年產20萬噸水溶液全循環(huán)法制尿素中壓系統(tǒng)的設計年產20萬噸水溶液全循環(huán)法制尿素中壓系統(tǒng)的設計UreaProductionProcessDesignofMediumSysteminAqueousSolutionTotalRecycle200kt/a目錄摘要 IAbstract II引言 1第1章綜述 21.1尿素的物理化學性質和用途 21.1.1尿素的物理性質 21.1.2尿素的化學性質 21.1.3尿素的用途 21.2尿素的發(fā)展史 31.3國外尿素技術市場簡況 31.4尿素生產方法的簡介 41.4.1水溶液全循環(huán)法 41.4.2二氧化碳氣提法 5第2章水溶液全循環(huán)法工藝流程 72.1尿素的合成 72.2尿素的工藝流程 7第3章物料衡算 103.1物料衡算計算條件的確定 103.2一段分解系統(tǒng)的物料衡算 113.3二段分解系統(tǒng)的物料衡算 123.3一段吸收系統(tǒng)的物料衡算 13第4章熱量衡算 164.1一段分解塔的熱量衡算 164.1.1一段分解塔的工藝條件 164.1.2一段分解塔的熱量計算 164.1.3一段分解塔熱平衡表 174.2一段吸收塔的熱量衡算 184.2.1一段吸收塔的工藝條件 184.2.2一段吸收塔的熱量計算 184.2.2一段吸收塔平衡表 20第5章填料吸收塔的設計 215.1塔徑的計算 215.2填料層高度的計算 235.2.1基礎數(shù)據(jù)的計算 235.2.2氣相傳質單元數(shù)的計算 245.2.3氣相傳質單元高度的計算 255.3填料層壓降的計算 265.4塔體厚度的計算 275.5輔助設備的選型 285.5.1液體分布裝置 285.5.2液體再分布器 285.5.3填料支承板 285.5.4填料壓板 28結論 30致謝 31參考文獻 32附錄 33附錄A:尿素生產中壓系統(tǒng)工藝流程圖 33附錄B:填料吸收塔設備圖 33年產20萬噸水溶液全循環(huán)法制尿素中壓系統(tǒng)的設計摘要：尿素是一種重要的化學肥料和工業(yè)原料，在世界范圍內廣泛使用。自從1922年尿素開始工業(yè)化生產以來，許多國家都致力于尿素生產系統(tǒng)的研究，在合成機理、熱力學性質和工藝流程方面都有創(chuàng)新和進展。尿素生產工藝是典型的化工生產工藝之一。目前尿素的生產工藝主要有水溶液全循環(huán)法，二氧化碳氣提法，氨氣氣提法。由于氣提法技術還有很多限制，因此選擇技術比較成熟的水溶液全循環(huán)法。本文介紹了水溶液全循環(huán)法制尿素中壓系統(tǒng)的基本概況，從尿素生產的熱力學參數(shù)入手，對中壓系統(tǒng)流程進行研究設計，以幫助指導尿素工業(yè)生產。設計的主要內容有：（1）闡述了前人對尿素生成的研究概況，分析了現(xiàn)存工藝流程的優(yōu)缺點，在成型熱力學參數(shù)的基礎上，建立了合適的工藝流程；（2）根據(jù)選擇的工藝流程，以尿素生產和消耗為目標，對整個流程進行了物料衡算和熱量衡算。同時對生產系統(tǒng)的關鍵性設備進行了設計和選型；（3）根據(jù)設計數(shù)據(jù)，運用AutoCAD繪制了工藝流程圖和主要設備裝置圖。關鍵詞：水溶液全循環(huán)物料衡算熱量衡算設備選型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;equipmentselection引言尿素的化學名稱為碳酰二胺，分子式為CO(NH2)2，分子量為60.06，含氮量為46.65%。純尿素為無色、無味、無臭的針狀或棱柱狀結晶體。其用途廣泛，不僅是一種用于農業(yè)生產的氮肥，而且是工業(yè)中常用的化工原料。目前國外工藝主要有斯塔米卡邦(STAMICARBON)CO2氣提工藝，斯那姆氨氣提工藝和東洋工程公司的改良ACES工藝。而國內公藝主要包括水溶液半循環(huán)法，水溶液全循環(huán)法，氣提法。相對于國外工藝水溶液全循環(huán)法比較落后，但該工藝充分分析國內外現(xiàn)有尿素生產技術的各項優(yōu)勢，運用成熟高效的技術成果，抓住節(jié)能、節(jié)資的關鍵，優(yōu)化工藝、優(yōu)選設備顯現(xiàn)了節(jié)能節(jié)資的優(yōu)勢。提高一甲液的濃度，尾氣采用精洗降低消耗并避免尾氣爆炸，運用多級蒸發(fā)系統(tǒng)，合理使用熱量，充分回收低位能，降低消耗和投資，在各中、小尿素廠得到不同程度的應用其增產、節(jié)能效果均達到預期設計目標。