60kta尿素生产水溶液全循环法工艺初步设计毕业设计.doc

四川理工学院毕业设计 第一章 绪论 60kt a60kt a 尿素生产水溶液全循环法工尿素生产水溶液全循环法工 艺初步设计毕业设计艺初步设计毕业设计 目录目录 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 11 1 尿素产品的用途尿素产品的用途 1 1 21 2 尿素的性质尿素的性质 1 1 31 3 尿素生产的原料和工艺原理尿素生产的原料和工艺原理 1 2 1 41 4 设计流程设计流程 2 1 4 1 工艺流程简图 2 1 4 2 全溶液水循环法生产尿素流程叙述 3 1 51 5 计算依据计算依据 3 4 1 5 1 尿素合成塔 4 1 5 2 一段分解分离器 4 1 5 3 二段分解塔 4 1 5 4 成品尿素含量 4 第二章第二章 物料衡算物料衡算 5 2 12 1 物料流程简图物料流程简图 5 2 22 2 合成塔合成塔 5 2 2 1 已知数据及反应框图 5 2 2 2 物料计算 6 2 2 3 合成塔物料平衡数据表 7 2 32 3 一段分解分离器一段分解分离器 7 2 3 1 反应框图与已知数据 7 2 3 2 物料计算 8 2 3 3 一段分离器物料平衡数据表 8 2 42 4 二段分解塔二段分解塔 9 2 4 1 反应框图与已知数据 9 2 4 2 物料计算 10 2 4 3 二段分解塔物料平衡数据表 11 第三章第三章 热量衡算热量衡算 12 3 13 1 合成塔合成塔 12 四川理工学院毕业设计 第一章 绪论 3 1 1 设计条件 4 12 3 1 2 尿素合成塔热平衡计算项目 12 3 1 3 合成塔热量计算 12 3 1 4 合成塔热量平衡数据表 15 3 23 2 一段分解分离器一段分解分离器 15 3 2 1 计算依据 6 15 3 2 2 一段分解分离器热量计算 15 3 2 3 一段分解分离器热量平衡数据表 17 3 33 3 二段分解塔二段分解塔 17 3 3 1 计算依据 17 3 3 2 二段分解塔热量计算 17 3 3 3 二段分解塔热量平衡数据表 18 第四章第四章 设备设计及选型设备设计及选型 20 4 14 1 合成塔特性合成塔特性 20 4 1 1 合成塔设计条件 8 20 4 1 2 合成塔的有效容积 20 4 24 2 一段分解加热器一段分解加热器 20 4 2 1 一段分解加热器设计条件 20 4 2 2 一段分解加热器传热面积 S1 21 4 34 3 一段分解分离器的作用一段分解分离器的作用 21 4 3 1 设计条件 21 4 3 2 计算过程 21 4 44 4 二段分解加热器的作用二段分解加热器的作用 23 4 4 1 设计条件 23 4 4 2 二段分解加热器传热面积 S2 23 4 54 5 二段分解塔的作用二段分解塔的作用 23 4 5 1 全塔的理论板数及其他参数 24 4 5 2 计算浮阀塔塔高和塔径 26 4 5 3 溢流装置 28 4 5 4 塔板流体力学的验算 30 4 5 5 塔板负荷性能图 33 4 64 6 辅助设备及附属设备的选择辅助设备及附属设备的选择 38 4 6 1 裙座 38 4 6 2 人孔 38 四川理工学院毕业设计 第一章 绪论 4 6 3 除沫器 38 4 6 4 基础环 38 4 6 5 引出通道管 38 4 6 6 接管 38 4 6 7 附接管和法兰的结构简图 41 第五章第五章 设备一览表设备一览表 43 设设 计计 综综 述述 44 参参 考考 文文 献献 45 附图纸附图纸 46 致谢致谢 47 第一章 绪 论 1 1 尿素产品的用途 尿素是一种重要的化工产品 主要用于化学肥料的生产 它在农业和工业上 有着广泛的用途 工业上 主要用途是生产合成高聚物 塑料 漆料 以及粘合剂 另外 尿 素在医药 化纤 炸药 制革等生产中也有应用 目前 尿素工业的发展状况 己成为衡量一个国家工业化水平高低的一个重要标志 农业上 因为尿素含氮量高达 46 65 质量 超过任何其它固体氮肥 是 一种高效氮肥 尿素属于中性速效肥料 不含酸根 施于土壤中以后不会残留 使土壤恶化的酸根 长期使用不会引起土质变硬 板结 而且分解出来的二氧 化碳也可为植物吸收 尿素的施用及贮藏性能好 不分解 不吸潮 不结块 流动性好 无爆炸性 还可以与其它化肥进行物理混配或均质造粒 以配成多 营养成分的混合肥料和复合肥料以满足不同土质 不同作物的需要 世界尿素主要消费地区包括西欧 北美 中东 南亚 东南亚 东亚及其 他地区 2010年 全球尿素需求量约1 564亿吨 比2009年增长1 07 未来尿素 需求量的增加主要来自肥料用尿素需求的增加 包括尿素用于粮食增产以及进一 步代替其他肥料的应用 尿素作为最重要的氮素化学肥料 在整个世界市场中的 供不应求 更为其今后的发展提供了广阔的空间 尿素的生产工艺比较成熟 主要的生产方法有 不循环法 部分循环法 水溶 液全循环法 气提法等 现代的尿素生产均多采用全循环法 即每次通过反应器 在尿素工业中称为合成塔 后再通过吸收工段将未转化为尿素的和回 3 NH 2 CO 收并送回合成塔 为此 合成塔排出液 含有尿素 氨和二氧化碳的水溶液 要先 四川理工学院毕业设计 第一章 绪论 进行组分分离 