尿素化工厂合成设计.doc 60页

'尿素化工厂合成设计 河南城建学院本科毕业设计Designdescripti设计说明本设计采用水溶液全循环法，使用氨和二氧化碳直接合成尿素，是将未转化成尿素的氨和二氧化碳经减压加热和分离后，用水吸收生成甲铵或碳酸铵水溶液，然后全部返回合成系统循环利用，原料氨利用率可达97%以上。水溶液全循环法主要包含以下步骤：（1）二氧化碳的压缩与净化，（2）氨的输送及尿素的合成，（3）循环回收，（4）尿素溶液加工，（5）工艺冷凝液的分配及解吸等个步骤进行合成尿素，并围绕如何调高二氧化碳二氧化碳的转化率，减少循环量，降低能耗以及提高尿素质量来进行。首先进行工艺流程分析并根据工艺参数及有关标准进行尿素合成塔和冷凝器内的物料、热量衡算；其次就解吸塔等设备利用传质传热方程、溶液物性数据等方面的知识进行塔体的总体结构设计和计算，设计出解吸塔塔径0.8m，塔高11.16m；然后对解吸塔进行了必要的强度校核；最后绘制了主设备图和工艺流程图。关键词：尿素合成，水溶液全循环法，物料衡算，热量衡算，设备计算 河南城建学院本科毕业设计DesigndescriptiDesigndescriptionThisdesignusesatotalrecycleoftheaqueoussolution,theuseofammoniaandcarbondioxide,thedirectsynthesisofurea,isnotconvertedintourea,ammoniaandcarbondioxide,waterabsorptionafterdecompressionheatingandseparationtogenerateammoniumorammoniumcarbonateaqueoussolution,andthenallreturntothecycleofsynthesissystemutilizationoftherawmaterialammoniautilizationupto97%.Fullcirculationoftheaqueoussolutionoffatconsistsmainlyofthefollowingsteps:(1)carbondioxidecompressionandpurification,(2)deliveryofammoniaandureasynthesis,(3)recycling,(4)oftheureasolutionprocessing,(5)processcondensatedistributionanddesorptionstepsynthesisofurea,andfocusonhowtheconversionrateofincreaseincarbondioxidecarbondioxide,reducingthecirculationrate,reduceenergyconsumptionandimproveureaquality.Processanalysisofthefirstmaterialsinaccordancewiththeprocessparametersandstandardswithintheureareactorandthecondenserheatbalance;followedbythedesorptiontowerandotherequipmentusedtoheatandmasstransferequations,thesolutionpropertydataandotherknowledgeoftowerbodytheoverallstructuraldesignandcalculations,designthedesorptionTatadiameter0.8mhightower,11.16m;desorbersthenecessarystrengthcheck;finallydrawthemastermapandprocessflowdiagram.Keywords:urea,watersolutionfullrecyclesmethod,materialbalance,heatbalancecalculation,equipment 北京化工大学本科毕业设计目录i 北京化工大学本科毕业设计主要符号说明主要符号说明A传热面积，m2hw’内堰高度,mA’每根管子的沸腾面积,m2K传热系数kJ/(m2•s•C)Ab液流面积,m2Kc阻力系数Af降液管截面积,m2L液流量m3/hA全塔截面积,m2L’流道长度mAw全塔截面积,m2Ll流体沿管周的喷淋密度kg/(m•s)A液相流经内堰时的最窄断面,m2Ls液相流量m3/sB折流板间距,ml管长mCp液体的比热容,KJ/(kmol•C)l堰长mD塔径，mlw堰长mde当量直径,mm每层塔板泡罩个数dl管内径,mm1换热器内换热管垂直列数do管外径,mn换热管总数或塔板数E液流收缩系数,ne壳体中心线上排列管数Ev雾沫夹带量,kg/kg气Nu努赛特准数F流道自由界面,m2P压力MpaF’动能因素,Pr普兰特准数F1泡罩升气管面积,m2Q设备设负荷kJ/hF4泡罩的齿缝总面积,m2q单位热负荷Kj/(m2•s)Ft温度校正系数,R污垢热阻m2•s•C/kJG气体的重量速度,kg/(m2•s)R1弯管的曲率半径,MG’尿素生产能力,t/hRc冷流体侧的污垢热阻,m2•s•C/kJH管子高度,mRe雷诺准数,HT踏板间距,mRh热流体侧的污垢热阻,m2•s•C/kJHd降液管内液层高度m流体密度kg/m3h齿缝高,mr’梯形的顶边与底边之比ho降液管底部至下一块踏板的距离,mrh水力半径mhl有效液层阻力,m液柱L液相密度kg/m3h2蒸汽冷凝热，kJ/kgV气相密度kg/m3ha泡罩的局部阻力，m液柱hd液相流出降液管的局部阻力，m液柱hd1降液管底部的阻力，m液柱h内堰的阻力，m液柱v 北京化工大学本科毕业设计主要符号说明hds动液封,m液柱hf堰顶端到降液管内液面的距离,mhow堰上溢流高度,mhp通过每层塔板的气相总压降，m液柱hr泡罩帽缘安全高度,mhs齿缝开度,mhss静液封,mhT外堰高度,mhW泡罩下缘距踏板间距,mtm冷流体平均温度,CΔ进出口堰之间的液面梯度,mΔT热流体温差,CΔt有效平均温差CΔt‘两流体之间的温度差,CΔP压力降kg/cm3τ液体在降液管中的停留时间,sτ‘他的积液排空时间sσ表面张力N/hθ塔的倾斜角度δ光壁厚度mλ流体导热系数kJ/(m2•s•C)μ流体粘度kg•s•/m2v 北京化工大学本科毕业设计引言1引言1.1尿素的物化性质和用途1.1.1尿素的物理性质尿素分子量60.06，因最早由人类及哺乳动物的尿液中发现，故称尿素。纯净的尿素为无色、无味针状或棱柱状晶体，含氮量为46.6%，工业尿素因含有杂质而呈白色或浅黄色，工业或农业品为白色略带微红色固体颗粒无臭无味。固体尿素相对密度，20~40℃，1.335g/cm3。熔点，标准大气压下，132.7℃。超过熔点则分解。尿素较易吸湿，贮存要注意防潮。尿素易溶于水和液氨，其溶解度随温度升高而增大。1.1.2尿素的化学性质尿素分子式：CO(NH2)2尿素结构式：（1）尿素的酸碱性尿素呈微碱性，可与酸作用生成盐，但因其碱性较弱，不能使一般的指示剂改变颜色。（2）尿素的水解反应尿素的水解反应，最初是尿素转化为氨基甲酸铵，而后形成碳酸铵，最后分解成氨和二氧化碳：总反应式为：在60℃以下尿素在酸性、碱性或中性溶液中不发生水解反应。但是随着温度的升高，水解速率加快，水解程度增大。（3）尿素的缩合反应纯尿素在加热到或者接近熔点时，开始呈不稳定性，发生缩合反应，生成缩二脲、缩三脲和三聚氰酸等物质。1.1.3尿素的用途尿素是一种高浓度氮肥，属中性速效肥料，也可用来生产多种复合肥料。在土壤中不残留任何有害物质，长期施用没有不良影响，但在造粒中温度过高会产生少量缩二脲，又称双缩脲，对作物有抑制作用。我国规定肥料用尿素缩二脲含量应小于0.5%。缩二脲含量超过1%时，不能做种肥，苗肥和叶面肥，其他施用期的尿素含量也不宜过多或过于集中。8 北京化工大学本科毕业设计引言尿素是有机态氮肥，经过土壤中的脲酶作用，水解成碳酸铵或碳酸氢铵后，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。尿素属中性速效肥料，长期施用不会使土壤发生板结。其分解释放出的CO2也可被作物吸收，促进植物的光合作用。在土壤中，尿素能增进磷、钾、镁和钙的有效性，且施入土壤后无残存废物。1.2尿素的生产方法简介生产尿素的方法有很多种，20世纪60年代以来，全循环法在工业上获得普遍采用，最常用的是水溶液全循环法生产尿素和二氧化碳气提法生产尿素。合成氨生产为NH3和CO2直接合成尿素提供了原料。由NH3和CO2合成尿素的总反应为：2NH3+CO2→CO(NH2)2+H2O。该反应是放热的可逆反应，转化率一般为50~70%。因此从合成塔出来的尿素溶液中除了尿素外，还有氮和甲铵。按未反应物的循环利用程度，尿素生产方法可分为不循环法、半循环法和全循环法三种。依气提介质的不同，分别称为二氧化碳气提法、氨气提法、变换气气提法。依照分离回收方法的不同主要分为水溶液全循环法、气提法等。按气提气体的不同又可分为二氧化碳气提法、氨气提法、变换气气提法。1.2.1水溶液全循环法20世纪60年代以来，全循环法在工业上获得普遍采用。全循环法是将未转化成尿素的氨和二氧化碳经减压加热和分离后。全部返回合成系统循环利用，原料氨利用率达97%以上。全循环法尿素生产主要包括四个基本过程：①氨和二氧化碳原料的供应及净化；②氨和二氧化碳合成尿素；③未反应物的分离与回收；④尿素溶液的加工。1.2.2CO2气提法2`%J-L5C;c)w所谓气提法就是用气提剂如CO2、氨气、变换气或其他惰性气体，在一定压下加热，促进未转化成尿素的甲铵的分解和液氨气化。气提分解效率受压力、温度、液气比及停留时间的影响，温度过高会加速氨的水解和缩二脲的增加，压力过低，分解物的冷凝吸收率下降。气提时间愈短愈好，可防止水解和缩合反应。故气提法是采用二段合成原理，即液氨和气体CO2在高压冷凝器内进行反应生成甲铵，而甲铵的脱水反应则在尿素合成塔中进行。实际上，为了维持合成尿素塔的反应温度，部分甲铵的生成留在合成塔中，而不是全部在高压冷凝器中完成。8 北京化工大学本科毕业设计引言1.3两种方法的比较1.3.1水溶液全循环尿素工艺的优、缺点水溶液全循环法是将未反应的氨和二氧化碳,经减压加热分解分离后，用水吸收生成甲铵或碳酸铵水溶液再循环返回合成系统。我国尿素厂多数采用水溶液全循环法。水溶液全循环尿素工艺生产装置的静止高压设备较少，只有尿素合成塔及液氨预热器为高压设备，其它均为中压和低压设备，所以该尿素工艺生产装置的技术改造比较容易、方便，改造增产潜力较大。氨碳比控制的较高，一般摩尔比为4.0左右，工艺介质对生产装置的腐蚀性较低，由于氨碳比控制的较高，二氧化碳气体中氧含量控制的较低，并且尿素合成塔操作压力为19.6MPa，操作温度为188~190℃，所以水溶液全循环生产尿素工艺中二氧化碳转化率较高，一般能达到42%-68%，经过尿素合成塔塔板的改造，有的企业已经达到68%以上。由于该工艺高压设备较少，高压系统停车保压时间可以达到24h，所以生产装置的中小检修一般可以在尿素合成塔允许的停车保压时间内完成，减少了高压系统排放的次数，降低了尿素的消耗。由于氨碳比控制的较高，中低压分解系统温度控制适当，尿素产品质量较容易控制，一般可以控制在优级品范围内。水溶液全循环尿素工艺可靠、设备材料要求不高、投资较低。缺点是：水溶液全循环尿素工艺生产装置的工艺流程较长，在操作调节方面不如CO2气提法生产尿素工艺简单、方便。由于氨碳摩尔比控制得较高，一般稳定在4.0左右，并且未反应生成尿素的氨和二氧化碳气体全部要经过低压、中压循环吸收系统回收后再返回到尿素合成塔，液氨泵和一段甲铵泵的输送量比较多，所以该工艺中液氨泵和一段甲铵泵的台数较多，动力消耗较多。由于该工艺高压系统的操作压力高达19.6MPa，并且一段甲铵液的工艺要求温度高达90℃左右，所以一段甲铵泵和液氨泵的运行周期较短、检修维护时间较多、维修费用较高。二氧化碳气体压缩机由于出口压力高达20.0MPa，比CO2汽提法高5.0MPa，故其运行周期也相对较短、维修工作量较多、维修费用较高。