20万吨设计正式文件

20万吨尿素合成设计

摘要................................................................................................................................. 2 1．设计任务 .................................................................................................................... 2

1.1设计题目 ............................................................................................................. 2

1.2设计任务 ............................................................................................................. 2 1.3设计原则 ............................................................................................................. 2 1.4设计条件 ............................................................................................................. 3 2．生产方法及反应原理 ................................................................................................... 3

2.1生产方法：水溶液全循环尿素工艺 ....................................................................... 3 2.2反应原理 ............................................................................................................. 4 3、生产工艺流程 ............................................................................................................. 4

3.1水溶液全循环法工艺流程详见图 .......................................................................... 4

3.1.1二氧化碳的压缩与净化............................................................................... 4 3.1.2氨的输送及尿素的合成............................................................................... 4 3.1.3循环回收.................................................................................................... 5

4、物料衡算和热量衡算 ................................................................................................... 5

4.1物料衡算 ............................................................................................................. 5

4.1.1设计条件的设定 ......................................................................................... 5 4.1.2二氧化碳压缩系统...................................................................................... 6 4.1.3合成系统.................................................................................................... 8 4.2热量衡算 ........................................................................................................... 10

4.2.1合成塔 ..................................................................................................... 10 5、设备的计算和选型 .................................................................................................... 15

5.1设计条件 ........................................................................................................... 15 5.2设计程序 ........................................................................................................... 15 5.3计算 .................................................................................................................. 15 6、全厂平面设计 ........................................................................................................... 16

6.1总平面设计任务和步骤 ...................................................................................... 16

6.1.1总平面设计任务 ....................................................................................... 16

6.1.2工厂组织.................................................................................................. 16 6.1.3总平面设计原则 ....................................................................................... 17

6.1.4总平面布置评述 ....................................................................................... 18

7.车间布置设计 .............................................................................................................. 18

7.1车间布置设计的意义 .......................................................................................... 18 7.2车间布置得原则 ................................................................................................. 18 7.3车间布置设计与评述 .......................................................................................... 19 8、尿素生产中的安全技术与三废处理 ............................................................................ 20

8.1安全生产原则 .................................................................................................... 20

8.2生产物料的安全特性 .......................................................................................... 21 8.3必要的安全保护装置 .......................................................................................... 21

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摘要：尿素外观为白色晶体或粉末，是动物蛋白质代谢后的产物，通常用作植物的氮肥。

尿素是哺乳动物排出体内含氮代谢物的形式。它在肝合成，其过程被称为尿素循环。

别名：碳酰二胺、碳酰胺、脲。分子式：CO(NH2)2 ，因为在人尿中含有这种物质，所以取名尿素，尿素含氮量46%，是固体氮肥中含氮量最高的。尿素易溶于水，在20℃时100ml水中可溶解105g，水溶液呈中性反应。尿素产品有2种：结晶尿素呈白色针状或棱柱状晶形，吸湿性强。粒状尿素为粒径1-2mm的半透明粒子，外观光洁，吸湿性有明显改善。20℃时临界吸湿点为相对湿度80%，但30℃时，临界吸湿点降至72.5%，故尿素要避免在盛夏潮湿气候下敞开存放。目前在尿素生产中加入石蜡等疏水物质，其吸湿性大大下降。

尿素是生理中性肥料，在土壤中不残留任何有害物质，长期施用没有不良影响。但在造粒中温度过高会产生少量缩二脲，又称双缩脲，对作物有抑制作用。我国规定肥料用尿素中缩二脲含量应小于0.5%。缩二脲含量超过1%时，不能做种肥、苗肥和叶面肥，其他施用期的尿素含量也不宜过多或过于集中。

尿素是有机态氮肥，经过土壤中的脲酶作用，水解成碳酸铵或碳酸氢铵后，才能被作物吸收利用。因此，尿素要在作物的需肥前4-8天施用。

施用：尿素适用于作基肥和追肥，有时也用作种肥。尿素在转化前是分子态的，不能被土壤吸附，应防止随水流失，转化后形成的氨也易挥发，所以尿素也要深施覆土。

1．设计任务

1.1设计题目

尿素合成工艺设计

1.2设计任务

本设计采用水溶液全循环法，在减压加热的基础上，将未转化为尿素的甲铵分解和气化，从而达到将未反应物与尿素分离的目的。☆

1.3设计原则

①遵守法则、法规，贯彻党的基本建设方针，实事求是，因地制宜。

②合理利用国家资源和财产，最大限度的发挥硬件设施的内在潜力，节约土地，减少投资，降低成本。

③充分比较各种已经广泛采用的工艺，对投资的价值进行广泛、深入的对比，特别是煤气化塔、甲醇合成塔等设备的选型上，进行充分的对比论证。采用成熟的、先进的工艺流程和设备，学习先进的生产技术，优先考虑节能、低损耗的工艺设备，努力实现自动化、现代化，提高产品生产的科技含量。

④充分考虑市场对产品的要求，质量为本、力求与下游其他产业链的融合。

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⑤尽可能创造良好的劳动条件，以利于劳动工人的身心健康。 ⑥重视环境的保护，合理的处理好三废。

1.4设计条件

由煤气化经净化而来的原料气CO2和由氨合成塔而来的液氨，在温度185~200℃、操作压力19Mpa左右、氨碳比范围为3～5、水碳比为0.7～1.2、反应时间为40～60min的条件下发生下面两个反应合成尿素。

