【《基于水溶液全循环法的年产110万吨尿素生产工艺设计》15000字】

基于水溶液全循环法的年产110万吨尿素生产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 41.1综述 41.1.1尿素的性质与用途 41.1.2尿素的合成机理 41.1.3尿素国内常用合成方法 51.1.4国外合成化学世界尿素工业的发展动向 71.2尿素合成新技术研究与尿素合成转化率影响因素 71.2.1尿素节能降耗新技术的研究 71.2.2尿素合成转化率影响因素 81.2.3尾气吸收与解吸 101.2.4水溶液全循环法主要过程 112物料衡算 122.1设计条件的确定 122.2二氧化碳压缩系统 132.3尿素合成塔 142.4一段分解系统 162.5二段分解系统 172.6闪蒸槽 182.7一段蒸发器 192.9熔融尿素输送及造粒包装系统 212.10一段蒸发冷凝器 222.11二段蒸汽冷凝器 232.12中间冷凝器 242.13系统水平衡及其分配 252.14二循一冷器 312.15二循二冷凝器 322.16氨冷凝器 322.18尾气吸收塔 342.20一段吸收系统 353热量平衡计算 383.1尿素合成塔 383.2解吸塔 413.3氨冷凝器 423.4二氧化碳压缩系统 434设备工艺计算 444.1尿素合成塔计算 444.2解吸塔的计算 454.3塔板数的计算 454.4塔径及附属设备计算 48附录 571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NH4COONH2(液)↹CO(NH2)2(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：NH3(液)+CO2(气)↹CO(NH2)2(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；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Avancore尿素合成工艺在2000+TM基础上进一步取消了高压洗涤器，使高压圈仅剩反应器及汽提塔，同时增加了中压闪蒸部分，其余部分与二氧化碳汽提2000+TM尿素合成工艺相同[5]。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[4]。（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设计条件的确定1.计算基准：以吨尿素为基准2.成品规格:含氮量47%(折合尿素98.7%)(其中未含缩二脲含氮量)缩二脲1.0%水0.51%[20]。3.每10吨原料消耗定额为：NH3：6000kgC02:7850kg4.每吨尿素成品损耗氨的量：总损耗量：5.每10吨尿素成品损耗二氧化碳的量：总损耗量：6.每吨尿素的消耗及其分配[20]：以造粒粉尘的状态损失：一段甲铵泵泄露：包装储运过程中的损失:解析废液过程中的损失：共计：59.01kg7.水解反应过程中消耗的尿素量与分配[20]：一段蒸发系统：二段蒸发系统：共计：94.9kg8.循环尿素量：一段蒸发气体夹带尿素：二段蒸发气体夹带尿素：循环尿素量：9.缩二脲生成量及其分配：二段分解系统反应生成一段蒸发系统反应生成一段蒸发系统反应生成：熔融尿素输送过程中生成：共计：100.0kg2.2二氧化碳压缩系统1.条件组成：C02：N2：O2：气体含硫量可以忽略不计参数：2.计算(1)进入CO2压缩系统的干CO2气体量CO2：7850kg或N2：178.4091×3.8=713.64kmol或178.41kgO2：干C2O气体量：178.4091+89.2046+6.78=274.4kmol(2)C2O气体带入水量H2O:(3)C2O气体在压缩系统主要反应的损失量C02：480.69kg或10.92kmolN2：10.92×3.8/95.7=0.431kmol或12.15kg02：10.92×0.5/95.7=0.057kmol或1.826kg(4)压缩后的CO2气体量(干基)C02：7850-480.69=7369.31kg或N2：或5.937kmolO2：或8.863kmol计：或(5)经过压缩后CO2气体中含水量[20]：时，H2O压力故气相中含水量：(6)CO2压缩机各段排出水量[20]H2O：或2.3尿素合成塔1.条件(1)尿素合成塔原始物料组成：(摩尔比)=4.1(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(摩尔比)=，含循环尿素[20]。