1、第一章 1.1簡介用原料二氧化碳或氨氣在合成壓力下，將尿素熔融物氣提，使其中的氨基甲酸銨分解，返回合成系統(tǒng)。如用氨進行汽提，稱為氨汽提法1。合成塔排出的合成反應(yīng)液在合成壓力和較高溫度下，在汽提塔內(nèi)與氣提氣逆流相遇，將氨和二氧化碳從尿液中分解出來，然后將氣體導(dǎo)入高壓甲銨冷凝器內(nèi)，化合冷凝為甲銨液，放出熱量用于副產(chǎn)蒸汽。動力消耗較低，經(jīng)濟效果明顯。1.2工藝的優(yōu)缺點優(yōu)點高氨碳化，高轉(zhuǎn)化率；由于合成塔采用高氨碳比操作，使合成塔中二氧化碳轉(zhuǎn)化率提高，加上采用鈦材的降膜式汽提塔，使汽提操作溫度可以高達(dá)200。在汽提塔內(nèi)由于過剩氨的自汽提作用，使甲銨分解率提高，從而減少低壓部分的負(fù)荷。采用甲銨噴射泵，使合

2、成高壓設(shè)備水平布置。不僅節(jié)省了高框架，同時也方便了安裝檢修。熱利用效率高，能耗低。操作彈性大，易于操作控制。由于合成采用高氨碳比，汽提塔采用鈦管，使封塔時間可以較長，有利于裝置的開停車操作，也減少了因排放所需的貯槽容積。爆炸危險小，由于使用鈦材，加入的鈍化空氣少，避免了爆炸混合物的生成。原料器損失少。由于加入鈍化空氣量少，所以惰性氣放空量少，原料損失少。缺點占地面積相對較大，流程長，設(shè)備多，相互制約性強，控制點多，技術(shù)素質(zhì)要求高等。1.3基本原理使尿液中的甲銨按下述反應(yīng)分解為和過程，反應(yīng)方程如下： （1-1）此反應(yīng)為可逆吸熱，體積增大的反應(yīng)。我們只要提供熱量，降低壓力或者降低氣相中與某一組分的

3、分壓，都可以使反應(yīng)向右進行，以達(dá)到分解甲銨的目的。汽提法是在保持壓力與合成塔相同的條件下，在供給熱量的同時，采用降低氣相中和某一組分(或與都降低)的分壓的辦法來分解甲銨的過程2。當(dāng)溫度為t時，純態(tài)甲銨的離解總壓力與各組分（與）的分解壓的關(guān)系，按以上化學(xué)方程式可作如下表示：設(shè)總壓為，則從反應(yīng)式中可以看到氨分解壓力為2/3，二氧化碳分壓為1/3，如反應(yīng)式在溫度為t時的平衡常數(shù)為，則： （1-2）假如氨和二氧化碳之比不是2：1狀態(tài)存在，在溫度仍為t時，它的總壓為P，其各組分的分壓為： ： ，分別為氣體中氨，二氧化碳的分子分?jǐn)?shù)，這樣反應(yīng)式在溫度為時的平衡常數(shù)應(yīng)為： （1-3）溫度相同，平衡常數(shù)相等，所

4、以溫度為時t時 （1-4） （1-5）純甲銨在某一固定溫度下的離解壓力為不變常數(shù)C，所以 （1-6）從此式可以看出，當(dāng)趨近于1時，則必趨近于0，就趨近于0，則趨近于無窮大，即趨近于無限大，就是說甲銨液用通入，氣相中幾乎全為時（），P趨近于無限大，即甲銨的離解壓力近于無限大。我們知道，如果在某溫度下的離解壓力大于操作壓力，甲銨就會分解，此即汽提法分解甲銨的理論基礎(chǔ)。當(dāng)趨近于1時，趨近于0，同理P趨近于無限大，即當(dāng)甲銨液用氣體通入，氣相幾乎全為時（），同樣甲銨離解壓力近于無限大，操作壓力小于離解壓力，甲銨就得到分解，這就是氨汽提法分解甲銨的理論基礎(chǔ)。斯那姆氨汽提尿素工藝是在與合成塔相同壓力條件下，

