基于水溶液全循環(huán)法的年產(chǎn)110萬噸尿素生產(chǎn)工藝設(shè)計摘要尿素在種植農(nóng)業(yè)方面有非常大的作用，主要是尿素里面含的氮元素比較多，使用比較廣泛，但是如何用合成簡單且成本較低的方法，因此，本設(shè)計采用水溶液全循環(huán)法來制取尿素，用二氧化碳與氨直接反應(yīng)合成尿素，此方法能夠循環(huán)利用產(chǎn)生的各種廢液以及廢氣，原料氨的利用率也是非常高的，對此設(shè)計先進(jìn)行了物料衡算，以及熱量衡算，還進(jìn)行了設(shè)備的選型與計算，通過查閱手冊確定了設(shè)計的溫度、壓力以及各種情況下二氧化碳與氨的比值來進(jìn)行計算，最后繪制了帶控制點的工藝流程圖、物料流程圖、主要設(shè)備結(jié)構(gòu)圖。關(guān)鍵字：尿素合成、工藝計算、轉(zhuǎn)化率、工藝優(yōu)化目錄1緒論 41.1綜述 41.1.1尿素的性質(zhì)與用途 41.1.2尿素的合成機(jī)理 41.1.3尿素國內(nèi)常用合成方法 51.1.4國外合成化學(xué)世界尿素工業(yè)的發(fā)展動向 71.2尿素合成新技術(shù)研究與尿素合成轉(zhuǎn)化率影響因素 71.2.1尿素節(jié)能降耗新技術(shù)的研究 71.2.2尿素合成轉(zhuǎn)化率影響因素 81.2.3尾氣吸收與解吸 101.2.4水溶液全循環(huán)法主要過程 112物料衡算 122.1設(shè)計條件的確定 122.2二氧化碳壓縮系統(tǒng) 132.3尿素合成塔 142.4一段分解系統(tǒng) 162.5二段分解系統(tǒng) 172.6閃蒸槽 182.7一段蒸發(fā)器 192.9熔融尿素輸送及造粒包裝系統(tǒng) 212.10一段蒸發(fā)冷凝器 222.11二段蒸汽冷凝器 232.12中間冷凝器 242.13系統(tǒng)水平衡及其分配 252.14二循一冷器 312.15二循二冷凝器 322.16氨冷凝器 322.18尾氣吸收塔 342.20一段吸收系統(tǒng) 353熱量平衡計算 383.1尿素合成塔 383.2解吸塔 413.3氨冷凝器 423.4二氧化碳壓縮系統(tǒng) 434設(shè)備工藝計算 444.1尿素合成塔計算 444.2解吸塔的計算 454.3塔板數(shù)的計算 454.4塔徑及附屬設(shè)備計算 48附錄 571緒論1.1綜述1.1.1尿素的性質(zhì)與用途分子式：CO（NH2）2，分子量60.06，尿素俗稱碳酰二胺或者脲，其中氮的含量是46.65%，在固體氮肥中含氮量是最高的，常溫下是無色無味的，純尿素結(jié)晶體的形狀是細(xì)針狀或?qū)捓庵鶢畹?，尿素流通于市場的一般都是白色顆粒狀，通常不易結(jié)塊，便于使用，方便運(yùn)輸和儲藏等。大多數(shù)工業(yè)或農(nóng)業(yè)品為白色稍帶微紅色固體顆粒，無臭味，常溫常壓下，尿素密度為1.335kg.m-3，堆密度為520-640kg.m-3，粒狀尿素堆積時，其斜面與水平面成25~27度角。這角度稱為堆積角[1][2]。尿素很容易吸水，也很容易溶于水和液體NH3，在20℃時，100ml的水可以溶解尿素105g，得到的水溶液為微堿性。常溫下，尿素在水中緩慢水解，先轉(zhuǎn)化為甲基銨，再轉(zhuǎn)化為碳酸銨，最后分解為氨和二氧化碳。隨著溫度的升高，水解速率加快，水解度也提高。尿素也可溶于甲醇、乙醇和甘油，但不溶于乙醚和氯仿[1]。尿素是有機(jī)氮在土壤中脲酶、水解碳酸銨與碳酸氫銨后,可以被植物吸收利用,在所有固體氮尿素氮含量最高,是一種中性有機(jī)肥料,沒有任何殘留在土壤中有害物質(zhì),長期使用不會影響土壤,因此,在上世紀(jì)80年代建成的合成氨廠之后，大部分的氨被用來制造尿素。其次，尿素在化工原料中的使用也非常廣泛，還可以用于藥品的制造以及生活用品以及鋼筋混凝土等的生產(chǎn)中[1]。尿素一般用作氮肥使用，開始于上世紀(jì)初期。上世紀(jì)50年代之后，尿素被大規(guī)模推廣，由于尿素含氮量高、用途廣泛，很快便在世界范圍內(nèi)得到使用。目前中國的化肥生產(chǎn)中，尿素的生產(chǎn)總量大概占氮肥總產(chǎn)量的50%，是在產(chǎn)量和質(zhì)量上與碳銨競爭的主要氮肥品種之一。我國從上世紀(jì)六七十年代就開始建造大、中型尿素廠，使得我國尿素總產(chǎn)量不斷增加，2006年全國尿素總產(chǎn)量達(dá)4600噸以上[1]。1.1.2尿素的合成機(jī)理目前關(guān)于NH3和CO2合成尿素的反應(yīng)機(jī)理眾說紛紜，但通常情況下大多數(shù)專家認(rèn)可了反應(yīng)是在液相中分兩步進(jìn)行反應(yīng)的，并需要高溫高壓[1]第一步，高溫下的液氨與氣態(tài)二氧化碳反應(yīng)生成中間產(chǎn)物液態(tài)甲胺，其反應(yīng)式為2NH3(液)+CO2(氣)?NH4COONH2(液)此反應(yīng)為快速，強(qiáng)放熱的可逆反應(yīng)。如果冷卻條件允許，不斷的把反應(yīng)熱轉(zhuǎn)移，以保持一定的反應(yīng)溫度，可使甲胺冷凝成為液體，則該反應(yīng)較容易達(dá)到化學(xué)平衡，而且平衡條件下，二氧化碳轉(zhuǎn)化率較高，在常壓下該反應(yīng)的速率很慢，加壓下則很快[1]。第二步，甲胺脫水生成尿素，其反應(yīng)式為NH4COONH2(液)?CO(NH2)2(液)+H2O(液)該反應(yīng)一般使比較弱的吸熱反應(yīng)，通常情況下在液相中進(jìn)行反應(yīng)，其反應(yīng)過程非常的慢，達(dá)到所需的化學(xué)反應(yīng)平衡狀態(tài)所需時間也比較久，轉(zhuǎn)化率通常情況下也是極其的平穩(wěn)，所以這是合成尿素過程中控制反應(yīng)進(jìn)行快慢的主要反應(yīng)，如果反應(yīng)在固相中進(jìn)行，則需要高壓，反應(yīng)速率又變得極其緩慢，也需要較高的反應(yīng)溫度[1]。則氨的合成總反應(yīng)式為：NH3(液)+CO2(氣)?CO(NH2)2(液)+H2O(液)因受化學(xué)平衡的限制，氨氣和二氧化碳只能部分轉(zhuǎn)化為尿素[1]。1.1.3尿素國內(nèi)常用合成方法在我國，尿素生產(chǎn)技術(shù)主要是基于水溶液總循環(huán)法，即用一定量的水吸收未轉(zhuǎn)化的CO2和氨，再循環(huán)利用。由于加水量的不同，可將水溶液的全循環(huán)法分為兩類:一類是加水量大，水碳比接近1的碳酸銨水溶液的全循環(huán)法。另一種是甲胺溶液加少量水的全循環(huán)法，基本上將甲基銨溶液返回系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代初，提取法的生產(chǎn)要素開始占據(jù)優(yōu)勢。