使成为多少较纯净的尿素水溶液和未反应的 和 3 NH 2 CO 的混合物 前者通过蒸发 浓缩 结晶或造粒而制成颗粒状尿素产品 OH2 其中水溶液全循环法是指合成反应未转化成尿素的氨和二氧化碳 经几次减 压和加热分解 从尿素溶液中分离出来 然后又全部返回高压合成塔 从而提高原 料氨和二氧化碳的利用率的方法 1 1 2 尿素的性质 尿素 又称脲 分子式 相对分子质量 结构式或 24ON CH06 60 22 NHCO 别名 碳酰二胺 纯净的尿素是无色 无味的针状或棱柱状 22 NHCONH 结晶 密度 20 40 为 1 335g cm3 熔点 132 7 含氮 46 65 工业尿素 是白色或者淡黄色斜方棱柱针状结晶 2 尿素易溶于水 20 时饱和水溶液含 CO NH2 2 51 83 120 含 95 在 碱性 酸性或中性溶液中 60 以下时 尿素不发生水解作用 随着温度的升 高水解速度加快 在大气压下加热高于 80 尿素溶液水解作用转化为氨基甲 酸胺 氨基甲酸铵溶于水时部分水解而生成碳酸铵 接着转化为碳酸氢铵 后 者则分解为氨和二氧化碳 尿素易溶于酒精及液氨中 与氨生成络合物 CO NH2 2 NH3 尿素不溶于乙 醚 氯仿 尿素呈微碱性 可以与酸作用生成盐 但不能使一般指示剂变色 与各种 酸反应生成盐 但不能使一般指示剂变色 与各种酸反应生成盐类化合物 1 3 尿素生产的原料和工艺原理 1 由氨和二氧化碳气体直接合成尿素的反应过程可分为二步进行 液氨与气体二氧化碳作用生成液体氨基甲酸铵 gg2 22423 lNHCONHCONH 氨基甲酸铵脱水生成尿素 ll l 22224 OHNHCOCOONHNH 总的反应式为 ll gg2 22223 OHNHCOCONH 第一步是放热反应 反应速度极快 而且反应相当完全 反应为强放热的 反应 第二步是弱吸热的化学反应 反应速度缓慢 且达到化学平衡时也不能使 氨基甲酸铵全部脱水转化为尿素 平衡转化率不高 一般不超过 50 75 它 是合成尿素过程中的控制因素 氨基甲酸铵结晶不能直接脱水变成尿素 所以 此反应必须在液相中进行 即尿素生成是液相反应 所以原料氨必须以液态供给 四川理工学院毕业设计 第一章 绪论 则液或气态均可 操作温度必须高于氨基甲酸铵的熔点 156 而且这个 2 CO 过程还必须在高的压力下进行 1 4 设计流程 1 4 1 工艺流程简图 如图 1 1 废液处理回收 尿素造粒蒸发分离合成 图1 1 尿素生产过程示意图 1 4 2 全溶液水循环法生产尿素流程叙述 已脱硫的在压缩之前在总管内加人 加入量约为总量的 2 CO 2 O 2 CO 0 5 体积 目的是防止合成 循环系统的设备腐蚀 然后通过液滴分滴以保 护压缩机 经压缩至 20Mpa 表压 气体温度约为 125 进入高压混合器 2 CO 由合成氨来的液氨先经升压泵使液氨升压道 2 5Mpa 然后通过过滤器送人 液氨缓冲槽的原料室中 同时由中亚循环系统冷凝器来的液氨进入氨缓冲槽的 回流室 一部分作为中压吸收塔的回流氨 其余流过溢流隔板进入原料室与新 鲜原料液氨混合 氨缓冲槽压力维持在 1 7Mpa 表压 左右 此是中压循环系统的压力 液 氨由缓冲槽原料室进入高压泵加压到 20Mpa 经预热器加热到 45 55 进入混合 器 由中压吸收塔塔底来的浓氨基甲酸铵溶液温度约为 90 95 左右 加压到 20Mpa 表压 也送入到混合器 此时反应的总物料组成为 物料在塔内停留时间约为 1h 左右 的转换7 0 1 1 4 223 OHCONH 2 CO 率为 62 64 合成塔顶部物料出口温度为 188 190 此反应物熔融内有尿素 氨基甲酸铵 氨和水等 经减压到 1 7Mpa 表压 后进与分离器内使气压两相 分开 出与分离器的液相温度为 120 进入中压分解加热器到 160 左右 使 溶液中和和再次气化 在中压分解器内汽液两相分开 溶液送低 3 NH 2 COOH2 压分离器 气体可送一段蒸发器加热室加热尿素溶液回收热量后 与与分离器 出口的气体一起进中压吸收塔底部的鼓泡段 如果不回收热量可直接送中压吸 收塔 在此用低压吸收塔来的稀甲胺溶液进行吸收 约为 95 的气态和 3 NH 四川理工学院毕业设计 第一章 绪论 蒸汽被吸收生成甲基甲酸铵 未被吸收的气体上升到填料层 与塔顶喷淋 2 CO 的回流氨接触 由液氨缓冲槽回流室供给 气体中的几乎全部从系统中除 2 CO 去 因此 中压吸收塔塔顶都是纯的气氨 包括 惰性气体及此温度下压力 2 O 的饱和水蒸气 其温度为 47 气氨进入氨冷凝器冷凝为液氨后流入氨缓冲槽回流室 在中压吸收塔底部 由于进入的水蒸气冷凝 和生成氨基甲酸铵等 在此放出大量的热量 3 NH 2 CO 为保持塔底温度需从底部移出热量 因此有部分回流氨送到中压吸收塔底部 通常回流氨中 90 进入塔顶 10 进入塔底 在塔底的稀甲胺溶液吸收了和 3 NH 后生成浓的氨基甲酸铵溶液 温度约为 90 95 近似组成为 41 34 2 CO 3 NH 25 百分量比 此浓甲铵溶液用高压泵送回高压混合器 2 COOH2 由于中压循环器循环系统为 1 7Mpa 表压 不可使尿素溶液中未反应的 NH3 和CO2 全部分离出来 所以设置有低压循环分离系统 其压力为 0 3Mpa 表压 从中压分离分离器出来的溶液减压到 0 3Mpa 表压 后经两 