10萬噸每年尿素化工廠合成設(shè)計

工藝設(shè)計.·城建學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文) 系別化學(xué)化工系專業(yè)化學(xué)工程與工藝 學(xué)生姓名指導(dǎo)教師河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書一、主要任務(wù)與目標(biāo)：設(shè)計題目：尿素合成工藝設(shè)計在溫度185~200℃、操作壓力19Mpa左右、氨碳比范圍為3～5、水碳比為0.7~2NH?(I+CO?(g)=NH?COONH?(I)+119.2Kj/molNH?COONH?(I)=CO(NH?)?(I)設(shè)計目標(biāo)：成品尿素組成(以干基干)≥縮二脲含量水分含量粒度(φ0.8mm~一級品46.0二級品46.02.確定設(shè)計方案，通過技術(shù)及經(jīng)濟篩選、對比，選定技術(shù)先進、經(jīng)濟效益好4.工藝計算，包括物料衡算及熱量衡算，反應(yīng)釜及吸收塔的工藝和機械強度5.CAD繪制(帶控制點流程圖、主設(shè)備圖、物料衡算圖);三、計劃進度：接受設(shè)計任務(wù)：1天收集資料：3天制定設(shè)計方案提交設(shè)計開題報告：5天設(shè)計計算：25天設(shè)計圖紙繪制：15天編制說明書：4天答辯：2天合計：55天《塔設(shè)備設(shè)計》《化工容器及設(shè)備簡明設(shè)計手冊》《化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)》《化工工藝設(shè)計手冊》《化工過程設(shè)計》《化學(xué)工程手冊》《無機化工工藝學(xué)》《合成氨生產(chǎn)工藝》上?？茖W(xué)技術(shù)出版社化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社西安交通大學(xué)出版社化學(xué)工業(yè)出版社指導(dǎo)教師(簽名):教研室審核意見：度的合理性；提供的參考文獻數(shù)量；是否同意下達任務(wù)書等方面進行審核。)教研室主任簽名：注：任務(wù)書必須由指導(dǎo)教師和學(xué)生互相交流后，由指導(dǎo)老師下達并交教研室主任審核后發(fā)給成績評定說明一、答辯前每個學(xué)生都要將自己的畢業(yè)設(shè)計(論文)在指定的時間內(nèi)交給指導(dǎo)對專業(yè)答辯小組提出的優(yōu)秀和不及格的畢業(yè)設(shè)計(論文),要組織系畢業(yè)設(shè)計(論文)成績評定班級姓名學(xué)號(1)理工科評分表評分項目(10分)畢業(yè)設(shè)計(論文)完成任務(wù)情況與水平(40分)本技能(20分)創(chuàng)新能力(20分)(100分)評分(2)文科評分表評分項目(20分)外文翻譯(10分)(40分)學(xué)習(xí)態(tài)度(10分)(20分)(100分)評分評分項目(10分)(10分)(40分)成果的技術(shù)水平(40分)合計(100分)評分評分項目完成任務(wù)情況(20分)(40分)表達情況(15分)回答問題情況(25分)合計(100分)評分畢業(yè)答辯說明設(shè)計說明本設(shè)計采用水溶液全循環(huán)法，使用氨和二氧化碳直接合成尿素，是將未轉(zhuǎn)化要包含以下步驟：(1)二氧化碳的壓縮與凈化，(2)氨的輸送及尿素的合成，(3)循環(huán)回收，(4)尿素溶液加工，(5)工藝?yán)淠旱姆峙浼敖馕葌€步驟進行合成尿素，并圍繞如何調(diào)高二氧化碳二氧化碳的轉(zhuǎn)化率，減少循環(huán)量，降低能耗以及首先進行工藝流程分析并根據(jù)工藝參數(shù)及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行尿素合成塔和冷凝器內(nèi)的物料、熱量衡算；其次就解吸塔等設(shè)備利用傳質(zhì)傳熱方程、溶液物性數(shù)據(jù)等方面的知識進行塔體的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算，設(shè)計出解吸塔塔徑0.8m,塔高11.16m;然后對解吸塔進行了必要的強度校核；最后繪制了主設(shè)備圖和工藝流程Thisdesignusesatotalrecycleoftheaqueoussolution,theuseofammoniaandcarbondioxide,thedirectsynthesisofurea,isnotconvertedintourea,ammoniaandcarbondioxide,waterabsorptionafterdecompressionheatingandseparationtogenerateammoniumorammoniumcarbonateaqueoussolution,andthenallreturntothecycleofsynthesissystemutilizationoftherawmaterialammoniautilizationupto97%.Fullcirculationoftheaqueoussolutionoffatconsistsmainlyofthefollowingsteps:(1)carbondioxidecompressionandpurification,(2)deliveryofammoniaandureasynthesis,(3)recycling,(4)oftheureasolutionprocessing,(5)processcondensatedistributionanddesorptionstepsynthesisofurea,andfocusonhowtheconversionrateofincreaseincarbondioxidecarbondioxide,reducingthecirculationrate,reduceProcessanalysisofthefirstmaterialsinaccordancewiththeprocessparametersandstandardswithintheureareactorandthecondenserheatbalance;followedbythedesorptiontowerandotherequipmentusedtoheatandmasstransferequations,thesolutionpropertydataandotherknowledgeoftowerbodytheoverallstructuraldesignandcalculations,designthedesorptionTatadiameter0.8mhightower,11.16m;desorbersthenecessarystrengthcheck;finallydrawthemastermapandprocessflowdiagram.Keywords:urea,watersolutionfullrecyclesmethod,materialbalance,heatbalancecalculation,equipment主要符號說明 11.1尿素的物化性質(zhì)和用途 11.1.1尿素的物理性質(zhì) 11.1.2尿素的化學(xué)性質(zhì) 11.1.3尿素的用途 11.2尿素的生產(chǎn)方法簡介 21.2.1水溶液全循環(huán)法 21.2.2CO?氣提法 21.3兩種方法的比較 31.3.1水溶液全循環(huán)尿素工藝的優(yōu)、缺點 31.3.2CO?汽提法尿素工藝的優(yōu)、缺點 41.3.3尿素的發(fā)展前景與展望 41.4水溶液全循環(huán)法流程介紹 52工廠設(shè)計條件與總平面布置 92.1工廠設(shè)計條件 92.1.1原材料及輔助物料的資源條件 92.1.2公用工程概述 92.1.3勞動力資源條件 92.2總平面布置 92.2.1總平面布置的基本原則 92.2.2總平面布置概述 3化工工藝設(shè)計 3.1設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 3.1.2產(chǎn)量及產(chǎn)品質(zhì)量 3.2主要工藝控制指標(biāo) 3.2.1二氧化碳壓縮機 3.2.2二氧化碳凈化 3.2.3尿素合成塔 3.2.4一段分解 3.2.5一段吸收 3.2.6惰氣洗滌器 3.2.7二段分解 3.2.8二段吸收 3.2.9閃蒸槽 3.2.10一段蒸發(fā) 3.2.11二段蒸發(fā) 3.3物料平衡計算 3.3.1設(shè)計條件的確定 3.3.3尿素合成塔 3.3.4一段分解系統(tǒng) 3.3.5二段分解系統(tǒng) 3.3.6閃蒸槽 3.3.7一段蒸發(fā)器 203.3.8二段蒸發(fā)器 203.3.9熔融尿素輸送及造粒包裝系統(tǒng) 213.3.10一段蒸發(fā)冷凝器 223.3.11二段蒸汽冷凝器 223.3.12中間冷凝器 233.3.13系統(tǒng)水平衡及其分配 243.3.14二循一冷器 293.3.15二循二冷凝器 3.3.16氨冷凝器 3.3.17惰性氣滌塔 3.3.18尾氣吸收塔 3.3.19解吸系統(tǒng) 3.3.20一段吸收系統(tǒng) 3.4熱量平衡計算 3.4.1尿素合成塔 3.4.2解吸塔 3.4.3氨冷凝器 3.4.4氨預(yù)熱器 3.4.5CO?壓縮系統(tǒng) 4設(shè)備工藝計算 404.1尿素合成塔計算 404.2解析塔的計算 414.2.1計算依據(jù) 414.2.2塔板數(shù)的計算 424.2.3塔徑及附屬設(shè)備計算 444.2.4流體力學(xué)計算 47設(shè)計結(jié)果 參考文獻 主要符號說明A,液流面積m2E液流收縮系數(shù)，F(xiàn)流道自由界面，m2H?降液管內(nèi)液層高度mmm液柱h,d1降液管底部的阻力，m液柱K傳熱系數(shù)K?阻力系數(shù)L液流量kJ/(m2·s·C)m3/hmL?流體沿管周的噴淋密度kg/(m·s)Ls液相流量m3/s1管長M1堰長mm每層塔板泡罩個數(shù)m?換熱器內(nèi)換熱管垂直列數(shù)n換熱管總數(shù)或塔板數(shù)ne殼體中心線上排列管數(shù)Nu努賽特準(zhǔn)數(shù)P壓力MpaP/普蘭特準(zhǔn)數(shù)Q設(shè)備設(shè)負荷kJ/hq單位熱負荷Kj/(m2-s)R污垢熱阻m2·s·C/kJR?