67kta尿素合成和分离工段工艺设计.doc

67kt/a尿素合成和分离工段工艺设计学 生：学 号：专 业：班 级：指导教师： 四川理工学院材料与化学工程系二O一O年六月四川理工学院毕业设计(论文) 中文摘要 67kt/a尿素合成和分离工段工艺设计 摘 要本设计采用水溶液全循环法对尿素的合成和分离工段进行了初步设计，在设计中对尿素的生产方法作了调研和综述。对合成和分离工段进行了物料衡算和热量衡算，对二段分解塔进行了比较详细的设备选型，最后了绘制了精馏塔的装配图和带控制点的工艺流程图。关键词：尿素、合成分离、全循环法、精馏55 四川理工学院毕业设计(论文) 英文摘要 The Process Design of 67kt/a Urea Synthesis and Separation SectionAbstract The synthesis and seperation sections in urea plant of total solution recycling method were designed. Material balance and energy balance in the sections of synthesis and separation were calculated. Equipment selection for the second decomposition tower is considered. The flowsheet with controlling point and the assembly drawing of the second decomposition tower are presented. key words: urea, synthesis, separation, the whole cycle, distillation.四川理工学院毕业设计(论文) 目录 目 录中文摘要I英文摘要II1 总 论11.1 概述11.2尿素的性质11.3 尿素工业的发展趋势21.4 尿素的用途21.5 几种尿素生产工艺简介31.5.1 Snamprogetti公司的氨自身气提工艺31.5.2 TEC-MTC公司的ACES工艺31.5.3 Stamicarbon公司的CO2气提工艺41.6 CO2气提工艺和NH3气提工艺的比较41.6.1工艺方面41.6.2 装置运行情况51.6.3设备腐蚀51.6.4投资效益51.7 选择取工艺及理由51.8 尿素工艺流程简述52 物料衡算72.1 计算基准72.2 合成塔物料衡算72.2.1 衡算条件72.2.2 CO2气组成72.2.3 甲铵液组分物料量82.2.4 原料液NH3量82.2.5 循环液NH382.2.6 尿素生成量92.2.7 甲氨生成量92.2.8 过量NH392.2.9 生成H2O量92.2.10 合成系统物料衡算表92.3 预分离器的物料衡算102.3.1 衡算条件102.3.2 预分离器的出口气体组成102.3.3 预分离器出口溶液组成102.3.4 预分离器物料衡算表112.4 一段分解塔物料衡算112.4.1 出口气体组成112.4.2 一段分解塔出口溶液组成122.4.3一段分解塔物料平衡表122.5 二段分解塔物料衡算122.5.1 衡算条件122.5.2 缩二脲的计算132.5.3 出口气体中的CO2132.5.3 出口气体中的H2O132.5.4 二段分解塔出口溶液组成132.5.5 二段分解塔物料衡算表143 热量衡算153.1 计算基准153.2 合成塔热量衡算153.2.1 CO2气体降温降压吸热H1153.2.2 当量NH3气化吸热H2153.2.3 固体甲铵生成时反应热H3153.2.4 固体甲铵升温吸热H4153.2.5 固体甲铵熔融吸热H5163.2.6 循环甲铵升温吸热H6163.2.7 甲铵转化成尿素时吸热H7163.2.8 （H8+H9+H10+H15）反应熔融物升温吸热163.2.9 循环氨升温吸热H11163.2.10 循环液氨气化热H12163.2.11 循环氨升温吸热H13173.2.12 循环氨与水混合放热H14173.2.13合成塔热损失H17173.2.14 