2．生产方法及反应原理

2.1生产方法：水溶液全循环尿素工艺

水溶液全循环尿素装置的运行都比较稳定，生产负荷的加减调节比较方便，操作弹性范围较宽;增产潜力比较大，均达到了其设计生产能力的160%一200%;产品质量控制较好，正常负荷生产时一般能控制到优级品范围内。水溶液全循环尿素装置的腐蚀性较轻，特别是尿塔和中压分解、加热设备的腐蚀速率都比较小，正常生产时系统氧含量一般控制在0.5%-0.6%(体积)即可满足要求;再就是水溶液全循环尿素工艺的高压系统设备较少，中低压系统设备停车检修比较方便，所以无论是系统大修还是平常的中小检修都比较方便、所用时间比较短，并且水溶液全循环尿素工艺的氨碳比控制较高，停车时尿塔保压时间一般为24h。水溶液全循环尿素工艺经过十几年的改造，消耗下降较明显。其电耗一般可以控制在145 --155kw·h/t尿素(包括循环水的动力消耗)，电耗的高低主要与系统负荷的大小、二氧化碳转化率的高低、冷凝器的传热效果、以及生产综合管理水平有关。水溶液全循环尿素工艺的蒸汽消耗一般可以控制在1200一1400kg/t尿素，有个别厂家已降到1200k幼尿素以下，蒸汽消耗的高低与系统负荷的大小加热器的传热效果、以及生产综合管理水平有关，但更重要的是取决于对整套尿素装置热力系统的合理改造以及高效传热传质设备的使用。水溶液全循环尿素工艺的氨耗一般可以控制在575一580kg/t尿素，部分生产综合管理渺子的企业已降至575k/t尿素以下。在循环冷却水消耗方面，通过对系统热能回收的改造以及工艺操作方法的调整优化，冷却水消耗已降至接近于C02汽提法尿素生产工艺的循环冷却水消耗水平。

通过以上对水溶液全循环法、CO2汽提法尿素与NH3气提法在运行、增产潜力、改造难易、生产消耗以及装置设计能力等多方面进行分析比较，不难看出：CO2气提法与NH3气提法相比是具有一定优势的主要体现在流程简单，操作效率高，设备台数少，尤其是高压设备的减少和改进，使投资费用大幅下降，物料和能耗的下降使成本也随着降低，从而能给企业带来较好的经济效益。水溶液全循环法与CO2汽提法尿素的综合消耗相差不大，并且现在有的水溶液全循环尿素企业通过改造已经达到蒸汽消耗1200kg/t尿素左右的水平，所以CO2汽提法尿素以蒸汽消耗数量较低的显著优点已经没有优势。另外，CO2汽提法尿素表现出来的上述缺点也使CO2汽提法的实际竞争力降低。相反水溶液全循环法尿素通过十几年的改造经验，越来越表现出了较大的竞争优势，比如:易于改造，增产潜力大，检修停车时间短，大修费用相对较低，封塔时间长于CO2汽提法合成系统，操作比较熟练，生产管理积累的经验较多等。虽然水溶液全循环法尿素装置的单套生产规模在设计方面还不如CO2汽提法尿素

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工艺，但现在已有设计到年产(30-40)×104t/a的装置，并且与其工艺非常相似的水溶液全循环改良C法的设计生产能力早巳达到年产50×104t/a，所以说在现有的技术条件下，在装置生产能力的设计方面不存在大的问题，应该是能做到较大生产装置设计的，本设计选择水溶液全循环尿素工艺。

2.2反应原理

2NH3(l)+CO2(g)=NH4COONH2(l)+119.2Kj/mol

NH4COONH4(l)=CO(NH2)2(l)+H2O(l)+15.5Kj/mol

3、生产工艺流程

3.1水溶液全循环法工艺流程详见图,流程说明如下:

附图：工艺流程图

3.1.1二氧化碳的压缩与净化:

原料二氧化碳经一二段压缩到0.981～1.128MPa(绝),冷却除油除水后,送往二氧化碳净化工序,经脱硫后,净化气体经三﹑四﹑五段压缩至20.69(绝),约125℃送往尿素合成预反应器.

3.1.2氨的输送及尿素的合成:

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原料液氨经液氨过滤器后,与循环液氨共同进入液氨缓冲器,经液氨泵加压至20.69(绝),送往液氨预热器,被蒸汽冷凝液加热至约70℃,送往预反应器.

原料二氧化碳气体﹑液氨和循环回来的一段甲铵液在预反应器中混合后,送往尿素合成塔的底部,其组成为

NH3/CO2～4.1(摩尔比),H2O/CO2 ～0.65(摩尔比), 在

19.712MPa(绝),188℃的合成条件下,经过足够的停留时间,约有64%的的CO2转化为尿素.反应熔融物自塔顶排出,尿素合成塔的压力由出口压力调节阀控制.

3.1.3循环回收:

尿素合成塔的反应熔融物经出口压力调节阀减压至1.765MPa(绝),进入一段分解塔的顶部,在此分理出闪蒸气体后,溶液自流至中部蒸馏段,与一段分解加热器来的热气体逆流接触,进行换热蒸馏,使液相中的部分甲铵与过剩氨分解﹑气化进入气相,同时气相中的部分水蒸气冷凝尿素溶液自蒸馏段下部进入一段分解加热器,在此约有88%的甲铵分解,约155～160℃的气液混合物上升分解塔底部分离为两相,液相自塔底排出,经减压送往二段分解塔,气相自下而上的通过蒸馏段自塔顶排出,送往一段蒸发段进行热能回收.

