《年產(chǎn)80萬(wàn)噸尿素合成工段工藝設(shè)計(jì)》13000字

年產(chǎn)80萬(wàn)噸尿素合成工段工藝設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u3579摘要 384831綜述 341411.1尿素簡(jiǎn)介 3254861.2尿素的歷史淵源 4294091.3尿素的發(fā)展前景 4101651.4尿素的物理性質(zhì) 590231.5尿素的化學(xué)性質(zhì) 5233581.6尿素的應(yīng)用 623971.7我國(guó)尿素合成工藝方法 8150742水溶液全循環(huán)法工藝流程 10307452.1尿素合成原理 10298562.2水溶液全循環(huán)法流程介紹 10119243物料衡算 11171023.1計(jì)算基準(zhǔn)[10] 11221573.2合成塔物料衡算 1197183.2.1衡算條件 11255963.2.2CO2合成氣組成 121523.2.3甲銨液中組分物料量 12216063.2.4原料液NH3量 1248733.2.5循環(huán)液NH3 12174503.2.6尿素的生成量 13225563.2.7甲銨的生成量 1369023.2.8過(guò)量的NH3 13144103.2.9生成的H2O的量 13186513.2.10合成系統(tǒng)的物料衡算表 13202073.3預(yù)分離器物料衡算 142693.3.1衡算條件 1468023.3.2預(yù)分離器出口氣體組成 1419383.3.3預(yù)分離器的出口溶液組成 14308083.3.4預(yù)分離器的物料衡算表 1444543.4一段分解塔的物料衡算 1530813.4.1出口氣體的組成 15294183.4.2一段分解塔的出口溶液組成 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衡算的條件 16179623.5.2縮二脲反應(yīng)的計(jì)算 16158473.5.3出口氣體中CO2 16253943.5.4出口氣體中H2O 17152903.5.5二段分解塔出口的溶液組成 17202503.5.6二段分解塔的物料衡算表 1770414熱量衡算 17190494.1計(jì)算基準(zhǔn)[11] 17190164.2合成塔的熱量衡算 1825814.2.1CO2氣體降壓降溫吸熱△H1 1873934.2.2當(dāng)量NH3氣化吸熱△H2 18318894.2.3固體甲銨生成時(shí)反應(yīng)熱△H3 18175044.2.4固體甲銨升溫吸熱△H4 18171654.2.5固體甲銨熔融吸熱△H5 18317894.2.6循環(huán)甲銨升溫吸熱△H6 18704.2.7甲銨轉(zhuǎn)化成尿素時(shí)吸熱△H7 19145224.2.8(△H8+△H9+△H10+△H15)反應(yīng)熔融物升溫吸熱 1979674.2.9循環(huán)氨升溫吸熱△H11 19230924.2.10循環(huán)液氨氣化熱△H12 19194734.2.11循環(huán)氨升溫吸熱△H13 19205084.2.12循環(huán)氨與水混合放熱△H14 19194664.2.13合成塔熱損失△H17 20167074.2.14合成塔熱量平衡表 20253384.3預(yù)分離器熱量衡算 2011164.3.3出口液相帶出熱量 21114094.3.4排出氣相帶出熱 21284364.3.5甲銨分解熱量 2255284.3.6NH4OH分解熱 22147424.3.7熱損失 2286864.3.8預(yù)分離器出口液相溫度t 23233274.3.9預(yù)分離器熱量衡算表 23192784.4.1反應(yīng)熔融物帶出熱量 2341394.4.2氣相中CO2帶出的熱量 2318654.4.3氣相中NH3帶出熱量 24325114.4.4氣相中H2O帶出熱量 24138564.4.5甲銨分解吸熱 24219224.4.6NH4OH分解熱 2424014.4.7熱損失 25216334.4.8一段分解熱平衡表 25103564.5.1溶液帶入熱量 2649484.5.4分解氣體帶出熱量[12] 26190634.5.5甲銨分解熱 27312274.5.6NH4OH分解熱 27307464.5.7二段分解塔熱量平衡表 28300565設(shè)備工藝計(jì)算 29321045.1尿素合成塔計(jì)算[15] 29288955.2解析塔的計(jì)算 3047475.2.1計(jì)算依據(jù) 3076825.2.2塔板數(shù)的計(jì)算 31153855.2.3塔徑及附屬設(shè)備計(jì)算 34108955.2.4流體力學(xué)計(jì)算[17] 3898385.2.5設(shè)計(jì)結(jié)果 41145206結(jié)論 43摘要本設(shè)計(jì)的尿素合成工藝采用水溶液全循環(huán)法，其中主要包括:原料的壓縮、原料的凈化、合成工段、粗產(chǎn)品的解吸、蒸發(fā)造粒、中低壓吸收。原料CO2是合成車(chē)間經(jīng)過(guò)凈化工段得來(lái)，液氨從氨儲(chǔ)存器中送出,兩種原料在合成塔的高溫高壓環(huán)境下反應(yīng)生成尿素產(chǎn)品。合成塔塔釜送出的溶液組分中含有尿素溶液、氨基甲酸銨溶液，過(guò)剩的氨和水通過(guò)循環(huán)裝置回收后再次送入合成塔,采用水作為整個(gè)流程的循環(huán)介質(zhì)。由閃壓蒸餾槽送出的尿素溶液首先進(jìn)入一段蒸發(fā)器在高溫環(huán)境中升溫至130℃,在0.033MPa壓力下,尿素溶液的含量濃縮至96%(W)，繼續(xù)送入二段蒸發(fā)加熱器,進(jìn)行高溫加熱至140℃后再經(jīng)減壓操作使壓強(qiáng)降低，達(dá)到0.0033MPa，溶液中尿素的組分含量達(dá)到99.7%(W)，經(jīng)一系列操作后的尿素溶液經(jīng)過(guò)泵設(shè)備送向造粒塔進(jìn)行成品加工。本設(shè)計(jì)主要介紹尿素物化性質(zhì)，原料的前期加工，合成工段的操作及物料熱量衡算，相關(guān)設(shè)備的計(jì)算和規(guī)格選型等工作。關(guān)鍵詞:尿素；合成工藝；工藝設(shè)計(jì)1綜述1.1尿素簡(jiǎn)介尿素，簡(jiǎn)稱(chēng)為脲、碳酰胺[1]，化學(xué)分子式是CH4N2O，由碳、氮、氧、氫四種化學(xué)元素組成，外觀為無(wú)色或白色針狀或棒狀的結(jié)晶體，其化學(xué)結(jié)構(gòu)是相對(duì)簡(jiǎn)單的一種有機(jī)物，主要是由哺乳動(dòng)物和魚(yú)類(lèi)代謝出來(lái)的產(chǎn)物。