合成塔热量平衡表173.3 预分离器热量衡算183.3.1 进口液相带入热量183.3.2 进口气相带入热量183.3.3 出口液相带出热量193.3.4 排出气相带出热193.3.5 甲铵分解热量203.3.6 NH4OH分解热203.3.7 热损失203.3.8 预分离器出口液相温度t203.3.9 预分离器热量衡算表213.4 一段分解塔热量衡算213.4.1 反应熔融物带出热量213.4.2 气相中CO2带出的热量223.4.3 气相中NH3带出热量223.4.4 气相中H2O带出热量223.4.5 甲铵分解吸热223.4.6 NH4OH分解热223.4.7 热损失233.4.8一段分解热平衡表243.5二段分解塔热量衡算243.5.1溶液带入热量243.5.2 加热蒸汽供给热量Q2243.5.3尿液带出热量243.5.4分解分解气体带出热量243.5.5甲铵分解热253.5.6 NH4OH分解热253.5.7 二段分解塔热量平衡表264 主要设备选型274.1 合成塔的计算274.1.1设计条件274.1.2 生产能力274.1.3 合成塔的生产强度：274.1.4 合成塔有效容积274.1.5 合成塔选型274.2 一段加热器284.2.1 设计条件284.2.2 传热面积A284.3 一段分离器294.3.1 设计条件294.3.2计算294.4 二段加热器304.4.1 设计条件304.4.2 传热面积A314.5 二段分解塔314.5.1 全塔的理论板数及相关参数314.5.2 塔径，塔高的计算344.5.3 溢流装置364.5.4 流体力学的验算394.5.5 塔板负荷性能图414.6 辅助设备及附件的选择474.6.1除沫器474.6.2裙座474.6.3 人孔484.6.4吊柱484.6.5接管484.6.6附接管与法兰的结构简图51设备一览表53工艺设计评述54致 谢55参考文献56附 图57四川理工学院毕业设计 第一章 前言 1 总 论1.1 概述尿素，又称脲，分子式CH4ON2 ,相对分子质量60.055，结构式CO(NH2)2或NH2-CO-NH2,在人类及哺乳动物的尿液中含有这种物质，故称尿素，是蛋白质新陈代谢后元素氮的最终产物。尿素在许多生物过程中起着重要的作用1。尿素的生产成本较其他氮肥低。它的物理化学性很好，不挥发，吸湿性低，长期使用不致恶化土壤，既不会酸化土壤，也不会碱化土壤。21.2 尿素的性质纯尿素在室温下是无色、无味、无臭的针状结晶体，在一定条件下也呈斜方棱柱结晶体。尿素在常压下的熔点是132.7C，在高压（几千大气压）下尿素转变为其他晶型，熔点也有所变化。真空下加热尿素可直接升华为气体。尿素易溶于水和液氨，也溶于甲醇、乙醇、甘油，不溶于乙醚和氯仿。尿素在水和液氨中的溶解度均随温度的升高而增加。 尿素的主要物理化学性质摩尔质量/（g/mol） 60.056熔点/C 132.7（101325Pa）,150(300MPa)密度/(kg/m3) 1335(25C结晶)，1247（135C液体）堆积密度/(kg/m3) 750（颗粒），630710（结晶）标准摩尔生成焓/（KJ/mol） -333.3标准摩尔生成自由焓/（KJ/mol） -197.3标准摩尔燃烧热/（KJ/mol） 632.5比热容/(KJ/(kg*K) 1.55（25C结晶），2.09(135C液体)熔融热/(KJ/kg) 251（132.7C）(吸热)在水中的熔解热（无限稀）/(KJ/kg) 230（25C）(吸热)结晶热（自饱和水溶液）/(KJ/kg) 197（25C）(吸热)固体尿素在常温常压下是稳定的，受热升华的尿素可转变为同分异构物氰酸铵NH4CNO并分解为氨和氰酸: NH2CONH2=NH4CNO=NH3+HNCO熔融态尿素在高温下缓慢放出NH3而可缩合成多种化合物，最主要的是缩二脲NH2CONHCONH2:H2N-CO-NH2+H-NH-CO-NH2=H2N-CO-NH-CO-NH2+NH3尿素在水溶液中缓慢水解，变为氨基甲酸铵，再变为碳酸铵，最终成为氨和二氧化碳， NH2CONH2+H2O=NH4COONH2 H2O+NH4COONH2=(NH4)2CO3 (NH4)2CO3=2 NH3+CO2+ H2O在通常温度，无论在酸、碱或中性条件下尿素水溶液的水解基本不进行，仅当温度超过100C才开始明显加快。