【《基于水溶液全循环法的二氧化碳与氨生产尿素的工艺设计》13000字】

基于水溶液全循环法的二氧化碳与氨生产尿素的工艺设计摘要尿素在种植农业方面有非常大的作用，主要是尿素里面含的氮元素比较多，使用比较广泛，但是如何用合成简单且成本较低的方法，因此，本设计采用水溶液全循环法来制取尿素，用二氧化碳与氨直接反应合成尿素，此方法能够循环利用产生的各种废液以及废气，原料氨的利用率也是非常高的，对此设计先进行了物料衡算，以及热量衡算，还进行了设备的选型与计算，通过查阅手册确定了设计的温度、压力以及各种情况下二氧化碳与氨的比值来进行计算，最后绘制了带控制点的工艺流程图、物料流程图、主要设备结构图。关键字：尿素合成、工艺计算、转化率、工艺优化目录1绪论 51.1综述 51.1.1尿素的性质与用途 51.1.2尿素的合成机理 51.1.3尿素国内常用合成方法 61.1.4国外合成化学世界尿素工业的发展动向 81.2尿素合成新技术研究与尿素合成转化率影响因素 81.2.1尿素节能降耗新技术的研究 81.2.2尿素合成转化率影响因素 91.2.3尾气吸收与解吸 111.2.4水溶液全循环法主要过程 122物料衡算 132.1确定设计的工艺条件 132.2二氧化碳压缩系统 142.3CH4N2O合成塔 152.4一段分解系统 162.5第二工段所设计的分解系统 172.6闪蒸槽 182.7第一工段所涉及的蒸发器 182.8第二工段蒸发操作器 182.9产品的熔解及封装操作系统 192.10第一工段所涉及的蒸发器 192.11第二工段涉及的蒸汽冷凝器 202.12中间工段冷凝操作器 202.13操作系统中的用水平衡及用水分配 212.14第二工段第一循环冷凝器 232.15第二工段第二循环冷凝器 242.16液氨冷凝器 242.17不可反应气体洗涤塔 252.18废气处理与回收塔 252.19相分离单元操作系统 262.20第一工段相溶解系统 273热量衡算 293.1尿素的合成塔 293.2解吸塔的计算 323.3氨冷凝器的计算 333.4二氧化碳压缩系统 344主要设备工艺计算与选型 364.1合成塔塔高塔径的计算 364.2合成塔塔理论板数的计算 374.3一段蒸发器设备计算 394.4流体力学的计算 404.5设备选型 415环境保护与安全措施 425.1环境保护 425.2安全措施 421绪论1.1综述1.1.1尿素的性质与用途分子式：CO（NH2）2，分子量60.06，尿素俗称碳酰二胺或者脲，其中氮的含量是46.65%，在固体氮肥中含氮量是最高的，常温下是无色无味的，纯尿素结晶体的形状是细针状或宽棱柱状的，尿素流通于市场的一般都是白色颗粒状，通常不易结块，便于使用，方便运输和储藏等。大多数工业或农业品为白色稍带微红色固体颗粒，无臭味，常温常压下，尿素密度为1.335kg.m-3，堆密度为520-640kg.m-3，粒状尿素堆积时，其斜面与水平面成25~27度角。这角度称为堆积角[1][2]。尿素很容易吸水，也很容易溶于水和液体NH3，在20℃时，100ml的水可以溶解尿素105g，得到的水溶液为微碱性。常温下，尿素在水中缓慢水解，先转化为甲基铵，再转化为碳酸铵，最后分解为氨和二氧化碳。随着温度的升高，水解速率加快，水解度也提高。尿素也可溶于甲醇、乙醇和甘油，但不溶于乙醚和氯仿[1]。尿素是有机氮在土壤中脲酶、水解碳酸铵与碳酸氢铵后,可以被植物吸收利用,在所有固体氮尿素氮含量最高,是一种中性有机肥料,没有任何残留在土壤中有害物质,长期使用不会影响土壤,因此,在上世纪80年代建成的合成氨厂之后，大部分的氨被用来制造尿素。其次，尿素在化工原料中的使用也非常广泛，还可以用于药品的制造以及生活用品以及钢筋混凝土等的生产中[1]。尿素一般用作氮肥使用，开始于上世纪初期。上世纪50年代之后，尿素被大规模推广，由于尿素含氮量高、用途广泛，很快便在世界范围内得到使用。目前中国的化肥生产中，尿素的生产总量大概占氮肥总产量的50%，是在产量和质量上与碳铵竞争的主要氮肥品种之一。我国从上世纪六七十年代就开始建造大、中型尿素厂，使得我国尿素总产量不断增加，2006年全国尿素总产量达4600吨以上[1]。