个低压分离器使剩下的氨和氨基甲酸铵分解和逸出并进入低压吸收塔 在此用 尿液蒸发的二段蒸发器和表面的冷凝器的冷凝吸收为稀的甲基甲酸铵溶液 送 中压吸收塔继续吸收 未吸收的氨进入氨回收塔内用冷凝液循环吸收后放空 冷凝液吸氨达一定的浓度后送蒸氨塔 用蒸汽加热蒸出氨气回入吸收塔 从低压分离器分出的尿素溶液送人闪蒸罐 其压为 59995pa 绝压 此时 少量的 NH3和 CO2 水蒸汽自尿液中气化送入一段表压面冷凝器 同时泵液温度 由 150 下降到 105 110 尿液浓度大约为 74 重量 送入到尿液缓冲槽 槽内尿液温度大约在 95 左右 应设有加热蒸汽管以维持尿液温度 防止凝固 至此转入尿液加工工序 造粒工序 1 5 计算依据 3 1 5 1 尿素合成塔 操作压力为 操作温度为 绝 2 cm 221atm 190 入塔物料分子比 7 0 1 1 4 223 OHCONH 二氧化碳转化率 63 1 5 2 一段分解分离器 操作压力为 操作温度为 18 绝 2 cm atm 160 1 5 3 二段分解塔 操作压力为 操作温度 4 绝 2 cm atm 四川理工学院毕业设计 第一章 绪论 塔底液相温度为 塔顶气相温度为 150 120 1 5 4 成品尿素含量 含氮量为 折合尿素为 缩二脲为 46 7 98 9 0 含水量为 其他杂质为 3 0 1 0 四川理工学院本科毕业设计 第二章 物料衡算 5 第二章 物料衡算 2 1 物料流程简图 本次设计只做尿素合成分离工段的初步设计 不计算循环以及蒸发造粒 工段 则物料流程简图如下 预混合器 NH3 CO2 尿 素 合 成 塔 一 段 分 离 器 二 段 分 解 塔 蒸发 工段 中压分解低压分解 中压吸收低压吸收 图 2 1 物料流程简图 2 2 合成塔 2 2 1 已知数据及反应框图 查 3 有 产品中含 N2量 46 折含尿素 98 7 其中不包括缩二脲含 N 量 则一段分解塔出口溶液中尿素的质量百分比 1 为 4 61 100 57 1645 04 1010 二段分解塔出口溶液中尿素的质量百分比 1 为 3 70 100 03 1427 05 1003 设一 二段分解塔出口的尿素溶液量分别为 104t axy 由尿素质量守恒有 对一段分解塔 4 61 7 98106 4 xatx 1064 9 4 对二段分解塔 3 70 7 98106 4 yaty 1042 8 4 查 3 知 CO2转化率为 64 NH3 CO2 4 1 H2O CO2 0 7 需由合成塔生成的尿素量为 忽略损失 at 10922 5 7 98106 44 转化为尿素的 CO2的量为 akmol kmolkg at 1087 9 60 10922 5 5 4 那么未转化为尿素的 CO2的量为 akmol 1055 5 64 36 1087 9 55 因此需进合成塔的 CO2的总量为 akmol 1042 15 10 55 587 9 5 5 四川理工学院本科毕业设计 第二章 物料衡算 6 NH3的进料量为 akmol 10222 631 41042 15 55 H2O 的量为 akmol 10794 107 01042 15 55 单位 105kmol a 反应过程 NH3 63 222 CO2 15 42 H2O 10 794 NH3 43 482 CO2 5 55 H2O 20 667 NH2CONH2 9 87 图 2 2 合成塔物料方框图 2 2 2 物料计算 计算基准 6 万吨成品尿素 由上有输入的各组分 atakgmNH 1075 10 10774 10741710222 63 455 3 atakgmCO 1078 6 1048 678441042 15 455 2 atakgm OH 1094 1 10292 1941810794 10 455 2 则输出的各组分 atakgmNH 1039 7 10194 7391710482 43 455 3 atakgmCO 1044 2 10 2 244441055 5 455 2 atakgmCONHNH 1092 5 102 592601087 9 455 22 由质量守恒定律 atmOH 1072 3 10 92 539 7 44 2 94 1 75 1078 6 44 2 又由合成塔里的反应为 第一步 QNHCONHCONH 22423 2 第二步 QOHNHCONHCONH 222224 那么生成的甲铵量atm 1033 4 10 9 4321055 5 78 455 甲铵 消耗的液氨量atm 1089 1 1089 1 1710255 5 475 液氨 四川理工学院本科毕业设计 第二章 物料衡算 7 则过量的氨量atm 105 510 89 1 39 7 44 氨 2 2 3 合成塔物料平衡数据表 表 2 1 合成塔的物料平衡表 输 入输 出 组 分 质量 物质的量 104t a 105kmol a 组 分 质量 物质的量 104t a 105kmol a NH3 10 75 63 22 CO2 6 78 15 42 H2O 1 94 10 79 NH3 7 39 43 48 CO2 2 44 5 55 H2O 3 72 20 67 CO NH2 2 5 92 9 87 总 计 19 47 89 43 总 计 19 47 79 57 说明 进出物料差 