水溶液全循環(huán)法制尿素中壓系統(tǒng)工藝設(shè)計與優(yōu)化FullCycleoftheAqueousSolutionMethodforManufacturingUreainthePressureSystemProcessDesignandOptimization化T.與環(huán)境工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文)化T.與環(huán)境工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文)--引言尿素的合成是第一次用人工方法從無機物制得有機化合物。年在蒸發(fā)人的尿液時第一次發(fā)現(xiàn)尿素；年通過分析得出尿素的實驗式；年德國化學(xué)家在實驗室以氰酸和氨制的尿素；年美國杜邦公司用直接合成法制取尿素氨水，在年開始制造同體尿素，之后又出現(xiàn)了制備尿素的其他方法，包括光氣與氨反應(yīng)、與氨反應(yīng)、氰胺化鈣水解等，由于種種原最終都未能實現(xiàn)工業(yè)化；唯一成為尿素工業(yè)化基礎(chǔ)的是由氨和二氧化塔合成尿素的反應(yīng)年，美國公司用氨和二氧化碳直接合成尿素并副產(chǎn)氨水；年開始生產(chǎn)固體尿素并將未轉(zhuǎn)化物循環(huán)回收，逐步形成全循環(huán)法工藝[1]。20世紀50年代世界各國推出多種溶液全循環(huán)工藝流程，類型有：熱氣循環(huán)法；懸浮液循環(huán)法；氣體分離循環(huán)法；水溶液全循環(huán)法等。其中，僅水溶液全循環(huán)法成功獲得了工業(yè)應(yīng)用：未反應(yīng)的氨和二氧化碳以氣態(tài)形式與尿素水溶液分離后，用水吸收為水溶液，再用泵送回系統(tǒng)。其工藝包括氣液分離、液體吸收、氣體冷凝幾個步驟。當時工業(yè)化應(yīng)用較成功的技術(shù)有美國Chemico法、DuPont法和瑞士的Incenta法。另外，法國Pechiney推出未反應(yīng)物以不同溶劑選擇性吸收循環(huán)流程。20世紀60年代，尿素工業(yè)發(fā)展的特點是：其一，尿素裝置過于單系列大型化，裝置能力達到1000t/a?1500t/a。其二，氣提法工藝被廣泛釆用。氣提法是針對水溶液全循環(huán)法的缺點而開發(fā)的一種工藝，其實質(zhì)是在與合成反應(yīng)相等壓力條件下，利用一種氣體通過反應(yīng)物系（同時伴有加熱）是未反應(yīng)的氨或二氧化碳被帶出。因此，先后出現(xiàn)了二氧化碳氣提法（由Stamiearbon開發(fā)，使尿素生產(chǎn)的能耗大為降低）；氨氣提法（由意大利SnamProgetu開發(fā)），1966年建成第一個氨氣提法尿素工廠；日本ToyoKoatsu全循環(huán)改良方法（合成壓力高達25MPa,溫度為200°C，轉(zhuǎn)化率72%)和美國的UTI熱循環(huán)法。20世紀80年代之后，二氧化碳氣提法和氨氣提法得到進一步改進、完善；同時世界上著名的尿素公司還開發(fā)了其他的先進工藝：意大利的等壓雙循環(huán)工藝（IsobaricDoubleRecycle,簡稱IDR)；日本TEC/TMC開發(fā)了降低成本和節(jié)能新流程ACES(AdvancdeProcessforCostandEnergySaving)新工藝；瑞士AmonniaCasale開發(fā)了分級處理合成液的氣提法分流工藝等。與原有二氧化碳氣提法相比，具有以下特點[2]：一是釆用了新型高效的塔盤；二是開發(fā)了臥式池式冷凝器取代原立式高壓冷凝器；三是降低了尿素主框架的高度；四是增設(shè)了二氧化碳脫氫裝置，使二氧化碳氣中氫氣體積分數(shù)由約%降到了以下，確保尿素洗滌系統(tǒng)安全運行。國內(nèi)情況是我國尿素的年消耗量約在萬噸，即使預(yù)計今后幾年有所增長，大概也不會超過萬噸。現(xiàn)有的生產(chǎn)能力已經(jīng)快要達到，我國今后十年內(nèi)生產(chǎn)尿素都將過剩。本設(shè)計主要敘述水溶液全循環(huán)法中壓系統(tǒng)的有關(guān)內(nèi)容。第1章概述1.1尿素的物理化學(xué)性質(zhì)和用途1.1.1尿素的物理性質(zhì)分子式：分子量，因最早由人類及哺乳動物的尿液中發(fā)現(xiàn)故稱尿素。純凈的尿素為無色、無味針狀或棱柱狀晶體，含氮量為，工業(yè)尿素含有雜質(zhì)而呈白色或淺黃色，工業(yè)或農(nóng)業(yè)品為白色略帶微紅色同體顆粒無臭無味。密度。熔點°C。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。尿素的化學(xué)性質(zhì)[3]易溶于水、醇，不溶于乙醚、氯仿。呈微堿性。可與酸作用生成鹽。有水解作用。在高溫下可進行縮合反應(yīng)，生成縮二脲、縮三脲和三聚氰酸。加熱至°C分解，產(chǎn)生氨氣同時變?yōu)榍杷帷樵谌说哪蛞褐泻羞@種物質(zhì)，所以取名尿素。尿素含氮%，是固體氮肥中含氮量高的。尿素在酸、堿、酶作用下（酸、堿需加熱）能水解生成氨和二氧化碳。加熱不穩(wěn)定，加熱至-°C將脫氨成縮二脲。若迅速加熱將脫氨成三聚成六元環(huán)化合物三聚氰酸。（機理：先脫氨生成異氰酸（，再三聚。在氨水等堿性催化劑作用下能與甲醛反應(yīng)，縮聚成脲醛樹脂。與水合肼生成氨基脲粒狀尿素為粒徑為毫米的半透明粒子，外觀光潔，吸濕性有明顯改善。°C時臨界吸濕點為相對濕度，但°C時，臨界吸濕點降至故尿素要避免在盛夏潮濕氣候下敞開存放。目前在尿素生產(chǎn)中加入石蠟等疏水物質(zhì)，其吸濕性大大下降。1.1.3尿素的用途尿素是一種高濃度氮肥，屬中性速效肥料，也可用來生產(chǎn)多種復(fù)合肥料。在土壤中不殘留任何有害物質(zhì)，長期施用沒有不良影響，但在造粒中溫度過高會產(chǎn)生少量縮二脲，又稱雙縮脲，對作物有抑制作。我國規(guī)定肥料用尿素縮二脲含量應(yīng)小于。縮二脲含量超過時，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(jīng)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。此，尿素要在作物的需肥期前-天施用。尿素是前使用的氮量最高的化肥。尿素屬中性速效肥料，長期施用不會使土壤發(fā)生板結(jié)。其分解釋放出的也可被作物吸收，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。1.2尿素的生產(chǎn)方法簡介生產(chǎn)尿素的方法有很多種，世紀年代以來，全循環(huán)法在工業(yè)上獲得普遍釆用，最常用的是水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素和二氧化碳氣提法生產(chǎn)尿素。合成氨生產(chǎn)為和直接合成尿素提供了原料。由和合成尿素的總反應(yīng)為：2NH3+CO2→CO(NH2)2+H2O該反應(yīng)是放熱的可逆反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率一般為50-70%。因此從合成塔出來的尿素溶液中除了尿素外，還有氮和甲銨。按未反應(yīng)物的循環(huán)利用程度，尿素生產(chǎn)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(zhì)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。水溶液全循環(huán)法世紀年代以來，全循環(huán)法在工業(yè)上獲得普遍釆用。全循環(huán)法是將未轉(zhuǎn)化成尿素的氨和二氧化碳經(jīng)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(chǎn)主要包括四個基本過程：①氨和二氧化碳原料的供應(yīng)及凈化；②氨和二氧化碳合成因素；③未反應(yīng)物的分離與回收；④尿素溶液的加壓。其生產(chǎn)過程如圖1.1所示：

