67kta尿素合成和分离工段工艺设计

67kt/a尿素合成和分离工段工艺设计

学 生： 学 号： 专 业： 班 级： 指导教师：

四川理工学院材料与化学工程系

二O一O年六月

四川理工学院毕业设计(论文) 中文摘要

67kt/a尿素合成和分离工段工艺设计

摘 要

本设计采用水溶液全循环法对尿素的合成和分离工段进行了初步设计，在设计中对尿素的生产方法作了调研和综述。对合成和分离工段进行了物料衡算和热量衡算，对二段分解塔进行了比较详细的设备选型，最后了绘制了精馏塔的装配图和带控制点的工艺流程图。

关键词：尿素、合成分离、全循环法、精馏

I

四川理工学院毕业设计(论文) 英文摘要

The Process Design of 67kt/a Urea Synthesis

and Separation Section

Abstract

The synthesis and seperation sections in urea plant of total solution recycling method were designed. Material balance and energy balance in the sections of synthesis and separation were calculated. Equipment selection for the second decomposition tower is considered. The flowsheet with controlling point and the assembly drawing of the second decomposition tower are presented.

key words: urea, synthesis, separation, the whole cycle, distillation.

II

四川理工学院毕业设计(论文) 目录

目 录

中文摘要 ........................................................................................................ I 英文摘要 ....................................................................................................... II 1 总 论 ...................................................................................................... 1

1.1 概述 .............................................................................................................................................. 1 1.2尿素的性质 ................................................................................................................................... 1 1.3 尿素工业的发展趋势 .................................................................................................................. 2 1.4 尿素的用途 .................................................................................................................................. 2 1.5 几种尿素生产工艺简介 .............................................................................................................. 3

1.5.1 Snamprogetti公司的氨自身气提工艺 ............................................................................. 3 1.5.2 TEC-MTC公司的ACES工艺 ......................................................................................... 3 1.5.3 Stamicarbon公司的CO2气提工艺 ................................................................................. 4 1.6 CO2气提工艺和NH3气提工艺的比较 ..................................................................................... 4

1.6.1工艺方面 ............................................................................................................................ 4 1.6.2 装置运行情况 ................................................................................................................... 5 1.6.3设备腐蚀 ............................................................................................................................ 5 1.6.4投资效益 ............................................................................................................................ 5 1.7 选择取工艺及理由 ...................................................................................................................... 5 1.8 尿素工艺流程简述 ...................................................................................................................... 5

2 物料衡算 .................................................................................................. 7

2.1 计算基准 ...................................................................................................................................... 7 2.2 合成塔物料衡算 .......................................................................................................................... 7

2.2.1 衡算条件 ........................................................................................................................... 7 2.2.2 CO2气组成 ........................................................................................................................ 7 2.2.3 甲铵液组分物料量 ........................................................................................................... 8 2.2.4 原料液NH3量 .................................................................................................................. 8 2.2.5 循环液NH3 ....................................................................................................................... 8 2.2.6 尿素生成量 ....................................................................................................................... 9 2.2.7 甲氨生成量 ....................................................................................................................... 9 2.2.8 过量NH3 ........................................................................................................................... 9 2.2.9 生成H2O量 ...................................................................................................................... 9 2.2.10 合成系统物料衡算表 ..................................................................................................... 9 2.3 预分离器的物料衡算 ................................................................................................................ 10

2.3.1 衡算条件 ......................................................................................................................... 10 2.3.2 预分离器的出口气体组成 ............................................................................................. 10 2.3.3 预分离器出口溶液组成 ................................................................................................. 10

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四川理工学院毕业设计(论文) 目录

2.3.4 预分离器物料衡算表 ..................................................................................................... 11 2.4 一段分解塔物料衡算 ................................................................................................................ 11

2.4.1 出口气体组成 ................................................................................................................. 11 2.4.2 一段分解塔出口溶液组成 ............................................................................................. 12 2.4.3一段分解塔物料平衡表 .................................................................................................. 12 2.5 二段分解塔物料衡算 ................................................................................................................ 12

2.5.1 衡算条件 ......................................................................................................................... 12 2.5.2 缩二脲的计算 ................................................................................................................. 13 2.5.3 出口气体中的CO2 ......................................................................................................... 13 2.5.3 出口气体中的H2O ......................................................................................................... 13 2.5.4 二段分解塔出口溶液组成 ............................................................................................. 13 2.5.5 二段分解塔物料衡算表 ................................................................................................. 14

3 热量衡算 ................................................................................................ 15

3.1 计算基准 .................................................................................................................................... 15 3.2 合成塔热量衡算 ........................................................................................................................ 15

3.2.1 CO2气体降温降压吸热△H1....................................................................................... 15 3.2.2 当量NH3气化吸热△H2 ................................................................................................ 15 3.2.3 固体甲铵生成时反应热△H3 ........................................................................................ 15 3.2.4 固体甲铵升温吸热△H4 ................................................................................................. 15 3.2.5 固体甲铵熔融吸热△H5 ................................................................................................. 16 3.2.6 循环甲铵升温吸热△H6 ................................................................................................. 16 3.2.7 甲铵转化成尿素时吸热△H7 ......................................................................................... 16 3.2.8 （△H8+△H9+△H10+△H15）反应熔融物升温吸热 ............................................... 16 3.2.9 循环氨升温吸热△H11 ................................................................................................... 16 3.2.10 循环液氨气化热△H12 ................................................................................................. 16 3.2.11 循环氨升温吸热△H13 ................................................................................................. 17 3.2.12 循环氨与水混合放热△H14 ......................................................................................... 17 3.2.13合成塔热损失△H17 ...................................................................................................... 17 3.2.14 合成塔热量平衡表 ....................................................................................................... 17 3.3 预分离器热量衡算 .................................................................................................................... 18

3.3.1 进口液相带入热量 ......................................................................................................... 18 3.3.2 进口气相带入热量 ......................................................................................................... 18 3.3.3 出口液相带出热量 ......................................................................................................... 19 3.3.4 排出气相带出热 ............................................................................................................. 19 3.3.5 甲铵分解热量 ................................................................................................................. 20 3.3.6 NH4OH分解热 ............................................................................................................. 20 3.3.7 热损失 ............................................................................................................................. 20 3.3.8 预分离器出口液相温度t ............................................................................................... 20

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四川理工学院毕业设计(论文) 目录

3.3.9 预分离器热量衡算表 ..................................................................................................... 21 3.4 一段分解塔热量衡算 ................................................................................................................ 21

3.4.1 反应熔融物带出热量 ..................................................................................................... 21 3.4.2 气相中CO2带出的热量 ................................................................................................ 22 3.4.3 气相中NH3带出热量 .................................................................................................... 22 3.4.4 气相中H2O带出热量 .................................................................................................... 22 3.4.5 甲铵分解吸热 ................................................................................................................. 22 3.4.6 NH4OH分解热 ................................................................................................................ 22 3.4.7 热损失 ............................................................................................................................. 23 3.4.8一段分解热平衡表 .......................................................................................................... 24 3.5