氣體萃取法是一種氣體介質(zhì)在等壓條件下與合成塔通過反應(yīng)液分解銨的方法，并根據(jù)不同的氣體介質(zhì)，可進(jìn)行分解使用變換氣氣提法等[1][19]。（1）水溶液全循環(huán)法工藝特點及優(yōu)缺點水溶液全循環(huán)法反應(yīng)塔的常用操作壓力通常為，溫度T為，NH3/CO2分子比為4.0，二氧化碳轉(zhuǎn)化率大約64%。反應(yīng)完成時二氧化碳合成塔溶液經(jīng)低壓力有效的分解與降解，然后經(jīng)二段蒸發(fā)造粒的到最終的產(chǎn)品尿素。但中壓分解壓力一般較低，分解產(chǎn)生氣體的熱量除了在一少部分段蒸發(fā)加熱器下段回收冷凝熱外，剩余大部分熱量由于冷凝溫度低，一般情況下用冷卻水移走，水溶液全循環(huán)尿素裝置的運(yùn)行都比較穩(wěn)定，生產(chǎn)負(fù)荷的加減調(diào)節(jié)比較方便，操作彈性范圍寬；增產(chǎn)潛力比較大，均達(dá)到了其設(shè)計生產(chǎn)能力的上限；產(chǎn)品質(zhì)量保持的非常好，正常負(fù)荷生產(chǎn)時一般能控制到優(yōu)級品范圍內(nèi)[4][3][15]。水溶液全循環(huán)法沒有高壓分解回收流程，因此高壓設(shè)備較少，通常投資費用也較低，但公用工程整體消耗水平較高，并且裝置整體規(guī)模較小。從近年來發(fā)展來看，國內(nèi)大多數(shù)的中、小尿素裝置進(jìn)行了大規(guī)模的技術(shù)改革，在減少蒸汽消耗方面做了非常大得努力，取得了肉眼可見的效果，使蒸汽消耗明顯有所下降[3]。（2）CO2汽提法工藝優(yōu)缺點二氧化碳汽提Avancore尿素合成工藝在2000+TM基礎(chǔ)上進(jìn)一步取消了高壓洗滌器，使高壓圈僅剩反應(yīng)器及汽提塔，同時增加了中壓閃蒸部分，其余部分與二氧化碳汽提2000+TM尿素合成工藝相同[5]。CO2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，該工藝的特點是采用共沸物下的氨碳摩爾比為3.0作為操作控制最佳指標(biāo)進(jìn)行操作[4]。（3）氨汽提法工藝特點及優(yōu)缺點氨汽提法工藝開始使用于二十世紀(jì)90年代，最新的氨汽提工藝占地面積和框架高度均有降低[5]。產(chǎn)生的熱量大都被回收進(jìn)行循環(huán)再利用，產(chǎn)生的水蒸氣損耗較少，如：低壓分解器的排放氣用來預(yù)熱高壓NH3；中壓分解器的排放氣為真空預(yù)濃縮器提供熱量[5]。工藝特點：1.高NH3/CO2比，高轉(zhuǎn)化率，NH3/CO2比為4，H2O/CO2比為0.67，一般操作壓力為15.6MPa(G)，操作溫度T為188℃，二氧化碳單程轉(zhuǎn)化率65%，一般采用降膜式汽提塔，操作溫度大約為207℃，塔內(nèi)的多余氨自汽提，甲銨分解速率加快，因而降低了中壓系統(tǒng)負(fù)荷[3]。2.高壓圈內(nèi)高壓設(shè)備水平布置。主要是采用了甲銨噴射泵，使高壓設(shè)備水平布置，節(jié)余了框架長度[3]。3.熱利用率高，消耗能量減少：eq\o\ac(○,1)氣體塔操作溫度高，汽提效率高；eq\o\ac(○,2)充分利用甲銨生成熱，設(shè)置2臺甲銨冷凝器，分級回收熱量，副產(chǎn)蒸汽供本裝置使用[14]；eq\o\ac(○,3)用汽提塔蒸汽冷凝液的熱量作為中壓分解部分熱源[14]；eq\o\ac(○,4)用低壓分解氣預(yù)熱原料液氨；eq\o\ac(○,5)用解吸塔底部出液預(yù)熱高壓甲銨液；eq\o\ac(○,6)用中壓分解氣進(jìn)行尿液預(yù)濃縮，防腐空氣量少，中低壓系統(tǒng)排除的混合氣中氧含量低，避免生成爆炸性混合氣體[14]。1.1.4國外合成化學(xué)世界尿素工業(yè)的發(fā)展動向（1）日本東洋高壓公司用“聯(lián)脲法”合成尿素東洋高壓公司把合成氨原料氣在變換后壓縮至尿素的合成壓力,用新鮮的原料氨和尿素分解系抗回收的氨基甲酸胺溶液,來洗滌變換氣體中二氧化碳,這樣使尿素與合成氨生產(chǎn)聯(lián)合起來,組成一個封閉式的工藝流程[6]。（2）意大利蒙特卡提尼公司用“聯(lián)脲法”合成尿素蒙特卡提尼公司將變換后的合成氨原料氣壓縮至300個大氣壓,然后在一50℃下液化二氧化碳?xì)怏w,液體二氧化碳減壓后送至尿素合成塔,這樣促使尿素與合成氨的生產(chǎn)結(jié)合起來[6]。（3）意大利斯納姆公司用“汽提”氨基甲酸銨合成尿素斯納姆公司采用氨氣在高壓下汽提氨基甲酸銨,僅以一段分解后就循環(huán)至合成塔,大大筒化工藝流[6]。（4）荷蘭斯塔密卡本公司用二氧化碳“汽提”氨基甲酸銨法合成尿素斯塔密卡本公司采用了與斯納姆公司相反的以二氧化碳作為汽提劑的路線,效果很好,也大大筒化工藝流程[6]。（5）美國化學(xué)建設(shè)公司用熱循環(huán)法含成尿素化學(xué)建投公司采用絕熱的離心壓縮機(jī)壓縮未反應(yīng)的氣體,送至合成塔，壓縮時產(chǎn)生高的熱位能以及氨基甲酸銨的反應(yīng)熱和冷凝熱,都加以利用,副產(chǎn)大量蒸汽,以滿足自用[6]。1.2尿素合成新技術(shù)研究與尿素合成轉(zhuǎn)化率影響因素1.2.1尿素節(jié)能降耗新技術(shù)的研究近年來，國內(nèi)出現(xiàn)了200多套中小型尿素生產(chǎn)裝置，年產(chǎn)尿素達(dá)1850萬噸，除上世紀(jì)80年代以來大規(guī)模擴(kuò)建的尿素裝置外，大部分都是由國內(nèi)自行設(shè)計研究的，本設(shè)計主要參考13萬噸/年公共2~4版因地制宜措施，是以前最常用的水溶液全循環(huán)法尿素生產(chǎn)工藝。水溶液全循環(huán)過程是米迦債券公司在1950年代技術(shù),有一個高消耗、廢氣易燃,易爆和放電在液氨和尿素超標(biāo)嚴(yán)重,在今天的科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展,這項技術(shù)已經(jīng)逐漸被新技術(shù)取代,在國內(nèi)尿素裝置節(jié)能、增產(chǎn)和改造方面，大多是對同一廠已關(guān)?；蜻M(jìn)行了較大程度的技術(shù)改造IDR法及自行開發(fā)的節(jié)能增產(chǎn)改造技術(shù);中壓分解工藝采用預(yù)分離——預(yù)蒸餾流程[7][16]。（1）過氧化尿素合成與應(yīng)用過氧化尿素又稱過氧化脲、尿素過氧化氫，由Tanatar于1906年首次合成，并于1969年在日本實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)[8]。