年产20万吨水溶液全循环法制尿素中压系统的设计毕业论文设计

PAGE年产20万吨水溶液全循环法制尿素中压系统的设计UreaProductionProcessDesignofMediumSysteminAqueousSolutionTotalRecycle200kt/a目录摘要 IAbstract II引言 1第1章综述 21.1尿素的物理化学性质和用途 21.1.1尿素的物理性质 21.1.2尿素的化学性质 21.1.3尿素的用途 21.2尿素的发展史 31.3国外尿素技术市场简况 31.4尿素生产方法的简介 41.4.1水溶液全循环法 41.4.2二氧化碳气提法 5第2章水溶液全循环法工艺流程 72.1尿素的合成 72.2尿素的工艺流程 7第3章物料衡算 103.1物料衡算计算条件的确定 103.2一段分解系统的物料衡算 113.3二段分解系统的物料衡算 123.3一段吸收系统的物料衡算 13第4章热量衡算 164.1一段分解塔的热量衡算 164.1.1一段分解塔的工艺条件 164.1.2一段分解塔的热量计算 164.1.3一段分解塔热平衡表 174.2一段吸收塔的热量衡算 184.2.1一段吸收塔的工艺条件 184.2.2一段吸收塔的热量计算 184.2.2一段吸收塔平衡表 20第5章填料吸收塔的设计 215.1塔径的计算 215.2填料层高度的计算 235.2.1基础数据的计算 235.2.2气相传质单元数的计算 245.2.3气相传质单元高度的计算 255.3填料层压降的计算 265.4塔体厚度的计算 275.5辅助设备的选型 285.5.1液体分布装置 285.5.2液体再分布器 285.5.3填料支承板 285.5.4填料压板 28结论 30致谢 31参考文献 32附录 33附录A:尿素生产中压系统工艺流程图 33附录B:填料吸收塔设备图 33PAGEII年产20万吨水溶液全循环法制尿素中压系统的设计摘要：尿素是一种重要的化学肥料和工业原料，在世界范围内广泛使用。自从1922年尿素开始工业化生产以来，许多国家都致力于尿素生产系统的研究，在合成机理、热力学性质和工艺流程方面都有创新和进展。尿素生产工艺是典型的化工生产工艺之一。目前尿素的生产工艺主要有水溶液全循环法，二氧化碳气提法，氨气气提法。由于气提法技术还有很多限制，因此选择技术比较成熟的水溶液全循环法。本文介绍了水溶液全循环法制尿素中压系统的基本概况，从尿素生产的热力学参数入手，对中压系统流程进行研究设计，以帮助指导尿素工业生产。设计的主要内容有：（1）阐述了前人对尿素生成的研究概况，分析了现存工艺流程的优缺点，在成型热力学参数的基础上，建立了合适的工艺流程；（2）根据选择的工艺流程，以尿素生产和消耗为目标，对整个流程进行了物料衡算和热量衡算。同时对生产系统的关键性设备进行了设计和选型；（3）根据设计数据，运用AutoCAD绘制了工艺流程图和主要设备装置图。关键词：水溶液全循环物料衡算热量衡算设备选型Ureaproductionprocessdesignofmediumsysteminaqueoussolutiontotalrecycle200kt/aAbstract：Ureaisoneoftheimportantnitrogen-basedfertilizersandindustrialrawmaterials,whichiswidelyusedaroundtheworld.Sinceitsproductionwasindustrializedin1922,ureaprocesshasattractedmuchresearchfromdifferentcountry.Innovationandachievementhasbeenmadeinthesynthesismechanism,thermodynamicpropertyandprocessflow.Theureaproductionprocessisoneofthetypicalchemicalproductionprocesses.TodaytheworldproductionprocessofUreaaretotalrecycleoftheaqueoussolution,carbondioxidestrippingprocess,andammoniastrippingprocess.Therearemanyrestrictionsinstrippingtechnology,soweselectthetechnologyoftotalrecycleoftheaqueoussolution,whichisrelativelymature.Thisarticledescribesthebasicprofilesoftheureaproductionprocess,theaqueoussolutionofthefullcycleofureaproductionprocessandcharacteristics.Thisworkisstartedwiththethermodynamicparametersoftheureaproduction,thentheprocessflowchartingisresearched.Soureaproductionprocessisdevelopedinordertoguidetheproduction.Themaincontentofthispaperareasfollows:(1)urea-generatedprofiles,whichwaspresentedbyformer,issummarizedtheadvantagesanddisadvantagesoftheexistingprocess,establishingasuitableprocessformingbasedonthethermodynamicparameters;(2)Accordingtothechosenprocess,intheneedofincreasingyieldanddecreasingenergycost,wecalculatematerialbalanceandheatbalanceoftheentireprocess.Also,thekeyequipmentsoftheproductionsystemdesignandselect;(3)Accordingtothedesigndata,weuseAutoCADtodrawprocessflowdiagrams,andmajorequipmentinstallation.Keywords：circulationoftheaqueoussolution;materialbalance;heatbalance;equipmentselectionPAGE31引言尿素的化学名称为碳酰二胺，分子式为CO(NH2)2，分子量为60.06，含氮量为46.65%。纯尿素为无色、无味、无臭的针状或棱柱状结晶体。其用途广泛，不仅是一种用于农业生产的氮肥，而且是工业中常用的化工原料。目前国外工艺主要有斯塔米卡邦(STAMICARBON)CO2气提工艺，斯那姆氨气提工艺和东洋工程公司的改良ACES工艺。而国内公艺主要包括水溶液半循环法，水溶液全循环法，气提法。相对于国外工艺水溶液全循环法比较落后，但该工艺充分分析国内外现有尿素生产技术的各项优势，运用成熟高效的技术成果，抓住节能、节资的关键，优化工艺、优选设备显现了节能节资的优势。提高一甲液的浓度，尾气采用精洗降低消耗并避免尾气爆炸，运用多级蒸发系统，合理使用热量，充分回收低位能，降低消耗和投资，在各中、小尿素厂得到不同程度的应用其增产、节能效果均达到预期设计目标。本设计目的和意义在于了解合成尿素在国内外的发展现状，以及国内外尿素企业采用的工艺，了解各种工艺的优缺点，并结合实际情况对合成尿素车间进行合理的设计。掌握以液氨为原料，用水溶液全循环法合成尿素的工艺，及工艺条件的选择，使尿素的质量达到国家的标准，满足工业和农业的使用要求，实现纯粹的无色、无味、无臭的国家优等产品。第1章综述1.1尿素的物理化学性质和用途1.1.1尿素的物理性质尿素的化学名称为碳酰二胺，分子式为CO(NH2)2，分子量为60.06，含氮量为46.65%。纯尿素为无色、无味、无臭的针状或棱柱状结晶体。工业尿素因含有杂质而呈白色或浅黄色，工业或农业品为白色略带微红色固体颗粒，密度1.335g/cm3，熔点132.7℃，超过熔点则分解。尿素较易吸湿，贮存要注意防潮。尿素易溶于水和液氨，其溶解度随温度升高而增大。1.1.2尿素的化学性质尿素呈微碱性，可与酸作用生成盐。但尿素不能使一般指示剂变色。在酸性或中性溶液中尿素有水解作用，但在60℃以下，尿素不发生水解作用。随着温度的升高，水解速度加快，水解程度也增大。尿素在高温下可进行缩合反应，生成缩二脲、缩三脲和三聚氰酸。在氨水等碱性催化剂作用下能与甲醛反应，缩聚成脲醛树脂[1]。1.1.3尿素的用途尿素的主要用途：作化肥用、作饲料用、其它工业用[2]。化肥作用尿素是一种高浓度氮肥，属中性速效肥料，也可用来生产多种复合肥料。在土壤中不残留任何有害物质，长期施用没有不良影响，但在造粒中温度过高会产生少量缩二脲，又称双缩脲，对作物有抑制作用。我国规定肥料用尿素缩二脲含量应小于0.5%。缩二脲含量超过1%时，不能做种肥，苗肥和叶面肥，其他施用期的尿素含量也不宜过多或过于集中。尿素是有机态氮肥，经过土壤中的脲酶作用，水解成碳酸铵或碳酸氢铵后，才能被作物吸收利用。因此，尿素要在作物的需肥期前4~8天施用。尿素是目前使用的含氮量最高的化肥。尿素属中性速效肥料，长期施用不会使土壤发生板结。其分解释放出的CO2也可被作物吸收，促进植物的光合作用。