二二氧化碳凈化壓縮尿素合成塔氨與二氧化碳的回收液氨預(yù)熱過濾未反應(yīng)物分離蒸發(fā)造粒尿素成品圖1.1水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素工藝流程圖Figure1.1full-circulationwithwatersolutionproductionureaprocess1.3兩種方法的比較1.3.1水溶液全循環(huán)尿素工藝的優(yōu)缺點[4]水溶液全循環(huán)法是將未反應(yīng)的氨和二氧化碳，經(jīng)減壓加熱分解分離后，用水吸收生成甲銨或碳酸銨水溶液再循環(huán)返回合成系統(tǒng)。我國尿素廠多數(shù)釆用水溶液全循環(huán)，水溶液全循環(huán)尿素工藝生產(chǎn)裝置高壓設(shè)備較少，只有尿素合成塔及液氨預(yù)熱器為高壓設(shè)備，其它均為中壓和低壓設(shè)備，所以該尿素工藝生產(chǎn)裝置的技術(shù)改造比較容易、方便，改造增產(chǎn)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(zhì)對生產(chǎn)裝置的腐蝕性較低，由于氨碳比控制得較高，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°C，所以水溶液全循環(huán)生產(chǎn)尿素工藝中二氧化碳轉(zhuǎn)化率較高，一般能達到42%-68%，經(jīng)過尿素合成塔塔板的改造，有的企業(yè)已經(jīng)達到68%以上。由于該工藝高壓設(shè)備較少，髙壓系統(tǒng)停車保壓時間可以達到24h,所以生產(chǎn)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(nèi)完成，減少了高壓系統(tǒng)排放的次數(shù)，降低了尿素的消耗。由于氨碳比控制得較高，中低壓分解系統(tǒng)溫度控制適宜，尿素產(chǎn)品質(zhì)量較容易控制，一般可以控制在優(yōu)級品范圍內(nèi)。水溶液全循環(huán)尿素工藝可靠、設(shè)備材料要求不高、投資較低。缺點是：水溶液全循環(huán)尿素工藝生產(chǎn)裝置的工藝流程較長，在操作調(diào)節(jié)方面不如CO2氣提法生產(chǎn)尿素工藝簡單、方便。由于氨和碳摩爾比控制得較高，一般穩(wěn)定在4.0左右，并且未反應(yīng)生成尿素的氨和二氧化碳氣體全部要經(jīng)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°C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(nèi)在運行的生產(chǎn)裝置大多為年產(chǎn)(10-20)×l04t/a(經(jīng)過改造后的生產(chǎn)能力)，也有個別廠家經(jīng)過雙尿素合成塔改造后達到了年產(chǎn)30萬噸，最近山東化工規(guī)劃設(shè)計院也設(shè)計了年產(chǎn)30-40萬噸尿素的水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素的裝置，但從單套裝置的設(shè)計生產(chǎn)能力來說，相對CO2氣提法生產(chǎn)尿素工藝的裝置還相差較遠。1.3.2CO2汽提法尿素工藝的優(yōu)、缺點氣提法是利用某一氣體在合成等壓的條件下分解甲銨并將分解物返回合成系統(tǒng)的一種方法。氣提法是全循環(huán)法的發(fā)展，具有熱量回收完全，氨和二氧化碳處理量較少的優(yōu)點。此外，在簡化流程、熱能回收和減少生產(chǎn)費用等方面也都優(yōu)于水溶液全循環(huán)法是尿素生產(chǎn)發(fā)展的一種方向。氣提法尿素工藝生產(chǎn)裝置的工藝流程較短，在操作調(diào)節(jié)方面比較簡單、方便。能耗低、生產(chǎn)費用低。該工藝的特點是釆用共沸物下的摩爾比為作為操作控制最佳指標進行操作，大部分未反應(yīng)生成尿素的氨和二氧化碳在高壓系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)繼續(xù)反應(yīng)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-，使液氨泵和甲銨泵的運行周期較長，維修費用較少。該工藝能夠回收較髙品位的甲按反應(yīng)熱，除本系統(tǒng)加熱使用外還可剩余少部分低壓蒸汽供外系統(tǒng)使用。氣提法尿素的另一個優(yōu)點就是生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)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(chǎn)尿素的尿素池式冷凝器技術(shù)。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(yīng)在此可達到反應(yīng)平衡的-%，使生產(chǎn)裝置產(chǎn)能在原設(shè)計能力的基礎(chǔ)上翻一番，并且尿素主框架高度降到以下，使操作更加方便、動力消耗又有所降低。缺點：氣提法生產(chǎn)尿素工藝裝置的靜止高壓設(shè)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(shè)備，它們是：氣提法尿素工藝生產(chǎn)裝置的核心，其它均為低壓設(shè)備，所以該尿素工藝生產(chǎn)裝置的技術(shù)改造比較困難，改造增產(chǎn)潛力較小。高壓二氧化碳氣提塔加熱需要的蒸汽品質(zhì)較高，為，不如水溶液全循環(huán)尿素需用的蒸汽壓力低。第2章水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素的原理水溶液全循環(huán)法是將未反應(yīng)的氨和二氧化碳經(jīng)減壓加熱分解分離后，用水吸收生成甲銨或碳酸銨水溶液再循環(huán)返回合成系統(tǒng)。2.1反應(yīng)原理生產(chǎn)尿素的原料是氨和二氧化碳，后者是合成氨廠的副產(chǎn)品[5]。尿素合成反應(yīng)分兩步進行：①氨與二氧化碳作用生成氨基甲酸銨(簡稱甲銨)；②甲銨脫水生成尿素，其反應(yīng)式為：2NH3+CO2—NH2COONH4+59.47kJ（2-1）NH2COONH4—CO(NH2)2+H2O-28.49kJ（2-2）式(2-1)是快速、強放熱反應(yīng)，且平衡轉(zhuǎn)化率髙。式(2-2)是慢速微吸熱的可逆反應(yīng)，且需要在液相中進行。