過氧化尿素同時具和尿素的性質(zhì)，是一種固體，不但攻克了過氧化氫作為一種液體不易儲藏和運(yùn)輸?shù)膯栴}，并且其結(jié)構(gòu)當(dāng)中尿素的氨基能中和H2O2的酸性。過氧化尿素分子式為，相對分子質(zhì)量為94，過氧化尿素沒有毒沒有味道，過氧化尿素非常易溶于水，在水中溶解度極大、穩(wěn)定性非常好，可分解生成H2O2、脲、二氧化碳和氨等，過氧化氫分解會緩慢釋放出氧氣，因此具有氧化特性。過氧化尿素也易溶于一些有機(jī)溶劑，如丁醇、丙醇、甲醚、二丁酮、甘油等，一般用做制取無水H2O2；所以在合成有機(jī)、化工、農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、醫(yī)療等方面有這很大的應(yīng)用前景，并是且無毒無污染的清潔原料[8]。（2）尿素法水合肼生產(chǎn)工藝尿素法是我國生產(chǎn)ADC的傳統(tǒng)工藝，具有一定的優(yōu)勢。對于選用尿素法生產(chǎn)水合肼的生產(chǎn)企業(yè)來說，低濃度水合肼溶液的凈化是解決ADC生產(chǎn)廢水問題的關(guān)鍵。采用丙酮萃取法對水合肼進(jìn)行提純，可以將水合肼從無機(jī)鹽溶液中分離出來，為無機(jī)鹽返回氯堿生產(chǎn)和循環(huán)利用創(chuàng)造條件，從而降低了ADC生產(chǎn)廢水處理的難度。該工藝一旦開發(fā)成功，不僅可以彌補(bǔ)尿素ADC生產(chǎn)成本高，而且完全解決了ADC的環(huán)保問題，挽救了我國尿素工藝ADC產(chǎn)業(yè)的困境，該技術(shù)目前處于中試階段[9][17]。1.2.2尿素合成轉(zhuǎn)化率影響因素（1）氨碳比的影響反應(yīng)物氨和CO2的分子比稱為氨碳比，能較好的提高CO2轉(zhuǎn)化率，依據(jù)化學(xué)平衡勒夏特列原理，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)平衡方程來增大反應(yīng)物氨的濃度，CO2轉(zhuǎn)化成尿素的轉(zhuǎn)化率明顯提高,從另一方面來說，過剩的氨與反應(yīng)生成的水反應(yīng)結(jié)合成氨水，在一定程度上達(dá)到了降低生成物水的濃度，使平衡正向移動，尿素的轉(zhuǎn)化率增大,NH3/CO2增加，轉(zhuǎn)化率也會增加，但不能過高，氨碳比增加會提高尿素合成反應(yīng)的平衡壓力，轉(zhuǎn)化率反而有所下降，并且反應(yīng)溫度不能保持在最佳狀態(tài)，因此在生產(chǎn)中NH3/CO2過高是不允許的,還有就是過剩的氨存在，雖然可以減少合成塔設(shè)備腐蝕、抑制副反應(yīng)發(fā)生等，但是也增加了回收系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)投資等后續(xù)工序的負(fù)荷,此外，CO2汽提工藝最佳NH3/CO2不是從所能達(dá)到最高轉(zhuǎn)化率設(shè)計的，因此要綜合考慮來選取合適的NH3/CO2，一般在最佳的分子比為4左右[10][11]（2）溫度的影響氨與CO2反應(yīng)過程是放熱反應(yīng)，雖然升溫對氨與CO2反應(yīng)過程的平衡不利，但此反應(yīng)平衡主要趨于右邊當(dāng)溫度在190℃以下時，甲銨脫水產(chǎn)生尿素反應(yīng)占主導(dǎo)，而甲銨脫水生成尿素的反應(yīng)是速度緩慢的吸熱反應(yīng)，故提高溫度有利與尿素的增多促使平衡正向移動，尿素轉(zhuǎn)化率增大,實驗表明，在其他條件不變時，CO2轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而增大，達(dá)最大值后，又隨溫度升高而明顯下降，尿素合成塔受設(shè)備材質(zhì)耐腐蝕也會限制反應(yīng)溫度，合成塔反應(yīng)器的反應(yīng)溫度大多數(shù)不超過190℃，所以溫度升高對尿素合成轉(zhuǎn)化率的影響非常大[10][11]。（3）高壓系統(tǒng)壓力的影響尿素合成反應(yīng)都是體積縮減的過程，增壓力更傾向與尿素生成反應(yīng)進(jìn)行,在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中既要保證高壓系統(tǒng)壓力高于池式反應(yīng)器反應(yīng)溫度及原料配比下所對應(yīng)的平衡壓力，而且還要考慮到惰性氣體對反應(yīng)的影響，因此高壓壓力通常控制在13.5~14.3MPa[10][11]。（4）原料二氧化碳中惰氣含量影響合成尿素時，從合成氨高塔過來的CO2含有氮氣、氫氣等氣體，此外高壓設(shè)備為了防腐，CO2中加了少量的空氣，該裝置空氣體積占比為0.35%~0.40%，所以系統(tǒng)中有惰性氣體，使氨和CO2氣相分壓降低，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率下降。另外，惰性氣體侵占了池式反應(yīng)器關(guān)鍵部分的空間，使物料停留時間降低，也減弱了二氧化碳轉(zhuǎn)化率，則合成氨裝置應(yīng)盡量增加CO2純度[10][11]。（5）水碳比的影響甲銨脫水反應(yīng)生成尿素和水，因此水也是一生成物，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)勒夏特列原理，水量增加促使尿素生成反應(yīng)向生成尿素的方向移動，水會稀釋或降低反應(yīng)物的濃度，同樣使反應(yīng)向生成尿素的方向移動,水碳比是指進(jìn)池式反應(yīng)器物料中水與二氧化碳摩爾比，水碳比提高，CO2轉(zhuǎn)化率也隨之下降，原料中水碳比每增加0.2，CO2轉(zhuǎn)化率降低1.7%~2%。但水對尿素的生成同樣是必不可缺少的，水的存在可以增大冷凝溫度，多回收些熱量，水的存在還能夠降低甲銨的結(jié)晶點。本裝置水碳比設(shè)計指標(biāo)為0.49[10][11]。（6）反應(yīng)的停留時間尿素的工業(yè)生產(chǎn)是連續(xù)不間斷的，反應(yīng)過程需要原料不斷地從塔的底部進(jìn)入合成塔，反應(yīng)熔融物會絡(luò)繹不絕的從塔頂排出，從而導(dǎo)致在生產(chǎn)中尿素合成達(dá)不到理想狀態(tài)下的化學(xué)平衡狀態(tài)，同樣能夠達(dá)到的化學(xué)平衡的程度與反應(yīng)物的尿素合成塔內(nèi)的停留時間是有密切聯(lián)系的，在該工藝條件下，尿素合成塔內(nèi)的原料停留時間一般保持在40分鐘以內(nèi)，則尿素合成轉(zhuǎn)化率顯著增大，但當(dāng)停留時間超過40分鐘后，如果合成塔內(nèi)的時間在往后延遲，尿素的平衡轉(zhuǎn)化率的影響在無變化，所以一般在合成塔內(nèi)的物料停留時間為40鐘以內(nèi)[11]。