4、物料衡算和热量衡算

4.1物料衡算 4.1.1设计条件的设定

①计算基准

尿素物料衡算以每吨成品(含N为46%)为基准。 ②成品规格

按国家标准规定，粒状尿素成品规格：（质量比）

含氮量 46%（折合成尿素98.7%，其中不包括缩二脲含氮量） 缩二脲 0.9% 水 分 0.3% 其他杂质 0.1%

③原料消耗定额

生产尿素的原料NH3和CO2的消耗定额，根据中间试验车间及同类型生产车间测定的数据确定。年产20万吨尿素装置通用设计采用的原料消耗定额为： NH3 ： 580㎏/t 成品尿素 CO2 ： 785㎏/t 成品尿素

④每吨成品尿素NH3损失量 NH3消耗定额与成品中尿素和缩二脲所含NH3量之差即为NH3损失量。可按下式计算：

5

987?349?51 580-（

60+103）=16.3㎏

式中： 60—尿素分子量 ；103—缩二脲分子量；34、51—分别为尿素及缩二脲中含NH3量。 ⑤水煤浆加压气化法造气及原料气的净化 ㈠.设计拟定

①原料煤中C元素含量为80%。 ②气化炉碳转化率99.5% ③水煤气的组成，见下表：

水煤气的组成（体积%） 组分 体积% 组分 体积%

H2 50.0

CO 37.3

CO2 6.5

N2 5.5

CH4 0.3

O2 0.2

H2S 0.2

④水煤气经脱硫变换工序后，气体组成如下表：

CO2 34

H2S 0.24

H2 62.5

CO 2.1

⑤采用低温甲醇法脱除CO2，净化后的气体CO2含量小于0.002%，可以忽略不计。 ⑥每吨尿素CO2消耗定额为785㎏或17.84kmol。

㈡.计算

水煤气经脱硫变换后，CO2体积含量为34%，CO体积含量为2.1%，由上可知CO2为17.84kmol，则CO为：

17.84?2.1%=1.1kmol

则变换后气体中含C总量为18.94kmol 设合成每吨尿素需M吨煤，则有：

M?80%?1000?99.534%=18.94

解得M=0.286,即合成每吨尿素需煤0.286吨 本设计的煤耗为：

0.286?200000300=191t/d

4.1.2二氧化碳压缩系统

㈠.条件

①二氧化碳气的组成（干气，体积比） CO2 99%

惰性气 1%（按N2计） 总S量 15㎎/m3（可忽略） ②CO2气体进入压缩系统的参数

压缩机吸入压力：P=0.102MPa（表压）

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温度：T=40℃

③CO2气体内水蒸气含量按吸入条件下饱和水蒸气含量计算40℃饱和水蒸气压力为：0.0074MPa

④在CO2气体中含氧量，由防腐条件确定，取为0.5%（干气体的体积%） ⑤氧气的组成（体积%）

O2：95% ；N2：5%

⑥CO2气体经五段压缩最终压力为21.56MPa（表压），最终温度为125℃ ⑦CO2气体进五段的压力为7.987MPa（表压），8.0851MPa(绝压)，温度40℃ ㈡.计算

（1）进入系统的CO2气体总量

①CO2量为785㎏或17.84kmol或785/1.976=397.3m3 （1.976—CO2在标准状况下的密度，㎏/m3）

②CO2气体中的惰性气（包括H2、N2，为简化计算均N2按计）

1 397.3×99=4.01m3 或4.01×1.25=5.01㎏

（1.25—N2在标准状况下的密度，㎏/m3） 或5.01/28=0.18kmol 故进入车间CO2气体（干基）量为：17.84+0.18=18.02kmol 或 785+5.01=790.01㎏

（2）CO2气体中含水分

CO2气的总压：0.102MPa

40℃时饱和水蒸气压：0.0074MPa 故CO2气体中水的物质的量为：

0.007418.02×0.102?0.0074=1.4kmol或25.2㎏ （3）进入系统的O2量

①纯O2在CO2气中占0.5%（体积%）即：

0.518.02×99.5=0.09kmol或2.89㎏ ②随O2带入的N2量

5 0.09×95=0.0047kmol或0.13㎏ 故进入系统的O2和N2总量为：

0.09+0.0047=0.0947kmol 或 2.89+0.13=3.02㎏

（4）压缩后的气体成分计算：

①CO2在压缩机中的损失量：49.94㎏或1.13kmol ②压缩后的CO2量

785-49.94=735.06㎏ 或17.84-1.13=16.71kmol

③压缩机各段分离器中排出水量

二氧化碳压缩机第五段未设水冷器，故CO2气体中的水分在五段前排除。 进五段前气体的总量为（N2、O2等损失甚少，计算中不予考虑）

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16.71+0.09+0.18+0.0047=16.985kmol CO2气中残存的水量为：

0.0074 16.985×8.0851?0.0074=0.0155kmol或0.279㎏ 故压缩机中各段分离器中排出水量为：25.2-0.279=24.921㎏ 或 1.4-0.0155=1.3845kmol ④压缩后的惰性气量

