基于水溶液全循環(huán)法的尿素合成工段初步設(shè)計(jì)摘要尿素是一種中性速效高濃度氮肥，是一種重要的農(nóng)業(yè)資源。目前尿素的生產(chǎn)方法主要有水溶液全循環(huán)法，氨汽提法與二氧化碳汽提法三種。本設(shè)計(jì)采用水溶液全循環(huán)法對(duì)尿素合成工段進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。對(duì)尿素的生產(chǎn)方法做了調(diào)查與綜述，對(duì)合成工段與分離工段進(jìn)行了物料衡算和熱量衡算。對(duì)合成塔，加熱器與分解塔等設(shè)備進(jìn)行了工藝計(jì)算，提出了環(huán)境保護(hù)與安全措施，最后繪制了帶控制點(diǎn)的工藝流程圖，物料流程圖與主要設(shè)備結(jié)構(gòu)圖。關(guān)鍵詞：尿素水溶液全循環(huán)法物料衡算熱量衡算環(huán)境保護(hù)1緒論1.1概述我國(guó)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，化肥的需求量巨大，在化學(xué)肥料中氮肥的需求量最大，應(yīng)用最廣泛；而尿素為氮肥中的一個(gè)重要品種，在工業(yè)和農(nóng)業(yè)上都具有廣泛的用途。在工業(yè)上，尿素的主要用途是用作合成材料，可以制成尿素甲醛樹(shù)脂等，其尿素甲醛樹(shù)脂可生產(chǎn)塑料、噴漆、粘結(jié)劑，以及織物、紙張和皮革的浸漬劑。另外，尿素也可作多用途的添加劑，用于醫(yī)藥，試劑，和炸藥的生產(chǎn)中。在農(nóng)業(yè)上，尿素主要用作氮元素化學(xué)肥料。尿素作為氮肥的一種，其含氮量很高，是其他氮肥的1.3~2.6倍；肥效是中性速效肥料，施于土壤中不殘留使土地惡化的酸根，長(zhǎng)期使用不會(huì)使土質(zhì)結(jié)板，分解出的二氧化碳植物可以吸收。此外，尿素的施用方便，儲(chǔ)藏性能好，不分解、不結(jié)塊、不吸潮、不爆炸且流動(dòng)性好，是一種優(yōu)質(zhì)化學(xué)肥料。全球消費(fèi)尿素的地區(qū)居多，主要包括中東、北美、西歐、東亞、南亞、東南亞以及其他地區(qū)。未來(lái)尿素的需求將持續(xù)增加，且主要用作化肥，在農(nóng)業(yè)中體現(xiàn)它的價(jià)值。尿素作為最重要的氮肥，在世界各地的發(fā)展是十分迅速的，為今后的發(fā)展提供了無(wú)限的空間。尿素的生產(chǎn)工藝較為成熟，目前我國(guó)尿素生產(chǎn)的主要方法有水溶液全循環(huán)法、二氧化碳汽提法與氨汽提法三種生產(chǎn)工藝。水溶液全循環(huán)法是我國(guó)大多數(shù)中小型尿素（4萬(wàn)t/a～20萬(wàn)t/a）生產(chǎn)所采用的主要方法。它具有合成塔內(nèi)轉(zhuǎn)化率高，且未反應(yīng)物采用三段減壓分解，動(dòng)力消耗的能量較大，尾氣壓力、溫度都比較低，爆炸危險(xiǎn)極小等特點(diǎn)。此方法生產(chǎn)工藝比較成熟，操作方便簡(jiǎn)潔，機(jī)泵和非標(biāo)設(shè)備都為國(guó)產(chǎn)機(jī)械脲。1.2理化性質(zhì)1.2.1物理性質(zhì)尿素，化學(xué)名稱(chēng):碳酸二胺，化學(xué)式為CO(NH2)2。相對(duì)分子質(zhì)量為60.06，尿素中氮的含量為46.65%，在所有氮元素化學(xué)肥料中含氮量是最高的。純尿素常溫常壓下為無(wú)色無(wú)味的針狀或柱狀晶體，工業(yè)上所用的尿素顏色多為白色或淡黃色。存在與市場(chǎng)上的尿素一般為白色顆粒狀[1]。顆粒狀尿素不易結(jié)塊，便于包裝、運(yùn)輸和儲(chǔ)存，也方便使用。尿素的密度較輕，常溫常壓下結(jié)晶密度為1335kg·m-3,堆積密度為520~640kg·m-3。粒狀尿素堆積時(shí)，其斜面與水平面有一25~27℃的夾角，這個(gè)角稱(chēng)為堆積角。純尿素的熔點(diǎn)為132.6℃，常壓下溫度超過(guò)熔點(diǎn)純尿素即分解。尿素易吸濕，易溶于水中和液氨中。尿素水溶液呈微堿性。1.2.2化學(xué)性質(zhì)尿素是由碳、氫、氧、氮四種元素組成的有機(jī)化合物，又稱(chēng)脲。因在人與哺乳動(dòng)物的尿液中含有此種物質(zhì)，故稱(chēng)為尿素。尿素易溶于水，常壓下在20℃時(shí)，100mL水中大約可溶解尿素105g，溶解后的水溶液呈微堿性。尿素能與酸反應(yīng)生成鹽；高溫下能進(jìn)行縮合反應(yīng)。常溫時(shí)，尿素在水中將緩慢進(jìn)行水解，先轉(zhuǎn)化為氨基甲酸銨，再由氨基甲酸銨形成碳酸銨，最后分解生成氨和二氧化碳。并且隨著溫度的升高，尿素在水中水解速率加快，水解程度也增大。尿素也溶于甲醇、乙醇與甘油，但不溶于氯仿與乙醚。（1）分解反應(yīng)；尿素在常溫常壓下加熱可分解為氨氣和氰酸，化學(xué)反應(yīng)式如下：NH2CONH2→NH3↑+HNCO（2）縮合反應(yīng)；尿素縮合反應(yīng)的主要產(chǎn)物有縮二脲、縮三脲、三聚氰酸、三聚氰胺等；且蒸發(fā)過(guò)程中主要是生成縮二脲的反應(yīng)，其反應(yīng)方程式如下：NH2CONH2→NH3↑+HNCO尿素在高溫、加壓、或催化劑的條件下，能縮合生成三聚氰胺，其反應(yīng)方程式如下：6NH2CONH2→6NH3↑+C3N3(NH2)3+3CO2↑（3）水解反應(yīng)；常溫時(shí)，尿素在水中緩慢進(jìn)行水解。尿素水解的反應(yīng)方程式如下：NH2CONH2+H2O→NH2COONH4NH2COONH4+H2O→(NH4)2CO3(NH4)2CO3→2NH3+CO2+H2O1.3尿素的用途1.3.1作為原料尿素是三聚氰胺、水合肼、咖啡因、脲醛樹(shù)脂、四環(huán)素、苯巴比妥、酞青藍(lán)B、酞青藍(lán)Bx、還原棕BR、味精等多種產(chǎn)品的生產(chǎn)原料。1.3.2醫(yī)學(xué)方面尿素是人體蛋白新陳代謝后的物質(zhì)，它主要在人體的肝臟中合成，隨后融入血液種子，最后通過(guò)腎臟從尿道排出，但也有少量的尿素經(jīng)汗液排出。