尿素是各種植物所需的主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之一，也可作為肥沃土壤的原料。該化肥儲(chǔ)存方便，副作用小，在全世界農(nóng)業(yè)中大量使用，也是所有化肥中氮含量最高的氮肥。工業(yè)上合成尿素通常在一定條件下使用氨和二氧化碳兩種原料。1.2尿素的歷史淵源伊萊爾·羅埃爾是世界上第一個(gè)發(fā)現(xiàn)尿素的人。但是歷史上使用尿素的第一個(gè)人卻是弗里德里?！ぞS勒，他是德國(guó)化學(xué)家，他使用了硫酸銨和氰酸銨來(lái)人工合成尿素。再一次偶然的機(jī)會(huì)下他打開(kāi)了有機(jī)化合物和人工合成的新大門(mén)。就因?yàn)榇耸?，證明了活力論的不正確，從此有機(jī)學(xué)開(kāi)始浮現(xiàn)?；盍φ撜J(rèn)為無(wú)機(jī)物和有機(jī)物相比在根本上就有所不同，所以無(wú)機(jī)物不可能變成有機(jī)物，有機(jī)化合物是由生物的體細(xì)胞在生命力的作用下產(chǎn)生的，不能通過(guò)人工合成這種方式。查閱資料發(fā)現(xiàn)，兩棲動(dòng)物與哺乳動(dòng)物和某些魚(yú)的尿液中有尿素，鳥(niǎo)和爬行動(dòng)物排放的是尿酸，因?yàn)槠涞x過(guò)程使用的水量比較少[2]。1.3尿素的發(fā)展前景在尿素發(fā)現(xiàn)并投入商業(yè)用途的前期，相對(duì)利潤(rùn)還是比較可觀的，但是在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間發(fā)展后，大多數(shù)企業(yè)引進(jìn)了相關(guān)技術(shù)后開(kāi)始生產(chǎn)，帶動(dòng)了一系產(chǎn)業(yè)發(fā)展，到后期尿素的成本比等開(kāi)始下降，因此尿素行業(yè)經(jīng)歷了一次大變動(dòng)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)。目前尿素行業(yè)趨于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，現(xiàn)如今隨著化工行業(yè)的大力發(fā)展，能代替尿素的產(chǎn)品越來(lái)越多，尿素行業(yè)要不加大科研進(jìn)程優(yōu)化、要不就只能等待自生自滅。全球尿素的產(chǎn)能供應(yīng)已達(dá)到充足狀態(tài)，尿素的暴利時(shí)代已經(jīng)結(jié)束。1.3.1新型產(chǎn)品聚氨酸尿素:聚氨酸可以提升離子的養(yǎng)分與根系的親和力從而發(fā)揮自身的離子泵作用，加強(qiáng)植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分的利用強(qiáng)度；可以有效提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，使其超過(guò)原產(chǎn)量的7%-30%；可以大大提高肥料的營(yíng)養(yǎng)成分中N元素的利用率至24%-32%；能減少肥料的使用量至15%-20%；這種尿素產(chǎn)品副作用小對(duì)生物無(wú)毒無(wú)害，符合國(guó)家提倡的綠色農(nóng)業(yè)，新產(chǎn)品對(duì)比普通尿素來(lái)講，效率高，用量少，可以起到以一敵百的作用。新型產(chǎn)品內(nèi)含聚氨酸活性物質(zhì)，比一般的復(fù)合肥料更具有抗旱性、保水性、養(yǎng)分利用率高等特點(diǎn)。多肽尿素:生物發(fā)育成長(zhǎng)的過(guò)程離不開(kāi)酶，所有生物的生老病死都有酶的參與，是不可缺少的一種物質(zhì)，酶作為生物催化劑，可以促進(jìn)生物體內(nèi)的所有化學(xué)反應(yīng)順利進(jìn)行。\t"/item/%E5%B0%BF%E7%B4%A0/_blank"多肽存在于生物體內(nèi)的各種部位，影響著所有細(xì)胞的生物功能。氨基酸在蛋白質(zhì)分子中以肽鍵的形式連接在一起進(jìn)行反應(yīng)作用，金屬離子化合物對(duì)生物的蛋白酶作用很，主要作用于蛋白酶的生物活性方面，可以對(duì)生物的調(diào)節(jié)功能、催化功能、識(shí)別功能起到至關(guān)重要的作用，這也鮮明的體現(xiàn)了該蛋白酶的特殊功能，該產(chǎn)品和可以有效提高化肥的效率，改變分子性狀，激發(fā)化肥的作用。并且此種蛋白酶是可以直接被植物和土壤所吸收，從而轉(zhuǎn)化為植物所需的能量及重要元素，然后促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，使土壤也擁有更多的“體能”，經(jīng)過(guò)查閱資料，多肽尿素的作用性和表現(xiàn)性很強(qiáng)，一般植物使用該種化肥時(shí)，會(huì)使植物的成熟期大大的提前，例如棉花、玉米、西紅柿、馬鈴薯等成熟期提前到來(lái)，并且施用該種化肥對(duì)農(nóng)作物的品質(zhì)以及物料利用率都呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)[3]。1.3.2國(guó)內(nèi)尿素的發(fā)展進(jìn)程我國(guó)作為世界大國(guó)，在尿素生產(chǎn)方面和消費(fèi)方面遙遙領(lǐng)先，每年尿素產(chǎn)量占全世界總產(chǎn)量的1/3；尿素消費(fèi)總量占全世界總消費(fèi)量的1/3。就近幾年來(lái)看，尿素的產(chǎn)量還在不斷增加，一直呈上升趨勢(shì)，2015年至2020年的平均上升率為7.5%；總體消費(fèi)量也在不斷上升，2015年至2020年平均上升率為7.6%。以此態(tài)勢(shì)來(lái)看，我國(guó)就尿素行業(yè)可以一直保持供大于求的狀態(tài)。1.4尿素的物理性質(zhì)尿素非常容易溶解到水中，在常溫環(huán)境下每大約每100毫升的水中可以溶解超過(guò)105克的尿素，而且溶質(zhì)水的酸堿度不會(huì)發(fā)生變化，仍然呈中性。針狀或棱柱狀的結(jié)晶尿素比顆粒狀尿素的吸附性能更強(qiáng)，吸除濕份后結(jié)成不規(guī)則塊狀，而且速度更快，達(dá)到12倍之多。顆粒狀的尿素外觀呈現(xiàn)的是大小約2毫米的略透光的小顆粒，沒(méi)有明顯的雜質(zhì)參入，吸濕的功能略有提高。當(dāng)溫度降低時(shí)尿素的吸濕功能會(huì)增高，與溫度呈相反趨勢(shì)，在室溫環(huán)境下，相對(duì)吸濕率的臨界點(diǎn)大約為80%，溫度升到30℃左右時(shí)，相對(duì)吸濕率減低至75%左右。