（化学工程专业论文）尿素合成塔优化分析.pdf

尿素合成塔优化分析 尿素合成塔优化分析 专业化学工程 研究生刘正全指导教师王煤高俊勇 尿素合成塔是建峰化工总厂化肥厂尿素合成的关键设备，自1 9 9 3 年开车运行 以来，由于原设计的不足，合成塔的c 0 2 转化率长期达不到设计值( 原设计值为 6 7 ，实际运行最高能达到6 3 ，平均约6 0 ) ，造成汽提塔( 3 0 0 e 0 1 ) 的热负荷 加大，出液温度低，使负荷后移，加重了后续设备分解回收负担和放空损失；同 时c 0 2 转化率低带来了游离反应物增多，分解用蒸汽量增加，汽提塔汽提效率降 低，高压甲铵冷凝器副产蒸汽量降低等后果。因此。提高尿素合成塔c 0 2 转化率 是降低能耗，提高尿素产量，增加效益的关键。 本文利用化工热力学，传递现象，化工流体力学，化学反应工程，化学反应 器理论，尿素合成理论等知识，结合建蜂化工总厂尿素合成塔的设计和运行情况， 对合成塔进行了装置改造和操作优化的分析。 通过理论分析和对实际的尿素合成塔的温度分布情况的考察认为：虽然一般 来说甲铵合成是快反应，甲铵脱水生成尿素是慢反应，但由于合成甲铵的反应是 在气相c 0 2 与液相氨间进行，其宏观反应速度既与化学反应速度有关，也与气相 物料扩数到气液相界面的速度有关，所以甲铵合成的宏观速率受扩散控制；而整 个尿素合成反应的速度也受到甲铵合成的宏观速度的影响。同时，尿素合成的化 学反应，除影响尿素化学平衡的3 个独立变量外，还与物料在尿素合成塔内的流 动状态、物料的纯净程度、物料停留时间、气液混合程度以及物料间的传热传质 速度有关。 通过分析原设计存在的不足，找出了相应的合理的改进办法。为提高c 0 2 转 化率，优化尿素合成塔的操作，根据建峰厂的实际情况，提出了以下优化措施： 1 、适当提高氨碳比； 2 、尽量降低水碳比： 3 、选择最佳的舍成塔操作温度； 旦型查堂三墼堡兰生些兰垒丝兰 4 、用约0 3 纯氧代替l 的防腐蚀用空气： 5 、改造原合成塔的塔板结构使其更有效地增加气液两相之间的混合程度并 合理调整化学反应的停留时间分布，加速热量和质量的传递： 6 、增设预混反应器。 分析了尿素合成塔操作优化的经济技术可行性，以及在新的操作条件及新合 成塔塔板情况下设备的腐蚀状况及其对策。 通过分析和论证，为建蜂化工总厂今后对尿素合成塔的操作优化和设备改造 提供了理论依据和具体的方向及措施。 关键词：尿素合成塔；分析；优化 尿素台成塔优化分析 t h e o p t i m u ma n a l y s e o fu r e a s y n t h e s i s r e a c t o r m a j o r ：c h e m i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：l i uz h e n g q u a ns u p e r v i s o r s ：w a n g m e ig a o j u n y o n g t h eu r e as y n t h e s i sr e a c t o ri st h ek e y e q u i p m e n to f u r e as y n t h e s i si nj i a n f e n gf e r t i l i z e rp l a n t s i n c ei th a sb e e nr u nf r o m1 9 9 3 ，d u et ot h es h o r t c o m i n g so f t h eo r i g i n a ld e s i g n ，c 0 2c o n v e r s i o n r a t ei sl o w e rt h a nt h ed e s i g n ，( t h ed e s i g nv a l u ei s6 7 t h ea c t u a l l yh i g l l e s tv a l u ew a s6 3 ，t h e a v e r a g ew a s6 0 ) a n di n c r e a s e st h ec a l o r i cb u r d e n o f t h es t r i p p e r ( 3 0 0 e 0 1 ) ，m e a n w h i l et h ed e s i g n a r e ao f3 0 0 e 0 1i sn o te n o u g hf o rh e a te x c h a n g e ，a n dt h eo u t l e tl i q u i dt e m p e r a t u r ei sl o w i tc a u s e s t h eb u r d e nm o v et od o w n s t r e a me q u i p m e n t sa n di n c r e a s e st h ed e c o m p o s i t i o nr e c o v e r yb u r d e no f t h ef o t l o w i n ge q u i p m e n t s b