水溶液全循环尿素工艺的另一个缺点就是，目前国内在运行的生产装置大多为年产(10~20)×104t/a(经过改造后的生产能力)，也有个别厂家经过双尿素合成塔改造后达到了年产30~10吨，最近山东化工规划设计院也设计了年产30~40万吨尿素的水溶液全循环法生产尿素的装置，但从单套装置的设计生产能力来说，相对于CO2气提法生产尿素工艺的装置还相差较远。8 北京化工大学本科毕业设计引言1.3.2CO2汽提法尿素工艺的优、缺点气提法是利用某一气体在与合成等压的条件下分解甲铵并将分解物返回合成系统的一种方法。气提法是全循环法的发展，具有热量回收完全，氨和二氧化碳处理量较少的优点。此外，在简化流程、热能回收和减少生产费用筹方面也都优于水溶液全循环法．是尿素生产发展的一种方向。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。能耗低、生产费用低。该工艺的特点是采用共沸物下的CO(NH2)2摩尔比为2.89作为操作控制最佳指标进行操作，大部分未反应生成尿素的氨和二氧化碳在高压系统内循环继续反应生成尿素，只有较少部分的氨和二氧化碳需要在低压部分进行回收，液氨泵和甲铵泵的输送量比较少，所以该装置中液氨泵和甲铵泵的台数较少，动力消耗较少，并且该工艺高压系统的操作压力较低，为13.5~14.5MPa，使液氨泵和甲铵泵的运行周期较长，维修费用较少。该工艺能够回收较高品位的甲按反应热，除本系统加热使用外还可剩余少部分富裕低压蒸汽供外系统使用。CO2气提法尿素的另一个优点就是，生产装置的生产能力的范围较宽，运行都很正常稳定。并且荷兰斯塔米卡邦公司最近几年又对该工艺进行了大量研究工作，开发出了单套装置年产100×100t/a尿素的尿素池式冷凝器技术。与传统高压甲铵冷凝器不同的是，池式冷凝器可提供一定的停留时间，使甲铵生成尿素的反应在此可达到反应平衡的60%~80%，使生产装置产能在原设计能力的基础上翻一番，并且尿素主框架高度降到40m以下，使操作更加方便、动力消耗又有所降低。缺点：CO2气提法生产尿素工艺装置的静止高压设备较多，有尿素合成塔、高压二氧化碳气提塔、高压甲铵冷凝器、高压洗涤器四大主要设备，它们是CO2气提法尿素工艺生产装置的核心，其它均为低压设备，所以该尿素工艺生产装置的技术改造比较困难，改造增产潜力较小。高压二氧化碳气提塔加热需要的蒸汽品质较高，为2.5MPa，不如水溶液全循环尿素需用的蒸汽压力低。1.3.3尿素的发展前景与展望尿素的合成是第一次用人工方法从无机物制得有机化合物。1773年Rouelle在蒸发人尿时第一次发现尿素；1824年，Prout通过分析得出尿素的实验式；1828年德国化学家Wohler在实验室以氰酸和氨制的尿素；1932年美国杜邦公司用直接合成法制取尿素氨水，在1935年开始制造固体尿素，之后又出现了制备尿素的其他方法，包括光气与氨反应、CO28 北京化工大学本科毕业设计引言与氨反应、氰胺化钙水解等，由于种种原因，最终都未能实现工业化；唯一成为当代尿素工业化基础的是由氨和二氧化塔合成尿素的反应。1932年，美国DUPont公司用氨和二氧化碳直接合成尿素并副产氨水；1935年开始生产固体尿素并将未转化物循环回收，逐步形成全循环法工艺。20世纪50年代世界各国推出多种溶液全循环工艺流程，类型有：热气循环法；悬浮液循环法；气体分离循环法；水溶液全循环法等。其中，仅水溶液全循环法成功获得了工业应用：未反应的氨和二氧化碳以气态形式与尿素水溶液分离后，用水吸收为水溶液，再用泵送回系统。其工艺包括气液分离、液体吸收、气体冷凝几个步骤。当时工业化应用较成功的技术有美国Chemico法、DuPont法和瑞士的Incenta法。另外，法国Pechiney推出未反应物以不同溶剂选择性吸收循环流程。20世纪60年代，尿素工业发展的特点是：其一，尿素装置趁于单系列大型化，装置能力达到1000t/a~1500t/a；其二，气提法工艺被广泛采用。气提法是针对水溶液全循环法的缺点而开发的一种工艺，其实质是在与合成反应相等压力条件下，利用一种气体通过反应物系（同时伴有加热）是未反应的氨或二氧化碳被带出。因此，先后出现了二氧化碳气提法（由Stamiearbon开发，使尿素生产的能耗大为降低）；氨气提法（由意大利SnamProgetu开发），1966年建成第一个氨气提法尿素工厂；日本ToyoKoatsu全循环改良C法（合成压力高达25MPa，温度为200℃，转化率72%）和D法；美国的UTI热循环法。20世纪80年代之后，二氧化碳气提法和氨气提法得到进一步改进、完善；同时世界上著名的尿素公司还开发了其他的先进工艺：意大利的等压双循环工艺（IsobaricDoubleRecycle，简称IDR）；日本TEC/TMC开发了降低成本和节能新流程ACES（AdvancdeProcessforCostandEnergySaving）新工艺；瑞士AmonniaCasale开发了分级处理合成液的气提法分流工艺等。与原有二氧化碳气提法相比，具有以下特点：一是采用了新型高效的塔盘；二是开发了卧式池式冷凝器取代原立式高压冷凝器；三是降低了尿素主框架的高度；四是增设了二氧化碳脱氢装置，使二氧化碳气中氢气体积分数由约0.5%降到了50×0.05以下，确保尿素洗涤系统安全运行。1.4水溶液全循环法流程介绍水溶液全循环法生产工艺流程详见图,流程说明如下:(1)二氧化碳的压缩与净化:原料二氧化碳经一二段压缩到0.981～1.128MPa(绝),冷却除油除水后,送往二氧化碳净化工序,经脱硫后,净化气体经三﹑四﹑五段压缩至20.69(绝),约125℃送往尿素合成预反应器.(2)氨的输送及尿素的合成:原料液氨经液氨过滤器后,8 北京化工大学本科毕业设计引言与循环液氨共同进入液氨缓冲器,经液氨泵加压至20.69(绝),送往液氨预热器,被蒸汽冷凝液加热至约70℃,送往预反应器.原料二氧化碳气体﹑液氨和循环回来的一段甲铵液在预反应器中混合后,送往尿素合成塔的底部,其组成为～4.1(摩尔比),～0.65(摩尔比),在19.712MPa(绝),188℃的合成条件下,经过足够的停留时间,约有64%的的CO2转化为尿素.反应熔融物自塔顶排出,尿素合成塔的压力由出口压力调节阀控制.(3)循环回收尿素合成塔的反应熔融物经出口压力调节阀减压至1.765MPa(绝),进入一段分解塔的顶部,在此分理出闪蒸气体后,溶液自流至中部蒸馏段,与一段分解加热器来的热气体逆流接触,进行换热蒸馏,使液相中的部分甲铵与过剩氨分解﹑气化进入气相,同时气相中的部分水蒸气冷凝尿素溶液自蒸馏段下部进入一段分解加热器,在此约有88%的甲铵分解,约155～160℃的气液混合物上升分解塔底部分离为两相,液相自塔底排出,经减压送往二段分解塔,气相自下而上的通过蒸馏段自塔顶排出,送往一段蒸发段进行热能回收.一段分解系统的防腐气体自一段分解加热器的尿液入口管道上补入.一段分解气与二段甲铵液在一段蒸发器的热能回收段混合后,部分冷凝,气液混合物进入一段吸收冷凝器,进一步冷凝后,进入一段吸收塔进行吸收,塔底排出的一段甲铵液,经一段甲铵泵加压后送至尿素合成预反应器,塔顶排出的气体进入氨冷凝器,在此冷凝的氨送往液氨缓冲槽,未冷凝的气体进入惰气洗涤器,被来自二循二冷凝器的氨水吸收,尾气减压送至尾气吸收塔,浓氨水送至吸收塔的顶部.一段分解塔排出的尿素溶液,减压至0.25～0.392MPa(绝),送至二段分解塔的顶部,与二段分解加热器来的热气体逆流接触,被蒸汽加热到135～140℃,尿素溶液中残存的甲铵与过剩氨在此基本气化进入气相,气液混合物分离后,溶液减压送至闪蒸槽,气体自顶部排出,与来自解吸系统的解吸气混合后进入二循一冷凝器,在此,被蒸发冷凝液吸收,生成的二段甲铵送往一段蒸发的热能回收段.出二循一冷凝器的气体在二循二冷凝器内继续被蒸发冷凝液吸收,生成的氨水由氨水泵送往惰气洗涤器,尾气去尾气吸收塔.惰气洗涤器尾气与二循二冷凝器尾气混合后进入尾气吸收塔被蒸发冷凝液吸收,溶液送至碳氨储槽,尾气放空.(4)尿素溶液加工:二段分解塔排出的尿素溶液减压至约0.044MPa(绝)后进入闪蒸槽,在此气液分离,约74%的尿液送往一段蒸发器,在约0.033MPa(绝)下,尿素溶液经热能回收段和蒸汽加热段被加热到130℃,浓度约96%.溶液进入二段蒸发器,在约0.033MPa(绝),140℃下浓缩得到含水0.5%的熔融尿素,由熔融尿素泵送往造粒塔.闪蒸气与一段蒸发气均送往一段蒸发冷凝器,未凝气放空.二段蒸发气与进入二段蒸发冷凝器,未凝气进入中间冷凝器,继续冷凝,8 北京化工大学本科毕业设计引言未凝气放空.(5)工艺冷凝液分配与解吸:碳氨液槽分为一段蒸发冷凝液室﹑二段蒸发冷凝液室和碳氨液室.二段蒸发冷凝液贮存于二段蒸发冷凝液室,由蒸发冷凝液泵送往二循一冷凝器和二循二冷凝器,不足部分引入一段蒸发冷凝液.一段蒸发冷凝液与中间冷凝液贮存于一段蒸发冷凝液室,,由尾气吸收泵送入尾气吸收塔顶作为吸收液,尾气吸收塔底部得到的碳氨液送至碳氨液室.系统各处的排放液也进入碳氨液室.碳氨液由解吸泵送至解吸换热器,与来自解吸塔底部的解吸废液进行换热后进入解吸塔上部,经蒸馏后,塔顶得到的气体,进入解吸冷凝器,部分冷凝,冷凝液返回解吸塔顶部作为回流液,气相进入二循一冷凝器,解吸废液经换热器回收热量后,排往污水处理装置.附图：工艺流程图图3-1水溶液全循环法合成尿素示意流程图1-预反应器；2-尿素合成塔；3-预分离器；4-中压循环加热器；5-中压循环分离器；6-精馏塔；7-低压循环加热器；8-低压循环分离器；9-闪蒸槽；10-尿素贮槽；11-尿素溶液泵；12-一段蒸发加热器；13-一段蒸发分离器；14-二段蒸发加热器；15-二段蒸发分离器；16-熔融尿素泵；17-造粒塔8 北京化工大学本科毕业设计引言经过加压预热的原料液氨与经压缩后的原料二氧化碳气及循环回收来的氨基甲酸铵液一并进入预反应器。在预反应器内氨与二氧化碳反应生成氨基甲酸铵，在进入尿素合成塔，在塔内氨基甲酸铵脱水生成尿素。尿素熔融物从塔顶出来进入预分离器，将氨基甲酸铵和氨进行分离。氨基甲酸铵从预分离器底部出来进入中压循环加热器，用蒸汽加热进一步提高温度，促使残余氨基甲酸铵分解。气、液在低压循环分离器内分离。分离出来的尿液经减压至常压后，进入闪蒸槽，经减压后尿液中的氨基甲酸铵和氨几乎全部清除。自闪蒸槽出来的尿液进入尿液贮槽，用尿素溶液泵打入中压蒸发加热器及低压蒸发加热器，在不同真空度下加热蒸发，气、液分别在中压蒸发分离器及低压蒸发分离器内分离。低压分离器出口尿液浓度达99.7%（质量）以上，用熔融尿素泵打入造粒塔，经造粒喷头撒成尿粒，在塔低得到成品尿素。预分离器、中压循环分离器、低压循环分离器及精馏塔顶部出来的氨和二氧化碳，进入回收系统。回收的氨与二氧化碳以液氨或氨基甲酸铵的形式返回合成系统循环使用。一段蒸发分离器、二段蒸发分离器及闪蒸槽出来的气体，大部分水蒸气和少量的氨去冷凝、真空系统，回收残余氨后放空。8 北京化工大学本科毕业设计工厂设计条件与总平面布置2工厂设计条件与总平面布置2.1工厂设计条件2.1.1原材料及辅助物料的资源条件本设计中主要原料是氨气和二氧化碳，而厂址将选平顶山市附近，邻近平顶煤田,因此原料的来源极为方便。2.1.2公用工程概述厂址选在平顶山市的郊区，有可靠的供电网，输、供电系统，附近有铁路、国道，交通便利，水力设施齐全.2.1.3劳动力资源条件厂区地处平顶山市郊区,并且与省会郑州靠近,因此人力资源极其丰富.2.2总平面布置2.2.1　总平面布置的基本原则（1）总平面布置首先必须满足生产要求，以最大限度的保证生产作业线的连接、短捷、方便，从原料进厂到成品出厂，整个流程必须符合生产工艺要求，力求做到流程线路畅通、连续、短捷、避免交叉进行，是各种物料的输送距离为最小。同时，应将水电汽等公用工程耗量大的车间，尽量集中布置，已形成负荷中心与供应来源靠近，是各种公用系统介质的工程管线减少和输送距离最短，达到节约能源。（2）要能够充分结合场地优势、地位、地貌等有利条件，因地制宜，紧凑布置，节约土地，少占良田，少拆房屋，提高土地利用率。（3）大多数厂房，特别是主要生产车间的布置，应考虑到日照方位和主导风向，保证自然通风，厂前区和防污染的车间放在上风向，产生粉尘、烟、热等的车间及易燃库布置在下风向。