尿素的作用有：（1）維持人體尿素循環(huán)，由尿素的形式從尿道排出身體中存在的氨；（2）經(jīng)過(guò)腎臟的尿素從腎小管里被引進(jìn)到腎皮質(zhì)，從而提高腎皮質(zhì)的滲透濃度，促進(jìn)水分由腎小管滲透回身體中重新被身體利用；（3）臨床學(xué)上用來(lái)監(jiān)測(cè)血尿素，可以大概的觀察到腎小球的過(guò)濾功能；尿素是脫水利尿藥物，它可以調(diào)節(jié)血漿滲透壓，從而使組織內(nèi)的水分進(jìn)入到血管內(nèi)，特別是對(duì)眼，腦和腦脊液的調(diào)節(jié)，減輕組織水腫，降低眼內(nèi)壓，顱內(nèi)壓和腦脊液的壓力。所以在臨床上尿素主要用來(lái)腦水腫和青光眼的治療。1.3.3作為化肥尿素是一種有機(jī)態(tài)高濃度氮肥，在所有固體氮肥中，尿素的含氮量最高，屬于中性速效肥料，也可用于其他復(fù)合肥料的生產(chǎn)。尿素經(jīng)過(guò)土壤中的脲酶作用，水解成碳酸氫銨或碳酸銨后，才能被植物所吸收利用。它使用完后在土壤中不會(huì)殘留任何有害物質(zhì)，且長(zhǎng)期使用不會(huì)影響土壤土質(zhì)。尿素可以用作基肥和追肥，有時(shí)也可用作種肥。尿素在轉(zhuǎn)化前是以分子態(tài)存在的，不能被土壤吸附，應(yīng)防止隨水流失；轉(zhuǎn)化后形成的氨也易揮發(fā)，因此在使用中尿素要深施覆土。另外尿素中含有的縮二脲也可以在脲酶的作用下分解為氨和碳酸，尿素在土壤中轉(zhuǎn)化受土壤pH、值水和溫度的影響；在土壤中呈中性反應(yīng)，在水分適當(dāng)?shù)那闆r下，土壤溫度越高，轉(zhuǎn)化速度越快；尿素適用于一切農(nóng)作物和所有土壤，多用作基肥和追肥，旱水田都可以使用。由于尿素在土壤中轉(zhuǎn)化可形成大量的銨離子，它會(huì)導(dǎo)致土壤pH上升2-3個(gè)單位，并且尿素自身含有一定數(shù)量的縮二脲，其濃度在500ppm時(shí)，會(huì)對(duì)農(nóng)作物的幼根和幼苗產(chǎn)生抑制作用，因此尿素大多數(shù)情況下不宜用作種肥[2]。1.3.4尿素新用途尿素用在醫(yī)學(xué)和化肥的用途已是眾所周知，近些年科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了尿素的新用途，用尿素來(lái)凈化汽車(chē)尾氣。荷蘭國(guó)家實(shí)驗(yàn)室TNO研究員從尿素中提取到一種化學(xué)制品，它可以減少柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的氮氧化物達(dá)80%。為了減少柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的廢氣中氮氧化物的含量，荷蘭國(guó)家用一種尿素溶液注入到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的催化裂化器中。將尿素加入到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的催化裂化器后，從廢氣中帶來(lái)的熱量將尿素分解為氨和二氧化碳，隨后氨和廢氣中的有害氮氧化物進(jìn)行反應(yīng)，得到無(wú)害的氮和水蒸氣，這便是用尿素凈化汽車(chē)尾氣的原理[3]。1.4尿素發(fā)展歷史尿素最開(kāi)始是在動(dòng)物的排泄物中發(fā)現(xiàn)的，1773年法國(guó)化學(xué)家侯艾爾（HilaireRouelle）蒸干人尿得到一種白色結(jié)晶物質(zhì)，并命名為尿素。1798年富克拉伊（Rourcray）從尿素硝酸鹽中制得純尿素。1818年，Prout經(jīng)過(guò)分析得出準(zhǔn)確的尿素分子式；1928年，德國(guó)化學(xué)家維勒（FriedrichWohler）首次用氨和氰酸人工合成尿素，在尿素發(fā)展史上具有重要意義。自1986年Bassroff提出由氨和二氧化碳反應(yīng)合成尿素之后，直到1920年德國(guó)實(shí)現(xiàn)了以氨和二氧化碳為原料反應(yīng)制得尿素的工業(yè)化生產(chǎn)；目前，以氨和二氧化碳直接合成制尿素的方法成為世界上最經(jīng)濟(jì)的氨加工生產(chǎn)氮肥的主要方法。1.5尿素合成機(jī)理氨與二氧化碳合成尿素的反應(yīng)機(jī)理一般是在液相中分兩步反應(yīng)的，反應(yīng)條件為高溫高壓。第一步反應(yīng)為高壓下液氨與氣態(tài)二氧化碳反應(yīng)生產(chǎn)液態(tài)甲銨，其反應(yīng)方程式如下：2NH3(l)+CO2(g)→NH2COONH4(l)該反應(yīng)為放熱可逆反應(yīng)，在常溫下反應(yīng)可以進(jìn)行到底，但反應(yīng)速率很慢；在高溫高壓下，反應(yīng)速率很快且反應(yīng)進(jìn)行的很完全，而且反應(yīng)很容易達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，在平衡條件下二氧化碳的轉(zhuǎn)化率也會(huì)比較高。第二步反應(yīng)為甲銨脫水生成尿素，其反應(yīng)方程式如下：NH2COONH4(l)→CO(NH2)2(l)+H2O(l)該反應(yīng)為吸熱可逆反應(yīng)，需要在液相中進(jìn)行反應(yīng)，且反應(yīng)速度比較緩慢，反應(yīng)不容易達(dá)到平衡狀態(tài)，而且反應(yīng)不完全，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率比較低，大約在50%-70%左右。因此，這也成為了尿素合成過(guò)程中的控制反應(yīng)。以上兩反應(yīng)結(jié)合得到氨的合成總反應(yīng)方程式：2NH3(l)+CO2(g)→CO(NH2)2(l)+H2O(l)由于反應(yīng)不完全，受化學(xué)平衡的限制，氨和二氧化碳只能部分轉(zhuǎn)化為尿素。1.6國(guó)內(nèi)尿素的合成工藝目前存在的合成尿素的方法大約有五十多個(gè)反應(yīng)，方法雖多，但真正具有工業(yè)價(jià)值的只有兩個(gè)，一個(gè)是氰胺化物的水解，另一個(gè)是目前普遍采用的二氧化碳與氨的反應(yīng)。我國(guó)尿素生產(chǎn)的方法主要有三種，分別為水溶液全循環(huán)法，二氧化碳汽提法和氨汽提法。尿素合成主要工藝參數(shù)：（1）溫度：180~220℃（2）壓力：18~25MPa（3）氨碳比：3~5（4）水碳比：0.5~1（5）原料純度：二氧化碳純度應(yīng)大于98.5%（體積分?jǐn)?shù))1.6.1水溶液全循環(huán)法水溶液全循環(huán)法是將未轉(zhuǎn)化的氨與二氧化碳用一定數(shù)量的水吸收，在經(jīng)過(guò)減壓和加熱分解，從得到的尿素溶液中分離出來(lái)，使分離出來(lái)的氨與二氧化碳重新回到高壓合成塔中反應(yīng)，使反應(yīng)的利用率達(dá)到最大化。