二段分解塔热量衡算 ...................................................................................................... 24 3.5.1溶液带入热量 .................................................................................................................. 24 3.5.2 加热蒸汽供给热量Q2 .................................................................................................... 24 3.5.3尿液带出热量 .................................................................................................................. 24 3.5.4分解分解气体带出热量 .................................................................................................. 24 3.5.5甲铵分解热 ...................................................................................................................... 25 3.5.6 NH4OH分解热 ................................................................................................................ 25 3.5.7 二段分解塔热量平衡表 ................................................................................................. 26

4 主要设备选型 ........................................................................................ 27

4.1 合成塔的计算 ............................................................................................................................ 27

4.1.1设计条件 .......................................................................................................................... 27 4.1.2 生产能力 ......................................................................................................................... 27 4.1.3 合成塔的生产强度： ..................................................................................................... 27 4.1.4 合成塔有效容积 ............................................................................................................. 27 4.1.5 合成塔选型 ..................................................................................................................... 27 4.2 一段加热器 .............................................................................................................................. 28

4.2.1 设计条件 ......................................................................................................................... 28 4.2.2 传热面积A ..................................................................................................................... 28 4.3 一段分离器 ................................................................................................................................ 29

4.3.1 设计条件 ......................................................................................................................... 29 4.3.2计算 .................................................................................................................................. 29 4.4 二段加热器 ................................................................................................................................ 30

4.4.1 设计条件 ......................................................................................................................... 30 4.4.2 传热面积A ..................................................................................................................... 31 4.5 二段分解塔 ................................................................................................................................ 31

4.5.1 全塔的理论板数及相关参数 ......................................................................................... 31 4.5.2 塔径，塔高的计算 ......................................................................................................... 34 4.5.3 溢流装置 ......................................................................................................................... 36

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四川理工学院毕业设计(论文) 目录

4.5.4 流体力学的验算 ............................................................................................................. 39 4.5.5 塔板负荷性能图 .............................................................................. 错误！未定义书签。 4.6 辅助设备及附件的选择 ............................................................................................................ 47

4.6.1除沫器 .............................................................................................................................. 47 4.6.2裙座 .................................................................................................................................. 47 4.6.3 人孔 ................................................................................................................................. 48 4.6.4吊柱 .................................................................................................................................. 48 4.6.5接管 .................................................................................................................................. 48 4.6.6附接管与法兰的结构简图 .............................................................................................. 51

设备一览表 ................................................................................................................................. 53

工艺设计评述 ............................................................................................................................ 54 致 谢 ....................................................................................................................................... 55 参考文献 ....................................................................................................................................... 56 附 图 ............................................................................................................................................... 57

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四川理工学院毕业设计 第一章 前言

1 总 论

1.1 概述

尿素，又称脲，分子式CH4ON2 ,相对分子质量60.055，结构式CO(NH2)2或NH2-CO-NH2,在人类及哺乳动物的尿液中含有这种物质，故称尿素，是蛋白质新陈代谢后元素氮的最终产物。尿素在许多生物过程中起着重要的作用[1]。尿素的生产成本较其他氮肥低。它的物理化学性很好，不挥发，吸湿性低，长期使用不致恶化土壤，既不会酸化土壤，也不会碱化土壤。[2]

1.2 尿素的性质

纯尿素在室温下是无色、无味、无臭的针状结晶体，在一定条件下也呈斜方棱柱结晶体。尿素在常压下的熔点是132.7°C，在高压（几千大气压）下尿素转变为其他晶型，熔点也有所变化。真空下加热尿素可直接升华为气体。尿素易溶于水和液氨，也溶于甲醇、乙醇、甘油，不溶于乙醚和氯仿。尿素在水和液氨中的溶解度均随温度的升高而增加。

尿素的主要物理化学性质 摩尔质量/（g/mol） 60.056

熔点/°C 132.7（101325Pa）,150(300MPa) 密度/(kg/m3) 1335(25°C结晶)，1247（135°C液体）

堆积密度/(kg/m3) 750（颗粒），630~710（结晶） 标准摩尔生成焓/（KJ/mol） -333.3 标准摩尔生成自由焓/（KJ/mol） -197.3 标准摩尔燃烧热/（KJ/mol） 632.5

比热容/(KJ/(kg*K)) 1.55（25°C结晶），2.09(135°C液体) 熔融热/(KJ/kg) 251（132.7°C）(吸热) 在水中的熔解热（无限稀）/(KJ/kg) 230（25°C）(吸热) 结晶热（自饱和水溶液）/(KJ/kg) 197（25°C）(吸热)

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四川理工学院毕业设计 第一章 前言

固体尿素在常温常压下是稳定的，受热升华的尿素可转变为同分异构物氰酸铵NH4CNO并分解为氨和氰酸:

NH2CONH2====NH4CNO=====NH3+HNCO

熔融态尿素在高温下缓慢放出NH3而可缩合成多种化合物，最主要的是缩二脲NH2CONHCONH2:

H2N-CO-NH2+H-NH-CO-NH2=====H2N-CO-NH-CO-NH2+NH3

尿素在水溶液中缓慢水解，变为氨基甲酸铵，再变为碳酸铵，最终成为氨和二氧化碳，

NH2CONH2+H2O======NH4COONH2 H2O+NH4COONH2=====(NH4)2CO3 (NH4)2CO3=====2 NH3+CO2+ H2O

在通常温度，无论在酸、碱或中性条件下尿素水溶液的水解基本不进行，仅当温度超过100°C才开始明显加快。这在尿素生产的后续工序中注意防止。常温下的尿素水溶液，在一种酶（尿素酶）的作用下，其水解反应明显加速。

高浓度的尿素水溶液受热也可以生成缩二脲及其他缩合物。

尿素水溶液呈微碱性，它与强酸作用生成盐。尿素与无机酸或盐相互作用的性质，在复合肥料中具有具有重要意义。

尿素溶解于液氨中，形成不稳定的氨合物NH2CONH2 NH3。氨合物在45°C以上即分解。氨合物能生成碱金属盐，如NH2CONHM，CO(NHM)2等。

尿素能与多种有机化合物进行化学反应，几乎能与所有的直链有机化合物（如烃类、醇类、酸类、醛类等）作用[1]。

1.3尿素工业的发展趋势

在目前的技术经济条件下，尿素的生产有三种方法：气头（以天然气为原料）、煤头（以煤炭为原料）、油头（以石油为原料）。尿素企业的规模经济产能分别为100万吨和60万吨，分别对应60万吨和36万吨的合成氨规模。我国氮肥产量已居世界第一，尿素产量占世界总产量的1/3。

