【《年产130万吨尿素的生产工艺设计》13000字】

年产130万吨尿素的生产工艺设计摘要尿素是高浓度氮肥，在世界各地有着广泛的用途。尿素的生产方法也有许多种，最为广泛应用的生产方法为水溶液全循环法，二氧化碳汽提法和氨汽提法这三种。最先引入到我国的是水溶液全循环法，而且我国大多数尿素生产都用此方法。本设计为130万吨尿素生产设计。经过查阅资料和文献，对尿素进行了介绍；选择了合适的生产方法，采用了水溶液全循环法为设计依据进行设计，对尿素合成塔，加热器以及分解塔做了物料衡算，热量衡算和设备的计算。提出了环境保护要求及安全措施。最后绘制了主要设备图，物料流程图和带控制点的工艺流程图，完成了本次设计。关键词：水溶液全循环法物料衡算热量衡算设备计算环境保护1绪论1.1概述我国面积广大且农作物占地面积也巨大，因此对农药以及肥料的需求量也超大。在化学肥料中氮肥的需求量最大，应用最广泛；而尿素为氮肥中的一个重要品种，在工业和农业上都具有广泛的用途。在工业上，尿素的主要用作合成材料的原料生产其它产品，比如可以制成生产塑料和喷漆的中间产物尿素甲醛树脂，尿素还可以用于纺织业与纸张的制造。另外，尿素也出现了许多新用途，可以用于医药，试剂和汽车尾气的处理多方面。在农业上，尿素主要用作化学肥料。尿素作为氮肥的一种，其含氮量很高，是其他普通氮肥的1.3~2.6倍；由于尿素的含氮量较高，使用性能较好，在化肥种得到广泛应用。施于土壤中不残留使土地恶化的酸根，长期使用不会使土质结板，分解出的二氧化碳植物可以吸收。此外，尿素的施用方便，储藏性能好，不分解、不结块、不吸潮、不爆炸且流动性好，是一种优质化学肥料。全球消费尿素的地区居多，主要包括中东、北美、西欧、东亚、南亚、东南亚以及其他地区。未来尿素的需求将持续增加，且主要用作化肥，在农业中体现它的价值。尿素作为最重要的氮肥，在世界各地的发展是十分迅速的，为今后的发展提供了无限的空间。尿素的生产工艺较为成熟，目前我国尿素生产的主要方法有水溶液全循环法、二氧化碳汽提法与氨汽提法三种生产工艺。水溶液全循环法是我国大多数中小型尿素（4万t/a～20万t/a）生产所采用的主要方法。它具有合成塔内转化率高，且未反应物采用三段减压分解，动力消耗的能量较大，尾气压力、温度都比较低，爆炸危险极小等特点。此方法生产工艺比较成熟，操作方便简洁，机泵和非标设备都为国产机械脲。1.2理化性质1.2.1物理性质尿素，化学名称:碳酸二胺，化学式为CO(NH2)2。相对分子质量为60.06，尿素中氮的含量为46.65%，在所有氮元素化学肥料中含氮量是最高的。[1]纯尿素常温常压下为无色无味的针状或柱状晶体，工业上所用的尿素颜色多为白色或淡黄色。存在与市场上的尿素一般为白色颗粒状。颗粒状尿素不易结块，便于包装、运输和储存，也方便使用。[1]尿素的密度较轻，常温常压下结晶密度为1335kg·m-3,堆积密度为520~640kg·m-3。粒状尿素堆积时，其斜面与水平面有一25~27℃的夹角，这个角称为堆积角。纯尿素的熔点为132.6℃，常压下温度超过熔点纯尿素即分解。尿素易吸湿，易溶于水中和液氨中。尿素水溶液呈微碱性。1.2.2化学性质尿素是由碳、氢、氧、氮四种元素组成的有机化合物，又称脲。因在人与哺乳动物的尿液中含有此种物质，故称为尿素。尿素易溶于水，常压下在20℃时，100mL水中大约可溶解尿素105g，溶解后的水溶液呈微碱性。[1]尿素能与酸反应生成盐；高温下能进行缩合反应。常温时，尿素在水中将缓慢进行水解，先转化为氨基甲酸铵，再由氨基甲酸铵形成碳酸铵，最后分解生成氨和二氧化碳。并且随着温度的升高，尿素在水中水解速率加快，水解程度也增大。尿素也溶于甲醇、乙醇与甘油，但不溶于氯仿与乙醚。（1）分解反应；尿素在常温常压下加热可分解为氨气和氰酸，化学反应式如下：NH2CONH2→NH3↑+HNCO（2）缩合反应；尿素缩合反应的主要产物有缩二脲、缩三脲、三聚氰酸、三聚氰胺等；且蒸发过程中主要是生成缩二脲的反应，其反应方程式如下：NH2CONH2→NH3↑+HNCO尿素在高温、加压、或催化剂的条件下，能缩合生成三聚氰胺，其反应方程式如下：6NH2CONH2→6NH3↑+C3N3(NH2)3+3CO2↑（3）水解反应；常温时，尿素在水中缓慢进行水解。