N25.01+0.13=5.14㎏或 0.18+0.0047=0.1847kmol O2： 2.89㎏或0.09kmol

（5）压缩系统物料平衡表

收入项目

质量（kg） 物质的量支出项目

（kmol） 815.21 785 5.01 25.2 3.02 2.89 0.13 818.23

19.42 17.84 0.18 1.4 0.0947 0.09 0.0047 19.5147

CO2气 其中：CO2 O2 N2

H2O

压缩机排出 其中：CO2 H2O 总计

质量（kg） 物质的量

（kmol） 743.369 735.06 2.89 5.14 0.279 74.861 49.94 24.921 818.23

17.0002 16.71 0.09 0.1847 0.0155 2.5145 1.13 1.3845 19.5147

CO2气 其中：CO2 惰性气 H2O O2气 其中：O2 N2 总计

4.1.3合成系统

㈠.条件

（1）进合成塔 NH3/CO2=4.1（摩尔比） （2）进合成塔 H2O/CO2=0.65（摩尔比）

（3）合成塔操作条件：压力P=21.56MPa(表压) 温度T=190℃

（4）尿素合成率（CO2转化率）63%

（5）液氨纯度为99.8%，其中所含水分在计算中略去不计 （6）通过合成塔前后惰性气及氧气量无变化

（7）由一段吸收返回合成塔的氨基甲酸铵溶液中 NH3/CO2=3.1（摩尔比） ㈡.计算

（1）进合成塔各组分物料量的计算

8

①CO2气量由前节压缩系统物料衡算得知743.369kg或17.0002kmol 其中

CO2：735.06kg或16.71kmol O2：2.89kg或0.09kmol N2：5.14kg或0.1847kmol

H2O：0.279kg或0.0155kmol

②氨基甲酸铵溶液中各组分的物料量

a.溶液中CO2量

已知需由合成塔生成的尿素量为1007.57或16.79kmol。 故转化为尿素的CO2即为16.79kmol或738.76。 为转化为尿素的CO2量为：

37 16.79×63=9.86kmol 或433.84kg

因此，需进合成塔CO2总量为：16.79+9.86=26.65kmol 或1172.69kg 除去由气相进入的CO2即为氨基甲酸铵溶液中的CO2量，即为： 1172.69-735.06=437.63kg 或26.65-16.71=9.94kmol b.溶液中NH3量

据已知条件，甲铵液中NH3/CO2=3.1(摩尔比),故溶液中含NH3： 3.1×9.94=30.81kmol或523.84kg c.溶液中H2O量

据已知条件，合成塔内H2O/CO2=0.65（摩尔比） 除去气相带入水分外即为甲铵液中水分：

0.65×26.65-0.0155=17.3045kmol或311.53kg

d.溶液中的尿素 由计算条件知为2.5kg或0.042kmol

③原料液中NH3量

NH3的消耗定额除去高压氨泵的漏损11.69kg外全部进入合成塔。 580-11.69=568.31kg或33.43kmol ④循环液NH3量

已知合成塔入口NH3/CO2=4.1（摩尔比）

故进塔总NH3量为：4.1×26.65=109.27kmol或1857.59kg 除去原料液NH3及由甲铵液带入NH3外均为循环返回的氨 109.27-33.43-30.81=45.03kmol或765.44kg

（2）出合成塔各组分物料衡算 ①尿素量

1007.54+2.5=1010.04kg或16.832kmol

②氨基甲酸铵量

为便于计算设未转化为尿素的CO2均以氨基甲酸铵形态出塔，即为9.86kmol或 9.86×78=769.08kg

其中 CO2：9.86kmol或433.84kg

NH3：2×9.86=19.72kmol或335.24kg ③过量NH3

生成尿素耗NH3 16.79×2=33.58kmol或570.86kg

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进入合成塔总NH3除去生成尿素耗用及生成氨基甲酸铵外，全部为过量NH3 109.27-33.58-19.72=55.97kmol或951.49kg ④H2O量

原料及氨基甲酸铵带入水分及尿素反应生成水之和 0.0155+17.3045+16.79=34.11kmol或613.98kg ⑤N2和O2量 无变化，同入口数量。

（3）合成系统物料平衡表

收入项目 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

质量（kg） 743.369 735.06 2.89 5.14 0.279 568.31 765.44 1275.50 523.84 437.63 311.53 2.5 3352.62

物质的量（kmol） 17.0002 16.71 0.09 0.1847 0.0155 33.43 45.03 58.0965 30.81 9.94 17.3045 0.042 153.5567

支出项目

质量（kg） 物质的量

（kmol） 136.7667 16.832 9.86 9.86 19.72 55.97 34.11 0.09 0.1847

136.7667

反应后混合物 3352.62 其中：尿素 氨基甲酸铵 CO2 NH3 NH3 H2O O2 N2 总计

1010.04 769.08 433.84 335.24 951.49 613.98 2.89 5.14 3352.62

4.2热量衡算 4.2.1合成塔

㈠.计算依据（计算以25℃为基准）

（1）CO2(包括惰性气)进口压力21.658MPa(绝压)，温度125℃ （2）甲铵溶液 进口压力为21.658MPa(绝压)，温度100℃ （3）尿素反应物 出口压力为21.658MPa(绝压)，温度190℃ （4）按物料平衡各进出口物料组分列表如下： 收入项目

质量（kg）

物质的量（kmol）

支出项目

质量（kg） 物质的量

（kmol）

10

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

㈡.计算方法

743.369 735.06 2.89 5.14 0.279 568.31 765.44 1275.50 523.84 437.63 311.53 2.5 3352.62

17.0002 16.71 0.09 0.1847 0.0155 33.43 45.03 58.0965 30.81 9.94 17.3045 0.042 153.5567

反应后混合物 其中：尿素 氨基甲酸铵 CO2 NH3 NH3 H2O O2 N2 总计

3352.62 1010.04 769.08 433.84 335.24 951.49 613.98 2.89 5.14 3352.62

136.7667 16.832 9.86 9.86 19.72 55.97 34.11 0.09 0.1847

136.7667

尿素合成塔的热量平衡计算，因为参加反应组分（NH3/CO2、H2O/CO2、循环甲铵液量、惰性气体量）和反应条件（温度、压力）的不同，反应热平衡难以简单的反应热数据来表示，而在目前对有关的热力学数据尚缺乏的情况下，一般可以将各反应阶段分解开来计算，这样就可以把已有的数据用于合成塔的热量平衡计算。尿素合成塔的反应可以用下列尿素合成热平衡计算各项，逐项计算即求出合成塔总的热平衡。