（7）反應(yīng)的原料氣純度入塔CO2純度的高低對尿素合成轉(zhuǎn)化率有著較為明顯的影響，隨著入塔氣體中惰性氣體成分的增加，將使地尿素合成塔的氣相中的氨分壓相對降低，從而造成液相中的氨濃度也下降，及反應(yīng)物的濃度下降，進(jìn)而使得尿素合成轉(zhuǎn)化率下降，入塔CO2氣體的純度的下降，會造成尿素轉(zhuǎn)化率下降，進(jìn)一步造成尿素合成塔的有效生產(chǎn)容積利用率下降。尿素合成轉(zhuǎn)化率降低后會使得尿素合成塔的未反應(yīng)的量增加，尾氣吸收系統(tǒng)可能發(fā)生爆炸的幾率變大，因此在實際工業(yè)生產(chǎn)中，要盡可能的提高入塔原料氣的純度[11]1.2.3尾氣吸收與解吸吸收塔排放出的廢液尾氣裝置設(shè)置是希望能在最大程度上回收排放在空氣當(dāng)中的尾氣中的NH3和CO2，從而降低合成生產(chǎn)中氨的不必要損失。二循二冷器的出氣與清洗器減壓后的后氣合并后進(jìn)入尾吸塔底部，自碳銨液儲槽的一段蒸發(fā)冷凝液室來的一段蒸發(fā)冷凝液經(jīng)尾吸泵送往尾吸冷卻器冷卻到40℃后進(jìn)入尾吸塔頂部，尾吸塔排出的液體返回碳銨液儲槽的碳銨液室[18]。碳酸氫銨液體從儲罐通過解吸泵通過解吸預(yù)熱器與廢液從解吸塔底部熱交換到解吸塔中部[18]?；旌衔飶乃斶M(jìn)入解吸冷凝器并在此部分冷凝。冷凝液回流至解吸塔頂部，氣體進(jìn)入二循環(huán)冷凝器。解吸塔采用直接蒸汽汽提，蒸汽消耗由TRC701根據(jù)塔中部溫度自動調(diào)節(jié)[18]?？刂瞥隹谒?nèi)液體NH3含量不超過0.07%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，熱量通過解吸式熱交換器回收后送至全廠廢水處理系統(tǒng)。解吸塔液位由L1C701自動調(diào)節(jié)[18]。1.2.4水溶液全循環(huán)法主要過程本次設(shè)計采用水溶液全循環(huán)法進(jìn)行設(shè)計，雖然該設(shè)計存在生產(chǎn)上的缺陷，但在水循環(huán)方面有很大的優(yōu)點，物料的利用率達(dá)到了非常高的值，如圖是水溶全循環(huán)工藝的主要工藝流程圖。圖1-1水溶液全循環(huán)法合成尿素示意流程圖2物料衡算2.1設(shè)計條件的確定1.計算基準(zhǔn)：以噸尿素為基準(zhǔn)2.成品規(guī)格:含氮量47%(折合尿素98.7%)(其中未含縮二脲含氮量)縮二脲1.0%水0.51%[20]。3.每10噸原料消耗定額為：NH3：6000kgC02:7850kg4.每噸尿素成品損耗氨的量：總損耗量：5.每10噸尿素成品損耗二氧化碳的量：總損耗量：6.每噸尿素的消耗及其分配[20]：以造粒粉塵的狀態(tài)損失：一段甲銨泵泄露：包裝儲運(yùn)過程中的損失:解析廢液過程中的損失：共計：59.01kg7.水解反應(yīng)過程中消耗的尿素量與分配[20]：一段蒸發(fā)系統(tǒng)：二段蒸發(fā)系統(tǒng)：共計：94.9kg8.循環(huán)尿素量：一段蒸發(fā)氣體夾帶尿素：二段蒸發(fā)氣體夾帶尿素：循環(huán)尿素量：9.縮二脲生成量及其分配：二段分解系統(tǒng)反應(yīng)生成一段蒸發(fā)系統(tǒng)反應(yīng)生成一段蒸發(fā)系統(tǒng)反應(yīng)生成：熔融尿素輸送過程中生成：共計：100.0kg2.2二氧化碳壓縮系統(tǒng)1.條件組成：C02：N2：O2：氣體含硫量可以忽略不計參數(shù)：2.計算(1)進(jìn)入CO2壓縮系統(tǒng)的干CO2氣體量CO2：7850kg或N2：178.4091×3.8=713.64kmol或178.41kgO2：干C2O氣體量：178.4091+89.2046+6.78=274.4kmol(2)C2O氣體帶入水量H2O:(3)C2O氣體在壓縮系統(tǒng)主要反應(yīng)的損失量C02：480.69kg或10.92kmolN2：10.92×3.8/95.7=0.431kmol或12.15kg02：10.92×0.5/95.7=0.057kmol或1.826kg(4)壓縮后的CO2氣體量(干基)C02：7850-480.69=7369.31kg或N2：或5.937kmolO2：或8.863kmol計：或(5)經(jīng)過壓縮后CO2氣體中含水量[20]：時，H2O壓力故氣相中含水量：(6)CO2壓縮機(jī)各段排出水量[20]H2O：或2.3尿素合成塔1.條件(1)尿素合成塔原始物料組成：(摩爾比)=4.1(摩爾比)(2)操作條件：壓力p=19.712Mpa溫度t=188℃(3)C02轉(zhuǎn)換率：64%(4)由一段吸收系統(tǒng)返回尿素合成塔的氨基甲酸銨溶液中的(摩爾比)=，含循環(huán)尿素[20]。2.計算(1)生成尿素的計算:每10噸成品尿素含尿素?fù)p失尿素：59.01kg水解尿素[20]：94.9kg生成縮二脲消耗尿素：尿素合成塔反應(yīng)生成的尿素量：尿素：或消耗氨：或334.46kmol消耗二氧化碳：或生成水：或167.23kmol(2)入塔原料二氧化碳?xì)怏w由二氧化碳壓縮系統(tǒng)物料平衡可知：C02：或N2：或02：或H2O：或(3)入塔一段甲銨溶液C02：或H2O：或NH3：4127.82×3.121×17/44=4977.49kg或292.79kmol尿素：45.98kg或0.766kmol(4)入塔液氨NH3：原料氨消耗定額液氨泵泄露氨：故入塔原料液氨：或循環(huán)液氨：13235.01-5707.06=7527.95g或442.82kmol(5)出塔氣液混合物尿素：10033.86+45.98=10079.84或167.99kmolC02：或94.082kmolH2O：或350.29kmolNH3：或151.278kmolNH3：283.62kg或16.683kmolN2：166.236kg或5.937kmol2.4一段分解系統(tǒng)1.條件(1)一段分解條件[20]：壓力：；溫度：，。(2)一段分解效率：甲銨分解率：總氨蒸出率(3)一段分解氣含水量(4)加入防腐空氣(標(biāo))2.計算(1)加入防腐空氣空氣的摩爾標(biāo)準(zhǔn)體積按計，含氧量取，其余按氨計，空氣含水量忽略不計[20]。O2：2×0.2081/22.4=0.0186kmol或0.595kgN2：(2)一段分解氣：C02：或82.47kmolNH2：或653.38kmol02：或8.88kmolN2：166.236+1.98=168.22kg或6.01kmolH2O:或23.60kmol(3)一段分解系統(tǒng)出口尿液尿素：或C02：4139.59-3628.76=510.83kg或11.61kmolNH3：或H2O：或2.5二段分解系統(tǒng)1.