當溫度為170-190°C時，氨與二氧化碳的摩爾比為2.0，壓力高到足以使反應(yīng)物得以保持液態(tài)時，甲銨轉(zhuǎn)化成尿素的轉(zhuǎn)化率為50%；其反應(yīng)速率隨溫度的提高而增大。當溫度不變時，轉(zhuǎn)化率隨壓力的升高而增大，轉(zhuǎn)化率達到一定值后繼續(xù)提高壓力，不再有明顯增大，此時，幾乎全部反應(yīng)混合物都以液態(tài)存在。提髙氨與二氧化碳的摩爾比可增大二氧化碳的轉(zhuǎn)化率，降低氨的轉(zhuǎn)化率。在實際生產(chǎn)過程中，由于氨的回收比二氧化碳容易，因此都釆用氨過量，一般氨與二氧化碳的摩爾比>3。反應(yīng)物料中水的存在將降低轉(zhuǎn)化率，在工業(yè)設(shè)計中要把循環(huán)物料中的水量降低到最小限度。增加反應(yīng)物料的停留時間能提高轉(zhuǎn)化率，但并不經(jīng)濟。典型的工藝操作條件是溫度180-200°C、壓力13.8?24.6MPa、氨與二氧化碳摩爾比2.8-4.5反應(yīng)物料停留時間25-40min。2.2反應(yīng)機理2.2.1尿素合成的基本原理氨與二氧化碳直接合成尿素的總反應(yīng)為：2NH3+CO2→CO(NH2)2+H2O﹣103.7kJ。這是一個可逆、放熱、體積縮小的反應(yīng)，反應(yīng)在液相中是分兩步進行的。首先液氨和二氧化碳反應(yīng)生成甲銨，故稱其為甲銨生成反應(yīng)：2NH3+CO2→NH2COONH4。在一定條件下，此反應(yīng)速率很快，容易達到平衡。且此反應(yīng)二氧化碳的平衡轉(zhuǎn)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(yīng)：NH2COONH4→CO(NH2)2+H2O。平衡轉(zhuǎn)化率一般為50%-70%，此步反應(yīng)的速率也較緩慢，是尿素合成中的控制速率的反應(yīng)。2.2.2反應(yīng)速度從生成尿素的反應(yīng)機理可知甲銨脫水是反應(yīng)的控制階段，但甲銨脫水反應(yīng)在氣相中不能進行，在同相中反應(yīng)速率較慢，而在液相中反應(yīng)速率較快，故甲銨脫水生成尿素的反應(yīng)必須在液相中進行。因此決定反應(yīng)速率的因素有兩個：①氨和二氧化碳由氣相進入液相的速率②液相中甲銨脫水的速率。第3章水溶液全循環(huán)法的生產(chǎn)工藝流程3.1尿素的合成3.1.1液氨和二氧化碳直接合成尿素總反應(yīng)為：2NH3+CO2—CO(NH2)2+H2O-103.7kJ（3-1）實際上反應(yīng)是分兩步進行的，首先是氨與二氧化碳反應(yīng)生成氨甲酸銨：2NH3+CO2—NH2COONH4+159.47kJ（3-2）該步反應(yīng)是一個可逆的體積縮小的強放熱反應(yīng),在一定條件下，此反應(yīng)速率很快,客易達到平衡，且此反應(yīng)二氧化碳的平衡轉(zhuǎn)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(yīng)：NH2COONH4—CO(NH2)2+H2O-28.49kJ（3-3）此步反應(yīng)是一個可逆的微吸熱反應(yīng)，平衡轉(zhuǎn)化率一般為50%?70%，并且反應(yīng)的速率也較緩慢，是尿素合成中的控制速率的反應(yīng)。3.1.2合成尿素的理論基礎(chǔ)在一定條件，氨基甲酸銨的生成速度是很快的，而氨基甲酸銨的脫水速度則很慢。所以，在合成尿素的生產(chǎn)中，反應(yīng)時間的長短和尿素合成產(chǎn)率的高低，直接與氨基甲酸銨的脫水速度和尿素合成反應(yīng)的平衡有關(guān)。3.2尿素的工藝流程圖水溶液全循環(huán)法合成尿素工藝流程：水溶液全循環(huán)法合成尿素工藝流程圖如圖3-1，經(jīng)過加壓預(yù)熱的原料液氨與經(jīng)壓縮后的原料二氧化碳氣及循環(huán)回收來的氨基甲酸銨液一并進入預(yù)反應(yīng)器。在預(yù)反應(yīng)器內(nèi)氨與二氧化碳反應(yīng)生成氨基甲酸銨，在進入尿素合成塔，在塔內(nèi)氨基甲酸銨脫水生成尿素。尿素熔融物從塔頂出來進入預(yù)分離器，將氨基甲酸銨和氨進行分離。氨基甲酸銨從預(yù)分離器底部出來進入中壓循環(huán)加熱器，用蒸汽加熱進一步提高溫度，促使殘余氨基甲酸銨分解。氣、液在低壓循環(huán)分離器內(nèi)分離。分離出來的尿液經(jīng)減壓至常壓后，進入閃蒸槽，經(jīng)減壓后尿液中的氨基甲酸銨和氨幾乎全部清除。自閃蒸槽出來的尿液進入尿液貯槽，用尿素溶液泵打入中壓蒸發(fā)加熱器及低壓蒸發(fā)加熱器，在不同真空度下加熱蒸發(fā)，氣、液分別在中壓蒸發(fā)分離器及低壓蒸發(fā)分離器內(nèi)分離。低壓分離器出口尿液濃度達質(zhì)量）以上，用熔融尿素泵打入造粒塔，經(jīng)造粒噴頭撒成尿粒，在塔底得到成品尿素[6]。去回收系統(tǒng) 去冷凝真空系統(tǒng) 6 3178 1315 59972 12 14 14 4 10 16116液氨 水 11尿素成品CO2 圖3.1水溶液全循環(huán)法合成尿素示意流程圖Figure3.1full-circulationwithwatersolutionforureasynthesisflowchart1-預(yù)反應(yīng)器；2-尿素合成塔；3-預(yù)分離器；4-中壓循環(huán)加熱器；5-中壓循環(huán)分離器；6-精餾塔;7-低壓循環(huán)加熱器；8-低壓循環(huán)分離器；9-閃蒸槽；10-尿素貯槽；11-尿素溶液泵；12-—段蒸發(fā)加熱器；13-—段蒸發(fā)分離器；14-二段蒸發(fā)加熱器；15-二段蒸發(fā)分離器；16-熔融尿素泵；17-造粒塔預(yù)分離器、中壓循環(huán)分離器、低壓循環(huán)分離器及精餾塔頂部出來的氨和二氧化碳，進入回收系統(tǒng)。回收的氨與二氧化碳以液氨或氨基甲酸銨的形式返回合成系統(tǒng)循環(huán)使一段蒸發(fā)分離器、二段蒸發(fā)分離器及閃蒸槽出來的氣體，大部分水蒸氣和少量的氨去冷凝、真空系統(tǒng)，回收殘余氨后放空。3.3合成尿素工藝流程水溶液全循環(huán)法合成尿素工藝流程簡圖如3-2，由造氣爐產(chǎn)生的半水煤氣脫碳后，其中大部分的二氧化碳由脫碳液吸收、解吸后，經(jīng)油水分離器，除去二氧化碳氣體攜帶的脫碳液，進入二氧化碳壓縮機系統(tǒng)，由壓縮機出來的二氧化碳氣體壓力達到16MPa后進入尿素合成塔。從合成氨車間氨庫來的液氨進入氨儲罐，經(jīng)過氨升壓泵加壓進入高壓液氨泵，加壓至20MPa左右，經(jīng)過預(yù)熱后進入甲銨噴射器作為推動液，將來自甲銨分離器的銨溶液增壓后混合一起進入尿素合成塔。