5、采用鈦材的降膜式汽提塔，利用合成反應(yīng)液中過剩的自氣提作用，使甲銨得到分解，將溶液中的氣提出來。第二章 集團年產(chǎn)20萬噸氨汽提尿素工藝流程介紹2.1原料的供給本裝置的兩種原料均來自合成氨裝置。液氨壓力不低于2.2MPa，溫度40，進入裝置界區(qū)的液氨存貯在氨貯槽V105，打入高壓系統(tǒng)。第一臺是氨升壓泵P105，出口壓力2.2MPa。第二臺是高壓氨泵P101，進一步加壓到高壓系統(tǒng)所需壓力。高壓液氨在氨預(yù)熱器E107中預(yù)熱至95，同時回收了低壓氣體的冷凝熱。預(yù)熱后的高壓液氨壓力為21.9MPa。作為氨基甲酸銨噴射器L101的動力，將循環(huán)的氨基甲酸銨液一并帶入尿素合成塔R101底部。從合成氨裝置進入界區(qū)

6、的二氧化碳?xì)怏w，溫度不高于40，壓力為0.04MPa，經(jīng)二氧化碳壓縮機入口液滴分離罐V111分離清除霧滴后進入由蒸汽透平驅(qū)動的雙缸四段離心式二氧化碳壓縮機K101，加壓至15.9MPa。段與段之間有中間冷卻器，但末級出來的二氧化碳直接送入尿素合成塔R101。在二氧化碳壓縮機入口分離器V111后的管線上，加入一定量的空氣，以鈍化高壓系統(tǒng)不銹鋼設(shè)備的表面，使其免受反應(yīng)物和產(chǎn)物的腐蝕3。2.2高壓合成、汽提、回收系統(tǒng)尿素合成條件為：188，15.6MPa，進料氨與二氧化碳的物質(zhì)的量比是3.6，水與二氧化碳的物質(zhì)的量比為0.67。尿素合成塔R101內(nèi)發(fā)生如下的化學(xué)反應(yīng)： （2-1） （2-2）在此條件

7、下反應(yīng)在液相中進行，以原料二氧化碳利用率表示的轉(zhuǎn)化率約65%。為了回收未反應(yīng)物，離開尿素合成塔的反應(yīng)混合物流入與合成塔同壓氨汽提塔E101?；旌弦合蛳铝鲃訒r應(yīng)受熱而有氨氣逸出，利用逸出的氨氣作為汽提劑，又使二氧化碳逸出。由汽提塔E101出來的氣體，與中壓系統(tǒng)返回的碳銨液匯合，一并進入高壓氨基甲酸銨冷凝器E104。在此幾乎全部冷凝下來。其冷凝熱用于副產(chǎn)0.35MPa的低壓蒸汽。氨基甲酸銨冷凝器E104出來的混合物進入氨基甲酸銨分離器V101進行氣液分離。液相稱氨基甲酸銨液，經(jīng)噴射器L101返回合成塔。未冷凝的氣體主要是惰氣亦含有一定的氨氣和二氧化碳。在壓力控制下送往中壓分離器E101A/B的下部

8、。高壓系統(tǒng)的主要設(shè)備是合成塔R101，汽提塔E101，氨基甲酸銨冷凝器E104和氨基甲銨酸分離器V101。2.3中壓分解回收系統(tǒng)離開汽提塔底部的尿液，雖已經(jīng)汽提出相當(dāng)數(shù)量的未反應(yīng)物氨氣和二氧化碳，但還需進一步回收和提純。本流程的回收提純系統(tǒng)分三級，即中壓1.8MPa，真空0.035MPa，低壓0.45MPa。離開汽提塔底部的尿液減壓到1.7MPa，進入降膜式中壓分解器E102，同時，高壓系統(tǒng)的少量未冷凝氣體也進入的E102A/B底部。中壓分解器E102分兩部分：尿液減壓首先進入它的頂部分離器V102，將閃蒸出來的氣體排走，然后液體流入位于其下的管束，即分解部分。使殘留的氨基甲酸銨受熱而繼續(xù)分解

