毕业论文全循环改良c法制尿素合成工段初步设计

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）齐 齐 哈 尔 大 学毕业设计（论文）题 目 全循环改良C法制尿素合成工段初步设计 学 院 化学与化学工程学院 专业班级 化工082班 学生姓名 朱立国 指导教师 朱宪荣 成 绩 2012年6月10日- 42 -摘 要本设计是关于年产12万吨全循环改良C法制尿素合成工段的初步设计。在本说明书中介绍了尿素生产的意义及作用、国内外的发展现状及前景、尿素产品的性质、尿素的生产方法等内容。由查找的资料相比较，确定了以全循环改良C法为合成工艺路线的尿素合成方法。本说明书重点阐述了尿素合成工段的设计，包括反应原理和工艺流程的论述；根据工艺参数进行的物料衡算、热量衡算和相应的设备计算，并依据计算数据进行设备的选型；根据车间布置设计原则进行了合理的车间设备平立面布置；并且针对相应工段的生产操作进行了自动控制、车间安全、“三废处理”以及公用工程的说明。最后根据上述工艺条件手绘带控制点的工艺流程图，并且利用Auto CAD绘制了车间平立面布置图和主要设备图。最终完成了20 000多字的设计说明书。关键词：尿素；物料衡算；热量衡算；工艺流程AbstractThis design is about an annual output of 120000 tons of the circulation improvement C legal urea synthesis section in the preliminary design. In this book introduces the urea production the significance and the effect of the development at home and abroad, and the present and future, urea nature of the product, urea production methods, etc. By looking for material, in comparison to the circulation improvement determined method for synthesis process route C of the urea synthesis method. This manual focuses on the design of the section in urea synthesis, including reaction principle and process of the elaboration; According to the process parameters of material balance, heat balance is the calculation and the corresponding equipment calculation, and according to the calculated data equipment selection; According to the workshop layout design principle of reasonable workshop equipment flat facade decorate; And for corresponding section of production operations on the automatic control, workshop safety, three wastes treatment and utility of it. According to the above process conditions with the hand control process flow diagram, and make use of Auto CAD drawing the workshop elevation layout and major equipment flat figure. Finally completed more