为合成反应因生成尿素而akmol 1086 9 10 57 7943 89 55 减少的摩尔数 因二氧化碳还以甲铵液形式出料则合成塔输出物料还可表示为 单位 104t a CO NH2 2 5 92 CO NH2 2 5 92 30 4 CO2 2 44 或 NH4COONH2 4 33 22 2 NH3 7 39 氨水 9 22 47 4 H2O 3 72 其中 NH3 5 5 H2O 3 72 总计 19 47 总计 19 47 2 3 一段分解分离器 2 3 1 反应框图与已知数据 查 3 知一段分解塔出口溶液中各组分所占的百分数为 CO2 0 032 NH3 0 082 H2O 0 272 CO NH2 2 0 614 四川理工学院本科毕业设计 第二章 物料衡算 8 一段分离器 合成塔输出的 溶液 19 47 104 t a 出口气体总量为 A 104 t a 出口液体总量 9 64 104 t a 求 CO2 求 NH3 求 H2O 求CO NH2 2 图 2 3 一段分离器物料方框简图 2 3 2 物料计算 计算基准 6 万吨成品尿素 由质量守恒定律有 A 19 47 9 64 104 9 83 104 t a 一段分解塔出口溶液中各组分含量为 akmolatmNH 105 64 1079 0 082 0 104 69 544 3 akmolatmCO 107 0 1031 0 032 0 104 69 544 2 akmolatm OH 1056 14 10 62 2 272 0 104 69 544 2 akmolatm CONHNH 107 89 102 95614 0 104 69 544 22 则一段分塔出口气体中各组分含量为 由质量守恒有 akmolatmNH 102 838 106 610 79 0 9 37 544 3 akmolatmCO 1084 4 102 1310 31 0 44 2 544 2 akmolatmOH 1011 6 101 110 62 2 72 3 544 2 与 CO2形成甲铵消耗的液氨量 atm 1042 0172107 0 45 生成的甲铵量 atm 1055 0 107 078 45 溶于水的氨量 atm 10 55 0 10 25 0 79 0 44 2 3 3 一段分离器物料平衡数据表 四川理工学院本科毕业设计 第二章 物料衡算 9 表 2 2 一段分离器物料平衡表 输 入输 出 组 分 质量 物质的量 104t a 105kmol a 组 分 质量 物质的量 104t a 105kmol a NH3 7 39 43 48 CO2 2 44 5 55 H2O 3 72 20 67 CO NH2 2 5 92 9 87 一段分解出口气体 9 83 49 77 NH3 6 60 38 82 CO2 2 13 4 84 H2O 1 1 6 11 一段分解出口液体 9 64 29 78 NH3 0 79 4 65 CO2 0 31 0 7 H2O 2 62 14 56 CO NH2 2 5 92 9 87 总 计 19 47 79 57 总 计 19 47 79 55 一段分离器出口液体物料组成可表示如下 单位 104t a CO NH2 2 5 92 CO NH2 2 5 92 61 4 CO2 0 31 或 NH4COONH2 0 55 5 7 NH3 0 79 氨水 3 17 32 9 H2O 2 62 其中 NH3 0 55 H2O 2 62 总计 9 64 总计 9 64 2 4 二段分解塔 2 4 1 反应框图与已知数据 二段分解塔物料方框图 如图 2 4 四川理工学院本科毕业设计 第二章 物料衡算 10 二段分解塔 一段分离器输 出的溶液 9 64 104 t a 出口气体总量为 B 104 t a 出口液体总量 8 42 104 t a 求 CO2 求 NH3 求 H2O 求CO NH2 2 缩二脲 图 2 4 二段分解塔物料方框简图 查 3 得二段分解塔出口溶液中各组分的质量百分数为 CO2 0 0055 NH3 0 0083 H2O 0 28 CO NH2 2 0 702 缩二脲 0 0042 2 4 2 物料计算 计算基准 5 万吨成品尿素 二段分解塔出口液中各组分的质量为 akmolatmNH 1041 0 100699 0 0083 0 102 48 544 3 akmolatmCO 10105 0 100463 00055 0 102 48 544 2 akmolatm OH 100 113 10576 3228 0 1042 8 544 2 akmolatm CONHNH 105 89 1011 95702 0 102 48 544 22 akmolatm 10034 0 100354 0 0042 0 102 48 544 缩二脲 则二段分塔出口气体中各组分质量为 由质量守恒有 akmolatmNH 104 24 1072 0 10 069 0 79 0 544 3 akmolatmCO 1091 50 1026 0 10 0463 0 31 0 544 2 akmolatm OH 1044 1 1026 0 10 576 3262 2 544 2 生成的甲铵量 atm 100819 0 7810105 0 45 消耗的液氨量 atm 100357 