据中国化工信息中心统计，2000年到2006年，我国尿素产能从3600万吨达到了4950万吨，年平均增长225万吨，总装置能力增加37.5%，平均每年递增5.45%，开工率连续多年保持在95%以上，远 远高于其他化肥品种的开工率。2007年中国尿素产能达到5400万吨，实际产量也将从2000年的3070万吨达到目前的5000万吨以上。2008年，中国在建和拟建尿素项目已超过610万吨，其中较大项目包括：建峰80万吨、中石油吉林分公司104万吨、中石油塔里木分公司80 万

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四川理工学院毕业设计 第一章 前言

吨、鄂尔多斯104万吨、四川化工控股80万吨等。2009年已经公布拟建项目有240万吨， 预计扩能速度较2008年有所减缓，2010年的尿素新建项目增幅将低于2009年，但增长是个趋势。

我国尿素新上项目大多采用先进的煤气化技术，一些靠近原料产地(天然气、煤)的企业，具有较强的成本优势和市场竞争力，因此尿素行业新一轮优胜劣汰势在必行，资源和市场的整合步伐也将加快。

1.4 尿素的用途

尿素可以做基肥、追肥、种肥和叶面肥还应控制用量。尿素又可作为牛羊等反刍动物的蛋白质辅助饲料，可以使肉奶增产。

尿素在工业上的用途也很广泛，尿素产量的10％用作工业原料。尿素的主要工业用途是作为高聚物合成材料。工业尿索的总消耗量约一半是作为尿素甲醛树脂和三聚氰胺—甲醛树脂的原料，用作塑料、喷漆、粘合剂。尿素还作为多种用途的添加剂，如用于油墨颜料、粘结剂(液化剂)、炸药(稳定剂)、染料(助剂)、纺织(处理剂、软化剂)，选矿(起泡剂)，炼油(脱蜡剂)，林业(木材处理剂)等各种工业部门中。尿素还用于医药(如苯巴比妥、镇静剂、止痛剂、洁齿剂等)和试剂生产中。尿素还可以用来净化汽车的尾气。从尿素中得到的一种化学制品可以减少柴油发动机排放的氮氧化物达80%。尿素还是一种理想的杀虫“农药”，还能用于防病，还有疏花的作用。

1.5 几种尿素生产工艺特点简介

尿素生产工艺国内外很多，然而具备上述特点并为世界尿素工业界公认为较先进的仍属于三大尿素专利公司的工艺技术，先将其特点分别简介并比较如下：

1.5.1 Snamprogetti公司的氨自身气提工艺

我国在80年代中引进了此工艺，它的主要特点： 在高压合成圈内，溶液中的NH3/CO2分子比高达3.4~3.6，溶液的腐蚀性大大降低，钝化用空气最少，惰性气洗涤排放无燃烧爆炸之余，且氨及CO2损失少，CO2合成转化率高。故障短期停车2~3天，设备无需排液。分解回收系统设置中压段，提高运转负荷变化的适应能力，中压甲铵冷凝热可以合理利用于蒸发，节省蒸汽消耗。环境污染改善，中低压排放惰性气量少，蒸发冷凝液可经深度水解回收利用，废气粉尘少。主要设备水平布置，革去了垂体布置的高框架，节省投资、便于维修。钛材造气塔，耐高温气提的腐蚀，而且当生产负荷降至30%~40%时，亦能正常运转。

1．5.2 TEC-MTC公司的ACES工艺

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四川理工学院毕业设计 第一章 前言

ACES法工艺合成的NH3/CO2比高达4.0~4.1，故合成CO2一次转化率高达68%；设备耐腐蚀性亦大为改善。ACES法亦设置中压段及工艺冷凝处理装置，排放的废水废气符合环保标准，短期停车2天内不需排液，这些方面与氨气提法雷同，不赘述，将其余特点阐述如下：

能量利用更为合理。输入界压的高压蒸汽首先用于蒸汽透平作动力，从中抽取中压蒸汽用作汽提塔热源；高压分解的甲铵冷凝热一部分用于副产低压蒸汽作为下游设备热源，另一部分用于加热分离中压尿液中未反应物；再利用中压甲铵热作为尿液蒸发的热量。高压蒸汽一次作功，三次逐级反复利用热量，且后2次均为物料间直接传递热量，较为合理。特殊结构的气提塔。因进塔溶液的NH3/CO2比甚高，故在降膜气提管之上添置了板塔板进行绝热等压气提。特殊的结构材料。采取双相合金钢DP-12管材及R-5板材制作气提塔，高压甲铵冷凝器和中压分解塔。多年使用结果令人满意，亦可实现40%低负荷正常运转。双相合金钢价格比2RE-69不锈钢、钛材、钴材均低。TEC开发建立起以ACES工艺为基础的运转支持系统，有①培训模拟系统：可培训开停车操作；事故处理，矫正误动作的操作，熟练DCS,与现场操作协调的训练。②运转遥控系统：给操作人员提供实际的开工程序信息，指导正常条件下的运转。③故障识别系统：提供故障设备的诊断结论信息、发生故障的原因。

1.5.3 Stamicarbon公司的CO2气提工艺

CO2气提工艺我国引进10多年，引进了14套大型装置，国产化2套中型装置，因此对此工艺的特点，众所周知。例如：高压合成圈的NH3/CO2分子比、温度、压力是所有气提工艺中最低的，而气提效率最高；由于出气提塔的尿液中未反应物含量甚低，故不再设置中压段，而设低压段和真空闪蒸槽；蒸发尿液所需热源全部来源于副产的低压蒸汽；高压合成圈主要设备呈垂直重叠布置，使溶液藉重力流动等。80年代以来该法又有了如下改进：

CO2气提法为克服洗涤和排放惰性气时燃烧或爆炸的隐患，在原料中加入钝化空气，压缩后再用铂触媒脱除气体中的H2。高压洗涤器顶部改为大体积球形结构，一旦气体爆炸时，有足够空间缓冲，以免损坏设备。添设工艺冷凝液深度水解系统，以消除环境污染。喷淋成粒塔添设加晶种装置，在塔上部熔融尿素液滴喷洒区域内形成微米级晶种云层，促使尿素结晶从层状改型为交叉重叠型，提高了尿素丸粒的强度。尽量利用低位能热量，进行直接传递，降低了能耗。如CO2催化脱H2的热量利用。

1.6 CO2气提工艺和NH3气提工艺的比较

1.6.1 工艺方面

工艺流程的比较：

CO2气提工艺比NH3气提工艺要简单得多主要体现在CO2气提塔出口溶液只需要经历一个低压分压工段即可基本回收未转化的CO2和NH3，而NH3气提法除了采用低压循环外，还增加了中压循环，因为NH3气提塔出口溶液中的NH3含量较高。如果NH3气提法也只有一个低压分解工段，就必须添加大量的水回收NH3,