9、。所需熱量來自兩部分：殼體上部（E102A）是0.47MPa，160的蒸氣；殼體下部（E102B）來自汽提塔殼側(cè)的2.2MPa蒸汽冷凝液，并補充有一定數(shù)量同壓蒸汽，以滿足熱量的要求。離開中壓分解器E102的液體送入低壓系統(tǒng)。離開中壓分解器頂部分離器V102的氣體與來自低壓系統(tǒng)的碳銨液匯合，然后送往真空預(yù)濃縮器E113的管間部分，在此進行氣體的吸收，而放出的吸收熱和冷凝熱用來蒸發(fā)尿液。離開真空預(yù)濃縮器E113管間部分的氣液混合物，送入中壓冷凝器E106進一步冷卻。此時放出的熱量已無法利用，被冷卻水帶走。離開中壓冷凝器E106的氣液混合物進入中壓吸收塔C101。塔的下部是鼓泡段，在此用碳銨液循環(huán)吸

10、收。未被吸收的氣體繼續(xù)上升到精餾段，與噴淋下來的回流液氨和氨水相遇，氣體中的二氧化碳幾乎全部被吸收下來。塔頂?shù)玫郊兊臍獍?，但包括進入系統(tǒng)得惰氣和少量的二氧化碳。塔底溶液經(jīng)P102升壓，再經(jīng)高壓預(yù)熱器E105預(yù)熱，送往高壓系統(tǒng)。中壓吸收塔頂部出來的氣氨和惰氣進入氨冷凝器E109并進入液氨貯槽V105。液氨用氨升壓泵P105打回中壓吸收塔C101，作為回流。前已指出，來自合成氨裝置的原料氨液是存貯在氨貯槽V105中的，但它先進入氨貯槽上方的氨回收塔C105，從塔頂噴淋下來，與氨貯槽排出的氣體接觸，然后進入氨貯槽。泵P105打出來的液氨除一部分作為中壓吸收塔C101回流外，還有一部分經(jīng)高壓泵送入高壓

11、系統(tǒng)。液氨貯槽V105中的氣體，除惰氣外還有一部分氣氨，它從C105頂部排出，送入中壓降膜惰氣吸收塔E111和其尚存的惰氣洗滌塔C103。蒸汽冷凝液從C103頂部噴下以吸收氣氨，接著又流入E111的管束，以降膜形式吸收氣氨。E111為一換熱器，用冷卻水把吸收熱帶走。從洗滌塔頂部排出的氣體經(jīng)壓力控制器排放到煙囪，一般已基本不含氨。E111底部的氨水用泵P107回到吸收塔C101。2.4低壓分解回收及真空預(yù)濃縮系統(tǒng)離開中壓分解器E102底部的溶液，再次減壓到0.35MPa，并進入降膜式低壓分解器E103。上方是頂部分離器V103，釋放出來的閃蒸氣在此排出，液體流到下方分解部分的管束中，進一步受熱分

12、解，所需熱量由管間0.35MPa的飽和蒸汽提供。離開分解器V103的氣體與來自解吸塔C102的氣體匯合，通過冷凝和吸收的方法回收。首先是在氨預(yù)熱器E107換熱，然后是在低壓冷凝器E108受到冷卻和冷凝。氣液混合物送到碳銨液貯槽V106，氣體由此進入位于V106上方的低壓惰氣洗滌塔C104，用蒸汽冷凝液清洗，經(jīng)壓力控制器排入煙囪V113。此惰氣實際上不含氨。清洗液流入貯槽V106。貯槽V106中的碳銨液用中壓碳銨泵P103抽出，一部分送回中壓系統(tǒng)，另一部分送往工藝?yán)淠禾幚硐到y(tǒng)。第三級分解回收是在真空下進行的，低壓分解器E103底部出來的溶液減壓到0.35MPa，并進入降膜式真空預(yù)濃縮器E113