0 17210105 0 45 过量的液氨量 atm 100342 0 10 0357 0 0699 0 44 四川理工学院本科毕业设计 第二章 物料衡算 11 2 4 3 二段分解塔物料平衡数据表 表 2 3 二段分解塔物料平衡表 输 入输 出 组 分 质量 物质的量 104t a 105kmol a 组 分 质量 物质的量 104t a 105kmol a NH3 0 79 4 65 CO2 0 31 0 7 H2O 2 62 14 56 CO NH2 2 5 92 9 87 一段分解分离器出口气体 1 24 6 27 NH3 0 72 4 24 CO2 0 26 0 511 H2O 0 26 1 44 一段分解分离器出口液体 8 42 23 5 NH3 0 0699 0 41 CO2 0 0463 0 105 H2O 2 3576 13 10 CO NH2 2 5 911 9 85 缩二脲 0 0354 0 034 总 计 9 64 29 78总 计 9 64 29 77 注 表中忽略该反应生成的氨气量 2 32222 gNHCONHCONHNHCONH 二段分解塔出口液体物料组成可表示为 单位 104t a CO NH2 2 5 911 CO NH2 2 5 911 70 3 CO2 0 0463 或 NH4COONH2 0 0819 0 9 NH3 0 0699 氨水 2 4271 28 8 H2O 2 3576 其中 NH3 0 0342 H2O 2 3576 缩二脲 0 0354 缩二脲 0 0354 总计 8 42 总计 8 42 四川理工学院本科毕业设计 第三章 热量衡算 12 第三章 热量衡算 3 1 合成塔 3 1 1 设计条件 4 1 原料 NH3 l 进入塔压力为 221 温度设为 t 绝 2 cm atm 2 原料 CO2 g 进入塔压力为 221 温度 125 绝 2 cm atm 3 原料中 H2O l 进入塔压力为 221 温度 100 绝 2 cm atm 4 尿素合成塔排出反应物压力为 221 温度 190 绝 2 cm atm 3 1 2 尿素合成塔热平衡计算项目 CO2 g 221大气压 125 NH3 l 221大气压 t H2O l 221大气压 100 NH3 l 过量 221大气压 t CO2 g 1大气压 25 NH3 l 1大气压 25 H1 H2 H10 H2O l 221大气压 150 NH3 l 过量 221大气压 132 5 Tc H3反应 氨基甲酸铵 s 1大气压 25 氨基甲酸铵 s 221大气压 150 H5熔融 氨基甲酸铵 l 221大气压 150 H6 H2O l 221大气压 190 汽化 NH3 g 221大气压 132 5 H4 NH3 g 221大气压 150 混合 液化 NH3 l 221大气压 150 NH3 l 221大气压 190 氨基甲酸铵 l 水 l 尿素 l 221大气压 150 221大气压 150 221大气压 150 水 l 221大气压 190 H7 氨基甲酸铵 l 尿素 l 221大气压 190 221大气压 190 H8 H9 H11 H12 H13 H14 H15 H16 图 3 1 合成塔热量平衡衡算结构简图 3 1 3 合成塔热量计算 计算以 25 为基准 1 求 CO2气体降温降压吸热 1 H 由 CO2 T S 图 4 查得 221 温度 125 时 166 绝 2 cm atmikgkcal 四川理工学院本科毕业设计 第三章 热量衡算 13 1 温度 25 时 174 绝 2 cm atmikgkcal 求得 akcalimH 1024 54 166174 108 76 74 1 2 求当量 NH3降温降压及汽化吸热 2 H 由 NH3图 1 查得 221 温度 t 时 PIlog 绝 2 cm atmi x i kgkcal 1 温度 25 时 260 绝 2 cm atmikgkcal 求得 akcaliiimH XX 10 89 1 4 491 10 260 89 1 77 2 3 求 固体甲铵生成时的反应热 3 H 查 5 氮肥工艺设计手册 理化数据 有 1atm 下 温度 25 时 固体甲铵的生成热为 kmolkcalH 26990 求得 akcalH 1086 4161102699042 15 75 3 4 求固体甲铵升温吸热 4 H 查 5 得固体甲铵由 25 升温至 150 时的热焓差值为 5260 kmolkcal 求得 akcalH 10 1 81110526042 15 75 4 5 求固体甲铵熔融吸热 5 H 固体甲铵在 150 时的熔融热 1 为 kmolkcalH 4850 求得 akcalH 1087 74748501042 15 75 5 6 求甲铵转化为尿素时吸热 6 H 尿素在 150 时的生成热为 5220 kmolkcal 求得 akcalH 10 2 51552201087 9 75 6 7 反应熔融物升温吸热 16987 HHHH 混合物比热查 3 得 取 59 8 氨水的比热为 0 54 kgkcal 尿素的比热为 0 476 kgkcal 甲铵的比热为 0 527 kgkcal 518 0 474 0 54 0 527 0 222 0 476 0 304 0 kgkcalCp 