e c a u s eo f t h el o wr a t eo f t h ec 0 2c o n v e r s i o n ，t h es t e a mc o n s u n q 【p t i o n i n c r e a s e sf o rd e c o m p o s i t i o na n dr e s u l t si nt h el o we f f i c i e n c yo fs t r i p p i n gt o w e ra n dt h ef a l lo f s t e a mo f t h ec o n d e n s e ro f h i g hp r e s s u r ea m t h e r e f o r e ，i ft h ec o n v e r s i o nr a t eo fc 0 2 i nu r e ac o n v e r t e rc a nb ei n c r e a s e d ，a n dt h es y n t h e t i e e f f i c i e n c y , a l s ot h ey i e l do fu r e ad a i l yw i l l b ei n c r e a s et h a tb r i n gh i 曲e c o n o m i ce f f i c i e n c yf o r j i a n f e n gf e r t i l i z e rp l a n t ， i nt h i sp a p e r ，b ym e a n so f t h ec h e m i c a le n g i n e e r i n gt h e r m o d y n a m i c s , t r a n s f e rp h e n o m e n o n ， f l u i d d y n a m i c s ，t h e c h e m i c a lr e a c t i o n e n g i n e e r i n g ，t h et h e o r y o fc h e m i c a lr e a c t o r , a n du r e a s y n t h e s i st h e o r y , i n c o r p o r a t e t h e o r i g i n a ld e s i g n o fu r e ar e a c t o r d e t a i l e d a n a l y s e h a sb e e n p e r f o r m e d f o rt h eu r e ar e a c t o r , a l t h o u g hi ti sq u i c kf o ra m s y n t h e s i sr e a c t i o na n di ss l o wf r o ma m t ou r e a , i na c t u a l l y , a mi ss y n t h e s i z e db yg a sp h a s eo f c 0 2a n dl i q u i dp h a s eo f a m m o n i a , c h e m i c a l r e a c t i o n o n l yh a p p e ni nl i q u i dp h a s e ，i t sm a c r or e a c t i o nv e l o c i t y n o to n l yh a v er e l a t i o nw i t h v e l o c i t yo f c h e m i c a lr e a c t i o n ，b u ta l s ow i t hd i f f u s ev e l o c i t yo fa i rp h a s em a t e r i a ld i f f u s i n gt ot h e i n t e r f a c eo f a i rl i q u i dp h a s er e l e v a n t l y t h et h e o r e t i ca n a l y s ea n da c t u a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f u r e ac o n v e a e rc a l lg e tt h es a m er e s u l tt h a tt h em a c r o s c o p i cr e a c t i o ns p e e do fa m s y n t h e s i si s c o n t r o l l e db yd i f f u s ea l s oi n f l u e n c e db yt h ee f f e c to f m a c r ov i e wv e l o c i t yo f a ms y n t h e s i s b a s e do nt h er e l e v a n tt h e o r