因此尿素的儲(chǔ)存條件必須在干燥通風(fēng)的環(huán)境子下存放。在濕度較大的夏天，存放條件更加苛刻，所以在生產(chǎn)時(shí)要加入含有疏水基的石蠟以防吸入過(guò)量水分而使成分變質(zhì)失效。1.5尿素的化學(xué)性質(zhì)尿素具有水解作用，尿素呈堿性與酸性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)會(huì)生成鹽類(lèi)物質(zhì)。尿素還可進(jìn)行縮合反應(yīng)，在高溫環(huán)境下尿素可以縮成縮二脲，縮三脲等等所和物質(zhì)。尿素會(huì)在高溫下發(fā)生分解反應(yīng)，溫度在160℃左右，會(huì)分解產(chǎn)生氣體氨，并且本體會(huì)變成異氨酸物質(zhì)。這種物質(zhì)之所以稱(chēng)之為尿素，是因?yàn)樵谌梭w和動(dòng)物粘液中含有此物質(zhì)，即成為尿素。同時(shí)，尿素是所有固體肥料中氮含量最高的物質(zhì)，用于農(nóng)莊作物肥料效果很可觀。尿素還可以在加熱狀態(tài)下與酸堿物質(zhì)發(fā)生水解反應(yīng)，產(chǎn)生NH3和CO2。尿素的熱穩(wěn)定性不是很強(qiáng)，可以利用這一特性來(lái)檢測(cè)尿素成分，加熱到分解溫度160℃時(shí)，會(huì)分解成縮二脲物質(zhì)。該物質(zhì)加入硫酸銅呈現(xiàn)出紫色。如果溫度快速升高，則會(huì)將N元素脫出，進(jìn)而形成環(huán)化物質(zhì)三聚氰酸。機(jī)理是先脫氨生成異氨酸，在環(huán)化。圖1.1尿素1.6尿素的應(yīng)用1.6.1醫(yī)用方面因尿素有良好的吸濕性能，所以醫(yī)院的皮膚科醫(yī)生常用含有尿素成分的藥物來(lái)讓皮膚有較好的濕度。人體角質(zhì)蛋白物質(zhì)如支指甲等在非手術(shù)摘除或脫落后，治療所用的藥物輔料中含有約40%。在對(duì)人體胃中的幽門(mén)螺桿菌進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)尿素用C-13或C-14進(jìn)行標(biāo)記來(lái)檢測(cè)。原理是幽門(mén)螺桿菌需要用尿素與尿素酶來(lái)產(chǎn)生氨氣，，從而將為里的PH值提高。也可以檢測(cè)其他的微生物細(xì)菌。1.6.2農(nóng)用方面尿素是所有固體氮肥中N元素含量最高的一種速效中性肥料，也可以與其它化學(xué)肥料共同加工生產(chǎn)復(fù)合型肥料。在使用后溶解進(jìn)土壤肥沃土地不會(huì)產(chǎn)生或殘留下任何不利于土壤的毒素，也不會(huì)對(duì)農(nóng)作物有毒害作用，是一種綠色作物肥料。但是，該肥料在生產(chǎn)過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制溫度，不然溫度過(guò)高會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物縮二脲，這種副產(chǎn)物會(huì)對(duì)農(nóng)作物和其他植物產(chǎn)生生長(zhǎng)抑制作用。我國(guó)對(duì)這種化肥的使用標(biāo)準(zhǔn)是其中含有的縮二脲的量不能超過(guò)0.5%，當(dāng)含量超過(guò)1%時(shí)，禁止作為化學(xué)肥料使用，尤其是在育苗期是更不能使用。其他時(shí)期也不能使用過(guò)多或集中施用。尿素肥是通過(guò)有機(jī)合成生產(chǎn)出來(lái)的，需要提前一周左右施于土壤中，讓土壤中的尿素酶將其分解后產(chǎn)生出碳酸銨或碳酸氫銨，這兩種物質(zhì)才會(huì)被作物的根部吸收作為養(yǎng)分，促進(jìn)作物生長(zhǎng)。尿素常作為提前使用的基礎(chǔ)肥料和作物出苗之后的加強(qiáng)肥料繼續(xù)為農(nóng)作物提供營(yíng)養(yǎng)。尿素在生產(chǎn)出來(lái)為大分子狀態(tài)，土壤難以獲取其中的養(yǎng)分，在下雨后容易隨著土壤中的水分流失。即使在土壤中分解后，也會(huì)釋放出氨氣，有效成分隨之揮發(fā)，所以在施肥時(shí)要將尿素深埋在土壤里，作物之下。肥料進(jìn)入土壤的一部分以分子態(tài)存在與土壤水分中，經(jīng)分解被吸收，其余大多數(shù)被酶物質(zhì)分解成其他利于土壤吸收無(wú)機(jī)物質(zhì)，全部被作用于作物根部，沒(méi)有殘留有害物質(zhì)。另外生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)物縮二脲也會(huì)被脲酶分解成無(wú)害物質(zhì)。而且尿素在土壤中的轉(zhuǎn)化過(guò)程也受到土壤環(huán)境的限制。溫度，PH值，水份都有相應(yīng)的影響，在這些條件的制約下尿素的所有的在土壤中反應(yīng)都是中性的，而且土壤中的溫度越高，尿素越會(huì)更快轉(zhuǎn)化為有效物質(zhì)。尿素經(jīng)過(guò)水解產(chǎn)生的氨態(tài)氮施放在土壤表層后會(huì)揮發(fā)，尤其是在堿性土壤中最為嚴(yán)重。所以是施肥還應(yīng)深埋在土壤中。尿素的適用范圍在很廣闊，可以作用到所有的土壤和農(nóng)作物。不論是旱田還是水田，都可使用。因?yàn)槟蛩卦谕寥乐修D(zhuǎn)化的時(shí)候會(huì)沉積大量的銨根離子團(tuán)。將導(dǎo)致PH值升高，加上生產(chǎn)時(shí)帶出的少量縮二脲，這些濃度超過(guò)500Pm時(shí)就會(huì)抑制作物的發(fā)生于和生長(zhǎng)。因此尿素不適合作為種肥使用。尿素又稱(chēng)氮肥，能加強(qiáng)作物的細(xì)胞分裂和生長(zhǎng)，使其枝繁葉茂，結(jié)出碩果[3]。農(nóng)用使用方法調(diào)節(jié)花量:大多數(shù)植物在生長(zhǎng)發(fā)育的過(guò)程中都會(huì)遇到大小年的情況，當(dāng)遭遇小年情況時(shí)，植物的枝葉和花梢生長(zhǎng)過(guò)程則會(huì)十分緩慢，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)停止生長(zhǎng)，這時(shí)應(yīng)在植物開(kāi)花后的幾周內(nèi)就開(kāi)始向植物葉面噴灑0.5%的尿素混合溶液，持續(xù)少量多次噴灑，可以改善葉片中的含N量，防止葉片泛黃，掉落，促進(jìn)新植物發(fā)芽成長(zhǎng)。