本設計目的和意義在于了解合成尿素在國內外的發(fā)展現(xiàn)狀，以及國內外尿素企業(yè)采用的工藝，了解各種工藝的優(yōu)缺點，并結合實際情況對合成尿素車間進行合理的設計。掌握以液氨為原料，用水溶液全循環(huán)法合成尿素的工藝，及工藝條件的選擇，使尿素的質量達到國家的標準，滿足工業(yè)和農業(yè)的使用要求，實現(xiàn)純粹的無色、無味、無臭的國家優(yōu)等產品。第1章綜述1.1尿素的物理化學性質和用途1.1.1尿素的物理性質尿素的化學名稱為碳酰二胺，分子式為CO(NH2)2，分子量為60.06，含氮量為46.65%。純尿素為無色、無味、無臭的針狀或棱柱狀結晶體。工業(yè)尿素因含有雜質而呈白色或淺黃色，工業(yè)或農業(yè)品為白色略帶微紅色固體顆粒，密度1.335g/cm3，熔點132.7℃，超過熔點則分解。尿素較易吸濕，貯存要注意防潮。尿素易溶于水和液氨，其溶解度隨溫度升高而增大。1.1.2尿素的化學性質尿素呈微堿性，可與酸作用生成鹽。但尿素不能使一般指示劑變色。在酸性或中性溶液中尿素有水解作用，但在60℃以下，尿素不發(fā)生水解作用。隨著溫度的升高，水解速度加快，水解程度也增大。尿素在高溫下可進行縮合反應，生成縮二脲、縮三脲和三聚氰酸。在氨水等堿性催化劑作用下能與甲醛反應，縮聚成脲醛樹脂[1]。1.1.3尿素的用途尿素的主要用途：作化肥用、作飼料用、其它工業(yè)用[2]?；首饔媚蛩厥且环N高濃度氮肥，屬中性速效肥料，也可用來生產多種復合肥料。在土壤中不殘留任何有害物質，長期施用沒有不良影響，但在造粒中溫度過高會產生少量縮二脲，又稱雙縮脲，對作物有抑制作用。我國規(guī)定肥料用尿素縮二脲含量應小于0.5%?？s二脲含量超過1%時，不能做種肥，苗肥和葉面肥，其他施用期的尿素含量也不宜過多或過于集中。尿素是有機態(tài)氮肥，經過土壤中的脲酶作用，水解成碳酸銨或碳酸氫銨后，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。尿素屬中性速效肥料，長期施用不會使土壤發(fā)生板結。其分解釋放出的CO2也可被作物吸收，促進植物的光合作用。在土壤中，尿素能增進磷、鉀、鎂和鈣的有效性，且施入土壤后無殘存廢物。作飼料用尿素中氮雖不是蛋白質形態(tài)的，但和碳水化合物一起經過胃液長時間作用，可以造成蛋白質形態(tài)氮，故可以作為反雛動物的飼料。其它作用目前，據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界尿素作工業(yè)原料在總產量中占很大比重。主要有脲醛樹脂、塑料、油漆、和膠黏劑，尿素的縮合物三聚氰胺是一種較好的涂料。尿素還可以用作巴比妥、潔齒劑和利尿劑等藥物的原料。此外，尿素可以用作石油精制劑、纖維軟化劑、炸藥穩(wěn)定劑等。1.2尿素的發(fā)展史1773年，Roselle首先在尿液中發(fā)現(xiàn)了尿素。1828年，Wohler將氨和氰酸合成為尿素，開辟了以無機物合成有機物的先河。20世紀30年代，世界上首先以一次通過法實現(xiàn)尿素的工業(yè)化生產。40年代中，改進為部分循環(huán)法工藝；50年代末，實現(xiàn)水溶液全循環(huán)法工藝的工業(yè)化生產。之后，陸續(xù)出現(xiàn)各種水溶液全循環(huán)法工藝。60年代期間，建立起日產1000噸以上的單系列大型化裝置。1967年，荷蘭Snamprogetti工程公司率先開發(fā)成功高壓等壓氣提工藝，以CO2氣作為氣提劑在日產220噸裝置上實現(xiàn)了工業(yè)化上產。隨之意大利Snamprogetti工程公司開發(fā)成功氨氣提工藝，日產300噸裝置投入生產，CO2氣提法工藝在1968年、氨氣提工藝在1971年分別建成1000噸/天以上單系列大型化裝置。80年代初，為了進一步降低能耗，又推出了多種節(jié)能型高壓氣提工藝，如改良CO2氣提工藝，改良氨自身氣提工藝，意大利MontEdison公司開發(fā)的IDR(IsobaricDoubleRecycle)工藝，日本ToyoEngineeringCorp.與MitsuiToatsuChemicalsInc.聯(lián)合開發(fā)的ACES(AdvancedProcessforCostandEnergySaving)工藝等。以尿素生產工藝的發(fā)展歷史而言，實現(xiàn)全循環(huán)是一次工藝技術的飛躍；它割掉了尾氣氨加工制造其他氮肥的碩大尾巴；而實現(xiàn)高壓合成圈等壓氣提回收則是尿素工藝技術的又一次飛躍，在高壓圈內回收了大量的未反應物，從而大幅度減輕下游分解及回收的負荷，而且回收了用于分離未反應物所耗的熱量，用來副產低壓蒸汽以用于下游工序，至于節(jié)能型尿素工藝的問世，只能視為尿素氣提工藝經過十幾年實踐經驗的積累，作出了較為重大的合理化改造，使氨基甲酸銨生成熱更合理的回收利用，較大幅度地降低能耗，工藝技術更趨成熟，裝置運轉穩(wěn)定可靠。