《年产80万吨尿素合成工段工艺设计》13000字

年产80万吨尿素合成工段工艺设计目录TOC\o"1-2"\h\u3579摘要 384831综述 341411.1尿素简介 3254861.2尿素的历史渊源 4294091.3尿素的发展前景 4101651.4尿素的物理性质 590231.5尿素的化学性质 5233581.6尿素的应用 623971.7我国尿素合成工艺方法 8150742水溶液全循环法工艺流程 10307452.1尿素合成原理 10298562.2水溶液全循环法流程介绍 10119243物料衡算 11171023.1计算基准[10] 11221573.2合成塔物料衡算 1197183.2.1衡算条件 11255963.2.2CO2合成气组成 121523.2.3甲铵液中组分物料量 12216063.2.4原料液NH3量 1248733.2.5循环液NH3 12174503.2.6尿素的生成量 13225563.2.7甲铵的生成量 1369023.2.8过量的NH3 13144103.2.9生成的H2O的量 13186513.2.10合成系统的物料衡算表 13202073.3预分离器物料衡算 142693.3.1衡算条件 1468023.3.2预分离器出口气体组成 1419383.3.3预分离器的出口溶液组成 14308083.3.4预分离器的物料衡算表 1444543.4一段分解塔的物料衡算 1530813.4.1出口气体的组成 15294183.4.2一段分解塔的出口溶液组成 153443.4.3一段分解塔的物料平衡表 15303543.5二段分解塔的物料衡算 16144083.5.1衡算的条件 16179623.5.2缩二脲反应的计算 16158473.5.3出口气体中CO2 16253943.5.4出口气体中H2O 17152903.5.5二段分解塔出口的溶液组成 17202503.5.6二段分解塔的物料衡算表 1770414热量衡算 17190494.1计算基准[11] 17190164.2合成塔的热量衡算 1825814.2.1CO2气体降压降温吸热△H1 1873934.2.2当量NH3气化吸热△H2 18318894.2.3固体甲铵生成时反应热△H3 18175044.2.4固体甲铵升温吸热△H4 18171654.2.5固体甲铵熔融吸热△H5 18317894.2.6循环甲铵升温吸热△H6 18704.2.7甲铵转化成尿素时吸热△H7 19145224.2.8(△H8+△H9+△H10+△H15)反应熔融物升温吸热 1979674.2.9循环氨升温吸热△H11 19230924.2.10循环液氨气化热△H12 19194734.2.11循环氨升温吸热△H13 19205084.2.12循环氨与水混合放热△H14 19194664.2.13合成塔热损失△H17 20167074.2.14合成塔热量平衡表 20253384.3预分离器热量衡算 2011164.3.3出口液相带出热量 21114094.3.4排出气相带出热 21284364.3.5甲铵分解热量 2255284.3.6NH4OH分解热 22147424.3.7热损失 2286864.3.8预分离器出口液相温度t 23233274.3.9预分离器热量衡算表 23192784.4.1反应熔融物带出热量 2341394.4.2气相中CO2带出的热量 2318654.4.3气相中NH3带出热量 24325114.4.4气相中H2O带出热量 24138564.4.5甲铵分解吸热 24219224.4.6NH4OH分解热 2424014.4.7热损失 25216334.4.8一段分解热平衡表 25103564.5.1溶液带入热量 2649484.5.4分解气体带出热量[12] 26190634.5.5甲铵分解热 27312274.5.6NH4OH分解热 27307464.5.7二段分解塔热量平衡表 28300565设备工艺计算 29321045.1尿素合成塔计算[15] 29288955.2解析塔的计算 3047475.2.1计算依据 3076825.2.2塔板数的计算 31153855.2.3塔径及附属设备计算 34108955.2.4流体力学计算[17] 3898385.2.5设计结果 41145206结论 43摘要本设计的尿素合成工艺采用水溶液全循环法，其中主要包括:原料的压缩、原料的净化、合成工段、粗产品的解吸、蒸发造粒、中低压吸收。原料CO2是合成车间经过净化工段得来，液氨从氨储存器中送出,两种原料在合成塔的高温高压环境下反应生成尿素产品。合成塔塔釜送出的溶液组分中含有尿素溶液、氨基甲酸铵溶液，过剩的氨和水通过循环装置回收后再次送入合成塔,采用水作为整个流程的循环介质。由闪压蒸馏槽送出的尿素溶液首先进入一段蒸发器在高温环境中升温至130℃,在0.033MPa压力下,尿素溶液的含量浓缩至96%(W)，继续送入二段蒸发加热器,进行高温加热至140℃后再经减压操作使压强降低，达到0.0033MPa，溶液中尿素的组分含量达到99.7%(W)，经一系列操作后的尿素溶液经过泵设备送向造粒塔进行成品加工。本设计主要介绍尿素物化性质，原料的前期加工，合成工段的操作及物料热量衡算，相关设备的计算和规格选型等工作。