尿素合成塔內(nèi)溫度為186?190°C，壓力為200MPa左右，NH3/CO2的摩爾比和H2O/CO2的摩爾比控制在一定的范圍內(nèi)。合成后的氣液混合物進入一段分解，進行氣液分離，將分離氣相后的尿液送入二段分解，進一步見混合物中的氣相除去。凈化后的尿液依次進入閃蒸槽、一段蒸發(fā)、二段蒸發(fā)濃縮，最后得到尿素熔融物，用刮料泵輸送到尿素造粒塔噴灑器，液氨液氨泵冷凝合成塔分解分離吸收蒸發(fā)分離冷凝減壓干燥造粒尿素含氨凝液壓縮二氧化碳圖3.2水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素工藝流程簡圖Figure3.2full-circulationwithwatersolutionureaproductionprocessflowdiagram在空氣中沉降冷卻同化成粒狀尿素，并通過尿素塔底機用運輸皮帶送往儲存包裝車從一段分解、二段分解出來的氣相含有未反應(yīng)的氨和二氧化碳，分別進入一段吸收和二段吸收，氨和二氧化碳被后面閃蒸、一段蒸發(fā)、二段蒸發(fā)工段冷凝下來的冷凝水吸收混合形成水溶液，用泵送入尿素合成塔；一段吸收后剩余的氣體進入惰洗器稀釋后，與二段吸收的殘余氣體混合進入尾氣吸收塔，與一段蒸發(fā)、二段蒸發(fā)工段氣相冷凝除去水后殘余的氣體混合后放空。3.4原料的準備合成尿素的主要原料是液氨和氣體二氧化碳，二者分別是合成氨廠的主副產(chǎn)品，所以合成氨和尿素生產(chǎn)裝置設(shè)在一起，聯(lián)合生產(chǎn)[7]。3.4.1氨的分子式為NH3，分子量為17.03，在常溫常壓下是無色的具有特殊刺激性的氣體，在低溫高壓下可以液化，當溫度低于77.7°C以下時，氨可以成為具有臭味的無色結(jié)晶，其主要物理性質(zhì)如下：臨界溫度/°C132.4臨界壓力（絕壓）/MPa11.15臨界比容/(nr>g)4.26密度（氣體在標準狀態(tài)下）/(mg/L)760尿素生產(chǎn)對液氨質(zhì)量的要求其質(zhì)量數(shù)氨>99.5%，水<0.5%，油<10mg/kg。3.4.二氧化碳是無色氣體，在一定條件下可以液化，在強烈冷卻時可以變?yōu)橥w，成為干冰，其分子式為CO2,分子量為44，其臨界壓力為7.29MPa，臨界溫度為31°C，臨界密度為0.486的1113，標準狀態(tài)下氣體密度為1.997外，液體的密度為0.9248的m3，沸點為56.2°C，熔點為78.48°C.尿素生產(chǎn)對原料二氧化碳氣的要求為：CO2含量>98.5%(體積分數(shù)）H2S含量<15mg/m3。3.5原料的凈化與輸送3.5脫硫原料二氧化碳是合成氨裝置生產(chǎn)的副產(chǎn)物，其中含有極少量的硫化物（主要是硫化氫）。為了減少硫化氫對尿素設(shè)備及管道的腐蝕，首先必須對其進行脫硫。方法有干法和濕法，干法較常用，可以達到很高的凈化度，但只有當空氣中的硫化氫含量較低時才能應(yīng)用（<lg/m3)，所以必須與濕法串聯(lián)，干法放在其后。其流程圖如圖3-3。煙囪風(fēng)機煙囪再熱器文丘里再熱器旋流板吸收塔煙氣 旋流板吸收塔沉淀循環(huán)再生池脫硫劑制備沉淀循環(huán)再生池脫硫劑制備排渣脫水干化運走補充燒堿或純堿 補充燒堿或純堿3.3二氧化碳脫硫原理圖Figure3.3carbondioxidedesulfurizationprinciplediagram壓縮有合成氨系統(tǒng)送來的二氧化碳氣體，進入壓縮機之前，在總管內(nèi)與氧氣混合。加氧是為了防止合成、循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)備腐蝕。氧氣需要量約為二氧化碳總量的0.5%(體積），二氧化碳通過一個帶有水封的液滴分離器，用來除去二氧化碳氣體中的水滴以保護二氧化碳壓縮機。在液滴分離器之前設(shè)有放空閥，當系統(tǒng)停車或生產(chǎn)能力驟減時,由此放出一部分二氧化碳。3.5.2液氨的凈化與輸送從合成氨裝置內(nèi)送來的2.0MPa表壓下的液氨,通過氨過濾器除去雜質(zhì)進入系統(tǒng)[8]。過濾后的液氨送入液氨緩沖槽的原料室中。液氨緩沖槽設(shè)有控制閥可自動控調(diào)節(jié)，并在控制盤上設(shè)有液氨緩沖槽的高低液位報警器。由中壓循環(huán)系統(tǒng)來的液氨進入氨循環(huán)槽的回流室，一部分作為中壓塔的回流氨，多余的氨流過的溢流隔板進入原料室，與新鮮原料混合。原料液氨與溢流氨匯合后從氨緩沖槽原料室進入高壓氨泵。高壓液氨進入合成塔之前，先經(jīng)過預(yù)熱器預(yù)熱到45-55°C,高壓液氨經(jīng)預(yù)熱后送入高壓混合器，然后進入尿素合成塔。3.6尿素溶液的蒸發(fā)與造粒尿素合成反應(yīng)液經(jīng)二次減壓加熱和閃蒸，將未反應(yīng)物分離之后，得到溫度為95°C、濃度為73%-75%的尿素溶液，貯存于尿液貯槽。次尿液必須進一步濃縮，將含水量降到0.3%，然后造粒，才便于貯存和運輸。尿素濃縮可以釆用蒸發(fā)法，也可以采用結(jié)晶法。從蒸發(fā)法得到熔融狀尿素直接可以造粒，而結(jié)晶法得到內(nèi)體結(jié)晶尿素，仍須加熱再熔融后進行造粒。這是由于結(jié)晶尿素易于吸潮結(jié)塊。蒸發(fā)法制的粒狀尿素含縮二脲在0.9%左右，而結(jié)晶法制的粒狀尿素中縮二脲的含量可以降到0.3%。前者設(shè)備較少，即投資較少，后者投資稍有增加。具體釆用哪種方法依情況而定。熔融尿素(140°C)—尿素粒子(140°C)—尿素粒子(60°C)。第4章生產(chǎn)尿素的工藝條件保證產(chǎn)品質(zhì)量并取得較好的技術(shù)經(jīng)濟效益，在生產(chǎn)過程中需嚴格控制各項工藝條件，生產(chǎn)尿素的主要工藝條件如下。4.1溫度的影響尿素合成的控制反應(yīng)是甲銨脫水，它是一個微吸熱反應(yīng)，故提高溫度甲銨脫水速度加快。溫度每升高10°C，反應(yīng)速度約增加一倍，因此，從反應(yīng)速率角度考慮，高溫是有利的。由實驗和熱力學(xué)計算表明，平衡轉(zhuǎn)化率開始時隨溫度升髙而增大。若繼續(xù)升溫平衡轉(zhuǎn)化率逐漸下降。表4.1反應(yīng)溫度與二氧化碳轉(zhuǎn)化率的關(guān)系Table4.1reactiontemperatureandcarbondioxideconversionrelationship反應(yīng)溫度/°C170180190轉(zhuǎn)化率/%606067.5備注：氨碳比NH3:CO2=4，水碳比H2O:CO2=0.6這是因為高溫時甲銨在液相中分解成氨和二氧化碳所造成。綜合進行考慮，尿素合成塔內(nèi)部操作溫度大致為185-200°C出現(xiàn)最大值，即最高平衡轉(zhuǎn)化率。溫度繼續(xù)升高，平衡轉(zhuǎn)化率下降。