13、。釋放出來的閃蒸氣體先在頂部分離器V104排出，液體則進入下部分解部分的管束，進一步受熱分解。所需熱量來自分解器E102的氣體的冷凝和吸收供應(yīng)。由V104出來的氣體送往真空系統(tǒng)進行冷凝回收，E113流下的溶液收集于底部液位罐L104，已是含量為85%(質(zhì)量)的純凈尿液，經(jīng)泵送往濃縮系統(tǒng)。2.5真空濃縮（蒸發(fā)）與造粒來自P106含量約為85%的尿素溶液送至一段真空濃縮器E114，其尿液被濃縮至94.97%(質(zhì)量)。由E114出來的氣液混合物進入汽液混合物進入氣液分離器V107，其中的蒸汽被一段真空系統(tǒng)L105抽走。而液體則進入二段真空濃縮器E115。尿液被濃縮至99.75%（質(zhì)量）的熔融尿素。由

14、二段真空分離器V108分離下來的熔融尿素被熔融尿素泵P108加壓送至造粒塔頂?shù)脑炝婎^L109。由此旋轉(zhuǎn)噴頭將熔融尿素沿造粒塔截面噴灑成小液滴下落和上升的冷空氣逆流接觸，被冷卻固化成顆粒尿素。真空系統(tǒng)所需噴射蒸汽及一二段真空濃縮器所需熱量，由副產(chǎn)的低壓蒸汽供給。真空預(yù)濃縮器和一二段真空濃縮器的氣體經(jīng)各自的分離器（V104、V107、V108）后送至一二段真空系統(tǒng)（L105/L106）在表面冷凝器內(nèi)冷凝成工藝?yán)淠?匯集在工藝?yán)淠嘿A槽T102，以備送至解吸水解系統(tǒng)。尿素造粒塔為自然通風(fēng)，以節(jié)省電耗和減少尿素粉塵對廠區(qū)周圍環(huán)境的污染。落在造粒塔底部的顆粒狀尿素經(jīng)旋轉(zhuǎn)刮料機H101，送到皮帶運輸機

15、H102。由此再送往自動稱量機WT09616，然后進入倉庫。 第三章 尿素合成塔設(shè)計3.1闡述所研究對象尿素合成塔由于考慮到反應(yīng)物料具有較強的腐蝕性。尿素合成塔的材質(zhì)必須具備優(yōu)良的耐腐蝕性能，選擇尿素及361L不銹鋼作為尿素合成塔的襯里。并在操作中加入少量的空氣，使之能在不銹鋼襯里表面上形成“鈍化膜”防止腐蝕，尿素合成反應(yīng)是在液相中分兩步進行的。第一步氨基甲酸銨的生成反應(yīng)為瞬間反應(yīng)，但氨基甲酸銨脫水生成尿素的反應(yīng)需要時間較短。因此，合成塔要有足夠的容積以保證一定的停留時間4。合成塔的容積很大，物料從塔底部進入塔頂部溢流管流出。即尿素的濃度自下而上增加，相應(yīng)地，物料密度亦自下而上逐漸增高。這就使

16、合成塔上部的尿素含量較多的物料易與底部尿素含量較低，氨含量高的物料混合，這種現(xiàn)象就叫做“返混”。返混的結(jié)果，不僅降低了出口尿液中的尿素含量，而且由于頂部的生成物尿素返回底部，使反應(yīng)速度減慢，直接影響轉(zhuǎn)化率且使合成塔的生產(chǎn)強度下降。防止返混是提高轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)強度的一個重要因素，大直徑反應(yīng)器合成塔中，通常都是采用加篩板間隔的辦法來防止返混。斯那姆尿素合成塔就是這種形式的反應(yīng)器。考慮到篩板在制造、安裝及合成塔內(nèi)壁檢修上的方便，每一塊篩板都是拼接而成用螺栓聯(lián)接起來。這種構(gòu)造保證了篩板可以從人孔蓋中拆卸。篩板與筒體的聯(lián)接，采用了可拆螺栓篩板固定于316L不銹鋼制支架上，支架直接焊于反應(yīng)器內(nèi)的筒襯里上，所