冷流體側(cè)的污垢熱阻，m2-s·C/kJRh熱流體側(cè)的污垢熱阻，m2·s·C/kJa流體密度kg/m3r'梯形的頂邊與底邊之比rn水力半徑myl液相密度kg/m3yv氣相密度kg/m3ha液相流出降液管的局部阻力，h內(nèi)堰的阻力，m液柱mT他的積液排空時間sλ流體導(dǎo)熱系數(shù)kJ/(m2·s·C)h?通過每層塔板的氣相總壓降，m液柱mσ表面張力δ光壁厚度μ流體粘度N/hm1.1尿素的物化性質(zhì)和用途尿素分子量60.06,因最早由人類及哺乳動物的尿液中發(fā)現(xiàn)，故稱尿素。純凈的尿素為無色、無味針狀或棱柱狀晶體，含氮量為46.6%,工業(yè)尿素因含有雜質(zhì)而超過熔點則分解。尿素較易吸濕，貯存要注意防潮。尿素易溶于水和液氨，其溶(1)尿素的酸堿性尿素呈微堿性，可與酸作用生成鹽，但因其堿性較弱，(2)尿素的水解反應(yīng)尿素的水解反應(yīng)，最初是尿素轉(zhuǎn)化為氨基甲酸銨，而Co(NH?)?+H?O=NH?COONH2NH?COONH2+H?O=(NH?),CO(NH?)?CO?=NH?+CO?+H?O(3)尿素的縮合反應(yīng)純尿素在加熱到或者接近熔點時，開始呈不穩(wěn)定性，尿素是一種高濃度氮肥，屬中性速效肥料，也可用來生產(chǎn)多種復(fù)合肥料。在生少量縮二脲，又稱雙縮脲，對作物有抑制作用。我國規(guī)定肥料用尿素縮二脲含量應(yīng)小于0.5%?？s二脲含量超過1%時，不能做種肥，苗肥和葉面肥，其他施用期尿素是有機態(tài)氮肥，經(jīng)過土壤中的脲酶作用，水解成碳酸銨或碳酸氫銨后，才能被作物吸收利用。因此，尿素要在作物的需肥期前4~8天施用。尿素是目前生產(chǎn)尿素的方法有很多種，20世紀(jì)60年代以來，全循環(huán)法在工業(yè)上獲得普遍采用，最常用的是水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素和二氧化碳氣提法生產(chǎn)尿素。合成氨2NH?+CO?→CO(NH?)?+H?O。該反應(yīng)是放熱的可逆反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率一般為50~70%。因此從合成塔出來的尿素溶液中除了尿素外，還有氮和甲銨。按未反應(yīng)物的循環(huán)利用程度，尿素生產(chǎn)方法可分為不循環(huán)法、半循環(huán)法和全循環(huán)法三種。依氣提介質(zhì)的不同，分別稱為二氧化碳氣提法、氨氣提法、變換氣氣提法。依照分離回收方法的不同主要分為水溶液全循環(huán)法、氣提法等。按氣提氣體的不同又可分為二20世紀(jì)60年代以來，全循環(huán)法在工業(yè)上獲得普遍采用。全循環(huán)法是將未轉(zhuǎn)化成尿素的氨和二氧化碳經(jīng)減壓加熱和分離后。全部返回合成系統(tǒng)循環(huán)利用，原料氨利用率達97%以上。全循環(huán)法尿素生產(chǎn)主要包括四個基本過程：①氨和二氧化碳原料的供應(yīng)及凈化；②氨和二氧化碳合成尿素；③未反應(yīng)物的分離與回收；④1.2.2CO?氣提法故氣提法是采用二段合成原理，即液氨和氣體CO?在高壓冷凝器內(nèi)進行反應(yīng)生成收生成甲銨或碳酸銨水溶液再循環(huán)返回合成系統(tǒng)。我國尿素廠多數(shù)采用水溶液全水溶液全循環(huán)尿素工藝生產(chǎn)裝置的靜止高壓設(shè)備較少，只有尿素合成塔及液氨預(yù)熱器為高壓設(shè)備，其它均為中壓和低壓設(shè)備，所以該尿素工藝生產(chǎn)裝置的技氣體中氧含量控制的較低，并且尿素合成塔操作壓力為19.6MPa,操作溫度為42%-68%,經(jīng)過尿素合成塔塔板的改造，有的企業(yè)已經(jīng)達到68%以上。由于該工藝高壓設(shè)備較少，高壓系統(tǒng)停車保壓時間可以達到24h,所以生產(chǎn)裝置的中小檢修降低了尿素的消耗。由于氨碳比控制的較高，中低壓分解系統(tǒng)溫度控制適當(dāng)，尿缺點是：水溶液全循環(huán)尿素工藝生產(chǎn)裝置的工藝流程較長，在操作調(diào)節(jié)方面環(huán)吸收系統(tǒng)回收后再返回到尿素合成塔，液氨泵和一段甲銨泵的輸送量比較多，所以該工藝中液氨泵和一段甲銨泵的臺數(shù)較多，動力消耗較多。由于該工藝高壓所以一段甲銨泵和液氨泵的運行周期較短、檢修維護時間較多、維修費用較高。運行周期也相對較短、維修工作量較多、維修費用較高。水溶液全循環(huán)尿素工藝造后的生產(chǎn)能力),也有個別廠家經(jīng)過雙尿素合成塔改造后達到了年產(chǎn)30~10噸，最近山東化工規(guī)劃設(shè)計院也設(shè)計了年產(chǎn)30~40萬噸尿素的水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿氣提法是利用某一氣體在與合成等壓的條件下分解甲銨并將分解物返回合成系統(tǒng)的一種方法。氣提法是全循環(huán)法的發(fā)展，具有熱量回收完全，氨和二氧化碳處理量較少的優(yōu)點。此外，在簡化流程、熱能回收和減少生產(chǎn)費用籌方面也都優(yōu)于水溶液全循環(huán)法.