1.3國外尿素技術市場簡況目前在世界尿素工業(yè)界認為較先進的是三大尿素專利公司的技術，它們是Snamprogetti公司的氨自身氣提工藝、TEC-MTC公司的ACES工藝、Stamicarbon公司的氣提工藝。到目前為止，全世界已建成及在建的尿素裝置總數(shù)達450套，總生產能力為301800噸/天。其中采用三大尿素專利公司的工藝技術建造的有348套，總生產能力占世界總能力的90%，采用最多的Stamicarbon公司工藝，有196套，總生產能力占全世界的44.4%；其次為Snamprogetti公司工藝，有68套，總生產能力占25.6%；再次之是TEC-MTC公司的ACES工藝，有84套，總生產能力占20.1%。我國已建及在建的尿素生產裝置共110套，總生產能力為58680噸/天，占世界總生產能力的20%。國內尿素裝置采用的工藝技術除我國自行研發(fā)的水溶液全循環(huán)法外，世界上的主要工藝也均引進。我國自20世紀70年代開始引進CO2氣提法工藝的大型裝置，目前共有15套大型裝置（全套引進或合作設計、采購），6套中型裝置以及2套小型裝置（均為國內自行設計、自行制造設備）。在110套裝置中30套大、中型裝置采用國外工藝，總生產能力為39880噸/天，占全國總生產能力68%[3,4]。1.4尿素生產方法的簡介按未反應物的循環(huán)利用程度，尿素生產方法可分為不循環(huán)法、半循環(huán)法和全循環(huán)法三種。依氣提介質的不同，分別稱為二氧化碳氣提法、氨氣提法、變換氣氣提法。依照分離回收方法的不同主要分為水溶液全循環(huán)法、氣提法等。按氣提氣體的不同又可分為二氧化碳氣提法、氨氣提法、變換氣氣提法。1.4.1水溶液全循環(huán)法20世紀60年代以來，全循環(huán)法在工業(yè)上獲得普遍采用。全循環(huán)法是將未轉化成尿素的氨和二氧化碳經減壓加熱和分離后。全部返回合成系統(tǒng)循環(huán)利用，原料氨利用率達97%以上。全循環(huán)法尿素生產主要包括四個基本過程：(1)二氧化碳的壓縮；(2)氨輸送和尿素合成；(3)循環(huán)回收；(4)尿素溶液的加工。我國尿素廠多數(shù)采用水溶液全循環(huán)法。水溶液全循環(huán)尿素工藝生產裝置的靜止高壓設備較少，只有尿素合成塔及液氨預熱器為高壓設備，其它均為中壓和低壓設備，所以該尿素工藝生產裝置的技術改造比較容易、方便，改造增產潛力較大。氨碳比控制的較高，一般摩爾比為4.0左右，工藝介質對生產裝置的腐蝕性較低，由于氨碳比控制的較高，二氧化碳氣體中氧含量控制的較低，并且尿素合成塔操作壓力為19.6MPa，操作溫度為188~190℃，所以水溶液全循環(huán)生產尿素工藝中二氧化碳轉化率較高，一般能達到42%-68%，經過尿素合成塔塔板的改造，有的企業(yè)已經達到68%以上。由于該工藝高壓設備較少，高壓系統(tǒng)停車保壓時間可以達到24h，所以生產裝置的中小檢修一般可以在尿素合成塔允許的停車保壓時間內完成，減少了高壓系統(tǒng)排放的次數(shù)，降低了尿素的消耗。由于氨碳比控制的較高，中低壓分解系統(tǒng)溫度控制適當，尿素產品質量較容易控制，一般可以控制在優(yōu)級品范圍內。水溶液全循環(huán)尿素工藝可靠、設備材料要求不高、投資較低。但也存在不足：水溶液全循環(huán)尿素工藝生產裝置的工藝流程較長，在操作調節(jié)方面不如CO2氣提法生產尿素工藝簡單、方便。由于氨碳摩爾比控制得較高，一般穩(wěn)定在4.0左右，并且未反應生成尿素的氨和二氧化碳氣體全部要經過低壓、中壓循環(huán)吸收系統(tǒng)回收后再返回到尿素合成塔，液氨泵和一段甲銨泵的輸送量比較多，所以該工藝中液氨泵和一段甲銨泵的臺數(shù)較多，動力消耗較多。由于該工藝高壓系統(tǒng)的操作壓力高達19.6MPa，并且一段甲銨液的工藝要求溫度高達90℃左右，所以一段甲銨泵和液氨泵的運行周期較短、檢修維護時間較多、維修費用較高。二氧化碳氣體壓縮機由于出口壓力高達20.0MPa，比CO2汽提法高5.0MPa，故其運行周期也相對較短、維修工作量較多、維修費用較高。水溶液全循環(huán)尿素工藝的另一個缺點就是，目前國內在運行的生產裝置大多為年產()×104t/a(經過改造后的生產能力)，也有個別廠家經過雙尿素合成塔改造后達到了年產30~10噸，最近山東化工規(guī)劃設計院也設計了年產30~40萬噸尿素的水溶液全循環(huán)法生產尿素的裝置，但從單套裝置的設計生產能力來說，相對于CO2氣提法生產尿素工藝的裝置還相差較遠[5,6]。