17、形成的篩板與筒壁之間的環(huán)隙，是液體物料往上流動的通路。篩板安裝時要注意沿圓周方向應(yīng)均勻，以免液體偏流形成死角，導(dǎo)致缺氧而造成局部腐蝕。篩板下面有個裙座，氣液混合物料進入篩板下部后，氣體從氣液混合物中逸出，在篩板的下面形成一氣相層，篩板的裙座就是要滿足此氣相層高度的要求，以保證氣體能從篩孔中通過上升，而液體則通過篩板與筒壁的環(huán)隙上升。正是由于篩板的開孔率很小，使能在每一塊篩板下面形成一氣相層。好像把合成塔分隔成為13個串聯(lián)的小室。由于氣體通過篩板小孔時的速度較大，使得每一個小室中的物料相互混合得很激烈，濃度及似于相同。而上邊每一個小室的生成物濃度總比下邊的一個小室的生成物濃度高。就保證了合成塔操

18、作的技術(shù)經(jīng)濟性。3.2塔徑的工藝尺寸計算氣相平均密度液相平均密度物系表面張力氣相流量液相流量由式中的由式計算，其中的由史密斯關(guān)聯(lián)圖5查取，圖的橫坐標(biāo)為 （3-1）取板間距，板上液層高度則 （3-2）查史密斯關(guān)聯(lián)圖，得 （3-3） （3-4）取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為 （3-5） D=m （3-6）按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為D=2.0m塔截面積為實際空塔氣速為 U= （3-7）3.3塔板數(shù)從相關(guān)工具書6中查得二氧化碳相對揮發(fā)度，故 （3-8） 取10 （3-9） （3-10） （3-11）查吉利蘭圖得 （3-12）塔板效率取0.45，實際板數(shù)為 （3-13）實際板數(shù)應(yīng)為453.4塔高 （3-14）

19、3.5塔板主要工藝尺寸計算3.5.1溢流裝置計算因塔徑D=2.0m?？蛇x用單溢流弓形降液管采用凹形受液盤。（1）堰長?。?）溢流堰高度選用平直堰，堰上液層高度= 近似取E=1，則 = （3-15）取板上清液層高度 （3-16）（3）弓形降液管寬度和截面積由=0.66查弓形降液管的參數(shù)圖7，得 =0.0722，=0.124 （3-17）故 （3-18）由=驗算液體在降液管中停留時間即= 故降液管設(shè)計合理。（4）降液管底隙高度 （3-19）故降液管底隙高度設(shè)計合理。因此，選用凹形受液盤。3.5.2塔板布置（1）塔板的分塊因D800mm，故塔板采用分塊式查表3-1得，塔板分為5塊。表3-1 塔板分塊

20、數(shù)Table3-1 Tray a few block 塔徑，mm8001200140016001800200022002400塔板分塊數(shù)3456（2）邊緣區(qū)寬度確定?。?）開孔區(qū)面積計算開孔區(qū)面積按式=2(x)計算 x=-()=1-0.248-0.065=0.687mr=-=1-0.035=0.965m故=2=2.41（4）篩孔計算及排列所處理的物系無腐蝕性，可選用=3mm碳鋼板8。取篩孔直徑=5mm。篩孔按正三角形排列，取孔中心距為t=3=35=15mm篩孔數(shù)目為n=12371個開孔率為 10.1% （3-20）氣體通過閥孔的氣速為 10.56m/s （3-21）3.6篩孔的流體力學(xué)驗算3.