（4）39 北京化工大学本科毕业设计工厂设计条件与总平面布置各车间之间注意满足防火、卫生等国家安全规定，各种厂房按性质分区集中。对易燃易爆的各类储罐和由危险性的库房（油库、危险品库），应力求远离火源和人员往来集中地，一般应布置在厂区边缘，主导风向的下风向以及地势较低的地段。（5）人流、物流各行其道，路线短捷，避免交叉。（6）综合管线统筹安排，防止干扰，力求管线短，拐弯少。（7）近期建设和远期发展相结合，主要生产车间留有适当的发展余地，但必须注意与城市建设和地域总体规划相适应，轻化工工厂变化较快，综合利用较广，加工深度较深，大多数工艺流程更新快，这要求在设计实现留有较大的预留地，以满足工厂发展变化的需要。（8）为示踪平面图具有建筑艺术性，厂房形状要规则简单，是道路径直，厂房中心线保持垂直或平行。（9）采取各种措施，提高建筑系数和场地利用稀疏。建筑系数一般为25%～40%，场地利用系数一般为50%～60%，这是总平面设计的主要技术经济指标。2.2.2　总平面布置概述（1）各车间布置:以控制室为核心,便于操作.（2）生产区布置：该尿素生产车间采用露天式生产模式，各工段按流程的顺序建设，本设计中呈U型。（3）辅助车间布置：以生产车间为中心，根据总平面布置原则，综合各种因素对各个辅助车间布置如下：a维修车间：远离厂区前，降低噪音污染，在主力生产车间附近，便于设备维修。b锅炉房：布置在用蒸汽较多的地方，且是主导风向的下风向。c变配电站：靠近电力负荷中心，缩短了电线路线，减少了投资，且在水处理车间的上风向，煤堆场的平行风向。d水处理车间：靠近负荷中心，处理每日生产车间所需的工业用水，并提供部分生活用水。（3）运输设备布置：车库油库均布置在主干道边缘，道路设计为主力干道，宽10米，行道每边各1米，车间引道6米，这样有利于消防和道路的改造。（4）堆场和仓库：布置在主导风向的下风向，置于厂区边缘，靠近主生产车间，且位于主力干道边缘。这样有利于原料或产品的进厂和出厂，且有利于火灾发生时，消防车的顺利到达出事地点。（5）行政管理机构和福利区：办公楼位于厂前区且位于主导风向的上风向。（6）绿化和美化区：本厂的绿化包括生产区﹑39 北京化工大学本科毕业设计工厂设计条件与总平面布置福利区的绿化带。既有专门的绿化区，也有环绕厂房及其他建筑物的绿化带。绿化带以草坪为主，路旁加种树木。这样，可使场区空气得以净化，噪音减小，美化和改善了环境的卫生条件，使本厂的小环境﹑小气候得以明显改善。注：为了不妨碍管道的布置及消防的要求，各生产工段的周围不设绿化带。综上所述，平面布置有以下几个特点：1厂房建筑物的布置与生产工艺流程相适应。原料﹑半成品和成品形成整个顺序，尽量保证流水作业，避免逆行和交叉；2锅炉房﹑水泵房﹑配电站等辅助车间尽量靠近其主要部门，以缩短期间距离，节省投资；3由前区到生产区主要干道，应避免与主要运输道路交叉；4尽量使大多数厂房向阳﹑背风﹑避免瓦斯等，尽可能使各厂区有条件采用自然采光和自然通风等；5按防火规范的要求，保证建筑物之间的距离，符合规定；6根据卫生规范的要求，保证厂区内卫生符合规定；7根据环境发展的要求，生产区设在有废渣处理系统﹑废水处理系统﹑废气处理系统等设施；8考虑工厂今后的发展，在控制室附近留有建筑余地,便于增设车间；9尽量做到以生产区为轴线，再考虑辅助车间﹑行政楼和道路的安排。39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计3　化工工艺设计3.1设计基础数据3.1.1设计条件：(1)界区条件：设计年生产量10万吨尿素合成工艺(2)原料液氨：纯度≥99.5%(重量%)温度≤30含油量≤10ppm数量：3.5t/h压力：2.06Mpa(绝)(3)原料二氧化碳气体：纯度≥95.7%(体积，干基加防腐空气后)压力：0.1052Mpa(绝)含氧0.5~0.6%(体积，干基)温度：35~40℃硫化物：≤0.15g/m3气体(气体状态数量：4.58t/h0.101Mpa，0℃)0.015g/m3(进尿素合成塔，气体状态，0.101Mpa,0℃)(4)蒸汽：质量：含氯离子≤0.5ppm温度：191℃压力：1.275Mpa(绝)数量：9.92t/h(6)冷却水：品质：氯离子≤0.5ppm(加缓冲剂后)压力：进界区0.588Mpa(绝)出界区0.294Mpa(绝)污垢系数：3.44×10-4c.s/J温度进界区≤32℃，冬季不得低于20℃出界区0~38℃稳定性：70℃以下腐蚀性：70℃以下对碳钢不锈钢无腐蚀数量：1060t/h(7)脱盐水：质量：氯离子＜5×10-3g/l出界区：0.49Mpa(绝)稳定性：90℃以下温度：进界区，常温，出界区，-80℃压力：进界区0.49Mpa(绝)数量：13t/h39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计(8)仪表空气：质量：无油，无水，无尘，无杂质露点：在最低压力下至少比环境温度低10℃压力：0.588~0.785Mpa(绝)温度：环境温度数量:245m3/h(气体状态0.101Mpa，0℃)3.1.2产量及产品质量(1)产量：设计产量，日产尿素333吨(2)产品质量：符合GB2440——91国家农用尿素标准(3)消耗定额：以吨尿素为准，液氨：0.58吨，二氧化碳：0.785吨，冷却水：180吨3.2主要工艺控制指标3.2.1二氧化碳压缩机操作压力：操作温度：一段入口：0.1052Mpa(绝)一段入口：~35℃五段出口：~20.595Mpa(绝)五段出口：~125℃3.2.2二氧化碳净化净化后二氧化碳气体含硫量＜0.015g/m3(气体状态，0.101Mpa，0℃)操作压力：1.0~1.08Mpa(绝)操作温度：40℃3.2.3尿素合成塔操作压力:~19.712Mpa(绝)操作温度:顶部，188℃；底部，184℃入塔物料：NH3/C02(摩尔比)~4.1H2O/C02(摩尔比)~0.65~0.7二氧化碳转化率~64%3.2.4一段分解操作压力~1.765Mpa(绝)操作温度155~160℃39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计3.2.5一段吸收操作压力~1.765Mpa(绝)操作温度：塔顶＜50℃；塔底90~95℃一段甲铵液组成：NH3/C02(摩尔比)~3.121H2O/C02(摩尔比)~1.9出塔气相C02量＜100ppm3.2.6惰气洗涤器操作温度：45℃，尾气含氧≤5%(体积%)3.2.7二段分解操作压力：0.245~0.343Mpa(绝)操作温度~140℃3.2.8二段吸收操作压力：0.245~0.343Mpa(绝)操作温度~40℃3.2.9闪蒸槽操作压力：0.044Mpa(绝)操作温度95~100℃3.2.10一段蒸发操作压力：0.027~0.033Mpa(绝)操作温度~130℃出口尿液浓度95~96%3.2.11二段蒸发操作压力：0.0033Mpa(绝)操作温度~140℃出口尿液浓度~99.5%3.2.12解吸操作压力：0.35~0.392Mpa(绝)操作温度：塔底液相~143℃解吸废液含氧量0.07%(重量)3.3物料平衡计算3.3.1设计条件的确定3.3.1.1计算基准:以一吨尿素为基准.3.3.1.2成品规格:含氮量46%(折合尿素98.5%)(其中未含缩二脲含氮量)39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计缩二脲1.0%水0.5%3.3.1.3每吨原料消耗定额为：NH3：580kgC02:785kg3.3.1.4每吨尿素成品损耗氨的量kg总损耗量：580-985×2×17/60-10×3×17/103=16.882kg3.3.1.5每吨尿素成品损耗二氧化碳的量：总损耗量：785-985×44/60-10×2×44/103=54.123kg3.3.1.6每吨成品尿素的损耗及其分配：以造粒粉尘形式损失：1.5kg一段甲铵泵泄露：0.009kg成品包装储运损失:1.0kg解析废液损失：3.588kg共计：6.102kg3.3.1.7水解消耗的尿素量及其分配：一段蒸发系统：4.5kg二段蒸发系统：1.5kg共计：6.0kg3.3.1.8循环尿素量：一段蒸发气体夹带尿素：4.779kg二段蒸发气体夹带尿素：3.421kg循环尿素量：4.779+3.421-3.588-0.009=4.598kgkg3.3.1.9缩二脲生成量及其分配：二段分解系统生成：6.0kg一段蒸发系统生成：1.0kg一段蒸发系统生成：2.0熔融尿素输送生成：1.0kg共计：10.0kg3.3.2二氧化碳压缩系统：3.3.2.1条件组成：C02：95.7%N2：3.8%02：0.5%气体含硫量忽略不计参数：P=0.1053Mpat=353.3.2.2计算(1)进入二氧化碳压缩系统的干二氧化碳气体量39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计C02：785kg或17.8409kmolN2：17.8409×3.819570.6920kmol或18.984kg02：17.8409×0.5=0.0892kmol或2.854kg干二氧化碳气体量：785+2.854+18.984=806.838kg或17.8409+0.0892+0.6920=18.6081kmol(2)二氧化碳气体带入水量H2O:18.6081×0.0056/(0.1053-0.0056)=1.045kmol或18.813kg(3)二氧化碳气体在压缩系统的损失量(干基)C02：48.069kg或1.0925kmolN2：1.0925×3.8/95.7=0.043kmol或1.215kg02：1.0925×0.5/95.7=0.0057kmol或0.183kg(4)压缩后的二氧化碳气体量(干基)C02：785-48.069=736.931kg或16.7484kmolN2：18.984-1.215=17.769kg或0.665kmol02：2.854-0.183=2.671kg或0.0835kmol计：757.371kg或17.4669kmol(5)压缩后二氧化碳气体含水量：40℃时，水蒸汽压力0.0074Mpa故气相含水量：17.4669×0.0074/(7.944-0.0074)=0.0162kmo或0.291kg(6)二氧化碳压缩机各段排出水量H2o:18.848-0.291=18.557kg或1.0308kmol3.3.3尿素合成塔3.3.3.1条件：(1)尿素合成塔原始物料组成：NH3/C02(摩尔比)=4.1H2O/C02=0.7(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NH3/C02(摩尔比)=3.121，含循环尿素4.598kg3.3.3.2计算：(1)生成尿素的计算:每吨成品尿素含尿素：985kg损失尿素：6.102kg水解尿素;6.0kg生成缩二脲消耗尿素：10×2×60/103=11.651kg尿素合成塔应生成尿素量：39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计尿素：985+6.102+6+11.65=1008.752kg或16.8125kmol消耗氨：1008.752/60×2×17=571.626kg或33.6251kmol消耗二氧化碳：1008.752/60×44=739.752kg或16.8125kmol生成水：1008.752/60×18=302.626kg或16.8126kmol(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：C02：736.931kg或16.7484kmolN2：0.635kmol或17.769kg02：0.0835kmol或2.671kgH2O：0.291kg或0.0162kmol(3)入塔一段甲铵溶液C02：1008.752×44/(60×0.64)-736.931=418.931kg或9.5212kmolH2O：1008.752×18/(60×0.64)×0.7-0.293=330.706kg或18.3725kmolNH3：418.931×3.121×17/44=505.164kg或29.7155kmol尿素：4.598kg或0.0766kmol(4)入塔液氨NH3：1008.752×4.1×17/(60×0.64)-505.164=1325.826kg或77.9898kmol原料氨消耗定额：580kg液氨泵泄露氨：29.294kg故入塔原料液氨：580-29.294=550.706kg或32.3945kmol循环液氨：1325.826-550.706=775.12kg或45.5953kmol(5)出塔气液混合物尿素：1008.752+4.598=1013.35或16.8892C02：736.931+418.931-739.752=416.111kg或9.457kmolH2O：302.626+0.291+330.706=633.623kg或35.2013kmolNH3：1325.826+505.164-571.626=1259.364kg或74.0802kmolNH3：2.671kg或0.0835kmolN2：17.769kg或0.635kmol3.3.4一段分解系统3.3.4.1条件(1)一段分解条件：压力：1.765Mpa；温度：155~160℃，取158℃(2)一段分解效率：甲铵分解率：87.66%；总氨蒸出率：88.67%(3)一段分解气含水量：6.26%39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计(4)加入防腐空气2.0m3(标)3.3.4.2计算(1)加入防腐空气空气的摩尔标准体积按22.4L计，含氧量取20.81%，其余按氨计，空气含水量忽略不计。