1.4.2二氧化碳氣提法二氧化碳氣提法就是把合成塔排出的合成反應液，在合成壓力和較高溫度下在“汽提塔”內與氣提氣（氨、二氧化碳或惰性氣體）逆流相遇，將氨和二氧化碳從尿液中分解出來，然后將氣體導入一個“高壓甲銨冷凝器”內，與新鮮氨化合并冷凝為甲銨液，放出的熱量用于副產蒸汽。CO2氣提法尿素工藝生產裝置的工藝流程較短，在操作調節(jié)方面比較簡單、方便。能耗低、生產費用低。該工藝的特點是采用共沸物下的CO(NH2)2摩爾比為2.89作為操作控制最佳指標進行操作，大部分未反應生成尿素的氨和二氧化碳在高壓系統(tǒng)內循環(huán)繼續(xù)反應生成尿素，只有較少部分的氨和二氧化碳需要在低壓部分進行回收，液氨泵和甲銨泵的輸送量比較少，所以該裝置中液氨泵和甲銨泵的臺數(shù)較少，動力消耗較少，并且該工藝高壓系統(tǒng)的操作壓力較低，為13.5~14.5MPa，使液氨泵和甲銨泵的運行周期較長，維修費用較少。該工藝能夠回收較高品位的甲按反應熱，除本系統(tǒng)加熱使用外還可剩余少部分富裕低壓蒸汽供外系統(tǒng)使用。CO2氣提法尿素的另一個優(yōu)點就是，生產裝置的生產能力的范圍較寬，運行都很正常穩(wěn)定。并且荷蘭斯塔米卡邦公司最近幾年又對該工藝進行了大量研究工作，開發(fā)出了單套裝置年產100×100t/a尿素的尿素池式冷凝器技術。與傳統(tǒng)高壓甲銨冷凝器不同的是，池式冷凝器可提供一定的停留時間，使甲銨生成尿素的反應在此可達到反應平衡的60%~80%，使生產裝置產能在原設計能力的基礎上翻一番，并且尿素主框架高度降到40m以下，使操作更加方便、動力消耗又有所降低。CO2氣提法也存在缺點：生產尿素工藝裝置的靜止高壓設備較多，有尿素合成塔、高壓二氧化碳氣提塔、高壓甲銨冷凝器、高壓洗滌器四大主要設備，它們是CO2氣提法尿素工藝生產裝置的核心，其它均為低壓設備，所以該尿素工藝生產裝置的技術改造比較困難，改造增產潛力較小。高壓二氧化碳氣提塔加熱需要的蒸汽品質較高，為2.5MPa，不如水溶液全循環(huán)尿素需用的蒸汽壓力低。CO2氣提工藝還暴露出一些不足，主要是尾氣的易燃爆，設備腐蝕嚴重、操作條件苛刻、操作彈性較差[7,8]。第2章水溶液全循環(huán)法工藝流程2.1尿素的合成工業(yè)上是由液氨和二氧化碳直接合成尿素的，其總反應式為：2NH3+CO2→CO(NH2)2+H2O-103.7kJ·mol實際上反應是分兩步進行的，首先是氨與二氧化碳反應生成氨基甲酸銨：2NH3+CO2→NH2COONH4+159.47kJ·mol該步反應是一個可逆的體積縮小的強放熱反應，在一定條件下，此反應速率很快，客易達到平衡，且此反應二氧化碳的平衡轉化率很高。然后是液態(tài)甲銨脫水生成尿素，稱為甲銨脫水反應：NH2COONH4→CO(NH2)2+H2O-28.49kJ·mol此步反應是一個可逆的微吸熱反應，平衡轉化率一般為50%~70%，并且反應的速率也較緩慢，是尿素合成中的控制速率的反應[9]。2.2尿素的工藝流程（1）二氧化碳壓縮來自脫碳工段的二氧化碳氣體經分離器分離后進入CO2壓縮機；經五段壓縮至21.61Mpa，氣體溫度約為125℃，送往尿素合成塔。（2）氨的輸送和尿素合成原料液氨經過氨過濾器過濾后進入液氨緩沖槽的原料室中。由中壓循環(huán)系統(tǒng)返回的液氨，進入液氨緩沖槽的回流室。一部分作為吸收塔的回流氨，多余的液氨流過溢流隔板進入原料室，與新鮮原料氨混合。混合后的液氨進入高壓液氨泵，被加壓到21.61Mpa，然后去液氨預熱器加熱至40～60℃進入尿素合成塔。原料CO2氣體、液氨、循環(huán)回收工序來的甲銨液同時送入尿素合成塔底部，其組成NH3/CO2=4.1、H2O/CO2=0.65，在約為21.57Mpa（絕壓），190℃的條件下合成。氣液混合物自下而上經等溫內件及多塊塔板，保證25～40min的停留時間，約有63%的CO2轉化為尿素。（3）循環(huán)回收尿素合成塔的反應產物經減壓至1.76Mpa后進入預分離器，在此分離出閃蒸氣體后，溶液自流至預蒸餾塔，與來自一段加熱器的熱氣體逆流接觸，進行蒸餾，使液相中的部分甲銨與過剩氨進一步分解、氣化，同時氣相中的水蒸汽部分冷凝，蒸餾后的尿液自下而上進入蒸汽加熱器管內，在蒸汽的加熱作用下約88%的甲銨在此分解。預分離器分離出的氣體至一段吸收外冷凝器。預蒸餾塔底排出的液相減壓后至二段分解塔。