ya n dt h ej w g i b b sp h a s er u l ea n a l y s eo ft h ec h e m i c a le q u a t i o n ， k n o wt h ei n d e p e n d e n tv a r i a b l eo fu r e as y n t h e s i si s3 ：t h ea n a l y s et ou r e ar e a c t o r , s h o w st h a tt h e c o n v e r s i o nr a t eo fc 0 2i sn o to n l yh a v er e l a t i o nw i t h3i n d e p e n d e n tv a r i a b l e s , b u ta l s ow i t ht h e f l o w i n gs t a t ea n dt h ep u r i t yo f t h em a t e r i a l s ，w i t ht h es t a y i n gt i m eo fm a t e r i a li n s i d et h ec o n t a i n e r , w i t hm i x t u r eo ft h ea i rl i q u i dp h a s em a t e r i a l s ，a n dw i t ht h ev e l o c i t yo fh e a ta n dq u a l i t yt r a n s m i t b e t w e e nm a t e r i a l st h i sp a p e rh a si n d i c a t e dt h ep o o rd e s i g no fp r e v i o u ss t r u c t u r ed e s i g n ，a n d 大学1 = 程礤j 专业 童论史 c a r r i e do u tt h ei m p r o v e m e n tf o ri n c r e a s i n gt h er a t eo f c 0 2c o n v e r s i o n ， 1 、i n c r e a s ep r o p e r l yt h er a t i oo f t h ea m m o n i a c a r b o n ； 2 ，d e c r e a s et h er a t i oo f t h ew a t e r c a r b o n ； 3 、c h o o s et h eo p t i m u mo p e r a t i o nt e m p e r a t u r e 4i n c r e a s et h ef e e dm a t e r i a l sp u r i t ya n du s ea b o u to 3 p u r eo x y g e n t or e p l a c et h e1 a i r ； 5 、c h a n g et h eo r i g i n a l i y r e a c t o r s p l a t e s t r u c t u r et oi n c r e a s ea l ri i q u i d m i x t u 。m o r e e f f i c i e n t l y ，a d j u s t t h es t a y i n g t i m ea n d a c c e l e r a t e t h e u a n s f e r o f h e a ta n d q u a l i t y ； 6 、a d d p r e - m i x t u r e r e a c t o r t h i sd a p e rh a sp e r f o r m e df e a s i b i l i t ys t u d ye c o n o m i c a l l y a n dt e c h n i c a l l yf o ru r e ar e a c t o r o d t i m u m ，a l s oa n a l y s e dt h ec o r r o s i o na n d i t sc o o t t t e r m a 。s u r 。o f t h ec i r c u m s t a n c eo f n e w o p e r a t l o “ c o n d i t i o na n dn e ws y n t h e s i sp l a t e g i v et h ei m p r o v e m e n t d i r e c t i o no ft h eu r e ar e a c t o rf o rj i a n f a n g f e r t i l i z e rp l a n t k e y w o r d s ：u r e ar e a c t o r ；a n a l y s i s ；o p t i m u m 尿素仑成塔优化自折 1 综述及课题背景 1 1 尿素合成工艺概述 目前世界各国普遍采用的尿素生产方法都是用氨与二氧化碳直接合成尿素， 工业上合成尿素均包括以下四个生产过程： 氨与二氧化碳原料的供应与净化 氨与二氧化碳合成尿素 一 ， 尿素熔融液与未反应物质的分离回收 尿素溶液的加工 根据所用原料及选择的工艺条件不同，合成尿素的工艺流程有多种，般来 说上述四个过程中，第一过程和第二过程除工艺条件稍有差另t l # t - ，在设备结构和 操作上都差不多，第三过程和第四过程则差异较大，因此，合成尿素的工艺流程 分类时，通常都是按第三过程来分。