㈢.计算

（1）ΔH1—CO2气体降温降压吸热 由CO2 T-S图查：

21.658MPa（绝压）125℃时， i=166kcal/kg 0.098MPa（绝压）25℃时，i=174kcal/kg

ΔH1=735.06×（166-174）=-735.06×8=-5880kcal

（2）ΔH2—当量NH3降温降压及气化吸热 由NH3 I-logP图查：

0.098MPa（绝压）25℃时，i=423kcal/kg 21.658MPa（绝压）t℃时，i=Ikcal/kg ΔH2=568.31（I-423）=568.31I-240395kcal

尿素合成反应热平衡

惰性气体(气) 循环NH3(液) 循环甲铵液(液) 当量NH3(液) CO2(气) 21.658MPa 21.658MPa 21.658MPa 21.658MPa 21.658MPa

11

进气温度： 预热温度： 循环温度： 预热温度： 进气温度： 125℃ t℃ 100℃ t℃ 125℃

ΔH11 升温 ΔH2降温降压 气化 ΔH1降温 降压 NH3(液) NH3(气) CO2(气) 21.658MPa 0.098MPa 0.098MPa 132.5℃(临界) 25℃ 25℃ ΔH12 气化 NH3(气) ΔH6 升温 ΔH3 反应 21.658MPa 132.5℃(临界) 氨基甲酸铵(固) ΔH13 升温 ΔH13 升温 0.098MPa，25℃ NH3(气) ΔH4 升温升压 21.658MPa 氨基甲酸铵(固)

150℃ 21.658MPa，150℃(熔点) ΔH14 液化 循环甲铵液(液) ΔH5 熔融 NH3(液) 21.658MPa 氨基甲酸铵(液) 21.658MPa 150℃ 21.658MPa，150℃ 150℃ ΔH15 升温 ΔH7 反应 NH3(液)

21.658MPa 水(液) 氨基甲酸铵(液) 尿液(液)

190℃ 21.658MPa 21.658MPa 21.658MPa 惰性气(气) 150℃ 150℃ 150℃

21.658MPa ΔH10 升温 ΔH9 升温 ΔH8 升温 190℃ 水(液) 氨基甲酸铵(液) 尿液(液) 21.658MPa 21.658MPa 21.658MPa 190℃ 190℃ 190℃

（3）ΔH3—固体甲铵生成时反应热 在1大气压，25℃固体甲铵生成热为：

ΔH=38060kcal/kmol ΔH3=16.71×38060=635983kcal

（4）ΔH4—固体甲铵升温吸热

固体甲铵由25℃升温至150℃时热焓增值为5260kcal/kmol ΔH4=-16.71×5260=-87895kcal

（5）ΔH5—固体甲铵融熔热

固体甲铵在150℃时融熔热为：ΔH=4850kcal/kmol ΔH5=-16.71×4850=-81044kcal

（6）ΔH6—循环甲铵液升温吸热

物料衡算中甲铵液的组成为：

NH3 523.84kg CO(NH2)2 778.846kg 61.1% CO2 437.63kg 氨水 496.654kg 38.9%

12

H2O 311.53kg 或 其中NH3 185.88kg 含氨37.4% CO(NH2)2 2.5kg H2O 310.774kg 总计 1275.5kg 总计 1275.5kg 100% 取固体甲铵比热Cp=36.3kcal/(kmol·℃) 取37.4%氨水比热1.2kcal/(kg·℃)

36.3Cp=0.611×

78+0.389×1.2=0.751kcal/(kg·℃)

ΔH6=-1275.5×0.751×(150-100) =-47895kcal

（7）ΔH7—甲铵转化成尿素时吸热 尿素在150℃时的生成热为5220kcal/kmol ΔH7=-(16.832-0.042)×5220 =-16.79×5220=-87644kcal

（8）(ΔH8+ΔH9+ΔH10+ΔH15)反应融熔物吸热 据物料衡算得：

CO(NH2)2 1010.04kg CO(NH2)2 1010.04kg 30.2% CO2 433.84kg 或CO2(NH3)2 769.08kg 23.0% NH3 1286.73kg 氨水 1565.47kg 46.8% H2O 613.98kg 其中NH3 951.49kg 含氨60.7% 总计 3344.59kg _ 总计 3344.59kg 100% 混合物比热计算：

取尿素比热Cpu=0.476kcal/(kg·℃)

取甲铵比热Cp=36.4/78=0.465kcal/(kg·℃) 60.7%氨水比热Cp=1.2kcal/(kg·℃)

Cp=0.476×0.302+0.465×0.23＋1.2×0.468＝0.813kcal/(kg·℃)

ΔH8＋ΔH9＋ΔH10＋ΔH15=3344.59×0.813×(190-150)=-108750kcal

（9）ΔH11—循环氨升温吸热

据NH3 I-logP图查得： 在21.658MPa（绝压），132.5℃ i=268kcal/kg 设21.658MPa（绝压），t℃ i=Ikcal/kg ΔH11=765.44(I-268)=765.44I-205138kcal

（10）ΔH12—循环氨气化热

NH3在临界温度下气化时，其热效应为0 ΔH12=0

（11）ΔH13—循环氨升温吸热

在21.658MPa（绝压），132.5℃ i=268kcal/kg 在21.658MPa（绝压），150℃ i=298kcal/kg ΔH13=-765.44×(298-268)=-765.44×30=-22963kcal （12）ΔH14—循环氨与水混合放热