1.1.2尿素的合成机理目前关于NH3和CO2合成尿素的反应机理众说纷纭，但通常情况下大多数专家认可了反应是在液相中分两步进行反应的，并需要高温高压[1]第一步，高温下的液氨与气态二氧化碳反应生成中间产物液态甲胺，其反应式为2NH3(液)+CO2(气)↹NH4COONH2(液)此反应为快速，强放热的可逆反应。如果冷却条件允许，不断的把反应热转移，以保持一定的反应温度，可使甲胺冷凝成为液体，则该反应较容易达到化学平衡，而且平衡条件下，二氧化碳转化率较高，在常压下该反应的速率很慢，加压下则很快[1]。第二步，甲胺脱水生成尿素，其反应式为(液)↹(液)+H2O(液)该反应一般使比较弱的吸热反应，通常情况下在液相中进行反应，其反应过程非常的慢，达到所需的化学反应平衡状态所需时间也比较久，转化率通常情况下也是极其的平稳，所以这是合成尿素过程中控制反应进行快慢的主要反应，如果反应在固相中进行，则需要高压，反应速率又变得极其缓慢，也需要较高的反应温度[1]。则氨的合成总反应式为：(液)+(气)↹(液)+H2O(液)因受化学平衡的限制，氨气和二氧化碳只能部分转化为尿素[1]。1.1.3尿素国内常用合成方法在我国，尿素生产技术主要是基于水溶液总循环法，即用一定量的水吸收未转化的CO2和氨，再循环利用。由于加水量的不同，可将水溶液的全循环法分为两类:一类是加水量大，水碳比接近1的碳酸铵水溶液的全循环法。另一种是甲胺溶液加少量水的全循环法，基本上将甲基铵溶液返回系统。20世纪70年代初，提取法的生产要素开始占据优势。气体萃取法是一种气体介质在等压条件下与合成塔通过反应液分解铵的方法，并根据不同的气体介质，可进行分解使用变换气气提法等[1][19]。（1）水溶液全循环法工艺特点及优缺点水溶液全循环法反应塔的常用操作压力通常为，温度T为，NH3/CO2分子比为4.0，二氧化碳转化率大约64%。反应完成时二氧化碳合成塔溶液经低压力有效的分解与降解，然后经二段蒸发造粒的到最终的产品尿素。但中压分解压力一般较低，分解产生气体的热量除了在一少部分段蒸发加热器下段回收冷凝热外，剩余大部分热量由于冷凝温度低，一般情况下用冷却水移走，水溶液全循环尿素装置的运行都比较稳定，生产负荷的加减调节比较方便，操作弹性范围宽；增产潜力比较大，均达到了其设计生产能力的上限[4]；产品质量保持的非常好，正常负荷生产时一般能控制到优级品范围内[4][3][15]。水溶液全循环法没有高压分解回收流程，因此高压设备较少，通常投资费用也较低，但公用工程整体消耗水平较高，并且装置整体规模较小。从近年来发展来看，国内大多数的中、小尿素装置进行了大规模的技术改革，在减少蒸汽消耗方面做了非常大得努力，取得了肉眼可见的效果，使蒸汽消耗明显有所下降[3]。（2）CO2汽提法工艺优缺点二氧化碳汽提尿素合成工艺的基础上,进一步取消高压洗涤器,所以,只有反应堆和汽提塔是在高压圈,和中间闪蒸压力添加一部分,剩下的部分是一样的二氧化碳汽提2000

+

TM尿素合成过程。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，该工艺的特点是采用共沸物下的氨碳摩尔比为3.0作为操作控制最佳指标进行操作[5]。（3）氨汽提法工艺特点及优缺点氨汽提法工艺开始使用于二十世纪90年代，最新的氨汽提工艺占地面积和框架高度均有降低[5]。产生的热量大都被回收进行循环再利用，产生的水蒸气损耗较少，如：低压分解器的排放气用来预热高压NH3；中压分解器的排放气为真空预浓缩器提供热量[5]。工艺特点：1.高NH3/CO2比，高转化率，NH3/CO2比为4，H2O/CO2比为0.67，一般操作压力为15.6MPa(G)，操作温度T为188℃，二氧化碳单程转化率65%，一般采用降膜式汽提塔，操作温度大约为207℃，塔内的多余氨自汽提，甲铵分解速率加快，因而降低了中压系统负荷[3]。2.高压圈内高压设备水平布置。主要是采用了甲铵喷射泵，使高压设备水平布置，节余了框架长度[3]。3.