这在尿素生产的后续工序中注意防止。常温下的尿素水溶液，在一种酶（尿素酶）的作用下，其水解反应明显加速。高浓度的尿素水溶液受热也可以生成缩二脲及其他缩合物。尿素水溶液呈微碱性，它与强酸作用生成盐。尿素与无机酸或盐相互作用的性质，在复合肥料中具有具有重要意义。尿素溶解于液氨中，形成不稳定的氨合物NH2CONH2 NH3。氨合物在45C以上即分解。氨合物能生成碱金属盐，如NH2CONHM，CO(NHM)2等。尿素能与多种有机化合物进行化学反应，几乎能与所有的直链有机化合物（如烃类、醇类、酸类、醛类等）作用1。 1.3尿素工业的发展趋势在目前的技术经济条件下，尿素的生产有三种方法：气头（以天然气为原料）、煤头（以煤炭为原料）、油头（以石油为原料）。尿素企业的规模经济产能分别为100万吨和60万吨，分别对应60万吨和36万吨的合成氨规模。我国氮肥产量已居世界第一，尿素产量占世界总产量的1/3。 据中国化工信息中心统计，2000年到2006年，我国尿素产能从3600万吨达到了4950万吨，年平均增长225万吨，总装置能力增加37.5%，平均每年递增5.45%，开工率连续多年保持在95%以上，远 远高于其他化肥品种的开工率。2007年中国尿素产能达到5400万吨，实际产量也将从2000年的3070万吨达到目前的5000万吨以上。2008年，中国在建和拟建尿素项目已超过610万吨，其中较大项目包括：建峰80万吨、中石油吉林分公司104万吨、中石油塔里木分公司80 万吨、鄂尔多斯104万吨、四川化工控股80万吨等。2009年已经公布拟建项目有240万吨， 预计扩能速度较2008年有所减缓，2010年的尿素新建项目增幅将低于2009年，但增长是个趋势。 我国尿素新上项目大多采用先进的煤气化技术，一些靠近原料产地(天然气、煤)的企业，具有较强的成本优势和市场竞争力，因此尿素行业新一轮优胜劣汰势在必行，资源和市场的整合步伐也将加快。1.4 尿素的用途尿素可以做基肥、追肥、种肥和叶面肥还应控制用量。尿素又可作为牛羊等反刍动物的蛋白质辅助饲料，可以使肉奶增产。尿素在工业上的用途也很广泛，尿素产量的10用作工业原料。尿素的主要工业用途是作为高聚物合成材料。工业尿索的总消耗量约一半是作为尿素甲醛树脂和三聚氰胺甲醛树脂的原料，用作塑料、喷漆、粘合剂。尿素还作为多种用途的添加剂，如用于油墨颜料、粘结剂(液化剂)、炸药(稳定剂)、染料(助剂)、纺织(处理剂、软化剂)，选矿(起泡剂)，炼油(脱蜡剂)，林业(木材处理剂)等各种工业部门中。尿素还用于医药(如苯巴比妥、镇静剂、止痛剂、洁齿剂等)和试剂生产中。尿素还可以用来净化汽车的尾气。从尿素中得到的一种化学制品可以减少柴油发动机排放的氮氧化物达80%。尿素还是一种理想的杀虫“农药”，还能用于防病，还有疏花的作用。1.5 几种尿素生产工艺特点简介尿素生产工艺国内外很多，然而具备上述特点并为世界尿素工业界公认为较先进的仍属于三大尿素专利公司的工艺技术，先将其特点分别简介并比较如下：1.5.1 Snamprogetti公司的氨自身气提工艺我国在80年代中引进了此工艺，它的主要特点：在高压合成圈内，溶液中的NH3/CO2分子比高达3.43.6，溶液的腐蚀性大大降低，钝化用空气最少，惰性气洗涤排放无燃烧爆炸之余，且氨及CO2损失少，CO2合成转化率高。故障短期停车23天，设备无需排液。分解回收系统设置中压段，提高运转负荷变化的适应能力，中压甲铵冷凝热可以合理利用于蒸发，节省蒸汽消耗。环境污染改善，中低压排放惰性气量少，蒸发冷凝液可经深度水解回收利用，废气粉尘少。主要设备水平布置，革去了垂体布置的高框架，节省投资、便于维修。钛材造气塔，耐高温气提的腐蚀，而且当生产负荷降至30%40%时，亦能正常运转。15.2 TEC-MTC公司的ACES工艺ACES法工艺合成的NH3/CO2比高达4.04.1，故合成CO2一次转化率高达68%；设备耐腐蚀性亦大为改善。ACES法亦设置中压段及工艺冷凝处理装置，排放的废水废气符合环保标准，短期停车2天内不需排液，这些方面与氨气提法雷同，不赘述，将其余特点阐述如下：能量利用更为合理。