來自預蒸餾塔的氣體與二甲銨液在降膜式真空預濃縮氣器的熱能回收段加熱尿液，出熱能回收的氣液混合物與預分離氣體混合后進入一段吸收外冷凝器，在軟水的循環(huán)冷卻作用下，氣體發(fā)生冷凝，出一段吸收外冷凝器的氣液混合物進入一段吸收塔，未被吸收的氣體被來自惰性洗滌器的濃氨水與來自液氨緩沖槽的回流氨進一步吸收，一段吸收塔頂排出的氣體氨進入氨冷凝器，不凝氣體至惰性洗滌器，在惰性洗滌器內被來自二段循環(huán)第二冷凝器的氨水吸收，尾氣經減壓后至尾氣吸收塔。惰性洗滌器排出的氨水至一段吸收塔頂部，一段吸收塔底部的濃氨基甲酸銨溶液用高壓甲氨泵加壓后至尿素合成塔。預蒸餾塔排出的尿液經減壓后至二段分解塔，與來自二段分解加熱器的氣體逆流接觸后進入加熱段被蒸汽加熱，分解尿液中殘留的過剩氨和甲銨。出加熱段的氣液混合物經分離后，尿液經減壓后至降膜式真空預濃縮器，二段分解塔頂排出的氣體與來自水解系統(tǒng)的解吸氣混合后進入二段循環(huán)第一冷凝器，被二段蒸發(fā)表面冷凝液吸收，生成的二段甲銨液由甲銨泵送往真空預濃縮器的熱能回收段。出二段循環(huán)第一冷凝器的氣體在二段循環(huán)第二冷凝器內繼續(xù)被二段蒸發(fā)表面冷凝液吸收，生成的氨水由氨水泵送往惰性洗滌器，尾氣至尾氣吸收塔。惰性洗滌器與二段循環(huán)第二冷凝器的尾氣混合后進入尾氣吸收塔被碳銨液吸收后進入碳銨液槽貯存，尾氣通過放空總管放空。（4）尿液加工二段分解塔排出的尿液經減壓后切線進入真空預濃縮蒸餾器的分離段，在0.044Mpa壓力下，尿液中所含殘余的CO2、游離氨以及大部分水分蒸發(fā)出去，與液體經分布器，從換熱管頂部沿管內壁向下流動形成液膜，避免蒸發(fā)的蒸汽逸出液膜表面到管中心的空間，在真空抽吸下向上流動，液膜沿管壁流下。預蒸餾塔出口氣相與二段甲銨夜在真空預濃縮器克側反應，將尿液濃度有76%提高到96%（重量分數(shù)），真空預濃縮器的尿液流至收集槽，通過尿液給料泵送往蒸發(fā)分離器，在0.003Mpa（絕壓）下，被濃縮到約為99.7%（質量分數(shù)）的熔融尿素，再由熔融尿素泵送往位于造粒塔頂部的旋轉噴頭進行造粒，造粒塔底部得到的成品顆粒尿素由皮帶輸送機送至包裝系統(tǒng)進行包裝[10]。（5）尿素工藝流程簡圖一段吸收塔尿素合成塔CO2壓縮機一段吸收塔尿素合成塔CO2壓縮機預分離器預分離器一段分解塔二段分解塔惰洗器蒸發(fā)系統(tǒng)尾氣吸收塔一吸外冷器圖2.1水溶液全循環(huán)法制尿素簡圖第3章物料衡算3.1物料衡算計算條件的確定在進行物料衡算之前，必須確定系統(tǒng)輸入、輸出、損失等物料量及計算基準等計算條件。尿素物料衡算有下列各項：（1）計算基準尿素物料衡算常以每噸成品（含N246%尿素）為基準。（2）成品規(guī)格按國家標準規(guī)定[11]表3.1尿素成分含量含氮量縮二脲水份其他雜質0.460.090.030.01（3）原料消耗額每生產一噸尿素耗氨580Kg,耗二氧化碳785Kg。（4）每噸成品中NH3損失量：NH3消耗定額與成品中尿素和縮二脲所含NH3量之差NH3損失量。可按下式計算[11]式中：60.06—尿素分子量；103.16—縮二脲分子量；34.06、51.09—分別為尿素及縮二脲中含NH3量。（5）NH3損失量在系統(tǒng)中具體分配根據(jù)中間試驗車間及同類型生產車間測定數(shù)據(jù)確定?？蓞⒖枷卤頂?shù)據(jù)：表3.2氨損失分配表高壓液氨泵漏損11.69Kg解吸塔廢液中排出0.48Kg尾氣吸收塔放空損失0.65Kg二段蒸發(fā)冷凝器排出0.91Kg一段蒸發(fā)噴射器放空損失1.14Kg造粒塔損失0.68Kg成品包裝運輸損失0.75Kg總計16.3Kg（6）每噸成品中CO2損失量：CO2消耗定額與成品中尿素和縮二脲所含CO2量之差即為CO2損失量?？砂聪率接嬎鉡11]式中：44、88—分別為尿素及縮二脲中CO2含量。（7）CO2損失量在系統(tǒng)中具體分配表3.3CO2損失分配表二氧化碳壓縮機損失49.94Kg解吸塔廢液排出0.58Kg二段蒸發(fā)冷凝液排出1.13Kg造粒塔損失0.88Kg成品包裝運輸損失0.97Kg總計53.5Kg（8）每噸成品在制造過程中尿素的損失量及其在系統(tǒng)中的分配表3.4尿素損失分配表解吸塔廢液中排出0.36Kg二段蒸發(fā)冷凝液排出1.2Kg造粒塔放空粉塵損失1.2Kg成品包裝運輸損失1.33Kg總計4.09Kg3.2一段分解系統(tǒng)的物料衡算3.2.1一段分解系統(tǒng)的工藝條件一段分解系統(tǒng)總的氨基甲酸銨分解率：88%一段分解系統(tǒng)總的過量氨蒸出率：90%一段分解系統(tǒng)預分離器的氨基甲酸銨分解率：15%一段