是尿素生產(chǎn)發(fā)展的一種方向。作為操作控制最佳指標(biāo)進行操作，大部分未反應(yīng)生成尿素的氨和二氧化碳在高壓系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)繼續(xù)反應(yīng)生成尿素，只有較少部分的氨和二氧化碳需要在低壓部分進行回收，液氨泵和甲銨泵的輸送量比較少，所以該裝置中液氨泵和甲銨泵的臺數(shù)較少，動力消耗較少，并且該工藝高壓系統(tǒng)的操作壓力較低，為13.5~14.5MPa,使液氨泵和甲銨泵的運行周期較長，維修費用較少。該工藝能夠回收較高品位的甲按反應(yīng)熱，除本系統(tǒng)加熱使用外還可剩余少部分富裕低壓蒸汽供外系統(tǒng)使用。常穩(wěn)定。并且荷蘭斯塔米卡邦公司最近幾年又對該工藝進行了大量研究工作，開發(fā)出了單套裝置年產(chǎn)100×100t/a尿素的尿素池式冷凝器技術(shù)。與傳統(tǒng)高壓甲銨冷凝器不同的是，池式冷凝器可提供一定的停留時間，使甲銨生成尿素的反應(yīng)在此可達到反應(yīng)平衡的60%~80%,使生產(chǎn)裝置產(chǎn)能在原設(shè)計能力的基礎(chǔ)上翻一番，并壓二氧化碳氣提塔、高壓甲銨冷凝器、高壓洗滌器四大主要設(shè)備，它們是CO?氣提法尿素工藝生產(chǎn)裝置的核心，其它均為低壓設(shè)備，所以該尿素工藝生產(chǎn)裝置的技術(shù)改造比較困難，改造增產(chǎn)潛力較小。高壓二氧化碳氣提塔加熱需要的蒸汽品尿素的合成是第一次用人工方法從無機物制得有機化合物。1773年Rouelle在蒸發(fā)人尿時第一次發(fā)現(xiàn)尿素；1824年，Prout通過分析合成法制取尿素氨水，在1935年開始制造固體尿素，之后又出現(xiàn)了制備尿素的其終都未能實現(xiàn)工業(yè)化；唯一成為當(dāng)代尿素工業(yè)化基礎(chǔ)的是由氨和二氧化塔合成尿1935年開始生產(chǎn)固體尿素并將未轉(zhuǎn)化物懸浮液循環(huán)法；氣體分離循環(huán)法；水溶液全循環(huán)法等。其中，僅水溶液全循環(huán)法成功獲得了工業(yè)應(yīng)用：未反應(yīng)的氨和二氧化碳以氣態(tài)形式與尿素水溶液分離后，用水吸收為水溶液，再用泵送回系統(tǒng)。其工藝包括氣液分離、液體吸收、氣體冷裝置能力達到1000t/a~1500t/a;其二，氣提法工藝被廣泛采用。氣提法是針對水溶液全循環(huán)法的缺點而開發(fā)的一種工藝，其實質(zhì)是在與合成反應(yīng)相等壓力條件下，利用一種氣體通過反應(yīng)物系(同時伴有加熱)是未反應(yīng)的氨或二氧化碳被帶出。因此，先后出現(xiàn)了二氧化碳氣提法(由Stamiearbon開發(fā)，使尿素生產(chǎn)的能耗大為降低);氨氣提法(由意大利SnamProgetu開發(fā)),1966年建成第一個氨氣提法尿素工廠；日本ToyoKoatsu全循環(huán)改良C法(合成壓力高達25MPa,溫度為200℃,轉(zhuǎn)化率72%)和D法；美國的UTI熱循環(huán)法。20世紀(jì)80年代之后，二氧化碳氣提法和氨氣提法得到進一步改進、完善；同時世界上著名的尿素公司還開發(fā)了其他的先進工藝：意大利的等壓雙循環(huán)工藝 (IsobaricDoubleRecycle,簡稱IDR);日本TEC/TMC開發(fā)了降低成本和節(jié)能新(1)二氧化碳的壓縮與凈化：原料二氧化碳經(jīng)一二段壓縮到0.981~送往預(yù)反應(yīng)器.尿素合成塔的底部，其組成為NH?/CO?~4.1(摩爾比),H?O/CO?~0.65(摩爾比),(3)循環(huán)回收尿素合成塔的反應(yīng)熔融物經(jīng)出口壓力調(diào)節(jié)閥減壓至一段分解系統(tǒng)的防腐氣體自一段分解加熱器的尿液入口管道上補入.惰氣洗滌器尾氣與二循二冷凝器尾氣混合后進入尾氣吸收塔被蒸發(fā)冷凝液吸放空.(5)工藝?yán)淠悍峙渑c解吸：碳氨液槽分為一段蒸發(fā)冷凝液室、二段蒸發(fā)冷凝液室和碳氨液室.二段蒸發(fā)冷凝液貯存于二段蒸發(fā)冷凝液室，由蒸發(fā)冷凝液泵送往二循一冷凝器和二循二冷凝器，不足部分引入一段蒸發(fā)冷凝液.一段蒸發(fā)冷凝液與中間冷凝液貯存于一段蒸發(fā)冷凝液室，,由尾氣吸收泵送入尾氣吸收塔頂作為吸收液，尾氣吸收塔底部得到的碳氨液送至碳氨液室.系統(tǒng)各處的排放液也進入碳氨液室.碳氨液由解吸泵送至解吸換熱器，與來自解吸塔底部的解吸廢液進行換熱后進吸塔頂部作為回流液，氣相進入二循一冷凝器，解吸廢液經(jīng)換熱器回收熱量后，排往污水處理裝置.附圖：工藝流程圖CO?CO?圖3-1水溶液全循環(huán)法合成尿素示意流程圖1-預(yù)反應(yīng)器；2-尿素合成塔；3-預(yù)分離器；4-中壓循環(huán)加熱器；5-中壓循環(huán)分11-尿素溶液泵；12-一段蒸發(fā)加熱器；13-一段蒸發(fā)分離器；14-二段蒸發(fā)加熱器；經(jīng)過加壓預(yù)熱的原料液氨與經(jīng)壓縮后的原料二氧化碳氣及循環(huán)回收來的氨基甲酸銨液一并進入預(yù)反應(yīng)器。