输入界压的高压蒸汽首先用于蒸汽透平作动力，从中抽取中压蒸汽用作汽提塔热源；高压分解的甲铵冷凝热一部分用于副产低压蒸汽作为下游设备热源，另一部分用于加热分离中压尿液中未反应物；再利用中压甲铵热作为尿液蒸发的热量。高压蒸汽一次作功，三次逐级反复利用热量，且后2次均为物料间直接传递热量，较为合理。特殊结构的气提塔。因进塔溶液的NH3/CO2比甚高，故在降膜气提管之上添置了板塔板进行绝热等压气提。特殊的结构材料。采取双相合金钢DP-12管材及R-5板材制作气提塔，高压甲铵冷凝器和中压分解塔。多年使用结果令人满意，亦可实现40%低负荷正常运转。双相合金钢价格比2RE-69不锈钢、钛材、钴材均低。TEC开发建立起以ACES工艺为基础的运转支持系统，有培训模拟系统：可培训开停车操作；事故处理，矫正误动作的操作，熟练DCS,与现场操作协调的训练。运转遥控系统：给操作人员提供实际的开工程序信息，指导正常条件下的运转。故障识别系统：提供故障设备的诊断结论信息、发生故障的原因。1.5.3 Stamicarbon公司的CO2气提工艺CO2气提工艺我国引进10多年，引进了14套大型装置，国产化2套中型装置，因此对此工艺的特点，众所周知。例如：高压合成圈的NH3/CO2分子比、温度、压力是所有气提工艺中最低的，而气提效率最高；由于出气提塔的尿液中未反应物含量甚低，故不再设置中压段，而设低压段和真空闪蒸槽；蒸发尿液所需热源全部来源于副产的低压蒸汽；高压合成圈主要设备呈垂直重叠布置，使溶液藉重力流动等。80年代以来该法又有了如下改进：CO2气提法为克服洗涤和排放惰性气时燃烧或爆炸的隐患，在原料中加入钝化空气，压缩后再用铂触媒脱除气体中的H2。高压洗涤器顶部改为大体积球形结构，一旦气体爆炸时，有足够空间缓冲，以免损坏设备。添设工艺冷凝液深度水解系统，以消除环境污染。喷淋成粒塔添设加晶种装置，在塔上部熔融尿素液滴喷洒区域内形成微米级晶种云层，促使尿素结晶从层状改型为交叉重叠型，提高了尿素丸粒的强度。尽量利用低位能热量，进行直接传递，降低了能耗。如CO2催化脱H2的热量利用。1.6 CO2气提工艺和NH3气提工艺的比较1.6.1 工艺方面工艺流程的比较：CO2气提工艺比NH3气提工艺要简单得多主要体现在CO2气提塔出口溶液只需要经历一个低压分压工段即可基本回收未转化的CO2和NH3，而NH3气提法除了采用低压循环外，还增加了中压循环，因为NH3气提塔出口溶液中的NH3含量较高。如果NH3气提法也只有一个低压分解工段，就必须添加大量的水回收NH3,这必然会导致整个系统的水平衡失调，以及进合成塔的H2O/CO2比值过高。从而降低CO2转化率，能耗也随之升高。转化率的比较：当温度、压力等工艺条件确定以后，NH3/CO2比值便是转化率高低的决定性因素。虽然NH3气提工艺中CO2转化率较高，但NH3的转化率比CO2气提工艺低32%，这是由于较高的NH3/CO2比值造成的。从气提后液相组成上看，CO2气提效果优于NH3气提。安全性比较：几乎所有采用不锈钢材料的合成系统都借助空气防腐，CO2气提工艺的加氧量占CO2原料气的0.6%，气提工艺占0.35%0.45%。为彻底消除爆炸隐患，Stamicarbon公司设计了新型的球型洗涤器并配备了CO2气的脱氢装置，在脱氢反应器中CO2气体中的H2，CO与O2在铂催化剂作用下分别生成H2O和CO2,使尿素装置的安全性从根本上得到了保障。1.6.2 装置运行情况CO2气提法流程简短，设备布置紧凑，特别是整个高压圈物料在重力作用下循环，易于操作，这是CO2气提装置的运转情况略好于NH3气提的主要原因。从目前2套系统的整体运行情况上看，无论是运转率还是生产能力利用率，CO2气提工艺要高于NH3气提装置。1.6.3 设备腐蚀从国外的2种工艺所使用的设备寿命上看，CO2气提法要高于NH3气提法。此外，近年来Stamicarbon公司开发出的新型不锈钢，无论在其机械强度、抗应力腐蚀性能，甲铵溶液中的耐腐蚀性及焊接性能均优于316L和25-22-2型材质，并且改进后的CO2气提工艺把高压冷凝器由立式该为卧式，基本消除了CL-所造成的应力腐蚀。