关键词:尿素；合成工艺；工艺设计1综述1.1尿素简介尿素，简称为脲、碳酰胺[1]，化学分子式是CH4N2O，由碳、氮、氧、氢四种化学元素组成，外观为无色或白色针状或棒状的结晶体，其化学结构是相对简单的一种有机物，主要是由哺乳动物和鱼类代谢出来的产物。尿素是各种植物所需的主要营养物质之一，也可作为肥沃土壤的原料。该化肥储存方便，副作用小，在全世界农业中大量使用，也是所有化肥中氮含量最高的氮肥。工业上合成尿素通常在一定条件下使用氨和二氧化碳两种原料。1.2尿素的历史渊源伊莱尔·罗埃尔是世界上第一个发现尿素的人。但是历史上使用尿素的第一个人却是弗里德里希·维勒，他是德国化学家，他使用了硫酸铵和氰酸铵来人工合成尿素。再一次偶然的机会下他打开了有机化合物和人工合成的新大门。就因为此事，证明了活力论的不正确，从此有机学开始浮现。活力论认为无机物和有机物相比在根本上就有所不同，所以无机物不可能变成有机物，有机化合物是由生物的体细胞在生命力的作用下产生的，不能通过人工合成这种方式。查阅资料发现，两栖动物与哺乳动物和某些鱼的尿液中有尿素，鸟和爬行动物排放的是尿酸，因为其氮代谢过程使用的水量比较少[2]。1.3尿素的发展前景在尿素发现并投入商业用途的前期，相对利润还是比较可观的，但是在经过一段时间发展后，大多数企业引进了相关技术后开始生产，带动了一系产业发展，到后期尿素的成本比等开始下降，因此尿素行业经历了一次大变动，相关产业产能进行了优化升级。目前尿素行业趋于相对稳定的状态，现如今随着化工行业的大力发展，能代替尿素的产品越来越多，尿素行业要不加大科研进程优化、要不就只能等待自生自灭。全球尿素的产能供应已达到充足状态，尿素的暴利时代已经结束。1.3.1新型产品聚氨酸尿素:聚氨酸可以提升离子的养分与根系的亲和力从而发挥自身的离子泵作用，加强植物对营养成分的利用强度；可以有效提高农作物的产量，使其超过原产量的7%-30%；可以大大提高肥料的营养成分中N元素的利用率至24%-32%；能减少肥料的使用量至15%-20%；这种尿素产品副作用小对生物无毒无害，符合国家提倡的绿色农业，新产品对比普通尿素来讲，效率高，用量少，可以起到以一敌百的作用。新型产品内含聚氨酸活性物质，比一般的复合肥料更具有抗旱性、保水性、养分利用率高等特点。多肽尿素:生物发育成长的过程离不开酶，所有生物的生老病死都有酶的参与，是不可缺少的一种物质，酶作为生物催化剂，可以促进生物体内的所有化学反应顺利进行。\t"/item/%E5%B0%BF%E7%B4%A0/_blank"多肽存在于生物体内的各种部位，影响着所有细胞的生物功能。氨基酸在蛋白质分子中以肽键的形式连接在一起进行反应作用，金属离子化合物对生物的蛋白酶作用很，主要作用于蛋白酶的生物活性方面，可以对生物的调节功能、催化功能、识别功能起到至关重要的作用，这也鲜明的体现了该蛋白酶的特殊功能，该产品和可以有效提高化肥的效率，改变分子性状，激发化肥的作用。并且此种蛋白酶是可以直接被植物和土壤所吸收，从而转化为植物所需的能量及重要元素，然后促进植物的生长发育，使土壤也拥有更多的“体能”，经过查阅资料，多肽尿素的作用性和表现性很强，一般植物使用该种化肥时，会使植物的成熟期大大的提前，例如棉花、玉米、西红柿、马铃薯等成熟期提前到来，并且施用该种化肥对农作物的品质以及物料利用率都呈现正相关趋势[3]。1.3.2国内尿素的发展进程我国作为世界大国，在尿素生产方面和消费方面遥遥领先，每年尿素产量占全世界总产量的1/3；尿素消费总量占全世界总消费量的1/3。就近几年来看，尿素的产量还在不断增加，一直呈上升趋势，2015年至2020年的平均上升率为7.5%；总体消费量也在不断上升，2015年至2020年平均上升率为7.6%。以此态势来看，我国就尿素行业可以一直保持供大于求的状态。1.4尿素的物理性质尿素非常容易溶解到水中，在常温环境下每大约每100毫升的水中可以溶解超过105克的尿素，而且溶质水的酸碱度不会发生变化，仍然呈中性。针状或棱柱状的结晶尿素比颗粒状尿素的吸附性能更强，吸除湿份后结成不规则块状，而且速度更快，达到12倍之多。颗粒状的尿素外观呈现的是大小约2毫米的略透光的小颗粒，没有明显的杂质参入，吸湿的功能略有提高。当温度降低时尿素的吸湿功能会增高，与温度呈相反趋势，在室温环境下，相对吸湿率的临界点大约为80%，温度升到30℃左右时，相对吸湿率减低至75%左右。因此尿素的储存条件必须在干燥通风的环境子下存放。在湿度较大的夏天，存放条件更加苛刻，所以在生产时要加入含有疏水基的石蜡以防吸入过量水分而使成分变质失效。1.5尿素的化学性质尿素具有水解作用，尿素呈碱性与酸性物质发生反应会生成盐类物质。尿素还可进行缩合反应，在高温环境下尿素可以缩成缩二脲，缩三脲等等所和物质。尿素会在高温下发生分解反应，温度在160℃左右，会分解产生气体氨，并且本体会变成异氨酸物质。这种物质之所以称之为尿素，是因为在人体和动物粘液中含有此物质，即成为尿素。同时，尿素是所有固体肥料中氮含量最高的物质，用于农庄作物肥料效果很可观。尿素还可以在加热状态下与酸碱物质发生水解反应，产生NH3和CO2。尿素的热稳定性不是很强，可以利用这一特性来检测尿素成分，加热到分解温度160℃时，会分解成缩二脲物质。该物质加入硫酸铜呈现出紫色。