分解系統(tǒng)預分離器的過量氨蒸出率：66%預分離器出口氣相中水分含量：4.65%一段分解分離器出口氣相中水分含量：17%一段分解加熱器操作條件：壓力P=1.76Mpa，溫度T=160℃3.2.2一段分解系統(tǒng)的物料計算一段分解塔出口氣體組成（1）氣體中的CO29.86×0.88-1.48=7.20Kmol，316.7Kg（2）氣體中的NH3由過量氨蒸出：55.97×0.9-36.94=13.43Kmol，228.36Kg由氨基甲酸銨分解而得9.86×0.88×2=17.36Kmol，295.12Kg由一段分解塔分解出的NH3為17.36-2.98=14.40Kmol，244.80Kg因此，氣體中總氨量為13.34+14.40=27.83Kmol，473.18Kg（3）氣體中的H2O[11]一段分解塔出口溶液組成（1）溶液中的CO2（2）溶液中的NH3（3）溶液中的H2O（4）溶液中的尿素為16.832Kmol3.3二段分解系統(tǒng)的物料衡算3.3.1二段分解系統(tǒng)的工藝條件一段及二段分解系統(tǒng)總的氨基甲酸銨分解率：98.2%一段及二段分解系統(tǒng)總的過量氨蒸出率：99.4%二段分解塔出口氣內含水：25%二段分解系統(tǒng)的操作壓力P=0.392Mpa，二段分解加熱器操作溫度T=150℃，二段分解塔操作溫度120~150℃。3.3.2二段分解系統(tǒng)的物料計算二段分解塔出口氣體組成（1）氣體中的CO2：9.86×（0.982-0.88）=1.00Kmol（2）氣體中的NH3：由二段分解塔蒸出的過量氨氣由氨基甲酸銨分解得氨總計氣體中的H2O：二段分解塔出口溶液組成（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）溶液中的縮二脲0.058Kmol，6.0Kg二段分解系統(tǒng)物料平衡表表3.5二段分解系統(tǒng)物料平衡表輸入輸出組分KgKmol組分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氣體217.4911.03其中：CO244.251.01NH3123.597.27H2O49.652.76尿素1010.0416.83總計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縮二脲6.000.06總計1645.5750.873.3一段吸收系統(tǒng)的物料衡算3.3.1一段吸收系統(tǒng)的工藝條件惰性氣體洗滌塔操作條件：壓力P=1.76Mpa，溫度T=44℃惰性氣體洗滌器出口氣體中不含水分。一段吸收塔操作條件：壓力P=1.76Mpa。一段吸收塔出口氣體中不含CO2及H2O。3.3.2一段吸收系統(tǒng)的物料計算惰性氣體洗滌器的物料衡算（1）進口惰性氣組分由氨冷凝器物料衡算得知：NH3為22.87Kg，1.345Kmol，O2為2.89Kg，0.09Kmol，N2為5.14Kg，0.18Kmol（2）出口未被吸收氣體組分由尾氣吸收塔物料衡算得知：NH3為3.68Kg，0.216KmolO2為2.89Kg，0.09Kmol，N2為5.14Kg，0.18Kmol（3）由二段循環(huán)第二冷凝器來氨水組分CO2為0.637Kg，0.014Kmol，NH3為54.62Kg，3.212Kmol，H2O為62.40Kg，3.467Kmol，尿素為1.78Kg，0.03Kmol。（4）惰性氣體洗滌器出口氨水組成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進入氣體由預分離器分解氣體和一段分解塔氣體匯集而成，具體數(shù)量由預分離器及一段分解塔物料衡算而得。進口溶液由二段甲銨液和惰性氣體洗滌器來的氨水二部分分開加入，具體數(shù)量由二段循環(huán)第一冷凝器及惰性洗氣體滌器物料而衡算得。出口氣體由氨冷凝器物料衡算而得。出口一段甲銨液由合成系統(tǒng)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輸入輸出組分KgKmol組分KgKmol預分離出口氣體788.1343.69其中：CO265.081.48NH3678.3039.90H2O36.722.04O22.890.09N25.140.19一段分解出口氣體918.9442.20其中：CO2316.707.20NH3473.1827.83H2O129.067.17二段甲銨液225.5610.97其中：CO255.291.26NH386.095.06H2O83.634.65尿素0.720.01惰性氣體洗滌器139