2.计算(1)生成尿素的计算:每10吨成品尿素含尿素损失尿素：59.01kg水解尿素[20]：94.9kg生成缩二脲消耗尿素：尿素合成塔反应生成的尿素量：尿素：或消耗氨：或334.46kmol消耗二氧化碳：或生成水：或167.23kmol(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：或N2：或02：或H2O：或(3)入塔一段甲铵溶液C02：或H2O：或NH3：4127.82×3.121×17/44=4977.49kg或292.79kmol尿素：45.98kg或0.766kmol(4)入塔液氨NH3：原料氨消耗定额液氨泵泄露氨：故入塔原料液氨：或循环液氨：13235.01-5707.06=7527.95g或442.82kmol(5)出塔气液混合物尿素：10033.86+45.98=10079.84或167.99kmolC02：或94.082kmolH2O：或350.29kmolNH3：或151.278kmolNH3：283.62kg或16.683kmolN2：166.236kg或5.937kmol2.4一段分解系统1.条件(1)一段分解条件[20]：压力：；温度：，。(2)一段分解效率：甲铵分解率：总氨蒸出率(3)一段分解气含水量(4)加入防腐空气(标)2.计算(1)加入防腐空气空气的摩尔标准体积按计，含氧量取，其余按氨计，空气含水量忽略不计[20]。O2：2×0.2081/22.4=0.0186kmol或0.595kgN2：(2)一段分解气：C02：或82.47kmolNH2：或653.38kmol02：或8.88kmolN2：166.236+1.98=168.22kg或6.01kmolH2O:或23.60kmol(3)一段分解系统出口尿液尿素：或C02：4139.59-3628.76=510.83kg或11.61kmolNH3：或H2O：或2.5二段分解系统1.条件(1)二段分解条件：压力；温度(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%)[20]。(3)二段分解系统生成缩二脲60.1kg2.计算(1)生成缩二脲计算：消耗尿素：6×2×60/103=69.9kg或1.165kmol放出氨：或生成缩二脲：或(2)二段分解排出气体：设气相中含C02—Xkg,NH3—Ykg,H2O--Zkg据气液相组成列出算式：(式2.1)（式2.2）（式2.3）联立得：或或或(3)二段分解排出尿液尿素：或C02：或1.52kmolNH3：或5.24kmolH2O：或293.63kmol缩二脲：60kg或2.6闪蒸槽1.条件(1)闪蒸槽操作条件：压力;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%[20]。(3)闪蒸槽出口溶液组成：尿素：水=71：29(重量比)[20]。2.计算尿素合成塔排出溶液总氨量[20]，C02含量，总过剩氨量：。(1)闪蒸槽排出尿液：尿素：或C02：4139.59×(1-0.991)=37.25kg或0.847kmolNH3或2.52kmolH2O：10063.6×29/71=4110.48kg或228.36kmol缩二脲：或(2)闪蒸槽排出气体C02：66.67-37.25=29.42kg或0.67kmolNH3：88.9-42.78=46.12kg或2.72kmolH2O：5321.37-4110.48=1210.89kg或67.27kmol2.7一段蒸发器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64.8kg，蒸发过程生成缩二脲10.0kg，水解尿素56.61kg[20]。2.计算(1)水解尿素计算：消耗尿素：或消耗水：56.61×18/60=16.98kg或0.94kmol生成C02：56.61×44/60=41.51kg或0.94kmol生成NH3：或1.887kmol(2)生成缩二脲计算：生成缩二脲：10kg或生成NH3：或0.097kmol消耗尿素：10×2×60/103=11.65kg或(3)一段蒸发器出口尿液：尿素：或水：9986.55×4/96=416.11kg或23.12kmol缩二脲：或(4)一段蒸发器出口气体尿素：64.8kg或1.08kmolC02：或1.79kmolNH3：或H2O：或2.8二段蒸发器1.条件(1)二段蒸发器操作条件：压力，温度：(2)二段蒸发汽夹带尿素，蒸发过程水解尿素，生成缩二脲[20]。2.