尿素化工厂合成设计.doc

尿素 水溶液全混法 3.1.1设计条件：(1)界区条件：设计年生产量10万吨尿素合成工艺(2)原料液氨：纯度99.5%(重量%)温度30含油量10ppm数量：3.5t/h压力：2.06Mpa(绝)(3)原料二氧化碳气体：纯度95.7%(体积，干基加防腐空气后)压力：0.1052Mpa(绝)含氧0.50.6%(体积，干基)温度：3540硫化物：0.15g/m3气体(气体状态数量：4.58t/h0.101Mpa，0)0.015g/m3(进尿素合成塔，气体状态，0.101Mpa,0)(4)蒸汽：质量：含氯离子0.5ppm温度：191压力：1.275Mpa(绝)数量：9.92t/h(6)冷却水：品质：氯离子0.5ppm(加缓冲剂后)压力：进界区0.588Mpa(绝)出界区0.294Mpa(绝)污垢系数：3.4410-4c.s/J温度进界区32，冬季不得低于20出界区038稳定性：70以下腐蚀性：70以下对碳钢不锈钢无腐蚀数量：1060t/h(7)脱盐水：质量：氯离子510-3g/l出界区：0.49Mpa(绝)稳定性：90以下温度：进界区，常温，出界区，-80压力：进界区0.49Mpa(绝)数量：13t/h(8)仪表空气：质量：无油，无水，无尘，无杂质露点：在最低压力下至少比环境温度低10压力：0.5880.785Mpa(绝)温度：环境温度数量:245m3/h(气体状态0.101Mpa，0)3.1.2产量及产品质量(1)产量：设计产量，日产尿素333吨(2)产品质量：符合GB244091国家农用尿素标准(3)消耗定额：以吨尿素为准，液氨：0.58吨，二氧化碳：0.785吨，冷却水：180吨3.2主要工艺控制指标3.2.1二氧化碳压缩机操作压力：操作温度：一段入口：0.1052Mpa(绝)一段入口：35五段出口：20.595Mpa(绝)五段出口：1253.2.2二氧化碳净化净化后二氧化碳气体含硫量0.015g/m3(气体状态，0.101Mpa，0)操作压力：1.01.08Mpa(绝)操作温度：403.2.3尿素合成塔操作压力:19.712Mpa(绝)操作温度:顶部，188；底部，184入塔物料：NH3/C02(摩尔比)4.1H2O/C02(摩尔比)0.650.7二氧化碳转化率64%3.2.4一段分解操作压力1.765Mpa(绝)操作温度1551603.2.5一段吸收操作压力1.765Mpa(绝)操作温度：塔顶50；塔底9095一段甲铵液组成：NH3/C02(摩尔比)3.121H2O/C02(摩尔比)1.9出塔气相C02量100ppm3.2.6惰气洗涤器操作温度：45，尾气含氧5%(体积%)3.2.7二段分解操作压力：0.2450.343Mpa(绝)操作温度1403.2.8二段吸收操作压力：0.2450.343Mpa(绝)操作温度403.2.9闪蒸槽操作压力：0.044Mpa(绝)操作温度951003.2.10一段蒸发操作压力：0.0270.033Mpa(绝)操作温度130出口尿液浓度9596%3.2.11二段蒸发操作压力：0.0033Mpa(绝)操作温度140出口尿液浓度99.5%3.2.12解吸操作压力：0.350.392Mpa(绝)操作温度：塔底液相143解吸废液含氧量0.07%(重量)3.3物料平衡计算3.3.1设计条件的确定3.3.1.1计算基准:以一吨尿素为基准.3.3.1.2成品规格:含氮量46%(折合尿素98.5%)(其中未含缩二脲含氮量)缩二脲1.0%水0.5%3.3.1.3每吨原料消耗定额为：NH3：580kgC02:785kg3.3.1.4每吨尿素成品损耗氨的量kg总损耗量：580-985217/60-10317/103=16.882kg3.3.1.5每吨尿素成品损耗二氧化碳的量：总损耗量：785-98544/60-10244/103=54.123kg3.3.1.6每吨成品尿素的损耗及其分配：以造粒粉尘形式损失：1.5kg一段甲铵泵泄露：0.009kg成品包装储运损失:1.0kg解析废液损失：3.588kg共计：6.102kg3.3.1.7水解消耗的尿素量及其分配：一段蒸发系统：4.5kg二段蒸发系统：1.5kg共计：6.0kg3.3.1