：2×0.2081/22.4=0.0186kmol或0.595kgN2：2×(1-0.2081)/22.4=0.0707kmol或1.98kg(2)一段分解气：C02：416.11×0.8766=364.762kg或8.29kmolNH3：1259.364×0.8867=1116.678kg或65.6869kmol02：2.671+0.595=3.266kg或0.1021kmolN2：17.769+1.9817.749kg或0.7053kmolH2O:(364.762+1116.678+3.266+19.749)×6.26/(100-6.26)=100.534kg或5.5852kmol(3)一段分解系统出口尿液尿素：1013.35kg或16.8892kmolC02：416.11-364.72=51.348kg或1.167kmolNH3：1259.364-1116.678=142.686kg或8.3933kmolH2O：633.623-100.534=533.089kg或29.616kmol3.3.5二段分解系统3.3.5.1条件(1)二段分解条件：压力：0.294Mpa；温度：140℃(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%)(3)二段分解系统生成缩二脲6kg3.3.5.2计算(1)生成缩二脲计算：消耗尿素：6×2×60/103=6.99kg或0.1165kmol放出氨：6×17/103=0.99kg或0.0583kmol生成缩二脲：6kg或0.0583kmol(2)二段分解排出气体：设气相中含C02—Xkg,NH3—Ykg,H2O--Zkg39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计据气液相组成列出算式：(式3.1)(式3.2)(式3.3)联立得：X(C02)44.416kg或1.0095kmolY(NH3)133.127kg或7.831kmolZ(H2O)55.91kg或3.1061kmol(3)二段分解排出尿液尿素：1013.35-6.99=1006.36kg或16.7727kmolC02：51.348-44.416=6.932kg或0.1575kmolNH3：142.686+0.99-133.127=10.549kg或0.6205kmolH2O533.089-55.91=477.179kg26.5099kmol缩二脲：6kg或0.0583kmol3.3.6闪蒸槽3.3.6.1条件(1)闪蒸槽操作条件：压力;0.04Mpa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%(3)闪蒸槽出口溶液组成：尿素：水=71：29(重量比)3.3.6.2计算：尿素合成塔排出溶液总氨量1259.364kg，C02含量416.11kg，总过剩氨量：1259.364-416.11×34/44=937.824kg(1)闪蒸槽排出尿液：尿素：1006.36kg或16.7727kmolC02：416.11×(1-0.991)=3.745kg或0.0851kmolNH3：937.824(1-0.9985)+3.745×34/44=4.301kg或0.253kmolH2O：1006.36×29/71=411.048kg22.836kmol缩二脲：6kg或0.0583kmol(2)闪蒸槽排出气体C02：6.932-3.745=3.187kg或0.0724kmolNH3：10.549-4.301=6.248kg或0.3675kmol39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计H2O：477.179-411.048=66.131kg3.6739kmol3.3.7一段蒸发器3.3.7.1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4.77kg，蒸发过程生成缩二脲1.0kg，水解尿素4.5kg3.3.7.2计算(1)水解尿素计算：消耗尿素：4.5kg或0.075kmol消耗水：4.5×18/60=1.35kg或0.075kmol生成C02：4.5×44/60=3.3kg或0.075kmol生成NH3：4.5×2×17/60=2.55kg或0.15kmol(2)生成缩二脲计算：生成缩二脲：kg1或0.0097kmol生成NH3：1×17/103=0.165kg或0.0097kmol消耗尿素：1×2×60/103=1.16kg5或0.0194kmol(3)一段蒸发器出口尿液：尿素：1006.36-4.7794.5-1.165=995.916kg或16.5986kmol水：995.916×4/96=41.497kg或2.3054kmol缩二脲：6+1=7kg或0.068kmol(4)一段蒸发器出口气体尿素：4.779kg或0.0797kmolC02：3.745+3.3=7.045kg或0.1601kmolNH3：4.301+2.55+0.165=7.016kg或0.4127kmolH2O：411.048-1.35-41.497=368.201kg或20.4556kmol3.3.8二段蒸发器3.3.8.1条件(1)二段蒸发器操作条件：压力3.33Mpa，温度：140℃(2)二段蒸发汽夹带尿素3.421kg，蒸发过程水解尿素1.5kg，生成缩二脲2.0kg3.3.8.2计算(1)水解尿素计算：39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计消耗尿素：1.5kg或0.025kmol消耗水：1.5×18/60=0.45kg或0.025kmol生成C02：1.5×44/60=1.1kg或0.025kmol生成NH3：1.5×2×17/60=0.85kg或0.05kmol(2)生成缩二脲计算：生成缩二脲：2kg或0.019kmol生成NH3：2×17/103=0.33kg或0.019kmol4消耗尿素：2×2×60/103=2.33kg或0.0388kmol(3)二段蒸发器出口熔融尿素造粒：熔融尿素含水5kg或0.2778kmol尿素：995.916-3.421-1.5-2.33=988.665kg或16.477kmol8缩二脲：7+2=9kg或0.0874kmol(4)二段蒸发器出口气体尿素：3.421kg或0.057kmolC02：1.1kg或0.025kmolNH3：0.85+0.33=1.18kg或0.069kmol4H2O：41.497-5-0.45=36.047kg或2.0026kmol3.3.9熔融尿素输送及造粒包装系统3.3.9.1条件(1)生成缩二脲1.0kg(2)造粒粉尘损失尿素1.5kg(3)成品包装储运损失尿素1.0kg(4)随露损尿素带走的水，缩二脲忽略不计。3.3.9.2计算：(1)生成缩二脲的计算：消耗尿素：1×2×60/103=1.165kg或0.0194kmol生成缩二脲：1kg或0.0097kmol放出氨：1×17/103=0.165kg或0.0097kmol(2)成品尿素：尿素：988.665-1-1.5-1.165=985.kg0或16.4167kmol水：5kg或0.2778kmol缩二脲：9+1=10kg或0.0971kmol39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计(3)系统排放物料：氨：0.165kg或0.0097kmol尿素：1.5+1=2.5kg或0.04167kmol3.3.10一段蒸发冷凝器3.3.10.1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%3.3.10.2计算(1)未凝气计算45℃时水的饱和蒸汽压为9.852Mpa，冷凝液中，，尿素含量不高，故符合稀溶液的依数性。冷凝液中水的摩尔数约为96%，则水蒸气实际分压：PH2O=9.852×0.96/0.9=10.509Mpa据测定值，与溶液呈平衡的氨分压为7.503kpa，C02分压为0.247kpa故PNH3=7.503/0.9=8.337kpaPC02=0.247/0.9=0.274kpa漏入系统空气的分压为：P空气=29.354-10.509-8.337-0.274=10.234Mpa未凝气中水蒸气：H2O：(0.911/17+0.073/44)×10.509×18/(8.337+0.274)=1.214kg或0.0674kmol(2)一段蒸汽冷凝液C02：7.045+3.187-0.073=10.159kg或0.2309kmolNH3：7.016+6.248-0.911=12.353kg或0.726kmol尿素：4.779kg或0.0797kmol3.3.11二段蒸汽冷凝器3.3.11.1条件(1)二段蒸汽冷凝器操作条件：39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计二段蒸汽冷凝器以液氨为冷却介质。压力考虑到气体流动的压降P=2.933kpa温度t=15℃(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(4)溶液中氨的体积摩尔浓度为1.5mol/L15℃时，水的饱和蒸汽压为1.7044Mpa，溶液水的摩尔浓度约为94%。(5)设各组分与溶液呈平衡的分压为实际气相分压的90%。3.3.11.2计算(1)未凝气的计算，据上述条件可求得各组分平衡分压为：NH3：0.89KpaC02：0.055KpaH2O：1.704×0.94=1.602Kpa各组分气相实际分压为：PNH3=0.89/0.9=0.989KpaPH2O=1.602/0.9=1.78KpaPC02=0.055/0.9=0.061KpaP空气=2.933-.989-.061-1.78=0.103Kpa设气相中有C02：Xkg，NH3：Ykg(式3.4)(式3.5)联立解得;X(C02)0.022kg或0.0005kmolY(NH3)0.139kg或0.0082kmolH2O：(0.0005+0.0082)=0.26kg或0.0147kmol(2)二段蒸汽冷凝液尿素：3.421kg或0.057kmolC02：1.1-0.022=1.078kg或0.0245kmolNH3：1.18-0.139=1.041kg或0.0612kmolH2O：36.047-0.265=35.782kg或1.9879kmol3.3.12中间冷凝器39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计3.3.12.1条件：(1)中间冷凝器操作条件：压力P=16kpa，温度t=40℃(2)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22.234tUr(3)据测定数据，冷凝液中NH3/C02=3(摩尔比)(4)与冷凝液成平衡的C02气相分压极低，故设C02全部冷凝(5)因泄露进出系统的空气量不做计算3.3.12.2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度约为0.07mol/L，据测定值氨的平衡分压为3.443Kpa。