计算(1)水解尿素计算：消耗尿素：或。消耗水：38.3×18/60=11.49kg或生成C02：或0.64kmol生成NH3：(2)生成缩二脲计算：生成缩二脲：或生成NH3：或0.194kmol4消耗尿素：20×2×60/103=23.31kg或0.39kmol(3)二段蒸发器出口熔融尿素造粒：熔融尿素含水50kg或2.78kmol尿素：kg或164.99kmol缩二脲：70+20=90kg或0.87kmol(4)二段蒸发器出口气体尿素：25.0kg或C02：kg或NH3：21.71+3.31=25.02kg或1.47kmolH2O：或19.71kmol2.9熔融尿素输送及造粒包装系统1.条件(1)生成缩二脲(2)造粒粉尘损失尿素(3)成品包装运输过程损失尿素[20](4)随管道尿素流失走的水，缩二脲可以忽略不计[20]。2.计算：(1)生成缩二脲的计算：消耗尿素：10×2×60/103=11.65kg或生成缩二脲：或0.097kmol放出氨：或(2)成品尿素：尿素：9899.94-10-38.3-11.65=9839.99kg或水：或缩二脲：或(3)系统排放物料：氨：或尿素：或2.10一段蒸发冷凝器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90.1%[20]。2.计算(1)未凝气计算时水的饱和蒸汽压为，冷凝液中，尿素含量不高，故符合稀溶液的依数性[20]。冷凝液中水的摩尔数约为96%，则水蒸气实际分压[20]：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PC02=0.257/0.9=0.288kpa漏入系统空气的分压为：P空气未凝气中水蒸气：H2O：(2)一段蒸汽冷凝液C02：78.76+29.42-0.73=107.45kg或2.44kmolNH3：76.51+46.12-9.91=112.72kg或6.63kmol尿素：或2.11二段蒸汽冷凝器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[20]。压力考虑到气体流动的压降。温度(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[20]。(4)溶液中氨的体积摩尔浓度为1.6mol/L[20]。15℃时，水的饱和蒸汽压为1.75Mpa，溶液水的摩尔浓度约为95%[20]。(5)设各组分与溶液呈平衡的分压为实际气相分压的[20]。2.计算(1)尚没有冷凝的计算，由上述条件可求得各组分平衡分压为：NH3：0.90KpaC02：0.061KpaH2O：1.75×0.95=1.663Kpa各组分气相实际分压为：PNH3=0.90/0.91=0.988KpaPH2O=1.6633/0.91=1.83KpaPC02=0.06/0.91=0.067KpaP空气=2.933-0.988-0.067-1.83=0.048Kpa设气相中有，（式2.4）（式2.5）联立解得：X(C02)=或 Y(NH3)=或H2O：(0.005+0.0082)=1.61kg或0.089kmol(2)二段蒸汽冷凝液尿素：或C02：或0.633kmolNH3：或1.39kmolH2O：354.62-1.61=353.01kg或19.61kmol2.12中间冷凝器1.条件：(1)中间冷凝器进行操作的条件[20]：压力，温度(2)反应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[20](3)根据计算测定得数据，冷凝液中(摩尔比)(4)由于反应冷凝液成平衡的平衡分压非常低，因此设全部冷凝[20]。(5)因泄露进出系统的空气量不做计算[20]。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，据测定值氨的平衡分压为，时，水饱和蒸汽压，设各组平衡分压为实际分压的。气相各组分分压为：PNH3=3.45/0.91=3.826KpaPH2O=7.45/0.91=8.187KpaP空气=16-3.791-8.187=3.98Kpa未凝气中NH3：1.39-0.022×3×17/44=1.135kg或0.067kmolH2O：0.067××18=2.61kg或0.145kmol(2)中间冷凝液C02：或NH3：或H2O：1.61+222.34-2.61=221.34kg或12.297kmol2.13系统水平衡及其分配1.系统水平衡(1)解吸塔排走水量计算：进入系统水量：原料二氧化碳带入或。喷射蒸汽或。