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四川理工学院毕业设计 第一章 前言

这必然会导致整个系统的水平衡失调，以及进合成塔的H2O/CO2比值过高。从而降低CO2转化率，能耗也随之升高。

转化率的比较：

当温度、压力等工艺条件确定以后，NH3/CO2比值便是转化率高低的决定性因素。虽然NH3气提工艺中CO2转化率较高，但NH3的转化率比CO2气提工艺低32%，这是由于较高的NH3/CO2比值造成的。从气提后液相组成上看，CO2气提效果优于NH3气提。

安全性比较：

几乎所有采用不锈钢材料的合成系统都借助空气防腐，CO2气提工艺的加氧量占CO2原料气的0.6%，气提工艺占0.35%~0.45%。为彻底消除爆炸隐患，Stamicarbon公司设计了新型的球型洗涤器并配备了CO2气的脱氢装置，在脱氢反应器中CO2气体中的H2，CO与O2在铂催化剂作用下分别生成H2O和CO2,使尿素装置的安全性从根本上得到了保障。

1.6.2 装置运行情况

CO2气提法流程简短，设备布置紧凑，特别是整个高压圈物料在重力作用下循环，易于操作，这是CO2气提装置的运转情况略好于NH3气提的主要原因。从目前2套系统的整体运行情况上看，无论是运转率还是生产能力利用率，CO2气提工艺要高于NH3气提装置。

1.6.3 设备腐蚀

从国外的2种工艺所使用的设备寿命上看，CO2气提法要高于NH3气提法。此外，近年来Stamicarbon公司开发出的新型不锈钢，无论在其机械强度、抗应力腐蚀性能，甲铵溶液中的耐腐蚀性及焊接性能均优于316L和25-22-2型材质，并且改进后的CO2气提工艺把高压冷凝器由立式该为卧式，基本消除了CL-所造成的应力腐蚀。

1.6.4 投资效益

由于NH3气提法的工艺比CO2气提法工艺较长，多出一套中压循环系统，在设备投资上相应增加，但在土建投资上CO2气提法的框架较高投资较大，从运行成本上比较，由于NH3气提法的设备台数多，维修复杂，操作员工也较多，因此工资福利及维修费用2部分在年总成本中所占比例较大，在总成本的长期借款部分，NH3气提法的还贷成本要高于CO2气提法。所以，从经济角度上看CO2气提法工艺占有优势。

近年来，Stamicarbon公司经过10余年的研发，在工艺布置、设备结构及铸造等方面均作了重大改进，并推出了2000-TM尿素生产工艺使得原材料消耗近似于理论值，并提高了合成转化率，使框架高度由52m降至26m，投资较低10%，大大简化了工艺流程，其最主要的改进措施是将尿素合成塔和甲铵冷凝器合并成一个高压容器-----池式反应器。

在市场竞争中所处的优势地位使得NH3气提工艺近年来几乎没有明显的进步，其最大的改进是气提塔列管用衬鈷双金属不锈钢替代钛材。可以说，在技术进步这个环节上NH3气提工艺已经落后了。

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四川理工学院毕业设计 第一章 前言

1.7 选取工艺及理由

水溶液全循环法工艺较为成熟，在我国得到快速的发展，除了具有吨尿素投资省、材料易得，国内能成套制造外，更为重要的是中国尿素工作者对该法进行了技术创新，如采用预分离—预精馏工艺，一吸塔外加外冷器等，使原装置产能大幅度提高，消耗大幅度下降，成为具有新内涵改进型的水溶液全循。结合本次设计综合考虑选用该工艺[6]。

1.8 尿素工艺流程简图

去中压吸收去低压吸收CO2NH3压缩机过滤器液氨缓冲槽预混器尿素合成塔加热器一段分解塔加热器二段分解塔去闪蒸槽高压泵

图1.1 尿素生产流程简图

水溶液全循环法尿素生产工艺改造技术，其特征在于经CO2压缩机压缩至220kg/cm2、125℃的CO2气体，从合成塔底部加入原料氨经液氨过滤器过滤，进入液氨缓冲槽，来自氨冷凝器的循环液氨进从液氨缓冲槽，其中一部分与原料液氨混合后，经液氨泵加压200kg/cm2后送往液氨预热器进行预热，然后送至合成塔底部，在220kg/cm2压力,t=190℃条件下在合成塔内进行尿素合成反应，反应物自塔顶经减压阀减压至18kg/cm2，排至预分离器，进行分离，液相由塔底流出，经一段分解加热器，由123.4℃加热至160℃，然后进入一段分解分离器，气相由塔顶出去返回重复利用，液相由塔底流出再次经减压阀，进入二段分解塔，在4 kg/cm2， 120-150℃条件下进行二次分离。此设有二段分解加热器，操作条件是4 kg/cm2，150℃对液相进行加热。气相由塔顶出去返回重复利用，液相由塔底流出至下一工序。

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四川理工学院毕业设计(论文) 物料衡算

2 物料衡算

2.1 计算基准

成品规格以一吨成品尿素为基准[3] 粒状尿素成品规格为：

含氮量 46%（折合成尿素98.7%） 缩二脲 水份 0.3% 其他杂质 原料消耗定额

年产67×103t尿素通用设计采用的原料消耗定额为 NH3 580 kg/t成品尿素 CO2

785kg/t成品尿素

2.2 合成塔物料衡算

2.2.1 衡算条件

进合成塔 NH3/CO2=4.1 （摩尔比） H2O/CO2=0.65 （摩尔比）

合成塔操作条件 压力P=21.58MPa（表压） 温度T=190℃ 尿素合成率 63% 液氨纯度为99.8%

2.2.2 CO2气组成

743.37kg 或 17.0003 kmol 其中 CO2:735.06kg 或 16.71 kmol O2: 2.89 kg 或 0.09 kmol N2: 5.14 kg 或 0.1847 kmol H2O: 0.28 kg 或 0.0156 kmol

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0.9% 0.1% 四川理工学院毕业设计(论文) 物料衡算

2.2.3 甲铵液组分物料量

溶液中CO2含量

未转化为尿素的CO2量为

16.79×37/63=9.861 kmol 或 433.87 kg

除去由气相进入只CO2即为氨基甲酸铵溶液之中CO2量，即为： 16.79+9.8=26.65 kmol 或 1172.6 kg 除去由气相进入只CO2

1172.69-735.06=437.63 kg 26.65-16.71=9.94 kmol 溶液中的氨量： 甲铵液中NH3/CO2=3.1

NH3：3.1×9.94=30.814 kmol 或 523.838 kg 溶液中的H2O量：

合成塔内H2O/CO2=0.65 （摩尔比）

H2O： 26.65×0.65-0.0156=17.306kmol或311.508kg 溶液中的尿素： 由计算条件知为2.5 kg或0.042 kmol

2.2.4 原料液NH3量

高压氨泵漏损11.69 kg[4]

NH3 ： 580-11.69=568.31 kg或33.43 kmol

2.2.5 循环液NH3

NH3/CO2=4.1(摩尔比)

进塔总NH3量为 ： 4.1×26.65=109.265kmol或1857.505 kg 返回氨量： 109.265-34.43-30.81=45.025 kmol或765.425 kg