.8循环尿素量：一段蒸发气体夹带尿素：4.779kg二段蒸发气体夹带尿素：3.421kg循环尿素量：4.779+3.421-3.588-0.009=4.598kgkg3.3.1.9缩二脲生成量及其分配：二段分解系统生成：6.0kg一段蒸发系统生成：1.0kg一段蒸发系统生成：2.0熔融尿素输送生成：1.0kg共计：10.0kg3.3.2二氧化碳压缩系统：3.3.2.1条件组成：C02：95.7%N2：3.8%02：0.5%气体含硫量忽略不计参数：P=0.1053Mpat=35Co3.3.2.2计算(1)进入二氧化碳压缩系统的干二氧化碳气体量C02：785kg或17.8409kmolN2：17.84093.819570.6920kmol或18.984kg02：17.84090.5=0.0892kmol或2.854kg干二氧化碳气体量：785+2.854+18.984=806.838kg或17.8409+0.0892+0.6920=18.6081kmol(2)二氧化碳气体带入水量H2O:18.60810.0056/(0.1053-0.0056)=1.045kmol或18.813kg(3)二氧化碳气体在压缩系统的损失量(干基)C02：48.069kg或1.0925kmolN2：1.09253.8/95.7=0.043kmol或1.215kg02：1.09250.5/95.7=0.0057kmol或0.183kg(4)压缩后的二氧化碳气体量(干基)C02：785-48.069=736.931kg或16.7484kmolN2：18.984-1.215=17.769kg或0.665kmol02：2.854-0.183=2.671kg或0.0835kmol计：757.371kg或17.4669kmol(5)压缩后二氧化碳气体含水量：40时，水蒸汽压力0.0074Mpa故气相含水量：17.46690.0074/(7.944-0.0074)=0.0162kmo或0.291kg(6)二氧化碳压缩机各段排出水量H2o:18.848-0.291=18.557kg或1.0308kmol3.3.3尿素合成塔3.3.3.1条件：(1)尿素合成塔原始物料组成：NH3/C02(摩尔比)=4.1H2O/C02=0.7(摩尔比)(2)操作条件：压力p=19.712Mpa温度t=188(3)C02转换率：64%(4)由一段吸收系统返回尿素合成塔的氨基甲酸铵溶液中的NH3/C02(摩尔比)=3.121，含循环尿素4.598kg3.3.3.2计算：(1)生成尿素的计算:每吨成品尿素含尿素：985kg损失尿素：6.102kg水解尿素;6.0kg生成缩二脲消耗尿素：10260/103=11.651kg尿素合成塔应生成尿素量：尿素：985+6.102+6+11.65=1008.752kg或16.8125kmol消耗氨：1008.752/60217=571.626kg或33.6251kmol消耗二氧化碳：1008.752/6044=739.752kg或16.8125kmol生成水：1008.752/6018=302.626kg或16.8126kmol(2)入塔原料二氧化碳气体由二氧化碳压缩系统物料平衡可知：C02：736.931kg或16.7484kmolN2：0.635kmol或17.769kg02：0.0835kmol或2.671kgH2O：0.291kg或0.0162kmol(3)入塔一段甲铵溶液C02：1008.75244/(600.64)-736.931=418.931kg或9.5212kmolH2O：1008.75218/(600.64)0.7-0.293=330.706kg或18.3725kmolNH3：418.9313.12117/44=505.164kg或29.7155kmol尿素：4.598kg或0.0766kmol(4)入塔液氨NH3：1008.7524.117/(600.64)-505.164=1325.826kg或77.9898kmol原料氨消耗定额：580kg液氨泵泄露氨：29.294kg故入塔原料液氨：580-29.294=550.706kg或32.3945kmol循环液氨：1325.826-550.706=775.12kg或45.5953kmol(5)出塔气液混合物尿素：1008.752+4.598=1013.35或16.8892C02：736.931+418.931-739.752=416.111kg或9.457kmolH2O：302.626+0.291+330.706=633.623kg或35.2013kmolNH3：1325.826+505.164-571.626=1259.364kg或74.0802kmolNH3：2.671kg或0.0835kmolN2：17.769kg或0.635kmol3.3.4一段分解系统3.3.4.1条件(1)一段分解条件：压力：1.765Mpa；温度：155160，取158(2)一段分解效率：甲铵分解率：87.66%；总氨蒸出率：88.67%(3)一段分解气含水量：6.26%(4)加入防腐空气2.0m3(标)3.3.4.2计算(1)加入防腐空气空气的摩尔标准体积按22.4L计，含氧量取20.81%，其余按氨计，空气含水量忽略不计。：20.2081/22.4=0.0186kmol或0.595kgN2：2(1-0.2081)/22.4=0.0707kmol或1.98kg(2)一段分解气：C02：416.110.8766=364.762kg或8.29kmolNH3：1259.3640.8867=1116.678kg或65.6869kmol02：2.671+0.595=3.266kg或0.1021kmolN2：17.769+1.9817.749kg或0.7053kmolH2O:(364.762+1116.678+3.266+19.749)6.26/(100-6.26)=100.534kg或5.5852kmol(3)一段分解系统出口尿液尿素：1013.35kg或16.8892kmolC02：416.11-364.72=51.348kg或1.167kmolNH3：1259.364-1116.678=142.686kg或8.3933kmolH2O：633.623-100.534=533.089kg或29.616kmol3.3.5二段分解系统3.3.5.1条件(1)二段分解条件：压力：0.294Mpa；温度：140(2)二段分解排出物料组成：溶液含氨0.7%(重量%)溶液含二氧化碳0.46%(重量%)气相含水26%(体积%)(3)二段分解系统生成缩二脲6kg3.3.5.2计算(1)生成缩二脲计算：消耗尿素：6260/103=6.99kg或0.1165kmol放出氨：617/103=0.99kg或0.0583kmol生成缩二脲：6kg或0.0583kmol(2)二段分解排出气体：设气相中含C02Xkg,NH3Ykg,H2O-Zkg据气液相组成列出算式：0046.0473.1740X-348.51=-ZYX(式3.1)007.0473.124099.0686.142=-+ZYXY(式3.2)7426174418=+YXZ(式3.3)联立得：X(C02)44.416kg或1.0095kmolY(NH3)133.127kg或7.831kmolZ(H2O)55.91kg或3.1061kmol(3)二段分解排出尿液尿素：1013.35-6.99=1006.36kg或16.7727kmolC02：51.348-44.416=6.932kg或0.1575kmolNH3：142.686+0.99-133.127=10.549kg或0.6205kmolH2O533.089-55.91=477.179kg26.5099kmol缩二脲：6kg或0.0583kmol3.3.6闪蒸槽3.3.6.1条件(1)闪蒸槽操作条件：压力;0.04Mpa温度：100(2)累计分解效率：甲铵分解率：99.1%过量氨蒸出率;99.85%(3)闪蒸槽出口溶液组成：尿素：水=71：29(重量比)3.3.6.2计算：尿素合成塔排出溶液总氨量1259.364kg，C02含量416.11kg，总过剩氨量：1259.364-416.1134/44=937.824kg(1)闪蒸槽排出尿液：尿素：1006.36kg或16.7727kmolC02：416.11(1-0.991)=3.745kg或0.0851