺条件进合成塔NH3/CO2=4.1，H2O/CO2=0.65〔分子比〕合成塔的操作条件压力P=21.57Mpa，温度T=190℃尿素合成率〔即CO2转化率〕63%。液氨纯度为99.8%，其中所含水分在计算中略去不计。通过合成塔前后惰性气及氧气量无变化。由一段吸收返回合成塔的甲铵溶液中，NH3/CO2=3.1〔分子比〕合成系统的物料计算进入合成塔各组分物料量的计算CO2气量由前节压缩系统物料衡算得知为743.369Kg，17.000Kmol其中：CO2：735.06Kg，16.71KmolO2：2.89Kg，0.09KmolN2：5.14Kg，0.184KmolH2O：0.279Kg，0.0155Kmol氨基甲酸铵溶液中各组分的物料量溶液中CO2量需由合成塔生成的尿素量为1007.54Kg，16.79Kmol故转化为尿素的CO2即为738.76Kg，16.79Kmol为转化为尿素的CO2为，故进合成塔的CO2总量为：16.79+9.86=26.65Kmol，1172.69Kg除去由气相进入的CO2即为氨基甲酸铵溶液中的CO2量，即为：，9.94Kmol溶液中NH3量根据条件，甲铵液中分压16.67-9.33=7.34Kpa故溶液中含NH3：3.1×9.94=30.81Kmol，523.84Kg溶液中H2O量根据条件，合成塔内H2O/CO2=0.65〔分子比〕除去气相带入水份外即为甲铵液中水份，溶液中的尿素由计算条件知为2.5Kg，0.042Kmol原料液NH3量NH3的消耗定额除去高压氨泵的漏损11.69Kg其余全部进入合成塔。580-11.69=568.31Kg，33.3Kmol循环液NH3量合成塔入口NH/和CO2的分子比为NH3/CO2=4.1故进塔总NH3量，除去原料液NH3及由甲铵液带入NH3外均为循环返回的氨出合成塔各组分物料量的计算尿素量，16.832Kmol氨基甲酸铵量为了便于计算，设未转化为尿素的CO2均以氨基甲酸铵形态出塔，即为，9.86Kmol其中：CO29.86Kmol，33.84KgNH3，335.24Kg过量NH3生成尿素消耗NH3，570.86Kg进入合成塔总NH3除去生成尿素耗用及生成氨基甲酸铵外，全部为过量NH3，那么，951.49KgH2O量氨基甲酸铵带入水分及尿素反响生成水之和，614.025KgN2和O2量无变化，同入口数量。N2：5.14Kg，0.1847KmolO2：2.89Kg，0.09Kmol合成系统物料平衡表合成系统物料平衡见表3-2表3-2合成系统物料平衡表输入输出组分质量/Kg物质量/Kmol组分质量/Kg物质量/Kmol原料CO2气743.3717.000其中：CO2735.0616.710O22.890.090N25.140.184H2O0.280.016原料液氨568.3133.430循环液氨765.4445.030氨基甲酸铵液1275.5058.100其中：NH3523.8430.810CO2437.639.940H2O311.8017.322尿素2.500.042反响后混合物3352.02136.765其中：尿素1010.0416.832氨基甲酸铵769.089.860CO2433.849.860NH3335.2419.720NH3951.4955.970H2O614.0234.112O22.890.090N25.140.184总计3352.62153.556总计3352.02136.765说明：进出物料差153.5567-136.7657=16.79Kmol，为合成反响因生成尿素而减少的分子数。