尿素合成塔生成或。计或系统排出水量：甲铵泵泄露或。一段蒸发水解尿素消耗或。二段蒸发水解尿素消耗或。成品尿素含水或。一段蒸发冷凝器尾气带走或。中间冷凝器尾气带走或。尾气吸收塔尾气带走或。解吸塔排走或。计或故解吸塔排出水：或(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：或甲铵泵泄露或计或返回吸收系统水量：一段分解气含水：或二段分解气含水：或Xkg或计或故由蒸发冷凝液补回水：X=3313.59-1564.44=1749.15kg或97.18kmol2.蒸发冷凝液的分配二段蒸发冷凝液组成C02：或NH3：或H2O：或尿素：或合计或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[20]：C02：或2.45kmolNH3：或H2O：4331.18+221.34=45552.52kg或尿素：或合计：或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[20]：或(1)解吸气计算进入尾气吸收塔的气氨量：218.52kg尾气吸收塔排走：C02：3.06kgNH3：16.68kgH2O：12.35kg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：C02：107.67X/14553.59kgNH3：12.378X/14553.59kgH2O：Xkg尿素：故进入解吸塔的碳铵液为：C02：107.67X/14553.59-3.06kgNH3：H2O：X-12.35kgUr：47.79X/14553.59kg解吸塔排出溶液中含C02：3.51kgNH3：2.73kgH2O：3149.44kg解吸气组成为：C02：NH3：H2O：X-12.35-3149.44=X-3162.8kg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（式2.6）解得：X=345.7kg解吸气组成：C02：或NH3：或H2O：或合计：或(2)进入尾气吸收塔的蒸发冷凝液：C02：或NH3：或H2O：或尿素：或合计：或(3)返回吸收系统的蒸发冷凝液：C02：107.67-81.77=25.83kg或0.59kmolNH3：112.98-85.81=21.17kg或1.6kmolH2O：或尿素：或0.192kmol合计：或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：或NH3：或H2O：1095.4+354.62=1450.02kg或80.56kmol尿素：11.5+34.22=45.72kg或0.762kmol合计：或(4)加入二循一冷凝器的蒸发冷凝液二循环冷凝器操作温度40℃，压力0.2944Mpa查得，此条件下(重量比)(重量比)二段分解气中产生C02大多数进入二段甲铵液进行反应，设由蒸发冷凝液中带入二循一冷凝器的C02量为，则随C02进入二循环冷凝器的水为[20]二段分解气有C02：44.416kgH2O：55.91kg解吸气有计故有（式2.7）解得X=8.02kg故加入二循一冷凝器的蒸发冷凝液为：C02：或NH3：或H2O：或尿素：或合计：或(5)加入二循二冷凝器的蒸发冷凝液C02：或NH3：或H2O：或尿素：或合计：或2.14二循一冷器1.条件据前节计算，二循一冷凝器操作条件为：压力0.294Mpa，温度40℃。二段甲铵反应的主要溶液成分:(重量比)(重量比)二段分解及解吸气中的，水蒸气全部进入液相。2.计算(1)二段甲铵液C02：或11.68kmolNH3：1.95×513.95=1002.2kg或58.95kmolH2O：或尿素：或(2)二循一冷凝器排出气体或2.15二循二冷凝器1.条件(1)二循二冷凝器操作条件：压力0.245Mpa，温度40℃(2)进入二循二冷凝器的气氨全部冷凝。2.计算排出二循二冷凝器氨水组成：C02：或NH3：或H2O：kg或尿素：或2.16氨冷凝器1.条件(1)氨冷凝器执行冷凝过程的操作条件[20]：压力，温度(2)进入氨冷凝器的C02，H2O忽略不计。2.计算由尿素合成物料衡算知，循环液氨，即为氨冷凝器冷凝氨量时，氨的饱和蒸汽压[20]。进入冷凝器的惰性气体量：02：或N2：或计或故氨冷凝器排出气体中氨量为：kmol进入氨冷凝器气体中氨量为：或2.17惰性气涤塔1.条件(1)惰性气涤器操作条件：压力，温度[20]。(2)惰性气涤器排出气体组成：含氧量，，含量忽略不计[20]。2.