kmolNH3：937.824(1-0.9985)+3.74534/44=4.301kg或0.253kmolH2O：1006.3629/71=411.048kg22.836kmol缩二脲：6kg或0.0583kmol(2)闪蒸槽排出气体C02：6.932-3.745=3.187kg或0.0724kmolNH3：10.549-4.301=6.248kg或0.3675kmolH2O：477.179-411.048=66.131kg3.6739kmol3.3.7一段蒸发器3.3.7.1条件：(1)一段蒸发器操作条件：压力0.033Mpa，温度130(2)一段蒸发器出口尿液组成：尿素：水=96：4(重量比)(3)一段蒸发气夹带尿素4.77kg，蒸发过程生成缩二脲1.0kg，水解尿素4.5kg3.3.7.2计算(1)水解尿素计算：消耗尿素：4.5kg或0.075kmol消耗水：4.518/60=1.35kg或0.075kmol生成C02：4.544/60=3.3kg或0.075kmol生成NH3：4.5217/60=2.55kg或0.15kmol(2)生成缩二脲计算：生成缩二脲：kg1或0.0097kmol生成NH3：117/103=0.165kg或0.0097kmol消耗尿素：1260/103=1.16kg5或0.0194kmol(3)一段蒸发器出口尿液：尿素：1006.36-4.7794.5-1.165=995.916kg或16.5986kmol水：995.9164/96=41.497kg或2.3054kmol缩二脲：6+1=7kg或0.068kmol(4)一段蒸发器出口气体尿素：4.779kg或0.0797kmolC02：3.745+3.3=7.045kg或0.1601kmolNH3：4.301+2.55+0.165=7.016kg或0.4127kmolH2O：411.048-1.35-41.497=368.201kg或20.4556kmol3.3.8二段蒸发器3.3.8.1条件(1)二段蒸发器操作条件：压力3.33Mpa，温度：140(2)二段蒸发汽夹带尿素3.421kg，蒸发过程水解尿素1.5kg，生成缩二脲2.0kg3.3.8.2计算(1)水解尿素计算：消耗尿素：1.5kg或0.025kmol消耗水：1.518/60=0.45kg或0.025kmol生成C02：1.544/60=1.1kg或0.025kmol生成NH3：1.5217/60=0.85kg或0.05kmol(2)生成缩二脲计算：生成缩二脲：2kg或0.019kmol生成NH3：217/103=0.33kg或0.019kmol4消耗尿素：2260/103=2.33kg或0.0388kmol(3)二段蒸发器出口熔融尿素造粒：熔融尿素含水5kg或0.2778kmol尿素：995.916-3.421-1.5-2.33=988.665kg或16.477kmol8缩二脲：7+2=9kg或0.0874kmol(4)二段蒸发器出口气体尿素：3.421kg或0.057kmolC02：1.1kg或0.025kmolNH3：0.85+0.33=1.18kg或0.069kmol4H2O：41.497-5-0.45=36.047kg或2.0026kmol3.3.9熔融尿素输送及造粒包装系统3.3.9.1条件(1)生成缩二脲1.0kg(2)造粒粉尘损失尿素1.5kg(3)成品包装储运损失尿素1.0kg(4)随露损尿素带走的水，缩二脲忽略不计。3.3.9.2计算：(1)生成缩二脲的计算：消耗尿素：1260/103=1.165kg或0.0194kmol(3)系统排放物料：氨：0.165kg或0.0097kmol尿素：1.5+1=2.5kg或0.04167kmol3.3.10一段蒸发冷凝器3.3.10.1条件(1)一段蒸发冷凝器操作条件：压力P=29.354kpa温度t=45(2)尾气带走物料：NH3：0.911kg；C02：0.073kg(3)冷凝过程中各组分的平衡压力为气相实际分压的90%3.3.10.2计算(1)未凝气计算45时水的饱和蒸汽压为9.852Mpa，冷凝液中，尿素含量不高，故符合稀溶液的依数性。