在預(yù)反應(yīng)器內(nèi)氨與二氧化碳反應(yīng)生成氨基甲酸銨，在進入尿素合成塔，在塔內(nèi)氨基甲酸銨脫水生成尿素。尿素熔融物從塔頂出來進入預(yù)分離器，將氨基甲酸銨和氨進行分離。氨基甲酸銨從預(yù)分離器底部出來進入中壓循環(huán)加熱器，用蒸汽加熱進一步提高溫度，促使殘余氨基甲酸銨分解。氣、液在低壓循環(huán)分離器內(nèi)分離。分離出來的尿液經(jīng)減壓至常壓后，進入閃蒸槽，經(jīng)減壓后尿液中的氨基甲酸銨和氨幾乎全部清除。自閃蒸槽出來的尿液進入尿液貯槽，用尿素溶液泵打入中壓蒸發(fā)加熱器及低壓蒸發(fā)加熱器，在不同真空度下加熱蒸發(fā)，氣、液分別在中壓蒸發(fā)分離器及低壓蒸發(fā)分離器內(nèi)分離。低壓分離器出口尿液濃度達99.7%(質(zhì)量)以上，用熔融尿素泵打入造粒塔，經(jīng)造粒噴頭撒成尿粒，進入回收系統(tǒng)?；厥盏陌迸c二氧化碳以液氨或氨基甲酸銨的形式返回合成系統(tǒng)循一段蒸發(fā)分離器、二段蒸發(fā)分離器及閃蒸槽出來的氣體，大部分水蒸氣和少2工廠設(shè)計條件與總平面布置力求做到流程線路暢通、連續(xù)、短捷、避免交叉進行,是各種物料的輸送距離為最小。同時，應(yīng)將水電汽等公用工程耗量大的車間，盡量集中布置中心與供應(yīng)來源靠近，是各種公用系統(tǒng)介質(zhì)的工程(2)要能夠充分結(jié)合場地優(yōu)勢、地位(3)大多數(shù)廠房，特別是主要生產(chǎn)車間的布置，風(fēng)向，保證自然通風(fēng)，廠前區(qū)和防污染的車間放在上風(fēng)向，區(qū)集中。對易燃易爆的各類儲罐和由危險性的庫房(油庫、危險品庫),應(yīng)力求遠必須注意與城市建設(shè)和地域總體規(guī)劃相適應(yīng)，輕化工工廠變化較快，綜合利用較廣，加工深度較深，大多數(shù)工藝流程更新快，這要求在設(shè)計實現(xiàn)留有較大的預(yù)留(9)采取各種措施，提高建筑系數(shù)和場地利用稀疏。建筑系數(shù)一般為25%~40%,場地利用系數(shù)一般為50%～60%,這是總平面設(shè)計的主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。(3)輔助車間布置：以生產(chǎn)車間為中心，根據(jù)總平面布置原則，綜合各種d水處理車間：靠近負荷中心，處理每日生產(chǎn)車間所需的工業(yè)用水，并提供寬10米，行道每邊各1米，車間引道6米，這樣有利于消防和道路的改造。4盡量使大多數(shù)廠房向陽、背風(fēng)、避免瓦斯等，盡可能使各廠區(qū)有條件采用處理系統(tǒng)等設(shè)施;量：13t/h3化工工藝設(shè)計設(shè)計年生產(chǎn)量10萬噸尿素合成工藝(2)原料液氨：純度≥99.5%(重量%)溫度≤300.101Mpa,0℃)氣體狀態(tài)，0.101Mpa,0℃)(6)冷卻水：壓力：進界區(qū)0.588Mpa(絕)出界區(qū)0.294Mpa(絕)污垢系數(shù)：3.44×10?c.s/J溫度進界區(qū)≤32℃,冬季不得低于20℃出界區(qū)0~38℃腐蝕性：70℃以下對碳鋼不銹鋼無腐蝕質(zhì)量：氯離子<5×103g/1出界區(qū)：0.49Mpa(絕)穩(wěn)定性：90℃以下溫度：進界區(qū)，常溫，出界區(qū)，-80℃壓力：進界區(qū)0.49Mpa(絕)數(shù)質(zhì)量：無油，無水，無塵，無雜質(zhì)露點：在最低壓力下至少比環(huán)境溫度低10℃0.101Mpa,0℃)設(shè)計產(chǎn)量，日產(chǎn)尿素333噸符合GB2440——91國家農(nóng)用尿素標(biāo)準(zhǔn)以噸尿素為準(zhǔn)，液氨：0.58噸，二氧化碳：0.785噸，冷卻水：180噸3.2主要工藝控制指標(biāo)操作壓力：一段入口：~35℃五段出口：~125℃操作壓力~1.765Mpa(絕)操作溫度155~160℃操作溫度：塔頂<50℃;塔底90~95℃相CO?量<100ppm操作溫度：45℃,尾氣含氧≤5%(體積%)氧量0.07%(重量)操作溫度~130℃出口尿液濃度95~96%操作溫度~140℃出口尿液濃度~99.5%縮二脲1.0%水0.5%N?:3.8%t=35°C(2)二氧化碳氣體帶入水量0?:2.854-0.183=2.671kg或0.0835kmol(4)由一段吸收系統(tǒng)返回尿素合成塔的氨基甲酸銨溶液中的NH?/CO?(摩爾比)=3.121,含循環(huán)尿素4.598kg(2)一段分解效率：甲銨分解率：87.66%;總氨蒸出率：88.67%(4)加入防腐空氣2.0m3(標(biāo))空氣的摩爾標(biāo)準(zhǔn)體積按22.4L計，含氧量取20.81%,其余按氨計，空氣含水量忽略不計。:2×0.2081/22.4=0.0186kmol或0.595kgN?:17.769+1.9817.749kg或0.7053kmol(3)一段分解系統(tǒng)出口尿液尿素：1013.35kg或16.8892kmolCO?:416.11-364.72=51.348kg或1.167kmol3.3.5二段分解系統(tǒng)(1)二段分解條件：壓力：0.294Mpa;溫度：140℃(2)二段分解排出物料組成：溶液含氨0.7%(重量%)溶液含二氧化碳0.46%(重量%)氣相含水26%(體積%)(3)二段分解系統(tǒng)生成縮二脲6kg生成縮二脲：6kg或0.0583kmol設(shè)氣相中含CO?