大致分为： a ) 不循环法 氨和二氧化碳在尿素合成塔内进行反应后，未反应的氨和二氧化碳不返回合 成塔，而送去加工其他产品( 如硫酸氨) 。 b ) 半循环法( 或部分循环法) 半循环法是将合成后未反应的氨和二氧化碳从尿夜中分离后，其中一部分氨 冷凝成液氨返回合成塔，另一部分不返回合成塔而送去加工成其他产品。 c ) 全循环法 全循环法是将未反应的氨和二氧化碳全部返回合成塔循环使用。工业上采用 的全循环法很多，按照工艺流程的特点，可归纳为五种类型：热气全循环法、矿 物油全循环法、尾气分离全循环法、水溶液全循环法和汽提法。以下作简要叙述： 热气全循环法一将未反应的氨和二氧化碳混合物，在高温下送入一个特制 的压缩机中加压，再循环进入合成塔中合成尿素，此法投资较高，动力消耗大， 腐蚀较严重； 矿物油全循环法特点是使未反应的氨和二氧化碳在油中反应，生成油固 体甲铵悬浮液，再返回合成塔，主要缺点是油占去了合成塔的一部分容积，使塔 的单位生产能力降低，而且尿素容易被油污染。此外，同水溶液全循环法相比， 心川大学工程硕士专业学位论文 此法投资与动力消耗都较高： 尾气分离全循环法一一特点是用某种溶液选择吸收未反应物中的氨和二氧 化碳，使氨和二氧化碳分离后再分别循环返回合成塔中。这类方法的缺点是基建 投资大，动力消耗大，流程比较复杂； 水溶液全循环法一又称碳酸盐溶液全循环法，特点是利用水吸收未反应的 氨和二氧化碳以形成甲铵或碳酸铵溶液，再用循环泵打回合成塔。由于未反应的 氨和二氧化碳呈水溶液形态进行循环，故循环未反应物消耗的动力比尾气分离法 低得多，且不消耗贵重的溶剂，流程也较简单，投资较低，故得到广泛的采用， 是生产尿素比较完善的方法； 汽提法是水溶液全循环法的一项重要的改进类型。汽提法的实质是在与 合成反应相等压力的条件下，利用一种气体通过反应物系( 同时伴有加热) ，使 未反应的氨和二氧化碳不经降压而直接返回合成塔( 一般需要采用喷射器流克服 阻力物流) ，缩短了物流的循环圈，大大减轻了中、低压循环的负荷，而且由于 汽提温度很高，能量回收利用更完全。根据汽提介质的不同又可以分为二氧化碳 汽提法，氨汽提法等。 7 1 2 现代大型尿素生产工艺及特点介绍【卜9 1 现代尿素生产均采用全循环法，由于水溶液全循环法具有较明显的先进性， 一般尿素工艺流程都是在水溶液全循环法的基础上加以改进，目前大化肥厂主要 采用的尿素生产流程有：a c e s 法工艺、斯塔米卡帮二氧化碳汽提法、蒙特爱迪 生等压双循环工艺( i d r ) 、尿素技术公司u t i ( u r e at e c h n o l g i g i e si n c ) 的热循 环法工艺( h r ) 、联尿工艺、高效组合法尿素新工艺、氨汽提法尿素工艺、尿素 2 0 0 0 + t m 工艺等。以下简要介绍： 1 2 1a c e s 法工艺及特点 a c e s 是a d v a n c e dc o s te n e r g ys a v i n gp r o c e s s 的缩写，意思是“节约投资降 低能耗”的工艺。它包括尿素的合成和高压回收、尿素溶液的净化和中低压回收、 尿素溶液的最终浓缩和造粒等。其特点是： ( a ) 采用了较低的合成压力该工艺在合成塔内设置了折流板避免了合成 塔内的溶液返混，提高了二氧化碳的转化率。合成塔内实现了高氨碳比的较低压 尿索合成塔优化分析 力操作a 由于合成压力较低，二氧化碳压缩所需能耗较少，同时由于合成塔内的 二氧化碳转化率高，以及汽提塔的汽提效率高，甲铵溶液循环回合成圈的循环量 比较低。同样低减少了能耗； ( b ) 采用了新型结构的汽提塔，汽提效率高汽提塔分为两段，上段为塔板， 下段为降膜式加热器，通过塔板调节溶液n h 3 c 0 2 比。以适应在汽提塔下部降膜 式蒸汽加热器中进行的有效二氧化碳汽提操作： ( c ) 有效而充分地回收利用热量该工艺为了有效而充分利用热量，并联设 置了两个甲铵冷凝器。个用来自汽提塔的尿素溶液直接同甲铵液进行热交换， 另一个甲铵冷凝器产生低压蒸汽，用于后续工段中； ( d ) 除采用高压二氧化碳汽提外，同时以部分二氧化碳从压缩机段间引出，在 低压分解工段进行低压汽提，而后以溶液的形式返回尿素合成塔，这样既可提高 低压分解效率也可节省压缩机的消耗。 1 2 2 斯塔米卡帮二氧化碳汽提法尿素工艺及特点 该工艺主要包括：二氧化碳压缩和脱氢、液氨升压、合成和汽提、循环、蒸 发造粒、产品贮存和包装、解吸和水解等工序。