冷凝液中水的摩尔数约为96%，则水蒸气实际分压：PH2O=9.8520.96/0.9=10.509Mpa据测定值，与溶液呈平衡的氨分压为7.503kpa，C02分压为0.247kpa故PNH3=7.503/0.9=8.337kpaPC02=0.247/0.9=0.274kpa漏入系统空气的分压为：P空气=29.354-10.509-8.337-0.274=10.234Mpa未凝气中水蒸气：H2O：(0.911/17+0.073/44)10.50918/(8.337+0.274)=1.214kg或0.0674kmol(2)一段蒸汽冷凝液C02：7.045+3.187-0.073=10.159kg或0.2309kmolNH3：7.016+6.248-0.911=12.353kg或0.726kmol尿素：4.779kg或0.0797kmol3.3.11二段蒸汽冷凝器3.3.11.1条件(1)二段蒸汽冷凝器操作条件：二段蒸汽冷凝器以液氨为冷却介质。压力考虑到气体流动的压降P=2.933kpa温度t=15(2)冷凝液NH3/C02=2.5(摩尔比，测定值)(3)因泄露进出系统的空气量不做计算(4)溶液中氨的体积摩尔浓度为1.5mol/L15时，水的饱和蒸汽压为1.7044Mpa，溶液水的摩尔浓度约为94%。(5)设各组分与溶液呈平衡的分压为实际气相分压的90%。3.3.11.2计算(1)未凝气的计算，据上述条件可求得各组分平衡分压为：NH3：0.89KpaC02：0.055KpaH2O：1.7040.94=1.602Kpa各组分气相实际分压为：PNH3=0.89/0.9=0.989KpaPH2O=1.602/0.9=1.78KpaPC02=0.055/0.9=0.061KpaP空气=2.933-.989-.061-1.78=0.103Kpa设气相中有C02：Xkg，NH3：Ykg989.0061.04417=YX(式3.4)()(5.21.11718.144=-XY(式3.5)联立解得;X(C02)0.022kg或0.0005kmolY(NH3)0.139kg或0.0082kmolH2O：(0.0005+0.0082)061.0989.01878.1+=0.26kg或0.0147kmol(2)二段蒸汽冷凝液尿素：3.421kg或0.057kmolC02：1.1-0.022=1.078kg或0.0245kmolNH3：1.18-0.139=1.041kg或0.0612kmolH2O：36.047-0.265=35.782kg或1.9879kmol3.3.12中间冷凝器3.3.12.1条件：(1)中间冷凝器操作条件：压力P=16kpa，温度t=40(2)进入中间冷凝器的喷射蒸汽：二段蒸发喷射器的喷射蒸汽用量22.234tUr(3)据测定数据，冷凝液中NH3/C02=3(摩尔比)(4)与冷凝液成平衡的C02气相分压极低，故设C02全部冷凝(5)因泄露进出系统的空气量不做计算3.3.12.2计算(1)未凝气计算当设气相中二氧化碳全冷凝时，溶液中氨的体积摩尔浓度约为0.07mol/L，据测定值氨的平衡分压为3.443Kpa。40时，水的饱和蒸汽压为7.375Kpa。设各组平衡分压为实际分压的90%气相各组分分压为：PNH3=3.443/0.9=3.826KpaPH2O=7.375/0.9=8.194KpaP空气=16-3.826-8.194=3.98Kpa未凝气中NH3：0.139-0.022317/44=0.114kg或0.0067kmolH2O：0.0067826.3194.818=0.258kg或0.0143kmol(2)中间冷凝液C02：0.022kg或0.0005kmolNH3：0.139-0.114=0.025kg或0.00154kmolH2O：0.265+22.234-0.258=22.2417kg或1.2356kmol3.3.13系统水平衡及其分配3.3.13.1系统水平衡(1)解吸塔排走水量计算：进入系统水量：原料二氧化碳带入0.291kg或0.0162kmol喷射蒸汽22.234kg或1.2352kmol尿素合成塔生成302.626kg或16.8126kmol计325.153kg或18.064kmol系统