轉(zhuǎn)化率% H2O/CO2=0.375 H2O/CO2=0.470H2O/CO2=0.565 170180190200溫度/T圖4.1溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系Figure4.1temperatureandconversionoftherelationship4.2氨碳比（摩爾比）或過量氨的影響氨碳比是指反應(yīng)物料中NH3/CO2的摩爾比，常用符號a表示。“氨過量率”是指原料中氨量超過化學(xué)反應(yīng)式的理論量的摩爾百分數(shù)。兩者是有聯(lián)系的，如當原料a=2時氨過量率為50%，而a=4時，則氨過量率為100%。實驗表明NH3過量能提高尿素的轉(zhuǎn)化率，因為過量的NH3促使CO2轉(zhuǎn)化，同時能與脫出的H2O結(jié)合成氨水，使水排除于反應(yīng)之外，這就等于移去部分產(chǎn)物，也促使平衡向生成尿素的方向移動。再者，過剩氨還會抑制甲銨的水解和尿素的縮合等有害副反應(yīng)，也有利于提高轉(zhuǎn)化率。所以，過量氨增多，平衡轉(zhuǎn)化率增大，故工業(yè)上都釆用氨過量操作，即氨碳比必須大于2。一般水溶液全循環(huán)法氨碳比選擇在3.5-4.5左右，CO2氣提法尿素生產(chǎn)流程中因設(shè)有高壓甲銨冷凝器移走熱量和副產(chǎn)蒸汽[9]，不存在超溫問題，而從相平衡及合成系統(tǒng)壓力考慮，其氨碳比選在2.8-2.9。4.3水碳比水碳比是指合成塔進料中H2O/CO2的摩爾比，常用符號b來表示。水的來源有兩方面：一是尿素合成反應(yīng)的產(chǎn)物，二是現(xiàn)有各種水溶液全循環(huán)法中，一定量的水會隨同未反應(yīng)的出NH3和CO2返回合成塔中。從平衡移動原理可知：水量增加，不利于尿素的形成.它將導(dǎo)致尿素平衡轉(zhuǎn)化率下降。表4.2水碳比與尿素平衡轉(zhuǎn)化率的關(guān)系Table4.2water,carbonwithureathantherelationshipbetweenthebalanceconversionH2O：CO0.91.1尿素平衡轉(zhuǎn)化率69.068.667.465.864.0備注：在20MPa，摩爾比NH3/CO2=4.5水溶液全循環(huán)法中水碳比一般控制在0.7-1.2，CO2氣提法中，氣提分解氣在高壓下冷凝，返回合成塔系統(tǒng)的水量較少，因此水碳比一般在0.3-0.4之間。4.4操作壓力尿素合成總反應(yīng)是一個體積減少的反應(yīng)[10]，因而提高壓力對尿素合成有利，尿素轉(zhuǎn)化率隨壓力增加而增大，但合成壓力也不能過高，因壓力與尿素轉(zhuǎn)化率的關(guān)系并非直線關(guān)系，在足夠的壓力下，尿素轉(zhuǎn)化率逐步趨于一個定值，壓力再升高，轉(zhuǎn)化率增加很少，但同時壓縮的動力消耗增大，生產(chǎn)成本提高，高壓下甲銨對設(shè)備的腐蝕也加劇。對于水溶液全循環(huán)法，當溫度為190°C和NH3:CO2等于4時，相應(yīng)的平衡壓力為18?20MPa左右。對于CO2氣提法操作壓力為13?14MPa。4.5反應(yīng)時間在一定條件下，甲銨生成反應(yīng)速率極快，且反應(yīng)比較完全；但甲銨脫水反應(yīng)速率很慢，且反應(yīng)很不完全；所以尿素合成反應(yīng)時間主要是指甲銨脫水生成尿素反應(yīng)時間。甲銨脫水速率隨溫度升髙和氨碳比加大而加快。為了使甲銨脫水反應(yīng)進行得比較完全，就必須使物料在合成塔內(nèi)有足夠的停留時間。但是，反應(yīng)時間過長，設(shè)備容積要相應(yīng)增大，或生產(chǎn)能力下降，同時，甲銨的不穩(wěn)定性增加，尿素縮合反應(yīng)加劇且甲銨對設(shè)備的腐蝕也加劇，操作控制比較困難。對于水溶液全循環(huán)法反應(yīng)時間一般為50?60min,其CO2轉(zhuǎn)化率可達62%?64%。對于二氧化碳氣提法，反應(yīng)時間一般為40?50min左右，其轉(zhuǎn)化率約為53%。4.6惰性氣體的影響CO2原料氣中，通常含少量的N2，H2和O2等雜質(zhì)，稱為惰性氣體，它使CO2的濃度降低，將導(dǎo)致尿素轉(zhuǎn)化率的下降。在CO2氣體濃度86%?100%范網(wǎng)內(nèi)，惰性氣體含量每増加1%，合成轉(zhuǎn)化率約降低0.6%。此外，H2、O2等還可能導(dǎo)致尾氣發(fā)生燃燒爆炸，影響安全生產(chǎn)。工業(yè)生產(chǎn)中，原料CO2氣濃度要求>98%(體積），愈純愈好。第5章生產(chǎn)尿素的主要設(shè)備5.1脫硫塔該塔為圓柱形立式設(shè)備，其作用是在加壓的條件下（2.0MPa)，脫出二氧化碳中的硫化氫。含硫化氫的二氧化碳氣體，自上而下通過多層氫氧化鐵脫硫劑，發(fā)生脫硫反應(yīng)，從塔的底部流出。為了提高脫硫效率，一般采用多塔并聯(lián)和串聯(lián)的組合方式。由于脫硫反應(yīng)是在常壓和加壓的條件下進行，故該設(shè)備外殼為16Mn材質(zhì)制作。5.2二氧化碳壓縮機二氧化碳壓縮機釆用對置機體，機體由機身和四個滑道中體組成，常用優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵鑄造。二氧化碳壓縮機中一、二、三段汽缸為雙作用夾套式汽缸，用優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵制成，夾套中流通冷卻水，可以帶走部分熱量。四、五段汽缸為單作用夾汽缸，四段汽缸由鑄鐵制成，五段汽缸由鍛鋼制成，亦均通入冷卻水冷卻。為了防止活塞于汽缸咬合，提高汽缸使用壽命，四、五段缸鑲有鑄鐵缸套，其中間有一空隙引入壓縮機三段進門氣體，稱為平衡段，用以平衡活塞力.5.3合成塔合成塔是尿素合成的關(guān)鍵設(shè)備之一液氨與二氧化碳在塔內(nèi)反應(yīng)，最后生成尿素。尿素合成塔在較高的壓力下操作，因而應(yīng)符合高壓容器要求，工業(yè)中的高壓筒體一般釆用較大的高徑比。尿素的合成是在較高溫度下操作，外殼需要保溫，保持熱量不擴散[11]。尿素的合成反應(yīng)需要一段時間，所以塔內(nèi)需要有足夠的空間，反應(yīng)中不需要外加催化劑和換熱裝置，所以合成塔為空筒形式，有的內(nèi)裝有塔板，以防物料的返混。尿素合成反應(yīng)液具有強烈的腐蝕作用，塔內(nèi)壁釆陽耐腐蝕材料襯里，現(xiàn)在一般用超低碳奧氏體不銹鋼、高鉻錳不銹鋼或鈦作為襯里或內(nèi)袞。外殼為整體鍛造或多層鋼板卷焊制成的高壓圓筒，頂蓋于筒體的密封結(jié)構(gòu)，也可以采用強制式的，目前都采用強制式的。5.4中壓分解加熱器中壓分解加熱器為立式列管換熱器，殼體為碳鋼，列管及頂、底蓋為不銹鋼。中壓分解加熱器的主要作用是將合成塔出口反應(yīng)液中未反應(yīng)的液態(tài)游離氨、二氧化碳及氨基甲酸銨加熱分解成氣相氨與二氧化碳。5.5中壓分解分離器中壓分解分離器為立式旋風(fēng)分離裝置，氣體從切線方向有接管進入器內(nèi)，產(chǎn)生離心力，液滴依靠重力而下沉。分離后的氣體經(jīng)喇叭形排氣管通過不銹鋼絲網(wǎng)除沫層，從頂部出口管排出。設(shè)置喇叭形排氣管的目的是使氣體中冷凝液沿著椎體流向中間，防止冷凝液再被進入氣體帶走。5.6中壓吸收器中壓吸收塔[12]是將中壓分解氣體氨和二氧化碳用來將低壓吸收的稀氨基甲酸銨液吸收下來，它是水溶液全循環(huán)工藝的關(guān)鍵設(shè)備之一。中壓吸收塔一般為立式設(shè)備，分上下兩段，下部為鼓泡段，其中有氣體分布器和加熱與冷卻管束。上部是吸收段，也稱精洗段。該段有的填環(huán)狀填料，有的使用浮閥塔板[12]。5.7氨冷凝器氨冷卻器的作用是將中壓吸收塔塔頂排出的氣體氨冷凝成液氨。該設(shè)備為臥式列管式熱交換器，用碳鋼制成。水在管內(nèi)流動，氣氨由冷凝器接管進入，管內(nèi)裝折流板15塊，氣體沿管間曲折通過，冷凝的液氨向下流動。冷凝器通冷卻水前必須將排氣閥打開，保證冷卻水充滿列管，提高冷凝效果。5.8氨吸收塔吸收塔是一立式填料塔，它的主要作用是吸收高、低壓循環(huán)系統(tǒng)尾氣中的氨氣。第6章物料衡算和熱量衡算6.1物料衡算計算基準：以一噸尿素為基準。成品規(guī)格：含氮量46%（折合尿素98.5%）其中未含縮二脲含氮量，縮二脲1.0%，水0.5%。尿素消耗定額：NH3：600kgCO2：785kg每噸成品尿素氨損失：600－985×2×17/60－10×3×17/103=36.882kg每噸成品尿素二氧化碳損失：785－985×44÷60－10×2×44/103=54.123kg6.1.1CO2壓縮系統(tǒng)CO2中的組分：CO2（95.7%）；N2（3.8%）；O2（0.5%）；PH2O=0.0056CO2氣體的五段入口壓力：7.944Mpa；溫度：40°C。CO2氣體的五段出口壓力：20.595MPa；溫度：125°C。計算進入二氧化碳壓縮系統(tǒng)的干CO2氣體量[13]：CO2：785kg=17.8409kmolO2:17.8409×0.5/95.7=0.0932kmol=2.982kgN2:17.8409×3.8/95.7=0.7084kmol=19.836kg干CO2：mco2+mo2+mN2=785+2.982+19.836=807.818kg=18.6425kmol②二氧化碳帶入水量：m干CO2×PH2O÷(P0－PH2O)=18.6425×0.0056/(0.1013－0.0056)=③損失CO2量：CO2：48.069kg；O2：0.182kg；N2：1.215kg；H2O：18.555kg④壓縮后CO2氣體量：CO2：mco2總－mco2損=785－48.069=736.93kg=17.7484kmolO2：mo2總－mo2損=2.982－0.182=2.8kg=0.0875kmolN2：mN2總－mN2損=19.836－1.215=18.621kg=0.665kmol含水量：mH2O總－mH2O損=18.848－18.555=0.293kg=0.0163kmol6.1.2尿素合成塔NH3/CO2=4.1；H2O/CO2=0.65；壓力：P=19.712；溫度：t=188°C；CO2轉(zhuǎn)化率：64%；循環(huán)回來的一段甲銨液：NH3/CO2=3.121；含尿素：4.598kg①每噸成品尿素含尿素：985kg;含縮二脲：10kg生成縮二脲消耗尿素：10×2×60/103=11.65kg；水解及損失尿素：12.1kg所以出口尿素為：985+11.65+12.1=1008.75kg②循環(huán)回來的甲銨液：1008.75×44/60×0.64=418.928kg尿素：4.598kg③入塔液氨：1008.75×4.1×17/60×0.64－505.161=1325.825kg原料氨消耗定額：600kg；損失氨：29.294kg入塔原料液氨：600－29.294=570.706kg循環(huán)液氨：m入塔液氨－m入塔原料液氨=1325.825－570.706=755.119kg尿素：m出口尿素+m一段尿素=1008.75+4.598=1013.348kgCO2：m原料CO2+m一段CO2－m消耗CO2=736.961－418.928－739.75=416.109kgNH3:m反應(yīng)料NH3+m一段NH3–m消耗NH3=1325.825+505.161+571.625=1259.361kgH2O:m原料中H2O+m一段H20+m生成的H2O=0.293+307.061+302.623=609.979O2：2.8kgN2:18.621kg表6.1結(jié)果輸出表Table6.1