than 20 000 words of the design specification.Key words: Urea；Mass balance；Heat balance；Technological process齐齐哈尔大学毕业设计（论文）目 录摘 要IAbstractII第1章 总 论11.1 概述11.1.1 尿素的生产意义及作用11.1.2 国内外现状及发展前景21.2 尿素的性质与特点31.2.1 尿素的物理性质31.2.2 尿素的化学性质31.1.3 尿素的生产方法概述41.3 设计依据51.4 厂址选择51.4.1 选址原则51.4.2 选择原因61.5 设计规模和生产制度71.5.1 设计规模71.5.2 生产制度71.5.3 人员配备81.5.4 成品或半成品主要技术规格及标准（国家标准、行业标准）81.5.5经济核算9第2章 工艺设计与计算102.1 工艺原理102.2.1 尿素合成工艺原理102.2 工艺路线的选择102.3 工艺流程简述112.3.1 二氧化碳的压缩112.3.2 液氨的压缩与输送122.3.3 浓甲铵液的压缩与输送122.4 工艺参数122.5 物料衡算132.5.1 合成塔的物料衡算132.5.2物料衡算表152.6 热量衡算152.6.1 第一液氨预热器的热量衡算152.6.2 第二液氨预热器的热量衡算17第3章 Aspen 模拟203.1 Aspen plus 全流程模拟图203.2 进料流量203.3 出料流量21第4章 设备的选型224.1 关键设备的选型224.1.1 合成塔的计算与选型224.1.2 液氨预热器的计算与选型274.2 其他设备选型284.2.1 泵的选型284.2.2 压缩机的选型304.2.3 贮槽的选型30第5章 设备一览表32第6章 车间布置336.1 车间布置的意义及作用336.2 车间布置设计方案336.2.1 厂房形式336.2.2 车间设计布置34第7章 自动控制357.1 主要设备控制357.1.1 泵的控制357.1.2 传热设备的控制367.1.3 合成塔的控制367.2 自控水平36第8章 安全和环境保护388.1 安全生产388.1.1 厂房构筑安全388.1.2 设备消防和防护388.1.3 实行安全责任制388.2 三废排放及处理39第9章 公用工程405.1 供水405.2 供电405.3 供暖415.4 通风41结束语42参考文献43致 谢44第1章 总 论1.1 概述1.1.1 尿素的生产意义及作用尿素分子式为CO(NH2)，亦称脲，学名碳酰二胺。在人体蛋白质分解的最终产物中占有相当大的比例。在普通的进食情况下，每日通过尿液可排放出25至30克，接近于尿液总氮量的87%。哺乳类动物体内含氮代谢物是以尿素的形式排出的，它在肝脏合成，其代谢过程称为尿素循环。尿素通常用作植物的氮肥，可作为单质肥料使用，也可与磷肥钾肥混合作为复合肥料，还可以与其他微量元素合成尿素铁、尿素铜、尿素锌、尿素锰等复合肥料，以供满足农作物的生长需要1。尿素中的氮和碳水化合物一起经过胃液的长时间作用可以制造蛋白质形态的氮。根据测定，每1千克尿素中的氮含量等于2.6至2.8千克蛋白质的氮含量。因此尿素可作为反刍动物，如牛、羊等的饲料，即能促进动物的新陈代谢，增加体质，又可节省精饲料，减少投资，增加收益。近年来，水产养殖业也开始使用尿素。尿素在工业上用途广泛，在有机和陈工业中，尿素主要作用合成高分子契合物的原料，如用于生产合成脲醛树脂、有机玻璃等。在医药工业中，纯尿素可用作利尿剂，生产制药原料氨基甲酸乙酯以及用于生产安眠药、镇静剂、调味剂等原料。在石油工业中，尿素用来制造化学配合物，用作石油精炼过程的脱脂剂。再合成纤维中，尿素是合成纤维涤纶的重要原料，尿素还可用于纺织品的人工防皱和麻纱处理的软化剂。在国防工业中，尿素用作炸药的稳定剂；在选矿中用作起泡剂；除在制革、颜料、涂料、油漆、染料、投影显影剂以及日用化工产品外，一般对缩二脲的含量没有特殊要求。粒状尿素的吸湿性和结块性均比其他氮肥小，并且有良好的稳定性，便于运输，储存和使用，故各生产厂都生产大颗粒尿素2。近年来，总产量5%以上的尿素用于精细化工的生产中。用尿素加工三聚氰胺等有机化工产品。三聚氰胺也叫做氰尿酸，是由尿素热裂解环化而取得的，是一种稳定的白色结晶状固体。