21、6.1塔板壓降（1）干板阻力計算干板阻力由式計算出由=1.67，查干篩孔的流量系數(shù)圖9，得=0.72故=0.0288m液柱（2）氣體通過液層的阻力計算氣體通過液層的阻力由式計算，其中為充氣系數(shù) （3-22）氣相動能因子0.007/(s. 查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖，得=0.99故=0.0594m液柱（3）液體表面張力的阻力計算液體表面張力所產(chǎn)生的阻力由式計算 =0.0025m液柱 （3-23）氣體通過每層塔板的液柱高度 =0.0288+0.0594+0.0025=0.0907m液柱 （3-24）氣體通過每層塔板的壓降 =Pa （3-25）3.6.2液面落差對于篩板塔液面落差很小，此塔的塔徑和液流量均不大

22、。故可忽略液面落差的影響。3.6.3液沫夾帶液沫夾帶量由式=計算 m （3-26）故kg液/kg氣0.1kg液/kg氣故在本設(shè)計中液沫夾帶量在允許范圍內(nèi)。3.6.4漏液對于篩板塔漏液點氣速=4.4=6.460m/s實際孔速穩(wěn)定系數(shù)K=1.5故在本設(shè)計中無明顯漏液。3.6.5液泛為了防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高應(yīng)服從 （3-27）取=0.5，則=0.5=0.2125m而板上不設(shè)進口堰10，=0.061m液柱=0.0907+0.06+0.061=0.2117m液柱故在本設(shè)計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象。3.7塔板負(fù)荷性能圖3.7.1漏液線由uo,min=4.4得 =0.8268整理得0.8268在操作范

23、圍內(nèi)，任取幾個值11，依上式計算出值。表3-2 計算結(jié)果Table3-2 ResultsLS m3/s0.0060.00150.00300.0045VS m3/s1.2481.2861.3341.373由上表數(shù)據(jù)，即可作出漏液線。3.7.2液沫夾帶線以=0.1kg液/kg氣為限，求關(guān)系如下：=0.025故=整理得在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依上式計算出值。表3-3 計算結(jié)果Table3-3 ResultsLS m3/s 0.00060.00150.00300.0045VS m3/s 6.356.185.985.81由上表數(shù)據(jù)，即可作出液沫夾帶線。3.7.3液相負(fù)荷下限線對于平直堰，取堰上液層高度

24、作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。取E=1，則據(jù)此，可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線。3.7.4液相負(fù)荷上限線以作為液體在降液管中的停留時間的下限。故據(jù)此，可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷上限線。3.7.5液泛線令=由，。聯(lián)立得 忽略，將與,與，與的關(guān)系式代入上式，并整理得式中a b c d 將有關(guān)的數(shù)據(jù)代入，得abcd故在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依上式計算出值。表3-4 計算結(jié)果Table3-4 ResultsLS m3/s 0.00060.00150.00300.0045VS m3/s 3.6053.4413.2052.975由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線。根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負(fù)荷性能

25、圖?？傻贸鲈摵Y板塔的操作上限為液沫夾帶控制，下限為漏液控制。查得 故操作彈性為 表3-5篩板塔設(shè)計計算結(jié)果 Table3-5 Design results of sieve tower序號項目數(shù)值1塔徑，m22板間距，m0.43溢流形式單溢流4降液管形式弓形5堰長，m1.326堰高，m0.0257板上液層高度，m0.068堰上液層高度，m0.0359降液管底隙高度，m0.01910安定區(qū)寬度，m0.06511邊緣區(qū)寬度，m0.03512開孔區(qū)面積，m2.4113篩孔直徑，m0.00514篩孔數(shù)目，m1237115孔中心距，m0.01516開孔率，%10.117孔塔氣速，m/s0.81818篩孔氣速，m/s10.5619穩(wěn)定系數(shù)K1.6320每層塔板壓降，Pa58321負(fù)荷上限液沫夾帶控制22負(fù)荷下限漏液控制23氣相負(fù)荷上限3.6824氣相負(fù)荷下限1.8125操作彈性2.0333.8對尿素合成塔進行物料衡算以尿素合成塔R101出口生成1000kg尿素為基準(zhǔn)。表3-6 廠某日取樣分析數(shù)據(jù)：Table3-6 The plant on a sample analysis of data組成 %（m/m）流股NH335.17CO215.17Ur31.03H2O18.63這樣流股流量流股各組分量為：根據(jù)尿素合成塔R101出口各物料量，可求得進塔各量