计算(1)惰性气涤器排出气O2：或N2：或或(2)惰性气涤器排出浓氨水C02：或NH3：68.396+659.8-217.63=1126.13kg或66.24kmolH2O：或尿素：或2.18尾气吸收塔1.条件尾气吸收塔操作条件：压力101.325Mpa或40℃。2.计算收入蒸发冷凝液中水的摩尔分数：18.9906/19.8021=96.05%40℃数时水的饱和蒸汽压：8.222Mpa尾气中水的分压：8.222×0.9605=7.897Mpa(1)尾气吸收塔尾气CO2：或NH3：或H2O：或O2：或N2：或(2)尾气吸收塔排出碳铵液C02：或NH3：85.51+218.52-16.68=287.65kg或16.92kmolH2O：或尿素或2.19解吸系统1.条件(4)解吸反应途中加热水蒸气的用料是由计算系统热平衡得到的，其数量为。2.计算(1)解吸废液C02：(3827.2+36.29)×0.09/(100-0.07-0.09)=3.48kg或0.08kmolNH3：(3851.24+36.29)×0.07/(100-0.07-0.09)=2.73kg或0.161kmolH2O：或尿素：或(2)解吸气C02：75.71-3.48=72.23kg或1.64kmolNH3：287.65-2.73=284.92kg或16.76kmolH2O：或2.20一段吸收系统1.收入物料(1)一段分解气体C02：或NH3：或H2O：或O2：或N2：或(2)二段甲铵溶液C02：或NH3：或H2O：或尿素：或合计或(3)浓氨水C02：或NH3：或H2O：或尿素：或合计或2.排出物料NH3：或O2：或N2：或计或C02：或NH3：或H2O：或尿素：或合计或(3)一段甲铵泵泄露C02：10.0kg或0.227kmolNH3：或H2O：或尿素：或合计24.59kg或1.056kmol

3热量平衡计算3.1尿素合成塔1.计算依据原料气体一般进塔压力(绝)，一段甲铵溶液通过管道进入合成塔的压力(绝)，尿素合成塔放出参与反应的物质压力(绝)，2.合成塔放出气体时吸热设气相氨全部来自入塔液氨氨的焓值:设入塔液NH3温度为查得C02的焓值：，时，2.04Mpa,188℃时，i=883.6kJ/kg由氧的i-s图查得氧的焓值：，时，0.436Mpa,188℃时，由氮的i-s图查得氮的焓值：，时，3.306Mpa,188℃时，i=491.1kJ/kgH1=486.31×(1854.1-ix)+179×(491.1-407.9)=948818.27-486.31ixkJ3.进入液相的吸热进入液相，生成的量：4.液氨降温降压气化吸热H3当液氨量：7171.69×34/44=5541.76kg由氨的图查得的焓值：0.101Mpa，25℃，i=176.34kJ/kgH3=5541.76×(176.34-ix)=977233.96-5541.76ixkJ5.NH3、C02生成甲铵放热H4在0.10Mpa，25℃时，气态与生成固态甲铵的生成热为：-158672kJ/kmol6.固体甲铵升温至熔点吸热H5固体甲铵从间的积分平均摩尔比热容为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.循环甲铵与尿素升温吸热H7查图取平均摩尔比热容：查图取尿素热容Cp=1.992kJ/(kmol.℃)9.甲铵脱水生成尿素吸热H8按表，查的甲铵脱水反应生成尿素的反应热为H8=(10131.35-45.98)×21850.9/60=3.67kJ×10610.循环氨水降温放热H9查图，35.43%氨水比热容Cp=4.561kJ/kgH9=5121.49×4.561×(25-95)=-1.63×106kJ11.循环氨降温放热H10由的图查得的焓值：，时存留于液相的循环氨量：H10=7073.59×(529.276-ix)=3.26×106-7073.59ixkJ12.原料C02气体中水蒸气液化放热H11由水蒸气的i-s图查得0.018Mpa，125℃时，i=2526.21kJ/kg19.712Mpa,25℃时，i=104.6kJ/kgH11=3.06×(104.6-2526.21)=-7410.13kJ13.反应生成水降温放热H1219.712Mpa，152℃时，i=641.63kJ/kg19.712Mpa,25℃时，i=105.5kJ/kg反应生成水量：(10079.84-45.98)×18/60=3010.16kgH12=3010.16×(105.5-641.63)=-1.61×106kJ14.液氨溶解于水的混合热H13一段甲铵液中氨水含氨：(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.