40℃时，水的饱和蒸汽压为7.375Kpa。设各组平衡分压为实际分压的90%气相各组分分压为：PNH3=3.443/0.9=3.826KpaPH2O=7.375/0.9=8.194KpaP空气=16-3.826-8.194=3.98Kpa未凝气中NH3：0.139-0.022×3×17/44=0.114kg或0.0067kmolH2O：0.0067××18=0.258kg或0.0143kmol(2)中间冷凝液C02：0.022kg或0.0005kmolNH3：0.139-0.114=0.025kg或0.00154kmolH2O：0.265+22.234-0.258=22.2417kg或1.2356kmol3.3.13系统水平衡及其分配3.3.13.1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0.291kg或0.0162kmol喷射蒸汽22.234kg或1.2352kmol尿素合成塔生成302.626kg或16.8126kmol计325.153kg或18.064kmol系统排出水量：甲铵泵泄露1×330.706/505.164=0.655kg或0.0364kmol39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计一段蒸发水解尿素消耗1.35kg或0.075kmol二段蒸发水解尿素消耗0.45kg或0.025kmol成品尿素含水5kg或0.2778kmol一段蒸发冷凝器尾气带走1.214kg或0.0674kmol中间冷凝器尾气带走0.258或0.0143kmol尾气吸收塔尾气带走1.235kg或0.0712kmol解吸塔排走Xkg或X/18kmol计10.209+Xkg或0.5671+X/18kmol故解吸塔排出水：X=325.153-10.209=314.944kg或17.4969kmol(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：330.704kg或18.3724kmol甲铵泵泄露0.655kg或0.0364kmol计331.359kg或18.4088kmol返回吸收系统水量：一段分解气含水：100.534kg或5.5852kmol二段分解气含水：55.91kg或3.1061kmol由蒸发冷凝液补回水：Xkg或X/18kmol计156.444+Xkg或8.6913+X/18kmol故由蒸发冷凝液补回水：X=331.359-156.444=174.915kg或9.7175kmol3.3.13.2蒸发冷凝液的分配二段蒸发冷凝液组成C02：1.078kg或0.0245kmolNH3：1.041kg或0.0612kmolH2O：35.782kg或1.9879kmol尿素：3.421kg或0.057kmol合计41.322kg或2.1306kmol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：C02：10.159+0.022=10.181kg或0.2314kmolNH3：12.353+0.025=12.378kg或0.728kmolH2O：433.118+22.241=455.359kg或25.2977kmol尿素：4.779kg或0.0797kmol39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计合计：482.697kg或26.3369kmol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：174.915-35.782=139.133kg或7.7296kmol(1)解吸气计算进入尾气吸收塔的气氨量：21.763尾气吸收塔排走：C02：0.328kgNH3：1.668kgH2O：1.235kg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：C02：10.181X/1455.359kgNH3：12.378X/455.359kgH2O：Xkg尿素：4.729X/1455.359kg故进入解吸塔的碳铵液为：C02：10.181X/1455.359-0.328kgNH3：12.378X/1455.359-1.668+21.763kgH2O：X-1.235kgUr：4.779X/1455.359kg解吸塔排出溶液中含C02：0.35kgNH3：0.272kgH2O：314.944kg解吸气组成为：C02：NH3：H2O：X-1.235-314.944=X-316.179kg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3.6）解得：X=341.830kg解吸气组成：C02：10.181×341.830/455.359-0.692=6.964kg或0.1583kmolNH3：12.378×341.830/455.359+19.823=29.11kg或1.7126kmolH2O：341.830-1.235-3.14.944=25.651kg或1.425kmol合计：61.725kg或3.3229kmol(2)进入尾气吸收塔的蒸发冷凝液;39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计C02：10.181×341.830/455.359=7.642kg或0.174kmolNH3：12.378×341.830/455.359=9.287kg或0.546kmolH2O：341.830kg或18.9906kmol尿素：4779×341.830/455.359=3.588kg或0.0599kmol合计：362.347kg或19.7704kmol(3)返回吸收系统的蒸发冷凝液：C02：10.181-7.642=2.539kg或0.058kmolNH3：12.378-9.287=3.091kg或0.1818kmolH2O：455.359-341.830=113.529kg或6.307kmol尿素：4.779-3.588=1.191kg或0.0199kmol合计：120.411kg或6.5667kmol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：C02：2.539+1.078=3.617kg或0.0822kmolNH3：3.071+1.041=4.132kg或0.2431kmolH2O：113.529+35.782=149.311kg或8.295kmol尿素：1.191+3.421=4.612kg或0.07689kmol合计：161.672kg或8.6972kmol(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H2O/C02=41/20=2.05(重量比)NH3/C02=39/20=1.95(重量比)二段分解气中C02全部进入二段甲铵液，设由蒸发冷凝液中带入二循一冷凝器的二氧化碳量为Xkg，则随二氧化碳进入二循一冷凝器的水为149.311×13.617kg二段分解气有C02：44.416kgH2O：55.91kg解吸气有C02：6.964H2O：25.651计C02：51.38kg，H2O：81.561kg故有（式3.7）解得X=0.606kg故加入二循一冷凝器的蒸发冷凝液为：C02：0.6064kg或0.0138kmolNH3：0.564×4.132/3.617=0.692kg或0.041kmolH2O：0.606×149.311/3.617=25.016kg或1.3898kmol尿素：0.606×4.612/3.617=0.773kg或0.0129kmol合计：26.481kg或1.4437kmol39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计(5)加入二循二冷凝器的蒸发冷凝液C02：3.617-0.606=3.011kg或0.0684kmolNH3：4.132-0.692=3.44kg或0.202kmolH2O：149.311-25.016=124.295kg或6.905kmol尿素：4.612-0.773=3.839kg或0.064kmol合计：134.585kg或7.2397kmol(6)蒸发冷凝液分配表表3.1蒸发冷凝液分配表收入物料支出物料名称KgKmol名称KgKmol一段蒸发冷凝液CO210.1590.2309去尾气吸收塔蒸发冷凝液CO27.6420.174NH312.3530.7266NH39.2870.546H2O433.11824.0621H2O342.8318.9906尿素4.7790.0797尿素3.5880.0598合计460.40925.0993合计362.34719.7704二段蒸发冷凝器CO21.0780.0245去二循一冷凝器蒸发冷凝液CO20.6060.0138NH31.0410.0612NH30.6920.041H2O35.7821.9879H2O25.0161.3898尿素3.4210.057尿素0.7730.0129合计41.3222.1306合计26.4611.4437中间冷凝器CO20.0220.0005去二循二冷凝器蒸发冷凝液CO23.010.0684NH30.0250.0015NH33.440.202H2O22.2411.2356H2O124.956.9053合计22.2881.2376尿素3.8390.0648总计524.01928.4675合计134.5857.2392总计523.41328.453839 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计(7)系统水平衡表表3.2系统水平衡表进入系统水量系统排出水量名称kgkmol名称kgkmol1.原料C02带入0.2910.01631.甲铵泵泄露0.6550.03642.喷射蒸汽22.23422.2342.一段蒸发水解尿素消耗1.350.0753.尿素反应生成302.62616.81263.二段蒸发水解尿素消耗0.450.0254.成品尿素含水5.00.27785.一段蒸发冷凝器尾气带走1.2140.06746.中间冷凝器尾气带走0.2580.01437.尾气吸收塔尾气带走1.2350.06868.解吸塔排走314.94417.4969总计325.15318.0641总计325.10618.0641(8)吸收系统水平衡表表3.3吸收系统水平衡表进入系统水量吸收系统排出水量名称kgkmol名称kgkmol1.一段分解气带入100.5345.58521.返回尿素合成塔330.70418.37242.二段分解气带入55.913.10612.甲铵泵泄露0.6550.03643.补入二循一冷凝器25.0161.38984.补入二循二冷凝器液124.2496.90275.解吸气带入25.6511.425总计331.40618.414总计331.35918.40883.3.14二循一冷器3.3.14.1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℃39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计二段甲铵溶液成分:H2O/C02=41/20=2.05(重量比)NH3/C02=39/20=1.95(重量比)二段分解及解吸气中的C02，水蒸气全部进入液相。