—Xkg,NH?—Ykg,H?O--ZkgH?O533.089-55.91=477.179kg(3)閃蒸槽出口溶液組成：尿素：水=71:29(重量比)尿素合成塔排出溶液總氨量1259.364kg,CO?含量416.11kg,總過剩氨量：H?O:1006.36×29/71=411.048kg22.836kmol(2)閃蒸槽排出氣體H?O:477.179-411.048=66.131kg3.6739kmol(1)一段蒸發(fā)器操作條件：壓力0.033Mpa,溫度130℃(2)一段蒸發(fā)器出口尿液組成：尿素：水=96:4(重量比)(3)一段蒸發(fā)氣夾帶尿素4.77kg,蒸發(fā)過程生成縮二脲1.0kg,水解尿素4.5kg生成CO?:4.5×44/60=3.3kg或0.075kmol(4)一段蒸發(fā)器出口氣體(1)二段蒸發(fā)器操作條件：壓力3.33Mpa,溫度：140℃(2)二段蒸發(fā)汽夾帶尿素3.421kg,蒸發(fā)過程水解尿素1.5kg,生成縮二脲2.0kg生成CO?:1.5×44/60=1.1kg或0.025kmol(3)二段蒸發(fā)器出口熔融尿素造粒：熔融尿素含水5kg或0.2778kmol(4)二段蒸發(fā)器出口氣體(1)生成縮二脲的計算：溫度t=45℃NH?:0.911kg;CO?:0.073kg(3)冷凝過程中各組分的平衡壓力為氣相實際分壓的90%45℃時水的飽和蒸汽壓為9.852Mpa,冷凝液中，,尿素含量不高，故符合稀溶液的依數(shù)性。冷凝液中水的摩爾數(shù)約為96%,則水蒸氣實際分壓：據(jù)測定值，與溶液呈平衡的氨分壓為7.503kpa,CO?分壓為0.247kpa漏入系統(tǒng)空氣的分壓為：二段蒸汽冷凝器以液氨為冷卻介質(zhì)。壓力考慮到氣體流動的壓降P=2.933kpa溫度t=15℃(2)冷凝液NH?/CO?=2.5(摩爾比，測定值)(3)因泄露進出系統(tǒng)的空氣量不做計算(4)溶液中氨的體積摩爾濃度為1.5mol/L15℃時，水的飽和蒸汽壓為1.7044Mpa,溶液水的摩爾濃度約為94%。(5)設(shè)各組分與溶液呈平衡的分壓為實際氣相分壓的90%。(1)未凝氣的計算，據(jù)上述條件可求得各組分平衡分壓為：NH?:0.89KpaCO?:0.055KpaH?O:1.704×0.94=1.602Kpa各組分氣相實際分壓為；PH?0=1.602/0.9=1.78KpaPco?=0.055/0.9=0.061Kpa設(shè)氣相中有CO?:Xkg,NH?:Ykg(式3.4)(式3.5)X(CO?)0.022kg或0.0005kmolY(NH?)0.139kg或0.0082kmolH?O:(0.0005+0.0082)(2)二段蒸汽冷凝液CO?:1.1-0.022=1.078kg或0.0245kmolNH?:1.18-0.139=1.041kg或0.0612kmolH?O:36.047-0.265=35.782kg或1.9879kmol3.3.12中間冷凝器(1)中間冷凝器操作條件：壓力P=16kpa,溫度t=40℃(2)進入中間冷凝器的噴射蒸汽：二段蒸發(fā)噴射器的噴射蒸汽用量22.234tUr(4)與冷凝液成平衡的CO?氣相分壓極低，故設(shè)CO?全部冷凝(1)未凝氣計算當(dāng)設(shè)氣相中二氧化碳全冷凝時，溶液中氨的體積摩爾濃度約為0.07mol/L,據(jù)組平衡分壓為實際分壓的90%NH?:0.139-0.022×3×17/44=0.114kg或0.0067kmoCO?:0.022kg或0.0005kmolH?O:0.265+22.234-0.253.3.13系統(tǒng)水平衡及其分配成品尿素含水5kg或0.2778kmol中間冷凝器尾氣帶走0.258或0.0143kmol解吸塔排走Xkg或X/18kmol計10.209+Xkg或0.5671+X/18kmol甲銨泵泄露0.655kg或0.0364kmol合計41.322kg或2.1306kmol合計：482.697kg或26.3369kmol二段蒸發(fā)冷凝液全部返回吸收系統(tǒng)，故由解吸氣及一段蒸發(fā)冷凝液，中間冷凝液返回系統(tǒng)的水量為：174.915-35.782=139.133kg或7.7296kmol進入尾氣吸收塔的氣氨量：21.763設(shè)加入尾吸塔的水量為：Xkg則加入尾吸塔的蒸發(fā)冷凝組成為：CO?:10.181X/1455.359kgNH?:12.378X/455.359kgH?O:Xkg尿素：4.729X/1455.359kg故進入解吸塔的碳銨液為：CO?:10.181X/1455.359-0.328kgNH?:12.378X/1455.359-1.668+21.763kgH?O:X-1.235kgUr:4.779X/1455.359kg解吸塔排出溶液中含CO?:0.35kgNH?:0.272kgH?O:314.944kg解吸氣組成為：H?O:X-1.235-314.944=X-316.179kg解吸氣溫度115℃,壓力0.35Mpa,由圖查得，解吸氣含水量42%(重量%)故有(式3.6)CO?:10.181×341.830/455.359-0.692=6.964kg或0.1583kmolNH?:12.378×341.830/455.359+19.823=29.11kg或1.7126kmolH?O:341.830-1.235-3.14.944=25.651kg或1.425kmol(2)進入尾氣吸收塔的蒸發(fā)冷凝液；CO?:10.181-7.642=2.539kg或0.058kmol(4)加入二循一冷凝器的蒸發(fā)冷凝液二循環(huán)冷凝器操作溫度40℃,壓力0.2944Mpa查得，此條件下H?O/CO?