在土壤中，尿素能增进磷、钾、镁和钙的有效性，且施入土壤后无残存废物。作饲料用尿素中氮虽不是蛋白质形态的，但和碳水化合物一起经过胃液长时间作用，可以造成蛋白质形态氮，故可以作为反雏动物的饲料。其它作用目前，据不完全统计，全世界尿素作工业原料在总产量中占很大比重。主要有脲醛树脂、塑料、油漆、和胶黏剂，尿素的缩合物三聚氰胺是一种较好的涂料。尿素还可以用作巴比妥、洁齿剂和利尿剂等药物的原料。此外，尿素可以用作石油精制剂、纤维软化剂、炸药稳定剂等。1.2尿素的发展史1773年，Roselle首先在尿液中发现了尿素。1828年，Wohler将氨和氰酸合成为尿素，开辟了以无机物合成有机物的先河。20世纪30年代，世界上首先以一次通过法实现尿素的工业化生产。40年代中，改进为部分循环法工艺；50年代末，实现水溶液全循环法工艺的工业化生产。之后，陆续出现各种水溶液全循环法工艺。60年代期间，建立起日产1000吨以上的单系列大型化装置。1967年，荷兰Snamprogetti工程公司率先开发成功高压等压气提工艺，以CO2气作为气提剂在日产220吨装置上实现了工业化上产。随之意大利Snamprogetti工程公司开发成功氨气提工艺，日产300吨装置投入生产，CO2气提法工艺在1968年、氨气提工艺在1971年分别建成1000吨/天以上单系列大型化装置。80年代初，为了进一步降低能耗，又推出了多种节能型高压气提工艺，如改良CO2气提工艺，改良氨自身气提工艺，意大利MontEdison公司开发的IDR(IsobaricDoubleRecycle)工艺，日本ToyoEngineeringCorp.与MitsuiToatsuChemicalsInc.联合开发的ACES(AdvancedProcessforCostandEnergySaving)工艺等。以尿素生产工艺的发展历史而言，实现全循环是一次工艺技术的飞跃；它割掉了尾气氨加工制造其他氮肥的硕大尾巴；而实现高压合成圈等压气提回收则是尿素工艺技术的又一次飞跃，在高压圈内回收了大量的未反应物，从而大幅度减轻下游分解及回收的负荷，而且回收了用于分离未反应物所耗的热量，用来副产低压蒸汽以用于下游工序，至于节能型尿素工艺的问世，只能视为尿素气提工艺经过十几年实践经验的积累，作出了较为重大的合理化改造，使氨基甲酸铵生成热更合理的回收利用，较大幅度地降低能耗，工艺技术更趋成熟，装置运转稳定可靠。1.3国外尿素技术市场简况目前在世界尿素工业界认为较先进的是三大尿素专利公司的技术，它们是Snamprogetti公司的氨自身气提工艺、TEC-MTC公司的ACES工艺、Stamicarbon公司的气提工艺。到目前为止，全世界已建成及在建的尿素装置总数达450套，总生产能力为301800吨/天。其中采用三大尿素专利公司的工艺技术建造的有348套，总生产能力占世界总能力的90%，采用最多的Stamicarbon公司工艺，有196套，总生产能力占全世界的44.4%；其次为Snamprogetti公司工艺，有68套，总生产能力占25.6%；再次之是TEC-MTC公司的ACES工艺，有84套，总生产能力占20.1%。我国已建及在建的尿素生产装置共110套，总生产能力为58680吨/天，占世界总生产能力的20%。国内尿素装置采用的工艺技术除我国自行研发的水溶液全循环法外，世界上的主要工艺也均引进。我国自20世纪70年代开始引进CO2气提法工艺的大型装置，目前共有15套大型装置（全套引进或合作设计、采购），6套中型装置以及2套小型装置（均为国内自行设计、自行制造设备）。在110套装置中30套大、中型装置采用国外工艺，总生产能力为39880吨/天，占全国总生产能力68%[3,4]。1.4尿素生产方法的简介按未反应物的循环利用程度，尿素生产方法可分为不循环法、半循环法和全循环法三种。依气提介质的不同，分别称为二氧化碳气提法、氨气提法、变换气气提法。依照分离回收方法的不同主要分为水溶液全循环法、气提法等。按气提气体的不同又可分为二氧化碳气提法、氨气提法、变换气气提法。1.4.1水溶液全循环法20世纪60年代以来，全循环法在工业上获得普遍采用。全循环法是将未转化成尿素的氨和二氧化碳经减压加热和分离后。全部返回合成系统循环利用，原料氨利用率达97%以上。全循环法尿素生产主要包括四个基本过程：(1)二氧化碳的压缩；(2)氨输送和尿素合成；(3)循环回收；(4)尿素溶液的加工。我国尿素厂多数采用水溶液全循环法。水溶液全循环尿素工艺生产装置的静止高压设备较少，只有尿素合成塔及液氨预热器为高压设备，其它均为中压和低压设备，所以该尿素工艺生产装置的技术改造比较容易、方便，改造增产潜力较大。氨碳比控制的较高，一般摩尔比为4.0左右，工艺介质对生产装置的腐蚀性较低，由于氨碳比控制的较高，二氧化碳气体中氧含量控制的较低，并且尿素合成塔操作压力为19.6MPa，操作温度为188~190℃，所以水溶液全循环生产尿素工艺中二氧化碳转化率较高，一般能达到42%-68%，经过尿素合成塔塔板的改造，有的企业已经达到68%以上。