被广泛用于水处理，织物的漂白剂，用于洗衣粉，去污粉的复配组分及工业公共场所的家庭的消毒杀菌剂。现在，世界上几乎都用尿素作原料进行生产，应为工艺简单，成本低。三聚氰胺一般用于生产装饰板、餐具、木材、粘结剂、表面涂层、工业搪瓷，处理纺织品鞣革和生产离子交换材料。尿素还可用于香料，加工农药及生化过程。1.1.2 国内外现状及发展前景尿素最先发现于1773年。1828年科学家佛勒在实验室用氰酸与氨进行反应第一次得到合成尿素。到目前为止，尿素的生产方法很多，其主要区别在于未转化物的分离与回收方法不同。我国的尿素工业发展始于1958年，首先由南京建成日产10吨尿素的半循环生产法装置。1975年中国第一套二氧化碳汽提法装置在上海建成投产。20世纪70年代以来，中国兴建了数十套年产30104吨合成氨（5260）104吨尿素联合生产装置的大型化肥生产厂。我国现有化肥企业1924余家，其中氮肥企业约696家，生产能力在30万t/a以上的大型氮肥企业27家，共计29套装置，其中用有25家最终产品为尿素。全国中型氮肥企业有52家，产品为尿素的有37家。从今年我国化肥生产与消费的实际情况看，复合肥、混合肥、磷肥和钾肥的生产与消费量正在上升，这必将对尿素的生产与消费产生一定的抑制作用3。我国是世界生最大的尿素生产国和消费国，产量约占世界总产量的31%，消费量约占世界总产量的29.7%。在农用尿素方面，根据相关资料显示，化肥对粮食产量的贡献率在40%以上。尿素是最主要的一个化肥品种，占我国氮肥施用量的60%以上，而且随着碳铵使用量的不断减少，这个比例还在不断增加。据有关专家分期预测，近5年来我国农业尿素需求量每年都将以5%以上的速度增长。在工业尿素方面，目前我国工业尿素使用量最大的行业是人造板行业。目前我国人造板产量据世界第二位，仅次于美国。总体看来，近几年我国工业尿素用量都将保持在10%的快速增长，工业尿素在尿素总销量中所占的比例将越来越大。大力发展以尿素为原料的氮磷钾和微量元素复合肥料，继续开发合成树脂、涂料、颜料、染料、建筑材料、医药等多种产品的精细化工有着十分广阔的前景。世界上80%以上的尿素陈良都是以天然气为原料。尿素厂家主要集中在中东、印尼等有天然气资源优势的地区，世界尿素的产销达到基本平衡。据世界肥料专业人士分析，到2018年，世界尿素差能年将达到1.78108吨，也就是说比现在增加4107吨，平局每年增长率为2.9%。而全球对尿素需求的年平局增长率为2.4%，明显高于磷酸二铵等其他主要化肥品种的增长率。到2018年，全球尿素需求量预计将达到1.45108吨。其中东亚地区增加量是最多的，及肮脏家1.22107吨，主要在中国，另外韩国和日本对工业尿素的需求来难过也有所提高。1.2 尿素的性质与特点1.2.1 尿素的物理性质尿素（Urea）学名为碳酰二胺，化学是为CO(NH2)2，相对分子质量为60.06，含氮量为46.65%，是由碳、氢、氧、氮四种元素组成的有机化合物。纯净的尿素是无色无味的白色针状或棱柱状结晶体，常温下尿素的熔点为132.7，在20时尿素的饱和水溶液的密度为1.164g/cm3，固体尿素维1.355 g/cm3，温度每增加1，密度将降低0.000208 g/cm3，20时的比热容为1.334J/g，结晶热为224J/g，临界温度102.3。尿素水溶液的密度和粘度随温度降低而增大，尿素水溶液的沸点随浓度和压力的降低而降低。固体尿素易吸湿，随温度升高和相对湿度的增大，其吸湿性增大。故包装贮运要注意防潮。尿素易溶于水合液氨，其溶解度随温度升高而增大4。1.2.2 尿素的化学性质尿素的化学性质包括缩合反应、水解反应、加成反应等5。(1) 缩合反应尿素在加热的条件下易发生分子间缩合脱氨生成缩二脲、缩三脲和三聚氰酸等化合物。生成缩二脲的方程式为：(2) 水解反应尿素在常温下性质稳定，当温度在60以下时，几乎不发生水及反应。随着温度升高水解速率增加，当温度达到80，1小时内尿素的水解量仅为0.5%，110是，1小时内可增加到3%，其水解过程为：尿素水解量和速率与温度及加热时间有关，但在氨存在的情况下，尿素的水解反应可以大大降低。(3) 加成反应由于尿素分子结构特点，在强酸溶液中呈现弱碱性，因此尿素能与酸作用生成盐类。通过此方法，可以生产多种复合肥料。尿素在强碱溶液中，又呈现弱碱性，故尿素又能与NaOH、Na2CO3等反应。尿素还可以与一些金属盐类作用生成配合物，尿素几乎可以和所有直链烃反应。1.1.3 尿素的生产方法概述目前尿素的生产方法很多，但其基础均为水溶液全循环法。现今具有代表性的尿素生产技术主要有：荷兰斯塔米卡帮公司的二氧化碳气体工艺，意大利斯纳姆公司的氨气气体工艺，日本东洋公司的ACES工艺，意大利蒙特安迪生公司的等压双汽提工艺（等压循环法，简称IDR法）和美国UTI的热循环工艺。以上公益大都采用了气体技术，大幅度降低了水、电、气、热的消耗，代表了目前大型尿素装置工艺技术的最新水平6。(1) 水溶液全循环法氨和二氧化碳在19106Pa、190下进行反应，氨碳比为4.2，水碳比为0.65，二氧化碳转化率为63%。将尿素合成反应后的物料分段减压，加热使其中未反应的氨基甲酸铵分解，并使游离的解析出来。逐段将氨和二氧化碳冷凝成液氨并吸收成氨基甲酸铵水溶液，用泵加压返回合成系统中去循环利用。水溶液全循环法的特点为：合成转化率高，原子利用率高，动力消耗低，生产流程简单，投资较低。缺点为：对设备腐蚀严重。(2) Snam的氨气气体法按和二氧化碳在15106Pa、189下进行反应，氨碳比为3.6，二氧化碳转化率为64%，在15.0106Pa、210下在汽提塔以过剩氯为气提剂使未转化的甲铵分解，并送入甲铵冷凝，副产蒸汽供尿素提纯用。Snam的氨气气体法的特点为：高压回路按碳比高，转化率较高，减轻对设备的腐蚀，钝化空气少，放空气无爆炸危险。主要设备材料提高档次，提高耐腐蚀性，短期停车高压系统可以不排空，减少物料浪费，提高开工率。工艺废液水解技术先进，消除了废水污染，节约原料又可用于锅炉给水。缺点为：材料档次高，费用略高。(3) TEC的ACES法7氨和二氧化碳在17.5106Pa、190进行反应，氨碳比为4.0，二氧化碳转化率为72%，在相同压力下，将为转化为尿素的甲铵经过有塔板的气体塔用二氧化碳为气提剂使其分解，分解气并联进入两台甲铵冷凝器。精致部分设有二段分解和回收系统。TEC的ACES法的特点为：采用高的氨碳比以实现高的转化率，减少系统循环量，合成熔融结构特殊的气体塔精馏，气体分离未反应物，双甲铵冷凝器充分利用反应热。汽提塔用双相钢新材料，耐腐蚀性好，价格较低。缺点为：采用高框架。(4) IDR等压双循环法氨和二氧化碳在20.0106Pa、190下进行反应，氨碳比为4.0，二氧化碳转化率为70%，在20.0106Pa、190下串联经两个汽提塔，分别以氨和二氧化碳为气提剂使未转化的甲铵分解，分解气送至甲铵冷凝器冷凝，副产蒸汽供精制尿素使用。IDR等压双循环法的特点为：合成转化率高，未反应物以等压方式循环回收，能耗低。关键设备加入液体钝化剂，使设备免受腐蚀。尿素合成塔的结构特殊，分为上下两段。缺点为：对设备要求较高，成本大。1.3 设计依据本设计的设计依据有：(1) 毕业设计任务书(2) 齐齐哈尔大学本科生毕业设计（论文）工作手册(3) 化学工程师设计全书(4) HG20581钢制化工容器材料选用规定(5) HG20583钢制化工容器结构设计规定(6) HG20652塔器设计技术规定(7) 化工部设备设计技术中心站化工设备标准手册(8) 化工部设备设计技术中心站化工设备图册(9) JB1422-74平底锥盖容器基本参数1.4 厂址选择化工厂的厂址对于企业的成败具有重大的影响。厂址选择的好坏对工厂的建设进度、投资数量、经济效益以及环境保护等方面关系密切。综合比较原料来源、运输条件、优惠政策、基础设施、社会效益等等方面，本厂厂址拟定于江苏省如东县洋口化学工业园区。1.4.1 选址原则(1)原料和市场：厂址应靠近原料产地。 (2)能源：化工厂需要大量的能源和蒸汽，应靠近煤厂和电厂。 (3)气候：化工厂有很多塔设备，因此应禁止在有强风气候的区域建厂，禁止在灾害经常发生的区域建厂。(4)运输条件：尽量考虑靠近交通枢纽以及铁路，公路运输为甲醇运输的主要方式。 (5)供水：化工厂会消耗大量的水进行生产的辅助。因此，厂址必须靠近水量充足的地区。(6)环境影响：得到环保部门的审批。(7)选址必须注意当地自然环境条件，并对工程投产后可能造成的环境影响做出预计。