尿素水解的反应方程式如下：NH2CONH2+H2O→NH2COONH4NH2COONH4+H2O→(NH4)2CO3(NH4)2CO3→2NH3+CO2+H2O1.3尿素的用途1.3.1作为原料尿素是三聚氰胺、水合肼、咖啡因、脲醛树脂、四环素、苯巴比妥、酞青蓝B、酞青蓝Bx、还原棕BR、味精等多种产品的生产原料。1.3.2医学方面尿素是人体蛋白新陈代谢后的物质，它主要在人体的肝脏中合成，随后融入血液种子，最后通过肾脏从尿道排出，但也有少量的尿素经汗液排出。尿素的作用有：（1）维持人体尿素循环，由尿素的形式从尿道排出身体中存在的氨；（2）经过肾脏的尿素从肾小管里被引进到肾皮质，从而提高肾皮质的渗透浓度，促进水分由肾小管渗透回身体中重新被身体利用；（3）临床学上用来监测血尿素，可以大概的观察到肾小球的过滤功能；尿素是脱水利尿药物，它可以调节血浆渗透压，从而使组织内的水分进入到血管内，特别是对眼，脑和脑脊液的调节，减轻组织水肿，降低眼内压，颅内压和脑脊液的压力。所以在临床上尿素主要用来脑水肿和青光眼的治疗。1.3.3作为化肥尿素是一种有机态高浓度氮肥，在所有固体氮肥中，尿素的含氮量最高，属于中性速效肥料，也可用于其他复合肥料的生产。尿素经过土壤中的脲酶作用，水解成碳酸氢铵或碳酸铵后，才能被植物所吸收利用。它使用完后在土壤中不会残留任何有害物质，且长期使用不会影响土壤土质。尿素可以用作基肥和追肥，有时也可用作种肥。尿素在转化前是以分子态存在的，不能被土壤吸附，应防止随水流失；转化后形成的氨也易挥发，因此在使用中尿素要深施覆土。另外尿素中含有的缩二脲也可以在脲酶的作用下分解为氨和碳酸，尿素在土壤中转化受土壤pH、值水和温度的影响；在土壤中呈中性反应，在水分适当的情况下，土壤温度越高，转化速度越快；尿素适用于一切农作物和所有土壤，多用作基肥和追肥，旱水田都可以使用。由于尿素在土壤中转化可形成大量的铵离子，它会导致土壤pH上升2-3个单位，并且尿素自身含有一定数量的缩二脲，其浓度在500ppm时，会对农作物的幼根和幼苗产生抑制作用，因此尿素大多数情况下不宜用作种肥[2]。1.3.4尿素新用途尿素用在医学和化肥的用途已是众所周知，近些年科学家又发现了尿素的新用途，用尿素来净化汽车尾气。荷兰国家实验室TNO研究员从尿素中提取到一种化学制品，它可以减少柴油发动机排放的氮氧化物达80%。[3]为了减少柴油发动机排放的废气中氮氧化物的含量，荷兰国家用一种尿素溶液注入到柴油发动机的催化裂化器中。将尿素加入到柴油发动机的催化裂化器后，从废气中带来的热量将尿素分解为氨和二氧化碳，随后氨和废气中的有害氮氧化物进行反应，得到无害的氮和水蒸气，这便是用尿素净化汽车尾气的原理。[3]1.4尿素发展历史尿素最开始是在动物的排泄物中发现的，1773年法国化学家侯艾尔（HilaireRouelle）蒸干人尿得到一种白色结晶物质，并命名为尿素。1798年富克拉伊（Rourcray）从尿素硝酸盐中制得纯尿素。[1]1818年，Prout经过分析得出准确的尿素分子式；1928年，德国化学家维勒（FriedrichWohler）首次用氨和氰酸人工合成尿素，在尿素发展史上具有重要意义。自1986年Bassroff提出由氨和二氧化碳反应合成尿素之后，直到1920年德国实现了以氨和二氧化碳为原料反应制得尿素的工业化生产；目前，以氨和二氧化碳直接合成制尿素的方法成为世界上最经济的氨加工生产氮肥的主要方法。1.5尿素合成机理氨与二氧化碳合成尿素的反应机理一般是在液相中分两步反应的，反应条件为高温高压。第一步反应为高压下液氨与气态二氧化碳反应生产液态甲铵，其反应方程式如下：2NH3(l)+CO2(g)→NH2COONH4(l)该反应为放热可逆反应，在常温下反应可以进行到底，但反应速率很慢；在高温高压下，反应速率很快且反应进行的很完全，而且反应很容易达到化学平衡状态，在平衡条件下二氧化碳的转化率也会比较高。