3.3.14.2计算表3.4二循二冷冷凝器收入物料C02(kg)NH3(kg)H2O(kg)尿素(kg)二段分解气44.416133.12755.91解吸气6.96429.1125.651蒸发冷凝液0.6060.69225.0160.773合计51.986162.929106.5770.773(1)二段甲铵液C0251.986kg或1.1815kmolNH31.95×51.986=101.37kg或5.9632kmolH2O106.577kg或5.9209kmol尿素0.773kg或0.0129kmol(2)二循一冷凝器排出气体NH3=162.929-101.375=61.6kg或3.6212kmol3.3.15二循二冷凝器3.3.15.1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。3.3.15.2计算排出二循二冷凝器氨水组成：C023.01kg或0.0684kmolNH33.434+61.56=64.994kg或3.8232kmolH2O124.259kg或6.9053kmol尿素3.839kg或0.064kmol3.3.16氨冷凝器3.3.16.1条件(1)氨冷凝器操作条件：压力1.765Mpa，温度38℃(2)进入氨冷凝器的C02，H2O忽略不计。3.3.16.2计算39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计由尿素合成物料衡算知，循环液氨775.12，即为氨冷凝器冷凝氨量38℃时，氨的饱和蒸汽压1.47Mpa。进入冷凝器的惰性气体量：023.266kg或0.1021kmolN219.749kg或0.7053kmol计23.015kg或0.8074kmol故氨冷凝器排出气体中氨量为：进入氨冷凝器气体中氨量为：NH3=68.396+775.12=843.516kg或49.62kmol3.3.17惰性气涤塔3.3.17.1条件(1)惰性气涤器操作条件：压力1.765Mpa，温度45℃(2)惰性气涤器排出气体组成：含氧量≤5%，水，C02含量忽略不计。3.3.17.2计算(1)惰性气涤器排出气023.266kg或0.1021kmolN219.749kg或0.7053kmolNH3=0.1021/0.05-0.106-0.7053=1.235kg或20.988kmol(2)惰性气涤器排出浓氨水C023.011kg或0.0684kmolNH368.396+65-21.763=111.633kg或6.567kmolH2O124.259kg或6.9053kmol尿素3.839kg或0.0641kmol3.3.18尾气吸收塔3.3.18.1条件尾气吸收塔操作条件：压力101.325Mpa或40℃。3.3.18.2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：7.375Mpa39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计尾气中水的分压：7.375×0.9605=7.084Mpa(1)尾气吸收塔尾气C020.328kg或0.0075kmolNH31.668kg或0.09817kmolH2O(0.0075+0.0981+0.1021+0.7053)×7.084/(101.325-7.084)=1.235或0.06861kmol023.266kg或0.1021kmolN219.7491kg或0.7053kmol(2)尾气吸收塔排出碳铵液C027.642-0.328=7.314kg或0.1662kmolNH39.287+21.763-1.668=29.382kg或1.728kmolH2O341.830-1.235=340.595kg或18.922kmol尿素3.588kg或0.0598kmol3.3.19解吸系统3.3.19.1条件(1)解析系统操作条件：压力0.35Mpa，温度115℃(2)由系统水平衡计算可知，解吸废液中含工艺系统排出水314.944kg(3)解吸废液含氨0.07%，含C020.09%(重量)(4)解吸过程中加热蒸汽用量由解吸系统热平衡计算确定，其数量为69.82kg。3.3.19.2计算(1)解吸废液C02(381.77+3.588)×0.09/(100-0.07-0.09)=0.35kg或0.008kmolNH3(384.77+3.588)0.07/(100-0.07-0.09)=0.272kg或0.016kmolH2O314.94+69.826=384.77kg或21.376kmol尿素3.588kg或0.0599kmol(2)解吸气C027.314-0.35=6.964kg或0.1583kmolNH329.382-0.272=29.11kg或1.712kmolH2O340.595-314.94=25.651kg或1.425kmol3.3.20一段吸收系统3.3.20.1收入物料39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计(1)一段分解气体C02364.762kg或8.29kmolNH3116.678kg或65.6869kmolH2O100.534kg或5.5852kmol023.266kg或0.1021kmolN219.749kg或0.7053kmol(2)二段甲铵溶液C0251.986kg或1.1815kmolNH3101.375kg或5.9632kmolH2O106.577kg或5.9209kmol尿素0.773kg或0.0129kmol计260.71kg或13.0785kmol(3)浓氨水C023.01kg或0.0684kmolNH3111.633kg或6.567kmolH2O124.259kg或6.9053kmol尿素3.839kg或0.064kmol合计242.742kg或13.6047kmol3.3.20.2排出物料(1)一段吸收塔排出气体(见氨冷凝器物料衡算)NH3826.43kg或48.6135kmol023.266kg或0.1021kmolN219.749kg或0.7053kmol计849.445kg或49.4209kmol(2)进入尿素合成塔一段甲铵溶液C02418.931kg或9.5212kmolNH3505.164kg或29.7155kmolH2O330.706kg或18.372kmol尿素4.598kg或0.0766kmol合计1259.399kg或57.6857kmol(3)一段甲铵泵泄露C021.0kg或0.0588kmolNH30.829kg或0.0188kmolH2O0.655kg或0.0364kmol39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计尿素0.009kg或0.0002kmol合计2.493kg或0.1142kmol3.4热量平衡计算3.4.1尿素合成塔3.4.1.1计算依据原料C02气体入塔压力20Mpa(绝)，125℃一段甲铵溶液入塔压力20Mpa(绝)，95℃尿素合成塔排出反应物压力19.712Mpa(绝)，188℃3.4.1.2①尿素合成塔排出气体吸热H1设气相氨全部来自入塔液氨氨的焓值设入塔液氨温度为t，在20Mpa下，其焓值ixkJ/kg13.93Mpa188℃i=1853.5kJ/kg查得C02的焓值：19.122Mpa，125℃时，i=711.3kJ/kg2.04Mpa,188℃时，i=882.8kJ/kg由氧的i-s图查得氧的焓值：0.1Mpa，125℃时，i=360kJ/kg0.436Mpa,188℃时，i=460kJ/kg由氮的i-s图查得氮的焓值：0.76Mpa，125℃时，i=408kJ/kg3.306Mpa,188℃时，i=490kJ/kgH1=47.622(1853.5-ix)+18.049×(882.8-711.3)+2.671(460-360)+17.769×(490-408)=93081-47.622ixkJ②进入液相的C02气体降温降压吸热H2进入液相，生成甲铵的C02量：736.931-18.049=718.882/kg25℃时，i=728kJ/kgH2=718.882×(728-711.3)=12005kJ③当液氨降温降压气化吸热H3当液氨量：718.882×34/44=555.5kg由氨的i-p图查得氨的焓值：0.101Mpa，25℃，i=175.28kJ/kgH3=555.5×(1757.28-ix)=976169-555.5ixkJ39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计④NH3、C02生成甲铵放热H4在0.10Mpa，25℃时，气态氨与C02生成固体甲铵的生成热为：-159350kJ/kmolH4=718.882×(-159350)/44=-2603497kJ⑤固体甲铵升温至熔点吸热H5固体甲铵从25℃间的积分平均摩尔比热容为176.264kJ/(kmol.℃)H5=718.882×176.264×(152-25)/44=365740kJ⑥固体甲铵熔融吸热H6固体甲铵熔融热取20306kJ/kmolH6=718.882×20306/44=331764kJ⑦循环甲铵与尿素升温吸热H7查图取甲铵平均摩尔比热容Cp=151.461kJ/(kmol.℃)查图取尿素热容Cp=1.992kJ/(kmol.℃)H7=742.65×151.461×(152-95)/78+4.598×1.992×(152-95)=82720kJ⑧甲铵脱水生成尿素吸热H8按表，取甲铵脱水生成尿素的反应热为21850.9kJ/kmolH8=(1013.35-4.598)×21850.9/60=367369kJ⑨循环氨水降温放热H9查图，35.43%氨水比热容Cp=4.561kJ/kgH9=512.149×4.561×(25-95)=-163514kJ⑩循环氨降温放热H10由氨的i-p图查得高压氨的焓值：19.712Mpa，25℃，i=529.276kJ/kg存留于液相的循环氨量：1325.826-47.622-555.5=722.704kgH10=722.704×(529.276-ix)=382510-722.704ixkJ⑾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=2524.64kJ/kg19.712Mpa,25℃时，i=104.6kJ/kgH11=0.293×(104.6-2524.64)=-704kJ⑿反应生成水降温放热H1219.712Mpa，152℃时，i=640.57kJ/kg19.712Mpa,25℃时，i=104.6kJ/kg反应生成水量：(1013.35-4.598)×18/60=302.626kgH12=302.626×(104.6-640.57)=-162198kJ⒀液氨溶解于水的混合热H1339 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计一段甲铵液中氨水含氨：181.445kg(浓度35.43%)出塔氨水含氨：904.149kg58.8%35.43%浓度氨水积分溶解热为：-408.258kJ/kgH13=904.149×(-408.2580)-181.445×(-668.136)=-247896kJ⒁出塔氨水升温吸热H14由表6-2-18外推，查得在平均温度下，Cp=5.111kJ/(kg℃)H14=1537.772×5.111×(188-25)=1281107kJ⒂出塔甲铵升温吸热H15查图2-1-4，取甲铵平均摩尔比热容Cp=152.716kJ/(kmol.