theresultsof

theoutputtable名稱NH3/kgCO2/kgH2O/kgO2/kgN2/kg尿素/kg入塔原料一段甲烷出塔物料1325.825505.1611259.361736.931415.928416.1090.293307.061609.9792.82.818.62118.6214.5981013.3486.1.3分解系統(tǒng)一段分解系統(tǒng)[14]條件:P=1.765MPa,t=160°C加入防腐空氣：O20.595kgN21.98kg甲胺分解率:a=–8.81+0115625t–0.000346t2=0.8324總NH3蒸出率：ηNH3=0.03837t0.616=0.8744一段分解器含水量:GH2O%=0.539×10-8t4.123=6.59%一段分解器CO2:346.169kg NH3:1101.185kgO2:3.395kgN2:20.601kgH2O:103.635kg出口尿液：尿素：m入口Ur–m水解消耗–m夾帶Ur–m生成縮二脲Ur=995.893–1.5–3.728–2.33=988.335kgH2O:5kg縮二脲：m入口縮二脲+m生成縮二脲=7+2=9kg排出氣體：CO2：0.022kgNH3：m二段未凝NH3氣體–m未凝NH3氣體=0.139–0.114=1.041kgH2O：m二段未凝H2O氣體+m噴射蒸汽–m未凝H2O氣體=0.265+22.234–0.258=22.241kg表6.2結(jié)果輸出表Table6.2

theresultsof

theoutputtable名稱一段分解器/kg出口尿液/kgNH3CO2H2ON2O2Ur1101.185346.369103.63520.6013.395158.17669.74506.3441013.348二段分解系統(tǒng)：條件：P=0.294MPa,t=140°C排除物料：CO2：0.46% NH3：0.7%氣相中含水：26%生成縮二脲：6kg消耗尿素：60%×11.65=6.99kg放出NH3：6×17/103=0.99kg設(shè)二段分解排出氣體：CO2─xkgNH3─ykgH2O─zkg67.74–x/17.4768–x–y–z=0.0046（6-1）158.176+0.99–y/17.4768–x-y–z=0.007（6-2）z/18(x/44+y/17)=26/74（6-3）有（6-1）（6-2）（6-3），可得。x=62.972y=148.867z=64.432排除尿液：尿素：m入口Ur–m消耗=1013.348–6.99=1006.358kgCO2:m入口CO2–mCO2氣體=69.74–62.972=6.768kgNH3:m入口NH3–mNH3氣體+mNH3生成=158.176–148.867+0.99=10.299H2O:m入口NH3–mH2O=441.912kg縮二脲：6kg尿素/H2O=96/4表6.3結(jié)果輸出表Table6.3