热利用率高，消耗能量减少：eq\o\ac(○,1)气体塔操作温度高，汽提效率高；eq\o\ac(○,2)充分利用甲铵生成热，设置2台甲铵冷凝器，分级回收热量，副产蒸汽供本装置使用[14]；eq\o\ac(○,3)用汽提塔蒸汽冷凝液的热量作为中压分解部分热源[14]；eq\o\ac(○,4)用低压分解气预热原料液氨；eq\o\ac(○,5)用解吸塔底部出液预热高压甲铵液；eq\o\ac(○,6)用中压分解气进行尿液预浓缩，防腐空气量少，中低压系统排除的混合气中氧含量低，避免生成爆炸性混合气体[14]。1.1.4国外合成化学世界尿素工业的发展动向（1）日本东洋高压公司用“联脲法”合成尿素东洋高压公司把合成氨原料气在变换后压缩至尿素的合成压力,用新鲜的原料氨和尿素分解系抗回收的氨基甲酸胺溶液,来洗涤变换气体中二氧化碳,这样使尿素与合成氨生产联合起来,组成一个封闭式的工艺流程[6]。（2）意大利蒙特卡提尼公司用“联脲法”合成尿素蒙特卡提尼公司将变换后的合成氨原料气压缩至300个大气压,然后在一50℃下液化二氧化碳气体,液体二氧化碳减压后送至尿素合成塔,这样促使尿素与合成氨的生产结合起来[6]。（3）意大利斯纳姆公司用“汽提”氨基甲酸铵合成尿素斯纳姆公司采用氨气在高压下汽提氨基甲酸铵,仅以一段分解后就循环至合成塔,大大筒化工艺流[6]。（4）荷兰斯塔密卡本公司用二氧化碳“汽提”氨基甲酸铵法合成尿素斯塔密卡本公司采用了与斯纳姆公司相反的以二氧化碳作为汽提剂的路线,效果很好,也大大筒化工艺流程[6]。（5）美国化学建设公司用热循环法含成尿素化学建投公司采用绝热的离心压缩机压缩未反应的气体,送至合成塔，压缩时产生高的热位能以及氨基甲酸铵的反应热和冷凝热,都加以利用,副产大量蒸汽,以满足自用[6]。1.2尿素合成新技术研究与尿素合成转化率影响因素1.2.1尿素节能降耗新技术的研究近年来，国内出现了200多套中小型尿素生产装置，年产尿素达1850万吨，除上世纪80年代以来大规模扩建的尿素装置外，大部分都是由国内自行设计研究的，本设计主要参考13万吨/年公共2~4版因地制宜措施，是以前最常用的水溶液全循环法尿素生产工艺。水溶液全循环过程是米迦债券公司在1950年代技术,有一个高消耗、废气易燃,易爆和放电在液氨和尿素超标严重,在今天的科学和技术的发展,这项技术已经逐渐被新技术取代,在国内尿素装置节能、增产和改造方面，大多是对同一厂已关停或进行了较大程度的技术改造IDR法及自行开发的节能增产改造技术;中压分解工艺采用预分离——预蒸馏流程[7][16]。（1）过氧化尿素合成与应用过氧化尿素又称过氧化脲、尿素过氧化氢，由Tanatar于1906年首次合成，并于1969年在日本实现工业化生产[8]。过氧化尿素同时具和尿素的性质，是一种固体，不但攻克了过氧化氢作为一种液体不易储藏和运输的问题，并且其结构当中尿素的氨基能中和H2O2的酸性。过氧化尿素分子式为，相对分子质量为94，过氧化尿素没有毒没有味道，过氧化尿素非常易溶于水，在水中溶解度极大、稳定性非常好，可分解生成H2O2、脲、二氧化碳和氨等，过氧化氢分解会缓慢释放出氧气，因此具有氧化特性。过氧化尿素也易溶于一些有机溶剂，如丁醇、丙醇、甲醚、二丁酮、甘油等，一般用做制取无水H2O2；所以在合成有机、化工、农业、水产养殖、医疗等方面有这很大的应用前景，并是且无毒无污染的清洁原料[8]。（2）尿素法水合肼生产工艺尿素法是我国生产ADC的传统工艺，具有一定的优势。对于选用尿素法生产水合肼的生产企业来说，低浓度水合肼溶液的净化是解决ADC生产废水问题的关键。采用丙酮萃取法对水合肼进行提纯，可以将水合肼从无机盐溶液中分离出来，为无机盐返回氯碱生产和循环利用创造条件，从而降低了ADC生产废水处理的难度。该工艺一旦开发成功，不仅可以弥补尿素ADC生产成本高，而且完全解决了ADC的环保问题，挽救了我国尿素工艺ADC产业的困境，该技术目前处于中试阶段[9][17]。