疏花疏果:果樹(shù)的花蕊器官相比于其他植物來(lái)說(shuō)對(duì)尿素溶液中的成分較為敏感，但果樹(shù)反應(yīng)較為遲鈍。國(guó)外有關(guān)機(jī)構(gòu)因此對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，相關(guān)結(jié)果表明，其中果樹(shù)的施肥量較其他植物相對(duì)較大，尿素溶液中N含量在7.4%左右，才能使果樹(shù)枝繁葉茂，最佳噴灑濃度在10%左右，需要連續(xù)噴灑2周左右，既能達(dá)到最佳效果。但是實(shí)驗(yàn)指出，不同品種在不同的土壤條件下，在不同時(shí)期下的生長(zhǎng)情況還需多次實(shí)驗(yàn)。水稻制種:雜交水稻在生長(zhǎng)過(guò)程中，為了提高雜交水稻的產(chǎn)量，會(huì)特意改善雜交水稻的不育種繁種量和其制種量，采用尿素產(chǎn)品中的赤毒素噴灑在母體上來(lái)減輕母體外皮長(zhǎng)度將其內(nèi)穗完全露出；或者噴灑在整體上來(lái)改善水稻的生長(zhǎng)，使水稻開(kāi)花期同時(shí)步入正軌、但因赤毒素使用成本過(guò)高，可以用尿素替代使用，二者使用效果完全一樣。防治蟲(chóng)害:眾所周知尿素不僅有促進(jìn)植物生長(zhǎng)的功能，也可以作為防蟲(chóng)防害的藥劑使用，一般將其和清水，洗衣服按一定比列混合均勻攪拌后噴灑在作物枝干上，可以有效將蚜蟲(chóng)、菜蟲(chóng)、蜜蟲(chóng)等害蟲(chóng)殺滅，藥物效果可達(dá)90%。尿素鐵肥:這種合成物成本較低，可以有效降低作物因缺失鐵元素而產(chǎn)量降低。將這種混合物噴灑在作物枝葉上的效果比噴灑單一的亞鐵溶液效果更為顯著。因?yàn)槟蛩乇旧砭哂羞€原性，而且溶解染料性較強(qiáng)，同時(shí)還具有抗氧化性和吸濕性，所以尿素在紡織業(yè)中的用途也較為廣泛。1.6.3工用方面根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)的不完全統(tǒng)計(jì)，在全球的工業(yè)產(chǎn)量中，尿素的產(chǎn)能占比相當(dāng)?shù)拇?。目前，尿素工業(yè)的產(chǎn)能比已經(jīng)是評(píng)價(jià)一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平強(qiáng)大與否的標(biāo)志性數(shù)據(jù)[4]。當(dāng)然，通過(guò)加工尿素而得到的的下游產(chǎn)品數(shù)量也是相當(dāng)多的。例如：尿素可以進(jìn)一步經(jīng)過(guò)反應(yīng)生產(chǎn)密胺樹(shù)脂[5]，這種樹(shù)脂用途極為廣泛，在紡織業(yè)，木材行業(yè)，塑料涂料等領(lǐng)域都有重大的作用，是一種尤為重要的有機(jī)化工原料。醫(yī)藥方面也頗有建樹(shù)，尿素可制作出針對(duì)性很強(qiáng)的幾十種化學(xué)合成藥品。例如利尿劑，呋喃西林，魯米娜等等[6]。尿素也經(jīng)常作為炸藥穩(wěn)定劑基礎(chǔ)原料、軟化纖維制劑、防凍液、漂白劑等。1.6.4尿素工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)在全球尿素生產(chǎn)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)環(huán)境之下，通常使用的尿素生產(chǎn)方法有以下三種：分別以天然氣，石油和煤炭三種礦產(chǎn)資源為主要基礎(chǔ)原料，來(lái)生產(chǎn)尿素。當(dāng)前生產(chǎn)尿素的有關(guān)企業(yè)的年產(chǎn)噸位普遍都在100萬(wàn)噸和60萬(wàn)噸級(jí)，副產(chǎn)物氨對(duì)應(yīng)每年可生產(chǎn)60萬(wàn)噸和36萬(wàn)噸。目前，我國(guó)的尿素產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一，占全世界總產(chǎn)能的三分之一。根據(jù)中國(guó)化工相關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)，從本世紀(jì)初開(kāi)始，我國(guó)的尿素總產(chǎn)量一直在穩(wěn)步上升，到2006年已經(jīng)達(dá)到約5000萬(wàn)噸，每年的平均增長(zhǎng)將近250萬(wàn)噸，生產(chǎn)設(shè)備總裝上漲了約40%，所有生產(chǎn)廠家的年平均持續(xù)開(kāi)工率達(dá)95%，將其他化工肥料的產(chǎn)能和開(kāi)工率遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在了身后，這得益于我國(guó)豐富的煤炭?jī)?chǔ)存量。近幾年，我國(guó)尿素年總產(chǎn)能呈現(xiàn)飛躍式上升。在建和擬見(jiàn)的生產(chǎn)廠分別有建峰80萬(wàn)噸，中石油吉林分廠104萬(wàn)噸，鄂爾多斯104萬(wàn)噸等大廠。預(yù)估未來(lái)尿素的擴(kuò)廠充能將有所降低，但仍處于小幅增長(zhǎng)趨勢(shì)。目前為止，我國(guó)尿素生產(chǎn)基地和項(xiàng)目所使用的原料都是經(jīng)過(guò)氣化的煤炭，依靠當(dāng)?shù)氐V產(chǎn)資源建廠的企業(yè)擁有無(wú)與倫比的資源優(yōu)質(zhì)，在行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中，也有低成本的優(yōu)勢(shì)和較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。不難看出，尿素行業(yè)的新一輪生存法則定理無(wú)法避免，將加快行業(yè)資源和整體市場(chǎng)的整合，促進(jìn)尿素生產(chǎn)和工藝優(yōu)化的新步伐。1.7我國(guó)尿素合成工藝方法國(guó)內(nèi)尿素合成的主要方法有水溶液全循環(huán)法，二氧化碳汽提法，氨汽提法[7]。1.7.1水溶液全循環(huán)法優(yōu)缺點(diǎn)以及工藝特點(diǎn)水溶液循環(huán)法合成塔的操作條件相對(duì)簡(jiǎn)單。出合成塔后溶液經(jīng)中、低壓分解，再經(jīng)二段蒸發(fā)造顆粒得尿素產(chǎn)品[7]。由于中壓分解時(shí)壓力低，分解氣的熱量除了在一段蒸發(fā)加熱器下段回收一少部分冷凝的熱量外，其余絕大部分熱量由于冷凝的溫度低，只能用冷卻水將其移走。