出塔甲铵升温吸热H15查图得，取甲铵平均摩尔比热容17.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H17H17=142561kJ尿素合成塔热平衡H=H1+H2+H3+H4+H5+H6+H7+H8+H9+H10+H11+H12+H13+H14+H15+H16+H17=0（式3.8）故得查氨的i-p图，该预热器出口液温度为H1=701196kJH2=619889kJH3=-1844547kJ3.2解吸塔1.条件入塔碳铵液温度：查图，省去，溶液和尿素混合在一起尿素会对溶液产生非常大的危害，在操作条件下，沸点为，则合成塔的工作温度为2.计算以25℃为基准：(1)碳铵液带入热量H1H1=-3827.2×4.289×(120-25)=-1559411kJ(2)加热蒸汽带入热量H2H2=-G(27848.7-104.6)=-27744.1GkJ(3)氨水分解热H3(4)C02解吸热H4H4=74.58×452.157=33843.95kJ(5)解吸气带入热H5据二循一冷凝器热量平衡计算：H5=751623kJ(6)解吸气废液带出热H6H6=(319.159+G)(601.659-104.6)=158641+497.059GkJ(7)热损失H7=36224kJ(8)蒸汽用量G的计算热平衡计算方程：H1+H2+H3+H4+H5+H6+H7=0（式3.9）2724.7G=105426.8解得G=38.69kg据此求得：H2=-1.07×106kJH6=1.78×106kJ3.3氨冷凝器1.计算(1)未凝气放出热量H1查图1.746Mpa，50℃，i=1734.15kJ/kg1.47Mpa，38℃，i=1715.12kJ/kg由O的图查得：，时，i=293kJ/kg0.037Mpa,38℃时，i=284.8kJ/kg由氮的i-s图查得：0.016Mpa，50℃时，i=335.6kJ/kg0.258Mpa,38℃时，i=323.6H1(3)气氨的冷凝热H2查图1.765Mpa，38℃，i=597.624kJ/kg(4)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)四段压缩气体放热H4H4=8057.31(7688.1-6171.4)=1.22kJ×107(6)压缩系统冷却水移走热H5

4设备工艺计算4.1尿素合成塔计算选用衬里式合成塔:有效容积:—尿素合成塔的有效容积—尿素的生产能力转化率:64%由尿素的通用设计可查得尿素合成塔的生产强度为10.5t/(℃)生产能力:（式4-1）实际选取450设计裕度为35%实际生产强度:由于进塔气体比出塔气体大的多,故按塔底进料气体计算气相流量.进塔气体:CO2:7369.31kg167.48kmolN2:186.21kg6.65kmolO2:27.9kg0.872kmol.计:7358.42kg175kmol进塔气体密度:（式4-2）气相流量:（式4-3）3300—日产量/t空塔气速:塔径：圆整:D=6m塔高:4.2解吸塔的计算解吸过程的主要物料是水和氨，碳氨液中尿素与二氧化碳摩尔浓度极小，为简化计算，不考虑液相中少量二氧化碳对蒸馏过程的影响，以氨为轻组分，水为重组分，塔板数求取氨-水二元系计算[20]。4.3塔板数的计算(1)一般情况下理论塔板数的计算，考虑-时其溶液组成为：组分、入口氨水、出口氨水(重量)(摩尔)(重量)(摩尔)(重量)(摩尔)（重量）摩尔)氨水溶液及平衡蒸汽的组成，沸点，分压及相对挥发度如下：——相对挥发度（式4.4）平均相对挥发度，平衡关系式为：或（式4.5）或（式4.6）全塔物料衡算关系式为：（式4.7）（式4.8）式中，——气体流量，——气体流量,——残液量，——第块板溶液氨的摩尔分数——残液中氨的摩尔分数——第块板平衡中的摩尔分数m,m+1——自上而下数的塔板序号对下图虚线部分作物料衡算：其中——加热蒸汽量，——残液量，——过程中含量，为0。（式4-7）（式4-8）联立两式，得操作线方程。（式4-9）以L=20.9053，xw=0.075%，w=21.46%，v/=3.8792代入上式得，Ym+1=6.2883×Xm-0.048进料中，，即第一块板(进料板)逐板计算结果如下：操作线方程平衡线方程Ym+1=6.2883×Xm-0.048Xm=Ym/(15.546-14.546Ym)Y1=6.2883×0.0836-0.0048=0.5209X1=0.5209/(15.546-14.546×0.5209)=0.06537Y2=0.40627X2=0.04216Y3=0.26031X3=0.02214Y4=0.13442X4=0.0099Y5=0.05745X5=0.0039Y6=0.01972X6=0.0012Y7=0.00331X7=0.00021已知Xw=0.075%故解吸塔理论板数为8块。