theresultsof

theoutputtable名稱二段分解器/kg出口尿液/kgNH3CO2H2OUr縮二脲148.86762.97264.43210.2996.768441.9121006.3586.000閃蒸槽：條件：P=0.044MPa,t=100°C甲胺分解率：99.1%過量NH3的蒸出率：99.85%閃蒸槽出口溶液組成：尿素：水=74：26總過剩氨：1259.361–416.109×34/44=937.822kg閃蒸槽排出尿液：尿素：1006.358kgCO2:m剩余co2（1–0.991）=416.109×（1–0.991）=3.745kgNH3:m過剩NH3（1–0.9985）+mco234/44=937.822×(1–0.9985)+3.745×34/44=4.30kgH2O:mUr×26/74=1006.358×26/74=353.585kg縮二脲：6kg排出氣體：CO2:m入口co2–mco2溶液=6.768–3.745=3.023kgNH3:m入口NH3–mNH3溶液=10.299–4.308=5.991kgH2O:m入口co2–mco2氣體=441.912–353.585=88.327kg表6.4結(jié)果輸出表Table6.4

theresultsof

theoutputtable名稱排出氣體/kg出口尿液/kgNH3CO2H2OUr縮二脲5.9913.02388.3274.3083.745353.5851006.3586.0006.1.4蒸發(fā)器一段蒸發(fā)器[15]：條件：P=0.033MPa,t=130℃出口尿液組成：尿素/H2O=96/4kg水解尿素：4.5kg夾帶尿素4.8kg生成縮二脲：1.0kg消耗尿素：1.165kg消耗水：1.35kg生成CO2：3.3kg生成NH3：2.55kg出口尿液：尿素：m入口Ur–m水解Ur–m夾帶Ur–m生成縮二脲Ur=1006.358–4.5–4.8–1.165=995.893kgH2O:m出口Ur×4/96=995.914×4/96=41.496kg縮二脲:m入口縮二脲+m出口縮二脲=6+1=7kg排出氣體:尿素：4.8kgH2O:m入口H2O–m水解消耗–m液態(tài)=353.585–1.35–41.496=995.893kgCO2:m入口CO2+m生成CO2=37.45+3.33=7.045kgNH3:m入口NH3+m生成NH3=4.308+2.55+0.165=7.023kg表6.5結(jié)果輸出表Table6.5

theresultsof

theoutputtable名稱排出氣體/kg出口尿液/kgNH3CO2H2OUr縮二脲7.0237.045310.7394.841.496995.8937.000二段蒸發(fā)器：條件：P=3.33MPa,t=140℃.夾帶尿素：3.728kg水解尿素：1.5kg消耗H2O:0.45kg生成CO2:1.1kg生成NH3:0.85kg生成縮二脲:2.0kg消耗尿素:2.33kg生成NH3:0.33kg出口熔融尿素：尿素:m入口Ur–m水解Ur–m夾帶Ur–m生成縮二脲Ur=995.893-1.5-3.728-2.33=988.335kgH2O:5kg縮二脲:m入口縮二脲+m生成縮二脲=7=2=9kg排出氣體：尿素:3.40kgH2O:m入口H2O–m水解消耗-m液態(tài)=41.496-0.45-5=36.046kgCO2:m生成CO2=1.1kgNH3:mNH3生成=0.85+0.33=1.18kg表6.6結(jié)果輸出表Table6.6