因此水溶液循環(huán)法蒸汽消耗較高，1.7噸蒸汽才能制得一噸尿素。由于這種方法沒(méi)有高壓拆卸和回收過(guò)程，高壓設(shè)備少，資金投入低。工程消耗整體水平較高，安裝規(guī)模較小。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)基本設(shè)備進(jìn)行了一系列技術(shù)創(chuàng)新，大力降低蒸汽消耗。有一定效果，減少了蒸汽消耗。1.7.2二氧化碳汽提法優(yōu)缺點(diǎn)以及工藝特點(diǎn)傳統(tǒng)的二氧化碳汽提法出來(lái)以后，利用水溶液循環(huán)法用來(lái)回收剩余未反應(yīng)的物質(zhì)的這種以前的方式就被隨之取代了，而且還降低了尿素生產(chǎn)的能耗高的問(wèn)題，二氧化碳汽提法簡(jiǎn)化了以前的工藝并且使所需要的設(shè)備減少，還克服了傳統(tǒng)方法的很多缺點(diǎn)。此外和降膜式冷凝器的這種傳統(tǒng)方式相比，體積減少近一半，然后也降低了尿素框架的高，增加了工藝中的熱傳熱溫差熱傳遞系數(shù)，使傳熱面積減小，使操作的靈活性上升。二氧化碳汽提法有一個(gè)非常特殊的特點(diǎn)，該工藝在氨碳比最高的條件下，合成壓力是最低的，此時(shí)二氧化碳在合成的壓力下冷凝和汽提，產(chǎn)生較大的冷凝熱，該冷凝熱可以用來(lái)做系統(tǒng)隔熱的動(dòng)力和蒸汽噴射。1.7.3氨汽提法優(yōu)缺點(diǎn)以及工藝特點(diǎn)采用的是降膜式汽提塔，操作溫度在207℃左右，塔內(nèi)過(guò)剩的氨會(huì)自動(dòng)汽提，從而提高了甲基銨的分解速率，降低了中壓系統(tǒng)的負(fù)荷。高壓回路中的高壓設(shè)備水平放置。主要原因是使用氨基甲酸酯噴射泵將高壓裝置水平放置，從而節(jié)省了框架的高度。用解吸塔底部液體對(duì)高壓甲銨溶液預(yù)熱；用中壓力分解氣對(duì)其預(yù)濃縮，將汽提塔產(chǎn)生的冷凝水中熱量用于中壓分解部分的熱動(dòng)力，對(duì)預(yù)熱原料氨的低壓分解，氣該工藝過(guò)程易于控制和操作，使操作更為靈活。高熱利用率和低能耗。氣塔的工作溫度高，汽提效率高。甲銨產(chǎn)生的熱量最大。安裝了兩個(gè)甲銨冷凝器，采用了分開(kāi)階段來(lái)回收多余的熱量，產(chǎn)生的蒸汽可以用來(lái)作為工藝過(guò)程中設(shè)備繼續(xù)使用的副產(chǎn)品。年利用率高，爆炸的危險(xiǎn)很小，防腐空氣的量少，并且通過(guò)中低壓方法排出的混合氣體的氧含量低。2水溶液全循環(huán)法工藝流程2.1尿素合成原理尿素的生產(chǎn)工藝，無(wú)非就是要根據(jù)以下兩個(gè)化學(xué)式來(lái)解決[8]:該式產(chǎn)物為氨基甲酸銨NH4COONH2，簡(jiǎn)稱(chēng)甲銨，該反應(yīng)的反應(yīng)速度較快，很容易達(dá)到動(dòng)態(tài)的化學(xué)平衡，平衡時(shí)甲銨濃度可達(dá)90%以上，該反應(yīng)是可逆強(qiáng)放熱反應(yīng)。該式反應(yīng)速度較慢，不太容易就達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，達(dá)到平衡得需要1h左右，但最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后反應(yīng)物也不能脫水生成尿素，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率在60%左右，因此這個(gè)反應(yīng)是合成尿素的控制反應(yīng)[9]，該反應(yīng)是可逆微吸熱反應(yīng)。2.2水溶液全循環(huán)法流程介紹水溶液全循環(huán)法在我國(guó)的發(fā)展非常迅速，其工藝流程相對(duì)其他兩種方法來(lái)講比較成熟，在我國(guó)尿素原材料易得，生產(chǎn)裝置國(guó)內(nèi)可全套制造，除此之外國(guó)內(nèi)偉大尿素工作者對(duì)尿素的生產(chǎn)研究發(fā)展取得了創(chuàng)新技術(shù)，如采用傳統(tǒng)的尿素生產(chǎn)裝置不但會(huì)大大損耗裝置的產(chǎn)能，也會(huì)顯著降低尿素的產(chǎn)量。結(jié)合本次設(shè)計(jì)考慮選用水溶液全循環(huán)法合成尿素[9]。附圖：水溶液全循環(huán)法工藝流程圖圖2.1水溶液全循環(huán)法工藝流程圖3物料衡算3.1計(jì)算基準(zhǔn)[10]成品的規(guī)格以一噸成品尿素為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)粒狀尿素成品規(guī)格為:含氮量46%(折合成尿素98.7%)縮二脲0.9%水份0.3%其他雜志0.1%原料消耗定額年產(chǎn)80wt尿素通用設(shè)計(jì)采用的原料消耗定額為NH36925kg/tCO29373kg/t3.2合成塔物料衡算3.2.1衡算條件進(jìn)合成塔NH3/CO2=4.1(摩爾比)H2O/CO=0.65(摩爾比)合成塔操作條件壓力P=21.58MPa(表壓)溫度T=190℃尿素合成率63%液氨純度為99.8%3.2.2CO2合成氣組成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甲銨液中組分物料量溶液中CO2含量未轉(zhuǎn)化為尿素的CO2的量為:除去由氣相只進(jìn)入CO2即為氨基甲酸銨溶液之中量，即為:除去由氣相只進(jìn)入CO2溶液中的氨量:甲銨液中NH3/CO2=3.1NH3:溶液中的H2O量:合成塔內(nèi)H2O/CO2=0.65(摩爾比)H2O:溶液中的尿素:由計(jì)算條件知為29.85kg或0.4975kmol3.2.4原料液NH3量高壓氨泵漏損11.69kgNH3:3.2.5循環(huán)液NH3NH3/CO2=4.1(摩爾比)進(jìn)塔NH3總量為:返回的氨量:3.2.6尿素的生成量3.2.7甲銨的生成量設(shè)未轉(zhuǎn)化為尿素的CO2均以甲銨的形式出塔:其中CO2:NH3:3.2.8過(guò)量的NH3生成的尿素耗NH3:過(guò)量NH3:3.2.9生成的H2O的量原料以及甲銨中帶入水分及尿素反應(yīng)生成水之和:N2、O2量同入口量無(wú)變化3.2.10合成系統(tǒng)的物料衡算表表3.1合成系統(tǒng)物料平衡序號(hào)輸入物料kgkmol序號(hào)輸入物料kgkmol1原料CO2氣8876.06201.7291反應(yīng)后混合物