條件(1)二段分解條件：壓力；溫度(2)二段分解排出物料組成：溶液含氨0.7%(重量%)溶液含二氧化碳0.46%(重量%)氣相含水26%(體積%)[20]。(3)二段分解系統(tǒng)生成縮二脲60.1kg2.計算(1)生成縮二脲計算：消耗尿素：6×2×60/103=69.9kg或1.165kmol放出氨：或生成縮二脲：或(2)二段分解排出氣體：設(shè)氣相中含C02—Xkg,NH3—Ykg,H2O--Zkg據(jù)氣液相組成列出算式：(式2.1)（式2.2）（式2.3）聯(lián)立得：或或或(3)二段分解排出尿液尿素：或C02：或1.52kmolNH3：或5.24kmolH2O：或293.63kmol縮二脲：60kg或2.6閃蒸槽1.條件(1)閃蒸槽操作條件：壓力;溫度：~100℃(2)累計分解效率：甲銨分解率：99.1%過量氨蒸出率;99.85%[20]。(3)閃蒸槽出口溶液組成：尿素：水=71：29(重量比)[20]。2.計算尿素合成塔排出溶液總氨量[20]，C02含量，總過剩氨量：。(1)閃蒸槽排出尿液：尿素：或C02：4139.59×(1-0.991)=37.25kg或0.847kmolNH3或2.52kmolH2O：10063.6×29/71=4110.48kg或228.36kmol縮二脲：或(2)閃蒸槽排出氣體C02：66.67-37.25=29.42kg或0.67kmolNH3：88.9-42.78=46.12kg或2.72kmolH2O：5321.37-4110.48=1210.89kg或67.27kmol2.7一段蒸發(fā)器1.條件：(1)一段蒸發(fā)器操作條件：壓力0.033Mpa，溫度130℃(2)一段蒸發(fā)器出口尿液組成：尿素：水=96：4(重量比)(3)一段蒸發(fā)氣夾帶尿素64.8kg，蒸發(fā)過程生成縮二脲10.0kg，水解尿素56.61kg[20]。2.計算(1)水解尿素計算：消耗尿素：或消耗水：56.61×18/60=16.98kg或0.94kmol生成C02：56.61×44/60=41.51kg或0.94kmol生成NH3：或1.887kmol(2)生成縮二脲計算：生成縮二脲：10kg或生成NH3：或0.097kmol消耗尿素：10×2×60/103=11.65kg或(3)一段蒸發(fā)器出口尿液：尿素：或水：9986.55×4/96=416.11kg或23.12kmol縮二脲：或(4)一段蒸發(fā)器出口氣體尿素：64.8kg或1.08kmolC02：或1.79kmolNH3：或H2O：或2.8二段蒸發(fā)器1.條件(1)二段蒸發(fā)器操作條件：壓力，溫度：(2)二段蒸發(fā)汽夾帶尿素，蒸發(fā)過程水解尿素，生成縮二脲[20]。2.計算(1)水解尿素計算：消耗尿素：或。消耗水：38.3×18/60=11.49kg或生成C02：或0.64kmol生成NH3：(2)生成縮二脲計算：生成縮二脲：或生成NH3：或0.194kmol4消耗尿素：20×2×60/103=23.31kg或0.39kmol(3)二段蒸發(fā)器出口熔融尿素造粒：熔融尿素含水50kg或2.78kmol尿素：kg或164.99kmol縮二脲：70+20=90kg或0.87kmol(4)二段蒸發(fā)器出口氣體尿素：25.0kg或C02：kg或NH3：21.71+3.31=25.02kg或1.47kmolH2O：或19.71kmol2.9熔融尿素輸送及造粒包裝系統(tǒng)1.條件(1)生成縮二脲(2)造粒粉塵損失尿素(3)成品包裝運(yùn)輸過程損失尿素[20](4)隨管道尿素流失走的水，縮二脲可以忽略不計[20]。2.計算：(1)生成縮二脲的計算：消耗尿素：10×2×60/103=11.65kg或生成縮二脲：或0.097kmol放出氨：或(2)成品尿素：尿素：9899.94-10-38.3-11.65=9839.99kg或水：或縮二脲：或(3)系統(tǒng)排放物料：氨：或尿素：或2.10一段蒸發(fā)冷凝器1.條件(1)一段蒸發(fā)冷凝器操作條件：壓力P=29.354kpa溫度t=45℃(2)尾氣帶走物料：NH3：0.911kg；C02：0.073kg(3)冷凝過程中各組分的平衡壓力為氣相實際分壓的90.1%[20]。2.計算(1)未凝氣計算時水的飽和蒸汽壓為，冷凝液中，尿素含量不高，故符合稀溶液的依數(shù)性[20]。冷凝液中水的摩爾數(shù)約為96%，則水蒸氣實際分壓[20]：根據(jù)已給定的值，與溶液呈平衡的NH3分壓為，C02分壓為0.257kpa[20]。故PC02=0.257/0.9=0.288kpa漏入系統(tǒng)空氣的分壓為：P空氣未凝氣中水蒸氣：H2O：(2)一段蒸汽冷凝液C02：78.76+29.42-0.73=107.45kg或2.44kmolNH3：76.51+46.12-9.91=112.72kg或6.63kmol尿素：或2.11二段蒸汽冷凝器1.條件(1)二段蒸汽冷凝器操作條件：二段蒸汽冷凝器以液氨為冷卻介質(zhì)[20]。壓力考慮到氣體流動的壓降。溫度(2)冷凝液NH3/C02=2.5(摩爾比，測定值)(3)因泄露進(jìn)出系統(tǒng)的空氣量不做計算[20]。(4)溶液中氨的體積摩爾濃度為1.6mol/L[20]。15℃時，水的飽和蒸汽壓為1.75Mpa，溶液水的摩爾濃度約為95%[20]。(5)設(shè)各組分與溶液呈平衡的分壓為實際氣相分壓的[20]。2.計算(1)尚沒有冷凝的計算，由上述條件可求得各組分平衡分壓為：NH3：0.90KpaC02：0.061KpaH2O：1.75×0.95=1.663Kpa各組分氣相實際分壓為：PNH3=0.90/0.91=0.988KpaPH2O=1.6633/0.91=1.83KpaPC02=0.06/0.91=0.067KpaP空氣=2.933-0.988-0.067-1.83=0.048Kpa設(shè)氣相中有，（式2.4）（式2.5）聯(lián)立解得：X(C02)=或 Y(NH3)=或H2O：(0.005+0.0082)=1.61kg或0.089kmol(2)二段蒸汽冷凝液尿素：或C02：或0.633kmolNH3：或1.39kmolH2O：354.62-1.61=353.01kg或19.61kmol2.12中間冷凝器1.條件：(1)中間冷凝器進(jìn)行操作的條件[20]：壓力，溫度(2)反應(yīng)進(jìn)入中間冷凝器的噴射蒸汽：二段蒸發(fā)噴射器的噴射蒸汽用量[20](3)根據(jù)計算測定得數(shù)據(jù)，冷凝液中(摩爾比)(4)由于反應(yīng)冷凝液成平衡的平衡分壓非常低，因此設(shè)全部冷凝[20]。(5)因泄露進(jìn)出系統(tǒng)的空氣量不做計算[20]。