(8)厂址应避开低于洪水或在采取措施后仍不能确保不受水淹的地段；(9)厂址附近应建立生产污水和生活污水的处理装置；(10)厂址应该不妨碍或不破坏农业水利工程，最好尽量避免拆迁。1.4.2 选择原因地理优势：洋口化学工业园地处江苏省如东县境内，建设在如东县辽阔的海涂围垦地上。距县城35Km、距南通市60Km、距上海130Km，处于中国经济最活跃的长三角地区，与城市又有合适的距离。如东县隶属江苏省南通市，地处长江三角洲东北翼，东枕黄海、南临长江、西接苏中腹地、北连欧亚大陆桥，区位优势十分明显。 如东有着愈千年的历史积淀和浓郁的江风海韵，是全国最早对外开放的县份之一，先后跻身全国综合实力百强县、全国百家明星县、全国科技百强县和江苏省小康县行列，是江苏省教育水平最高和治安最好的县（市）之一。位于如东境内正在建设中的20万吨级国际性深水港口洋口港将成为长三角地区北翼冶金、矿石、煤炭等大宗物资的中转基地和石化、LNG及燃气电厂、现代船舶修造等工业基地；成为集港、工、贸为一体的新型沿海港口城市。因为是港口城市的原因，交通便利，便于氢气的原料的提供和甲醇产品的运输，靠近煤厂和内有电厂是它的最大地理优势，可以为尿素生产提供丰富的原材料。自然条件优势：洋口化学工业园建设在长江三角洲东北翼辽阔的海涂围垦地上，具有土地广袤、淡水资源丰富、环境容量大的自然环境。洋口化学工业园地处北半球中纬度及欧亚大陆东南沿海边缘，属于亚热带与温暖带的过渡地段，明显受海洋调节和季风环流的影响，形成典型的海洋气候特点：四季分明，气候温和，雨量充沛，阳光充足，无霜期长。洋口化学工业园建设用地范围内地势平坦，海拔高度在2.84.1米之间，为黄海滩涂围垦地。地质构造属于中国地质构造分区的下扬子台褶带，比较简单、相对稳定。地基容许承载力为140KPa；抗震设防烈 度为7度，设计基本地震加速度为0.10g。水资源主要来自降水和引长江水，全县水资源总量为14.72亿m3。如东县境内5条骨干河道，汇流经由 洋口闸流入海域，洋口为如东一排水总道，为甲醇生产过程中排放出废水提供便利条件。原料来源广泛如东县洋口化学工业园园区内有自己独立的电站以及合成氨工厂，为尿素的生产提供了丰富的二氧化碳为原材料。南通是中国民族工业的发祥地，高效、超高效农药及中间体的产量占江苏的40、全国的8。拥有一批有一定知名的企业，如：联合国农药剂型开发中心、江山股份、先正达(南通)、瑞丽（南通）等。雄厚的产业基础为化学工业特别是农药工业提供了良好的产业链，具有较大的上下游发展潜力。1.5 设计规模和生产制度1.5.1 设计规模年产12万吨全循环改良C法制尿素。车间设有压缩机房，原料与处理车间，尿素生产车间，以及产品包装车间，其中尿素生产车间采用露天式。其虚拟车间规模为1230，主要塔设备放置在虚拟车间外，从该车间出来的为尿素浓缩液，直接进入造粒他进行造粒。1.5.2 生产制度生产人员占全产职工的65%左右，非生产性人员韩全场人员的35%左右，在非生产性人员中，50%为科研人员（兼职行政人员），50%为勤杂人员。本场采取连续工作制，法定节假日：五一、十一、春节放假月15天。由于尿素成品为固体，生产工序需高温处理，造粒及其他较低温工段会出现固结、堵塞现象，因此需停机维修频率较高，本厂采取季度维修制，即3个月维修一次。维修时间约为：旺季7天（冬、春两季），淡季12天（夏、秋两季）8。工作日=365节假日维修日=36515508000小时本厂采取三班制（分早7:30午4:00，午3:30晚12:00，晚11:30早8:00），因生产需要采取连续工作，周末不休息，但本场提倡员工采取倒班互助，打造良好和谐工作气氛。1.5.3 人员配备表1-1 人员配备表序号岗位名称每日班次周工作天数单班人数在册人数1门卫27482劳司17443食堂134484成品库39395锅炉房39266配电所39267采购员19228合成工序393109销售员174410技术员3762011车间管理员173412会计员152213研发人员155614总计247644891.5.4 成品或半成品主要技术规格及标准（国家标准、行业标准）表1-2 质量标准：国家标准GB2440-2001指标名称工业用农业用优等一等合格优等一等合格颜色白色白色或浅色总氮（N）含量（以干基计），%46.346.346.346.346.346.3缩二脲含量，%0.50.910.911.5水分（H2O）含量，%0.30.50.70.50.51铁含量（以Fe计），%0.00050.00050.001碱度（以NH3计），%0.010.020.03硫酸盐含量（以SO4-2计），%0.0050.010.02水不溶物含量%0.0050.010.04粒度（0.852.80mm）。