反应融熔物中循环氨于水中形成氨水浓度为60.7%

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最终状态氨水浓度为60.7% 混合热为95kcal/kgNH3 最初状态氨水浓度为37.4% 混合热为157kcal/kgNH3

ΔH14=95×951.49-157×185.8 =90449-29200=61249kcal （13）ΔH16—惰性气体升温吸热 据空气T-S图查得：

在21.658MPa（绝压），125℃ i=67kcal/kg 在21.658MPa（绝压），190℃ i=83kcal/kg ΔH16=-8.12×(83-67)=-130kcal

（14）ΔH17—合成塔热损失（<1%即合规格） 取ΔH17=-13060kcal （15）合成塔热平衡

17因1=0

故 -5880＋(568.31I-240395)＋635983-87895-81044 -47895-87644-108750＋(765.44I-205138) -22963＋61249-130-13060=0 1333.75I=900794-697232=203562 解出I=152.62kcal/kg

查NH3 I-logP图得：t=46℃

亦即氨预热温度为46℃

ΔH2=568.31×(I-423)=-568.31×(423-152.62)=-153643kcal ΔH11=765.44×(I-268)=-765.44×(268-152.62)=-88328kcal

???1?17㈣.合成塔热量平衡表

序号 1 2

收入项目 甲铵生成热 过量氨混合热

kcal

%

序号 支出项目

CO2气降温降压 当量氨降温降压 固体甲铵升温 固体甲铵融熔吸热 循环甲铵液升温 甲铵转化尿素吸热 反应融熔物升温 循环氨升温

（ΔH11+ΔH13） 循环氨气化 惰性气升温 热损失

kcal 5880 153643 87895 81044 47895 87644 108750 111291 0 130 13060 697232

% 0.84 22 12.6 11.60 6.85 12.55 15.55 15.9 0 0.02 2.11 100

635083 91.40 1 61249 9.6 2

3 4

5 6 7 8 9 10 11

总 计

697232 100

总 计

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5、设备的计算和选型

5.1设计条件

5.1.1.CO2转化率：64%

2000005.1.2.生产能力：G=

300=666.667 t/d

5.2设计程序

5.2.1.确定尿素合成塔生产强度

由已知CO2转化率η%查出尿素合成塔生产强度 5.2.2.计算尿素合成塔有效容积

G按下式计算：V=生产强度 m3

5.3计算

5.3.1.已知

①CO2转化率：η=64%

200000②生产能力：G=

300=666.667 t/d

5.3.2.确定合成塔生产强度：

由CO2转化率η%查出尿素合成塔生产强度为11.85 t/(m3·d)

666.6675.3.3.计算尿素合成塔有效容积 V=11.85实际选取70m3，裕度26%

666.667=56.258 m3

实际生产强度为：Vˊ=5.3.4.计算塔高、塔径

70=9.524 t/(m3·d)

由于进塔气体比出塔气体大的多，所以按塔底进料气体计算气相流量。 进塔气体：

CO2 735.06kg 16.71kmol O2 2.89kg 0.09kmol N2 5.14kg 0.1847kmol

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H2O 0.279kg 0.0155kmol _____________________________________ 总计 743.369kg 17.0002kmol 进塔气体密度：

mpm21.56?1000?743.369ρ=V=nRT=17.0002?8.3145?(190?273)=244.8kg/m3 气相流量：

m666.667VS=ρ×3600?24?743.369244.87?5003600?24=0.0262m3/s

空塔气速：u=（0.6-0.8）umax 取u=0.008m/s

4?VS?4?0.0262塔径D=

??u??0.008=2.364m 圆整：D=2.4 m

4?704?V2塔高H=??D=3.1416?2.42=19.9m 圆整：H=20 m

6、全厂平面设计

6.1总平面设计任务和步骤

全厂平面设计为本设计的一项重要任务，总平面设计的是否合理，会直接影响新建厂能否节约而有效地顺利进行，影响到建厂后的生产、管理、成本、能耗、环保等各个方面，同时还影响到全厂的美观和今后的发展。

6.1.1总平面设计任务

（1）在满足生产流程条件下，结合厂区地形情况，经济合理的安排厂内外各建筑物、构筑物等的相对位置。

（2）经济合理的竖向布置，车间布置紧凑，还要为管线的布置预留空间。确定厂内外运输方式、运输布置，合理组织人流、物流。

（3）高标准的绿化美化，创建高级别的卫生、消防条件，创造美好的工作条件。

6.1.2工厂组织

（1）原料车间：包括原料库等。

（2）生产分为：造气车间、净化车间、合成车间、吸收液准备和处理车间。 （3）辅助车间：包括消防、变电所、机修、动力、化验室、控制室等。

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（4）运输设施：包括道路、广场等。

（5）堆场和仓库：包括原料、燃料的露天堆场。 （6）行政管理机构和科研区。 （7）绿化及美化。

6.1.3总平面设计原则

（1）布置之间相互配制符合生产程序的要求，并保证合理的生产作业线；

（2）原材料、半成品、成品的生产作业线应衔接协调，流程疏通，避免交叉和往返； （3）厂内一切运输系统布置应符合于货物运转的特性，并尽可能使货运线路和人员线路不交叉；

（4）适当划分厂区，建筑物之间的距离尽可能缩小，符合防火和卫生技术的要求；

（5）总平面布置还考虑到企业今后发展的方向、与外界的交通联系线路等外部因素的合理安排。在确定了总平面布置原则并绘制总平面布置图后，需估算厂区场地平整、构筑物基础、管沟、路槽地下工程等全厂土石方量，并说明余缺量的走向与来源；