1.2.2尿素合成转化率影响因素（1）氨碳比的影响反应物氨和CO2的分子比称为氨碳比，能较好的提高CO2转化率，依据化学平衡勒夏特列原理，根据化学反应平衡方程来增大反应物氨的浓度，CO2转化成尿素的转化率明显提高,从另一方面来说，过剩的氨与反应生成的水反应结合成氨水，在一定程度上达到了降低生成物水的浓度，使平衡正向移动，尿素的转化率增大,NH3/CO2增加，转化率也会增加，但不能过高，氨碳比增加会提高尿素合成反应的平衡压力，转化率反而有所下降，并且反应温度不能保持在最佳状态，因此在生产中NH3/CO2过高是不允许的,还有就是过剩的氨存在，虽然可以减少合成塔设备腐蚀、抑制副反应发生等，但是也增加了回收系统的经济投资等后续工序的负荷,此外，CO2汽提工艺最佳NH3/CO2不是从所能达到最高转化率设计的，因此要综合考虑来选取合适的NH3/CO2，一般在最佳的分子比为4左右[10][11]（2）温度的影响氨与CO2反应过程是放热反应，虽然升温对氨与CO2反应过程的平衡不利，但此反应平衡主要趋于右边当温度在190℃以下时，甲铵脱水产生尿素反应占主导，而甲铵脱水生成尿素的反应是速度缓慢的吸热反应，故提高温度有利与尿素的增多促使平衡正向移动，尿素转化率增大,实验表明，在其他条件不变时，CO2转化率随温度升高而增大，达最大值后，又随温度升高而明显下降，尿素合成塔受设备材质耐腐蚀也会限制反应温度，合成塔反应器的反应温度大多数不超过190℃，所以温度升高对尿素合成转化率的影响非常大[10][11]。（3）高压系统压力的影响尿素合成反应都是体积缩减的过程，增压力更倾向与尿素生成反应进行,在实际工业生产过程中既要保证高压系统压力高于池式反应器反应温度及原料配比下所对应的平衡压力，而且还要考虑到惰性气体对反应的影响，因此高压压力通常控制在13.5~14.3MPa[10][11]。（4）原料二氧化碳中惰气含量影响合成尿素时，从合成氨高塔过来的CO2含有氮气、氢气等气体，此外高压设备为了防腐，CO2中加了少量的空气，该装置空气体积占比为0.35%~0.40%，所以系统中有惰性气体，使氨和CO2气相分压降低，从而导致转化率下降。另外，惰性气体侵占了池式反应器关键部分的空间，使物料停留时间降低，也减弱了二氧化碳转化率，则合成氨装置应尽量增加CO2纯度[10][11]。（5）水碳比的影响甲铵脱水反应生成尿素和水，因此水也是一生成物，根据化学反应勒夏特列原理，水量增加促使尿素生成反应向生成尿素的方向移动，水会稀释或降低反应物的浓度，同样使反应向生成尿素的方向移动,水碳比是指进池式反应器物料中水与二氧化碳摩尔比，水碳比提高，CO2转化率也随之下降，原料中水碳比每增加0.2，CO2转化率降低1.7%~2%。但水对尿素的生成同样是必不可缺少的，水的存在可以增大冷凝温度，多回收些热量，水的存在还能够降低甲铵的结晶点。本装置水碳比设计指标为0.49[10][11]。（6）反应的停留时间尿素的工业生产是连续不间断的，反应过程需要原料不断地从塔的底部进入合成塔，反应熔融物会络绎不绝的从塔顶排出，从而导致在生产中尿素合成达不到理想状态下的化学平衡状态，同样能够达到的化学平衡的程度与反应物的尿素合成塔内的停留时间是有密切联系的，在该工艺条件下，尿素合成塔内的原料停留时间一般保持在40分钟以内，则尿素合成转化率显著增大，但当停留时间超过40分钟后，如果合成塔内的时间在往后延迟，尿素的平衡转化率的影响在无变化，所以一般在合成塔内的物料停留时间为40钟以内[11]。（7）反应的原料气纯度入塔CO2纯度的高低对尿素合成转化率有着较为明显的影响，随着入塔气体中惰性气体成分的增加，将使地尿素合成塔的气相中的氨分压相对降低，从而造成液相中的氨浓度也下降，及反应物的浓度下降，进而使得尿素合成转化率下降，入塔CO2气体的纯度的下降，会造成尿素转化率下降，进一步造成尿素合成塔的有效生产容积利用率下降。尿素合成转化率降低后会使得尿素合成塔的未反应的量增加，尾气吸收系统可能发生爆炸的几率变大，因此在实际工业生产中，要尽可能的提高入塔原料气的纯度[11]1.2.3尾气吸收与解吸吸收塔排放出的废液尾气装置设置是希望能在最大程度上回收排放在空气当中的尾气中的NH3和CO2，从而降低合成生产中氨的不必要损失。