=41/20=2.05(重量比)NH?/CO?=39/20=1.95(重量比)故有(5)加入二循二冷凝器的蒸發(fā)冷凝液表3.1蒸發(fā)冷凝液分配表收入物料支出物料名稱名稱CO?液CO?NH3NH?H?O尿素尿素合計合計段蒸發(fā)冷凝器發(fā)冷凝液CO?NH3NH?H?O尿素尿素合計合計間冷凝器CO?發(fā)冷凝液NH3NH3合計尿素總計合計總計表3.2系統(tǒng)水平衡表進入系統(tǒng)水量系統(tǒng)排出水量名稱名稱1.原料CO?帶入1.甲銨泵泄露2.噴射蒸汽2.一段蒸發(fā)水解尿素消耗3.尿素反應(yīng)生成3.二段蒸發(fā)水解尿素消耗4.成品尿素含水5.一段蒸發(fā)冷凝器尾氣帶走6.中間冷凝器尾氣帶走7.尾氣吸收塔尾氣帶走8.解吸塔排走總計總計表3.3吸收系統(tǒng)水平衡表進入系統(tǒng)水量吸收系統(tǒng)排出水量名稱名稱1.一段分解氣帶入1.返回尿素合成塔2.二段分解氣帶入2.甲銨泵泄露3.補入二循一冷凝器4.補入二循二冷凝器液5.解吸氣帶入總計總計據(jù)前節(jié)計算，二循一冷凝器操作條件為：壓力0.294Mpa,溫度40℃表3.4二循二冷冷凝器收入物料H?O(kg)尿素(kg)二段分解氣解吸氣蒸發(fā)冷凝液合計(1)二循二冷凝器操作條件：壓力0.245Mpa,溫度4(1)氨冷凝器操作條件：壓力1.765Mpa,溫度38℃由尿素合成物料衡算知，循環(huán)液氨775.12,即為氨冷凝器冷凝氨量38℃時，氨的飽和蒸汽壓1.47Mpa。O?3.266kg或0.1021kmol(1)惰性氣滌器操作條件：壓力1.765Mpa,溫度45℃尾氣吸收塔操作條件：壓力101.325Mpa或40℃。0.06861kmol尿素3.588kg或0.0598kmol(1)解析系統(tǒng)操作條件：壓力0.35Mpa,溫度115℃尿素0.773kg或0.0129kmol(3)濃氨水尿素0.009kg或0.0002kmol合計2.493kg或0.1142kmol3.4熱量平衡計算3.4.1尿素合成塔原料CO?氣體入塔壓力20Mpa(絕),125℃一段甲銨溶液入塔壓力20Mpa(絕),95℃尿素合成塔排出反應(yīng)物壓力19.712Mpa(絕),188℃①尿素合成塔排出氣體吸熱H?設(shè)氣相氨全部來自入塔液氨氨的焓值設(shè)入塔液氨溫度為t,在20Mpa下，其焓值ixkJ/kg由氧的i-s圖查得氧的焓值：由氮的i-s圖查得氮的焓值：②進入液相的CO?氣體降溫降壓吸熱H?進入液相，生成甲銨的CO?量：736.931-18.049=718.882/kg③當(dāng)液氨降溫降壓氣化吸熱H?由氨的i-p圖查得氨的焓值：0.101Mpa,25℃,i=175.28kJ/kg④NH?、CO?生成甲銨放熱H?⑤固體甲銨升溫至熔點吸熱Hs固體甲銨從25℃間的積分平均摩爾比熱容為176.264kJ/(kmol.℃)⑥固體甲銨熔融吸熱H?固體甲銨熔融熱取20306kJ/kmol查圖取甲銨平均摩爾比熱容Cp=151.461kJ/(kmol.℃)查圖取尿素?zé)崛軨p=1.992kJ/(kmol.℃)⑨循環(huán)氨水降溫放熱Hg查圖，35.43%氨水比熱容Cp=4.561kJ/kgH?=512.149×4.561×(25-95)=-163514kJ⑩循環(huán)氨降溫放熱H?o由水蒸氣的i-s圖查得一段甲銨液中氨水含氨：181.445kg(濃度35.43%)查圖2-1-4,取甲銨平均摩爾比熱容Cp=152.716kJ/(kmol.℃)(7)尿素合成塔熱損失H??尿素合成塔熱平衡H=H?+H?+H?+H?+Hs+H?+H?+Hg+Hg+H?o+Hu+H??+H??+H??+H?s+H??+Hz=0查氨的i-p圖，t=48℃即氨預(yù)熱器出口液氨溫度為48℃H?=62626kJH?=619889kJH?=-81009kJ入塔碳銨液溫度查圖，忽略CO?,尿素存在對溶液的影響，在0.35Mpa操作壓力下，碳銨液沸點為120℃,即解吸塔進料溫度120℃.以25℃為基準(zhǔn)：(1)碳銨液帶入熱量H?(2)加熱蒸汽帶入熱量H?(3)氨水分解熱H?(5)解吸氣帶入熱HsH?=74084kJ(6)解吸氣廢液帶出熱H,H?=3521kJ(8)蒸汽用量G的計算(式3.9)(式3.9)2183.211G=152439解得G=69.823kgH?=-187145kJH?=193347kJ(1)計算依據(jù)(2)未凝氣放出熱量H?查圖1.746Mpa,50℃,i=1732.176kJ/kg(4)冷凝水移走熱量H?H?=-(H1+H?)=1604+142898=1424502kJ(1)計算依據(jù)(2)液氨升溫吸熱H?