2.計算(1)未凝氣計算當(dāng)設(shè)氣相中二氧化碳全冷凝時，溶液中氨的體積摩爾濃，據(jù)測定值氨的平衡分壓為，時，水飽和蒸汽壓，設(shè)各組平衡分壓為實際分壓的。氣相各組分分壓為：PNH3=3.45/0.91=3.826KpaPH2O=7.45/0.91=8.187KpaP空氣=16-3.791-8.187=3.98Kpa未凝氣中NH3：1.39-0.022×3×17/44=1.135kg或0.067kmolH2O：0.067××18=2.61kg或0.145kmol(2)中間冷凝液C02：或NH3：或H2O：1.61+222.34-2.61=221.34kg或12.297kmol2.13系統(tǒng)水平衡及其分配1.系統(tǒng)水平衡(1)解吸塔排走水量計算：進(jìn)入系統(tǒng)水量：原料二氧化碳帶入或。噴射蒸汽或。尿素合成塔生成或。計或系統(tǒng)排出水量：甲銨泵泄露或。一段蒸發(fā)水解尿素消耗或。二段蒸發(fā)水解尿素消耗或。成品尿素含水或。一段蒸發(fā)冷凝器尾氣帶走或。中間冷凝器尾氣帶走或。尾氣吸收塔尾氣帶走或。解吸塔排走或。計或故解吸塔排出水：或(2)返回循環(huán)系統(tǒng)水量計算：一段吸收塔排出水量，忽略氣相夾帶水量返回尿素合成塔水量：或甲銨泵泄露或計或返回吸收系統(tǒng)水量：一段分解氣含水：或二段分解氣含水：或Xkg或計或故由蒸發(fā)冷凝液補(bǔ)回水：X=3313.59-1564.44=1749.15kg或97.18kmol2.蒸發(fā)冷凝液的分配二段蒸發(fā)冷凝液組成C02：或NH3：或H2O：或尿素：或合計或一段蒸發(fā)冷凝液與中間冷凝液混合后，部分去尾氣吸收塔，部分返回吸收系統(tǒng)，其組成為[20]：C02：或2.45kmolNH3：或H2O：4331.18+221.34=45552.52kg或尿素：或合計：或二段蒸發(fā)冷凝液全部返回吸收系統(tǒng)，故由解吸氣及一段蒸發(fā)冷凝液，中間冷凝液返回系統(tǒng)的水量為[20]：或(1)解吸氣計算進(jìn)入尾氣吸收塔的氣氨量：218.52kg尾氣吸收塔排走：C02：3.06kgNH3：16.68kgH2O：12.35kg設(shè)加入尾吸塔的水量為：Xkg則加入尾吸塔的蒸發(fā)冷凝組成為：C02：107.67X/14553.59kgNH3：12.378X/14553.59kgH2O：Xkg尿素：故進(jìn)入解吸塔的碳銨液為：C02：107.67X/14553.59-3.06kgNH3：H2O：X-12.35kgUr：47.79X/14553.59kg解吸塔排出溶液中含C02：3.51kgNH3：2.73kgH2O：3149.44kg解吸氣組成為：C02：NH3：H2O：X-12.35-3149.44=X-3162.8kg解吸氣溫度115℃，壓力0.35Mpa,由圖查得,解吸氣含水量42%(重量%)故有（式2.6）解得：X=345.7kg解吸氣組成：C02：或NH3：或H2O：或合計：或(2)進(jìn)入尾氣吸收塔的蒸發(fā)冷凝液：C02：或NH3：或H2O：或尿素：或合計：或(3)返回吸收系統(tǒng)的蒸發(fā)冷凝液：C02：107.67-81.77=25.83kg或0.59kmolNH3：112.98-85.81=21.17kg或1.6kmolH2O：或尿素：或0.192kmol合計：或此溶液與二段蒸發(fā)冷凝液混合后加入低壓吸收系統(tǒng)，其組成為[20]：C02：或NH3：或H2O：1095.4+354.62=1450.02kg或80.56kmol尿素：11.5+34.22=45.72kg或0.762kmol合計：或(4)加入二循一冷凝器的蒸發(fā)冷凝液二循環(huán)冷凝器操作溫度40℃，壓力0.2944Mpa查得，此條件下(重量比)(重量比)二段分解氣中產(chǎn)生C02大多數(shù)進(jìn)入二段甲銨液進(jìn)行反應(yīng)，設(shè)由蒸發(fā)冷凝液中帶入二循一冷凝器的C02量為，則隨C02進(jìn)入二循環(huán)冷凝器的水為[20]二段分解氣有C02：44.416kgH2O：55.91kg解吸氣有計故有（式2.7）解得X=8.02kg故加入二循一冷凝器的蒸發(fā)冷凝液為：C02：或NH3：或H2O：或尿素：或合計：或(5)加入二循二冷凝器的蒸發(fā)冷凝液C02：或NH3：或H2O：或尿素：或合計：或2.14二循一冷器1.條件據(jù)前節(jié)計算，二循一冷凝器操作條件為：壓力0.294Mpa，溫度40℃。二段甲銨反應(yīng)的主要溶液成分:(重量比)(重量比)二段分解及解吸氣中的，水蒸氣全部進(jìn)入液相。2.計算(1)二段甲銨液C02：或11.68kmolNH3：1.95×513.95=1002.2kg或58.95kmolH2O：或尿素：或(2)二循一冷凝器排出氣體或2.15二循二冷凝器1.條件(1)二循二冷凝器操作條件：壓力0.245Mpa，溫度40℃(2)進(jìn)入二循二冷凝器的氣氨全部冷凝。2.計算排出二循二冷凝器氨水組成：C02：或NH3：或H2O：kg或尿素：或2.16氨冷凝器1.條件(1)氨冷凝器執(zhí)行冷凝過程的操作條件[20]：壓力，溫度(2)進(jìn)入氨冷凝器的C02，H2O忽略不計。2.計算由尿素合成物料衡算知，循環(huán)液氨，即為氨冷凝器冷凝氨量時，氨的飽和蒸汽壓[20]。進(jìn)入冷凝器的惰性氣體量：02：或N2：或計或故氨冷凝器排出氣體中氨量為：kmol進(jìn)入氨冷凝器氣體中氨量為：或2.17惰性氣滌塔1.條件(1)惰性氣滌器操作條件：壓力，溫度[20]。(2)惰性氣滌器排出氣體組成：含氧量，，含量忽略不計[20]。2.計算(1)惰性氣滌器排出氣O2：或N2：或或(2)惰性氣滌器排出濃氨水C02：或NH3：68.396+659.8-217.63=1126.13kg或66.24kmolH2O：或尿素：或2.18尾氣吸收塔1.條件尾氣吸收塔操作條件：壓力101.325Mpa或40℃。2.計算收入蒸發(fā)冷凝液中水的摩爾分?jǐn)?shù)：18.9906/19.8021=96.05%40℃數(shù)時水的飽和蒸汽壓：8.222Mpa尾氣中水的分壓：8.222×0.9605=7.897Mpa(1)尾氣吸收塔尾氣CO2：或NH3：或H2O：或O2：或N2：或(2)尾氣吸收塔排出碳銨液C02：或NH3：85.51+218.52-16.68=287.65kg或16.92kmolH2O：或尿素或2.19解吸系統(tǒng)1.條件(4)解吸反應(yīng)途中加熱水蒸氣的用料是由計算系統(tǒng)熱平衡得到的，其數(shù)量為。2.計算(1)解吸廢液C02：(3827.2+36.29)×0.09/(100-0.07-0.09)=3.48kg或0.08kmolNH3：(3851.24+36.29)×0.07/(100-0.07-0.09)=2.73kg或0.161kmolH2O：或尿素：或(2)解吸氣C02：75.71-3.48=72.23kg或1.64kmolNH3：287.65-2.73=284.92kg或16.76kmolH2O：或2.20一段吸收系統(tǒng)1.收入物料(1)一段分解氣體C02：或NH3：或H2O：或O2：或N2：或(2)二段甲銨溶液C02：或NH3：或H2O：或尿素：或合計或(3)濃氨水C02：或NH3：或H2O：或尿素：或合計或2.排出物料NH3：或O2：或N2：或計或C02：或NH3：或H2O：或尿素：或合計或(3)一段甲銨泵泄露C02：10.0kg或0.227kmolNH3：或H2O：或尿素：或合計24.59kg或1.056kmol