第二步反应为甲铵脱水生成尿素，其反应方程式如下：NH2COONH4(l)→CO(NH2)2(l)+H2O(l)该反应为吸热可逆反应，需要在液相中进行反应，且反应速度比较缓慢，反应不容易达到平衡状态，而且反应不完全，反应的转化率比较低，大约在50%-70%左右。因此，这也成为了尿素合成过程中的控制反应。以上两反应结合得到氨的合成总反应方程式：2NH3(l)+CO2(g)→CO(NH2)2(l)+H2O(l)由于反应不完全，受化学平衡的限制，氨和二氧化碳只能部分转化为尿素。1.6国内尿素的合成工艺目前存在的合成尿素的方法大约有五十多个反应，方法虽多，但真正具有工业价值的只有两个，一个是氰胺化物的水解，另一个是目前普遍采用的二氧化碳与氨的反应。我国尿素生产的方法主要有三种，分别为水溶液全循环法，二氧化碳汽提法和氨汽提法。尿素合成主要工艺参数：（1）温度：180~220℃（2）压力：18~25MPa（3）氨碳比：3~5（4）水碳比：0.5~1（5）原料纯度：二氧化碳纯度应大于98.5%（体积分数)1.6.1水溶液全循环法水溶液全循环法是将未转化的氨与二氧化碳用一定数量的水吸收，在经过减压和加热分解，从得到的尿素溶液中分离出来，使分离出来的氨与二氧化碳重新回到高压合成塔中反应，使反应的利用率达到最大化。操作条件：合成塔操作压力：19.6MPa反应温度：188℃氨碳比：4.0二氧化碳转化率：64%合成塔顶出来的物质有尿素，未转化的甲铵，过剩氨和水的混合液体。混合物质需要经过三级分解：中压低压和闪蒸分解，三种压力范围为1.8~2.5MPa、0.2~0.5MPa和0.5MPa（真空度），才能使反应物和未反应物及其他杂志得到比较完全的分离，在经过二段造粒，最终得到纯尿素溶液，而且可以将未反应的物质回收利用。此方法是20世纪60年代我国中小型尿素生产主要的方法；该方法的显著特点是合成塔塔内转化率比较高，尾气压力和温度偏低，爆炸的危险性较小，而且工艺流程较为成熟。它无高压分解回收流程，高压设备少，投资费用低，但公用工程总体水平消耗比较高，能耗高。1.6.2二氧化碳汽提法二氧化碳汽提法多用于大型设备装置中，其主要特点是在最佳的氨碳比条件下，使合成压力降到最低，在合成压力下进行二氧化碳的汽提和冷凝，产生的冷凝热能产生蒸汽，可作为蒸汽喷射器的动力蒸汽与系统保温。二氧化碳汽提法打破了水溶液全循环法将未反应完的物质回收利用的方式，大幅度降低了尿素生产中消耗的能量，简化了工艺流程，同时也减少了设备用量；并且二氧化碳汽提法用到的池式冷凝器与水溶液全循环法中的降膜式冷凝器比较有诸多优点；池式冷凝器合成塔容积减少了40%，使尿素装置的整体框架高度降低，降低了安装难度；同时增大了传热系数和传热温差，减少了传热面积，增大了操作弹性[4]。而且此方法对操作条件的操作要求比较高，并且设备易腐蚀，尾气处理存在爆炸的危险，危险性较大。二氧化碳汽提法工艺改进后，采用高压下的原料二氧化碳其他脱氢技术，杜绝了尾气处理爆炸的危险性；因此，我国尿素生产装置大多数采用的改进后的二氧化碳汽提法工艺。1.6.3氨汽提法氨汽提法是20世纪60年代意大利Snamprogetti公司开发的生产尿素的工艺，用氨气作为合成反应液的汽提剂生产尿素。70年代又将工艺升级，通过提高温度增强汽提效果。氨汽提法的操作条件：合成塔操作压力：15Mpa合成塔操作温度：185~190℃氨碳比：3.4~3.6水碳比：0.4~0.6二氧化碳转化率：65%该方法的主要流程装置有：合成塔装置与高压回收装置中压提纯与氨回收低压提纯与回收真空预浓缩真空浓缩造粒系统该方法生产尿素的主要特点是氨的自提，汽提塔采用降膜式汽提塔，操作温度高，塔内过剩的氨自汽提，汽提效率高，甲铵分解率增高，动能消耗小，转化率高，操作弹性大，易于操作控制，便于安装检修，爆炸危险性小，而且工艺冷凝后可以实现二次利用，属于清洁技术，无污染。但氨汽提法生产尿素的效率不如二氧化碳汽提法高。1.7国外合成尿素的方法除了我国生产尿素的三种主要方法外，国外也出现了一些尿素合成的新方法。