℃)H15=705.654×152.716×(188-1520/78=49738kJ⒃出塔尿素升温吸热H16H16=1013.35×1.992×(188-152)=72669kJ⒄尿素合成塔热损失H17H17=13273kJ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1325.826ix=850342得ix=641.368kJ/kg查氨的i-p图，t=48℃即氨预热器出口液氨温度为48℃H1=62626kJH2=619889kJH3=-81009kJ3.4.2解吸塔3.4.2.1条件入塔碳铵液温度查图，忽略C02，尿素存在对溶液的影响，在0.35Mpa操作压力下，碳铵液沸点为120℃，即解吸塔进料温度120℃.3.4.2.2计算以25℃为基准：(1)碳铵液带入热量H1H1=-381.412×4.289(120-25)=-155408kJ(2)加热蒸汽带入热量H2H2=-G(2784.87-104.6)=-2680.27GkJ(3)氨水分解热H339 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计H3=29.402×2360.78-0.272×3533.304=68451kJ(4)C02解吸热H4H4=6.964×452.157=3149kJ(5)解吸气带入热H5据二循一冷凝器热量平衡计算H5=74084kJ(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=3521kJ(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）-155408-2680.27+68451+3149+74084+158641+497.059G+3521=02183.211G=152439解得G=69.823kg据此求得：H2=-187145kJH6=193347kJ3.4.3氨冷凝器(1)计算依据收入物料：氨气1.765Mpa50℃NH31324.415kg或77.9068kmol，98.93%(体积)1.746Mpa(分压)023.266kg或0.1021kmol，0.13%(体积)0.002Mpa(分压)N219.749kg或0.7053kmol，0.93%(体积)0.016Mpa(分压)计1347.43kg或78.7142kmol，100.00%(体积)1.765Mpa(分压)支出物料：氨气1.765Mpa38℃NH368.394kg或4.023kmol，83.29%(体积)1.47Mpa(分压)023.266kg或0.1021kmol，2.11%(体积)0.037Mpa(分压)N219.749kg或0.7053kmol，14.61%(体积)0.258Mpa(分压)计91.41kg或4.8304kmol，100.00%(体积)1.765Mpa(分压)液氨：1.765Mpa38℃NH31253.105kg100.00%(重量)(2)未凝气放出热量H1查图1.746Mpa，50℃，i=1732.176kJ/kg1.47Mpa，38℃，i=1712.511kJ/kg由氧的i-s图查得：0.002Mpa，50℃时，i=292kJ/kg39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计0.037Mpa,38℃时，i=285kJ/kg由氮的i-s图查得：0.016Mpa，50℃时，i=336kJ/kg0.258Mpa,38℃时，i=324H1H1=68.3961×(1712.511-1732.176)+3.266×(285-292)+19.749×(324-3360)=-1604kJ(3)气氨的冷凝热H2查图1.765Mpa，38℃，i=596.678kJ/kgH2=1253.105×(596.678-1732.176)=-1422898kJ/kg(4)冷凝水移走热量H3H3=-(H1+H2)=1604+142898=1424502kJ3.4.4氨预热器(1)计算依据液氨量：1325.826kg蒸汽冷凝液：1188.253kg进入状态：20.693Mpa，34.5℃进入状态：143℃排出状态：20.693Mpa，48℃排出状态：温度+待求(2)液氨升温吸热H1查高压下氨的i-p图：20.693Mpa，34.5℃时，i=569.668kJ/kg20.693Mpa,48℃时，i=643.692kJ/kgH1=1325.826×(643.692-569.668)=98143kJ(3)热损失H2H2=5216kJ(4)蒸汽冷凝液提供热量H3热平衡方程H3=H1+H2=98143+5216=103359kJ(5)出氨预热器蒸汽冷凝液温度t0.392Mpa饱和蒸汽冷凝液焓值，601.2408kJ/kgt℃时蒸汽冷凝液焓值，ikJ/kg1188.253×(i-601.2408)=-103359kJi=514.257kJ/kg查得t~122℃3.4.5C02压缩系统(1)计算依据39 北京化工大学本科毕业设计化工工艺设计C02原料气体：0.1053Mpa，35℃C02785kg或17.8409kmol，90.61%(体积)0.0954Mpa(分压)022.854kg或0.0892kmol，0.47%(体积)0.0005Mpa(分压)H2O18.813kg或1.045kmol，5.32%(体积)0.0056Mpa(分压)N218.984kg或0.678kmol，3.6%(体积)0.0038Mpa(分压)计825.651kg或19.6531kmol，100.00%0.1053Mpa出C02压缩系统的气体，20.609MpaC02785kg或17.8409kmol，95.24%(体积)19.628Mpa(分压)022.671kg或0.0835kmol，0.5%(体积)0.103Mpa(分压)H2O0.291kg或0.09kmol，0.48%(体积)0.099Mpa(分压)N217.769kg或0.635kmol，3.78%(体积)0.779Mpa(分压)计805.731kg或18.5756kmol，100.00%，20.609Mpa查水的i-s图：0.0056Mpa，35℃时，i=2566.5084kJ/kg0.101Mpa,40℃时，i=167.36kJ/kg0.018Mpa，125℃时，i=2732.152kJ/kg(2)一段压缩气体放热H1冷凝水量：18.831-0.291=18.522kgH1=(825.651-18.522)(815.88-739.7310+18.522)(2566.5084-167.36)=106053kJ(3)二段压缩气体放热H2H2=805.731(815.88-732.2)=67424kJ(4)三段压缩气体放热H3H3=805.731(799.144-715.464)=67424kJ(5)四段压缩气体放热H4H4=805.731(768.81-617.14)=122566205kJ(6)压缩系统冷却水移走热H5H5=H1+H2+H3+H4+H5=106053+67623+67623+122566=363865kJ(7)压缩理论功wW=18.522(2732.152-2566.5084)+805.731(815.88-737.43+815.88-739.731+799.144-732.2+768.81-715.464+648.52-617.14)=250573kJ=60.638kw39 北京化工大学本科毕业设计设备工艺计算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:实际选取43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:CO2:736.931kg16.748kmolN2:18.621kg0.605kmolO2:2.8kg0.0875kmol计:758.352kg17.5kmol进塔气体密度:气相流量:333.33—日产量/t空塔气速:u=0.0052m/s49 北京化工大学本科毕业设计设备工艺计算塔径圆整:D=1.8m塔高:4.2解析塔的计算4.2.1计算依据(1)收入物料：氨碳溶液3.5Mpa120℃尿素3.588kg或0.0599kmol0.94%(重量)0.29%(摩尔)C027.327kg或0.1665kmol1.92%(重量)0.8%(摩尔)H2O341.09kg或18.949kmol89.43%(重量)90.64%(摩尔)NH329.402kg或1.7295kmol7.71%(重量)8.27%(摩尔)计381.412kg或20.9053kmol100.00%(重量)100.00(摩尔)加热蒸汽1.275Mpa191℃H2O69.826kg或3.8792kmol100.00%(重量)100.00(摩尔)(2)支出物料解吸气0.36Mpa115℃C026.964kg或0.1583kmol4.77%(体积)H2O25.651kg或1.425kmol43.69%(体积)NH329.11kg或1.7126kmol51.54%(体积)计61.725kg或3.3229kmol100.00%(体积)解吸废液0.35Mpa143℃尿素3.588kg或0.0599kmol0.92%(重量)0.28%(摩尔)C020.35kg或0.008kmol0.09%(重量)0.04%(摩尔)H2O384.77kg或21.376kmol98.92%(重量)99.61%(摩尔)NH30.272kg或0.016kmol0.07%(重量)0.07%(摩尔)计388.985kg或21.46kmol100.00%(重量)100.00(摩尔)(3)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。49 北京化工大学本科毕业设计设备工艺计算4.2.2塔板数的计算(1)理论塔板数的计算，按氨-水二元系考虑时，溶液组成为：组分入口氨水出口氨水NH37.94%(重量)8.36%(摩尔)0.071%(重量)0.075%(摩尔)H2O92.06%(重量91.64%(摩尔)99.929%(重量)99.925%(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：表4.1氨水溶液组成NH3%(重量)1.02.03.04.05.06.07.08.0NH3%(摩尔)1.062.123.174.235.286.337.388.43H2O%(摩尔)98.9497.8896.8395.7794.7293.6792.6291.57溶液沸点136.5133129.5126122.5119.5116.5113.5PNH,kg/cm2(绝)0.40.841.131.4691.6381.8752.0712.125(摩尔)11.4324.032.2941.9746.853.5757.1461.43Y88.5778.067.7158.0353.246.4342.8638.5712.0514.5814.5616.3715.7817.016.7317.3α——相对挥发度（式4.1）平均相对挥发度α=15.546，平衡关系式为：或（式4.2）或（式4.3）全塔物料衡算关系式为：（式4.4）（式4.5）式中，L——气体流量，kmol/hV——气体流量,kmol/lW——残液量，kmol/lXm——第m块板溶液氨的摩尔分数49 北京化工大学本科毕业设计设备工艺计算Xw——残液中氨的摩尔分数Ym+1——第m+1块板上与溶液呈平衡的气相中氨的摩尔分数m,m+1——自上而下数的塔板序号溶液实际以沸点进料，气化率为零。按衡分子流假设，对下图虚线部分作物料衡算：图中v’——加热蒸汽量，kmol/turW——残液量，kmol/turYw——加热蒸汽中氨含量，为零。（式4.6）（式4.7）联立两式，得操作线方程。（式4.8）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，x=8.36%，即第一块板(进料板)Xm=8.36%逐板计算结果如下：表4.2逐板计算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%X6﹥Xw﹥X7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ET=0.49(au1)-0.245式中;ET—全塔效率a—相对挥发度u1—液相平均粘度10-3pa.s49 北京化工大学本科毕业设计设备工艺计算由图查得，溶液平均粘度ul=18×10-6kg.s/m2=176.508pa.sET=0.49(15.546×0.177)0.245=0.382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：N=7/0.382=18.3块实际取20块。