.417.90出口氨水其中：CO20.640.01NH354.623.21H2O62.403.47尿素1.780.03一段甲銨液1275.5058.10其中：CO2523.8430.81NH3437.639.94H2O311.5317.30尿素2.500.04一段吸收塔出口氣796.4246.65其中：NH3788.3046.38O22.890.09N25.140.18總計2072.02104.76總計2072.02104.75第4章熱量衡算4.1一段分解塔的熱量衡算4.1.1一段分解塔的工藝條件（1）進口反應熔融物（1.76Mpa，124℃）表4.1進口反應熔融物成分表NH3608.43KgCO2368.76KgH2O577.305Kg尿素1010.04Kg總計2564.535Kg（2）出口物料液相（1.76Mpa，160℃）表4.2出口液相組成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總計1645.57Kg氣相（1.76Mpa，160℃）表4.3出口氣相組成CO2316.7017.06%0.300MpaNH3473.1865.95%1.161MpaH2O129.06616.99%0.299Mpa總計918.92100%1.76Mpa4.1.2一段分解塔的熱量計算[12]（1）反應熔融物帶入熱量Q1=42026.52kJ（2）反應熔融物帶出熱量取17.51%氨水比熱為0.263kJ/Kg·℃，尿素比熱為0.114kJ/Kg·℃，甲銨比熱為8.672kJ/Kmol·℃（3）氣相中CO2帶出熱量P=0.300Mpa，T=160℃時，i=48.495kJ/Kg，P=1atm，T=25℃時，i=41.567kJ/Kg（4）氣相中NH3帶出熱量P=1.161Mpa，T=160℃時，i=116.340kJ/Kg（5）氣相中H2O帶出熱量P=0.299Mpa，T=160℃時，i=158.624kJ/Kg，（6）氣相帶出熱量總和為（7）熱損失Q6=451.03kJ（8）一段分解塔熱平衡求取加入蒸汽熱負荷，設所需加熱蒸汽熱量為QQ=93818.20kJ則一段分解塔所需加熱蒸汽熱量為93818.20kJ4.1.3一段分解塔熱平衡表表4.4一段分解塔熱平衡表收入項目kJ支出項目kJ反應熔融物帶入42026.52加熱蒸汽供給93818.20反應熔融物帶出36140.71氣相CO22193.98氣相氨7347.11氣相水19701.15甲銨分解55042.28NH4OH分解14968.47熱損失451.03總計135844.72總計135844.724.2一段吸收塔的熱量衡算[12]4.2.1一段吸收塔的工藝條件（1）一段分解塔分離的氣相送經一段蒸發(fā)加熱回收熱量時氣相冷凝量約為20%（重量）。冷凝液的組分為：CO2為20%NH3為31.5%H2O為48.5%（2）一段分解塔氣體進一段蒸發(fā)器熱能回收的進口溫度為160℃，出口氣液混合物溫度為120℃。（3）各物料進出口的溫度壓力如下：預分離器來的分解氣體壓力為1.76Mpa，溫度為115℃惰性氣體洗滌器來的氨水壓力為1.76Mpa，溫度44℃諤煅循環(huán)系統(tǒng)來的甲銨液壓力為1.76Mpa，溫度40℃一段吸收塔出口甲銨液壓力為1.76Mpa，溫度100℃一段吸收塔出口氣壓力為1.76Mpa，溫度50℃4.2.2一段吸收塔的熱量計算（1）預分離器氣相帶入熱量Q1=12308.65kJ（2）由一段蒸發(fā)加熱器帶入熱量（t=120℃）氣相帶入熱量P=0.338Mpa，T=120℃時,i=46.417kJ/Kg，P=1atm，T=25℃時，i=41.567kJ/KgP=1.304Mpa，T=120℃時，i=111.085kJ/Kg，P=1atm，T=25℃時，i=100.812kJ/KgP=0.118Mpa，T=120℃時，i=154.443kJ/Kg，P=1atm，T=25℃時，i=5.972kJ/Kg液相帶入熱量查得25%氨水的比熱0.263kJ/Kg·℃，甲銨的比熱為8.762kJ/Kmol·℃（3）惰性氣體洗滌器來的氨水帶入熱量（t=44℃）甲銨的比熱為7.764kJ/Kmol·℃，54.5%氨水的比熱為0.287kJkcal/Kmol·℃（4）二段甲銨液帶入熱量取甲銨的比熱為7.764kJ/Kmol·℃，34.2%氨水的比熱為0.263kJ/Kmol·℃（5）生成甲銨放熱由預分離器氣體帶入的CO2量1.48Kmol，由一段分解氣帶入的CO2量6.31Kmol，則生成甲銨量為7.79Kmol（6）熱損失取進入熱負荷約1.58%，Q6=1499.52kJ總的熱量收入為Q入（7）回流氨量的求?。篜=1.76Mpa，T=38℃時，i=34.161kJ/Kg，P=1.76atm，T=50℃時，i=98.901kJ/Kg4.2.2一段吸收塔平衡表表4.5一段吸收塔熱量平衡表收入項目kJ支出項目kJ預分離器氣相帶入12308.65從一段蒸發(fā)器回的氣相帶入11551.12從一段蒸發(fā)器回的液相帶入3654.09從惰氣洗滌器來的氨水帶入747.25二段甲銨液帶入647.64甲銨生成熱61802.68NH4OH生成熱3744.15出口氣相帶熱1494.27出口液相帶出17162.45熱損失1499.52回流氨移走77283.09總計135844.72總計135844.72