排出水量：甲铵泵泄露1330.706/505.164=0.655kg或0.0364kmol一段蒸发水解尿素消耗1.35kg或0.075kmol二段蒸发水解尿素消耗0.45kg或0.025kmol成品尿素含水5kg或0.2778kmol一段蒸发冷凝器尾气带走1.214kg或0.0674kmol中间冷凝器尾气带走0.258或0.0143kmol尾气吸收塔尾气带走1.235kg或0.0712kmol解吸塔排走Xkg或X/18kmol计10.209+Xkg或0.5671+X/18kmol故解吸塔排出水：X=325.153-10.209=314.944kg或17.4969kmol(2)返回循环系统水量计算：一段吸收塔排出水量，忽略气相夹带水量返回尿素合成塔水量：330.704kg或18.3724kmol甲铵泵泄露0.655kg或0.0364kmol计331.359kg或18.4088kmol返回吸收系统水量：一段分解气含水：100.534kg或5.5852kmol二段分解气含水：55.91kg或3.1061kmol由蒸发冷凝液补回水：Xkg或X/18kmol计156.444+Xkg或8.6913+X/18kmol故由蒸发冷凝液补回水：X=331.359-156.444=174.915kg或9.7175kmol3.3.13.2蒸发冷凝液的分配二段蒸发冷凝液组成C02：1.078kg或0.0245kmolNH3：1.041kg或0.0612kmolH2O：35.782kg或1.9879kmol尿素：3.421kg或0.057kmol合计41.322kg或2.1306kmol一段蒸发冷凝液与中间冷凝液混合后，部分去尾气吸收塔，部分返回吸收系统，其组成为：C02：10.159+0.022=10.181kg或0.2314kmolNH3：12.353+0.025=12.378kg或0.728kmolH2O：433.118+22.241=455.359kg或25.2977kmol尿素：4.779kg或0.0797kmol合计：482.697kg或26.3369kmol二段蒸发冷凝液全部返回吸收系统，故由解吸气及一段蒸发冷凝液，中间冷凝液返回系统的水量为：174.915-35.782=139.133kg或7.7296kmol(1)解吸气计算进入尾气吸收塔的气氨量：21.763尾气吸收塔排走：C02：0.328kgNH3：1.668kgH2O：1.235kg设加入尾吸塔的水量为：Xkg则加入尾吸塔的蒸发冷凝组成为：C02：10.181X/1455.359kgNH3：12.378X/455.359kgH2O：Xkg尿素：4.729X/1455.359kg故进入解吸塔的碳铵液为：C02：10.181X/1455.359-0.328kgNH3：12.378X/1455.359-1.668+21.763kgH2O：X-1.235kgUr：4.779X/1455.359kg解吸塔排出溶液中含C02：0.35kgNH3：0.272kgH2O：314.944kg解吸气组成为：C02：692.0455.35910.181X35.0328.0359.1455181.10-=-NH3：823.19359.455378.12272.0763.2113668359.1455378.12+=-+-XH2O：X-1.235-314.944=X-316.179kg解吸气温度115，压力0.35Mpa,由图查得，解吸气含水量42%(重量%)故有5842823.19379.455378.12678.0359.455181.10179.316=+-XXX（式3.6）解得：X=341.830kg解吸气组成：C02：10.181341.830/455.359-0.692=6.964kg或0.1583kmolNH3：12.378341.830/455.359+19.823=29.11kg或1.7126kmolH2O：341.830-1.235-3.14.944=25.651kg或1.425kmol合计：61.725kg或3.3229kmol(2)进入尾气吸收塔的蒸发冷凝液;C02：10.181341.830/455.359=7.642kg或0.