操作條件：合成塔操作壓力：19.6MPa反應(yīng)溫度：188℃氨碳比：4.0二氧化碳轉(zhuǎn)化率：64%合成塔頂出來(lái)的物質(zhì)有尿素，未轉(zhuǎn)化的甲銨，過(guò)剩氨和水的混合液體?；旌衔镔|(zhì)需要經(jīng)過(guò)三級(jí)分解：中壓低壓和閃蒸分解，三種壓力范圍為1.8~2.5MPa、0.2~0.5MPa和0.5MPa（真空度），才能使反應(yīng)物和未反應(yīng)物及其他雜志得到比較完全的分離，在經(jīng)過(guò)二段造粒，最終得到純尿素溶液，而且可以將未反應(yīng)的物質(zhì)回收利用。此方法是20世紀(jì)60年代我國(guó)中小型尿素生產(chǎn)主要的方法；該方法的顯著特點(diǎn)是合成塔塔內(nèi)轉(zhuǎn)化率比較高，尾氣壓力和溫度偏低，爆炸的危險(xiǎn)性較小，而且工藝流程較為成熟。它無(wú)高壓分解回收流程，高壓設(shè)備少，投資費(fèi)用低，但公用工程總體水平消耗比較高，能耗高。1.6.2二氧化碳汽提法二氧化碳汽提法多用于大型設(shè)備裝置中，其主要特點(diǎn)是在最佳的氨碳比條件下，使合成壓力降到最低，在合成壓力下進(jìn)行二氧化碳的汽提和冷凝，產(chǎn)生的冷凝熱能產(chǎn)生蒸汽，可作為蒸汽噴射器的動(dòng)力蒸汽與系統(tǒng)保溫。二氧化碳汽提法打破了水溶液全循環(huán)法將未反應(yīng)完的物質(zhì)回收利用的方式，大幅度降低了尿素生產(chǎn)中消耗的能量，簡(jiǎn)化了工藝流程，同時(shí)也減少了設(shè)備用量；并且二氧化碳汽提法用到的池式冷凝器與水溶液全循環(huán)法中的降膜式冷凝器比較有諸多優(yōu)點(diǎn)；池式冷凝器合成塔容積減少了40%，使尿素裝置的整體框架高度降低，降低了安裝難度；同時(shí)增大了傳熱系數(shù)和傳熱溫差，減少了傳熱面積，增大了操作彈性[4]。而且此方法對(duì)操作條件的操作要求比較高，并且設(shè)備易腐蝕，尾氣處理存在爆炸的危險(xiǎn)，危險(xiǎn)性較大。二氧化碳汽提法工藝改進(jìn)后，采用高壓下的原料二氧化碳其他脫氫技術(shù)，杜絕了尾氣處理爆炸的危險(xiǎn)性；因此，我國(guó)尿素生產(chǎn)裝置大多數(shù)采用的改進(jìn)后的二氧化碳汽提法工藝。1.6.3氨汽提法氨汽提法是20世紀(jì)60年代意大利Snamprogetti公司開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)尿素的工藝，用氨氣作為合成反應(yīng)液的汽提劑生產(chǎn)尿素。70年代又將工藝升級(jí)，通過(guò)提高溫度增強(qiáng)汽提效果。氨汽提法的操作條件：合成塔操作壓力：15Mpa合成塔操作溫度：185~190℃氨碳比：3.4~3.6水碳比：0.4~0.6二氧化碳轉(zhuǎn)化率：65%該方法的主要流程裝置有：合成塔裝置與高壓回收裝置中壓提純與氨回收低壓提純與回收真空預(yù)濃縮真空濃縮造粒系統(tǒng)該方法生產(chǎn)尿素的主要特點(diǎn)是氨的自提，汽提塔采用降膜式汽提塔，操作溫度高，塔內(nèi)過(guò)剩的氨自汽提，汽提效率高，甲銨分解率增高，動(dòng)能消耗小，轉(zhuǎn)化率高，操作彈性大，易于操作控制，便于安裝檢修，爆炸危險(xiǎn)性小，而且工藝?yán)淠罂梢詫?shí)現(xiàn)二次利用，屬于清潔技術(shù)，無(wú)污染。但氨汽提法生產(chǎn)尿素的效率不如二氧化碳汽提法高。1.7國(guó)外合成尿素的方法除了我國(guó)生產(chǎn)尿素的三種主要方法外，國(guó)外也出現(xiàn)了一些尿素合成的新方法。（1）日本東洋高壓公司“聯(lián)脲法”合成尿素日本東洋高壓公司為了防止尿素汽提過(guò)程中汽提反應(yīng)器和氨基甲酸鹽冷凝器的材料腐蝕，將傳統(tǒng)“聯(lián)脲法”改進(jìn)，在暴露于腐蝕環(huán)境的器材表面，以氧形成氧化膜，達(dá)到防止腐蝕設(shè)備的效果。而用于形成氧化膜的氧，以空氣為原料制取。主要過(guò)程包括：將氨和二氧化碳在合成反應(yīng)器中反應(yīng)生成尿素，但在兩者反應(yīng)過(guò)程中存在過(guò)剩的氨，而且未轉(zhuǎn)化為尿素的氨基甲酸銨會(huì)分解為氨與二氧化碳，以氨與二氧化碳的氣態(tài)混合物形式從反應(yīng)器的流出物中分離，氣態(tài)混合物由溶劑吸收或冷凝，由此形成的液體循環(huán)入合成反應(yīng)器中。[5]日本東洋高壓公司“聯(lián)脲法”生產(chǎn)尿素的主要特點(diǎn)是：通過(guò)壓力擺動(dòng)吸附法，生產(chǎn)比空氣中氧濃度高的氣體，稱(chēng)為濃縮氧氣；然后將供給的濃縮氧氣體與二氧化碳原料氣體混合，用于尿素生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)表面使用材料的防腐。（2）意大利斯納姆公司用氨氣“汽提”氨基甲酸銨法合成尿素意大利斯納姆公司與20世紀(jì)60年代開(kāi)始研究尿素的生產(chǎn)，1966年建成以氨為汽提氣的日產(chǎn)70噸尿素生產(chǎn)裝置。工藝流程由以下幾部分組成：二氧化碳?xì)怏w的壓縮液氨的加壓高壓合成與氨氣提回收中壓分解與循環(huán)回收低壓分解與循環(huán)回收中低壓分解與循環(huán)回收真空蒸發(fā)與造粒解吸與水解系統(tǒng)工藝特點(diǎn)：斯納姆公司是一種以氨為汽提劑的全循環(huán)汽提法生產(chǎn)尿素的工藝，用合成塔出口溶液中所含的過(guò)量氨，在降膜換熱器中把二氧化碳汽提出來(lái)；同時(shí)汽提出來(lái)的二氧化碳與氨，在操作壓力與合成塔相同的甲銨冷凝器中重新反應(yīng)合成氨基甲酸銨，繼而再送回合成塔生產(chǎn)尿素。[6]此方法降低了蒸汽耗量，同時(shí)因汽提塔與整個(gè)高壓裝置中存在有大量過(guò)量氨，降低了設(shè)備的腐蝕成度，使鈍化氧氣量降低，塔內(nèi)惰性氣體濃度降低，從而提高了轉(zhuǎn)化率；而且減少了對(duì)環(huán)境的污染。