如果温度快速升高，则会将N元素脱出，进而形成环化物质三聚氰酸。机理是先脱氨生成异氨酸，在环化。图1.1尿素1.6尿素的应用1.6.1医用方面因尿素有良好的吸湿性能，所以医院的皮肤科医生常用含有尿素成分的药物来让皮肤有较好的湿度。人体角质蛋白物质如支指甲等在非手术摘除或脱落后，治疗所用的药物辅料中含有约40%。在对人体胃中的幽门螺杆菌进行检测实验时，对尿素用C-13或C-14进行标记来检测。原理是幽门螺杆菌需要用尿素与尿素酶来产生氨气，，从而将为里的PH值提高。也可以检测其他的微生物细菌。1.6.2农用方面尿素是所有固体氮肥中N元素含量最高的一种速效中性肥料，也可以与其它化学肥料共同加工生产复合型肥料。在使用后溶解进土壤肥沃土地不会产生或残留下任何不利于土壤的毒素，也不会对农作物有毒害作用，是一种绿色作物肥料。但是，该肥料在生产过程中，需要严格控制温度，不然温度过高会产生副产物缩二脲，这种副产物会对农作物和其他植物产生生长抑制作用。我国对这种化肥的使用标准是其中含有的缩二脲的量不能超过0.5%，当含量超过1%时，禁止作为化学肥料使用，尤其是在育苗期是更不能使用。其他时期也不能使用过多或集中施用。尿素肥是通过有机合成生产出来的，需要提前一周左右施于土壤中，让土壤中的尿素酶将其分解后产生出碳酸铵或碳酸氢铵，这两种物质才会被作物的根部吸收作为养分，促进作物生长。尿素常作为提前使用的基础肥料和作物出苗之后的加强肥料继续为农作物提供营养。尿素在生产出来为大分子状态，土壤难以获取其中的养分，在下雨后容易随着土壤中的水分流失。即使在土壤中分解后，也会释放出氨气，有效成分随之挥发，所以在施肥时要将尿素深埋在土壤里，作物之下。肥料进入土壤的一部分以分子态存在与土壤水分中，经分解被吸收，其余大多数被酶物质分解成其他利于土壤吸收无机物质，全部被作用于作物根部，没有残留有害物质。另外生产时产生的副产物缩二脲也会被脲酶分解成无害物质。而且尿素在土壤中的转化过程也受到土壤环境的限制。温度，PH值，水份都有相应的影响，在这些条件的制约下尿素的所有的在土壤中反应都是中性的，而且土壤中的温度越高，尿素越会更快转化为有效物质。尿素经过水解产生的氨态氮施放在土壤表层后会挥发，尤其是在碱性土壤中最为严重。所以是施肥还应深埋在土壤中。尿素的适用范围在很广阔，可以作用到所有的土壤和农作物。不论是旱田还是水田，都可使用。因为尿素在土壤中转化的时候会沉积大量的铵根离子团。将导致PH值升高，加上生产时带出的少量缩二脲，这些浓度超过500Pm时就会抑制作物的发生于和生长。因此尿素不适合作为种肥使用。尿素又称氮肥，能加强作物的细胞分裂和生长，使其枝繁叶茂，结出硕果[3]。农用使用方法调节花量:大多数植物在生长发育的过程中都会遇到大小年的情况，当遭遇小年情况时，植物的枝叶和花梢生长过程则会十分缓慢，情况严重时会停止生长，这时应在植物开花后的几周内就开始向植物叶面喷洒0.5%的尿素混合溶液，持续少量多次喷洒，可以改善叶片中的含N量，防止叶片泛黄，掉落，促进新植物发芽成长。疏花疏果:果树的花蕊器官相比于其他植物来说对尿素溶液中的成分较为敏感，但果树反应较为迟钝。国外有关机构因此对其进行了实验检测，相关结果表明，其中果树的施肥量较其他植物相对较大，尿素溶液中N含量在7.4%左右，才能使果树枝繁叶茂，最佳喷洒浓度在10%左右，需要连续喷洒2周左右，既能达到最佳效果。但是实验指出，不同品种在不同的土壤条件下，在不同时期下的生长情况还需多次实验。水稻制种:杂交水稻在生长过程中，为了提高杂交水稻的产量，会特意改善杂交水稻的不育种繁种量和其制种量，采用尿素产品中的赤毒素喷洒在母体上来减轻母体外皮长度将其内穗完全露出；或者喷洒在整体上来改善水稻的生长，使水稻开花期同时步入正轨、但因赤毒素使用成本过高，可以用尿素替代使用，二者使用效果完全一样。防治虫害:众所周知尿素不仅有促进植物生长的功能，也可以作为防虫防害的药剂使用，一般将其和清水，洗衣服按一定比列混合均匀搅拌后喷洒在作物枝干上，可以有效将蚜虫、菜虫、蜜虫等害虫杀灭，药物效果可达90%。尿素铁肥:这种合成物成本较低，可以有效降低作物因缺失铁元素而产量降低。将这种混合物喷洒在作物枝叶上的效果比喷洒单一的亚铁溶液效果更为显著。因为尿素本身具有还原性，而且溶解染料性较强，同时还具有抗氧化性和吸湿性，所以尿素在纺织业中的用途也较为广泛。1.6.3工用方面根据相关机构的不完全统计，在全球的工业产量中，尿素的产能占比相当的大。目前，尿素工业的产能比已经是评价一个国家工业发展水平强大与否的标志性数据[4]。当然，通过加工尿素而得到的的下游产品数量也是相当多的。例如：尿素可以进一步经过反应生产密胺树脂[5]，这种树脂用途极为广泛，在纺织业，木材行业，塑料涂料等领域都有重大的作用，是一种尤为重要的有机化工原料。医药方面也颇有建树，尿素可制作出针对性很强的几十种化学合成药品。例如利尿剂，呋喃西林，鲁米娜等等[6]。尿素也经常作为炸药稳定剂基础原料、软化纤维制剂、防冻液、漂白剂等。1.6.4尿素工业的发展趋势在全球尿素生产的技术和经济环境之下，通常使用的尿素生产方法有以下三种：分别以天然气，石油和煤炭三种矿产资源为主要基础原料，来生产尿素。当前生产尿素的有关企业的年产吨位普遍都在100万吨和60万吨级，副产物氨对应每年可生产60万吨和36万吨。