（1）日本东洋高压公司“联脲法”合成尿素日本东洋高压公司为了防止尿素汽提过程中汽提反应器和氨基甲酸盐冷凝器的材料腐蚀，将传统“联脲法”改进，在暴露于腐蚀环境的器材表面，以氧形成氧化膜，达到防止腐蚀设备的效果。而用于形成氧化膜的氧，以空气为原料制取。主要过程包括：将氨和二氧化碳在合成反应器中反应生成尿素，但在两者反应过程中存在过剩的氨，而且未转化为尿素的氨基甲酸铵会分解为氨与二氧化碳，以氨与二氧化碳的气态混合物形式从反应器的流出物中分离，气态混合物由溶剂吸收或冷凝，由此形成的液体循环入合成反应器中。[5]日本东洋高压公司“联脲法”生产尿素的主要特点是：通过压力摆动吸附法，生产比空气中氧浓度高的气体，称为浓缩氧气；然后将供给的浓缩氧气体与二氧化碳原料气体混合，用于尿素生产设备内表面使用材料的防腐。（2）意大利斯纳姆公司用氨气“汽提”氨基甲酸铵法合成尿素意大利斯纳姆公司与20世纪60年代开始研究尿素的生产，1966年建成以氨为汽提气的日产70吨尿素生产装置。工艺流程由以下几部分组成：二氧化碳气体的压缩液氨的加压高压合成与氨气提回收中压分解与循环回收低压分解与循环回收中低压分解与循环回收真空蒸发与造粒解吸与水解系统工艺特点：斯纳姆公司是一种以氨为汽提剂的全循环汽提法生产尿素的工艺，用合成塔出口溶液中所含的过量氨，在降膜换热器中把二氧化碳汽提出来；同时汽提出来的二氧化碳与氨，在操作压力与合成塔相同的甲铵冷凝器中重新反应合成氨基甲酸铵，继而再送回合成塔生产尿素。[6]此方法降低了蒸汽耗量，同时因汽提塔与整个高压装置中存在有大量过量氨，降低了设备的腐蚀成度，使钝化氧气量降低，塔内惰性气体浓度降低，从而提高了转化率；而且减少了对环境的污染。（3）美国化学建设公司热循环法合成尿素美国化学建设公司绝热的离心压缩机压缩未反应完的气体，将其转送至合成塔；同时压缩气体产生的热能与氨基甲酸铵的反应热和冷凝热都加以利用，产生大量蒸汽用于自给。[7]该方法工艺先进且节能效果显著，使得尿素转化率高达75%，而且因热能的合理利用，使得总能耗相比其他工艺降低了50%以上。（3）荷兰斯塔密卡邦公司二氧化碳汽提法合成尿素荷兰斯塔密卡邦公司采用了与斯纳姆公司截然相反的以二氧化碳为汽提剂生产尿素的工艺路线。斯塔密卡邦公司为了降低成本，将技术改进，最具有代表性的为尿素2000+TM超优工艺，其主要特点有:采用了新型高效的塔盘，塔盘上设有气体分布系统液体上升管，使得塔盘上的气相和液相混合均匀，消除了常规塔盘存在的沟流与返混现象；将立式池式反应器换为卧式池式反应器，并且反应器上带有浸没U型管束；降低尿素生产主框架的高度，通过采用新型高效塔盘、卧式池式冷凝器、减少合成塔高度等方法，从而降低主框架高度，降低成本消耗；增设二氧化碳脱氢装置，使得二氧化碳中氢气的体积分数由0.5%降至0.005%以下。[8]1.8选取工艺方法及理由本设计尿素生产的工艺选用水溶液全循环法，水溶液全循环法工艺流程比较成熟，在我国得到了广泛的应用。而且我国对尿素生产工艺的研究与开发，都是以水溶液全循环法为基础，在此工艺上不断改进；所以累积了工艺流程设计，设备制造与操作技术多方面的经验，并改造出中国式改良型水溶液全循环法。并且各设备需要的材料国内都比较容易得到，能成套制造生产设备。所以综合考虑本设计选用水溶液全循环法。1.9尿素流程简图

2物料衡算2.1物料流程草图本设计简单介绍了尿素合成工段与分离工段的设计内容，并对相关内容进行计算与设备选型，流程简图如下:2.2合成塔2.2.1反应结构简图及已知数据的计算查《氮肥工艺设计手册》[9]可以得到:尿素成品中含氮量为:46%(折算成尿素含量为98.7%)通过计算得出一段分解塔尿素出口的质量含量百分比[9]为:通过计算得出二段分解塔尿素出口的质量含量百分比[9]为:假设，分别为一段分解塔和二段分解塔的尿素量，则通过质量守恒定律可以得出:一段分解塔尿素量为:二段分解塔尿素量为:查《氮肥工艺设计手册》[9]可以得出转化率为,所以合成塔尿素的生成量为:合成塔中生成尿素的二氧化碳的含