theresultsof

theoutputtable名稱排出氣體/kg出口尿液/kgNH3CO2H2OUr縮二脲1.1801.10036.0463.4005.000988.3359.0006.1.5蒸發(fā)冷凝器一段蒸發(fā)冷凝器[16]：條件：P=29.354KPa,t=45℃.未凝氣：尿素：3.40kgH2O:1.214kgCO2:0.073kgNH3:0.911kg冷凝液：尿素:4.8kgH2O:m一段蒸發(fā)H2O氣體+m閃蒸H2O氣體–m未凝H2O氣體=310.739+88.327–1.214=397.852kgCO2:m一段蒸發(fā)CO2氣體+m閃蒸CO2氣體–m未凝CO2氣體=7.045+3.023–0.073=9.995kgNH3:m一段蒸發(fā)NH3氣體+m閃蒸NH3氣體-m未凝NH3氣體=7.023+5.991–0.91112.103kg二段蒸發(fā)冷凝器:條件:P=2.933KPa,t=15℃.未凝氣：H2O:0.265kgCO2:0.022kgNH3:0.139kg冷凝液：尿素：3.728kgH2O:m二段蒸發(fā)H2O氣體–m未凝H2O氣體=36.046–0.265=35.78kgCO2:m二段蒸發(fā)CO2氣體–m未凝CO2氣體=1.1–0.022=1.078kgHN3:m二段蒸發(fā)HN3氣體–m未凝HN3氣體=1.18–0.139=1.041kg6.1.6中間冷凝器：條件P=16KPa,t=40℃.噴射蒸汽：22.234kg未凝氣:H2O:0.258kgNH3:0.114kg冷凝液：CO2:m混合液CO2×m進尾氣吸收塔H2O/m混合液H2O–m出尾氣吸收塔H2O=10.017x/420.093-0.328kgNH3:12.103x/420.093-1.668+21.763kgH2O:x–1.282kgm總補回H2O–m二段蒸發(fā)冷凝器H2O=139.602-35.781=103.821kg6.2熱量衡算6.2.1尿素合成塔平衡壓力：P=（54.75×4.1－10.1×0.65×4.1－90.25×0.65－0.1502×4.1×188+2.059×104×0.65/188－3.58×188+2.099×10﹣2×1882+1）×0.09807=16.08MPa（絕壓）物系總得氨碳比[17]=10（0.0011t+0.1987）G（0.004768t+0.5433×物系水碳比×t－0.8078）所以4.1=10（0.001×188+0.1987）G（0.004768t+0.5433×0.65－0.001667×0.65×188－0.8078）求得G=7.428尾氣中惰性氣體含量：nN2+nO2=0.665+0.0875=0.7525kmol尾氣NH3與CO2：n惰氣×P平衡/P=0.7525×16.08/（19.712－16.08）=3.3316kmol其中NH3：n×氣相氨碳比/（氣相氨碳比+1）=3.3316×7.428/（7.428+1）=2.9363kmol=49.917kg其中CO2：n×1/（氣相氨碳比+1）=3.3316×1/（7.428+1）=0.3953kmol=17.3932kg設(shè)入塔液氨溫度為t；P=20Mpa；焓值為ix排出氨量：2.9363molNH3分壓：P×nNH3/（nCO2+nNH3+n惰性）=19.712×2.9363/（0.3953+2.9363+0.7525）=14.17Mpa查化工手冊得CO2焓值：P=19.712Mpa；t=125℃；i=711.3kJ/kgCO2分壓：P×nCO2/（nCO2+nNH3+n惰氣）=19.712×0.3953/（0.3953+2.9363+0.7525）=1.908Mpat=188℃時，i=887.6kJ/kg；由氧的i—s圖查得P=0.1Mpa；t=125℃；i=360kJ/kgO2分壓：P×nO2/（nCO2+nNH3+n惰氣）=19.712×0.0875/(0.3953+2.9363+0.7525)=0.422Mpat=188℃時，i=460kJ/kg；由氮的i—s圖查得P=0.76Mpa；t=125℃；i=408kJ/kgN2分壓：P×nN2/（nCO2+nNH3+n惰氣）=19.712×0.665/(0.3953+2.9363+0.7525)=3.210MPaT=188℃時，i=490kJ/kg△H1=nNH3×17×（iNH3－ix）+nCO2×44×（iCO2－i/CO2）+nO2×32×（iO2－i/O2）+nN2×28×（iN2－i/N2）=2.9363×17(1855.5－ix)+0.3953×44×(887.6－711.3)+0.0875×32×(460－360)+0.665×28×(490－408)=97495－49.917ixkJ6.2.2進入液相CO2吸熱[18]生成甲銨的CO2量：m出口CO2－m氣相CO2=736.931－0.3953×44=719.5378kgt=25℃時，i=728kJ/kg△H2=m生成甲銨CO2×（iCO2－iCO225℃）=719.5378×（728－711.3）=12016kJ氨氣化吸熱：△H3NH3的質(zhì)量：719.5378×34/44=556.0kg；由i—s圖，查得P=0.101Mpa；t=25℃；i=1757.28kJ/kg△H3=mNH3×(i－ix)=556.0×(1757.28－ix)=977048－556ixkJNH3，CO2生成甲銨放熱：△H4P=0.101Mpa；t=25℃；氣態(tài)NH3，CO2生成固體甲銨的生成熱：H=﹣159350kJ/kmol△H4=m生成甲銨CO2×H×/44=719.5378×（﹣159350）/44=﹣2605872kJ固體甲銨升溫至熔點吸熱：△H5C=176.264kJ/(kmol℃)△H5=719.5378C△t/44=719.5378×176.264×(152－25)/44=366073kJ固體甲銨熔融吸熱：△H6△H6=719.5378×20306/44=332067kJ循環(huán)甲銨與尿素升溫吸熱：△H7甲銨平均比熱容：Cp=151.461kJ/(kmol℃)尿素比熱容：Cp=1.992kJ/(kg℃)甲銨量：mCO2+mCO2/44×17×2=418.928+418.928/44×2×17=742.62kg△H7=m甲銨×Cp甲銨×△t/78+m尿素×Cp尿素×△t/60=742.65×151.461×（192﹣95）/78+4.598×1.992×（152﹣95）=82721kJ甲銨脫水生成尿素吸熱：△H8反應(yīng)熱：H=21850.9kJ/kmol△H8=(m出塔尿素－m入塔尿素)×H/60=（1013.348－4.598）×21850.9/60=367368kJ循環(huán)氨水降溫放熱：△H9氨水組成：NH3：181.444kg37.14%(質(zhì)量百分含量)；H2O：307.061kg62.86%查化工手冊得[19]：Cp=4.570kJ/kg△H10=(mNH3+mH2O)×Cp×△t=(181.444+307.061)×4.570×(25－95)=﹣156273kg原料CO2氣體中水蒸氣液化放熱：△H11P=0.018Mpa；t=125℃；i1=2524.64kJ/kg；P=19.712Mpa；i2=104.6kJ/kg△H11=m原料CO2中H2O△i=0.293（104.6－2524.64）=﹣709kJ6.2.3反應(yīng)生成水降溫放熱P=19.712Mpa；t=152℃；i=640.57kJ/kgP=19.712Mpa；t=25℃；i=104.6kJ/kg反應(yīng)生成水量：m=n生成尿素量×18=（1013.348－4.598）×18/60=302.626kg△H12=m△i=302.626（104.6－640.57）=﹣162198kJ氨水放熱：△H13一段甲銨中氨水含氨：181.444kg（濃度37.14%）出塔氨水中含NH3：m出塔總NH3－m甲銨中NH3－m氣氨=1259.361－2.9363×17－（416.109－0.353×44）÷44×2×17=901.345kg含H2O：609.979kgNH3：59.64%H2O：40.36%37.14%氨水積分溶解熱：－649.115kJ/kg59.64%氨水積分溶解熱：﹣398.917kJ/kg△H13=m一段甲銨中NH3H1+m出塔氨水中NH3H2=901.345（﹣398.917）+181.444（﹣649.115）=﹣241778kJ出塔氨水升溫吸熱：△H14Cp=5.11kJ/kg℃△H14=(mH2O+mNH3)Cp△t=(901.345+609.979)×5.111×(188－25)=1259073kJ出塔甲銨升溫吸熱：△H15Cp=152.716kJ/kg℃△H15=m甲銨Cp△t=49819kJ出塔尿素吸熱：△H16Cp=1.992kJ/kg℃△H16=m尿素Cp△t=1013.348×1.992×（188－152）=72669kJ熱損失：：△H17定其為總熱量的0.5%收入熱量=△H4+△H9+△H10+△H11+△H12+△H13=2605872+156273+719.91ix﹣381031+241778+709+162198=2785799+7191ix收入熱量=△H1+△H2+△H3+△H5+△H6△H7+△H8+△H14+△H15+△H16+△H17=97495-49.917ix+12016+977048-556ix+366073+332067+82721+367368+1259073+49819+72669+0.005×（2785799+719.91ix）收入熱量等于支出熱量得：ix=638.679kJ/kg結(jié)論根據(jù)以上分析得出結(jié)論，水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素的過程中，為了最大限度地回收氨和二氧化碳，應(yīng)該合理控制中壓吸收塔的操作溫度、壓力，控制吸收塔的水碳比及加水量，控制吸收塔回流氨的比例.從而使系統(tǒng)達到高產(chǎn)低耗、安全、長周期穩(wěn)定運行的目的。操作壓力應(yīng)控制在1.6?1.8MPa左右；操作溫度應(yīng)控制在90?95℃；水碳比應(yīng)控制在4.0；氨水、回流氨的控制進料中氨水濃度應(yīng)維持在90%?95%左右。在尿素生產(chǎn)中，未反應(yīng)物的分離與回收的方法很多，其中水溶液全循環(huán)法是很重要的一種方法。水溶液全循環(huán)法采用兩段減壓加熱分離與回收，即中壓分解與回收和低壓分解與回收，其中中壓分解與回收的批約占未反應(yīng)物總批的85%?90%，因此，中壓分解與吸收的好壞將影響全系統(tǒng)的回收效率及經(jīng)濟技術(shù)指標。在中壓分解與回收系統(tǒng)中，中壓吸收塔是系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，中壓分解氣中的二氧化碳全部由該設(shè)備吸收返回成塔，因此該設(shè)備操作的好壞，直接影響尿素消耗和整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。參考文獻[1]劉振河.化工生產(chǎn)技術(shù)[M].北京：高等教育出版社,2007.[2]王亞平.我國尿素工業(yè)發(fā)展影響因素及政策建議[J].中國經(jīng)貿(mào)導(dǎo)刊.2007,(19):29-32.[3]劉金銀，氮肥生產(chǎn)工[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.[4]張文輝，氮肥的生產(chǎn)工藝[J].磷肥與復(fù)肥，1992,⑷：70.[5]張允湘，氮肥及復(fù)合肥工藝學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2008.[6]王有，尿素生產(chǎn)設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11327472.3項目建設(shè)的必要性 11265903市場分析 14297233.1物流園區(qū)的發(fā)展概況 1479553.2市場供求現(xiàn)狀 1669963.3目標市場定位 17108883.4市場競爭力分析

17160544項目選址和建設(shè)條件 1950564.1選址原則 1969314.2項目選址 19544.3場址所在位置現(xiàn)狀 19297334.4建設(shè)條件 20123545主要功能和建設(shè)規(guī)模 22282555.1主要功能 22281835.2建設(shè)規(guī)模及內(nèi)容 26195696工程建設(shè)方案 27137726.1設(shè)計依據(jù) 27219396.2物流空間布局的要求 27262516.3空間布局原則 2853886.4總體布局 2936766.5工程建設(shè)方案 30235856.6給水工程 33115596.7排水工程 35HYPERLINK\l_To