1.6.4 投资效益由于NH3气提法的工艺比CO2气提法工艺较长，多出一套中压循环系统，在设备投资上相应增加，但在土建投资上CO2气提法的框架较高投资较大，从运行成本上比较，由于NH3气提法的设备台数多，维修复杂，操作员工也较多，因此工资福利及维修费用2部分在年总成本中所占比例较大，在总成本的长期借款部分，NH3气提法的还贷成本要高于CO2气提法。所以，从经济角度上看CO2气提法工艺占有优势。近年来，Stamicarbon公司经过10余年的研发，在工艺布置、设备结构及铸造等方面均作了重大改进，并推出了2000-TM尿素生产工艺使得原材料消耗近似于理论值，并提高了合成转化率，使框架高度由52m降至26m，投资较低10%，大大简化了工艺流程，其最主要的改进措施是将尿素合成塔和甲铵冷凝器合并成一个高压容器-池式反应器。在市场竞争中所处的优势地位使得NH3气提工艺近年来几乎没有明显的进步，其最大的改进是气提塔列管用衬鈷双金属不锈钢替代钛材。可以说，在技术进步这个环节上NH3气提工艺已经落后了。1.7 选取工艺及理由水溶液全循环法工艺较为成熟，在我国得到快速的发展，除了具有吨尿素投资省、材料易得，国内能成套制造外，更为重要的是中国尿素工作者对该法进行了技术创新，如采用预分离预精馏工艺，一吸塔外加外冷器等，使原装置产能大幅度提高，消耗大幅度下降，成为具有新内涵改进型的水溶液全循。结合本次设计综合考虑选用该工艺6。1.8 尿素工艺流程简图图1.1 尿素生产流程简图水溶液全循环法尿素生产工艺改造技术，其特征在于经CO2压缩机压缩至220kg/cm2、125的CO2气体，从合成塔底部加入原料氨经液氨过滤器过滤，进入液氨缓冲槽，来自氨冷凝器的循环液氨进从液氨缓冲槽，其中一部分与原料液氨混合后，经液氨泵加压200kg/cm2后送往液氨预热器进行预热，然后送至合成塔底部，在220kg/cm2压力,t=190条件下在合成塔内进行尿素合成反应，反应物自塔顶经减压阀减压至18kg/cm2，排至预分离器，进行分离，液相由塔底流出，经一段分解加热器，由123.4加热至160，然后进入一段分解分离器，气相由塔顶出去返回重复利用，液相由塔底流出再次经减压阀，进入二段分解塔，在4 kg/cm2， 120-150条件下进行二次分离。此设有二段分解加热器，操作条件是4 kg/cm2，150对液相进行加热。气相由塔顶出去返回重复利用，液相由塔底流出至下一工序。四川理工学院毕业设计(论文) 物料衡算 2 物料衡算2.1 计算基准 成品规格以一吨成品尿素为基准3 粒状尿素成品规格为： 含氮量 46%（折合成尿素98.7%） 缩二脲 0.9% 水份 0.3% 其他杂质 0.1% 原料消耗定额 年产67103t尿素通用设计采用的原料消耗定额为 NH3 580 kg/t成品尿素 CO2 785kg/t成品尿素2.2 合成塔物料衡算2.2.1 衡算条件进合成塔 NH3/CO2=4.1 （摩尔比）H2O/CO2=0.65 （摩尔比）合成塔操作条件 压力P=21.58MPa（表压） 温度T=190尿素合成率 63%液氨纯度为99.8%2.2.2 CO2气组成743.37kg 或 17.0003 kmol其中 CO2:735.06kg 或 16.71 kmolO2: 2.89 kg 或 0.09 kmolN2: 5.14 kg 或 0.1847 kmolH2O: 0.28 kg 或 0.0156 kmol2.2.3 甲铵液组分物料量溶液中CO2含量 未转化为尿素的CO2量为16.7937/63=9.861 kmol 或 433.87 kg除去由气相进入只CO2即为氨基甲酸铵溶液之中CO2量，即为：16.79+9.8=26.65 kmol 或 1172.6 kg除去由气相进入只CO21172.69-735.06=437.63 kg26.65-16.71=9.94 kmol 溶液中的氨量： 甲铵液中NH3/CO2=3.1 NH3：3.19.94=30.814 kmol 或 523.838 kg 溶液中的H2O量： 合成塔内H2O/CO2=0.65 （摩尔比） H2O： 26.650.65-0.0156=17.306kmol或311.508kg 溶液中的尿素： 由计算条件知为2.5 kg或0.042 kmol2.2.4 原料液NH3量高压氨泵漏损11.69 kg4NH3 ： 580-11.69=568.31 