目前，我国的尿素产量稳居世界第一，占全世界总产能的三分之一。根据中国化工相关权威机构的统计，从本世纪初开始，我国的尿素总产量一直在稳步上升，到2006年已经达到约5000万吨，每年的平均增长将近250万吨，生产设备总装上涨了约40%，所有生产厂家的年平均持续开工率达95%，将其他化工肥料的产能和开工率远远甩在了身后，这得益于我国丰富的煤炭储存量。近几年，我国尿素年总产能呈现飞跃式上升。在建和拟见的生产厂分别有建峰80万吨，中石油吉林分厂104万吨，鄂尔多斯104万吨等大厂。预估未来尿素的扩厂充能将有所降低，但仍处于小幅增长趋势。目前为止，我国尿素生产基地和项目所使用的原料都是经过气化的煤炭，依靠当地矿产资源建厂的企业拥有无与伦比的资源优质，在行业竞争中，也有低成本的优势和较强的竞争优势。不难看出，尿素行业的新一轮生存法则定理无法避免，将加快行业资源和整体市场的整合，促进尿素生产和工艺优化的新步伐。1.7我国尿素合成工艺方法国内尿素合成的主要方法有水溶液全循环法，二氧化碳汽提法，氨汽提法[7]。1.7.1水溶液全循环法优缺点以及工艺特点水溶液循环法合成塔的操作条件相对简单。出合成塔后溶液经中、低压分解，再经二段蒸发造颗粒得尿素产品[7]。由于中压分解时压力低，分解气的热量除了在一段蒸发加热器下段回收一少部分冷凝的热量外，其余绝大部分热量由于冷凝的温度低，只能用冷却水将其移走。因此水溶液循环法蒸汽消耗较高，1.7吨蒸汽才能制得一吨尿素。由于这种方法没有高压拆卸和回收过程，高压设备少，资金投入低。工程消耗整体水平较高，安装规模较小。近年来，国内对基本设备进行了一系列技术创新，大力降低蒸汽消耗。有一定效果，减少了蒸汽消耗。1.7.2二氧化碳汽提法优缺点以及工艺特点传统的二氧化碳汽提法出来以后，利用水溶液循环法用来回收剩余未反应的物质的这种以前的方式就被随之取代了，而且还降低了尿素生产的能耗高的问题，二氧化碳汽提法简化了以前的工艺并且使所需要的设备减少，还克服了传统方法的很多缺点。此外和降膜式冷凝器的这种传统方式相比，体积减少近一半，然后也降低了尿素框架的高，增加了工艺中的热传热温差热传递系数，使传热面积减小，使操作的灵活性上升。二氧化碳汽提法有一个非常特殊的特点，该工艺在氨碳比最高的条件下，合成压力是最低的，此时二氧化碳在合成的压力下冷凝和汽提，产生较大的冷凝热，该冷凝热可以用来做系统隔热的动力和蒸汽喷射。1.7.3氨汽提法优缺点以及工艺特点采用的是降膜式汽提塔，操作温度在207℃左右，塔内过剩的氨会自动汽提，从而提高了甲基铵的分解速率，降低了中压系统的负荷。高压回路中的高压设备水平放置。主要原因是使用氨基甲酸酯喷射泵将高压装置水平放置，从而节省了框架的高度。用解吸塔底部液体对高压甲铵溶液预热；用中压力分解气对其预浓缩，将汽提塔产生的冷凝水中热量用于中压分解部分的热动力，对预热原料氨的低压分解，气该工艺过程易于控制和操作，使操作更为灵活。高热利用率和低能耗。气塔的工作温度高，汽提效率高。甲铵产生的热量最大。安装了两个甲铵冷凝器，采用了分开阶段来回收多余的热量，产生的蒸汽可以用来作为工艺过程中设备继续使用的副产品。年利用率高，爆炸的危险很小，防腐空气的量少，并且通过中低压方法排出的混合气体的氧含量低。2水溶液全循环法工艺流程2.1尿素合成原理尿素的生产工艺，无非就是要根据以下两个化学式来解决[8]:该式产物为氨基甲酸铵NH4COONH2，简称甲铵，该反应的反应速度较快，很容易达到动态的化学平衡，平衡时甲铵浓度可达90%以上，该反应是可逆强放热反应。该式反应速度较慢，不太容易就达到动态平衡，达到平衡得需要1h左右，但最终达到动态平衡后反应物也不能脱水生成尿素，反应的转化率在60%左右，因此这个反应是合成尿素的控制反应[9]，该反应是可逆微吸热反应。2.2水溶液全循环法流程介绍水溶液全循环法在我国的发展非常迅速，其工艺流程相对其他两种方法来讲比较成熟，在我国尿素原材料易得，生产装置国内可全套制造，除此之外国内伟大尿素工作者对尿素的生产研究发展取得了创新技术，如采用传统的尿素生产装置不但会大大损耗装置的产能，也会显著降低尿素的产量。结合本次设计考虑选用水溶液全循环法合成尿素[9]。附图：水溶液全循环法工艺流程图图2.1水溶液全循环法工艺流程图3物料衡算3.1计算基准[10]成品的规格以一吨成品尿素为基础标准粒状尿素成品规格为:含氮量46%(折合成尿素98.7%)缩二脲0.9%水份0.3%其他杂志0.1%原料消耗定额年产80wt尿素通用设计采用的原料消耗定额为NH36925kg/tCO29373kg/t3.2合成塔物料衡算3.2.1衡算条件进合成塔NH3/CO2=4.1(摩尔比)H2O/CO=0.65(摩尔比)合成塔操作条件压力P=21.58MPa(表压)温度T=190℃尿素合成率63%液氨纯度为99.8%3.2.2CO2合成气组成8876.06kg或201.729kmol其中CO2:8776.84kg或198.27kmolO2:34.50kg或1.078kmolN2:61.37kg或2.192kmolH2O:3.34kg或0.186kmol3.2.3甲铵液中组分物料量溶液中CO2含量未转化为尿素的CO2的量为:除去由气相只进入CO2即为氨基甲酸铵溶液之中量，即为:除去由气相只进入CO2溶液中的氨量:甲铵液中NH3/CO2=3.1NH3:溶液中的H2O量:合成塔内H2O/CO2=0.65(摩尔比)H2O:溶液中的尿素:由计算条件知为29.85kg或0.4975kmol3.2.4原料液NH3量高压氨泵漏损11.69kgNH3:3.2.5循环液NH3NH3/CO2=4.1(摩尔比)进塔NH3总量为:返回的氨量:3.2.6尿素的生成量3.2.7甲铵的生成量设未转化为尿素的CO2均以甲铵的形式出塔:其中CO2:NH3:3.2.8过量的NH3生成的尿素耗NH3:过量NH3:3.2.9生成的H2O的量原料以及甲铵中带入水分及尿素反应生成水之和:N2、O2量同入口量无变化3.2.10合成系统的物料衡算表表3.1合成系统物料平衡序号输入物料kgkmol序号输入物料kgkmol1原料CO2气8876.06201.7291反应后混合物64666.312752.6382其中CO28776.84198.27332其中:尿素27280.16454.663O234.5071.0783甲铵溶液9241.128118.4764N261.372.1924{CO25212.93118.4765H2O3.34320.18575NH3}4028.184236.9526原料液氨6913.31406.676NH311431.31672.437循环液氨8979.10528.1837H2O7377.529409.8638甲铵溶液15510.89707.16358O234.5071.0789其中NH36425.796377.9889N261.3722.19210CO25312.18120.7311H2O3743.064207.94812尿素29.850.4975合计64666.312752.638合计64666.312193.763.3预分离器物料衡算3.3.1衡算条件甲铵的总分解率为88%氨的总过量蒸出率90%甲氨在预分离器的分解率15%出口气相水分在预分离器的含量4.65%(摩尔比)出口气相水分在一段分解分离器的含量17%3.3.2预分离器出口气体组成CO2:过量的氨蒸出:NH3:甲铵分解:NH3:共计由气体中的H2O:除了水以外气相中的其他组分:所以水量为:惰性气体:O2:N2:3.3.3预分离器的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:3.3.4预分离器的物料衡算表表3.2预分离器的物料平衡序号输入物料kgkmol序号输出物料kgkmol1反应混合物64666.312493.761出口气体9465.97524.792其中:尿素27280.16454.662其中:CO2781.9417.773甲铵溶液9241.128118.4763NH38148.95479.354{CO25212.93118.4764H2O439.224.45NH3}4028.184236.955O234.50661.0786NH311431.31672.436N261.37162.1927H2O7377.529409.867出口溶液45960.041370.868O234.50661.0788其中:CO24431.064100.7069N261.37162.1929NH37310.544430.03210H2O6938.28385.4611尿素27280.16454.66合计64666.312193.76合计64666.312193.763.4一段分解塔的物料衡算3.4.1出口气体的组成出口气体中的CO2:出口气体中的NH3:由过量氨蒸出:由甲铵分解得:一段分解塔分解出的氨:总的氨量:出口气体中的H2O:3.4.2一段分解塔的出口溶液组成出口溶液中的CO2:出口溶液中的NH3:出口溶液中的水:出口溶液中的尿素:3.4.3一段分解塔的物料平衡表表3.3一段分解塔的物料平衡序号输入物料kgkmol序号输出物料kgkmol1出口溶液45960.051370.861出口气体9644.9501.6序号输入物料kgkmol序号输出物料kgkmol2其中:CO24431.064100.7062其中:CO23805.5186.493NH37310.544430.0323NH35684.239334.3674H2O6938.28385.464H2O155.1686.25尿素27280.16454.665一段分解塔出口液34918.35863.816其中CO2:625.214.227NH31626.3195.678H2O5386.68299.269尿素27280.16454.66合计45960.051370.86合计45960.051370.863.5二段分解塔的物料衡算3.5.1衡算的条件一段以及二段分解系统的总甲铵分解率98.2%一段以及二段分解系统的总过量氨蒸出率99.4%二段分解塔的出口气体内含水25%二段分解系统的操作压力0.3924MPa二段分解系统的温度120-150℃3.5.2缩二脲反应的计算缩二脲的生成反应如下:2×6010317x6y反应消耗的尿素量:放出的NH3量y:3.5.3出口气体中CO2气体中的NH3由甲铵分解后得氨加入缩合反应后放出氨3.5.4出口气体中H2O3.5.5二段分解塔出口的溶液组成出口溶液中的CO2:出口溶液中的NH3:出口溶液中的水分:出口溶液中的尿素:出口溶液中