查高壓下氨的i-p圖：(3)熱損失H?H?=5216kJ(4)蒸汽冷凝液提供熱量H?熱平衡方程H?=H?+H?=98143+5216=103359kJ(5)出氨預(yù)熱器蒸汽冷凝液溫度t查得t~122℃(1)計算依據(jù)計805.731kg或18.5756kmol,100.00%,H?=805.731(815.88-732.2)=67424kJHs=H?+H?+H?+H?+H?=106053+67623+67623+122566=363865kJ9.144-732.2+768.81-715.464+648.52-617.14)=60.638kw實際選取43m設(shè)計裕度為35%CO?:736.931kgN?:18.621kg0.605kmolO?:2.8kg0.0875kmol塔徑4.2.1計算依據(jù)尿素3.588kg或0.0599kmolC0?7.327kg或0.1665kmolH?O341.09kg或18.949kmolNH?29.402kg或1.7295kmolH?O25.651kg或1.425kmol計61.725kg或3.3229kmol解吸廢液0.35Mpa143℃4.77%(體積)CO?0.35kg或0.008kmolH?O384.77kg或21.376kmolNH?0.272kg或0.016kmol0.92%(重量)0.28%(摩爾)0.09%(重量)0.04%(摩爾)4.2.2塔板數(shù)的計算表4.1氨水溶液組成NH3%(重量)NH3%(摩爾)H2O%(摩爾)溶液沸點PNH3,kg/cm2(絕)Ywn(摩爾`aO(式4.1)平均相對揮發(fā)度α=15.546Xn,o=1-X,Ym?o=1-Yn平衡關(guān)系式為：(式4.2)L=V+WVX第m塊板溶液氨的摩爾分數(shù)(式4.4)Xw殘液中氨的摩爾分數(shù)Ym+1第m+1塊板上與溶液呈平衡的氣相中氨的摩爾分數(shù)m,m+1自上而下數(shù)的塔板序號溶液實際以沸點進料，氣化率為零。按衡分子流假設(shè)，對下圖虛線部分作物料衡算：Yw加熱蒸汽中氨含量，為零。L+V’=V+W聯(lián)立兩式，得操作線方程。代入上式得，Ym+1=6.2883×Xm-0.048逐板計算結(jié)果如下：(式4.6)(式4.7)(式4.8)表4.2逐板計算操作線方程平衡線方程Ym+1=6.2883×Xm-0.048Xm=Ym/(15.546-14.546Ym)Y?=6.2883×0.0836-0.0048=0.5209X?=0.5209/(15.546-14.546×0.5209)=0.06537Y?=0.40627X?=0.04216Y?=0.26031X?=0.02214Y?=0.13442X?=0.0099Ys=0.05745Xs=0.0039Y?=0.01972X?=0.0012Y?=0.00331X?=0.00021X?>Xw>X?故解吸塔理論板數(shù)為8塊。(2)實際塔板數(shù)計算，蒸餾塔全塔效率按下式計算ET=0.49(au?)-0.245式中；ET—全塔效率a—相對揮發(fā)度u?—液相平均粘度10-3pa.s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。為調(diào)節(jié)解吸氣的含水量，解吸系統(tǒng)設(shè)置了解吸冷凝器，以保證解吸氣溫自解吸冷凝器返回解析塔頂，為此，解吸塔上部增加了五塊塔板的回流段，根據(jù)可不開解吸冷凝器，解吸塔精餾段將因此失去作用。所以解吸塔未做精餾段塔板4.2.3塔徑及附屬設(shè)備計算塔頂：近似取932kg/m3塔底：近似取923kg/m3假臨界溫度Tcm=X?×Tc?+X?×Tc?+X?X?×Tc?+.…+Xi×Tca塔徑計算取泡罩中心距t/Dg=1.35t=1.375×0.08=0.11m解吸塔工作負荷與許多因素有關(guān)，設(shè)計上應(yīng)考慮有較大的操作彈性以適應(yīng)不同情況造成的解吸負荷的變化。泡罩齒縫開度hs取0.6h,即hs=0.027m由式泡罩量m為M=26.6個取m=27個鼓泡面積：Aa=2.05AAa=2.05×27×0.00504=0.2790取鼓泡面積占塔截面積的60%3.14×D2/4=0.2790/0.6w=0.122×4/3.14×0.92=0.24m/s實際鼓泡面積為塔板面積的53%,根據(jù)表對小直徑塔，這樣的比例是適c附屬設(shè)備計算據(jù)表，泡罩主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：泡罩底面積Ac=0.00504m2齒縫總面積：F?=0.0023m2升氣管×壁厚$57×2.75升氣管凈面積F1=0.001716m2因塔徑、流量均小，故宜采取單溢流形式。據(jù)表，取堰長Lw=356mm,堰寬Wa=74mm堰長Lw為塔徑D的356/900=0.396倍最大的堰長溢流量遠小于規(guī)定值。查表A/Ar=0.0922溢流堰面積：A=0.0922×3.14×0.8×0.8/4=0.0463m2鼓泡面積Aa=0.2790m2塔截面積：Ar=0.5022泡罩按三排布置，塔中心線上一排，中心線兩側(cè)對稱各一排，故溢流堰由式，正常氣量時齒縫開度為：Hs=0.0084m(6)堰高靜液封hss取20mm,按公式故hy=10+5+20+20=55mm(7)堰上液流高度Lw/D