64666.312752.6382其中CO28776.84198.27332其中:尿素27280.16454.663O234.5071.0783甲銨溶液9241.128118.4764N261.372.1924{CO25212.93118.4765H2O3.34320.18575NH3}4028.184236.9526原料液氨6913.31406.676NH311431.31672.437循環(huán)液氨8979.10528.1837H2O7377.529409.8638甲銨溶液15510.89707.16358O234.5071.0789其中NH36425.796377.9889N261.3722.19210CO25312.18120.7311H2O3743.064207.94812尿素29.850.4975合計(jì)64666.312752.638合計(jì)64666.312193.763.3預(yù)分離器物料衡算3.3.1衡算條件甲銨的總分解率為88%氨的總過(guò)量蒸出率90%甲氨在預(yù)分離器的分解率15%出口氣相水分在預(yù)分離器的含量4.65%(摩爾比)出口氣相水分在一段分解分離器的含量17%3.3.2預(yù)分離器出口氣體組成CO2:過(guò)量的氨蒸出:NH3:甲銨分解:NH3:共計(jì)由氣體中的H2O:除了水以外氣相中的其他組分:所以水量為:惰性氣體:O2:N2:3.3.3預(yù)分離器的出口溶液組成溶液中的CO2:溶液中的NH3:溶液中的H2O:溶液中的尿素:3.3.4預(yù)分離器的物料衡算表表3.2預(yù)分離器的物料平衡序號(hào)輸入物料kgkmol序號(hào)輸出物料kgkmol1反應(yīng)混合物64666.312493.761出口氣體9465.97524.792其中:尿素27280.16454.662其中:CO2781.9417.773甲銨溶液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合計(jì)64666.312193.76合計(jì)64666.312193.763.4一段分解塔的物料衡算3.4.1出口氣體的組成出口氣體中的CO2:出口氣體中的NH3:由過(guò)量氨蒸出:由甲銨分解得:一段分解塔分解出的氨:總的氨量:出口氣體中的H2O:3.4.2一段分解塔的出口溶液組成出口溶液中的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號(hào)輸入物料kgkmol序號(hào)輸出物料kgkmol1出口溶液45960.051370.861出口氣體9644.9501.6序號(hào)輸入物料kgkmol序號(hào)輸出物料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合計(jì)45960.051370.86合計(jì)45960.051370.863.5二段分解塔的物料衡算3.5.1衡算的條件一段以及二段分解系統(tǒng)的總甲銨分解率98.2%一段以及二段分解系統(tǒng)的總過(guò)量氨蒸出率99.4%二段分解塔的出口氣體內(nèi)含水25%二段分解系統(tǒng)的操作壓力0.3924MPa二段分解系統(tǒng)的溫度120-150℃3.5.2縮二脲反應(yīng)的計(jì)算縮二脲的生成反應(yīng)如下:2×6010317x6y反應(yīng)消耗的尿素量:放出的NH3量y:3.5.3出口氣體中CO2氣體中的NH3由甲銨分解后得氨加入縮合反應(yīng)后放出氨3.5.4出口氣體中H2O3.5.5二段分解塔出口的溶液組成出口溶液中的CO2:出口溶液中的NH3:出口溶液中的水分:出口溶液中的尿素:出口溶液中的縮二脲: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號(hào)輸入物料kgkmol序號(hào)輸出物料kgkmol1塔出口液34918.35863.811出口氣體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縮二脲71.640.6925合計(jì)34918.35863.81合計(jì)34918.35863.814熱量衡算4.1計(jì)算基準(zhǔn)[11]CO2氣的進(jìn)口氣壓為21.680MPa，T=125℃甲銨溶液的進(jìn)口壓力21.680MPa，T=100℃尿素反應(yīng)物的出口壓力為21.680MPa，T=190℃4.2合成塔的熱量衡算4.2.1CO2氣體降壓降溫吸熱△H121.680MPa125℃時(shí)，i=694.21kJ/kg0.0981MPa25℃時(shí)，i=727.67kJ/kg[13]4.2.2當(dāng)量NH3氣化吸熱△H20.0981MPa25℃時(shí)，i=1768.99kJ/kgi=IkJ/kg21.68MPa[11]4.2.3固體甲銨生成時(shí)反應(yīng)熱△H31大氣壓時(shí)，25℃固體甲銨生成熱為4.2.4固體甲銨升溫吸熱△H4由25℃升溫至150℃時(shí)熱焓增值21997.32kJ/kmol4.2.5固體甲銨熔融吸熱△H5△H5—循環(huán)甲銨液升溫吸熱尿素在150℃時(shí)生成熱為20282.7kJ/kmol4.2.6循環(huán)甲銨升溫吸熱△H6取固體甲銨比熱為取37.4%氨水比熱4.2.7甲銨轉(zhuǎn)化成尿素時(shí)吸熱△H7尿素在150℃時(shí)的生成熱為21830.04kJ/kmol4.2.8(△H8+△H9+△H10+△H15)反應(yīng)熔融物升溫吸熱尿素比熱甲銨比熱60.7%氨水比熱4.2.9循環(huán)氨升溫吸熱△H11NH321.680MPa（絕）132.5℃時(shí)，i=1120.78kJ/kg21.680MPa（絕）t℃時(shí),i=IkJ/kg4.2.10循環(huán)液氨氣化熱△H12NH3在臨界溫度下氣化時(shí)，其熱效應(yīng)為04.2.11循環(huán)氨升溫吸熱△H1321.680MPa132.5℃時(shí)，i=1120.78kJ/kg21.68MPa150℃時(shí)，i=1246.24kJ/kg4.2.12循環(huán)氨與水混合放熱△H14氨水濃度為60.7%混合熱為397.29kJ/kgNH3氨水濃度為37.4%混合熱為656.57kJ/kgNH3△H16—惰性氣體升溫吸熱在21.68MPa125℃時(shí)，i=280.19kJ/kg21.68MPa190℃時(shí)，i=347.11kJ/kg4.2.13合成塔熱損失△H17尿素合成塔熱平衡4.2.14合成塔熱量平衡表表4.1合成塔熱量平衡序號(hào)輸入熱量kJ%序號(hào)輸出熱量kJ%1甲銨生成熱1CO2降溫降壓293673.0660.8331558025.2389.792當(dāng)量氨降溫5367