3熱量平衡計算3.1尿素合成塔1.計算依據(jù)原料氣體一般進(jìn)塔壓力(絕)，一段甲銨溶液通過管道進(jìn)入合成塔的壓力(絕)，尿素合成塔放出參與反應(yīng)的物質(zhì)壓力(絕)，2.合成塔放出氣體時吸熱設(shè)氣相氨全部來自入塔液氨氨的焓值:設(shè)入塔液NH3溫度為查得C02的焓值：，時，2.04Mpa,188℃時，i=883.6kJ/kg由氧的i-s圖查得氧的焓值：，時，0.436Mpa,188℃時，由氮的i-s圖查得氮的焓值：，時，3.306Mpa,188℃時，i=491.1kJ/kgH1=486.31×(1854.1-ix)+179×(491.1-407.9)=948818.27-486.31ixkJ3.進(jìn)入液相的吸熱進(jìn)入液相，生成的量：4.液氨降溫降壓氣化吸熱H3當(dāng)液氨量：7171.69×34/44=5541.76kg由氨的圖查得的焓值：0.101Mpa，25℃，i=176.34kJ/kgH3=5541.76×(176.34-ix)=977233.96-5541.76ixkJ5.NH3、C02生成甲銨放熱H4在0.10Mpa，25℃時，氣態(tài)與生成固態(tài)甲銨的生成熱為：-158672kJ/kmol6.固體甲銨升溫至熔點吸熱H5固體甲銨從間的積分平均摩爾比熱容為7.固體甲銨熔融吸熱H6固體甲銨熔融熱取H6=7171.69×20312/44=3.31×107kJ8.循環(huán)甲銨與尿素升溫吸熱H7查圖取平均摩爾比熱容：查圖取尿素?zé)崛軨p=1.992kJ/(kmol.℃)9.甲銨脫水生成尿素吸熱H8按表，查的甲銨脫水反應(yīng)生成尿素的反應(yīng)熱為H8=(10131.35-45.98)×21850.9/60=3.67kJ×10610.循環(huán)氨水降溫放熱H9查圖，35.43%氨水比熱容Cp=4.561kJ/kgH9=5121.49×4.561×(25-95)=-1.63×106kJ11.循環(huán)氨降溫放熱H10由的圖查得的焓值：，時存留于液相的循環(huán)氨量：H10=7073.59×(529.276-ix)=3.26×106-7073.59ixkJ12.原料C02氣體中水蒸氣液化放熱H11由水蒸氣的i-s圖查得0.018Mpa，125℃時，i=2526.21kJ/kg19.712Mpa,25℃時，i=104.6kJ/kgH11=3.06×(104.6-2526.21)=-7410.13kJ13.反應(yīng)生成水降溫放熱H1219.712Mpa，152℃時，i=641.63kJ/kg19.712Mpa,25℃時，i=105.5kJ/kg反應(yīng)生成水量：(10079.84-45.98)×18/60=3010.16kgH12=3010.16×(105.5-641.63)=-1.61×106kJ14.液氨溶解于水的混合熱H13一段甲銨液中氨水含氨：(濃度)出塔氨水含氨：濃度氨水積分溶解熱為：15.出塔氨水升溫吸熱H14查得在平均溫度下，Cp=5.112kJ/(kg℃)16.出塔甲銨升溫吸熱H15查圖得，取甲銨平均摩爾比熱容17.出塔尿素升溫吸熱H16H16=10079.84×1.992×(188-152)=7.23k×105J18.尿素合成塔熱損失H17H17=142561kJ尿素合成塔熱平衡H=H1+H2+H3+H4+H5+H6+H7+H8+H9+H10+H11+H12+H13+H14+H15+H16+H17=0（式3.8）故得查氨的i-p圖，該預(yù)熱器出口液溫度為H1=701196kJH2=619889kJH3=-1844547kJ3.2解吸塔1.條件入塔碳銨液溫度：查圖，省去，溶液和尿素混合在一起尿素會對溶液產(chǎn)生非常大的危害，在操作條件下，沸點為，則合成塔的工作溫度為2.計算以25℃為基準(zhǔn)：(1)碳銨液帶入熱量H1H1=-3827.2×4.289×(120-25)=-1559411kJ(2)加熱蒸汽帶入熱量H2H2=-G(27848.7-104.6)=-27744.1GkJ(3)氨水分解熱H3(4)C02解吸熱H4H4=74.58×452.157=33843.95kJ(5)解吸氣帶入熱H5據(jù)二循一冷凝器熱量平衡計算：H5=751623kJ(6)解吸氣廢液帶出熱H6H6=(319.159+G)(601.659-104.6)=158641+497.059GkJ(7)熱損失H7=36224kJ(8)蒸汽用量G的計算熱平衡計算方程：H1+H2+H3+H4+H5+H6+H7=0（式3.9）2724.7G=105426.8解得G=38.69kg據(jù)此求得：H2=-1.07×106kJH6=1.78×106kJ3.3氨冷凝器1.計算(1)未凝氣放出熱量H1查圖1.746Mpa，50℃，i=1734.15kJ/kg1.47Mpa，38℃，i=1715.12kJ/kg由O的圖查得：，時，i=293kJ/kg0.037Mpa,38℃時，i=284.8kJ/kg由氮的i-s圖查得：0.016Mpa，50℃時，i=335.6kJ/kg0.258Mpa,38℃時，i=323.6H1(3)氣氨的冷凝熱H2查圖1.765Mpa，38℃，i=597.624kJ/kg(4)冷凝水移走熱量H3H3=-(H1+H2)=3911.5+1.42×107=1.43×107kJ3.4二氧化碳壓縮系統(tǒng)1.計算(2)一段壓縮氣體放熱H1冷凝水量：(3)二段壓縮氣體放熱H2(4)三段壓縮氣體放熱H3H3=8057.31(7688.1-6171.4)=1.22kJ×107(5)四段壓縮氣體放熱H4H4=8057.31(7688.1-6171.4)=1.22kJ×107(6)壓縮系統(tǒng)冷卻水移走熱H5