由于该工艺高压设备较少，高压系统停车保压时间可以达到24h，所以生产装置的中小检修一般可以在尿素合成塔允许的停车保压时间内完成，减少了高压系统排放的次数，降低了尿素的消耗。由于氨碳比控制的较高，中低压分解系统温度控制适当，尿素产品质量较容易控制，一般可以控制在优级品范围内。水溶液全循环尿素工艺可靠、设备材料要求不高、投资较低。但也存在不足：水溶液全循环尿素工艺生产装置的工艺流程较长，在操作调节方面不如CO2气提法生产尿素工艺简单、方便。由于氨碳摩尔比控制得较高，一般稳定在4.0左右，并且未反应生成尿素的氨和二氧化碳气体全部要经过低压、中压循环吸收系统回收后再返回到尿素合成塔，液氨泵和一段甲铵泵的输送量比较多，所以该工艺中液氨泵和一段甲铵泵的台数较多，动力消耗较多。由于该工艺高压系统的操作压力高达19.6MPa，并且一段甲铵液的工艺要求温度高达90℃左右，所以一段甲铵泵和液氨泵的运行周期较短、检修维护时间较多、维修费用较高。二氧化碳气体压缩机由于出口压力高达20.0MPa，比CO2汽提法高5.0MPa，故其运行周期也相对较短、维修工作量较多、维修费用较高。水溶液全循环尿素工艺的另一个缺点就是，目前国内在运行的生产装置大多为年产()×104t/a(经过改造后的生产能力)，也有个别厂家经过双尿素合成塔改造后达到了年产30~10吨，最近山东化工规划设计院也设计了年产30~40万吨尿素的水溶液全循环法生产尿素的装置，但从单套装置的设计生产能力来说，相对于CO2气提法生产尿素工艺的装置还相差较远[5,6]。1.4.2二氧化碳气提法二氧化碳气提法就是把合成塔排出的合成反应液，在合成压力和较高温度下在“汽提塔”内与气提气（氨、二氧化碳或惰性气体）逆流相遇，将氨和二氧化碳从尿液中分解出来，然后将气体导入一个“高压甲铵冷凝器”内，与新鲜氨化合并冷凝为甲铵液，放出的热量用于副产蒸汽。CO2气提法尿素工艺生产装置的工艺流程较短，在操作调节方面比较简单、方便。能耗低、生产费用低。该工艺的特点是采用共沸物下的CO(NH2)2摩尔比为2.89作为操作控制最佳指标进行操作，大部分未反应生成尿素的氨和二氧化碳在高压系统内循环继续反应生成尿素，只有较少部分的氨和二氧化碳需要在低压部分进行回收，液氨泵和甲铵泵的输送量比较少，所以该装置中液氨泵和甲铵泵的台数较少，动力消耗较少，并且该工艺高压系统的操作压力较低，为13.5~14.5MPa，使液氨泵和甲铵泵的运行周期较长，维修费用较少。该工艺能够回收较高品位的甲按反应热，除本系统加热使用外还可剩余少部分富裕低压蒸汽供外系统使用。CO2气提法尿素的另一个优点就是，生产装置的生产能力的范围较宽，运行都很正常稳定。并且荷兰斯塔米卡邦公司最近几年又对该工艺进行了大量研究工作，开发出了单套装置年产100×100t/a尿素的尿素池式冷凝器技术。与传统高压甲铵冷凝器不同的是，池式冷凝器可提供一定的停留时间，使甲铵生成尿素的反应在此可达到反应平衡的60%~80%，使生产装置产能在原设计能力的基础上翻一番，并且尿素主框架高度降到40m以下，使操作更加方便、动力消耗又有所降低。CO2气提法也存在缺点：生产尿素工艺装置的静止高压设备较多，有尿素合成塔、高压二氧化碳气提塔、高压甲铵冷凝器、高压洗涤器四大主要设备，它们是CO2气提法尿素工艺生产装置的核心，其它均为低压设备，所以该尿素工艺生产装置的技术改造比较困难，改造增产潜力较小。高压二氧化碳气提塔加热需要的蒸汽品质较高，为2.5MPa，不如水溶液全循环尿素需用的蒸汽压力低。CO2气提工艺还暴露出一些不足，主要是尾气的易燃爆，设备腐蚀严重、操作条件苛刻、操作弹性较差[7,8]。第2章水溶液全循环法工艺流程2.1尿素的合成工业上是由液氨和二氧化碳直接合成尿素的，其总反应式为：2NH3+CO2→CO(NH2)2+H2O-103.7kJ·mol实际上反应是分两步进行的，首先是氨与二氧化碳反应生成氨基甲酸铵：2NH3+CO2→NH2COONH4+159.47kJ·mol该步反应是一个可逆的体积缩小的强放热反应，在一定条件下，此反应速率很快，客易达到平衡，且此反应二氧化碳的平衡转化率很高。然后是液态甲铵脱水生成尿素，称为甲铵脱水反应：NH2COONH4→CO(NH2)2+H2O-28.49kJ·mol此步反应是一个可逆的微吸热反应，平衡转化率一般为50%~70%，并且反应的速率也较缓慢，是尿素合成中的控制速率的反应[9]。2.2尿素的工艺流程（1）二氧化碳压缩来自脱碳工段的二氧化碳气体经分离器分离后进入CO2压缩机；经五段压缩至21.61Mpa，气体温度约为125℃，送往尿素合成塔。（2）氨的输送和尿素合成原料液氨经过氨过滤器过滤后进入液氨缓冲槽的原料室中。由中压循环系统返回的液氨，进入液氨缓冲槽的回流室。