求得 akcal HHHH 1042 403 10 150190 518 0 47 19 7 7 16987 8 求液态水升温变化吸热 10 H 定性温度为 125 2 150100 查 3 得 125 时 0 997 P C kgkcal 四川理工学院本科毕业设计 第三章 热量衡算 14 求得 n 10 794 10 H P CT akcal 1038 5 100150 997 0 10 75 9 求液态水升温变化吸热 11 H 定性温度为 170 2 190150 查 3 得 170 时 1 022 P C kgkcal 求得 n 10 794 11 H P CT akcal 1041 4 150190 022 1 10 75 10 求过量氨升温吸热 12 H 查 3 有 221 温度 t 时 绝 2 cm atmi x ikmolkcal 221 温度 132 5 时 268 绝 2 cm atmikmolkcal 得 akcaliiimH XX 10 5 54 1474 10 268 89 1 39 7 77 12 11 求过量液氨汽化热 13 H NH3在临界温度下汽化 其热效应为 0 求得 akcalH 0 13 12 求过量氨升温吸热 14 H 查 4 得 221 温度 132 5 268 绝 2 cm atmikmolkcal 221 温度 150 298 绝 2 cm atmikmolkcal 求得 akcalimH 10165 268298 10 89 1 39 7 77 14 13 求过量氨与水混合热 15 H 反应熔融物中氨溶于水形成氨水浓度为 59 8 最终状态氨水浓度为 59 8 混合热为 95 NH3kmolkcal 最初状态氨水浓度为 100 混合热为 0 NH3kmolkcal 求得 akcalH 10 5 522951089 1 39 7 77 15 14 求合成塔热损失 17 H 查 3 得年产 11 万吨的尿素生产设计中 损失为hkcalH 224664 17 以一年工作 330 天计算 求得 akcalH 1079 80 11 524330224664 7 17 15 合成塔热平衡 因 故有 0 17 1 171 H 010 79 80 1 811 5 5225 51474 41 4 53842 4032 51587 74786 416189 1 4 49124 54 7 x x i i 四川理工学院本科毕业设计 第三章 热量衡算 15 解得kgkcalix 67 150 查 NH3 I 图 1 t 44 3 Plog 亦即氨的预热温度为 44 3 求得 akcalH 1063 2061067 150260 89 1 77 2 akcalH 1032 6451067 1505 5101474 777 12 3 1 4 合成塔热量平衡数据表 合成塔热量平衡数据表见表 3 1 表 3 1 合成塔热量平衡表 输 入 输 出 输入项目 热量 百分率 107kcal 输出项目 热量 百分率 107kcal 甲铵生成热 4161 86 100 CO2气降温降压 54 24 1 30 当量氨降温降压 206 63 4 96 固体甲铵升温吸热 811 1 19 49 固体甲铵熔融吸热 747 87 17 97 甲铵转化为尿素吸热 515 2 12 38 反应熔融升温吸热 403 42 9 69 液态水升温吸热 9 79 0 24 1110 HH 过量氨升温吸热 810 32 19 47 1412 HH 过量氨汽化热 0 0 过量氨与水混合热 522 5 12 55 热损失 80 79 2 01 总 计 4161 86 100 总 计 4161 86 100 3 2 一段分解分离器 3 2 1 计算依据 6 1 进口反应熔融物 18 温度为 124 绝 2 cm atm 2 出口物料 液相 18 温度为 160 气相 18 温度为 160 2 cm atm 2 cm atm 四川理工学院本科毕业设计 第三章 热量衡算 16 3 2 2 一段分解分离器热量计算 以 25 为计算基准有 1 反应熔融物带入的热量 查 6 可知反应熔融物的比热为 0 517 kgkcal 求得 akcaltmCQ P 310 5996 25124 517 0107 419 77 1 2 反应熔融物带出的热量 取 17 42 氨水的比热为 1 2 尿素的比热为 kgkcal 0 476 甲铵的比热为 36 3 kgkcal kgkcal 714 0 329 0 2 1614 0476 0 057 0 78 3 36 kgkcalCp 求得 akcaltmCQ P 10 2929 25160 714 0 104 69 77 2 3 气相中 CO2带出的热量 由 CO2 T S 图 7 查得 1 78 温度 160 时 196 绝 cm atm 2 ikmolkcal 1 温度 25 时 174 绝 2 cm atmikmolkcal 求得 akcalQ 106 846 174196 103 12 77 3 4 气相中 NH3带出的热量 查 NH3 I 图 7 得 14 05 温度 160 时 485 Plog 绝 2 cm atmi kmolkcal 1 温度 25 时 422 绝 2 cm atmikmolkcal 求得 