一段分解系统的物料衡算一段分解系统的工艺条件一段分解系统总的氨基甲酸铵分解率：88%一段分解系统总的过量氨蒸出率：90%一段分解系统预别离器的氨基甲酸铵分解率：15%一段分解系统预别离器的过量氨蒸出率：66%预别离器出口气相中水分含量：4.65%一段分解别离器出口气相中水分含量：17%一段分解加热器操作条件：压力P=1.765Mpa，温度T=160℃一段分解系统的物料计算预别离器的物料衡算表预别离器出口气体组成气体中的CO2为9.86×0.15=1.48Kmol，65.05Kg气体中的NH3由过量氨蒸出：55.97×0.66=36.94Kmol，627.98Kg由氨基甲酸铵分解得：1.48×2=2.96Kmol，50.32Kg总计2.96+36.94=39.90Kmol，678.3Kg气体中的H2O除水分以外气相中的其他组成故水量为：，气体中的惰性气体N2：5.14Kg，0.1847KmolO2：2.89Kg，0.09Kmol预别离器出口溶液组成溶液中的CO2为9.86-1.48=8.38Kmol，368.76Kg溶液中的NH3，溶液中的H2O为34.1125-2.04=32.0725Kmol，577.305Kg溶液中的尿素为16.832Kmol，1010.04Kg预别离器物料平衡表预别离器物料平衡见表3-3表3-3预别离器物料平衡表输入输出组分质量/Kg物质量/Kmol组分质量/Kg物质量/Kmol反响后混合物3352.02136.76其中：尿素1010.0416.83氨基甲酸铵769.089.86CO2433.849.86NH3335.2419.72NH951.4955.97H2O614.0334.11O22.890.09N25.140.18预别离出口气体788.1343.69其中：CO265.081.48NH3678.3039.90H2O36.722.04O22.890.09N25.140.18预别离出口溶液2564.5493.07其中：NH3608.4335.79CO2368.768.38H2O577.3132.07尿素1010.0416.83总计3352.62153.556总计3352.03136.76一段分解塔的物料算一段分解塔出口气体组成气体中的CO29.86×0.88-1.48=7.20Kmol，316.7Kg气体中的NH3由过量氨蒸出：55.97×0.9-36.94=13.43Kmol，228.36Kg由氨基甲酸铵分解而得9.86×0.88×2=17.36Kmol，295.12Kg由一段分解塔分解出的NH3为17.36-2.98=14.40Kmol，244.80Kg因此，气体中总氨量为13.34+14.40=27.83Kmol，473.18Kg气体中的H2O，一段分解塔出口溶液组成溶液中的CO2，溶液中的NH3，溶液中的H2O，溶液中的尿素为16.832Kmol，1010.04Kg一段分解塔物料平衡表一段分解塔物料平衡见表3-4表3-4一段分解塔物料平衡表输入输出组分KgKmol组分KgKmol预别离出口溶液2564.5493.07其中：NH3608.4335.79CO2368.768.38H2O577.3032.07尿素1010.0416.83一段分解出口气体918.9442.20其中：CO2316.707.20NH3473.1827.83H2O129.067.17一段分解出口溶液1645.5750.87其中：NH3135.277.96CO252.061.18H2O448.2024.90尿素1010.0416.83总计796.4046.65总计796.3446.65氨冷凝器的物料衡算氨冷凝器出口气体组成氨冷凝器内的温度为38℃，此温度下氨的饱和蒸气压1.470Mpa因此惰性气分压为1.765-1.470=0.295Mpa惰性气为0.09+0.18=0.27Kmol出口气相中NH3为，氨冷凝器的液氨量〔不包括一般吸收塔的回流氨量，该局部回流氨量由热量衡算确定〕根据合成塔物料衡算为765.44Kg，45.03Kmol进氨冷凝器的气氨总量，氨冷凝器物料