的缩二脲:3.5.6二段分解塔的物料衡算表表3.4二段分解塔的物料衡算序号输入物料kgkmol序号输出物料kgkmol1塔出口液34918.35863.811出口气体2127.6104.3422其中:CO2625.214.222其中:CO2531.7212.083NH31626.3795.673NH31102.6664.8624H2O5386.68299.264H2O493.2227.45尿素27280.16454.665二段分解塔出口液33273.12770.56其中:CO2581.6813.227NH3524.79271.868H2O4893.48271.869尿素27273.17454.5510缩二脲71.640.6925合计34918.35863.81合计34918.35863.814热量衡算4.1计算基准[11]CO2气的进口气压为21.680MPa，T=125℃甲铵溶液的进口压力21.680MPa，T=100℃尿素反应物的出口压力为21.680MPa，T=190℃4.2合成塔的热量衡算4.2.1CO2气体降压降温吸热△H121.680MPa125℃时，i=694.21kJ/kg0.0981MPa25℃时，i=727.67kJ/kg[13]4.2.2当量NH3气化吸热△H20.0981MPa25℃时，i=1768.99kJ/kgi=IkJ/kg21.68MPa[11]4.2.3固体甲铵生成时反应热△H31大气压时，25℃固体甲铵生成热为4.2.4固体甲铵升温吸热△H4由25℃升温至150℃时热焓增值21997.32kJ/kmol4.2.5固体甲铵熔融吸热△H5△H5—循环甲铵液升温吸热尿素在150℃时生成热为20282.7kJ/kmol4.2.6循环甲铵升温吸热△H6取固体甲铵比热为取37.4%氨水比热4.2.7甲铵转化成尿素时吸热△H7尿素在150℃时的生成热为21830.04kJ/kmol4.2.8(△H8+△H9+△H10+△H15)反应熔融物升温吸热尿素比热甲铵比热60.7%氨水比热4.2.9循环氨升温吸热△H11NH321.680MPa（绝）132.5℃时，i=1120.78kJ/kg21.680MPa（绝）t℃时,i=IkJ/kg4.2.10循环液氨气化热△H12NH3在临界温度下气化时，其热效应为04.2.11循环氨升温吸热△H1321.680MPa132.5℃时，i=1120.78kJ/kg21.68MPa150℃时，i=1246.24kJ/kg4.2.12循环氨与水混合放热△H14氨水浓度为60.7%混合热为397.29kJ/kgNH3氨水浓度为37.4%混合热为656.57kJ/kgNH3△H16—惰性气体升温吸热在21.68MPa125℃时，i=280.19kJ/kg21.68MPa190℃时，i=347.11kJ/kg4.2.13合成塔热损失△H17尿素合成塔热平衡4.2.14合成塔热量平衡表表4.1合成塔热量平衡序号输入热量kJ%序号输出热量kJ%1甲铵生成热1CO2降温降压293673.0660.8331558025.2389.792当量氨降温5367770.4226.502过量氨混合热3固体甲铵升温4361408.63612.412055487.92210.214甲铵熔融吸热4021450.92911.445循环甲铵升温2436760.8196.776甲铵转化吸热9914385.54212.387反应物升温5426286.9015.348循环氨升温(△H11+△H13)1133162.7412.479循环氨汽化0010惰性气体升温6488.080.0211热损失652126.021.84合计33613513.15100合计33613513.151004.3预分离器热量衡算4.3.1进口液相带入热量反应熔融比热为[14]4.3.2进口气相带入热量空气在21.680MPa，190℃i=355.47kJ/kg0.0981MPa，25℃i=190.28kJ/kg[11]4.3.3出口液相带出热量设预分离器出口液和温度为t℃甲铵比热151.81kJ/kmol尿素比热1.99kJ/kg·℃35.9%氨水比热4.6002kJ/kg·℃4.3.4排出气相带出热0.060MPa118℃i=811.31kJ/kg0.0981MPa25℃i=727.67kJ/kgNH3气带出显热1.612MPa，118℃i=1932.08kJ/kg0.0981MPa，25℃i=1764.80kJ/kgH2O气带出显热据0.0833MPa，118℃i=2714.118kJ/kg0.98MPa，25℃i=104.5kJ/kg惰性气体带出显热0.011MPa，118℃i=282.285kJ/kg0.0981MPa，25℃i=190.281kJ/kg4.3.5甲铵分解热量在0.0981MPa时，25℃甲铵生成热159166.92kJ/kmol甲铵熔融热20282.7kJ/kmol甲铵在1.7058MPa，120℃分解热为q=-133828.182kJQ=1.48×(-133828.182)=-198065.71kJ4.3.6NH4OH分解热将NH4OH分解过程解析如下[12]118℃41℃41℃A:取60.7%氨水比热5.018kJ/kg·℃60.7%氨水在最初态混合热为397.29kJ/kgNH335.9%氨水在最终态混合热为664.938kJ/kgNH3C:NH3汽化热在1.612MPa时为1095.68kJ/kg分解NH3量为(951.49-323.51)=627.98kgD:升温吸热4.3.7热损失取热量损失约进入热负荷的1.19%4.3.8预分离器出口液相温度tt=107.62℃出口液相带出热量Q34.3.9预分离器热量衡算表表4.2预分离器热量衡算序号输入热量kJ%序号输出热量kJ%1反应熔融带入22403198.499.931反应熔融物8784365.9139.182气相带入15838.120.072排出气相257272911.473甲铵分解热2364904.5710.554NH4OH分解热8444625.3237.675热损失252411.721.13合计22419036100合计224190361004.4一段分解塔热量衡算4.4.1反应熔融物带出热量反应熔融物比热计算取17.51%氨水比热4.6002kJ/kg·℃尿素比热1.991kJ/kg·℃甲铵比热151.807kJ/kmol·℃反应熔融物带入的热量Q1=8784365.91kJ4.4.2气相中CO2带出的热量0.301MPa，160℃i=848.95kJ/kg0.0981MPa，25℃i=727.67kJ/kg4.4.3气相中NH3带出热量1.164MPa，160℃i=2036.63kJ/kg0.0981MPa，25℃i=1764.8kJ/kg4.4.4气相中H2O带出热量0.3MPa，160℃i=2776.85kJ/kg0.0981MPa，25℃i=104.55kJ/kg气相带出热量总和为4.4.5甲铵分解吸热甲铵分解量甲铵分解热133828.18kJ/kmol4.4.6NH4OH分解热35.9%氨水降温放热取比热为4.6kJ/kg·℃NH4OH分解热氨水最初状态浓度为35.9%NH3，混合热为664.94kJ/kgNH3氨水最终状态浓度为17.5%NH3，混合热为815.49kJ/kgNH3分解热氢汽比热1.164MPa，30℃NH3汽化比热为1144.2kJ/kg分解NH3量为3862.71-1136.09=2726.62kg升温吸热氨气1.164MPa，30℃i=1703.75kJ/kg1.164MPa，160℃i=2040.82kJ/kg17.51%氨水，取其比热为4.6kJ/kg·℃4.4.7热损失Q8=94273.7kJ一段分解塔热平衡求取加入蒸汽热负荷4.4.8一段分解热平衡表表4.3一段分解热平衡序号输入热量kJ%序号输出热量kJ%1反应熔融物8784365.9130.931反应熔融物7559608.7126.622加热蒸汽供给19613363.9469.072气相CO2458607.951.613气相氨1535711.855.414气相水4117951.2314.505甲铵分解11502892.440.516NH4OH分解3128684.0211.027热损失94273.70.33合计283997729.8100合计28397729.81004.5二段分解塔热量衡算4.5.1溶液带入热量Q1=7559608.71kJ4.5.2加热蒸汽供给热量Q24.5.3尿液带出热量尿液带出热量71.6%尿液4.5.4分解气体带出热量[12]CO20.035MPa，120℃i=811.31kJ/kg0.0981MPa，25℃i=727.67kJ/kgNH30.259MPa，120℃i=1969.72kJ/kg0.0981MPa，25℃i=1768.99kJ/kgH2O0.0981MPa，120℃i=2714.12kJ/kg0.0981MPa，25℃i=104.55kJ/kg4.5.5甲铵分解热1.766MPa120℃甲铵分解热为133828.18kJ/kmol4.5.6NH4OH分解热溶液中的NH3量最初为95.04-2×14.09=66.86kmol溶液中的NH3量最终为8.36-2×2.15=4.06kmolNH4OH分解量为66.86-4.06=62.8kmol溶液中最初的H2O/NH3=297.3/66.86=4.45溶液中最终的H2O/NH3=264.23/4.06=65平均在常温常压下氨的分解热为35254.26kJ/kmolQA—氨水降温降压放热量QB—0.0981MPa，20℃下氨水分解吸热量QC—氨气升温升压吸热量0.0981MPa，20℃i=1768.99kJ/kg0.3924MPa，120℃i=1965.54kJ/kgQD—氨水升温吸热因二段分解塔出口液相中所含的氨量少故氨水浓度很低。取其比热热损失:取热损失为进热负荷的1.6%Q7=127828.68kJQ2=3568055.794kJ4.5.7二段分解塔热量平衡表表4.4二段分解塔热量平衡序号输入热量kJ%序号输出热量kJ%1尿素溶液带入7559608.7167.941尿素溶液带出6048752.0654.362蒸汽供给热量3568055.7932.062甲铵分解热1597908.4714.363NH4O分解热1457209.9813.094气相带出热1895965.3117.045热损失127828.681.15合计11127664.5合计11127664.5100