二循二冷器的出气与清洗器减压后的后气合并后进入尾吸塔底部，自碳铵液储槽的一段蒸发冷凝液室来的一段蒸发冷凝液经尾吸泵送往尾吸冷却器冷却到40℃后进入尾吸塔顶部，尾吸塔排出的液体返回碳铵液储槽的碳铵液室[18]。碳酸氢铵液体从储罐通过解吸泵通过解吸预热器与废液从解吸塔底部热交换到解吸塔中部[18]。混合物从塔顶进入解吸冷凝器并在此部分冷凝。冷凝液回流至解吸塔顶部，气体进入二循环冷凝器。解吸塔采用直接蒸汽汽提，蒸汽消耗由TRC701根据塔中部温度自动调节[18]。控制出口塔内液体NH3含量不超过0.07%(质量分数)，热量通过解吸式热交换器回收后送至全厂废水处理系统。解吸塔液位由L1C701自动调节[18]。1.2.4水溶液全循环法主要过程本次设计采用水溶液全循环法进行设计，虽然该设计存在生产上的缺陷，但在水循环方面有很大的优点，物料的利用率达到了非常高的值，如图是水溶全循环工艺的主要工艺流程图。图1-1水溶液全循环法合成尿素示意流程图2物料衡算2.1确定设计的工艺条件1.选用CH4N2O的基准量：把CH4N2O的基准值设定为110万吨。2.一般选用N的含量小于等于50%，约等于CH4N2O的含量为96.8%，原料当中不包括缩二脲所含的N的含量。3.消耗的定额/基准值：其中二氧化碳的消耗量设定为80万吨，氨的消耗量设定为50万吨千克，以此设定的进料量进行工艺计算。4.根据设定值求取氨的消耗值：消耗的值为：5.根据设定值可求取CO2的消耗值：消耗的值为：6.查相关手册确定参数可以求得吨CH4N2O的具体消耗与分配的量：造粒过程中以固体粉尘的状态损失的量为：2200kg在第一工段中甲铵通过泵传输时泄漏的量：40kg在封装工段、仓库储存及运输中的损失：1500.0kg在分离、处理废液中产品的消耗损失量：4000kg共计：77.4kg7.产品在两段蒸发系统中损失的量：蒸发循环系统第一工段消耗量：6000kg蒸发循环系统第二工段消耗量：4000kg总计：10000kg8.产品在循环过程中损失的量：蒸发循环系统第一工段夹带产品的量：6700kg蒸发循环系统第一工段夹带产品的量：3000kg循环系统中产品的量：9.反应过程中产生的缩二尿具体的分布情况：在第二工段过程中产生的量为蒸发循环系统第一工段消耗量蒸发循环系统第二工段消耗量：产品在高温高压输送过程中的产量：总共：2.2二氧化碳压缩系统1.查找CH4N2O设计手册从而确定工艺设计条件其中二氧化碳大约占97.72%，氮气占CH4N2O组分的1.45%，氧气占CH4N2O组分的0.83%，其它组分中产生的惰性气体以及非金属气体可以不做计算。2.具体生产工艺的计算(1)经过蒸发干燥后进入压缩系统的主要二氧化碳生成量所以产生的二氧化碳干气量为：(2)C2O气体带入水量H2O:(3)C2O气体在压缩系统中主要反应的损失量C02：5000kg或113.63kmol(4)经过蒸发干燥以后的二氧化碳气体C02：800000-49876=750124kg或N2：或12.96kmolO2：或851.87kmol计：或(5)经过压缩后CO2气体中含水量[：时，H2O压力故气相中含水量：(6)CO2压缩机各段排出水量H2O：或2.3CH4N2O合成塔1.条件(1)产品合成塔中的初始物质组成：二氧化碳/氨气=0.25；二氧化碳/水=1.43(2)塔内的工作压力及工作温度根据相关手册确定(3)根据相关操作手册查物性参数使二氧化碳的转化率为：68%(4)经过第一工段循环吸收系统使返回产品合成塔的水洗溶液二氧化碳/氨气=0.32，其中含有循环的产品4608吨。2.产品与其他物质计算(1)生成的产品计算:110万吨产品中含产品的质量99.7万吨；各种途径中损失的产品总质量为649.11吨；在各工段中被水解掉的产品的总质量为1.04万吨。当生成缩二脲时产品的消耗量为1100000*2*60/103=1281.55吨产品的合成塔中生成产品的总量：(2)入塔原料二氧化碳气体H2O：(3)进入合成塔的液氨总量循环液氨：(4)出塔气液混合物CH4N2O：C02：H2O：NH3：NH3：N2：2.4一段分解系统1.入塔气体的工艺性质(2)第一工段工艺气体的分离效率(3)第一工段分离后气体的总含水量(4)加入的经过防腐处理的空气总量2.