其特点是： ( a ) 二氧化碳汽提法克服了传统水溶液全循环工艺的一些缺点，主要有： 克服了在较低压力下的分解，在较低压力、较低温度下进行冷凝吸收， 而不能回收利用甲铵生成热的缺点。二氧化碳汽提法在高压下冷凝吸收氨和二氧 化碳，回收利用甲铵生成热并节省冷却水； 克服了由于逐级降压分解、逐级冷凝吸收而设置的庞大的循环系统的缺 点。减少了设备，简化了流程，节省了投资： 克服了由于高浓度、高压力和较高温度的甲铵液返回合成塔所造成的高 压甲铵泵填料和缸头腐蚀疲劳开裂等较难解决的缺点； 克服了返回合成塔甲铵液水碳比较高的缺点。 ( b ) 减少了设备，减少了流程。高压系统的合成塔、汽提塔和高压冷凝器等 三个设备的物料，是靠重力自行循环的。因而减少了设备，简化了流程。 ( c ) 提高了热能和塔的利用率。二氧化碳合成法实质上是采用两段合成，即 液氨和气体二氧化碳生成甲铵的放热反应是在高压甲铵冷凝器中进行的，可回收 热量以副产蒸汽。氨基甲酸铵脱水生成尿素是在合成塔中进行的。由于甲铵生成 热在高压冷凝器中已被导出，从而合成塔的自热平衡，不需要加入更多的过量氨 四川人学工程硕上可业学位论土 来维持。进入合成塔的物料减少，使合成塔的容积得到充分利用。 ( d ) 热利用好。全厂蒸汽按压力分为六个等级，由于蒸汽分级使用，并尽量 利用各级冷凝液的闪蒸蒸汽，体现了按质用能的原则。 1 2 3 蒙特爱迪生等压双循环工艺( i d r ) 及其特点 最主要特点是采用了氨和二氧化碳两种汽提技术，采用双相防腐措施( 气相 用空气中的氧，液相采用h 2 0 2 ) 。 1 2 4 尿素技术公司u t i 的热循环法尿素工艺( h r ) 及其特点 该工艺主要是在高压合成部分合理的工艺条件下，尽量提高合成的二氧化碳 转化率，减少未反应物的处理，减少下游设备，以节省投资。同时尽量充分回收 利用甲铵反应热。由于丈部分反应热是在系统中循环，故称为“热循环工艺”( h e a t r e c y c l ep r o c e s s ，h r ) 。工艺特点：采用等温合成塔，氨和二氧化碳和甲铵液 从塔顶进入盘管，在管内进行放热的甲铵生成反应，物料从盘管下端出来后，在 合成塔内由下而上流动，这时由甲铵脱水生成尿素所需热量，即由盘管内的甲铵 生成热来供给，由于反应近似等温，二氧化碳转化率高达7 4 ，这就减少了循环 的甲铵量和下游设备尺寸；占总量4 0 的二氧化碳直接加到中压系统，再以甲 铵的形式送入合成塔，这不仅有利于热量的回收，而且可以节省大量的二氧化碳 压缩功；反应热回收利用充分，甲铵生成热的利用率高达8 5 以上，被用来加 热较冷的物流，在尿液浓度达到8 6 8 8 以前，只有第一分离器一个设备使用 蒸汽，所以蒸汽耗量大大降低：采用甲铵浓度分析仪，在高压甲铵泵的进口管 道上，装有甲铵浓度分析仪，自动控制尿素合成系统的水平衡，同时可以监测和 防止在第一甲铵冷凝器产生结晶，甲铵浓度分析仪是热循环工艺的支柱。 1 _ 2 5 联尿工艺及其特点 合成氨尿素联合生产( 简称联尿) 是一项合成氨和尿素生产融为一体的工艺。 在联合生产中，合成氨生产中的脱碳工序，就是尿素生产的氨基甲酸铵制造工序， 因而简化了流程。但是由于尿素转化率低，系统稳定性要求较高，尿素合成的能 耗相对较高，再加之低能耗脱二氧化碳方法的不断出现，联尿所能节省能量的趋 势也相应减少了，因而实现工业化的不多。 1 2 6 高效组合法尿素新工艺及其特点 高效组合法尿素生产新工艺也是水溶液全循环法的改进。其特点为：尿素合 尿素合成塔优化分析 成反应分别在两个独立的合成塔内进行，以获得比单塔高的二氧化碳转化率，其 中第一合成塔无甲铵循环液，故转化率可达7 5 8 0 ，循环回收的浓甲铵液全 部送入第二合成塔，同时送入第二合成塔的物料还有来自高压分解分离器的气体 和部分二氧化碳气。该塔即使在进塔总物料中的h 2 0 c 0 2 ( 摩尔比) 高达1 2 1 3 的情况下，因n h c 0 2 ( 摩尔比) 高，其二氧化碳转化率仍可达到7 1 5 7 4 5 。如两塔总物料径自送入单一尿素合成塔，则二氧化碳转化率仅6 8 6 8 5 ，转化率差额可达3 6 。一般讲二氧化碳转化率每提高1 ，约相当于 下游分离回收系统吨尿素的蒸汽消耗可减少2 0 3 0 k g ，这就是高效组合法吨尿 素汽耗低的原因之一。整套装置实施了多段热回收，是其尿素汽耗低的另一个原 因。 1 2 7 氨汽提法尿素工艺及其特点 该工艺主要包括：尿素的合成和高压回收；尿素的提纯和中、低压回收；尿 素的浓缩与造粒；水解和解吸以及辅助设施等。斯那姆氨汽提尿素工艺，是一种 以氨为汽提剂的全循环气提法。它利用出合成塔溶液中所含过量氨，在操作压力 与合成塔相同的，并用蒸汽加热的降膜换热器( 汽提塔) 中，把二氧化碳汽提出 来，汽提出来的二氧化碳和氨，在操作压力与合成塔相同的甲铵冷凝器中重新合 成为氨基甲酸铵，而后送回合成塔转化为尿素。 这种设计的综合效果是：氨和二氧化碳在尿素高压系统循环。对于任何组分 都不必设泵加压，而在传统全循环法工艺中，氨和= 氧化碳都在降低压力时和尿 液分离的，被水吸收变成甲铵后用泵加压返回合成塔。在氨汽提工艺中二氧化碳 进料量的9 5 左右在高压合成回路中循环，只有余下大约1 5 的二氧化碳以甲铵 液的形式用泵加压返回合成塔，这样大大减少了向高压系统用泵输送氨和甲铵液 所需的动力。