5设备工艺计算5.1尿素合成塔计算[15]选用衬里式合成塔有效容积:V′—尿素合成塔的有效容积G′—尿素的生产能力转化率:64%尿素合成塔的生产强度为生产能力:实际选取344m3设计裕度为35%实际生产强度:按塔底进料气体计算气相流量.进塔气体:CO2:5895.448kg或133.984kmolN2:148.968kg或4.84kmolO2:22.4kg或0.7kmol计:6066.816kg或140kmol进塔气体密度:气相流量:333.33—日产量/t空塔气速:u=0.0052m/s塔径:圆整:D=5.1m塔高:5.2解析塔的计算5.2.1计算依据(1)收入物料:氨碳溶液3.5MPa120℃尿素CO2H2ONH3共计加热蒸汽H2O(2)支出物料:解吸气0.36Mpa115℃CO2H2ONH3共计解吸废液尿素CO2H2ONH3共计(3)由于解吸过程的主要材料是氨和水，因此碳氨液中尿素和二氧化碳的摩尔浓度非常低。为了简化计算，液相中的少量二氧化碳不考虑蒸馏过程。氨是轻组分，水是复合物。板数由氨水-二元体系计算得出。5.2.2塔板数的计算(1)理论塔板数的计算，按氨-水二元系考虑时，溶液组成为：组分入口氨水出口氨水NH37.94%(重量)8.36%(摩尔)0.071%(重量)0.075%(摩尔)H2O92.06%(重量)91.64%(摩尔)99.929%(重量)99.925%(摩尔)氨水溶液及平衡蒸汽的组成，沸点，分压及相对挥发度如下[16]：表5.1氨水溶液的组成NH3%(重量)1.02.03.04.05.06.07.08.0NH3(摩尔)1.035.286.337.388.43H2O(摩尔)98.9497.8896.8395.7794.7293.6792.6291.57溶液沸点136.5133129.5126122.5119.5116.5113.5PNH3,kg/cm2(绝)0.40.841.131.4691.6381.8752.0712.125YNH3(摩尔)11.4324.032.2941.9746.853.5757.1461.43YH2O(摩尔)88.5778.067.7158.0353.246.4342.8638.57ɑ12.0514.5845.5646.3715.7817.016.7317.3ɑ—相对挥发度平均相对挥发度ɑ=15.546平衡关系式为:全塔物料衡算关系式为:式中，L—气体流量，kmol/hV—气体流量,kmol/lW—残液量，kmol/lXm—第m块板溶液氨的摩尔分数Xw—残液中氨的摩尔分数Ym+1—第m+1块板上气相中氨的摩尔分数m,m+1—自上而下数的塔板序号联立两式，得操作线方程:以L=20.9053，Xw=0.075%，W=21.46%，V’=3.8792代入上式得，进料中，x=8.36%，即第一块板(进料板)Xm=8.36%逐板计算结果如下:表5.2逐板计算操作线方程平衡线方程Y1=6.2883×0.0836-0.0048=0.5209X1=0.5209/(15.546-14.546×0.5209)=0.06537Y2=0.40627X2=0.04216Y3=0.26031X3=0.02214Y4=0.13442X4=0.0099Y5=0.5745X5=0.0039Y6=0.01972X6=0.0012Y7=0.00331X7=0.00021已知Xw=0.075%X6﹥Xw﹥X7故解吸塔理论板数为8块(2)实际塔板数计算，蒸馏塔全塔效率按下式计算式中;ET—全塔效率ɑ—相对挥发度u1—液相平均粘度103Pa·s溶液平均粘度解吸塔底部鼓泡段相当于一块塔板，故解吸塔理论塔板数取7块实际塔板数:N=7/0.382=18.3块实际取20块。5.2.3塔径及附属设备计算物料物性数据：(1)气体密度：塔顶：塔底：近似取0.4Mpa水蒸气重度平均值(2)液相密度:塔顶：近似取7456kg/m3塔底：近似取7384kg/m3平均值(3)气相流量：按恒分子流假设，近似为：式中：333—尿素日产量，t/d129—平均温度，℃(4)液相流量：(5)表面力塔顶20℃时:其他温度时:假临界温度:塔底，取水的数据平均值塔径计算取泡罩中心距Aa/Ac=2.05泡罩齿缝开度hs取0.6h,即hs=0.027m由式泡罩量m为M=26.6个取m=27个鼓泡面积：取鼓泡面积占塔截面积的60%塔径D=0.77m实际取D=0.8m空塔速度:实际鼓泡面积为塔板面积的53%附属设备计算(1)泡罩选型泡罩直径：Dg=80m齿缝开度：h=0.0045m齿缝宽度：b1=0.004m泡罩底面积Ac=0.00504m2齿缝总面积：F4=0.0023m2升气管×壁厚∮57×2.75升气管净面积F1=0.001716m2(2)溢流形式塔径、流量均小，宜采取单溢流形式(3)堰长及堰宽堰长Lw=356mm,堰宽Wd=74mm堰长Lw为塔径D的356/900=0.396倍最大的堰长远小于规定值(4)塔盘布置核算：Af/AT=0.0922溢流堰面积:鼓泡面积Aa=0.2790m2塔截面积AT=0.5022受液盘面积约占溢流面积:Aa/AT=55.6%2Af/AT=18.43%液流外围面积占塔盘比例:溢流堰前安定区:因解吸塔塔径较小，故ws可取较小的值。泡罩外缘至塔壁最小距离为:对于Dg900的小直径塔，有足够的边缘支撑塔盘(5)齿缝开度正常气量时齿缝开度为：