（6）在保证安全生产的前提下力求缩小厂区的占地面积，厂区布置得尽量紧凑，根据生产的特点和技术情况，将工厂设计为以下几区域，并按照区域进行布置，以保证各区域之间位置的协调配合，并符合防火要求和环境美化；

（7）城市地貌、场地四周环境：要使建筑群体布置及空间组合与环境适应，有利于改善城市景观；

（7）地形、地势要因地制宜，充分利用地形，时建筑物由良好的采光和自然通风条件； （8）生产工艺流程必须满足生产要求，时物流线路短捷，运输总量最少，在符合各种防护间距的要求下，合理的紧凑布置。按工艺路线、工作顺序和便于生产上互相联系的要求安排各车间、工作间的位置；

（9）建筑物的布置及运输方式的选择和运输线路布置要合理，线路布置要顺畅且内外适应，尽量避免人货交叉。各主要通道的布局应整齐，应充分照顾到各种运输方式的衔接，尽量避免生产运输线路迂回往复以及跨越生产线的现象。另外，主干道应人车分道，宽度应不小于10m，人车出入的大门必须分开设置。车辆进出的主大门宽不少于12m，净高不小于3.6m。厂门应直接与两条以上道路相连。周边道路（人行道）最小宽度不小于1.2-2.5m，辅助道路宽6m，车间设置消防引道6m，不应迂回曲折；

（10）动力供应及各种工程管线应靠近最大用户或负荷中心，管线布置要短捷，尽量避免相互交叉。变电站要求干燥，不宜放在潮湿的车间楼下。车间办公室和生活间应就进布置在各车间内；

（11）环境保护和绿化布置尽可能减少或消除有害物对环境的影响，对场地进行充分的绿化； （12）对有害物的影响（气体、烟尘、废渣等）采取措施和利用风向避免有害物对其他建筑物及环境的影响，即就是厂前区和防污染车间放在主导风向的上风向，产生气体、烟尘、废渣等的车间及易燃库布置在主导风向的下风向或厂区的边缘。锅炉房不能有泄漏气体吹入。烟囱不能吹向化验室和控制室，噪声大的车间应设在隔开的房间内；

（13）防护要求（火灾、爆炸、振动、噪音、辐射、电磁波等）严格按照各种规范规定的要求，设置防护间距。必要时应对场地进行实测并采取相应的有效措施。

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6.1.4总平面布置评述

（1）生产车间布置：主要生产车间选择3层厂房，便于组织运输各个工序的衔接，以便于生产的自动化和流水线的组合。

（2）辅助车间布置：以生产车间为中心，根据总平面布置原则，综合各种因素对各个辅助车间布置如下：

①维修车间：远离厂区前，降低噪音污染，在主力生产车间附近，便于设备维修； ②锅炉房：布置在用蒸汽较多的地方，且是主导风向的下风向；

③变配电站：靠近电力负荷中心，缩短了电线路线，减少了投资，且在水处理车间的上风向，，煤堆场的平行方向；

④水处理车间：靠近负荷中心，处理每日生产车间所需的工业用水，并提供部分生活用水。 （3）运输设备布置：原料库与成品库设立在主干道边缘，道路设计为：主力干道宽10m，副干道8m，其余路段为6m，这样有利于原料或产品的进厂或出厂，且有利于火灾发生时，消防车的顺利到达出事地点。

（4）堆场和仓库：布置在主导风向的下风向，置于厂区边缘，靠近主生产车间，且位于主力干道边缘。这样有利于原料或产品的进厂或出厂，且有利于火灾发生时，消防车的顺利到达出事地点。

（5）行政管理机构和福利区：办公楼位于厂前区且位于主导风向的上风向。

（6）绿化和美化区：本厂的绿化包括生产区、福利区的绿化带。既有专门的绿化区，也有环绕厂房及其他建筑物的绿化带。绿化带以草坪为主，路旁加种树木。这样，可使厂区空气得以净化，噪音减小，美化和改善了环境的卫生条件。

7.车间布置设计

7.1车间布置设计的意义

车间布置设计室工厂设计中很重要的一环，一个合理的车间布置设计，不仅可以再建设投资经济效益等方面取得良好效果，并且对今后的正常安全生产、车间管理、设备维修、能量利用、物料运输、人流往来等多方面有极大影响。

7.2车间布置得原则

车间平面布置首先必须考虑适合全厂总平面布置得要求，尽可能使各车间的平面布置在总体上达到协调、蒸汽、紧凑、美观和相互融洽，浑为一体。 （1）辅料车间与使用设备靠近。

（2）按节省能源的角度，把设备布置在两面楼层。做到减轻楼层负荷减少输送数量和管道的密度。

（3）合理安排通道以及楼梯的位置。

（4）设备要统一安排，排列整齐，有足够的操作空间。

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7.3车间布置设计与评述

7.3.1关于车间平面布置方案

矩形厂房便于总平面布置，节约用地，有利于设备排列，缩短管道，便于安排交通和出入口，有较多可供自然采光和通风的墙面。

将造气工段和净气工段设在同一个厂房内，其他各工段单独设立车间，各车间有通道连接。 7.3.2关于厂房形式 （1）布置方案的选择

一般的化工工厂，由于生产规模大，车间中各工段联系频繁，车间中各工段的生产特点有明显差异，在符合建筑设计防火规范及工业设计卫生标准的前提下，结合建厂地区的具体情况，各工段间尽量采用分散布置，但对于同一工段，则应该将设备布置得紧凑，以减少物料传输距离，节省材料费用，便于管理维修。 （2）单层或多层厂房