加入各项气体的总量计算(1)加入的经过防腐处理的空气总量(2)一段分解气：02：N2：166.236+1.98=168.22kg(3)第一工段塔体出口CH4N2O溶液总量CH4N2O：C02：4139.59-3628.76=510.83kgNH3：H2O：2.5第二工段所设计的分解系统1.第二工段所涉及分解系统工艺参数根据相关物性及操作手册可查2.计算(2)第二工段经过分离所排出气体总量(式2.1)（式2.2）（式2.3）联立得：(3)二段分解排出尿液CH4N2O：C02：NH3：H2O：2.6闪蒸槽1.闪蒸槽所涉及的物料工艺条件根据相关物性及操作手册可查得2.闪蒸槽所涉及的物料工艺的计算缩二脲：(2)闪蒸槽排出气体NH3：H2O：2.7第一工段所涉及的蒸发器1.第一工段所涉及的蒸发器工艺操作条件根据相关物性及操作手册可查得2.第一工段所涉及的蒸发器工艺操作的数值的计算(1)产物经水分解后的计算生成C02：水：缩二脲：(4)一段蒸发器出口气体CH4N2O：C02：NH3：H2O：2.8第二工段蒸发操作器1.第二工段蒸发操作器工艺操作条件根据相关物性参数及操作手册可查得2.第二工段蒸发操作器工艺操作条件的计算（1）第二段蒸发操作器出口气体的组成及计算CH4N2O：25.0kgC02：kgNH3：H2O：2.9产品的熔解及封装操作系统1.产品的熔解及封装操作系统工艺操作条件根据相关物性参数及操作手册可查得2.产品的熔解及封装操作系统工艺操作条件的计算(1)在封装及熔融操作中产生的缩二脲的总量计算根据前面的计算可得出所产生的物质的总量(2)在封装及熔融操作中产生的CH4N2O总量的计算水：缩二脲：(3)在封装及熔融操作中操作系统因分解排放而产生的物质根据前述的计算公式可得出所产生的物质的产率2.10第一工段所涉及的蒸发器1.第一工段所涉及的蒸发器工艺操作条件根据相关物性参数及操作手册可查得2.第一工段所涉及的蒸发器工艺操作条件计算(1)第一工段所涉及的蒸发器工艺操作中产生的不凝性气体的计算根据已给定的值，与溶液呈平衡的NH3分压为，C02分压为0.257kpa[20]。故(2)一段蒸汽冷凝液产品：4779千克2.11第二工段涉及的蒸汽冷凝器1.第二工段涉及的蒸汽冷凝器的工艺操作条件所需工艺操作条件均可由物性参数及操作手册查得2.第二工段涉及的蒸汽冷凝器的工艺操作条件的计算(1)设气相中有，（式2.4）（式2.5）联立解得：二氧化碳= 氨气=水=1.61kg(2)二段蒸汽冷凝液CH4N2O：C02：NH3：H2O：2.12中间工段冷凝操作器1.中间工段冷凝操作器所涉及的工艺操作条件所涉及的相关操作参数均可由相关物性参数及操作手册查得2.中间工段冷凝操作器所涉及的工艺操作条件计算H2O：2.13操作系统中的用水平衡及用水分配1.操作系统中的用水平衡及用水分配系统水平衡(1)分离塔中已经排走的用水量计算进入系统中的用水的量离开系统中的用水的量2.蒸发操作器中的冷流体的分配H2O：(1)分离后的气体总量及组成NH3：分离后的气体组成：NH3：H2O：合计：(2)进入尾气吸收塔的蒸发冷凝液：C02：NH3：H2O：(3)返回吸收系统的蒸发冷凝液：二氧化碳：NH3：H2O：CH4N2O：合计：此溶液与二段蒸发冷凝液混合后加入低压吸收系统，其组成为[20]：C02：NH3：H2O：CH4N2O：合计：(4)加入二循一冷凝器的蒸发冷凝液(重量比)第二工段的分解气有二氧化碳：水：第二工段中经分离的气体有共计为所以有根据方程可得故加入第二工段第一冷凝器的蒸发冷流体为：二氧化碳：氨气：水：CH4N2O：合计：(5)加入二循二冷凝器的蒸发冷凝液二氧化碳：氨：水：CH4N2O：合计：2.14第二工段第一循环冷凝器1.第二工段第一循环冷凝器工艺操作条件数据根据物性参数及操作手册可查得。2.第二工段第一循环冷凝器工艺操作条件计算(1)第二工段物料溶液二氧化碳：氨：水：CH4N2O：(2)二循一冷凝器排出气体2.15第二工段第二循环冷凝器1.第二工段第二循环冷凝器工艺操作条件数据根据物性参数及操作手册可查得2.