%9090909090901.5.5 经济核算表1-3 经济核算表序号指标名称计算单位设计指标成本/万元1生产规模t/a120 000146252车间定员人/a893203原材料量二氧化碳t/a126279.26314液氨t/a195051.9253634蒸汽耗量t/a12436.169835冷凝水耗量t/a180993.2813856设备数量及投资台101407车间建筑面积m28 000120第2章 工艺设计与计算2.1 工艺原理2.2.1 尿素合成工艺原理工业上尿素的生产都使用液氨与二氧化碳反应直接合成，总反应式为：这是一个体积缩小的可逆放热反应。一般认为合成尿素的反应分以下两步进行。第一步，氨基甲酸铵生成。氨与二氧化碳反应生成液态中间产物氨基甲酸铵，该反应即使在常温常压下也很容易进行，其化学反应式为：氨基甲酸氨的生成是一个体积缩小，反应速率较快的强放热可逆反应，在较短时间内就可以达到化学平衡，并且反应平衡后二氧化碳转化为氨基甲酸铵的百分比很高。第二步，氨基甲酸铵（甲铵）的脱水。甲铵是一种很不稳定的化合物，在一定条件下，分子内脱水可生成尿素，其脱水反应式为：甲铵的脱水是一个微吸热的可逆反应。甲铵脱水生成尿素的反应速率比较缓慢，要用较长时间才能达到平衡。总反应速率的快慢取决于甲铵脱铵脱水的速率，因此该反应必须在液相中进行，即甲铵要呈熔融状态（或液体），这是合成尿素反应的首要条件9。2.2 工艺路线的选择工艺路线选择的原则有三点10：(1) 先进性。体现在技术上的先进性和经济上的合理性。要考虑到本厂的生产能力；原料及辅助材料和水、电、汽等公用工程的消耗；产品质量、三废处理；建厂投资，占地面积等。(2) 可靠性。工厂设计必须切实可靠。坚持一切经过实践的原则，证明技术的成熟、生产的可靠性、有一定的经济效益。(3) 综合国情，因地制宜。从技术角度上，工艺路线的选择应尽量采用新工艺、新技术，但还要结合我国国情和建厂所在地等具体条件。改良C法在提高合成反应物的回收及处理原则上，与传统的水溶液全循环法基本相同。为了减少能耗，改良C法在工艺上做了一定的改进。主要有以下几点：采取与一定措施提高合成工段二氧化碳的转化率，减少未反应物的加压能耗；再循环系统要注意回收并利用甲铵的反应热；采用结晶造粒以提高产品质量等。考虑到本设计尿素合成反应为可逆反应，为提高转化率，因此合成工段工艺路线采用改良C法。该工艺采用高耐腐蚀的钛衬里合成塔，二氧化碳与液氨的摩尔比为4.0，在25MPa（表）、190的反应条件下，二氧化碳的转化率可达72%。2.3 工艺流程简述全循环改良C法工艺流程，氛围和陈个、未反应物的分离、氨和二氧化碳的回收、结晶造粒等四道工序。其中合成段工艺流程分为：二氧化碳的压缩；液氨的压缩与输送；浓甲铵液的压缩与输送11。2.3.1 二氧化碳的压缩来自合成氨厂的二氧化碳，纯度为98.25%（体积），温度为40，压力为0.053MPa（表）。经二氧化碳升压机C101,和二氧化碳压缩机C102，将二氧化碳压缩到26MPa（表）送入尿素合成塔T101。二氧化碳升压机为离心式压缩机，将二氧化碳升压到3MPa（表）送至压缩机入口。二氧化碳压缩机为往复式，设三缸两段。将入口压力为3MPa（表）的二氧化碳，压缩到26MPa（表）。为防止尿素合合成塔钛衬里和出料管腐蚀，二氧化碳在进入液滴分离器前，加一定量空气。二氧化碳由孔板流量计计量。防腐空气由转子流量计计量，气量为二氧化碳量的0.35%。2.3.2 液氨的压缩与输送来自合成氨厂的液氨，压力为1.8MPa（表）进入回收氨贮槽V101与回流氨混合，温度为37。液氨经升压泵P103A/B和高压液氨泵P104A/B加压到26MPa（表），经两台串联的液氨预热器E101，E102预热后进入尿素合成塔T101。升压泵为离心式，可升压0.60.7MPa。高压液氨泵入口压力约为2.12.4MPa（表）。高压液氨泵为立式三柱塞电动泵。液氨预热器为管壳式，第一液氨预热器E101用热水预热。