量为:合成塔中CO2未转化为尿素的量为:反应前进入合成塔中CO2的总量为:进入合成塔中的NH3的量为:合成塔中H2O的量为:2.2.2物料衡算计算总量为:130万吨成品尿素进入合成塔的各组分含量为:反应完出合成塔的各组分的含量为:由物质质量守恒定律可得:在合成塔里反应的方程式为:合成塔中甲铵的生成量为：合成塔中液氨的消耗总量为：反应结束后产生的过量的氨量为:2.2.3合成塔物料平衡数据表合成塔输出物料可表示为:2.3一段分离器2.3.1反应结构简图及已知数据的计算查《氮肥工艺设计手册》[9]可以得到一段分解塔出口物质中各组分所占总体的百分数分别为:CO(NH2)2:0.6142.3.2物料衡算计算总量为:130万吨成品尿素由物质质量守恒定律可得:分解塔出口物质各组分含量为:分塔出口物质气体组分含量为:由物质质量守恒定律可得:反应生成甲铵消耗的液氨量为:二氧化碳与液氨生成甲铵的含量:反应过程中存在于水中的氨量:2.3.3一段分离器物料平衡数据表单位(105t/a)CO(NH2)2:12.8CO(NH2)2:12.830.5%CO2:0.671或NH4COONH2:1.19322.2%NH3:1.71氨水:6.90747.3%H2O:5.68其中:NH31.227H2O5.68总计20.9总计20.92.4二段分解塔2.4.1反应框图及已知数据二段分解塔物料结构简图如下所示:查查《氮肥工艺设计手册》[9]可以得到二段分解塔出口物质中各组分所占总体的百分数分别为:2.4.2物料衡算计算总量为:130万吨成品尿素分解塔出口物料各组分质量为:分解塔出口物质各气体组分质量为:由物质质量守恒定律可得:分解塔中反应生成甲铵的总量:反应过程中消耗的液氨量:反应过程中剩余的液氨量:2.4.3二段分解塔物料平衡数据表(注:忽略反应过程中产生的氨气量)四川理工学院毕业设计(论文)热量衡算第三章二段分解塔出口物质物料组成还可表示为:单位:(105t/a)CO(NH2)2:9.98CO(NH2)2:9.98CO2:0.078或NH4COONH2:0.138NH3:0.118氨水:4.032H2O:3.98其中:NH30.052H2O3.98缩二脲:0.06缩二脲:0.06总计14.21总计14.21

3热量衡算3.1合成塔3.1.1工艺条件进入合成塔压力进入合成塔压力进入合成塔压力3.1.2流程简图图3-1合成塔热量衡算结构简图3.1.3热量衡算以常温下25℃各设备反应所需的热能为计算依据：1.CO2气体降温降压所消耗的热能=1661=1742.液氨降温降压所消耗的热能及汽化吸热所需要的能量由图[9]查得:时=1时=2603.反应生成甲铵的反应热(此过程为放热过程，会产生热能)查《氮肥工艺设计手册》[10]有:在,反应生成固体甲铵反应热为:4.加热固体甲铵产生的能量查《氮肥工艺设计手册》[10]可得到固体甲铵从常温升至产生的热焓值为5.固体甲铵加热至熔融状态所产生的能量查《氮肥工艺设计手册》[9]可以得知固体甲铵转化为熔融状态时所产生的热能为:6.甲铵脱水生成尿素所吸收的能量在时反应生成尿素所产生的热能7.混合物吸热转化为熔融状态所产生的热能查《氮肥工艺设计手册》[9]可以得到混合物中各组分的比热值：8.液态水吸热所产生的能量定性温度为:查《氮肥工艺设计手册》[10]可以得出则9.液态水吸热所产生的能量查《氮肥工艺设计手册》[10]可以得出则10.反应中未全部反应的氨所吸收的热量查《氮肥工艺设计手册》[9]有:11.反应过程中未反应完的液氨汽化所吸收的热能12.反应过程中过量氨吸热所产生的能量查《氮肥工艺设计手册》[10]得:13.反应中过量氨与水混合所吸收的热能反应完成后氨水的浓度为:混合热为反应开始前氨水的浓度为:混合热为14.反应设备合成塔所损耗的热能查《氮肥工艺设计手册》[9]中尿素生产设计合成塔损耗的热能为：本设计工作时间为天,则合成塔损耗的总热能为：15.合成塔热平衡故有:查图[9]:即氨的预热温度为则:3.1.4合成塔热量平衡数据表合成塔热量平衡数据表如下:3.2一段分离器3.2.1工艺条件1.