（3）美國(guó)化學(xué)建設(shè)公司熱循環(huán)法合成尿素美國(guó)化學(xué)建設(shè)公司絕熱的離心壓縮機(jī)壓縮未反應(yīng)完的氣體，將其轉(zhuǎn)送至合成塔；同時(shí)壓縮氣體產(chǎn)生的熱能與氨基甲酸銨的反應(yīng)熱和冷凝熱都加以利用，產(chǎn)生大量蒸汽用于自給。[7]該方法工藝先進(jìn)且節(jié)能效果顯著，使得尿素轉(zhuǎn)化率高達(dá)75%，而且因熱能的合理利用，使得總能耗相比其他工藝降低了50%以上。（3）荷蘭斯塔密卡邦公司二氧化碳汽提法合成尿素荷蘭斯塔密卡邦公司采用了與斯納姆公司截然相反的以二氧化碳為汽提劑生產(chǎn)尿素的工藝路線。斯塔密卡邦公司為了降低成本，將技術(shù)改進(jìn)，最具有代表性的為尿素2000+TM超優(yōu)工藝，其主要特點(diǎn)有:采用了新型高效的塔盤(pán)，塔盤(pán)上設(shè)有氣體分布系統(tǒng)液體上升管，使得塔盤(pán)上的氣相和液相混合均勻，消除了常規(guī)塔盤(pán)存在的溝流與返混現(xiàn)象；將立式池式反應(yīng)器換為臥式池式反應(yīng)器，并且反應(yīng)器上帶有浸沒(méi)U型管束；降低尿素生產(chǎn)主框架的高度，通過(guò)采用新型高效塔盤(pán)、臥式池式冷凝器、減少合成塔高度等方法，從而降低主框架高度，降低成本消耗；增設(shè)二氧化碳脫氫裝置，使得二氧化碳中氫氣的體積分?jǐn)?shù)由0.5%降至0.005%以下。[8]1.8選取工藝方法及理由本設(shè)計(jì)尿素生產(chǎn)的工藝選用水溶液全循環(huán)法，水溶液全循環(huán)法工藝流程比較成熟，在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。而且我國(guó)對(duì)尿素生產(chǎn)工藝的研究與開(kāi)發(fā)，都是以水溶液全循環(huán)法為基礎(chǔ)，在此工藝上不斷改進(jìn)；所以累積了工藝流程設(shè)計(jì)，設(shè)備制造與操作技術(shù)多方面的經(jīng)驗(yàn)，并改造出中國(guó)式改良型水溶液全循環(huán)法。并且各設(shè)備需要的材料國(guó)內(nèi)都比較容易得到，能成套制造生產(chǎn)設(shè)備。所以綜合考慮本設(shè)計(jì)選用水溶液全循環(huán)法。1.9尿素流程簡(jiǎn)圖2物料衡算2.1物料流程簡(jiǎn)圖此次設(shè)計(jì)只做尿素合成工段與分離工段的相關(guān)模擬設(shè)計(jì),未計(jì)算循環(huán)工段以及蒸發(fā)造粒工段,則物料流程簡(jiǎn)圖如下:預(yù)混器預(yù)混器二段分解塔一段分離器尿素合成塔NH3CO2去蒸發(fā)段去低壓吸收去中壓吸收(注:CO2中含循環(huán)水)圖2-1物料流程簡(jiǎn)圖2.2合成塔2.2.1反應(yīng)框圖及數(shù)據(jù)計(jì)算查《氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》[9](尿素)有:尿素成品中含N2量為:46%(折含尿素98.7%,其中不包括縮二脲含N量)則一段分解塔出口溶液中尿素的質(zhì)量百分比[1]為:二段分解塔出口溶液中尿素的質(zhì)量百分比[1]為:設(shè)一、二段分解塔出口的尿素溶液量分別為,(106t)/a,由尿素質(zhì)量守恒有:對(duì)二段分解塔:對(duì)一段分解塔:查[1]知CO2轉(zhuǎn)化率為64%,NH3/CO2=4.1,H2O/CO2=0.7又得知由合成塔生成的尿素量為:(忽略損失)故轉(zhuǎn)化為尿素的CO2的量為:則未轉(zhuǎn)化為尿素的CO2的量為:因此需進(jìn)合成塔的CO2的總量為:NH3的進(jìn)料量為:H2O的量為:反應(yīng)過(guò)程反應(yīng)過(guò)程N(yùn)H39.42CO21.203H2O4.464NH2CONH22.138單位:107kmol/aNH313.70CO23.341H2O2.339圖2-2合成塔物料方框圖2.2.2物料計(jì)算計(jì)算基準(zhǔn):130萬(wàn)噸成品尿素由上有輸入的各組分:則輸出的各組分:由質(zhì)量守恒定律:又合成塔里的反應(yīng)為:那么生成的甲銨量消耗的液氨量則過(guò)量的氨量2.2.3合成塔物料平衡數(shù)據(jù)表表2-1合成塔的物料平衡表輸入輸出組分105t/a107kmol/a組分105t/a107kmol/aNH323.2913.70CO214.73.341H2O4.212.339NH316.019.42CO25.2931.203H2O8.0674.464CO(NH2)212.832.14總計(jì)42.219.38總計(jì)42.217.229（說(shuō)明:進(jìn)出物料差:,此量為合成反應(yīng)因生成尿素從而減少的摩爾數(shù).）因二氧化碳還以甲銨液形式出料則合成塔輸出物料還可表示為:單位:(105t/a)CO(NH2)2:12.83CO(NH2)2:12.8330.5%CO2:5.293或NH4COONH2:9.38322.2%NH3:16.01氨水:19.98747.3%H2O:8.067其中:NH311.92H2O8.067總計(jì)42.2總計(jì)42.22.3一段分離器2.3.1反應(yīng)框圖及已知數(shù)據(jù)查[9]知一段分解塔出口溶液中各物料組分所占的百分?jǐn)?shù)為:CO2:0.032NH3:0.082H2O:0.272CO(NH2)2:0.614一段分離器一段分離器A(104t)/a溶液CO2?NH3?H2O?42.2×105t/a溶液2.09×106t/a溶液CO2?NH3?H2O?CO(NH2)2?圖2-3一段分離器物料方框簡(jiǎn)圖2.3.2物料計(jì)算計(jì)算基準(zhǔn):130萬(wàn)噸成品尿素由質(zhì)量守恒定律有:A=(4.22-2.09)×106=2.13×106t/a一段分解塔出口溶液中各物質(zhì)組分含量為:則一段分塔出口氣體中各物質(zhì)組分含量為:由質(zhì)量守恒有:與CO2形成甲銨消耗的液氨量為:生成的甲銨量:溶于水的氨量:2.3.3一段分離器物料平衡數(shù)據(jù)表表2-2一段分離器物料平衡表輸入輸出組分105t/a107kmol/a組分105t/a107kmol/aNH316.019.42CO25.2931.2H2O8.0674.48CO(NH2)212.82.13一段分解出口氣體21.310.79NH314.38.4CO24.631.05H2O2.3871.326一段分解出口液體20.96.448NH31.711.006CO20.670.152H2O5.683.16CO(NH2)212.82.13總計(jì)42.217.23總計(jì)42.217.23一段分離器出口物質(zhì)物料組成還可以表示為:單位(105t/a)CO(NH2)2:12.8CO(NH2)2:12.830.5%CO2:0.671或NH4COONH2:1.19322.2%NH3:1.71氨水:6.90747.3%H2O:5.68其中:NH31.227H2O5.68總計(jì)20.9總計(jì)20.92.4二段分解塔2.4.1反應(yīng)框圖及已知數(shù)據(jù)二段分解塔物料出入方框圖,如圖2-4:BB(105t)/a溶液CO2?NH3?H2O?20.9×105t/a溶液14.21×105t/a溶液CO2?NH3?H2O?CO(NH2)2?