平衡表氨冷凝器物料平衡见表3-5二段分解系统的物料衡算二段分解系统的工艺条件一段及二段分解系统总的氨基甲酸铵分解率：98.2%一段及二段分解系统总的过量氨蒸出率：99.4%二段分解塔出口气内含水：25%二段分解系统的操作压力P=0.392Mpa，二段分解加热器操作温度T=150℃，二段分解塔操作温度120~150℃表3-5氨冷凝器物料平衡表输入输出组分KgKmol组分KgKmol氨—惰性气796.4146.65其中：NH3788.3746.38O22.890.09N25.140.18液氨765.4445.03惰性气30.901.62其中：NH322.871.35O22.890.09N25.140.18总计796.4046.65总计796.3446.65二段分解系统的物料计算二段分解系统生成缩二脲的计算由计算条件知二段分解系统前生成缩二脲为6Kg或0.058Kmol。缩二脲生成反响：2〔NH2)2CO→NH2CONHCONH2+NH3↑102.12103.1617.036.0反响消耗尿素量：，放出NH3量：，二段分解塔出口气体组成气体中的CO2：9.86×〔0.982-0.88〕=1.00Kmol，44.25Kg气体中的NH3：由二段分解塔蒸出的过量氨气，由氨基甲酸铵分解得氨，34.17Kg总计，气体中的H2O：，二段分解塔出口溶液组成溶液中的CO2：，溶液中的NH3：，溶液中的H2O：，溶液中的尿素：1010.04-6.99=1003.05Kg，16.71Kmol溶液中的缩二脲0.058Kmol，6.0Kg二段分解系统物料平衡表二段分解系统物料平衡见表3-6表3-6二段分解系统物料平衡表输入输出组分KgKmol组分KgKmol一段分解出口溶液1645.5750.87其中：NH3135.277.96CO252.061.18H2O448.2024.90尿素1010.0416.83二段分解出口气体217.4911.03其中：CO244.251.01NH3123.597.27H2O49.652.76二段分解出口溶液1427.0439.72其中：NH311.730.69CO27.700.18H2O398.5622.14尿素1003.0516.71缩二脲6.000.06总计1645.5750.87总计1645.5750.87一段蒸发系统的物料衡算一段蒸发系统的工艺条件操作压力闪蒸槽：44.13Kpa，一段蒸发器：26.66Kpa，一段蒸发外表冷凝器：25.60Kpa在一、二段分解及闪蒸槽中总的氨基甲酸铵分解率：99.1%在一、二段分解及闪蒸槽中总的过量氨蒸出率：99.85%出闪蒸槽尿液浓度：78%，其余组分不计出一段蒸发器尿液浓度：96%尿液溶液中所含游离NH3及CO2通过一段蒸发后全部气化至蒸发蒸汽中。一段蒸发外表冷凝器操作温度：出口冷凝液：45℃，未冷凝气体：50℃一段蒸发系统的物料计算闪蒸槽的物料衡算闪蒸槽出口气体中的NH3及CO2气体中的CO2，气体中的NH3由氨基甲酸铵分，由过量氨蒸出得，总计，闪蒸槽出口溶液的组成溶液中的CO2为0.175-0.089=0.086Kmol，3.784Kg溶液中的NH3为0.69-0.43=0.26Kmol，4.42Kg溶液中的尿素为16.714Kmol，1003.05Kg溶液中的缩二脲为0.058Kg·mol，6.00Kg溶液中的水，闪蒸槽出口气体中的H2O，闪蒸槽物料平衡表闪蒸槽物料平衡见表3-7表3-7闪蒸槽物料平衡表输入输出组分KgKmol组分KgKmol二段分解出口溶液1421.0439.78其中：NH311.730.69CO27.700.18H2O398.5622.14尿素1003.0516.71缩二脲6.000.06闪蒸槽出口气体93.045.06其中：CO23.920.09NH37.310.43H2O81.814.55