2.2.6 尿素生成量

1007.54+2.5=1010.04 kg或16.832 kmol

8

四川理工学院毕业设计(论文) 物料衡算

2.2.7 甲氨生成量

设未转化为尿素的CO2均以甲铵的形态出塔即为9.86 kmol或9.86×78=769.08 kg

其中：CO2 ：9.86 kmol或433.84 kg NH3 ：2×9.86=19.72 kmol或355.24 kg

2.2.8 过量NH3

生成尿素耗NH3： 16.79×2=33.58 kmol或570.86 kg 过量NH3为 109.265-33.58-19.72=55.965 kmol或951.405kg

2.2.9 生成H2O量

原料及甲铵带入水分及尿素反应生成水之和： 0.0156+17.3045+16.79=34.111 kmol 或613.998kg N2 和O2 量无变化同入口量

2.2.10 合成系统物料衡算表

表2.1 合成系统物料平衡

以每吨成品尿素为基准 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

输入物料 原料CO2气 其中：CO2

O2 N2 H2O 原料液氨 循环液氨 甲铵溶液 其中：NH3

CO2 H2O 尿素 总计

kg 743.37 735.06 2.89 5.14 0.28 568.31 765.425 1275.50 523.838 437.63 311.508 2.5 3352.6

kmol 17.0003 16.71 0.09 0.1847 0.0156 33.43 40.025 58.0965 30.814 9.94 17.306 0.042 148．5518

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9

输出物料 反应后混合物 其中： 尿素 甲铵溶液 ｛CO2 NH3｝｝ NH3 H2O O2 N2 总计

kg 3352.6 1010.04 769.08 443.84 355.24 951.405 613.998 2.89 5.14 3352.6

kmol 136.76 16.832 9.86 9.86 19.72 55.965 34.111 0.09 0.1847 136.76

9

四川理工学院毕业设计(论文) 物料衡算

2.3 预分离器的物料衡算

2.3.1 衡算条件

总的甲铵分解率为 88% 总的氨过量蒸出率 90% 预分离器的甲氨分解率 15%

预分离器的出口气相水分含量 4.65%（摩尔比） 一段分解分离器出口气相水分含量 17%

2.3.2 预分离器的出口气体组成

CO2： 9.86×0.15=1.479 kmol或65.076 kg 由过量氨蒸出：

NH3： 55.97×0.66=36.94 kmol或627.98 kg

由甲铵分解： NH3 ：1.48×2=2.96kmol或50.32kg 共计 36.94+2.96=39.90 kmol或678.3 kg 气体中的H2O：

除水以外气相中其他组分：1.48+39.90+0.09+0. 18=41.65 kmol 故水量为： 41.65×4.65/（100-4.65）=2.0312 kmol或36.562kg 惰性气体： O2 ：0.09 kmol或2.88 kg N2 ：0. 18 kmol或5.04 kg

2.3.3 预分离器出口溶液组成

溶液中的CO2

9.86-1.48=8.38 kmol或368.72 kg 溶液中的NH3

（55.97+19.72）-39.9=35.79 kmol或608.43kg

溶液中的H2O

34.11-2.04=32.07 kmol或577.26kg 溶液中的尿素为16.832 kmol或1010.04 kg

10

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2.3.4 预分离器物料衡算表

表2.2 预分离器物料平衡

以每吨成品尿素为基准

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9

输入物料

kg

kmol 136.76 16.832 9.86 9.86 19.72 55.965 34.111 0.09 0.18

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9

输出物料 出口气体 其中：CO2 NH3 H2O O2 N2

kg 788.858 65.076 678.30 36.562 2.88 5.04

kmol 43.69 1.479 39.90 2.0312 0.09 0.18 93.07 8.38 35.79 32.07 16.832 136.76

反应混合物 3352.6 其中： 尿素 1010.04 甲铵溶液 ｛CO2 NH3｝ NH3 H2O O2 N2

769.08 433.84 335.24 951.405 6013.998 2.89 5.14

出口溶液 2564.45 其中CO2 NH3 H2O 尿素

368.72 608.43 577.26 1010.04 3352.6

总计 3352.6 136.76 总计

2.4 一段分解塔物料衡算

2.4.1 出口气体组成

气体中的CO2

9.859×0.88-1.479=7.197kmol或316.67 kg 气体中的NH3

过量氨蒸出： 55.97×0.9-36.94=13.433kmol或228.361kg 由甲铵分解： 9.86×0.88×2=17.36 kmol或295.12 kg 由一段分解塔分解出的氨：17.36-2.96=14.4kmol或244.8kg 总氨量：

13.433+14.4=27.833kmol或473.161 kg

气体中的H2O： （7.2+27.83）×17/（100-17）=7.175或129.147 kg

11

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2.4.2 一段分解塔出口溶液组成

溶液中的CO2 ： 8.38-7.2=1.18 kmol或51.92kg 溶液中的NH3 ：35.79-27.83=7.96kmol或135.32 kg 溶液中的水：32.07-7.17=24.9kmol或448.2kg 溶液中的尿素 ： 16.832 kmol或1010.04 kg

2.4.3一段分解塔物料平衡表

表2.3 一段分解塔物料平衡

以每吨成品尿素为基准

序号 1 2 3 4 5

输入物料 出口溶液 其中CO2 NH3 H2O 尿素

kg 2564.45 368.72 608.43 577.26 1010.04

kmol 93.07 8.38 35.79 32.07 16.832

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9

总计

2564.45

93.07

输出物料

kg

kmol 42.205

出口气体 918.978

其中：CO2 316.67 7.197 NH3 H2O

473.161 27.833 129.147 7.175

一段分解 塔出口液 其中CO2 NH3 H2O 尿素 总计

1645.48 50.872 51.92

1.18

135.32 7.96 448.2

24.9

1010.04 16.832 2564.45

93.07

2.5 二段分解塔物料衡算

2.5.1 衡算条件

一段及二段分解系统总的甲氨分解率 98.2% 一段及二段分解系统总的过量氨蒸出率 99.4% 二段分解塔出口气体内含水 25% 二段分解系统操作压力 0.3924MPa

12

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二段分解系统温度 120-150℃

2.5.2 缩二脲的计算

缩二脲的生成反应

2（NH2）2CO → NH2CONHCONH2 + NH3↑ 2×60 103 17 x 6 y 反应消耗的尿素量

x=6×2×60/103=6.99 kg或0.1165 kmol 放出NH3量y

y=6×17/103=0.99 kg或0.058 kmol

2.5.3 出口气体中的CO2

9.86.×(0.982-0.88)=1.0057kmol或44.252kg

气体中的NH3

由甲铵分解得氨

1.×2=2 kmol或34 kg 加入缩合反应放出氨

5.26+2+0.058=7.318 kmol或124.406 kg

2.5.3 出口气体中的H2O

（1+6.801）×25/（100-25）=2.773 kmol或49.914kg

2.5.4 二段分解塔出口溶液组成

溶液中的CO2： 1.18-1=0.18 kmol或7.92 kg

溶液中的NH3 ： 7.96-（5.26+2）=0.7 kmol或11.9kg 溶液中的水分 ： 24.9-2.77=22.13kmol或398.34kg 溶液中的尿素 ： 1010.04-6.99=1003.05 kg或16.718 kmol 溶液中的缩二脲： 6 kg或0.058 kmol