(2)实际塔板数计算，蒸馏塔全塔效率按下式计算式中;ET—全塔效率a—相对挥发度u1—液相平均粘度10-3pa.s由图查得，溶液平均粘度：解吸塔底部鼓泡段相当于一块塔板，故解吸塔理论塔板数取7块。实际塔板数：块实际取块。4.4塔径及附属设备计算1.物料物性数据：(1)气体密度：塔顶：塔底：近似取水蒸气重度平均值：(2)液相密度塔顶：近似取塔底：近似取平均值：3(3)气相流量，近似为：式中：3300-尿素日产量，t/d129-平均温度，℃(4)液相流量：(5)表面力塔顶20℃时，620~65.74×10-3n/m其他温度时，§=[(Tcm-t-273)/(Tcm-20-273)]1.2假临界温度Tcm=X1×Tc1+X2×Tc2+X3×Tc3+X4×Tc4+X5×Tc5+X6×Tc6+….+Xi×Tci（式4-10）C(NH3)=405.6K,C(H2O)=647K，Tcm=0.0836×405.6+0.9164×647=626.8k塔顶~65.74×[(626.8-120-273)/(626.8-20-273)]1.2=42.88×10-3n/m塔底，取水的数据§底=50.08×10-3n/m平均值：2.塔径计算取泡罩中心距：查图，Aa/Ac=2.05解吸塔工作负荷与许多因素有关，设计上应考虑有较大的操作弹性以适应不同情况造成的解吸负荷的变化[20]。泡罩齿缝开度hs取,即由式泡罩量m为M=个取个鼓泡面积：取鼓泡面积占塔截面积的60%塔径D=0.77m实际取D=0.8m空塔速度w=0.122×4/3.14×0.92=0.24m/s此设备鼓泡面积为塔板面积的，依据设计的要求，该比例是比较适合的的[20]。3.附属设备计算(1)泡罩选型据表，泡罩主要结构参数为：直径：齿缝开度：齿缝宽度：底面积：齿缝的总面积：升气管×壁厚面积(2)溢流形式由设备的结构特点与设计的需要，采取的溢流形式为单溢流。(3)堰长及堰宽查表，一般取堰长堰宽堰长为塔径的倍最大的堰长溢流量远小于规定值。(4)塔盘布置核算：查表:Af/AT=0.0944溢流堰面积：Af=0.09443.14×0.8×0.8/4=0.047m2鼓泡面积Aa=0.2890m2塔截面积：AT=0.6022使受液盘和溢流面积一致则：比例：因此该塔盘比例与设计符合要求基本符合。泡罩按三列排布，整齐的排布在中间线上，靠近中心两侧[20]。故溢流堰前安定区：ws=250-80-110-80/2=20mm由塔的塔径要求，ws取相对较小的值。泡罩外缘至塔壁最小距离为：Wc=250-110-110/2-80/2=45mm对于的小直径塔，塔盘稳定不晃动且占地面积小(5)齿缝开度由式，正常气量时齿缝开度为：Hs=0.0184m不会产生波动的现象。(6)堰高静液封hss取，按公式堰高：由图查的：故(7)堰上液流高度由式确定堰上液流高度hcwL/(Lw)0.25=3600×0.0016/(0.356)×2.5=76.18Lw/D=360/900=0.4查图，收缩系数E=1.055(8)液面梯度L/D=3600×0.0016/0.8=7.2m3/(m.h)F/=1.05×1.22(2.078)1/2/0.82=0.288Hw=50mm时，查图△0/r=0.78,△/△0=0.5泡罩排数r=35△=0.78×5×0.8=3.12mm(9)动液封，h/s按合成塔在以下进行操作，因此静液封选堰高选60mm，可满足要求(10)板间距HT动液封，齿缝开度，塔板间距降液管物料停留时间按式：T=0.463×0.5/0.0016=14.56﹥3~5s故板间距可选取0.5m.为防止气体走其它不必要的管路，通常情况下取液封高度[20]。两板间隙：间隙流速：(11)泪孔查相关手册知每塔板泪孔面积大概为，一般泪孔直径为泪孔面积3.14/5×0.82=0.5cm2/个泪孔数：个故泪孔数取5个整个合成塔聚集的废液放空时间用以下公式带入的，塔板数取块[20]T/=1.5×25/0.8=20.7h(12)塔高人孔取1个等于0.8m，4.5流体力学计算(1)压降泡罩局部阻力hc升气管净面积：查表，阻力系数Kc=0.2按式Hc=m液柱穿越液层的阻力h液流面积：Wb=1.22/1.01=1.74m/s，Fb=Wb=1.176×=1.7查图，充气系数=0.58将动液封代入式H1=0.58×0.005=0.0029m液柱，经