第二液氨预热器E102在正常生产时用蒸汽冷凝液预热，开车初期用0.7MPa（表）蒸汽预热，液氨预热到79。入合成塔的液氨由流量及自控调节。2.3.3 浓甲铵液的压缩与输送来自高压吸收塔冷却器的浓甲铵液，经甲铵升压泵P101A/B和高压甲铵泵P102A/B加压至26MPa（表）送入尿素合成塔T101。升压泵可升压0.70.8MPa。高压甲铵泵的入口压力为2.52.6MPa（表），高压甲铵泵为离心式，设两缸八级，转速为6500rpm，用蒸汽透平驱动。入合成塔的甲铵液量，可用改变高压甲铵泵的转速和调节高压吸收塔冷却器的液位来控制。在二氧化碳、液氨、甲铵进入尿素合成塔的管线上，分别设有事故切断阀，在事故状态下可切断入塔物料。尿素合成塔T101为筒式高压容器，外壳为多层钢板卷焊，内衬钛板。合成塔出口设有调节阀，自控调节尿素合成塔压力。合成反应液经调节阀减压后进入高压分解工段。2.4 工艺参数合成工段工艺参数见下表：表2-1 合成工段工艺参数工艺参数进料1进料2进料3出料物流名称二氧化碳液氨浓甲铵液尿素混合液温度（）407995100190压力（MPa）26.0026.0026.0025.00流量kg/h15784.9024381.491653.4315075续表2-1 合成工段工艺参数分子量44.0517.0180.0160.1密度kg/m32.5521.206731100比热kJ/gk1.0262.4701.9512.23粘度mPas0.0150.0220.0320.0432.5 物料衡算衡算任务：年产12万吨全循环改良C法制尿素合成工段初步设计衡算时间：一年按8000小时计算衡算条件：假设尿素损失为0.5%，实际年产量为120 600吨2.5.1 合成塔的物料衡算(1) 收集数据12：出塔液的组成见下表：表2-2 出塔液的组成物质尿素NH3CO2H2O缩二脲组成（%）36.1036.9010.5016.400.10其中，CO2转化率=72% 缩二脲转化率=70% NH3/CO2=4.0 H2O/CO2=0.37入塔浓甲铵液组成见下表：表2-3 入塔浓甲铵液组成物质尿素CO2H2ONH3组成（%）10.1033.8018.7036.90(2) 具体计算：根据上述表格中数据及尿素合成反应方程式计算。1. 出塔物料量：每小时出合成塔的尿素为：120 6001 000/8 000=15 075kg/h按照出塔液所占比例可得出塔液中的CO2为：15 02510.50/36.10 = 4 384.70kg/h出塔液中的NH3为：15 02536.90/36.10 = 15451.88kg/h出塔液中的H2O为：15 02516.40/36.10 = 6848.48kg/h出塔液中的缩二脲为：15 0250.10/36.10 = 41.76kg/h2. 入塔物料量CO2转化率=72% 缩二脲转化率=70% NH3/CO2=4.0根据表2-2和表2-3，设生产26kg/h尿素生成缩二脲X，需要的CO2为Y。则80.01 60.10.70X 26 80.01/0.70X=60.1/26 X=49.5kg/h即生产26kg/h尿素，生成缩二脲49.5kg/h 44.05 80.01 0.72Y 49.5 44.05/0.72Y=80.01/49.5 Y=37.8kg/h进塔尿素 : 合成塔尿素=10.1 : 26，出塔尿素为15075kg/h合成的尿素为10857.34kg/h，则设所需CO2为Z，即进塔总的CO2为37.8/W=26/10857.34W=15784.90kg/h摩尔比NH3/CO2=4.0液氨为15894.90/44.05417.01=24381.49kg/h由表2-3及物料守恒，求进塔的尿素、缩二脲、H2O的量：所求量=总的进口量二氧化碳的量液氨的量即41801.8215784.9024381.49=1635.43kg/h尿素缩二脲=10.6，先求H2O的量W10.6/18.7=（1635.43W）/WW=1043.77kg/h其中，缩二脲的量为：1043.770.5/18.7=27.91kg/h尿素的量为：1043.7710.1/18.7=563.75kg/h2.5.2 物料衡算表物料衡算表如下：表2-4 