第5章填料吸收塔的設計5.1塔徑的計算（1）氣相負荷取氣相進出口負荷平均值各組分臨界壓力及臨界溫度值見表5.1表5.1各組分理解壓力及臨界溫度值組分NH3CO2O2N2混合氣體臨界溫度℃132.331.0-118.4-147.0130.72臨界壓力PCMpa11.287.385.083.3911.25對比壓力對比溫度(5-1)由氣體的通用壓縮系數(shù)圖查出Z=0.895[12](5-2)故氣相負荷1.421×115.82×25=4114.51m3/hVS==1.14m3/s（2）氣相密度==12.02Kg/m3（3）液相量取進出口溶液量的平均值（4）液相密度溶液中含氨量按進出口的平均值計（5）溶液氨的濃度，50℃時93%氨水密度為600Kg/m3（6）液相負荷液相流量27062.63÷600=45.10m3/h液相負荷LS=45.10÷3600=0.0125m3/s（7）最大允許空塔速度[13](5-3)式中：，—分別為氣體和液體密度，Kg/m3；C—負荷系數(shù)為求C值，先求動能參數(shù)及分離空間式中：L—液相流量，93.96m3/h；V—氣相流量，8571.33m3/h，—液相密度，600Kg/m3；—氣相密度，12.05Kg/m3HT—塔板間距，450mm，即0.45mhL—板上液層高度，取70mm，即0.07m動能參數(shù)[13](5-4)分離空間為由史密斯關聯(lián)圖查出，此時C=0.079。塔內液體按液氨考慮，50℃時其表面張力為0.0145N/m。負荷系數(shù)C是對液體表面張力為0.02N/m的物系繪制的，當表面張力為其他σ值時，應對C值按下式進行校正：負荷系數(shù)的校正（8）最大允許空塔速度[14](9)適宜空塔速度取最大允許空塔速度的85%WK=0.85W最大=0.85×0.519=0.441m/s(10)塔徑[14]m按設備標準選擇塔徑D=2m(11)泛點率校核在允許范圍內(12)填料規(guī)格的校核符合要求(13)液體噴淋密度校核取最小潤濕速率（LW=0.08m3/m2.h查表得at=114.2m2/m.hUmin=(lW)min.at=0.08114.2=9.316m3/m2.hU=經以上校核填料塔直徑適用D=2000mm合理5.2填料層高度的計算5.2.1基礎數(shù)據(jù)的計算（1）查得CO2在該條件下則相平衡常數(shù)和溶解度系數(shù)為[15](5-5)(5-6)（2）物料衡算進塔氣相摩爾比為Y1=出塔氣相摩爾比為Y2=0.00345(1-0.95)=0.0001725進塔惰性氣體流量為該吸收過程屬低濃度吸收，平衡關系為直線，最小液氣比可按下式計算，即[15](5-7)對于純溶劑吸收過程，進塔液相組成為由題意知，操作液氣比為Y1=Y1*=mX1=6.5950.00729=0.04807Y2=0.00345(1-0.95)=0.0001725Y2*=mX2=0 5.2.2氣相傳質單元數(shù)的計算[16]脫吸因子數(shù)為S=(5-8)氣相傳質單元數(shù)為NOG=㏑(5-9)=㏑5.2.3氣相傳質單元高度的計算[17]氣相總傳質單元高度采用修正的恩田關聯(lián)式計算(5-10)查表得=33dyn/cm=427680kg/(m2.h)液體質量通量為UL=h)氣膜吸收系數(shù)由下式計算KG=(5-11)氣體質量通量為UV==15749.04kg/(m2.h)氣體粘度CO2在空氣擴散系數(shù)DV=0.569KG=液膜吸收系數(shù)KL=(5-12)=1.411查表得=1.451=(5-13)(5-14)(5-15)由設計填料層高度7米對于階梯環(huán)填料取則計算填料層高度為7米，故需兩分段，每段3.5米。5.3填料層壓降的計算采用?？颂赝ㄓ藐P聯(lián)圖計算填料層壓降壓降[18]橫坐標查散裝填料壓降填料因子平均值得縱坐標查?？颂赝ㄓ藐P聯(lián)圖得填料層壓降5.4塔體厚度的計算（1）選材通過操作條件，該容器屬中壓低溫范疇，選16MnR