縮二脲?二段分解塔圖2-4二段分解塔物料出入方框簡(jiǎn)圖查[9]得二段分解塔出口溶液中各物質(zhì)組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為:CO2:0.0055NH3:0.0083H2O:0.28CO(NH2)2:0.702縮二脲:0.00422.4.2物料計(jì)算計(jì)算基準(zhǔn):130萬(wàn)噸成品尿素二段分解塔出口液中各物質(zhì)組分的質(zhì)量為:則二段分塔出口氣體中各物質(zhì)組分的質(zhì)量為:由質(zhì)量守恒有:生成的甲銨量:消耗的液氨量:過(guò)量的液氨量:2.4.3二段分解塔物料平衡數(shù)據(jù)表表2-3二段分解塔物料平衡表輸入輸出組分105t/a106kmol/a組分105t/a106kmol/aNH31.7110.01CO20.671.53H2O5.6831.5CO(NH2)212.821.3一段分解出口氣體3.88420.15NH31.5929.36CO20.5921.35H2O1.79.44一段分解出口液體14.2139.66NH30.1180.69CO20.0780.18H2O3.9822.1CO(NH2)29.9816.63縮二脲:0.060.06總計(jì)20.964.34總計(jì)18.09459.81(注:表中忽略該反應(yīng)生成的氨氣量)四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)熱量衡算第三章二段分解塔出口物質(zhì)物料組成還可表示為:單位:(105t/a)蘭州信息科技學(xué)院(論文)第三章熱量衡算CO(NH2)2:9.98CO(NH2)2:9.98CO2:0.078或NH4COONH2:0.138NH3:0.118氨水:4.032H2O:3.98其中:NH30.052H2O3.98縮二脲:0.06縮二脲:0.06總計(jì)14.21總計(jì)14.21

3熱量衡算3.1合成塔3.1.1工藝條件1.原料NH3(l)進(jìn)入合成塔壓力221atm,t℃2.原料CO2(g)進(jìn)入合成塔壓力221atm,125℃3.原料中H2O(l)進(jìn)入合成塔壓力221atm,100℃4.尿素合成塔排出反應(yīng)物壓力221atm,190℃3.1.2流程簡(jiǎn)圖圖3-1合成塔熱量衡算結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖3.1.3熱量計(jì)算計(jì)算基準(zhǔn):25℃1.CO2氣體降溫降壓------由CO2T-S圖[9]查得:221atm,125℃時(shí)=1661atm,25℃時(shí)=1742.當(dāng)液氨降溫降壓及汽化吸熱---由NH3圖[9]查得:221atm,t℃時(shí)=1atm,25℃時(shí)=2603.固體甲銨生成時(shí)的反應(yīng)熱---(放熱)查《氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》[10](理化數(shù)據(jù))有:1atm,25℃時(shí),固體甲銨的生成熱為:4.固體甲銨升溫吸熱----查[10]得固體甲銨由25℃升溫至150℃時(shí)的熱焓差值為52605.固體甲銨熔融吸熱----固體甲銨在150℃時(shí)的熔融熱[1]為:6.甲銨轉(zhuǎn)化為尿素時(shí)吸熱----尿素在150℃時(shí)的生成熱為52207.反應(yīng)熔融物升溫吸熱混合物比熱查[9]得:取59.8%氨水的比熱為:0.54.尿素的比熱為:0.476甲銨的比熱為:0.5278.液態(tài)水升溫變化吸熱----定性溫度為:℃查[10]得125℃時(shí),=0.997則=n9.液態(tài)水升溫變化吸熱----定性溫度為查[10]得170℃時(shí),=1.022則=n10.過(guò)量氨升溫吸熱----查[9]有:221atm,t℃時(shí)=221atm,132.5℃時(shí)=26811.過(guò)量液氨汽化熱----NH3在臨界溫度下汽化,其熱效應(yīng)為0,則12.過(guò)量氨升溫吸熱----查[10]得:221atm,132.5℃=268221atm,150℃=29813.過(guò)量氨與水混合熱----反應(yīng)熔融物中氨溶于水形成氨水濃度為:59.8%最終狀態(tài)氨水濃度為:59.8%,混合熱為95NH3最初狀態(tài)氨水濃度為:100%,混合熱為0NH314.合成塔熱損失----查[9]得年產(chǎn)11萬(wàn)噸的尿素生產(chǎn)設(shè)計(jì)中,損失為以一年工作340天計(jì)算,有15.合成塔熱平衡因故有:解得查NH3,I-圖[9]:t=46℃即氨的預(yù)熱溫度為46℃則:3.1.4合成塔熱量平衡數(shù)據(jù)表合成塔熱量平衡數(shù)據(jù)表見(jiàn)表3-1:表3-1合成塔熱量平衡表序號(hào)收入項(xiàng)目1010kcal%序號(hào)支出項(xiàng)目1010kcal%1甲銨生成熱90.11001CO2氣降溫降壓1.181.302當(dāng)量氨降溫降壓0.5314.843固體甲銨升溫吸熱17.619.504固體甲銨熔融吸熱16.217.975甲銨轉(zhuǎn)化為尿素吸熱11.212.396反應(yīng)熔融升溫吸熱0.8739.687液態(tài)水升溫吸熱0.2130.248過(guò)量氨升溫吸熱(26.1819.199過(guò)量氨汽化熱0010過(guò)量氨與水混合熱14.812.5711熱損失2.22.32總計(jì)90.1100總計(jì)90.11003.2一段分離器3.2.1工藝條件1.進(jìn)口反應(yīng)熔融物(壓力為18atm,溫度為124℃)2.