第二工段第二循环冷凝器工艺操作条件计算排出第二工段第二循环冷凝器的物料组成：二氧化碳：氨：水：kgCH4N2O：2.16液氨冷凝器1.液氨冷凝器工艺操作条件数据根据物性参数及操作手册可查得。2.计算氧气：氮气：共计故液氨冷凝操作器排出的气体中氨气含量为：进入液氨冷凝操作器气体中氨气的含量为：2.17不可反应气体洗涤塔1.不可反应气体洗涤塔工艺操作条件数据根据物性参数及操作手册可查得。2.不可反应气体洗涤塔工艺操作计算(1)不可反应气体洗涤塔工艺操作中所排出气体组分氧气：氮气：(2)不可反应气体洗涤塔工艺操作中所排出浓NH3水二氧化碳：氨：水：CH4N2O：2.18废气处理与回收塔1.废气处理与回收塔工艺操作条件数据根据物性参数及操作手册可查得。2.废气处理与回收塔工艺操作的计算(1)废气处理与回收塔中的尾气成分组成二氧化碳：氨：水：氧气：氮气：(2)尾气吸收塔排出碳铵液二氧化碳：氨：85.51+218.52-16.68=287.65kg水：CH4N2O：2.19相分离单元操作系统1.相分离单元操作系统工艺操作条件数据根据物性参数及操作手册可查得。2.相分离单元操作系统工艺操作的计算(1)相分离单元操作系统废液组成二氧化碳：氨：(3851.24+36.29)×0.07/(100-0.07-0.09)=2.73kg水：CH4N2O：(2)解吸气C02：75.71-3.48=72.23kgNH3：287.65-2.73=284.92kgH2O：2.20第一工段相溶解系统1.第一工段相溶解系统所吸收物料含量(1)第一工段分离工艺气体成分二氧化碳：或NH3：或H2O：或O2：或N2：或(2)二段甲铵溶液C02：或NH3：或H2O：或CH4N2O：或合计(3)浓氨水C02：或NH3：或H2O：或CH4N2O：或合计2.第一工段分离工艺气体后所吹出物料的组成(1)第一工段相溶解塔设备所吹出物料组成氨：氧：氮：共计（2）第一工段产品合成塔物料溶液中成分组成二氧化碳：或NH3：或H2O：或CH4N2O：或合计(3)第一工段物料输送泵泄漏物质组成二氧化碳：氨：水：CH4N2O：共计

3热量衡算3.1尿素的合成塔1.热量衡算依据原料气体的进塔压力一般是，一段甲铵溶液由管道进入尿素合成塔的压力为，在合成塔反应的物质放出的压力为，2.由尿素合成塔放出的各种气体吸热量假设气相氨全部来自于入塔液氨NH3的焓值:设入塔液NH3温度为为查得CO2的焓值：，时，2.52MPa,198℃时，i=895.4kJ/kg从氧的i-s图可查得氧的焓值：，时，0.542Mpa,198℃时，从氮的i-s图可查得氮的焓值：，时，3.253MPa,198℃时，i=485.3kJ/kgH1=486.31×(1854.1-ix)+179×(851.3-410.82)=948818.27-486.31ixkJ3.进入液相的吸热进入液相，生成的量：4.液氨在温度和压力下降时的气化吸热量H3液氨量为：7069.69×34/44=5462.94kg根据氨的图的焓值可查得：0.101MPa时，30℃，i=174.34kJ/kg5.NH3和C02生成CH3NH2放热量H4在0.10MPa，30℃时，气态与生成固态甲铵的生成热为：-167524kJ/kmol6.固体CH3NH2升温到熔点吸热量为H5固体CH3NH2在间的积分摩尔平均比热容为7.固体甲铵熔融吸热H6固体甲铵熔融热取H6=7171.69×20312/44=3.31×107kJ8.循环CH3NH2与尿素在升高温度时的吸热量为H7平均摩尔比热容由图中数据可得：尿素热容由图中数据可得Cp=1.883kJ/(kmol.℃)9CH3NH2.脱水时生成尿素吸热的吸热量为H8由表中的数据可查得CH3NH2的脱水反应生成尿素的反应热为H8=(10298.35-50.12)×20925.8/60=3.46kJ×10610.循环氨水在降温时的放热量为H9查图，氨水的浓度为35.43%时比热容Cp=4.550kJ/kgH9=-1.61×106kJ11.循环氨在温度降低时的放热量为H10由的图可查到的焓值：，时存留于液相的循环氨量：H10=12.原料中的CO2气体中的水蒸气在液化放热时的热量为H11从水蒸气的图可查得13.