kg或33.43 kmol2.2.5 循环液NH3 NH3/CO2=4.1(摩尔比) 进塔总NH3量为 ： 4.126.65=109.265kmol或1857.505 kg返回氨量： 109.265-34.43-30.81=45.025 kmol或765.425 kg2.2.6 尿素生成量 1007.54+2.5=1010.04 kg或16.832 kmol2.2.7 甲氨生成量设未转化为尿素的CO2均以甲铵的形态出塔即为9.86 kmol或9.8678=769.08 kg其中：CO2 ：9.86 kmol或433.84 kg NH3 ：29.86=19.72 kmol或355.24 kg2.2.8 过量NH3生成尿素耗NH3： 16.792=33.58 kmol或570.86 kg 过量NH3为 109.265-33.58-19.72=55.965 kmol或951.405kg2.2.9 生成H2O量原料及甲铵带入水分及尿素反应生成水之和： 0.0156+17.3045+16.79=34.111 kmol 或613.998kg N2 和O2 量无变化同入口量 2.2.10 合成系统物料衡算表表2.1 合成系统物料平衡 以每吨成品尿素为基准序号输入物料kgkmol序号输出物料kgkmol1原料CO2气743.3717.00031反应后混合物3352.6136.762其中：CO2735.0616.712其中： 尿素1010.0416.8323O22.890.093甲铵溶液769.089.864N25.140.18474CO2NH3443.849.865H2O0.280.01565355.2419.726原料液氨568.3133.436NH3951.40555.9657循环液氨765.42540.0257H2O613.99834.1118甲铵溶液1275.5058.09658O22.890.099其中：NH3523.83830.8149N25.140.184710CO2437.639.9411H2O311.50817.30612尿素2.50.042总计3352.61485518总计3352.6136.762.3 预分离器的物料衡算2.3.1 衡算条件总的甲铵分解率为 88%总的氨过量蒸出率 90%预分离器的甲氨分解率 15%预分离器的出口气相水分含量 4.65%（摩尔比）一段分解分离器出口气相水分含量 17%2.3.2 预分离器的出口气体组成CO2： 9.860.15=1.479 kmol或65.076 kg由过量氨蒸出：NH3： 55.970.66=36.94 kmol或627.98 kg由甲铵分解： NH3 ：1.482=2.96kmol或50.32kg共计 36.94+2.96=39.90 kmol或678.3 kg气体中的H2O： 除水以外气相中其他组分：1.48+39.90+0.09+0. 18=41.65 kmol 故水量为： 41.654.65/（100-4.65）=2.0312 kmol或36.562kg 惰性气体： O2 ：0.09 kmol或2.88 kg N2 ：0. 18 kmol或5.04 kg2.3.3 预分离器出口溶液组成 溶液中的CO29.86-1.48=8.38 kmol或368.72 kg溶液中的NH3 （55.97+19.72）-39.9=35.79 kmol或608.43kg溶液中的H2O34.11-2.04=32.07 kmol或577.26kg溶液中的尿素为16.832 kmol或1010.04 kg2.3.4 预分离器物料衡算表表2.2 预分离器物料平衡 以每吨成品尿素为基准序号输入物料kgkmol序号输出物料kgkmol123456789反应混合物其中： 尿素甲铵溶液CO2NH3NH3H2OO2N23352.61010.04769.08433.84335.24951.4056013.9982.895.14136.7616.8329.869.8619.7255.96534.1110.090口气体其中：CO2NH3H2OO2N2出口溶液其中CO2NH3H2O尿素788.85865.076678.3036.5622.885.042564.45368.72608.43577.261010.0443.691.47939.902.03120.090.1893.078.3835.7932.0716.832总计3352.6136.76总计3352.6136.762.4 