770.4226.502過(guò)量氨混合熱3固體甲銨升溫4361408.63612.412055487.92210.214甲銨熔融吸熱4021450.92911.445循環(huán)甲銨升溫2436760.8196.776甲銨轉(zhuǎn)化吸熱9914385.54212.387反應(yīng)物升溫5426286.9015.348循環(huán)氨升溫(△H11+△H13)1133162.7412.479循環(huán)氨汽化0010惰性氣體升溫6488.080.0211熱損失652126.021.84合計(jì)33613513.15100合計(jì)33613513.151004.3預(yù)分離器熱量衡算4.3.1進(jìn)口液相帶入熱量反應(yīng)熔融比熱為[14]4.3.2進(jìn)口氣相帶入熱量空氣在21.680MPa，190℃i=355.47kJ/kg0.0981MPa，25℃i=190.28kJ/kg[11]4.3.3出口液相帶出熱量設(shè)預(yù)分離器出口液和溫度為t℃甲銨比熱151.81kJ/kmol尿素比熱1.99kJ/kg·℃35.9%氨水比熱4.6002kJ/kg·℃4.3.4排出氣相帶出熱0.060MPa118℃i=811.31kJ/kg0.0981MPa25℃i=727.67kJ/kgNH3氣帶出顯熱1.612MPa，118℃i=1932.08kJ/kg0.0981MPa，25℃i=1764.80kJ/kgH2O氣帶出顯熱據(jù)0.0833MPa，118℃i=2714.118kJ/kg0.98MPa，25℃i=104.5kJ/kg惰性氣體帶出顯熱0.011MPa，118℃i=282.285kJ/kg0.0981MPa，25℃i=190.281kJ/kg4.3.5甲銨分解熱量在0.0981MPa時(shí)，25℃甲銨生成熱159166.92kJ/kmol甲銨熔融熱20282.7kJ/kmol甲銨在1.7058MPa，120℃分解熱為q=-133828.182kJQ=1.48×(-133828.182)=-198065.71kJ4.3.6NH4OH分解熱將NH4OH分解過(guò)程解析如下[12]118℃41℃41℃A:取60.7%氨水比熱5.018kJ/kg·℃60.7%氨水在最初態(tài)混合熱為397.29kJ/kgNH335.9%氨水在最終態(tài)混合熱為664.938kJ/kgNH3C:NH3汽化熱在1.612MPa時(shí)為1095.68kJ/kg分解NH3量為(951.49-323.51)=627.98kgD:升溫吸熱4.3.7熱損失取熱量損失約進(jìn)入熱負(fù)荷的1.19%4.3.8預(yù)分離器出口液相溫度tt=107.62℃出口液相帶出熱量Q34.3.9預(yù)分離器熱量衡算表表4.2預(yù)分離器熱量衡算序號(hào)輸入熱量kJ%序號(hào)輸出熱量kJ%1反應(yīng)熔融帶入22403198.499.931反應(yīng)熔融物8784365.9139.182氣相帶入15838.120.072排出氣相257272911.473甲銨分解熱2364904.5710.554NH4OH分解熱8444625.3237.675熱損失252411.721.13合計(jì)22419036100合計(jì)224190361004.4一段分解塔熱量衡算4.4.1反應(yīng)熔融物帶出熱量反應(yīng)熔融物比熱計(jì)算取17.51%氨水比熱4.6002kJ/kg·℃尿素比熱1.991kJ/kg·℃甲銨比熱151.807kJ/kmol·℃反應(yīng)熔融物帶入的熱量Q1=8784365.91kJ4.4.2氣相中CO2帶出的熱量0.301MPa，160℃i=848.95kJ/kg0.0981MPa，25℃i=727.67kJ/kg4.4.3氣相中NH3帶出熱量1.164MPa，160℃i=2036.63kJ/kg0.0981MPa，25℃i=1764.8kJ/kg4.4.4氣相中H2O帶出熱量0.3MPa，160℃i=2776.85kJ/kg0.0981MPa，25℃i=104.55kJ/kg氣相帶出熱量總和為4.4.5甲銨分解吸熱甲銨分解量甲銨分解熱133828.18kJ/kmol4.4.6NH4OH分解熱35.9%氨水降溫放熱取比熱為4.6kJ/kg·℃NH4OH分解熱氨水最初狀態(tài)濃度為35.9%NH3，混合熱為664.94kJ/kgNH3氨水最終狀態(tài)濃度為17.5%NH3，混合熱為815.49kJ/kgNH3分解熱氫汽比熱1.164MPa，30℃NH3汽化比熱為1144.2kJ/kg分解NH3量為3862.71-1136.09=2726.62kg升溫吸熱氨氣1.164MPa，30℃i=1703.75kJ/kg1.164MPa，160℃i=2040.82kJ/kg17.51%氨水，取其比熱為4.6kJ/kg·℃4.4.7熱損失Q8=94273.7kJ一段分解塔熱平衡求取加入蒸汽熱負(fù)荷4.4.8一段分解熱平衡表表4.3一段分解熱平衡序號(hào)輸入熱量kJ%序號(hào)輸出熱量kJ%1反應(yīng)熔融物8784365.9130.931反應(yīng)熔融物7559608.7126.622加熱蒸汽供給19613363.9469.072氣相CO2458607.951.613氣相氨1535711.855.414氣相水4117951.2314.505甲銨分解11502892.440.516NH4OH分解3128684.0211.027熱損失94273.70.33合計(jì)283997729.8100合計(jì)28397729.81004.5二段分解塔熱量衡算4.5.1溶液帶入熱量Q1=7559608.71kJ4.5.2加熱蒸汽供給熱量Q24.5.3尿液帶出熱量尿液帶出熱量71.6%尿液4.5.4分解氣體帶出熱量[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甲銨分解熱1.766MPa120℃甲銨分解熱為133828.18kJ/kmol4.5.6NH4OH分解熱溶液中的NH3量最初為95.04-2×14.09=66.86kmol溶液中的NH3量最終為8.36-2×2.15=4.06kmolNH4OH分解量為66.86-4.06=62.8kmol溶液中最初的H2O/NH3=297.3/66.86=4.45溶液中最終的H2O/NH3=264.23/4.06=65平均在常溫常壓下氨的分解熱為35254.26kJ/kmolQA—氨水降溫降壓放熱量QB—0.0981MPa，20℃下氨水分解吸熱量QC—氨氣升溫升壓吸熱量0.0981MPa，20℃i=1768.99kJ/kg0.3924MPa，120℃i=1965.54kJ/kgQD—氨水升溫吸熱因二段分解塔出口液相中所含的氨量少故氨水濃度很低。取其比熱熱損失:取熱損失為進(jìn)熱負(fù)荷的1.6%Q7=127828.68kJQ2=3568055.794kJ4.5.7二段分解塔熱量平衡表表4.4二段分解塔熱量平衡序號(hào)輸入熱量kJ%序號(hào)輸出熱量kJ%1尿素溶液帶入7559608.7167.941尿素溶液帶出6048752.0654.362蒸汽供給熱量3568055.7932.062甲銨分解熱1597908.4714.363NH4O分解熱1457209.9813.094氣相帶出熱1895965.3117.045熱損失127828.681.15合計(jì)11127664.5合計(jì)11127664.5100