出口物料(液相壓力為18atm,溫度為160℃;氣相壓力為18atm,溫度為160℃)3.2.2熱量計(jì)算計(jì)算基準(zhǔn):25℃1.反應(yīng)熔融物帶入的熱量查[9]氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)可知反應(yīng)熔融物的比熱為0.5172.反應(yīng)熔融物帶出的熱量取17.42%氨水的比熱為:1.2.尿素的比熱為:0.476甲銨的比熱為:36.3則3.氣相中CO2帶出的熱量由CO2T-S圖[9]可查得:1.78atm,160℃時(shí),=1961atm,25℃時(shí),=1744.氣相中NH3帶出的熱量查NH3,I-圖[9]可得:14.05atm,160℃時(shí),=4851atm,25℃時(shí),=4225.氣相中H2O帶出的熱量(包括蒸發(fā)潛熱)查H2O圖[9]可得:2.17atm,160℃時(shí),=6241atm,25℃時(shí),=25氣相帶出的熱量總和為:6.熱負(fù)荷=7.熱損失查文獻(xiàn)[9]:取進(jìn)熱負(fù)荷的1.65%8.加入的蒸汽負(fù)荷量解得選用12.5，188.9℃的飽和水蒸汽為加熱介質(zhì)，查[9]得,水的冷凝潛熱為：由可得，加熱介質(zhì)的量為：3.2.3一段分離器熱量平衡數(shù)據(jù)表一段分離器熱量平衡數(shù)據(jù)表見(jiàn)表3-2表3-2一段分解塔熱量平衡表序號(hào)收入項(xiàng)目1010kcal%序號(hào)支出項(xiàng)目107kcal%1反應(yīng)熔融物帶入21.648.212加熱蒸汽供給23.20751.791反應(yīng)熔融物帶出20.144.862氣相CO21.022.283氣相氨9.0120.114氣相水14.331.915熱損失0.3770.84總計(jì)44.807100總計(jì)44.8071003.3二段分解塔3.3.1工藝條件1.進(jìn)二段分解塔尿素溶液溫度t=160℃,壓力P=4atm2.出二段分解塔尿素溶液溫度t=150℃3.出二段分解塔氣體溫度t=120℃4.二段分解塔氣體各組分分壓:CO2:atmNH3:atmH2O:atm3.3.2熱量計(jì)算1.溶液帶入熱量由一段分解塔的熱量計(jì)算有:2.尿素溶液帶出的熱量由于尿素溶液中CO2、NH3、縮二脲的含量極少,故在計(jì)算中不予考慮,因此尿素溶液的濃度如下:H2O3.98×105t/a28.5%CO(NH2)29.98×105t/a71.5%合計(jì)13.96×105t/a100%查圖1-79[9]有:71.5%的尿液的比熱容為3.分解的氣體帶出的熱量查文獻(xiàn)[10]有:對(duì)CO2:10.36atm,120℃時(shí),=1901atm,25℃時(shí),=174對(duì)NH3:71.82atm,120℃時(shí),=4731atm,25℃時(shí),=423對(duì)H2O:9.06atm,120℃時(shí),=6481atm,25℃時(shí),=254.熱負(fù)荷=5.熱損失(查[9]取熱損失為進(jìn)熱負(fù)荷的4.6%)6.加熱蒸汽供給熱量選用12.5，188.9℃的飽和水蒸汽為加熱介質(zhì)，查[9]得，水的冷凝潛熱為：由可得，加熱介質(zhì)的量為：3.3.3二段分解塔熱量平衡數(shù)據(jù)表表3-3二段分解塔熱量平衡表序號(hào)收入項(xiàng)目1010kcal%序號(hào)支出項(xiàng)目1010kcal%1尿素溶液帶入20.166.52加熱蒸汽供給10.12533.51尿素溶液帶出17.858.892氣相帶出熱11.538.053熱損失0.9253.06總計(jì)30.225100總計(jì)30.2251004主要設(shè)備工藝設(shè)計(jì)4.1合成塔合成塔的主要制造材料是不銹鋼襯里,空的高壓容器。塔的外筒為多層卷焊受壓容器,也可以整體鍛造。內(nèi)部襯有一層耐腐蝕的不銹鋼板,使筒體和尿素甲銨腐蝕介質(zhì)隔離。外殼保溫,防止熱量外散,不設(shè)置內(nèi)件,塔的高徑比較大。[6]在塔內(nèi),氨基甲酸銨脫水生成尿素。4.1.1設(shè)計(jì)條件已知(1)CO2轉(zhuǎn)化率:(2)生產(chǎn)能力:(以340天,24小時(shí)/天計(jì)算)4.1.2合成塔的有效容積先確定合成塔的生產(chǎn)強(qiáng)度查圖4-1[9]查得為12.7實(shí)際選?。榧几目臻g），裕度為30%則實(shí)際生產(chǎn)強(qiáng)度為:選用的尿素合成塔為不銹鋼襯里的高壓容器[11]。合成塔內(nèi)流動(dòng)的物質(zhì)自始至終都是氣液二相混合物。大多數(shù)中小型廠的合成塔為空筒,不設(shè)置內(nèi)件,其高徑比在20左右,基本都呈平推流.選取內(nèi)徑1000mm,H=20000mm,V==15.7m3,材質(zhì):0Cr18Ni12Mo24.2一段加熱器起加熱的作用,尿素溶液混合物在加熱器中進(jìn)行加熱分解,加熱至溫度達(dá)到160℃,使溶液中的氨、二氧化碳和水汽化。4.2.1設(shè)計(jì)條件(1)操作壓力:P=18atm(絕)(2)操作溫度:加熱器進(jìn)口尿液溫度t1=124℃加熱器出口尿液溫度t2=160℃(3)加熱蒸汽條件壓力:P汽=12.5atm(絕)溫度:t汽=188.9℃冷凝溫度:t凝=188.9℃冷凝潛熱:r=475(4)熱負(fù)荷(5)物料濃度加熱器盡快尿液濃度:加熱器出口尿液濃度:(6)有效平均溫度(7)查[9]得4.2.2傳熱面積A由已知條件得傳熱量為選用加熱器有[12]:為浮頭式單殼程換熱器Dg=4000mm,Pg=40,管程數(shù)2,殼程數(shù)1,列管長(zhǎng)度3m,列管直徑19mm,管束圖型號(hào)A,,,規(guī)格型號(hào)FB4000-25-40-2,材質(zhì):Cr18Ni12Mo2Ti4.3一段分離器在一段分離器內(nèi)氣液二相分開(kāi),液相部分送至二段分解塔,氣相部分送去中壓吸收系統(tǒng)。4.3.1設(shè)計(jì)條件(1)操作壓力P=18atm(絕)(2)操作溫度t=160℃4.3.2計(jì)算1.氣相重度查文獻(xiàn)[9]知:表4-1NH3,CO2,H2O的臨界溫度,臨界壓力值組分NH3CO2H2O臨界溫度℃132.331.0374.2臨界壓力PCatm111.372.9218.3混合氣體的假臨界溫度℃混合氣體的假臨界壓力對(duì)比溫度對(duì)比壓力查氣體的通用壓縮系數(shù)圖[1],得壓縮系數(shù)為Z=0.96氣相重度為2.