67kta尿素合成和分离工段工艺设计(2)

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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