一部分作为吸收塔的回流氨，多余的液氨流过溢流隔板进入原料室，与新鲜原料氨混合。混合后的液氨进入高压液氨泵，被加压到21.61Mpa，然后去液氨预热器加热至40～60℃进入尿素合成塔。原料CO2气体、液氨、循环回收工序来的甲铵液同时送入尿素合成塔底部，其组成NH3/CO2=4.1、H2O/CO2=0.65，在约为21.57Mpa（绝压），190℃的条件下合成。气液混合物自下而上经等温内件及多块塔板，保证25～40min的停留时间，约有63%的CO2转化为尿素。（3）循环回收尿素合成塔的反应产物经减压至1.76Mpa后进入预分离器，在此分离出闪蒸气体后，溶液自流至预蒸馏塔，与来自一段加热器的热气体逆流接触，进行蒸馏，使液相中的部分甲铵与过剩氨进一步分解、气化，同时气相中的水蒸汽部分冷凝，蒸馏后的尿液自下而上进入蒸汽加热器管内，在蒸汽的加热作用下约88%的甲铵在此分解。预分离器分离出的气体至一段吸收外冷凝器。预蒸馏塔底排出的液相减压后至二段分解塔。来自预蒸馏塔的气体与二甲铵液在降膜式真空预浓缩气器的热能回收段加热尿液，出热能回收的气液混合物与预分离气体混合后进入一段吸收外冷凝器，在软水的循环冷却作用下，气体发生冷凝，出一段吸收外冷凝器的气液混合物进入一段吸收塔，未被吸收的气体被来自惰性洗涤器的浓氨水与来自液氨缓冲槽的回流氨进一步吸收，一段吸收塔顶排出的气体氨进入氨冷凝器，不凝气体至惰性洗涤器，在惰性洗涤器内被来自二段循环第二冷凝器的氨水吸收，尾气经减压后至尾气吸收塔。惰性洗涤器排出的氨水至一段吸收塔顶部，一段吸收塔底部的浓氨基甲酸铵溶液用高压甲氨泵加压后至尿素合成塔。预蒸馏塔排出的尿液经减压后至二段分解塔，与来自二段分解加热器的气体逆流接触后进入加热段被蒸汽加热，分解尿液中残留的过剩氨和甲铵。出加热段的气液混合物经分离后，尿液经减压后至降膜式真空预浓缩器，二段分解塔顶排出的气体与来自水解系统的解吸气混合后进入二段循环第一冷凝器，被二段蒸发表面冷凝液吸收，生成的二段甲铵液由甲铵泵送往真空预浓缩器的热能回收段。出二段循环第一冷凝器的气体在二段循环第二冷凝器内继续被二段蒸发表面冷凝液吸收，生成的氨水由氨水泵送往惰性洗涤器，尾气至尾气吸收塔。惰性洗涤器与二段循环第二冷凝器的尾气混合后进入尾气吸收塔被碳铵液吸收后进入碳铵液槽贮存，尾气通过放空总管放空。（4）尿液加工二段分解塔排出的尿液经减压后切线进入真空预浓缩蒸馏器的分离段，在0.044Mpa压力下，尿液中所含残余的CO2、游离氨以及大部分水分蒸发出去，与液体经分布器，从换热管顶部沿管内壁向下流动形成液膜，避免蒸发的蒸汽逸出液膜表面到管中心的空间，在真空抽吸下向上流动，液膜沿管壁流下。预蒸馏塔出口气相与二段甲铵夜在真空预浓缩器克侧反应，将尿液浓度有76%提高到96%（重量分数），真空预浓缩器的尿液流至收集槽，通过尿液给料泵送往蒸发分离器，在0.003Mpa（绝压）下，被浓缩到约为99.7%（质量分数）的熔融尿素，再由熔融尿素泵送往位于造粒塔顶部的旋转喷头进行造粒，造粒塔底部得到的成品颗粒尿素由皮带输送机送至包装系统进行包装[10]。（5）尿素工艺流程简图一段吸收塔尿素合成塔CO2压缩机一段吸收塔尿素合成塔CO2压缩机预分离器预分离器一段分解塔二段分解塔惰洗器蒸发系统尾气吸收塔一吸外冷器图2.1水溶液全循环法制尿素简图第3章物料衡算3.1物料衡算计算条件的确定在进行物料衡算之前，必须确定系统输入、输出、损失等物料量及计算基准等计算条件。尿素物料衡算有下列各项：（1）计算基准尿素物料衡算常以每吨成品（含N246%尿素）为基准。（2）成品规格按国家标准规定[11]表3.1尿素成分含量含氮量缩二脲水份其他杂质0.460.090.030.01（3）原料消耗额每生产一吨尿素耗氨580Kg,耗二氧化碳785Kg。（4）每吨成品中NH3损失量：NH3消耗定额与成品中尿素和缩二脲所含NH3量之差NH3损失量。可按下式计算[11]式中：60.06—尿素分子量；103.16—缩二脲分子量；34.06、51.09—分别为尿素及缩二脲中含NH3量。（5）NH3损失量在系统中具体分配根据中间试验车间及同类型生产车间测定数据确定。可参考下表数据：表3.2氨损失分配表高压液氨泵漏损11.69Kg解吸塔废液中排出0.48Kg尾气吸收塔放空损失0.65Kg二段蒸发冷凝器排出0.91Kg一段蒸发喷射器放空损失1.14Kg造粒塔损失0.68Kg成品包装运输损失0.75Kg总计16.3Kg（6）每吨成品中CO2损失量：CO2消耗定额与成品中尿素和缩二脲所含CO2量之差即为CO2损失量。可按下式计算[11]式中：44、88—分别为尿素及缩二脲中CO2含量。