进口物料()2.出口物料()3.2.2热量计算以常温下25℃各设备反应所需的热能为计算依据：1.反应熔融物带入的热量查《氮肥工艺设计手册》[9]可知反应熔融物的比热为则:2.反应熔融物带出的热量取氨水的比热为:.尿素的比热为:甲铵的比热为:则:3.气相中CO2带出的热量由可查得:则：4.气相中NH3带出的热量查NH3,I-图[9]可得:则：5.气相中H2O带出的热量查H2O图[9]可得:2.17atm,160℃时,=6241atm,25℃时,=25则:气相带出的热量总和为:则：6.热负荷=7.热损失查《氮肥工艺设计手册》[9]得:取进热负荷的数值为1.65%则：8.加入的蒸汽负荷量解得选用12.5，查《氮肥工艺设计手册》[9]可得,水的冷凝潜热为：由可得，加热介质的量为：3.2.3一段分离器热量平衡数据表一段分离器热量平衡数据表如下：3.3二段分解塔3.3.1工艺条件1.进二段分解塔尿素溶液温度2.出二段分解塔尿素溶液温度3.出二段分解塔气体温度4.二段分解塔气体各组分分压:CO2:atmNH3:atmH2O:atm3.3.2热量计算1.溶液带入热量由一段分解塔的热量计算有:2.尿素溶液带出的热量故尿素溶液的浓度如下:H2O3.98×105t/a28.5%CO(NH2)29.98×105t/a71.5%合计13.96×105t/a100%查图1-79[9]有:71.5%的尿液的比热容为3.分解的气体带出的热量查《氮肥工艺设计手册》[10]有:对CO2:则:对NH3:则：对H2O:则有：4.热负荷=5.热损失查《氮肥工艺设计手册》[9]得热损失得值为进热负荷的4.6%)6.加热蒸汽供给热量选用12.5，，查《氮肥工艺设计手册》[9]得，水的冷凝潜热为：由可得，加热介质的量为：3.3.3二段分解塔热量平衡数据表4主要设备工艺设计4.1合成塔合成塔的主要制造材料是不锈钢衬里,空的高压容器。塔的外筒为多层卷焊受压容器,也可以整体锻造。内部衬有一层耐腐蚀的不锈钢板,使筒体和尿素甲铵腐蚀介质隔离。外壳保温,防止热量外散,不设置内件,塔的高径比较大。[6]在塔内,氨基甲酸铵脱水生成尿素。4.1.1设计条件按照生产要求查得：CO2转化率:计算得:生产能力:(工作时间为340天,每天按24小时计算)4.1.2合成塔的有效容积计算合成塔得容积得先确定合成塔的生产强度查《氮肥工艺设计手册》[9]中图4-1[9]可得为12.7结合计算结果实际选取（为技改空间），裕度为30%则实际生产强度为:选用的尿素合成塔为不锈钢衬里的高压容器[11]。不设置内件,高选取内径1000mm,H=20000mm,V==15.7m3,材质:0Cr18Ni12Mo24.2一段加热器一段加热器用来加热从上一反应器流入到此的尿素溶液物质，通过加热使加热器温度达到160℃，达到各组分汽化所需要的温度。使进入其中的各物质汽化。4.2.1设计条件(1)操作压力:P=18atm(绝)(2)操作温度:加热器进口尿液温度t1=124℃加热器出口尿液温度t2=160℃(3)加热蒸汽条件压力:P汽=12.5atm(绝)温度:t汽=188.9℃冷凝温度:t凝=188.9℃冷凝潜热:r=475(4)热负荷(5)物料浓度加热器进口尿液浓度:加热器出口尿液浓度:(6)有效平均温度(7)查[9]得4.2.2传热面积A由已知条件得传热量为选用加热器有[12]:为浮头式单壳程换热器列管直径管束图型号A,,,规格型号FB4000-25-40-2,材质:Cr18Ni12Mo2Ti4.3一段分离器一段分离器起分离作用，进入一段分离器中的各组分,液相传送到二段分解塔,气相输送至吸收系统。4.3.1设计条件(1)操作压力(2)操作温度t=160℃4.3.2计算1.气相重度查《氮肥工艺设计手册》[9]可知:混合气体的假临界温度℃混合气体的假临界压力温度为:压力为：查《氮肥工艺设计手册》气体的通用压缩系数图[9],得压缩系数为Z=0.96气相重度为2.液相重度将液相视为尿素溶液,查《氮肥工艺设计手册》尿素溶液的蒸汽压力和比重图[9],可得浓度为的尿素溶液重度为3.