采用以液氨作动力的甲铵喷射器，使甲铵液在高压回路中循环，因 而主要设备可采用平面布置，节省基建投资，便于安装和设备维修。 1 2 8 尿素2 0 0 0 + t m 工艺及其特点 该工艺在汽提法工艺的基础上采用斯塔米卡帮尿素2 0 0 0 + t m 池式冷凝器代替 高压甲铵冷凝器，从汽提塔出来的气相被送到冷凝器的壳程，并在此得到冷凝， 同时副产o 5 5 m p a 的蒸汽，这些蒸汽在下游工段得到充分利用，与传统的高压甲 铵冷凝器不同的是，池式冷凝器可以提供一定的停留时间，使得甲铵生成尿素的 四j i i 大学工程硕士专业学位论文 反应在此可达到反应平衡的6 0 8 0 ，减轻了尿素合成塔的负担，总的反应停 留时间延长，反应更加接近平衡，二氧化碳转化率得到显著提高。 1 3 尿素生产技术改造和发展的趋势 尿素工艺技术的改进。主要从降低能耗、节省基建投资、保证工厂安全、扩 大产量等出发，以求得整体最佳效益。 技改发展趋势主要是： 提高尿素合成塔的二氧化碳转化率，以减少分解未转化的甲铵所需热量 和返回合成塔的甲铵量。改进尿素合成塔的结构，对解决二氧化碳转化率和动力 消耗的矛盾，是一项有效的办法。因为物料在合成塔内是气液共存的非均相反应 过程，同时存在放热和吸热两个化学过程，利用反应工程原理和流体理论设计更 加合理的合成塔内件，有效地减少物料返混并合理换热是很重要的，它可以有效 提高转化率。u t i 的等温合成塔就是一个较好的例证。 最大限度地回收和利用冷凝和吸收氨和二氧化碳时产生的热量。汽提技 术不仅用在高压部分的分解，有的还用在循环系统的分解。 采取措施减少防腐用空气量，防止尾气爆炸和停车时延长封塔时间；为 降低氨和二氧化碳的损失和对环境的污染，减少气体排放甚至不排放。为此也有 采用双相钝化技术和纯氧钝化的。 1 4 建峰化工厂尿素生产的现状及合成塔的运行情况【4 】 建峰化工总厂从法国r p 公司引进了全套大化肥设备，该装置于1 9 9 3 年建成 投产，年产3 0 万吨合成氨，5 2 万吨尿素，氮合成部分采用布朗工艺，尿素工艺 采用斯那姆氨汽提法。 斯那姆尿素工艺的主要特点是合成塔出口溶液进入一个与之等压的氨汽提 塔，由于受热而使n i l ，气化，从而把未反应的c 0 2 汽提出来。分离出来的n h 。 和c 0 2 再在合成压力下冷凝( 在甲铵冷凝器3 0 0 e 0 4 中) 后返回到合成塔。 相对于c 0 2 汽提法，氨汽提工艺具有如下优点： 第一，合成条件采用较高n h ，c 0 2 比，约为3 3 3 ，6 ，温度1 8 6 1 8 9 。c ， 压力i 55 m p a ，故转化率高( 6 4 6 7 ，而c 0 2 汽提法为5 8 6 0 ) ，未反应n h 。 和c 0 2 又大量的在合成压力下返回合成塔。实际上，进料c 0 2 只有1 5 是以碳铵 尿素合成塔优化分析 液形式从低压工段用泵送回高压的。因此，甲铵分解量少，蒸汽消耗也少。此外， 高氮碳比还减轻了生产中的腐蚀性，钝化用空气量得以减少，从而减少了放空惰 气中的氨损失和爆炸的危险性。 第二，汽提塔使用钛材，允许高于2 0 0 操作，提高了高压回路的分解效率。 又由于过剩氨减少了系统中缩二脲的生成趋势，所以在一旦发生事故时可以使合 成回路进行“封塔”，可长达几天。这样就大大缩短了停车时间，避免了排放引 起的一系列困难。 第三，在合成回路中采用以原料液氨为动力的喷射器来循环甲铵液，投资省， 运行可靠。又由于此，可使全部主要设备布置于地面而不必依靠位能流动( 甲铵 冷凝器也做成卧式) ，省掉昂贵的钢结构，简化了安装和维修。 第四，离开汽提塔的溶液中n h 。和c 0 2 在两段回收系统中回收。中压段在 1 7 m p a ( 表压) 操作，使氨冷凝；低压段在0 3 5 m p a l 表压) 。两段回收增加了装置 的弹性，n h ；和c 0 2 的摩尔比可以在较大的范围变化，特别是这样一来，汽提塔 的操作参数也可以改变( 例如，改变塔底温度以调整蒸汽平衡) 而仍能在回收系 统保证回收。 尿素装置工艺流程图见附图( 一) 。 建峰厂自1 9 9 3 年开车运行以来，由于原设计中系统存在的不足，尿素合成 塔的c 0 2 转化率偏低，长期达不到设计值( 原设计值为6 7 ，实际运行最高能达 到6 3 ，平均约6 0 ) ，造成氨汽提塔的热负荷加大，而3 0 0 e 0 1 的换热面积设 计过小( 6 6 6 m 2 ) 换热能力不足，使汽提塔的温度在塔底部低、顶部高，出液温 度低，造成负荷后移。加重了后续设备分解回收的负荷，造成中低压系统放空损 失加大。同时由于c 0 2 转化率低，使游离的反应物增多，各工序需要的分解用蒸 汽量增加，造成系统蒸汽紧张，蒸汽系统操作弹性等；汽提塔汽提效率低，也会 造成高压甲铵冷凝器副产蒸汽量降低。 随着市场经济的不断发展，化肥行业的竞争越来越激烈，每一个化肥厂都把 节能降耗，增产节支提到了议事日程上来，哪个单位的生产成本低，消耗低，产 量大，就会在市场上更具有竞争力，也就更加具有抵抗风险的能力。