（7）CO2损失量在系统中具体分配表3.3CO2损失分配表二氧化碳压缩机损失49.94Kg解吸塔废液排出0.58Kg二段蒸发冷凝液排出1.13Kg造粒塔损失0.88Kg成品包装运输损失0.97Kg总计53.5Kg（8）每吨成品在制造过程中尿素的损失量及其在系统中的分配表3.4尿素损失分配表解吸塔废液中排出0.36Kg二段蒸发冷凝液排出1.2Kg造粒塔放空粉尘损失1.2Kg成品包装运输损失1.33Kg总计4.09Kg3.2一段分解系统的物料衡算3.2.1一段分解系统的工艺条件一段分解系统总的氨基甲酸铵分解率：88%一段分解系统总的过量氨蒸出率：90%一段分解系统预分离器的氨基甲酸铵分解率：15%一段分解系统预分离器的过量氨蒸出率：66%预分离器出口气相中水分含量：4.65%一段分解分离器出口气相中水分含量：17%一段分解加热器操作条件：压力P=1.76Mpa，温度T=160℃3.2.2一段分解系统的物料计算一段分解塔出口气体组成（1）气体中的CO29.86×0.88-1.48=7.20Kmol，316.7Kg（2）气体中的NH3由过量氨蒸出：55.97×0.9-36.94=13.43Kmol，228.36Kg由氨基甲酸铵分解而得9.86×0.88×2=17.36Kmol，295.12Kg由一段分解塔分解出的NH3为17.36-2.98=14.40Kmol，244.80Kg因此，气体中总氨量为13.34+14.40=27.83Kmol，473.18Kg（3）气体中的H2O[11]一段分解塔出口溶液组成（1）溶液中的CO2（2）溶液中的NH3（3）溶液中的H2O（4）溶液中的尿素为16.832Kmol3.3二段分解系统的物料衡算3.3.1二段分解系统的工艺条件一段及二段分解系统总的氨基甲酸铵分解率：98.2%一段及二段分解系统总的过量氨蒸出率：99.4%二段分解塔出口气内含水：25%二段分解系统的操作压力P=0.392Mpa，二段分解加热器操作温度T=150℃，二段分解塔操作温度120~150℃。3.3.2二段分解系统的物料计算二段分解塔出口气体组成（1）气体中的CO2：9.86×（0.982-0.88）=1.00Kmol（2）气体中的NH3：由二段分解塔蒸出的过量氨气由氨基甲酸铵分解得氨总计气体中的H2O：二段分解塔出口溶液组成（1）溶液中的CO2：（2）溶液中的NH3：（3）溶液中的H2O：（4）溶液中的尿素：1010.04-6.99=1003.05Kg（5）溶液中的缩二脲0.058Kmol，6.0Kg二段分解系统物料平衡表表3.5二段分解系统物料平衡表输入输出组分KgKmol组分KgKmol一段分解出口溶液1645.5750.87其中：NH3135.277.96CO252.061.18H2O448.2024.90二段分解出口气体217.4911.03其中：CO244.251.01NH3123.597.27H2O49.652.76尿素1010.0416.83总计1645.5750.87二段分解出口溶液1427.0439.72其中：NH311.730.69CO27.700.18H2O398.5622.14尿素1003.0516.71缩二脲6.000.06总计1645.5750.873.3一段吸收系统的物料衡算3.3.1一段吸收系统的工艺条件惰性气体洗涤塔操作条件：压力P=1.76Mpa，温度T=44℃惰性气体洗涤器出口气体中不含水分。一段吸收塔操作条件：压力P=1.76Mpa。一段吸收塔出口气体中不含CO2及H2O。3.3.2一段吸收系统的物料计算惰性气体洗涤器的物料衡算（1）进口惰性气组分由氨冷凝器物料衡算得知：NH3为22.87Kg，1.345Kmol，O2为2.89Kg，0.09Kmol，N2为5.14Kg，0.18Kmol（2）出口未被吸收气体组分由尾气吸收塔物料衡算得知：NH3为3.68Kg，0.216KmolO2为2.89Kg，0.09Kmol，N2为5.14Kg，0.18Kmol（3）由二段循环第二冷凝器来氨水组分CO2为0.637Kg，0.014Kmol，NH3为54.62Kg，3.212Kmol，H2O为62.40Kg，3.467Kmol，尿素为1.78Kg，0.03Kmol。（4）惰性气体洗涤器出口氨水组成CO2：0.637Kg，0.014KmolNH3：H2O：62.40Kg，3.467Kmol尿素：1.78Kg，0.03Kmol一段吸收塔的物料衡算进入气体由预分离器分解气体和一段分解塔气体汇集而成，具体数量由预分离器及一段分解塔物料衡算而得。进口溶液由二段甲铵液和惰性气体洗涤器来的氨水二部分分开加入，具体数量由二段循环第一冷凝器及惰性洗气体涤器物料而衡算得。出口气体由氨冷凝器物料衡算而得。出口一段甲铵液由合成系统物料衡算而得。