液相重度將液相視為尿素溶液,查尿素溶液的蒸汽壓力和比重圖[9],可得濃度為61.44%的尿素溶液重度為11103.空速4.氣相負(fù)荷5.分離器截面積6.分離器直徑考慮到負(fù)荷變化及壓力波動(dòng),選取一段分離器直徑為那么,,材質(zhì):Cr18Ni12Mo2Ti4.4二段加熱器起加熱的作用,從一段分離器出來(lái)的液相部分(尿素液、氨、水等)在此進(jìn)行加熱分解,使各組分汽化,溫度達(dá)到150℃。4.4.1設(shè)計(jì)條件(1)操作壓力:P=4atm(絕)(2)操作溫度:加熱器進(jìn)口尿液溫度t1=124℃加熱器出口尿液溫度t2=150℃(3)加熱蒸汽條件壓力:=12.5atm(絕)溫度:=188.9℃冷凝溫度:=188.9℃冷凝潛熱:r=475(4)熱負(fù)荷(5)物料濃度加熱器進(jìn)口尿液濃度:61.44%加熱器出口尿液濃度:70.20%(6)有效平均溫度(7)查[9]得4.4.2傳熱面積A(1)由已知條件得傳熱量為選用加熱器查[12]有:為浮頭式單殼程換熱器Dg=4000mm,Pg=40,管程數(shù)2,殼程數(shù)1,列管長(zhǎng)度3m,列管直徑19mm,管束圖型號(hào)A,,,規(guī)格型號(hào)FB4000-25-40-2,材質(zhì):Cr18Ni12Mo2Ti4.5二段分解塔二段分解塔用來(lái)進(jìn)一步除去一段分離器未完全除去的和,其操作壓力為,進(jìn)料溫度為160℃,塔頂操作溫度為,塔底操作溫度為150℃,此過(guò)程是一精餾的過(guò)程,在塔內(nèi)同時(shí)進(jìn)行多次部分汽化和部分冷凝的過(guò)程,可使混合液得到幾乎完全的分離。4.5.1全塔的理論板數(shù)及相關(guān)參數(shù)(1)按揮發(fā)度降低的順序查得為:CO2、NH3、H2O、CO(NH2)2.依據(jù)分離要求(NH3、H2O在一段分解塔出口溶液中占的比重最多,為關(guān)鍵主份):規(guī)定NH3為輕組分,H2O為重組分(假定二段分解塔出口溶液中不含CO2)塔頂?shù)妮p組分組成:塔底的輕組分組成:由則:(2)平均相對(duì)揮發(fā)度查文獻(xiàn)[10][13]有:120℃時(shí):NH3的飽和蒸汽壓:H2O的飽和蒸汽壓:150℃時(shí):NH3的飽和蒸汽壓:H2O的飽和蒸汽壓:120℃時(shí):150℃時(shí):平均相對(duì)揮發(fā)度:(3)由芬斯克方程式求最小理論塔板數(shù)Nmin(不包括再沸器)求最小回流比此處進(jìn)料為氣液混合物進(jìn)料,則0<<1取,則線方程為:------------①又在最小回流比下,操作線與線的交點(diǎn)坐標(biāo)位于平衡線上則有:即有:---------------②聯(lián)立①②式解得,則:取操作回流比則查吉利蘭圖[13],有：即：（其中）解得：(4)塔板效率求平均相對(duì)揮發(fā)度與平均黏度的積塔頂、塔底的平均溫差為：查[13]得140℃時(shí),氨的粘度：水的粘度：則那么:(5)實(shí)際塔板數(shù)(即約為10塊)但在實(shí)際生產(chǎn)中選取精餾塔板數(shù)為21塊。因?yàn)?(1)此處的精餾過(guò)程不是簡(jiǎn)單的氨－水二元組分,其中還存在其它組分。(2)在設(shè)備制造與操作中不可能每個(gè)部件都是理想的工作狀態(tài)。(3)操作變量如蒸汽流速、回流比、溫度、壓力等對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響較大。(4)設(shè)備投資和操作費(fèi)用是構(gòu)成產(chǎn)品成本的二大組成部分，增加塔板數(shù)可以減少回流比，對(duì)降低經(jīng)常操作費(fèi)有利。(6)求加料板數(shù)查[10][13]有:120℃時(shí):NH3的飽和蒸汽壓:H2O的飽和蒸汽壓:160℃時(shí):NH3的飽和蒸汽壓:H2O的飽和蒸汽壓:120℃時(shí):160℃時(shí):全塔平均相對(duì)揮發(fā)度:則有：前已查出，即解得：那么:實(shí)際板數(shù)為：故加料板為塔頂往下的第3層理論板,實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程為第13層塔板數(shù)。4.5.2塔徑，塔高的計(jì)算操作條件：塔頂壓力4atm,塔頂溫度120℃塔底壓力4atm，塔底溫度150℃進(jìn)料溫度：160℃(一)精餾段蒸汽量：液體量：近似為理想氣體，則其體積流量為：查得液體密度[10]則液體流量為:假定板間距為,板上液層高度為,則:塔板的有效高度為：又動(dòng)能參數(shù)為：查史密斯關(guān)聯(lián)圖[13]得則最大允許速度為：取安全系數(shù)為0.6,則空塔氣速為：塔徑為:按標(biāo)準(zhǔn)圓整為：查[13]得塔徑時(shí),滿足標(biāo)準(zhǔn)系列。(二)提餾段蒸汽量：液體量：近似為理想氣體，則其體積流量為：查得液體密度[3]則液體流量為:假定板間距為,板上液層高度為,則:塔板的有效高度為：又動(dòng)能參數(shù)為：查史密斯關(guān)聯(lián)圖[13]得則最大允許速度為：取安全系數(shù)為0.6，則空塔氣速為:塔徑為:按標(biāo)準(zhǔn)圓整為：查[13]得塔徑時(shí),滿足標(biāo)準(zhǔn)系列。則塔高為:4.5.3溢流裝置(1)精餾段①堰長(zhǎng),弓形降液管寬度及面積因塔徑，可選用單溢流弓形降液管,采用凹形受液盤(pán)，不設(shè)進(jìn)口堰.各項(xiàng)計(jì)算如下所示:堰長(zhǎng)：弓形降液管寬度及截面積由于,查弓形降液管參數(shù)得:，液體在降液管中的停留時(shí)間進(jìn)行驗(yàn)算,即:停留時(shí)間>5s,故降液管尺寸可用。②采用平直堰,堰上液層高度取,,查得則③降液管底隙高度④塔板布置及浮閥數(shù)目與排列取閥孔動(dòng)能因子,則則每層塔板上的浮閥數(shù)為:按標(biāo)準(zhǔn)圓整后:,開(kāi)孔率為:10.9%,施工備號(hào)F0807I。浮閥排列方式采用等腰三角形叉排,同一橫排的孔心距，排間距,重新核算孔速及閥孔動(dòng)能因數(shù):閥孔數(shù)變化不大,仍在(9,12)的范圍內(nèi),滿足要求。(2)提餾段①堰長(zhǎng),弓形降液管寬度及面積查文獻(xiàn)[13]得時(shí),,,,,則驗(yàn)算液體在降液管中的停留時(shí)間,即:停留時(shí)間>5s,故降液管尺寸可用。