13

四川理工学院毕业设计(论文) 物料衡算

2.5.5 二段分解塔物料衡算表

表2.4 二段分解塔物料衡算

以每吨成品尿素为基准

序号 1 2 3 4 5

输入物料

kg

kmol

序号 1 2 3 4 5 7 8 9 10 11

总计

1645.48 50.87

输出物料

kg

Kmol 11.0967 1.0057 7.318 2.773

塔出口液 1645.48 50.87 其中CO2 NH3 H2O 尿素

51.92

1.18

出口气体 218.572 其中：CO2 44.252 NH3 H2O

124.406 49.914

135.32 7.96 448.2 1010.04

24.9 16.832

二段分解 塔出口液 其中CO2 NH3 H2O 尿素 缩二脲 总计

1427.782 39.786 7.92 11.9 398.34 1003.05 6.00

0.18 0.7 22.13 16.718 0.058

1645.48 50.87

14

四川理工学院毕业设计(论文) 热量衡算

3 热量衡算

3.1 计算基准

CO2气 进口气压为21.680 MPa, T=125℃ 甲铵溶液 进口压力 21.680 MPa ，T=100℃ 尿素反应物 出口压力为 21.680 MPa ，T=190℃

3.2 合成塔热量衡算

3.2.1 CO2气体降温降压吸热△H1

由CO2T-S图查[8]

21.680MPa 125℃时， i=694.21 kJ/kg 0.0981MPa 25℃时， i=727.67 kJ/kg △H1=735.06×（694.21-727.67）=-24595.108kJ

3.2.2 当量NH3气化吸热△H2

由NH3 I-logP图查[5]

0.0981MPa 25℃时， i=1768.99 kJ/kg 21.68MPa t℃时， i=I kJ/kg △H2=568.31×（I-1768.99）

3.2.3 固体甲铵生成时反应热△H3

1大气压时，25℃固体甲铵生成热为 △H=159166.92 kJ/kg

△H3=16.71×159166.92=2659679.233kJ

3.2.4 固体甲铵升温吸热△H4

由25℃升温至150℃时热焓增值21997.32kJ/kmol △H4=-16.71×21997.32=-367575.2172kJ

15

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3.2.5 固体甲铵熔融吸热△H5

△H5—循环甲铵液升温吸热

尿素在150℃时生成热为20282.7kJ/kmol △H5=-16.71×20282.7 =-338923.917kJ

3.2.6 循环甲铵升温吸热△H6

取固体甲铵比热为Cp=151.81 kJ/kmol.°C 取37.4%氨水比热5.02 kJ/kmol.°C

Cp=0.611×151.81/78+0.389×5.02=3.142 kJ/kg.°C △H6=-1275.5×3.142×(150-100)=-200381.05 kJ

3.2.7 甲铵转化成尿素时吸热△H7

尿素在150°C时的生成热为21830.04 kJ/kmol △H7=-（16.832-0.042）×21830.04=-366526.37 kJ

3.2.8（△H8+△H9+△H10+△H15）反应熔融物升温吸热

尿素比热Cp=1.991 kJ/kg.°C

甲铵比热Cp=151.8/78=1.946 kJ/kg.°C 60.7%氨水比热Cp=5.018kJ/kg.°C

Cp=1.991×0.302+1.946×0.23+5.018×0.468=3.397kJ/kg.°C

（△H8+△H9+△H10+△H15）=3344.59×3.397×(190-150)=-454462.8892 kJ

3.2.9 循环氨升温吸热△H11

NH3 21.680MPa（绝） 132.5℃时，i=1120.78 kJ/kg

21.680MPa（绝） t℃时， i=I kJ/kg

△H11=765.44×（I-1120.78）kJ

3.2.10 循环液氨气化热△H12

NH3在临界温度下气化时，其热效应为0

16

四川理工学院毕业设计(论文) 热量衡算

△H12=0

3.2.11 循环氨升温吸热△H13

21.680MPa 132.5℃时， i=1120.78 kJ/kg 21.68MPa 150℃时， i=1246.24 kJ/kg △H13=-765.44×（1246.24-1120.78）=-96032.1kJ

3.2.12 循环氨与水混合放热△H14

氨水浓度为 60.7% 混合热为 397.29 kJ/kgNH3 氨水浓度为 37.4% 混合热为 656.57 kJ/kgNH3 △H14=951.49×397.29-656.57×185.88=255974.23kJ △H16—惰性气体升温吸热

在21.68MPa 125℃时， i=280.19 kJ/kg 21.68MPa 190℃时， i=347. 11 kJ/kg △H16=-8.12×（347.11-280.19）=-543.39kJ

3.2.13 合成塔热损失△H17

△H17=-54616.92kJ/t尿素 合成塔热平衡 ??H1?17?0

-24595.108+568.31×（I-1768.99）+2659679.233-367575.2172-338923.917 -200381.05 -366526.37 -454462.8892+765.44×（I-1120.78）+0-96032.1 +255974.23-543.39-54616.92=0 I=638.22 kJ/kg

查据NH3 I-logP图查 t=46℃

△H2=692.92×（I-1771.02）=692.92×(638.22-1771.02)=-784939.776kJ △H11=765.44×（I-1120.78）=765.44×（638.22-1120.78）=-369370.7264kJ

3.2.14 合成塔热量平衡表

17

四川理工学院毕业设计(论文) 热量衡算

表3.1 合成塔热量平衡

以每吨成品尿素为基准 序号 输入热量 1 2

甲铵生成 热

kJ

%

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

总计

2961935.36 100

输出热量 CO2降温降压 当量氨降温

kJ

%

24595.108 0.83 784939.776 26.50

2659679.23 89.79

过量氨混 合热

固体甲铵升温 367575.217 12.41 甲铵熔融吸热 338923.917 11.44 循环甲铵升温 200381.05 6.77 甲铵转化吸热 366526.37 12.38 反应物升温 循环氨升温

454462.889 15.34

302256.13 10.21

(ΔH11+ΔH13) 369370.726 12.47 循环氨汽化

0

0 0.02 1.84

惰性气体升温 543.39 热损失 总计

54616.92

2961935.36 100

3.3 预分离器热量衡算

3.3.1 进口液相带入热量

反应熔融比热为 CP=3.4 kJ/kg℃[5] Q1=3344.59×3.4×(190-25)=1876314.99

3.3.2 进口气相带入热量

据空气T-S图查[5]得

空气在 21.680 MPa ，190℃ i=355.47 kJ/kg 0.0981 MPa , 25℃ i=190.28 kJ/kg Q2=8.03×(355.47-190.28)=1326.48 kJ