akcalQ 10 8415 422485 100 66 77 4 5 气相中 H2O 带出的热量 包括蒸发潜热 查 H2O图 7 得 2 17 温度 160 时 624 SI 绝 2 cm atmikmolkcal 1 温度 25 时 25 绝 2 cm atmikmolkcal 求得 akcalQ 10 9658 25624 10 11 77 5 气相带出的热量总和为 求得 akcalQQQ 106 5112110 9658 84156 846 77 543 6 热负荷 输入输出 QQQ 615432 QQQQQ 求得 6 Q 7 10 3 59966 51121 2929 akcal 103 21054 7 7 热损失 由文献 6 取进热负荷的 1 1 求得 akcalQ 10 6 1110 1 13 21054 77 7 8 加入的蒸汽负荷量 四川理工学院本科毕业设计 第三章 热量衡算 17 求得 akcalQ 1083 106510 6 113 21054 77 8 选用 12 5 温度 188 9 的饱和水蒸汽为加热介质 绝 2 cm atm 查 3 得 水的冷凝潜热为 kgkcalr 475 由可得 加热介质的量为 rWQ 8 at r Q W 104 22 475 1083 1065 7 7 8 3 2 3 一段分解分离器热量平衡数据表 一段分离器热量平衡数据表见表 3 2 表 3 2 一段分解塔热量平衡表 输 入输 出 输入项目 热量 百分率 107kcal 输出项目 热量 百分率 107kcal 反应熔融物带入 996 53 48 32 加热蒸汽供给 1065 83 51 68 反应熔融物带出 929 2 45 06 气相 CO2 46 86 2 27 气相氨 415 8 20 16 气相水 658 9 31 95 热损失 11 6 0 56 总 计 2062 36 100 总 计 2062 36 100 3 3 二段分解塔 3 3 1 计算依据 1 进二段分解塔尿素溶液温度 t 160 压力 P 4 绝 2 cm atm 2 出二段分解塔尿素溶液温度为 t 150 出二段分解塔气体温度为 t 120 3 二段分解塔气体各组分分压 求得 CO2 atm38 0 7 26 591 0 4 NH3 atm H2O atm7 2 27 6 24 4 4 92 0 27 6 44 1 4 3 3 2 二段分解塔热量计算 1 溶液带入热量 由一段分解塔的热量计算有 akcalQ 10 2 929 7 1 2 尿素溶液带出的热量 由于尿素溶液中 CO2 NH3 缩二脲的含量甚微 故在计算中不予考虑 那 么尿素溶液的浓度如下 H2O 2 3576 104 t a 28 5 四川理工学院本科毕业设计 第三章 热量衡算 18 CO NH2 2 5 911 104 t a 71 5 合计 8 2686 104 t a 100 查图 1 79 3 有 71 5 的尿液的比热容为 021 1 kgkcalCp 求得 akcalQ 1028 1055 25150 021 1 102686 8 77 2 3 分解的气体带出的热量 查文献 6 有 对 CO2 0 39 温度 120 时 190 绝 2 cm atmikgkcal 1 温度 25 时 174 绝 2 cm atmikgkcal 求得 akcalQCO 1016 4 174190 1026 0 77 2 对 NH3 2 70 温度 120 时 473 绝 2 cm atmikgkcal 1 温度 25 时 423 绝 2 cm atmikgkcal 求得 akcalQNH 1036 423473 1072 0 77 3 对 H2O 0 91 温度 120 时 648 绝 2 cm atmikgkcal 1 温度 25 时 25 绝 2 cm atmikgkcal akcalQ OH 1098 161 25648 1026 0 77 2 akcalQQQQ OHNHCO 1014 20210 98 1613616 4 77 3 232 4 热负荷 输入输出 QQQ 4132 QQQ akcal 1022 32810 2 92914 20228 1055 77 5 热损失 查 6 取热损失为进热负荷的 1 6 求得 akcalQ 1087 14 41610 2 929 77 5 6 加热蒸汽供给热量 求得 akcalQ 09 34310 87 1422 328 7 6 选用 12 5 温度 188 9 的饱和水蒸汽为加热介质 绝 2 cm atm 查 6 得 水的冷凝潜热为 kgkcalr 475 由可求得 加热介质的量为 WrQ 6 at r Q W 10722 0 475 1009 343 7 7 6 四川理工学院本科毕业设计 第三章 热量衡算 19 3 3 3 二段分解塔热量平衡数据表 表 3 3 二段分解塔热量平衡表 输 入输 出 输入项目 热量 百分数 107kcal 输出项目 热量 百分数 107kcal 尿素溶液带入 929 2 73 03 加热蒸汽供给 343 09 26 97 尿素溶液带出 1055 28 82 94 气相带出热 202 14 15 89 热损失 14 87 1 17 总 计 1272 29 100总 计 1272 29 100 四川理工学院本科毕业设计 