本厂根据生产流程，设计成2层厂房，局部为了固定设备的需要，设计3层。 （3）关于厂房层高

化工厂房层高取决于设备的高低，安置的位置以及安全生产的条件，厂房层高应符合建筑模数制的要求，即0.3m的倍数。本厂根据生产需要，采用9m的层高。 （4）关于厂房柱网和厂房宽度 ①厂房柱网

厂房柱网与车间布置得设计密切相关，就一般而言，跨距大小层高都会有变化，本设计中多层厂房统一采用6×6m的柱网。 ②厂房宽度

厂房宽度一般由以下几个方面决定，各工艺设备所厂房宽度之和，各工艺设备沿厂房宽度方向间距之和，厂房内纵向通道之和及纵墙厚度，主生产车间长42m，宽12m。 7.3.3车间设计布置

（1）保证工艺流程的通畅，即保证工艺流程在水平方向和垂直方向的连续性，以便生产连续正常进行。

（2）考虑合适的设备间距，设备间距过大会增加建筑面积，拉长管道，从而增加建筑和管道的投资，同时操作和管理都不方便。设备间距过小，虽可以节省占地和投资，但会带来操作、安装和维修的困难。

（3）满足生产方便操作，如彼此相连续的各工序的设备，应尽量配置靠近些，以缩短联系它们的输送线路，设备之间尽可能达到自动流送物料，这样可减少输送设备。 （4）满足安装检修拆卸的要求，一般厂房大门的宽度要比所需要通过的设备宽度大0.2m左右，本厂车间大门设计为4m。

（5）考虑运输通道，如每排设备至少一侧要留有通道，大的室内设备在底层还要留有移出通道，并接近主道路布置。通道的宽度取决于运输工具、运输物件的外形尺寸及人流、货流通过量，主干道宽度7-8m，车间通道宽4-5m。

（6）采光和照明 由于车间不设置围墙，车间主要采用天然采光，夜间电灯照明。全选用开启式照明器，用绝缘性能好的灯座，灯管选用透射性能好的镁光灯。

（7）取暖和通风 本厂采用集中供暖式的蒸汽供暖，蒸汽来自于本厂的锅炉房。办公、生活区设有空调。

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8、尿素生产中的安全技术与三废处理

8.1安全生产原则

（1）对厂房建筑物的要求

①采用防爆型厂房

尿素生产中所采用的原料氨，易引起中毒和爆炸，二氧化碳易使人窒息，而整个生产系统处在较高的温度和不同等级的压力下操作，由一定得潜在危险性。如果出现设备泄漏或操作不当，极易发生事故。因此，厂房的建筑形式和特点必须符合防火、防爆、防中毒的特点。采用防爆型厂房，一旦发生事故，易于排泄，便于操作和处理，减少不必要的损失。 ②具有防腐蚀的特点

由于尿素生产是在较高的压力、温度和有腐蚀性的介质中进行的，尿素（或溶液）不仅有腐蚀性，而且对水泥等材料有一定的渗透性，因此对厂房的墙壁和地面都应采用耐腐蚀的材料，如：造粒塔内壁必须加保护层，使用环氧树脂或耐酸砖衬里等，防止过早遭受破环，以延长设备运行周期和使用寿命。

（2）设备必要的消防和防护等安全设施

尿素的生产特点是高温、高压、易燃、易爆、易结晶、易中毒和连续化的多仪表控制的生产操作。应根据上述生产特点，采取相应的防火、防爆、防烫伤、防中毒等安全措施。 设置墙壁消火栓时最常见的灭火措施之一，要保证水源充足，设施完备。此外，在操作现场的指定地点存放专用的灭火器材，如：灭火器、灭火车等。

为了防止大量有毒气体泄漏，避免高温尿素溶液烫伤，在生产岗位附近设立事故柜，存放符合工艺特点的各类防毒面具，胶皮衣、胶鞋、胶皮手套、防护眼镜等，并制定相应的检查制度，以保证防护用具的安全可靠性。 （3）制定操作规程和安全技术规程 ①制定操作规程

在尿素装置投产前，为确保开车和正常生产的顺利进行，必须制定一套完整的科学的符合工艺特点和操作要求的工艺规程及岗位操作法，明确工艺技术和操作方法，供操作人员学习和使用。操作规程一经建立，具有相应的效应。未经有关部门批准，不得擅自更改和变动。 ②建立安全技术规程

树立“安全第一”思想，熟悉和掌握安全技术，时减少甚至避免事故的前提。所说的安全技术规程就是知道安全生成的完整文件，它包括：防火、防爆、防烫伤及动火工作制度，电气、受压容器、高空作业、进入塔罐的安全规定，防毒面具的使用，中毒急救知识等。因此，建立安全技术规程，学习和掌握安全技术十分重要。 ③实行操作人员上岗制度

为了保证生产操作人员具有独立操作和处理事故 能力，确保生产的安全稳定运行，防止不必要的事故发生，在操作人员上岗前必须进行系统的技术培训，熟知和掌握操作规程和岗位操作法，学习和掌握安全技术规程，并实行定期考试制度，经考试合格，方可上岗独立操作。

（4）各工序安全操作要点

①二氧化碳压缩机

必须保证机械设备仪表的正常运行。要控制进口压力在指标范围内，不允许将压缩机进口抽为负压，以致影响供气装置的操作，或抽入空气影响尿素合成反应和操作。各段出口不应超压。压缩机开车升压时要注意气体温度，防止二氧化碳液化、固化，从而造成压缩机事

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