3.3.3 出口液相带出热量

设预分离器出口液相温度为t℃

18

四川理工学院毕业设计(论文) 热量衡算

甲铵比热 151.81kJ/kmol 尿素比热 1.99kJ/kg·℃ 35.9%氨水比热4.6002 kJ/kg·℃

Cp=151.81/78×0.254+1.99×0.393+4.6002×0.353=2.9 Q3=2564.49×2.898×(t-25)=7431.892t-185797.3

3.3.4 排出气相带出热

查CO2 T-S图

0.060 MPa 118 ℃ i=811.31kJ/kg 0.0981 MPa 25℃ i=727.67 kJ/kg Qco2=65.08×(811.31-727.67)=5443 kJ NH3气带出显热 查NH3 I-logP[5]图

1.612MPa ，118℃ i=1932.08kJ/kg 0.0981MPa ，25℃ i=1764.80 kJ/kg QNH3=678.3×(1932.08-1764.8)=113466 kJ H2O气带出显热 据H2OT-S图查

0.0833 MPa ，118℃ i=2714.118 kJ/kg 0.098 MPa 25℃ i=104.55kJ/kg QH2O=36.72×(2714.118-104.55)=95823 kJ 惰性气体带出显热（按空气计） 根据空气T-S图

0.011MPa 118℃ i=282.285kJ/kg 0.0981MPa 25℃ i =190.281 kJ/kg Q空气=8.03×（282.285-190.281）=738 kJ Q4= Qco2+ QNH3+ QH2O+ Q空气

=5443+113466+95823+738=215470 kJ

3.3.5 甲铵分解热量

在0.0981MPa时，25℃ 甲铵生成热 159166.92kJ/kmol

19

四川理工学院毕业设计(论文) 热量衡算

甲铵熔融热 20282.7kJ/kmol

甲铵在1.7058MPa,120℃分解热为q=-133828.182kJ Q5=1.48×（-133828.182）=-198065.71kJ

3.3.6 NH4OH分解热

将NH4OH分解过程解析如下[6]：

NH4OH（液）——→NH4OH（液）——→NH4OH（液）+ 氨水（35.9%） 118℃ 41℃ 41℃ A: 取60.7%氨水比热5.018kJ/kg·℃ QA =1565.47×5.018×(118-41)=604875.69kJ 最初态：60.7%氨水混合热为397.29 kJ/kgNH3 最终态：35.9%氨水混合热为664.938 kJ/kgNH3

QB=323.51×664.938-951.49×397.29=-162903.37 kJ C: NH3在1.612MPa时汽化热为1095.68kJ/kg 分解NH3量为（951.49-323.51）=627.98 kg QC=(-1095.68) ×627.98 =-688065.13 kJ D:升温吸热

QD=qNH3+ q氨水=-（321967.998+139193.688）=-461161.686kJ Q6= QA+ QB+ QC+ QD

=604875.69-162903.37-688065.13-461161.686=-707254.496kJ

3.3.7 热损失

取热量损失约进入热负荷的1.19%

Q7=21140.01kJ

3.3.8 预分离器出口液相温度t℃的求取

因 ?Q1?7?0

11876314.99＋1326.48＝7431.892t-185797.3＋215471.44＋198065.71 ＋707254.496＋21140.01

ｔ＝123.994℃ 出口液相带出热量Q3

Q3=7431.892t-185797.3=7431.892×123.994-185797.3=735712.717kJ

20

7

四川理工学院毕业设计(论文) 热量衡算

3.3.9 预分离器热量衡算表

表 3.2 预分离器热量衡算

以每吨成品尿素为基准 序号 1 2

输入热量 反应熔融带入 气相带入

kJ 1876315 1326

% 99.93 0.07

序号 输出热量 1 2 3 4 5

总计

1877641

100

kJ

% 39.18 11.47 10.55 37.67 1.13 100

反应熔融物 735712 排出气相 甲铵分解热 NH4OH分解热 热损失 总计

215470 198065 707254 21140 1877641

3.4 一段分解塔热量衡算

3.4.1 反应熔融物带出热量

反应熔融物比热计算

取17.51%氨水比热 4.6002 kJ/kg·℃ 尿素比热 1.991 kJ/kg·℃ 甲铵比热 151.807kJ/ kmol·℃

cp?4.6002?0.33?

_151.807?0.056?1.991?0.614?2.85kJ/kg?78 Q2=1645.57×2.85×（160-25）=633133.058kJ 反应熔融物带入的热量Q1=735712 kJ

3.4.2 气相中CO2带出的热量

由CO2T-S图查[5]

0.301 MPa 160 ℃ i=848.95 kJ/kg

0.0981 MPa 25 ℃ i=727.67 kJ/kg Q3=316.7×（848.95-727.67）=38409.376 kJ

21

四川理工学院毕业设计(论文) 热量衡算

3.4.3 气相中NH3带出热量

由NH3 I-logP图查[5]

1.164 MPa 160℃ i=2036.63 kJ/kg 0.0981 MPa 25℃ i=1764.8kJ/kg

Q4=473.16×（2036.63-1764.8）=128619.083kJ/kg

3.4.4 气相中H2O带出热量

根据H2O i-s 图[5]

0.3 MPa 160℃ i=2776.85 kJ/kg 0.0981 MPa 25℃ i=104.55 kJ/kg

Q5=129.06×（2776.85 -104.55）=344887.038 kJ 气相带出热量总和为

Q3+Q4+Q5=38409.376+128619.083+344887.038=511915.497 kJ

3.4.5 甲铵分解吸热

甲铵分解量 653.68-92.18=561.50 kg=7.2 kmol 甲铵分解热 133828.18 kJ/kmol Q6=7.2×133828.18=963562.896 kJ

3.4.6 NH4OH分解热

35.9%氨水降温放热 取比热为4.6 kJ/kg·℃

QA=900.77×4.6×（160-30）=538660.46 kJ NH4OH分解热 查图得:

最初状态氨水浓度为35.9% NH3，混合热为664.94 kJ/kg NH3 最终状态氨水浓度为17.5% NH3，混合热为815.49 kJ/kg NH3 分解热 QB=95.15×815.49-323.51×664.9=-137507.926 kJ 氢汽比热

1.164 MPa 30℃ NH3汽化比热为1144.2kJ/kg

22

四川理工学院毕业设计(论文) 热量衡算

分解NH3量为323.51-95.15=228.36 kg QC=228.36×（-1144.2）=-261289.512 升温吸热

氨气 1.164 MPa 30℃ i=1703.75kJ/kg 1.164 MPa 160℃ i= 2040.82 kJ/kg QNH3=228.36×（1703.75- 2040.82）=-76973.305 kJ 17.51%氨水，取其比热为4.6 kJ/kg·℃ Q氨水=543.35 ×4.6×（30-160）=-324923.3kJ