闪蒸槽出口溶液1334.0034.72其中：NH34.420.26CO23.780.09H2O316.7517.60尿素1003.0516.71缩二脲6.000.06总计1427.0439.78总计1427.0439.78一段蒸发器物料衡算一段蒸发器内生成缩二脲反响的计算一段蒸发器内生成缩二脲量由物料平衡条件知为1Kg2〔NH2)2CO→NH2CONHCONH2+NH3↑102.12103.1617.031.0消耗尿素，放出NH3，一段蒸发器内尿素水解反响的计算一段蒸发器内尿素水解量由物料衡算条件知为4.5Kg〔NH2)2CO+H2O→CO2+2NH3↑60.06184434.064.5xyz水解消耗H2O，水解生成CO2，水解生成NH3，蒸发蒸汽组成蒸发蒸汽中夹带的尿素在冷凝后进入尾气吸收塔并在解吸塔废液中排出。根据物料平衡计算条件知该局部尿素为0.36Kg蒸发蒸汽中的CO2，蒸发蒸汽中的NH3，一段蒸发后尿液的组成尿液中的尿素，尿液中的缩二脲，尿液中的H2O，蒸发蒸汽中的H2O，一段蒸发器物料平衡表一段蒸发器物料平衡见表3-8一段蒸发外表冷凝器物料衡算未冷凝气体组成NH3：由物料平衡计算条件知一段蒸发喷射器放空中氨损失为1.14Kg。此即一段蒸发外表冷凝器出口气体中所含氮量。表3-8一段蒸发器物料平衡表输入输出组分KgKmol组分KgKmol闪蒸槽出口溶液1334.2134.73其中：NH34.420.26CO23.780.09H2O316.7517.60尿素1003.0516.71缩二脲6.000.06一段蒸发蒸汽288.6815.73其中：CO27.220.16NH37.240.34H2O273.8615.22尿素0.360.01一段蒸发后尿液1045.5718.99其中：H2O41.542.31尿素997.0316.61缩二脲7.000.07总计1334.2134.73总计1334.2434.80说明：出口总物料量较进口总物料量多0.075Kmol，此由尿素水解反响增加的。H2O：按谋厂同一设备现场数据，当蒸发蒸汽冷凝液温度为45℃时，未冷凝气体中NH3分压为14.932Kpa，H2O分压为10.665Kpa，CO2的分压很小忽略不计。那么H2O量为：，冷凝液组成NH3：，CO2：，H2O：，尿素：0.36Kg，0.006Kmol一段蒸发外表冷凝器物料平衡表一段蒸发外表冷凝器物料平衡见表3-9二段蒸发系统的物料衡算二段蒸发系统的工艺条件二段蒸发器的操作压力P=3.33Kpa二段蒸发外表冷凝器的操作压力P=8.67Kpa二段蒸发后尿素溶液的浓度为99.7%二段蒸发升压器蒸汽消耗量为72Kg，进升压器的空气量0.46Kg。二段蒸发喷射器的蒸汽耗量为8.16Kg，空气进入量为0.47Kg。二段蒸发系统的物料计算二段蒸发器的物料衡算二段蒸发器内生成缩二脲的计算表3-9一段蒸发外表冷凝器物料平衡表0组分KgKmol组分KgKmol闪蒸槽来气体93.045.06其中：CO23.920.09NH37.310.43H2O81.814.55一段蒸发蒸汽288.6815.73其中：CO27.220.16NH37.240.34H2O273.8615.22尿素0.360.01一段蒸发冷凝液379.3520.76其中：CO211.140.25NH313.410.79H2O354.8119.71尿素0.360.01未冷凝气体2.000.12其中：H2O0.860.05NH31.140.08总计381.3620.87总计381.3520.87二段蒸发器内生成缩二脲的量，根据物料平衡计算条件为2Kg故消耗尿素为，放出NH3为，二段蒸发器内尿素水解反响的计算尿素水解量为，水解生成的NH3为，水解生成的CO2为0.025Kmol，1.1Kg水解消耗的H2O为0.025Kmol，0.45Kg蒸发蒸汽组成蒸发蒸汽中含CO2为0.025Kmol，1.1Kg蒸发蒸汽中含NH3为0.85+0.33=1.18Kg，0.069Kmol蒸发蒸汽中夹带尿素二段蒸发蒸汽中夹带的尿素经冷凝后局部经二段循环冷凝返回合成塔，局部排出。