②采用平直堰,堰上液層高度取,,查得則③降液管底隙高度④塔板布置及浮閥數(shù)目與排列取閥孔動(dòng)能因子10,則則每層塔板上的浮閥數(shù)為:按標(biāo)準(zhǔn)圓整后:,開(kāi)孔率為:4.74%,施工備號(hào)F0810III。浮閥排列方式采用等腰三角形叉排，同一橫排的孔心距,排間距,重新核算孔速及閥孔動(dòng)能因數(shù):閥孔數(shù)變化不大,仍在(9,12)的范圍內(nèi),滿足要求。4.5.4流體力學(xué)的驗(yàn)算(一)對(duì)精餾段進(jìn)行驗(yàn)算(1)氣體通過(guò)浮閥塔板的壓強(qiáng)降①干板阻力:即因,故②板上充氣液層阻力因液相為碳?xì)浠衔?所以取充氣系數(shù)為0.4則③液體表面張力所造成的阻力:此阻力很小,忽略不計(jì)。因此,與氣體流經(jīng)一層浮閥塔板的壓強(qiáng)降所相當(dāng)?shù)囊褐叨葹?則單板的壓降(2)淹塔為了防止反應(yīng)塔發(fā)生淹塔現(xiàn)象,要求控制降液管中清液層高度,其中,(,)液體通過(guò)降液管的壓頭損失:因不設(shè)進(jìn)口堰,則:取,,則可見(jiàn),符合防止淹塔的要求。(3)霧沫夾帶及板上液體流徑長(zhǎng)度板上液流面積取物性系數(shù)查圖3-13得泛點(diǎn)系數(shù),代入上兩式有:及直徑0.9m以上的塔,泛點(diǎn)率<80%,故可知霧沫夾帶量滿足要求。(二)對(duì)提餾段進(jìn)行驗(yàn)算(1)氣體通過(guò)浮閥塔板的壓強(qiáng)降①干板阻力:即因,故②板上充氣液層阻力因液相為碳?xì)浠衔?取充氣系數(shù)為則③液體表面張力所造成的阻力:此阻力很小,忽略不計(jì)。因此,與氣體流經(jīng)一層浮閥塔板的壓強(qiáng)降所相當(dāng)?shù)囊褐叨葹?則單板的壓降(2)淹塔為了防止反應(yīng)塔發(fā)生淹塔現(xiàn)象,要求控制降液管中清液層高度,其中,(,)液體通過(guò)降液管的壓頭損失:因不設(shè)進(jìn)口堰,則:取,,則可見(jiàn),符合防止淹塔的要求。(3)霧沫夾帶及板上液體流徑長(zhǎng)度板上液流面積取物性系數(shù),查圖3-13[10]得泛點(diǎn)系數(shù),代入上兩式有:及直徑0.9m以上的塔,泛點(diǎn)率<80%,故可知霧沫夾帶量滿足要求。4.5.5塔板負(fù)荷性能圖(一)精餾段(1)霧沫夾帶線由計(jì)算,按泛點(diǎn)率為70%計(jì)算有:整理得:-----③由式③知霧沫夾帶線為直線,則在操作范圍內(nèi)任取二個(gè)值,可算出相應(yīng)的列于如下表中,據(jù)此可做出霧沫夾帶線(1)。Ls(m3/s)0.0010.009VS(m3/s)2.561.94表4-2霧沫夾帶線表(2)液泛線忽略,則有:因物系一定,塔板的結(jié)構(gòu)尺寸一定,則、、、、、、及等均為定值,又,,均為定值,則上式可簡(jiǎn)化為:即為:在操作范圍內(nèi)任取若干個(gè)值,可得值列于如下表中,可作液泛線(2)。表4-3液泛線表Ls(m3/s)0.0010.0050.009VS(m3/s)10.6710.510.37(3)液相負(fù)荷上限線(參考文獻(xiàn)[13]液體的最大流量應(yīng)保證在降液管中停留時(shí)間不低于3～5s)以作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限,則:在圖上液相負(fù)荷上限線為與氣體流量無(wú)關(guān)的豎直線(3)。(4)漏夜線對(duì)型重閥,進(jìn)行計(jì)算,則,又有,得:以,作為規(guī)定氣體的最小負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn),則:據(jù)此可做出與液體流量無(wú)關(guān)的水平漏夜線(4)。m3/s(5)液相負(fù)荷下線取堰上液層高度作為液相負(fù)荷下限條件.依據(jù)如下公式可計(jì)算出的下限值,以此就可以作出液相負(fù)荷下限線.該線為與氣體流量無(wú)關(guān)的豎直線(5)。,(E=1)即有:(其中)綜上可作出(1)、(2)、(3)、(4)、(5)五條線,如下圖(見(jiàn)下頁(yè)):圖4-1精餾段塔板負(fù)荷性能圖由塔板負(fù)荷性能圖可以看出:①任務(wù)規(guī)定的氣液負(fù)荷下的操作點(diǎn)P(設(shè)計(jì)點(diǎn))處在適宜操作區(qū)的適中位置。②塔板的氣相負(fù)荷上限由霧沫夾帶控制,操作下限由漏夜控制。③按固定的液氣比,由圖可查得:氣相負(fù)荷上限,氣相負(fù)荷下限則操作彈性(二)提餾段(1)霧沫夾帶線由計(jì)算,按泛點(diǎn)率為70%計(jì)算有:整理得:-----④由式④知霧沫夾帶線為直線,則在操作范圍內(nèi)任取二個(gè)值,可算出相應(yīng)的列于如下表中,據(jù)此可做出霧沫夾帶線(1)。Ls(m3/s)0.0010.009VS(m3/s)2.672表4-4霧沫夾帶線表(2)液泛線忽略,則有:因物系一定,塔板的結(jié)構(gòu)尺寸一定,則、、、、、、及等均為定值,又,,均為定值,則上式可簡(jiǎn)化為:即為:或在操作范圍內(nèi)任取若干個(gè)值,可得值列于如下表中,可作液泛線(2)。表4-5液泛線表Ls(m3/s)0.0010.0050.009VS(m3/s)3.173.143.12(3)液相負(fù)荷上限線(參考文獻(xiàn)[13]液體的最大流量應(yīng)保證在降液管中停留時(shí)間不低于3～5s)以作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限,則:在圖上液相負(fù)荷上限線為與氣體流量無(wú)關(guān)的豎直線(3)。(4)漏夜線對(duì)型重閥,進(jìn)行計(jì)算,則,又有,得:以,作為規(guī)定氣體的最小負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn),則:據(jù)此可做出與液體流量無(wú)關(guān)的水平漏夜線(4)。(5)液相負(fù)荷下線取堰上液層高度作為液相負(fù)荷下限條件.依據(jù)如下公式可計(jì)算出的下限值,以此就可以作出液相負(fù)荷下限線.該線為與氣體流量無(wú)關(guān)的豎直線(5)。,(E=1)即有:(其中)綜上可作出(1)、(2)、(3)、(4)、(5)五條線,如圖4-2:圖4-2提餾段塔板負(fù)荷性能圖由塔板負(fù)荷性能圖可以看出:①任務(wù)規(guī)定的氣液