物料衡算表物料名称入合成塔量（kg/h）质量分数（%）出合成塔量（kg/h）质量分数（%）尿素563.751.571507534.10CO215784.9039.504384.7010.50NH324381.4957.9515451.8836.90H2O1043.772.906848.4816.40缩二脲27.910.0841.760.10总计41801.8210041801.821002.6 热量衡算2.6.1 第一液氨预热器的热量衡算对换热器E101进行热量衡算换热器E101的工艺数据如下表：表2-5 换热器E101工艺数据表管程壳程入口出口入口出口温度（）37.045.080.070.0流量（kg/h）24381.4922624.16比热（kJ/kgK）4.864.19(1) 忽略热损失，以1小时进料量进行计算，热量计算公式如下： （2-1）式中 Cp 恒压比热容，kJ/kgK m 质量，kg t 温度差，K由式（2-1）得Q管 = C管m管t管= 4.8624381.49（4537）= 9.48105kJ由式（2-1）得Q壳 = C壳m壳t壳= 4.1922624.16（8070）= 9.48105kJQ管出 = Q壳进所以，该换热器给出的热量等于获得的热量，符合热量守恒。(2) 以1小时进料量进行计算，具体计算如下：选取逆流流向，计算平均温度差tm12 （2-2）t1=80.045.0=35.0t2=70.037.0=33.0tm=34.0根据上述计算，该换热器初步采用双壳程，偶数管的列管式换热器。液氨的定性温度水的定性温度查物性数据手册可知：氨=5001w/m 水=6695w/m Cp氨=4.86kJ/kgK Cp水=4.19 kJ/kgK忽略壁厚，代入数据Kw/m2传热面积A公式如下： （2-3）由传热面积公式可知传热面积m2由换热器系列标准，初选定换热器型号参数如下表：表2-6 换热器E101相关参数工艺参数尺寸公称直径（mm）400管程数N4管子根数n30中心排管数5管程流通面积（m2）0.0027换热管长度（mm）6000换热管规格192换热面积（m2）8.4管程压力（MPa）26.0壳程压力（MPa）1.6管中心距（mm）252.6.2 第二液氨预热器的热量衡算对换热器E102进行热量衡算换热器E102的工艺数据如下表：表2-7 换热器E102工艺数据表管程壳程入口出口入口出口温度（）45.079.0100.0100.0流量（kg/h）24381.491554.52比热（kJ/kgK）5.022677.0(1) 忽略热损失，以1小时进料量进行计算，热量计算公式如下： （2-4） （2-5）式中 Cp 恒压比热容，kJ/kgK M 质量，kg t 温度差，K r 汽化热，kJ/kg由式（2-4）得Q管 = C管m管t管= 5.0224381.49（7945）=4.16106kJ由式（2-5）得Q壳 = mr= 1554.522677.0= 4.16106kJQ管出 = Q壳进所以，该换热器给出的热量等于获得的热量，符合热量守恒。(2) 以1小时进料量进行计算，具体计算如下：选取逆流流向，计算平均温度差tm （2-6）t1=80.045.0=35.0t2=70.037.0=33.0tm=34.0根据上述计算，该换热器初步采用双壳程，偶数管的列管式换热器。液氨的定性温度水的定性温度查物性数据手册可知：氨=5001w/m 水=6695w/m Cp氨=4.86kJ/kgK Cp水=4.19 kJ/kgK忽略壁厚，代入数据Kw/m2传热面积A公式如下： （2-7）由传热面积公式可知传热面积m2由换热器系列标准，初选定换热器型号参数如下表：表2-6 换热器E101相关参数工艺参数尺寸公称直径（mm）600管程数N4管子根数n30中心排管数5管程流通面积（m2）0.0027换热管长度（mm）2000换热管规格192换热面积（m2）36.5管程压力（MPa）26.0壳程压力（MPa）1.6管中心距（mm）25第3章 Aspen 模拟3.1 Aspen plus 全流程模拟图全流程模拟图主要设备包括：液氨第一预热器、液氨第二预热器、尿素合成塔。流程图如下：图3-1 全流程模拟图3.2 进料流量输入进料流量，包括二氧化碳，液氨，水，尿素。图3-2 液氨进料流量图3-3 二氧化碳进料流量3.3 出料流量出料流量结果如下表所示：表3-1 出料流量