物料反应在生成水温度降低时的放热量为H12反应生成水量：(10079.84-45.98)×18/60=3010.16kgH12=3010.16×(105.5-641.63)=-1.61×106kJ14.液氨在溶解于水时的混合热量为H13一段CH3NH2液中氨水含氨：(浓度)出塔氨水含氨：浓度氨水积分溶解热为：15.出塔氨水升温吸热H14查得在平均温度下，Cp=5.112kJ/(kg℃)16.CH3NH2出塔温度升高的吸热量H1517.出塔尿素升温吸热H16H16=10079.84×1.992×(188-152)=7.23k×105J18.尿素合成塔热损失H17故得3.2解吸塔的计算1.条件合成塔的工作温度为2.计算以为基准：(1)(2)蒸汽带入热量为H2(3)分解热H3(4)解吸热H4(5)H5由上述计算：(6)液体带出热H6(7)热量损失(8)G的计算2724.7G=105426.83.3氨冷凝器的计算(1)未凝气放出热量H1(2)气氨的冷凝热H2查图1.765Mpa，38℃，i=597.624kJ/kg(3)冷凝水移走热量H3H3=-(H1+H2)=3911.5+1.42×107=1.43×107kJ3.4二氧化碳压缩系统1.计算(2)一段压缩气体放热H1冷凝水量：(3)二段压缩气体放热H2(4)三段压缩气体放热H3H3=8057.31(7688.1-6171.4)=1.22kJ×107(5)四段的放热量为H4(6)冷却水移走热的热量H5

4主要设备工艺计算与选型4.1合成塔塔高塔径的计算生产过程中的体积容量:最佳的转化率为72%在设计的过程中根据专业知识以及相关的参考书可以确定合成塔的最大生产强度取中间值为年生产最大生产强度:在设计过程中可以参考原料:计:7原料反应时参与反应的气体的密度参与反应主要气体的流量在反应塔中的气体流速:塔径：取标准:D=4m塔高4.2合成塔塔理论板数的计算(1)根据挥发度由高到低的顺序查专业手册得到、、、可以的到塔顶和塔底的具体物料分布因此可以设计二段分离塔：塔顶的组分构成：塔顶的组分构成：由所以(2)溶液中所含气体的挥发度查阅本专业书籍确定了个气体的饱和蒸汽压则（3）由公式求得最小理论塔板数根据公式带入数据可求得最小理论塔板数为0.64，但是并不能包含再沸器（4）计算最小回流的比值根据操作线方程：（式4-5）得又根据操作线与线的交点坐标可得：由以上两式可以求得，则：操作回流比则取即解得（5）塔板效率的工艺计算根据设计条件可以求得塔顶塔底的温差为：再次温差条件下水和氨的粘度分别为：故可以求得从而的塔板效率:（6）实际生产过程中的塔板数故应该取块，但是在实际过程中应该以块为基础进行设计（7）设计以及生产过程中加料板数的确定依据前面的设计工艺参数可得：在时根据上述计算同理可得可以求出由此可得塔板效率则实际所用板数为（实际需要六块板）在生产过程中在低块4.3一段蒸发器设备计算（1）传热温差：（2）管内尿素给热系数计算：一般选用规格：根平均沸点：在0.032兆帕时物性参数取自熔融尿素：进口的密度：普兰特准数：进口状态：液相密度体积流量：；流速：出口状态：气体约为水的气体密度：流速：（3）传热面积的计算：所以跟预算的基本吻合。（4）加热室主要尺寸：选用长米的无缝钢管根，按三角形排列取管心距以则（5）分离室尺寸：取蒸发量；取允许蒸发体积强度则分离室内经：4.4流体力学的计算（1）气相负荷极限气相负荷上限：气相负荷下限：（2）液相负荷极限：上限：下限：图4-1液相负荷性能图4.5设备选型根据相关设计手册可以进行一下设备的选型：1.泡罩中心距选用0.11的；2.泡罩数量27个；3.泡罩排数3；4.堰长0.356m；5.堰宽0.074m；6.堰高0.055m；7.静液封20mm；8.动液封40mm；9.板间距0.4m；10.降液管液体停留时间11.297s；11.泪孔选用的一个；12.塔板压降0.0869m液柱；13.全塔压降0.96m液柱；5环境保护与安全措施5.1环境保护1.废气治理，对于超标的废气用铜洗再生气、合成弛放气、氨储罐弛放气经“三气”回收送居民区作燃气使用[