一段吸收塔物料平衡表表3.6一段吸收塔物料平衡表输入输出组分KgKmol组分KgKmol预分离出口气体788.1343.69其中：CO265.081.48NH3678.3039.90H2O36.722.04O22.890.09N25.140.19一段分解出口气体918.9442.20其中：CO2316.707.20NH3473.1827.83H2O129.067.17二段甲铵液225.5610.97其中：CO255.291.26NH386.095.06H2O83.634.65尿素0.720.01惰性气体洗涤器139.417.90出口氨水其中：CO20.640.01NH354.623.21H2O62.403.47尿素1.780.03一段甲铵液1275.5058.10其中：CO2523.8430.81NH3437.639.94H2O311.5317.30尿素2.500.04一段吸收塔出口气796.4246.65其中：NH3788.3046.38O22.890.09N25.140.18总计2072.02104.76总计2072.02104.75第4章热量衡算4.1一段分解塔的热量衡算4.1.1一段分解塔的工艺条件（1）进口反应熔融物（1.76Mpa，124℃）表4.1进口反应熔融物成分表NH3608.43KgCO2368.76KgH2O577.305Kg尿素1010.04Kg总计2564.535Kg（2）出口物料液相（1.76Mpa，160℃）表4.2出口液相组成NH3135.27Kg尿素1010.04Kg61.37%CO252.06KgCO2(NH3)292.18Kg5.61%H2O448.20Kg氨水543.35Kg33.02%尿素1010.04Kg其中NH395.16KgH2O448.20Kg总计1645.57Kg气相（1.76Mpa，160℃）表4.3出口气相组成CO2316.7017.06%0.300MpaNH3473.1865.95%1.161MpaH2O129.06616.99%0.299Mpa总计918.92100%1.76Mpa4.1.2一段分解塔的热量计算[12]（1）反应熔融物带入热量Q1=42026.52kJ（2）反应熔融物带出热量取17.51%氨水比热为0.263kJ/Kg·℃，尿素比热为0.114kJ/Kg·℃，甲铵比热为8.672kJ/Kmol·℃（3）气相中CO2带出热量P=0.300Mpa，T=160℃时，i=48.495kJ/Kg，P=1atm，T=25℃时，i=41.567kJ/Kg（4）气相中NH3带出热量P=1.161Mpa，T=160℃时，i=116.340kJ/Kg（5）气相中H2O带出热量P=0.299Mpa，T=160℃时，i=158.624kJ/Kg，（6）气相带出热量总和为（7）热损失Q6=451.03kJ（8）一段分解塔热平衡求取加入蒸汽热负荷，设所需加热蒸汽热量为QQ=93818.20kJ则一段分解塔所需加热蒸汽热量为93818.20kJ4.1.3一段分解塔热平衡表表4.4一段分解塔热平衡表收入项目kJ支出项目kJ反应熔融物带入42026.52加热蒸汽供给93818.20反应熔融物带出36140.71气相CO22193.98气相氨7347.11气相水19701.15甲铵分解55042.28NH4OH分解14968.47热损失451.03总计135844.72总计135844.724.2一段吸收塔的热量衡算[12]4.2.1一段吸收塔的工艺条件（1）一段分解塔分离的气相送经一段蒸发加热回收热量时气相冷凝量约为20%（重量）。冷凝液的组分为：CO2为20%NH3为31.5%H2O为48.5%（2）一段分解塔气体进一段蒸发器热能回收的进口温度为160℃，出口气液混合物温度为120℃。（3）各物料进出口的温度压力如下：预分离器来的分解气体压力为1.76Mpa，温度为115℃惰性气体洗涤器来的氨水压力为1.76Mpa，温度44℃谔煅循环系统来的甲铵液压力为1.76Mpa，温度40℃一段吸收塔出口甲铵液压力为1.76Mpa，温度100℃一段吸收塔出口气压力为1.76Mpa，温度50℃4.2.2一段吸收塔的热量计算（1）预分离器气相带入热量Q1=12308.65kJ（2）由一段蒸发加热器带入热量（t=120℃）气相带入热量P=0.338Mpa，T=120℃时,i=46.417kJ/Kg，P=1atm，T=25℃时，i=41.567kJ/KgP=1.304Mpa，T=120℃时，i=111.085kJ/Kg，P=1atm，T=25℃时，i=100.812kJ/KgP=0.118Mpa，T=120℃时，i=154.443kJ/Kg，P=1atm，T=25℃时，i=5.972kJ/Kg液相带入热量查得25%氨水的比热0.263kJ/Kg·℃，甲铵的比热为8.762kJ/Kmol·℃（3）惰性气体洗涤器来的氨水带入热量（t=44℃）甲铵的比热为7.764kJ/Kmol·℃，54.5%氨水的比热为0.287kJkcal/Kmol·℃（4）二段甲铵液带入热量取甲铵的比热为7.764kJ/Kmol·℃，34.2%氨水的比热为0.263kJ/Kmol·℃（5）生成甲铵放热由预分离器气体带入的CO2量1.48Kmol，由一段分解气带入的CO2量6.31Kmol，则生成甲铵量为7.79Kmol（6）热损失取进入热负荷约1.58%，Q6=1499.52kJ总的热量收入为Q入（7）回流氨量的求取：P=1.76Mpa，T=38℃时，i=34.161kJ/Kg，P=1.76atm，T=50℃时，i=98.901kJ/Kg4.2.2一段吸收塔平衡表表4.5一段吸收塔热量平衡表收入项目kJ支出项目kJ预分离器气相带入12308.65从一段蒸发器回的气相带入11551.12从一段蒸发器回的液相带入3654.09从惰气洗涤器来的氨水带入747.25二段甲铵液带入647.64甲铵生成热61802.68NH4OH生成热3744.15出口气相带热1494.27出口液相带出17162.45热损失1499.52回流氨移走77283.09总计135844.72总计135844.72

第5章填料吸收塔的设计5.1塔径的计算（1）气相负荷取气相进出口负荷平均值各组分临界压力及临界温度值见表5.1表5.1各组分理解压力及临界温度值组分NH3CO2O2N2混合气体临界温度℃132.331.0-118.4-147.0130.72临界压力PCMpa11.287.385.083.3911.25对比压力对比温度(5-1)由气体的通用压缩系数图查出Z=0.895[12](5-2)故气相负荷1.421×115.82×25=4114.51m3/hVS==1.14m3/s（2）气相密度==12.02Kg/m3（3）液相量取进出口溶液量的平均值（4）液相密度溶液中含氨量按进出口的平均值计（5）溶液氨的浓度，50℃时93%氨水密度为600Kg/m3（6）液相负荷液相流量27062.63÷600=45.10m3/h液相负荷LS=45.10÷3600=0.0125m3/s（7）最大允许空塔速度[13](5-3)式中：，—分别为气体和液体密度，Kg/m3；C—负荷系数为求C值，先求动能参数及分离空间式中：L—液相流量，93.96m3/h；V—气相流量，8571.33m3/h，—液相密度，600Kg/m3；—气相密度，12.05Kg/m3HT—塔板间距，450mm，即0.45mhL—板上液层高度，取70mm，即0.07m动能参数[13](5-4)分离空间为由史密斯关联图查出，此时C=0.079。塔内液体按液氨考虑，50℃时其表面张力为0.0145N/m。负荷系数C是对液体表面张力为0.02N/m的物系绘制的，当表面张力为其他σ值时，应对C值按下式进行校正：负荷系数的校正（8）最大允许空塔速度[14](9)适宜空塔速度取最大允许空塔速度的85%WK=0.85W最大=0.85×0.519=0.441m/s(10)塔径[14]m按设备标准选择塔径D=2m(11)泛点率校核在允许范围内(12)填料规格的校核符合要求(13)液体喷淋密度校核取最小润湿速率（LW=0.08m3/m2.h查表得at=114.2m2/m.hUmin=(lW)min.at=0.08114.2=9.316m3/m2.hU=经以上校核填料塔直径适用D=2000mm合理5.2填料层高度的计算5.2.1基础数据的计算（1）查得CO2在该条件下则相平衡常数和溶解度系数为[15](5-5)(5-6)（2）物料衡算进塔气相摩尔比为Y1=出塔气相摩尔比为Y2=0.00345(1-0.95)=0.0001725进塔惰性气体流量为该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即[15](5-7)对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为由题意知，操作液气比为Y1=Y1*=mX1=6.5950.00729=0.04807Y2=0.00345(1-0.95)=0.0001725Y2*=mX2=0 5.2.2气相传质单元数的计算[16]脱吸因子数为S=(5-8)气相传质单元数为NOG=㏑(5-9)=㏑5.2.3气相传质单元高度的计算[17]气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算(5-10)查表得=33dyn/cm=427680kg/(m2.h)液体质量通量为UL=h)气膜吸收系数由下式计算KG=(5-11)气体质量通量为UV==15749.04kg/(m2.h)气体粘度CO2在空气扩散系数DV=0.569KG=液膜吸收系数KL=(5-12)=1.411查表得=1.451=(5-13)(5-14)(5-15)由设计填料层高度7米对于阶梯环填料取则计算填料层高度为7米，故需两分段，每段3.5米。5.3填料层压降的计算采用埃克特通用关联图计算填料层压降压降[18]横坐标查散装填料压降填料因子平均值得纵坐标查埃克特通用关联图得填料层压降5.4塔体厚度的计算（1）选材通过操作条件，该容器属中压低温范畴，选16MnR