4設(shè)備工藝計算4.1尿素合成塔計算選用襯里式合成塔:有效容積:—尿素合成塔的有效容積—尿素的生產(chǎn)能力轉(zhuǎn)化率:64%由尿素的通用設(shè)計可查得尿素合成塔的生產(chǎn)強(qiáng)度為10.5t/(℃)生產(chǎn)能力:（式4-1）實際選取450設(shè)計裕度為35%實際生產(chǎn)強(qiáng)度:由于進(jìn)塔氣體比出塔氣體大的多,故按塔底進(jìn)料氣體計算氣相流量.進(jìn)塔氣體:CO2:7369.31kg167.48kmolN2:186.21kg6.65kmolO2:27.9kg0.872kmol.計:7358.42kg175kmol進(jìn)塔氣體密度:（式4-2）氣相流量:（式4-3）3300—日產(chǎn)量/t空塔氣速:塔徑：圓整:D=6m塔高:4.2解吸塔的計算解吸過程的主要物料是水和氨，碳氨液中尿素與二氧化碳摩爾濃度極小，為簡化計算，不考慮液相中少量二氧化碳對蒸餾過程的影響，以氨為輕組分，水為重組分，塔板數(shù)求取氨-水二元系計算[20]。4.3塔板數(shù)的計算(1)一般情況下理論塔板數(shù)的計算，考慮-時其溶液組成為：組分、入口氨水、出口氨水(重量)(摩爾)(重量)(摩爾)(重量)(摩爾)（重量）摩爾)氨水溶液及平衡蒸汽的組成，沸點，分壓及相對揮發(fā)度如下：——相對揮發(fā)度（式4.4）平均相對揮發(fā)度，平衡關(guān)系式為：或（式4.5）或（式4.6）全塔物料衡算關(guān)系式為：（式4.7）（式4.8）式中，——氣體流量，——氣體流量,——殘液量，——第塊板溶液氨的摩爾分?jǐn)?shù)——殘液中氨的摩爾分?jǐn)?shù)——第塊板平衡中的摩爾分?jǐn)?shù)m,m+1——自上而下數(shù)的塔板序號對下圖虛線部分作物料衡算：其中——加熱蒸汽量，——殘液量，——過程中含量，為0。（式4-7）（式4-8）聯(lián)立兩式，得操作線方程。（式4-9）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進(jìn)料中，，即第一塊板(進(jìn)料板)逐板計算結(jié)果如下：操作線方程平衡線方程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%故解吸塔理論板數(shù)為8塊。(2)實際塔板數(shù)計算，蒸餾塔全塔效率按下式計算式中;ET—全塔效率a—相對揮發(fā)度u1—液相平均粘度10-3pa.s由圖查得，溶液平均粘度：解吸塔底部鼓泡段相當(dāng)于一塊塔板，故解吸塔理論塔板數(shù)取7塊。實際塔板數(shù)：塊實際取塊。4.4塔徑及附屬設(shè)備計算1.物料物性數(shù)據(jù)：(1)氣體密度：塔頂：塔底：近似取水蒸氣重度平均值：(2)液相密度塔頂：近似取塔底：近似取平均值：3(3)氣相流量，近似為：式中：3300-尿素日產(chǎn)量，t/d129-平均溫度，℃(4)液相流量：(5)表面力塔頂20℃時，620~65.74×10-3n/m其他溫度時，§=[(Tcm-t-273)/(Tcm-20-273)]1.2假臨界溫度Tcm=X1×Tc1+X2×Tc2+X3×Tc3+X4×Tc4+X5×Tc5+X6×Tc6+….+Xi×Tci（式4-10）C(NH3)=405.6K,C(H2O)=647K，Tcm=0.0836×405.6+0.9164×647=626.8k塔頂~65.74×[(626.8-120-273)/(626.8-20-273)]1.2=42.88×10-3n/m塔底，取水的數(shù)據(jù)§底=50.08×10-3n/m平均值：2.塔徑計算取泡罩中心距：查圖，Aa/Ac=2.05解吸塔工作負(fù)荷與許多因素有關(guān)，設(shè)計上應(yīng)考慮有較大的操作彈性以適應(yīng)不同情況造成的解吸負(fù)荷的變化[20]。泡罩齒縫開度hs取,即由式泡罩量m為M=個取個鼓泡面積：取鼓泡面積占塔截面積的60%塔徑D=0.77m實際取D=0.8m空塔速度w=0.122×4/3.14×0.92=0.24m/s此設(shè)備鼓泡面積為塔板面積的，依據(jù)設(shè)計的要求，該比例是比較適合的的[20]。3.附屬設(shè)備計算(1)泡罩選型據(jù)表，泡罩主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：直徑：齒縫開度：齒縫寬度：底面積：齒縫的總面積：升氣管×壁厚面積(2)溢流形式由設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點與設(shè)計的需要，采取的溢流形式為單溢流。(3)堰長及堰寬查表，一般取堰長堰寬堰長為塔徑的倍最大的堰長溢流量遠(yuǎn)小于規(guī)定值。(4)塔盤布置核算：查表:Af/AT=0.0944溢流堰面積：Af=0.09443.14×0.8×0.8/4=0.047m2鼓泡面積Aa=0.2890m2塔截面積：AT=0.6022使受液盤和溢流面積一致則：比例：因此該塔盤比例與設(shè)計符合要求基本符合。泡罩按三列排布，整齊的排布在中間線上，靠近中心兩側(cè)[20]。故溢流堰前安定區(qū)：ws=250-80-110-80/2=20mm由塔的塔徑要求，ws取相對較小的值。泡罩外緣至塔壁最小距離為：Wc=250-110-110/2-80/2=45mm對于的小直徑塔，塔盤穩(wěn)定不晃動且占地面積小(5)齒縫開度由式，正常氣量時齒縫開度為：Hs=0.0184m不會產(chǎn)生波動的現(xiàn)象。(6)堰高靜液封hss取，按公式堰高：由圖查的：故(7)堰上液流高度由式確定堰上液流高度hcwL/(Lw)0.25=3600×0.0016/(0.356)×2.5=76.18Lw/D=360/900=0.4查圖，收縮系數(shù)E=1.055(8)液面梯度L/D=3600×0.0016/0.8=7.2m3/(m.h)F/=1.05×1.22(2.078)1/2/0.82=0.288Hw=50mm時，查圖△0/r=0.78,△/△0=0.5泡罩排數(shù)r=35△=0.78×5×0.8=3.12mm(9)動液封，h/s按合成塔在以下進(jìn)行操作，因此靜液封選堰高選60mm，可滿足要求(10)板間距HT動液封，齒縫開度，塔板間距降液管物料停留時間按式：T=0.463×0.5/0.0016=14.56﹥3~5s故板間距可選取0.5m.為防止氣體走其它不必要的管路，通常情況下取液封高度[20]。兩板間隙：間隙流速：(11)淚孔查相關(guān)手冊知每塔板淚孔面積大概為，一般淚孔直徑為淚孔面積3.14/5×0.82=0.5cm2/個淚孔數(shù)：個故淚孔數(shù)取5個整個合成塔聚集的廢液放空時間用以下公式帶入的，塔板數(shù)取塊[20]T/=1.5×25/0.8=20.7h(12)塔高人孔取1個等于0.8m，4.5流體力學(xué)計算(1)壓降泡罩局部阻力hc升氣管凈面積：查表，阻力系數(shù)Kc=0.2按式Hc=m液柱穿越液層的阻力h液流面積：Wb=1.22/1.01=1.74m/s，F(xiàn)b=Wb=1.176×=1.7查圖，充氣系數(shù)=0.58將動液封代入式H1=0.58×0.005=0.0029m液柱，經(jīng)