一段分离器空速4.一段分离器气相负荷5.一段分离器截面积6.一段分离器直径因此，一段分离器直径为那么,,材质:Cr18Ni12Mo2Ti4.4二段加热器二段加热器用来加热从上一反应器流入到此的液相物质，通过加热使反应器温度达到150℃，达到各组分汽化所需要的温度。进入其中的各物质汽化。4.4.1设计条件1.操作压力:P=4atm(绝)2.操作温度:加热器进口尿液温度t1=124℃加热器出口尿液温度t2=150℃3.加热蒸汽条件压力:=12.5atm(绝)温度:=188.9℃冷凝温度:=188.9℃冷凝潜热:r=4754.热负荷5.物料浓度加热器进口尿液浓度:61.44%加热器出口尿液浓度:70.20%6.有效平均温度7.查查《氮肥工艺设计手册》[9]可得:4.4.2传热面积A由已知条件得传热量为选用加热器查[12]有:为浮头式单壳程换热器列管直径管束图型号A,,,规格型号FB4000-25-40-2,材质:Cr18Ni12Mo2Ti4.5二段分解塔二段分解塔用来进一步除去一段分离器未完全除去的和,其操作压力为,进料温度为160℃,塔顶操作温度为,塔底操作温度为150℃,此过程是一精馏的过程,在塔内同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程,可使混合液得到几乎完全的分离。4.5.1全塔理论板数与相关数据的计算(1):CO2、NH3、H2O、CO(NH2)2.规定NH3为轻组分,(假定二段分解塔出口溶液中不含CO2)塔顶的轻组分组成:塔底的轻组分组成:由则:(2)平均相对挥发度查文献[10][13]有:120℃时:NH3的饱和蒸汽压:H2O的饱和蒸汽压:150℃时:NH3的饱和蒸汽压:H2O的饱和蒸汽压:120℃时:150℃时:分解塔平均相对挥发度为:(3)最小理论塔板数Nmin芬斯克方程如下所示：(不包括再沸器)则设备得最小回流比为:进料方式为气液混合进料,所以按照前面计算选取,将带入线方程可得:又因线与实际操作线有交点，且此点在平衡线上，设该点坐标为带入平衡线方程得：故:将上面两方程式联立解得,故最小回流比为;则实际生产中操作回流比为:则查阅集力蓝的图[13]为：故：（其中）得出：(4)塔板效率分解塔塔顶与塔底的平均相对温差为：查《化工原理》[13]可得在140℃时,氨溶液的粘度为：液体水的粘度为：则混合溶液的平均粘度为:故塔板效率为:(5)实际塔板数计算得知实际塔板数为9.29，理论上取10块。但在实际操作中精馏塔板数取。(6)加料板数查[10][13]有:120℃时:NH3的饱和蒸汽压:H2O的饱和蒸汽压:160℃时:NH3的饱和蒸汽压:H2O的饱和蒸汽压:120℃时:160℃时:分解塔平均相对挥发度为:故：前面计算过程可知，所以计算得：塔板效率为:分解塔实际塔板数为：即分解塔理论加料板为从上至下第三层，实际加料板为第十三层。4.5.2塔径，塔高的计算操作条件：塔顶压力4atm,塔顶温度120℃塔底压力4atm，塔底温度150℃进料温度：160℃精馏段所有气体近似为理想气体蒸汽量：液体量：则其体积流量为：查得液体密度[10]则液体流量为:假定板间距为=0.8m,板上液层高度为=0.07m,则:塔板的有效高度为：又动能参数为：查史密斯关联图[13]得则最大允许速度为：取安全系数为0.6,则空塔气速为：塔径为:按标准圆整为：查[13]得塔径时,满足标准系列。提馏段所有气体近似为理想气体蒸汽量：液体量：则其体积流量为：查得液体密度[3]则液体流量为:假定板间距为=0.8m,板上液层高度为=0.07m,则:塔板的有效高度为：又动能参数为：查史密斯关联图[13]得则最大允许速度为：取安全系数为0.6，则空塔气速为:塔径为:按标准圆整为：查[13]得塔径时,满足标准系列。则塔高为:4.5.3溢流装置(1)精馏段①堰长,弓形降液管宽度及面积因塔径D=3600mm，弓形降液管可选用单溢流形式,受液盘采用凹形，不设进口堰.