一段分解塔物料衡算2.4.1 出口气体组成气体中的CO29.8590.88-1.479=7.197kmol或316.67 kg 气体中的NH3过量氨蒸出： 55.970.9-36.94=13.433kmol或228.361kg由甲铵分解： 9.860.882=17.36 kmol或295.12 kg由一段分解塔分解出的氨：17.36-2.96=14.4kmol或244.8kg总氨量：13.433+14.4=27.833kmol或473.161 kg气体中的H2O： （7.2+27.83）17/（100-17）=7.175或129.147 kg2.4.2 一段分解塔出口溶液组成溶液中的CO2 ： 8.38-7.2=1.18 kmol或51.92kg溶液中的NH3 ：35.79-27.83=7.96kmol或135.32 kg溶液中的水：32.07-7.17=24.9kmol或448.2kg溶液中的尿素 ： 16.832 kmol或1010.04 kg2.4.3一段分解塔物料平衡表表2.3 一段分解塔物料平衡 以每吨成品尿素为基准序号输入物料kgkmol序号输出物料kgkmol12345出口溶液其中CO2NH3H2O 尿素2564.45368.72608.43577.261010.0493.078.3835.7932.0716.83212345 6789出口气体其中：CO2NH3H2O一段分解塔出口液其中CO2NH3H2O 尿素918.978316.67473.161129.1471645.4851.92135.32448.21010.0442.2057.19727.8337.17550.8721.187.9624.916.832总计2564.4593.07总计2564.4593.072.5 二段分解塔物料衡算2.5.1 衡算条件一段及二段分解系统总的甲氨分解率 98.2%一段及二段分解系统总的过量氨蒸出率 99.4%二段分解塔出口气体内含水 25%二段分解系统操作压力 0.3924MPa 二段分解系统温度 120-150 2.5.2 缩二脲的计算 缩二脲的生成反应 2（NH2）2CO NH2CONHCONH2 + NH3 260 103 17 x 6 y 反应消耗的尿素量 x=6260/103=6.99 kg或0.1165 kmol 放出NH3量y y=617/103=0.99 kg或0.058 kmol2.5.3 出口气体中的CO2 9.86.(0.982-0.88)=1.0057kmol或44.252kg气体中的NH3 由甲铵分解得氨 1.2=2 kmol或34 kg 加入缩合反应放出氨 5.26+2+0.058=7.318 kmol或124.406 kg2.5.3 出口气体中的H2O （1+6.801）25/（100-25）=2.773 kmol或49.914kg2.5.4 二段分解塔出口溶液组成溶液中的CO2： 1.18-1=0.18 kmol或7.92 kg溶液中的NH3 ： 7.96-（5.26+2）=0.7 kmol或11.9kg溶液中的水分 ： 24.9-2.77=22.13kmol或398.34kg溶液中的尿素 ： 1010.04-6.99=1003.05 kg或16.718 kmol 溶液中的缩二脲： 6 kg或0.058 kmol2.5.5 二段分解塔物料衡算表表2.4 二段分解塔物料衡算 以每吨成品尿素为基准序号输入物料kgkmol序号输出物料kgKmol12345塔出口液其中CO2NH3H2O 尿素1645.4851.92135.32448.21010.0450.871.187.9624.916.832123457891011出口气体其中：CO2NH3H2O二段分解塔出口液其中CO2NH3H2O 尿素缩二脲218.57244.252124.40649.9141427.7827.9211.9398.341003.056.0011.09671.00577.3182.77339.7860.180.722.1316.7180.058总计1645.4850.87总计1645.4850.87四川理工学院毕业设计(论文) 