QD=Q氨+ Q氨水=-324923.3-76973.305=-401896.605 kJ Q7= QA+ QB+ QC+ QD

=538660.46-137507.926-261289.512-401896.605 =-262033.583 kJ

3.4.7 热损失

Q8=7895.62kJ

一段分解塔热平衡求取加入蒸汽热负荷 Q1+ Q= Q2+ （Q3+ Q4+ Q5）+ Q6+ Q7+ Q8

735712+ Q=633133.058+511915.497+963562.896+262033.583+7895.62

Q=1642827.986kJ

3.4.8一段分解热平衡表

表3.3 一段分解热平衡

以每吨成品尿素为基准 序号 输入热量 1 2

反应熔融物 加热蒸汽供给

kJ

%

序号 输出热量

反应熔融物 气相CO2 气相氨 气相水 甲铵分解 NH4OH分解 热损失 总计

kJ 633133 38409 128619 344887 963563 262033 7896 2378540

% 26.62 1.61 5.41 14.50 40.51 11.02 0.33 100

735712

1642828

30.93 1 69.07 2

3 4 5 6 7

总计 2378540 100

23

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3.5 二段分解塔热量衡算

3.5.1溶液带入热量

Q1=633133.058kJ

3.5.2 加热蒸汽供给热量Q2 3.5.3尿液带出热量

尿液带出热量

查图 71.6% 尿液 CP=2.84 kJ/kg·℃ Q3=1427.03×2.84×(150-25)=506595.65kJ

3.5.4分解气体带出热量

CO2

0.035 MPa 120℃ i=811.31 kJ/kg 0.0981 MPa 25℃ i=727.67 kJ/kg Q CO2=44.25×（811.31-727.67)=3701.07 kJ

NH3

0.259 MPa 120℃ i=1969.72 kJ/kg 0.0981 MPa 25℃ i=1768.99 kJ/kg Q NH3=124.43×(1969.72-1768.99)=24976.83 kJ

H2O

0.0981 MPa 120℃ i=2714.12kJ/kg

0.0981 MPa 25℃ i=104.55 kJ/kg Q H2O =49.86×(2714.12-104.55)=130113.16 kJ Q4=3701.07+24976.83+130113.16=158791.06 kJ

3.5.5 甲铵分解热

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四川理工学院毕业设计(论文) 热量衡算

1.766 MPa 120℃时甲铵分解热为133828.18 kJ/kmol Q5=1.00×133828.18=133828.18 kJ

3.5.6 NH4OH分解热

最初溶液中的NH3量为 7.96-2×1.18=5.6 kmol 最终溶液中的NH3量为 0.7-2×0.18=0.34 kmol NH4OH分解量为 5.6-0.34=5.26 kmol 最初溶液中的H2O / NH3=24.9/5.6=4.45 最初溶液中的H2O / NH3=22.13/0.34=65

平均在常温常压下氨的分解热为35254.26 kJ/kmol

QA—氨水降温降压放热

QA=543.35×4.6×(120-20)=249941 kJ QB—氨水在0.0981 MPa，20℃下分解吸热

QB=-35254.26×5.26=-185437.408kJ QC—氨气升温升压吸热

0.0981 MPa 20℃ i=1768.99kJ/kg 0.3924 MPa 120℃ i=1965.54 kJ/kg Qc=5.26×17×(1768.99-1965.54)=-17575.501 kJ QD—氨水升温吸热

因二段分解塔出口液相中含氨量少。故氨水浓度很稀。取其比热CP=4.182 kJ/kg·℃

QD=404.05×4.182×(20-120)=-168973.71 kJ

Q6= QA+ QB+QC+QD=249941-185437.408-17575.501-168973.71=-122045.619kJ 热损失：取热损失为进热负荷的1.6% Q7=10705.92 kJ 因 ?Q1?7?0 故Q2=?Q3?7?Q1

=506595.65+133828.18+122045.619+158791.06+10705.92-633133.058 =298833.371kJ Q2=298833.371kJ

3717

25

四川理工学院毕业设计(论文) 热量衡算

3.5.7 二段分解塔热量平衡表

表3.4 二段分解塔热量平衡

以每吨成品尿素为基准 序号 输入热量 1 2

kJ

%

序号 输出热量

尿素溶液带出 甲铵分解热 NH4OH分解热 气相带出热 热损失 总计

kJ 506596 133828 122045 158791 10706 931966

% 54.36 14.36 13.09 17.04 1.15 100

尿素溶液带入 633133 蒸汽供给热量 298833

67.94 1 32.06 2

3 4 5

总计 931966 100

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四川理工学院毕业设计(论文) 主要设备选型

4 主要设备选型

4.1 合成塔的计算

4.1.1设计条件

CO2的转化率 η=63%

4.1.2 生产能力

G =8.46t/h（按连续生产330天计）

4.1.3 合成塔的生产强度：

查得 13.2 t/d·m3

4.1.4 合成塔有效容积

V?24?8.46?15.38m313.2实际选取 V=19m3 裕度为24%[7] 实际生产强度：

24?8.46?10.69t/d?m3194.1.5 合成塔选型

选用的尿素合成塔为衬里的高压容器合成塔内流动的自始至终都是气液二相混合物.中小型厂的合成塔为空筒,不设置内件,其高径比在20左右,基本呈平推流.

选取内径??1150 mm ,H=22900 mm ,V=?r2h=23.786m3,材质:0Cr18Ni12Mo2

27

四川理工学院毕业设计(论文) 主要设备选型

4.2一段加热器

起加热的作用,尿素液混合物在此进行加热分解,温度达到160℃,使溶液中的氨、二氧化碳和水汽化。

4.2.1设计条件

(1)操作压力: P=18atm(绝)

(2)操作温度: 进加热器尿液温度 t1=123.8℃ 出加热器尿液温度 t2=160℃ (3)加热蒸汽条件

压力: P汽=12.5atm(绝) 温度: t汽=188.9℃ 冷凝温度: t凝=188.9℃ 冷凝潜热: r=1986.45kJ/kg (4)热负荷

Q =1642367.59 KJ/t尿素 (5)物料浓度

进加热器尿液浓度:39.30%

出加热器尿液浓度:61.37 % (6)有效平均温度?tm

?tm?(t凝?t1)?(t凝?t2)

t凝?t1lnt凝?t2(188.9?123.8)?(188.9?160)

188.9?123.8ln188.9?160 ??44.6℃

（7）经核算后传热系数 k?4223.8kJ/(m2?h?℃)

4.2.2传热面积A

由已知条件得传热量为Q =8.46×1642367.59 KJ/h QA?

k?t8.46?1642367.59?

4223.8?44.6?73.76m2

选用加热器有[10]:为浮头式单壳程换热器 选用加热器传热面积=90㎡

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/b7a7.html