各项计算如下所示:堰长：弓形降液管宽度及截面积由于,查弓形降液管参数得:，验算液体在降液管的停留时间,即:停留时间>5s,故降液管尺寸可用。②采用平直堰,堰上液层高度取,,查得则③降液管底隙高度④塔板布置及浮阀数目与排列取阀孔动能因子,则则每层塔板上的浮阀数为:按标准圆整后:,开孔率为:10.9%,施工备号F0807I。浮阀排列方式采用等腰三角形叉排,同一横排的孔心距，排间距,重新核算孔速及阀孔动能因数:阀孔数在范围内,满足要求。(2)提馏段①堰长,弓形降液管宽度及面积查文献[13]得时,,,,,则验算液体在降液管中的停留时间,即:停留时间>5s,故降液管尺寸可用。②采用平直堰,堰上液层高度取,,查得则③降液管底隙高度④塔板布置及浮阀数目与排列取阀孔动能因子10,则则每层塔板上的浮阀数为:按标准圆整后:,开孔率为:4.74%,施工备号F0810III。浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，同一横排的孔心距,排间距,重新核算孔速及阀孔动能因数:阀孔数在范围内,满足要求。4.5.4流体力学的验算(一)对精馏段进行验算(1)浮阀塔板的压强降①干板阻力:即因,故②板上充气液层阻力进入设备的组分为碳氢化合物,所以取充气系数为0.4则③液体表面张力所造成的阻力:此阻力很小,忽略不计。因此,与气体流经一层浮阀塔板的压强降所相当的液柱高度为:则单板的压降(2)淹塔控制清液层高度,其中,(,)液体通过降液管的压头损失:因不设进口堰,则:取,,则可见,符合防止淹塔的要求。(3)雾沫夹带及板上液体流径长度板上液流面积取物性系数K=1.0查图得泛点系数,则:及直径以上的塔,泛点率,雾沫夹带量满足要求。(二)对提馏段进行验算(1)浮阀塔板的压强降①干板阻力:即因,故②板上充气液层阻力进入设备的组分为碳氢化合物,所以取充气系数为0.4则③液体表面张力所造成的阻力:此阻力很小,忽略不计。因此,与气体流经一层浮阀塔板的压强降所相当的液柱高度为:则单板的压降(2)淹塔控制清液层高度,其中,(,)液体通过降液管的压头损失:因不设进口堰,则:取,,则可见,符合防止淹塔的要求。(3)雾沫夹带及板上液体流径长度板上液流面积取物性系数,查图3-13[10]得泛点系数,代入上两式有:及直径以上的塔,泛点率,雾沫夹带量满足要求。4.5.5塔板负荷性能图(一)精馏段(1)雾沫夹带线由计算,整理得:-----③由式③知雾沫夹带线为直线,则在操作范围内任取二个值,可算出相应的列于如下表中,据此可做出雾沫夹带线(1)。(2)液泛线忽略,则有:因物系一定,塔板的结构尺寸一定,则、、、、、、及等均为定值,又,,均为定值,则上式可简化为:即为:在操作范围内任取若干个值,可得值列于如下表中,可作液泛线(2)。(3)液相负荷上限线(参考文献[13]液体的最大流量应保证在降液管中停留时间不低于3～5s)以作为液体在降液管中停留时间的下限,则:在图上液相负荷上限线为与气体流量无关的竖直线(3)。(4)漏夜线对型重阀,进行计算,则,又有,得:以,作为规定气体的最小负荷的标准,则:据此可做出与液体流量无关的水平漏夜线(4)。m3/s(5)液相负荷下线取堰上液层高度作为液相负荷下限条件.依据如下公式可计算出的下限值,以此就可以作出液相负荷下限线.该线为与气体流量无关的竖直线(5)。,(E=1)即有:(其中)综上可作出(1)、(2)、(3)、(4)、(5)五条线,如下图(见下页):图4-1精馏段塔板负荷性能图由塔板负荷性能图可以看出:①任务规定的气液负荷下的操作点P(设计点)处在适宜操作区的适中位置。②塔板的气相负荷上限由雾沫夹带控制,操作下限由漏夜控制。③按固定的液气比,由图可查得:气相负荷上限,气相负荷下限则操作弹性(二)提馏段(1)雾沫夹带线由计算,整理得:-----④由式④知雾沫夹带线为直线,则在操作范围内任取二个值,可算出相应的列于如下表中,据此可做出雾沫夹带线(1)。(2)液泛线忽略,则有:因物系一定,塔板的结构尺寸一定,则、、、、、、及等均为定值,又,,均为定值,则上式可简化为:即为:或在操作范围内任取若