热量衡算 3 热量衡算3.1 计算基准CO2气 进口气压为21.680 MPa, T=125甲铵溶液 进口压力 21.680 MPa ，T=100尿素反应物 出口压力为 21.680 MPa ，T=1903.2 合成塔热量衡算3.2.1 CO2气体降温降压吸热H1由CO2T-S图查821.680MPa 125时， i=694.21 kJ/kg0.0981MPa 25时， i=727.67 kJ/kgH1=735.06（694.21-727.67）=-24595.108kJ3.2.2 当量NH3气化吸热H2由NH3 I-logP图查50.0981MPa 25时， i=1768.99 kJ/kg21.68MPa t时， i=I kJ/kgH2=568.31（I-1768.99）3.2.3 固体甲铵生成时反应热H31大气压时，25固体甲铵生成热为H=159166.92 kJ/kgH3=16.71159166.92=2659679.233kJ3.2.4 固体甲铵升温吸热H4由25升温至150时热焓增值21997.32kJ/kmolH4=-16.7121997.32=-367575.2172kJ3.2.5 固体甲铵熔融吸热H5H5循环甲铵液升温吸热尿素在150时生成热为20282.7kJ/kmolH5=-16.7120282.7 =-338923.917kJ3.2.6 循环甲铵升温吸热H6取固体甲铵比热为Cp=151.81 kJ/kmol.C取37.4%氨水比热5.02 kJ/kmol.CCp=0.611151.81/78+0.3895.02=3.142 kJ/kg.CH6=-1275.53.142(150-100)=-200381.05 kJ3.2.7 甲铵转化成尿素时吸热H7尿素在150C时的生成热为21830.04 kJ/kmol H7=-（16.832-0.042）21830.04=-366526.37 kJ3.2.8（H8+H9+H10+H15）反应熔融物升温吸热 尿素比热Cp=1.991 kJ/kg.C甲铵比热Cp=151.8/78=1.946 kJ/kg.C 60.7%氨水比热Cp=5.018kJ/kg.C Cp=1.9910.302+1.9460.23+5.0180.468=3.397kJ/kg.C（H8+H9+H10+H15）=3344.593.397(190-150)=-454462.8892 kJ3.2.9 循环氨升温吸热H11 NH3 21.680MPa（绝） 132.5时，i=1120.78 kJ/kg21.680MPa（绝） t时， i=I kJ/kgH11=765.44（I-1120.78）kJ3.2.10 循环液氨气化热H12 NH3在临界温度下气化时，其热效应为0H12=03.2.11 循环氨升温吸热H13 21.680MPa 132.5时， i=1120.78 kJ/kg 21.68MPa 150时， i=1246.24 kJ/kg H13=-765.44（1246.24-1120.78）=-96032.1kJ3.2.12 循环氨与水混合放热H14 氨水浓度为 60.7% 混合热为 397.29 kJ/kgNH3 氨水浓度为 37.4% 混合热为 656.57 kJ/kgNH3 H14=951.49397.29-656.57185.88=255974.23kJ H16惰性气体升温吸热 在21.68MPa 125时， i=280.19 kJ/kg 21.68MPa 190时， i=347. 11 kJ/kg H16=-8.12（347.11-280.19）=-543.39kJ3.2.13 合成塔热损失H17H17=-54616.92kJ/t尿素 合成塔热平衡 -24595.108+568.31（I-1768.99）+2659679.233-367575.2172-338923.917-200381.05 -366526.37 -454462.8892+765.44（I-1120.78）+0-96032.1+255974.23-543.39-54616.92=0I=638.22 kJ/kg 查据NH3 I-log