5設(shè)備工藝計(jì)算5.1尿素合成塔計(jì)算[15]選用襯里式合成塔有效容積:V′—尿素合成塔的有效容積G′—尿素的生產(chǎn)能力轉(zhuǎn)化率:64%尿素合成塔的生產(chǎn)強(qiáng)度為生產(chǎn)能力:實(shí)際選取344m3設(shè)計(jì)裕度為35%實(shí)際生產(chǎn)強(qiáng)度:按塔底進(jìn)料氣體計(jì)算氣相流量.進(jìn)塔氣體:CO2:5895.448kg或133.984kmolN2:148.968kg或4.84kmolO2:22.4kg或0.7kmol計(jì):6066.816kg或140kmol進(jìn)塔氣體密度:氣相流量:333.33—日產(chǎn)量/t空塔氣速:u=0.0052m/s塔徑:圓整:D=5.1m塔高:5.2解析塔的計(jì)算5.2.1計(jì)算依據(jù)(1)收入物料:氨碳溶液3.5MPa120℃尿素CO2H2ONH3共計(jì)加熱蒸汽H2O(2)支出物料:解吸氣0.36Mpa115℃CO2H2ONH3共計(jì)解吸廢液尿素CO2H2ONH3共計(jì)(3)由于解吸過(guò)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爾濃度非常低。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，液相中的少量二氧化碳不考慮蒸餾過(guò)程。氨是輕組分，水是復(fù)合物。板數(shù)由氨水-二元體系計(jì)算得出。5.2.2塔板數(shù)的計(jì)算(1)理論塔板數(shù)的計(jì)算，按氨-水二元系考慮時(shí)，溶液組成為：組分入口氨水出口氨水NH37.94%(重量)8.36%(摩爾)0.071%(重量)0.075%(摩爾)H2O92.06%(重量)91.64%(摩爾)99.929%(重量)99.925%(摩爾)氨水溶液及平衡蒸汽的組成，沸點(diǎn)，分壓及相對(duì)揮發(fā)度如下[16]：表5.1氨水溶液的組成NH3%(重量)1.02.03.04.05.06.07.08.0NH3(摩爾)1.035.286.337.388.43H2O(摩爾)98.9497.8896.8395.7794.7293.6792.6291.57溶液沸點(diǎn)136.5133129.5126122.5119.5116.5113.5PNH3,kg/cm2(絕)0.40.841.131.4691.6381.8752.0712.125YNH3(摩爾)11.4324.032.2941.9746.853.5757.1461.43YH2O(摩爾)88.5778.067.7158.0353.246.4342.8638.57ɑ12.0514.5845.5646.3715.7817.016.7317.3ɑ—相對(duì)揮發(fā)度平均相對(duì)揮發(fā)度ɑ=15.546平衡關(guān)系式為:全塔物料衡算關(guān)系式為:式中，L—?dú)怏w流量，kmol/hV—?dú)怏w流量,kmol/lW—?dú)堃毫?，kmol/lXm—第m塊板溶液氨的摩爾分?jǐn)?shù)Xw—?dú)堃褐邪钡哪柗謹(jǐn)?shù)Ym+1—第m+1塊板上氣相中氨的摩爾分?jǐn)?shù)m,m+1—自上而下數(shù)的塔板序號(hào)聯(lián)立兩式，得操作線(xiàn)方程:以L(fǎng)=20.9053，Xw=0.075%，W=21.46%，V’=3.8792代入上式得，進(jìn)料中，x=8.36%，即第一塊板(進(jìn)料板)Xm=8.36%逐板計(jì)算結(jié)果如下:表5.2逐板計(jì)算操作線(xiàn)方程平衡線(xiàn)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故解吸塔理論板數(shù)為8塊(2)實(shí)際塔板數(shù)計(jì)算，蒸餾塔全塔效率按下式計(jì)算式中;ET—全塔效率ɑ—相對(duì)揮發(fā)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當(dāng)于一塊塔板，故解吸塔理論塔板數(shù)取7塊實(shí)際塔板數(shù):N=7/0.382=18.3塊實(shí)際取20塊。5.2.3塔徑及附屬設(shè)備計(jì)算物料物性數(shù)據(jù)：(1)氣體密度：塔頂：塔底：近似取0.4Mpa水蒸氣重度平均值(2)液相密度:塔頂：近似取7456kg/m3塔底：近似取7384kg/m3平均值(3)氣相流量：按恒分子流假設(shè)，近似為：式中：333—尿素日產(chǎn)量，t/d129—平均溫度，℃(4)液相流量：(5)表面力塔頂20℃時(shí):其他溫度時(shí):假臨界溫度:塔底，取水的數(shù)據(jù)平均值塔徑計(jì)算取泡罩中心距Aa/Ac=2.05泡罩齒縫開(kāi)度hs取0.6h,即hs=0.027m由式泡罩量m為M=26.6個(gè)取m=27個(gè)鼓泡面積：取鼓泡面積占塔截面積的60%塔徑D=0.77m實(shí)際取D=0.8m空塔速度:實(shí)際鼓泡面積為塔板面積的53%附屬設(shè)備計(jì)算(1)泡罩選型泡罩直徑：Dg=80m齒縫開(kāi)度：h=0.0045m齒縫寬度：b1=0.004m泡罩底面積Ac=0.00504m2齒縫總面積：F4=0.0023m2升氣管×壁厚∮57×2.75升氣管凈面積F1=0.001716m2(2)溢流形式塔徑、流量均小，宜采取單溢流形式(3)堰長(zhǎng)及堰寬堰長(zhǎng)Lw=356mm,堰寬Wd=74mm堰長(zhǎng)Lw為塔徑D的356/900=0.396倍最大的堰長(zhǎng)遠(yuǎn)小于規(guī)定值(4)塔盤(pán)布置核算：Af/AT=0.0922溢流堰面積:鼓泡面積Aa=0.2790m2塔截面積AT=0.5022受液盤(pán)面積約占溢流面積:Aa/AT=55.6%2Af/AT=18.43%液流外圍面積占塔盤(pán)比例:溢流堰前安定區(qū):因解吸塔塔徑較小，故ws可取較小的值。泡罩外緣至塔壁最小距離為:對(duì)于Dg900的小直徑塔，有足夠的邊緣支撐塔盤(pán)(5)齒縫開(kāi)度正常氣量時(shí)齒縫開(kāi)度為：