为调节解吸气的含水量，解吸系统设置了解吸冷凝器，以保证解吸气温度控制在115℃左右。在尿素生产水平衡偏离正常或解吸负荷偏大时有少量冷凝液自解吸冷凝器返回解析塔顶，为此，解吸塔上部增加了五块塔板的回流段，根据全系统水平衡情况对解吸气精馏。系统生产正常，解吸负荷不大时，为节约能源，可不开解吸冷凝器，解吸塔精馏段将因此失去作用。所以解吸塔未做精馏段塔板的工艺计算，塔板数的计算按提馏过程进行。4.2.3塔径及附属设备计算a物料物性数据：(1)气体密度：塔顶：61.725/[3.247×0.08205×(273+115)×0.101325/0.35]=2.032kg/m3塔底：近似取0.4Mpa水蒸气重度2.124kg/m3平均值Rv=(2.032+2.124)/2=2.078kg/m3(2)液相密度塔顶：近似取932kg/m3塔底：近似取923kg/m3平均值r1=(923+932)/2=927.5kg/m3(3)气相流量：按恒分子流假设，近似为：Vx=3.3229×0.08205×(273+129)×0.101325×333/(0.35×3600×24)=0.122m3/s式中：333-尿素日产量，t/d129-平均温度，℃(4)液相流量：Ls=(381.412/932+388.985/923)×500/(24×2×3600)=0.0016m3/s(5)表面张力塔顶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4.9）C=405.6K,c=647K，Tcm=0.0836×405.6+0.9164×647=626.8k顶~65.74×[(626.8-120-273)/(626.8-20-273)]1.2=42.88×10-3n/m49 北京化工大学本科毕业设计设备工艺计算塔底，取水的数据§底=50.08×10-3n/m平均值§=1/2×(50.08+42.88)=46.48×10-3n/ma塔径计算取泡罩中心距t/Dg=1.35t=1.375×0.08=0.11m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。泡罩齿缝开度hs取0.6h,即hs=0.027m由式泡罩量m为M=26.6个取m=27个鼓泡面积：Aa=2.05AAa=2.05×27×0.00504=0.2790取鼓泡面积占塔截面积的60%3.14×D2/4=0.2790/0.6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实际鼓泡面积为塔板面积的53%，根据表对小直径塔，这样的比例是适宜的。c附属设备计算(1)泡罩选型据表，泡罩主要结构参数为：泡罩直径：Dg.80齿缝开度：h=0.0045m齿缝宽度：b1=0.004m泡罩底面积Ac=0.00504m2齿缝总面积：F4=0.0023m2升气管×壁厚∮57×2.75升气管净面积F1=0.001716m2(2)溢流形式因塔径、流量均小，故宜采取单溢流形式。(3)堰长及堰宽据表，取堰长Lw=356mm,堰宽Wd=74mm堰长Lw为塔径D的356/900=0.396倍最大的堰长溢流量远小于规定值。(4)塔盘布置核算：W1/D=74/900=0.082查表Af/AT=0.0922溢流堰面积：Af=0.09223.14×0.8×0.8/4=0.0463m249 北京化工大学本科毕业设计设备工艺计算鼓泡面积Aa=0.2790m2塔截面积：AT=0.5022取受液盘面积约等于溢流面积：Aa/AT=55.6%2Af/AT=18.43%液流外围面积占塔盘比例：100-18.43%-55.6%=25.97%据表液流外围面积占塔盘比例符合要求。泡罩按三排布置，塔中心线上一排，中心线两侧对称各一排，故溢流堰前安定区：ws=250-74-110-80/2=26mm因解吸塔塔径较小，故ws可取较小的值。泡罩外缘至塔壁最小距离为：Wc=250-110-110/2-80/2=45mm对于Dg900的小直径塔，有足够的边缘支撑塔盘。(5)齿缝开度由式，正常气量时齿缝开度为：0.122=1.69×27(hs)3/2[(927.5-2.078)/2.078]1/2×0.0023/0.02Hs=0.0084mhs/h×100%=70%不致产生脉动现象。(6)堰高静液封hss取20mm，按公式堰高hw=hT+hr+h+hss由图，hT=10mmhr=5mm故hw=10+5+20+20=55mm(7)堰上液流高度由式确定堰上液流高度h0wL/(Lw)0.25=3600×0.0016/(0.356)2.5=76.17Lw/D=356/900=0.396查图，收缩系数E=1.055hcw=2.84/1000×1.055(3600×0.0016/0.356)2/3=0.019m(8)液面梯度△L/D=3600×0.0016/0.8=7.2m3/(m.h)F’=1.05×0.122(2.078)1/2/0.8=0.289Hw=50mm时，查图△0/r=0.78,△/△0=0.5泡罩排数r=3△=0.78×3×0.8=2.1mm(9)动液封，h/s按Hds=20+19+2.0/2=40mm解吸塔在0.35Mpa以下操作，故静液封选20mm，堰高选50mm，可满足要求49 北京化工大学本科毕业设计设备工艺计算(10)板间距HT动液封Hds=40mm，齿缝开度hs=8.4mm据此可由表查得，塔板间距HT=400mm降液管内物料停留时间按式T=0.0463×0.4/0.0016=10.325﹥3~5s故板间距可选取0.4m.为保证气体不从降液管走短路，降液管底部液封高度取14mm，则降液管底部下层塔板间隙h0=40-14=26mm间隙流速：0.0016/(0.356×0.036)=0.11m/s(11)泪孔取每平方米塔板泪孔面积4.0cm2，泪孔直径F8，泪孔面积-p/4×0.82=0.5cm2/个泪孔数(0.1963-0.0463)×4.5/0.8=0.75个故泪孔数取1个全塔积液排空时间按式计算，塔板数取25块t’=1.5×25/0.8=20.7h(12)塔高人孔取1个F=0.8m，H=25×0.4+0.8+0.36=11.16m4.2.4流体力学计算(1)压降泡罩局部阻力hc升气管净面积Fi=0.001716m2查表，阻力系数Kc=0.2按式Hc=0.2×=0.003m液柱穿越液层的阻力h,液流面积Ab=AT-2Af=0.1963-2×0.0463=0.1037m2Wb=0.122/0.1037=1.176m/s，Fb=Wb=1.176×=1.7查图，充气系数b=0.58动液封hds=40mm代入式H1=0.58×0.004=0.023m液柱，穿越齿缝的阻力hs=0.0084m液柱49 北京化工大学本科毕业设计设备工艺计算塔板压降hphp=h1+hs+hc=0.023+0.0084+0.003=0.0344液柱全塔压降p=25×hp=25×0.0344=0.84m液柱(2)降液管内液层高度Hd当不设置内堰时，hd=hd1,Lw=l’whd=0.153=0.0018m液柱代入得Hd=0.05+0.011+0.0012+0.0018+0.0344=0.0984m取泡沫层相对对比密度F=0.5，代入故满足避免由降液管泛塔的条件。此外Hd>hp,故气体不会从降液走短路。(3)降液管内液体抛出距离WtHf=HT+hw-Hd，hf=0.3+0.05-0.0984=0.2566m代入式(9-2-7)故堰宽足够。(4)蒸汽分配比，可取0.4以下(5)雾沫夹带ev液层以上方气体速度：鼓泡层高度h，计算h=0.432×0.462+1.89×0.05-0.0406=0.063m鼓泡层顶部至上层塔板距离：S=HT-hf=0.3-0.063=0.237mWG/S=1.176/0.237=4.9649 北京化工大学本科毕业设计设备工艺计算查图推荐曲线ev*s≈0.1(kg/kg气)(dyn/cm)ev=0.1/s=3.7/46.48=0.008kg/kgev<0.1雾沫夹带量符合规定(6)负荷极限a气相气相负荷上限，齿缝全开时的气相负荷上限负荷，负荷上限为正常负荷的：Vmax/Vs=0.0313/0.122=2.56=256%气相负荷下限：气相以脉动状通过塔板时的气量为负荷下限，此时齿开度hs=10mm,按式(9-2-18)负荷下限为正常负荷的：Vmin/Vs=0.011/0.122=0.90=90%b液相负荷上限取上限负荷时：Af×HT/Lmax=5s0.0463×0.5/Lmax=5Lmax=0.00463m3/s负荷上限为正常负荷的：Lmax/Ls=0.00463/0.0016=2.89=289%符合要求。负荷下限：Lmin=0.04/10.325=0.0038749 北京化工大学本科毕业设计设计结果设计结果序号项目数值1解吸塔理论塔板数82解吸塔实际塔板数253解吸塔全塔效率0.3824泡罩中心距0.115泡罩数量276塔径0.8m7空塔气速0.248泡罩排数39堰长0.35610堰宽0.07411齿缝开度0.0084m12堰高0.055m13堰上液流高度0.019m14降液管底部至下块塔板间距0.036m15液面梯度2.0mm16静液封20mm17动液封40mm18板间距0.4m19降液管内液体停留时间10.325s20泪孔、1个21全塔积液排空时间20.722塔板压降0.0344m液柱23全塔压降0.84m液柱24降液管内液层高度0.0984m25降液管内液体抛出距离0.04326正常负荷时雾沫夹带0.08kg/kg气27气相负荷上限256%28气相负荷下限90%29液相负荷上限289%51 北京化工大学本科毕业设计设计结果序号项目数值30尿素合成塔塔高16.91m31尿素合成塔塔径1.791m32空塔气速0.0052m/s33进塔气体密度222.857kg/m334气相流量0.0131m3/s35生产强度7.75251 北京化工大学本科毕业设计参考文献参考文献[1]梅安华主编，汪寿建、林棣生副主编，《小合成氨工艺技术与设计手册》[M]化学工业出版社，1996年2月[2]化学工业部第四设计院，《年产四万吨尿素工程通用设计》[M]，化工工业出版社，1988年[3]杨春生主编，《小型尿素装置生产工艺与操作》[M],化学工业出版社，1998年[4]石油化学工业部设计院主编，《氨肥工艺设计手册》[M]，理化数据分册，石油化学工业出版社，1977年[5]华东化工学院编，《化工过程及设备》[M]上册，中国工业出版社，1961年[6]石油化工部化工设计院主编，《小氮肥厂工艺设计手册》[M]，石油工业出版社，1979年[7]天津大学基本有机化工教研室编，《基本有机化学工程》[M]上册，人民教育出版社，1976年[8]贺匡国著，《化工容器及设备简明设计手册》[M]，化学工业出版社，2002年[9]王静康主编，《化工过程设计》[M]，化学工业出版社，2006年[10]陈五平主编，《无机化学工艺学》[M]，化学工业出版社，2001年[11]化工工程手册编辑委员会，《化学工程手册》[M]，第三卷，化学工业出版社，1989年52 北京化工大学本科毕业设计致谢致谢本设计从收集资料到最后的设计完成历时3个月，在此期间王要令老师给予了我们极大的支持。她在百忙中，多次为我的课题进行专题辅导，正是她丰富的经验和悉心的教导，才使我的设计顺利满意的完成。王要令老师审查了设计的全过程，提出了许多宝贵的意见和建议。在此设计工作即将完成之际，谨向王要令老师和全体化工教研室老师致以衷心的感谢！感谢王老师半年时间以来，在学习生活上对我的细心帮助，她严谨的治学态度、开阔的视野、丰富的经验、活跃的学术思想使我获益匪浅，王要令老师勤奋专注的敬业精神更为我树立了良好的榜样，是我今后在做人、工作处事方面追求的楷模。并诚挚的感谢化工系的各位老师在我的设计过程中给予的无私教诲和关照！化工系的老师在我四年以来的学习中谆谆教导、诲人不倦。在他们的关心和教育下，我才学得了宝贵的知识，养成了良好的学习习惯。在化工系良好的学术气氛熏陶下，我们得以茁壮的成长。由于时间仓促，本设计难免有不当和错误之处，请各位老师给予宝贵意见！再次向各位老师表示衷心的感谢，并真心祝愿各位老师工作顺利，万事如意!谢谢！！53 北京化工大学本科毕业设计附录附录附图1尿素合成塔附图3工艺流程图附图4物料流程图54'