故尿素量为2.5+1.2=2.7Kg，0.062Kmol。二段蒸发后尿素熔融物的组成尿素熔融物中的尿素为，尿素熔融物中的缩二脲为0.068+0.019=0.087Kmol，9.0Kg尿素熔融物中的水为，蒸发蒸汽中的H2O，二段蒸发器物料平衡表二段蒸发器物料平衡见表3-10二段蒸发外表冷凝器的物料衡算未冷凝气体的组成参加升压器的空气量为0.46Kg，0.016Kmol当冷凝液温度为40℃时，未冷凝气体温度约41.05℃，此时未冷凝气体中气体中H2O的分压为8Kpa。故随空气带出的H2O量为，二段蒸发冷凝液的组成进入升压器的蒸汽量为72Kg故冷凝液中的H2O为，冷凝液中的NH3为0.069Kmol，1.18Kg冷凝液中的CO2为0.025Kmol，1.1Kg冷凝液中的尿素为0.062Kmol，3.7Kg二段蒸发外表冷凝器的物料平衡表二段蒸发外表冷凝器物料平衡见表3-113-11二段蒸发外表冷凝器的物料平衡表输入输出组分KgKmol组分KgKmol二段蒸发蒸汽44.082.27其中：CO21.100.03NH31.180.07H2O38.082.12尿素3.700.06升压器用蒸汽72.004.00进入空气0.460.02二段蒸发冷凝液112.646.08其中：CO21.100.03NH31.180.07H2O106.685.93尿素3.700.06未冷凝气体3.880.21其中：空气0.460.02H2O3.420.19总计116.526.29总计116.526.29吸收—解吸系统的物料衡算吸收解吸系统的工艺条件尾气吸收塔的操作压力为常压，吸收塔顶的吸收液温度为40℃。解吸塔的操作压力392.27Kpa，进解吸塔顶的溶液温度为85℃，出口气体温度为110℃。解吸塔以直接蒸汽加热。该项蒸汽量，由热量平衡计算而得48.46Kg。由一段蒸发外表冷凝液来的冷凝液，先进入碳铵液槽，在随同尾气吸收塔的循环溶液一起进入吸收塔内。但由于循环溶液的数量需有热量衡算确定，故在本计算中将一段蒸发冷凝液当作直接进入尾气吸收塔考虑。解吸塔出口解吸气中含H2O32.8%〔重量〕吸收解吸系统的物料计算尾气吸收塔的物料衡算惰性气体洗涤器来的惰性气体组分惰性气体洗涤器内氨水浓度为54%〔重量百分比，不计其中的尿素及CO2〕，其操作温度为T=45℃此时氨分压为784.5Kpa，而惰性气为0.274Kmol，故出口气体中氨的数量为，惰性气量为N2：5.14Kg，0.1847Kmol，O2：2.89Kg，0.09Kmol一段蒸发外表冷凝液组分CO211.136Kg，0.253KmolNH313.41Kg，0.793KmolH2O354.806Kg，19.71Kmol尿素0.36Kg，0.006Kmol总计379.325Kg，20.762Kmol吸收后出口气体的组成气体中的氨根据物料衡算条件尾气吸收塔方空气中含氮量0.65Kg气体中的惰性气量不变，仍为N2：5.14Kg，0.1847Kmol，O2：2.89Kg，0.09Kmol气体中的水由于出口气体中H2O量很少，故吸收后溶液的氨浓度可视为4.3%浓度的氨水40℃时水总压为16.67Kpa，氨分压为9.33Kpa，那么H2O分压为故出口气体中H2O为，尾气吸收塔出口溶液的组成溶液中的NH3为，溶液中的尿素及CO2量不变溶液中的H2O为，尾气吸收塔物料平衡表尾气吸收塔物料平衡见表3-123-12尾气吸收塔物料平衡表输入输出组分KgKmol组分KgKmol一段蒸发冷凝液379.3520.76其中：CO211.140.25NH313.410