第四章 设备计算及选型 20 第四章 设备计算及选型 4 1 合成塔特性 该塔是不锈钢衬里 空的高压容器 塔的外筒为多层卷焊受压容器 也可以 整体锻造 内部衬有一层耐腐蚀的不锈钢板 使筒体和尿素甲铵腐蚀介质隔离 外壳保温 防止热量外散 不设置内件 塔的高径比较大 在塔内 氨基甲酸铵脱 水生成尿素 4 1 1 合成塔设计条件 8 已知 1 CO2转化率 63 2 生产能力 以 330 天 24 小时 天计 小时吨 67 24330 106 4 G 4 1 2 合成塔的有效容积 确定合成塔的生产强度 查图 4 1 8 尿素合成塔生产强度与转化率的关系查得为 13 2 3 米日吨 实际选取 生产强度 G V 24 2 813 213 6724 3 米日吨 24 2 17 3 裕度为为技改留空间米 V 则实际生产强度为 6 10 2 17 6724 3 米日吨 选用的尿素合成塔为衬里的高压容器 12 合成塔内流动的自始至终都是气液 二相混合物 中小型厂的合成塔为空筒 不设置内件 其高径比在 20 左右 流体基 本呈平推流 选取内径1000 mm H 25000 mm V 19 7 m3 材质 0Cr18Ni12Mo2 hr 2 4 2 一段分解加热器 对尿素液混合物进行加热分解 温度达到 160 使溶液中的氨 二氧化碳 和水汽化 4 2 1 一段分解加热器设计条件 1 操作压力为 P 18 绝 2 cm atm 2 操作温度 进加热器尿液温度为 t1 124 出加热器尿液温度为 t2 160 3 加热蒸汽条件 压力为 P汽 12 5 绝 温度为 t汽 188 9 2 cm atm 冷凝温度为 t凝 188 9 冷凝潜热为 r 475 kgkcal 四川理工学院本科毕业设计 第四章 设备计算及选型 21 4 蒸汽热负荷 akcalQ 102 61071 7 8 5 物料浓度 进加热器尿液浓度为 30 40 出加热器尿液浓度为 61 40 6 有效平均温度 m t 2 1 21 ln tt tt tttt tm 凝 凝 凝凝 160 9 188 124 9 188 ln 160 9 188 124 9 188 5 44 7 查 3 得 1004 8 1015 262 amkcalhmkcalk 4 2 2 一段分解加热器传热面积 S1 由已知条件得加入的蒸汽负荷量为 akcalQ 102 61071 7 8 tk Q S 8 1 5 441004 8 102 61071 6 7 2 5 929m 选用加热器有 8 为浮头式单壳程换热器 Dg 450 mm Pg 40 管程数 2 壳程数 1 列管长度 3m 列管直径 2 cmkg 19mm 管束图型号 A 规格型号 FB 450 31 40 2 2 31 mF 公 2 30 mF 计 材质 Cr18Ni12Mo2Ti 4 3 一段分解分离器的作用 在一段分离器内气液二相分开 液相部分送至二段分解塔 气相部分送去中 压吸收系统 4 3 1 设计条件 操作压力为 P 18 操作温度为 t 160 绝 2 cm atm 4 3 2 计算过程 1 气相重度 v 查文献 3 知 表 4 1 NH3 CO2 H2O 的临界温度 临界压力值 组 分NH3CO2H2O 临界温度 c T 132 331 0374 2 临界压力 PC 绝 2 cm atm 111 372 9218 3 四川理工学院本科毕业设计 第四章 设备计算及选型 22 混合气体的假临界温度 1 15617 0 2 374171 0 0 31659 0 3 132 mc T 混合气体的假临界压力 atmPmc9 12217 0 3 218171 0 9 72659 0 3 111 对比温度 01 1 1 156273 160273 273 273 c r T t T 对比压力 1465 0 9 122 18 c r P P P 查气体的通用压缩系数图 8 得压缩系数为 Z 0 95 由 P ZRT V 代入数据有 kmolmV 90 1 18 160273 08315 0 95 0 3 气相重度为 3 5 7 40 10 107 7499 1 103 89 mkg v 2 液相重度 L 将液相视为尿素溶液 查尿素溶液的蒸汽压力和比重图 10 可得浓度为 61 4 的 尿素溶液重度为 1110 3 mkg 3 空速 sm v vL 823 0 40 10 40 101110 08 0 08 0 代入数据有 4 气相负荷 smVS 332 0 360024330 10 74990 1 5 5 分离器截面积 2 403 0 823 0 322 0 m V A S 6 分离器直径 m A D717 0 785 0 403 0 785 0 考虑到负荷变化及压力波动 选取一段分离器直径为mm800 那么 材质 Cr18Ni12Mo2TimmH3000 3 51 1 mV 四川理工学院本科毕业设计 第四章 设备计算及选型 23 4 4 二段分解加热器的作用 对一段分解分离器出来的液相部分 尿素液 氨 水等 进行加热分解 使 各组分汽化 温度达到 150 4 4 1 设计条件 1 操作压力 P 4 绝 2 cm atm 2 操作温度 进加热器尿液温度为 t1 124 出加热器尿液温度为 t2 150 3 加热蒸汽条件 压力 12 5 温度 188 9 汽 p 绝