因此，如果 能提高尿素合成塔的c 0 2 转化率，提高合成效率，就能降低能耗，提高尿素产量， 大大降低产品的成本，为建峰化工总厂带来巨大的经济效益。 综上所述，提高尿素合成塔c 0 2 转化率是提高尿素产量，节能增效的关键。 四川j 学工程硕士专业学位论文 以此为目的，本论文的工作，将综合运用化工热力学，传递现象，化工流体力学， 化学反应工程，化学反应器理论，尿素合成等知识，结合建峰厂目前尿素合成塔 的设计及运行情况，从操作参数的工况条件、合成塔结构的影响等方面对尿素合 成塔进行较为全面的优化分析，通过分析和论证，寻求提高尿素合成塔c 0 2 转化 率的方法和途径，为建峰化工总厂下一步对尿素合成塔的优化改造提供理论依据 和设计参考。 尿素合成塔优化分析 2 尿素合成塔优化途径分析 2 1 尿素合成塔概述 2 1 1 尿素合成塔的技术参数i l u j 建峰化工总厂的尿素合成塔为西班牙m e c a n i c a 公司设计和制造；设计和 制造规范是：a d ，b l a 盯e r ，由中国七化建安装，1 9 9 3 年8 月投入运行。 其主要技术参数如下： 设计压力：1 6 7 m p a ，设计温度：3 2 1 0 主体材料：2 0 m n m o n i 4 5 ，内衬材料：s a 2 4 0 t p 3 1 6 l ( 5 m m ) 操作压力：1 5 1 m p a ,操作温度：1 8 8 工作介质：二氧化碳，氨，水，尿素，甲铵，少量惰性气体 2 1 ，2 尿素合成塔的结构特点i l o j 该设备是一台立式反应容器，球形封头，塔高4 5 1 9 4 m m ，其中筒节高 4 0 0 0 0 m m ，裙座高3 6 5 0 m m ，本体厚度7 8 m m ，衬里厚为5 m m ，内径2 1 5 0 m m ， 上封头环焊缝下1 6 5 0 m m 起至2 2 5 0 0 m m 均布1 0 层塔板。原料c 0 2 和n h a 由塔体 底部进入容器，产物从塔顶部排出，保温层厚7 0 m m ，客积1 5 0 m 3 ，进料管上和 塔体下部设有测温装置( 测温点在c n l ，c n 2 处) ，其具体结构见附图( 二) 。 2 1 3 尿素合成塔的作用 尿素合成塔有很大的容积，为合成尿素提供了其所必需的场所和停留时间。 合成塔内装有l o 层塔板，一是可以用来防止c 0 2 的逸出，这些c 0 2 必须在合成 塔下部与氨反应，二是防止反应产物在合成塔中较高部位生成的具有较高比重的 反应产物返混到塔的下部，从而出现内循环。 2 2 尿素合成理论”3 卜8 j l 叫4 】 2 2 1 反应平衡 由氨及二氧化碳合成尿素的过程，在工业上是在高温( 1 6 0 2 2 0 c ) 和高压 c 1 00 。2 5o m p a i 下进行的。 为了研究影响这一过程平衡的因素( 温度，压力，配料比) ，先要根据相律 四川太学上程硕士专业学位讫上 确定自由度，也就是影响平衡条件的独立变量的数目。 相律是多组分多相平衡体系所遵循的最普遍规律。是j w - g i b b s ( 吉布斯) 1 8 7 5 年首次提出，用来说明确定多组分多相平衡状态所需要的独立变量的数目。 吉布斯推导的相律表示如下： f ( 自由度) = n ( 组分数) ( 相数) + 2 当体系处于平衡状恭下，各相的温度、压力以及各相组分的组成均已被确定， 但描述体系的平衡状态无顽使用全部的变量，只要由相律求得的自由度数的变量 即可。 在合成尿素的反应条件下，可能存在的化合物品种很多，但主要的有5 种， 它们是： 氨n h ， 二氧化碳c 0 2 水h20 尿素c o ( n h 2 ) 2 氨基甲酸铵n h 4 c o o n h 2 上述的5 种化合物之间存在两个独立的反应： ( 甲铵的合成) 2n h ，+ c 0 2 = n h 4 c o o n h 2 ( 1 ) ( 甲铵的脱水)n i - h c o o n h 2 = c o ( n h 2 ) 2 + h 2 0 ( 2 ) 因此，本体系存在的独立组分数为5 2 = 3 。 在反应条件下，尿素合成塔内存在气液两相，但化学反应实际上只在液相中 进行( 气相里的反应很微弱，可忽略) ，为了研究问题方便，暂只考虑液相，则相 数为l 。再者，对于液相系统，由于压力对平衡的影响较小( 总是把压力维持得 足够高，以使系统处于液相状态) 可以从自由度中减去l 。因此，尿素合成过程 的自由度为3 - 1 + 2 1 = 3 ，即只要有三个独立变量给定，则平衡状态就完全确定。 这里的独立变量已不包括压力。 理论上任何强度的热力学性质都可以选为自由度，只要彼此独立即可。但从 实用角度考虑，在尿素工业中，选取以下三个变量最为方便。 温度 t 氨碳比( 摩尔比) a 水碳比( 摩尔比) b 尿素合成塔优化分析 后二者指以n h 。，c 0 2 ，h 2 0 三者为原料所用的配料比。 相律的讨论只是提供了研究平衡条件的原则，至于具体大量平衡数据仍要进 行实验测定。通常的做法是将一定量的原料放入反应釜内，保持一定的温度，经 过一段时间，认为已达平衡，就可取样分析测定各组分含量。但是由于本系统 的特点，如高温高压，试剂的腐蚀性，取样时稍降温即凝固，取出样品在分析之 前随条件的变化又会继续发生化学反应( 如尿素的水解) ，以及难于单独分析 n i - h c o o n h 2 等，都给实验测定带来了难度，因而各国学者发表的平衡数据出入 较大。 平衡实验的研究结果，本应给出在规定t 、a 、b 条件下物系的平衡组成，即 液相n hs ，c 0 2 ，h 2 0 ，u r ，a m 的浓度。但是，绝大多数的实验只给n h 。，c 0 2 ， u r 的浓度组成。这并不是说不存在a m ，而是因为分析手段的限制，无法区别 n h 4 c o o n h 2 与真正游离n h 。和c 0 2 。但从实用的角度来说，这种做法并无大碍， 因为我们关心的只是原料转化为u r 的数量的多少。由于这个原故，有些实验结 果甚至没有单列n h 。，c 0 2 ，h 2 0 ，u r 四者含量，而只给出原料的转化率，尤其 是原料c 0 2 转化为尿素的百分率简称为转化率，写作x c 0 2 或n c 0 2 。 反应达到化学平衡时的转化率为平衡转化率，亦即在该条件下所能达到的极 限程度。实际平衡转化率是t ，a ，b 的函数。这三个因素中，温度t 是直接测定 的，而配料比a 和b 则有两种计算方法。 直接的作法是按加入的原始物料，计算出n i t ，c 0 2 和h 2 0 的数量，然后算 出氨碳比a 和水碳比b 。根据原始配料来计算a 和b ，必须有两个条件。其一，加 入试剂都是纯净的( 或纯度必须是准确已知) 。其二，到达平衡时只存在液相， 或气相数量少到可以忽略，否则计算出来的a 和b 并非液相的配料比。 鉴于上述原因，更为常用的计算配料比a 和b 的方法是由液相平衡组成来反 算。设组成表示为 n h ，】， c 0 2 ， u r 和【h 2 0 】，均为重量百分数。我们无法从这 样的数据算出真正的游离n h 。，游离c 0 2 和n h 4 c o o n h 2 含量，但以下几个重要 参数是极易算出的。 ( 1 ) 氨碳比a 根据定义 四川大学工程硕士专业学位论文 原料n h 3 的摩尔数 扣原轲氡五丽丽 呈 孵、和a m 形式的n h 3 + 呈狮形式的也 呈c d 2 和a m 形式的c q + 呈册形式的c q 皿型+ 2 。必 ：1 2鲤 【c d 2 】。 曲】 4 4 6 0 3 5 3 n h 3 + 2 【听 1 3 6 5 c 0 2 + u r l ( 2 ) 水碳比 按定义 ， 原料中h 2 0 的摩尔数 拈原两琵丽丽砑函 分析所得0 一生成跏产生的0 i c o , 和m 形式的c d l + 呈昕形式的c d 【h 2 0 】【u r 】 = 丽1 葡81 两6 0 4 4 。 6 0 3 3 3 h 2 d 】一 u r 】 1 3 6 5 c 0 2 】+ 昕】 ( 3 ) c 0 2 转化率 按定义， 【狮】 x=甏黼警圳。=丽60。urc02 枷。 五2 蘸丽研甄f 引w 2 丽。 “ 4 4 。 6 0 1 0 0 【u ，】 1 3 6 5 c 0 2 】+ 【叶 现以物料平衡图尿素合成塔出液的数据为例来说明这些公式的用法。由于生 产过程中合成塔出液并未达到完全平衡，所以这里算出的转化率不是平衡转化 垦茎兰盛堡丝些坌堑 率，而是实际转化率。如果重量组成是： n h 。3 2 ，4 2 c 0 21 3 3 4 u r 3 3 8 l h 2 02 0 4 3 1 0 0 o o 代入公式计算可得： 3 5 3 x 3 2 3 4 + 2 3 3 8 1 ， 1 3 6 5 1 3 3 4 4 - 3 3 8 1 6 ：! ：! ! 兰垫：! ! 二! ! ：翌：o 6 6，= = 1 3 6 5 1 3 3 4 + 3 3 8 l z ： ! ! ! 兰! ! ：! ! ：6 5 z = 一= 1 3 6 5 1 3 3 4 + 3 3 8 1 2 2 2 平衡转化率与氨碳 e 、水碳比和温度的关系 由以上分析可知，平衡转化率是t ，a ，b 的函数，七十年代以来，由于计算 机的普及，由尿素生产过程的实验数据直接回归的经验公式得n t 重视和运用。 比较著名且至今被认为比较准确的有： ( 1 ) 大壕英- - 1 5 1 ( 1 9 7 2 ) 等的经验公式： x c 0 z 平衡2 n 2 6 1 6 沪n 0 1 9 4 5 扩+ o 0 3 8 2 a b - o 1 1 6 0 b - o 0 2 7 3 2 a 志 枷_03上nl640而t)-01394(击)3_1869100 ( 2 - 1 ) 1 1 0 01 0 0 一 r 、 该式的适用范围：t = t 7 0 , - - 2 2 0 ，a = 3 5 ，b - o l ( 2 ) k u c h e r y a v y i ( 1 9 8 0 ) 1 6 1 ： x c d l 平暂= 9 4 3 1 a - 13 9 9 a o ，5 + 4 2 8 4 a 2 2 6 0 9 b + 2 6 6 4 b a + 1 5 4 t o 0 9 3 4 6 t a 一1 0 5 1 0 5 9 t 3 9 7 8 2 ，、 式中：a 液相中n h ，c 0 2 ( 摩尔比) b 液相中h 2 0