毕业设计（论文）年产5万吨水溶液全循环法生产尿素工艺设计

焦作大学 毕 业 设 计（论 文）(化工与环境工程学院) 题 目 年产5万吨水溶液全循环法生产尿素 工艺设计 专 业 应用化工技术 班 级 姓 名 学 号 指导教师 完成日期 2011.03.202011.04.22 化工与环境工程学院毕业设计（论文）目录摘 要1第一章 概述21.1尿素的物理化学性质和用途21.1.1尿素的物理性质21.1.2尿素的化学性质21.1.3尿素的用途21.2 尿素的生产方法简介31.2.1水溶液全循环法31.3两种方法的比较41.3.1水溶液全循环尿素工艺的优、缺点41.2.3 C02汽提法尿素工艺的优、缺点51.3.3尿素的发展前景与展望5第二章 水溶液全循环法生产尿素的原理72.1反应原理72.2反应机理72.2.1尿素合成的基本原理72.2.2反应速度8第三章 水溶液全循环法的生产工艺流程93.1尿素的合成93.1.1液氨和二氧化碳直接合成尿素93.1.2合成尿素的理论基础93.2尿素的工艺流程图93.2.1水溶液全循环法合成尿素工艺流程93.2 合成尿素工艺流程103.3原料的准备113.3.1氨的性质113.3.2二氧化碳123.4原料的净化与输送123.4.1二氧化碳脱硫与压缩原理123.4.2液氨的净化与输送133.5低压分解与吸收133.6尿素溶液的蒸发与造粒13第四章 生产尿素的工艺条件144.1温度的影响144.2氨碳比（摩尔比）或过量氨的影响154.3水碳比154.4操作压力154.5反应时间164.6惰性气体的影响16第五章 生产尿素的主要设备175.1脱硫塔175.2二氧化碳压缩机175.3合成塔185.4高压混合塔185.5中压分解加热器195.6中压分解分离器195.7中压吸收器205.8氨冷凝器205.9低压分解精馏塔225.10低压吸收第一氨基甲酸铵冷凝器225.11低压吸收第二氨基甲酸铵冷凝器225.12氨吸收塔23第六章 物料衡算和热量衡算246.1 物料衡算246.2 热量衡算25致谢28参考文献29II摘 要尿素工业化生产以来的百余年间，一直是肥料工业生产的主要品种。由于具有生产工艺简单，生产操作易于掌握；生产设备容易制造，投资较省；施用后见效快，增产显著等特点。尿素在各种肥料新品种不断涌现的情况下产销量仍持高不下。本设计介绍了尿素的性质、用途、生产方法和发展状况，详细描述了水溶液全循环法生产尿素的工艺流程，重点介绍了尿素的工业生产的过程 ，并对单位质量参加反应的原料进行物料衡算和热量衡算，以期获得低耗能、低污染、高产出的尿素生产工艺。关键词：尿素；全循环；发展；工艺流程第一章 概述1.1尿素的物理化学性质和用途 1.1.1尿素的物理性质分子式：CO(NH2)2，分子量 60.06，因最早由人类及哺乳动物的尿液中发现，故称尿素。纯净的尿素为无色、无味针状或棱柱状晶体，含氮量为46.6%，工业尿素因含有杂质而呈白色或浅黄色，工业或农业品为白色略带微红色固体颗粒无臭无味。密度1.335g/cm3。熔点132.7。超过熔点则分解。尿素较易吸湿，贮存要注意防潮。尿素易溶于水和液氨，其溶解度随温度升高而增大。1.1.2尿素的化学性质易溶于水、醇，不溶于乙醚、氯仿。呈微碱性。可与酸作用生成盐。有水解作用。在高温下可进行缩合反应，生成缩二脲、缩三脲和三聚氰酸。加热至160分解，产生氨气同时变为氰酸。因为在人尿中含有这种物质，所以取名尿素。尿素含氮(N)46，是固体氮肥中含氮量最高的。尿素在酸、碱、酶作用下（酸、碱需加热）能水解生成氨和二氧化碳。对热不稳定，加热至150160将脱氨成缩二脲。若迅速加热将脱氨而三聚成六元环化合物三聚氰酸。（机理：先脱氨生成异氰酸（HN=C=O），再三聚）。在氨水等碱性催化剂作用下能与甲醛反应，缩聚成脲醛树脂。与水合肼生成氨基脲2NH3+CO2NH2COONH4CO(NH2)2+H2O粒状尿素为粒径12毫米的半透明粒子，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。 1.1.3尿素的用途尿素是一种高浓度氮肥，属中性速效肥料，也可用来生产多种复合肥料。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期前48天施用。尿素是目前使用的含氮量最高的化肥。尿素属中性速效肥料，长期施用不会使土壤发生板结。其分解释放出的CO2也可被作物吸收，促进植物的光合作用。在土壤中，尿素能增进磷、钾、镁和钙的有效性，且施入土壤后无残存废物。1.2 尿素的生产方法简介生产尿素的方法有很多种，20世纪60年代以来，全循环法在工业上获得普遍采用，最常用的是水溶液全循环法生产尿素和二氧化碳气提法生产尿素。合成氨生产为NH3和CO2直接合成尿素提供了原料。由NH3和CO2合成尿素的总反应为：2NH3+CO2CO(NH2)2+H2O。该反应是放热的可逆反应，转化率一般为5070%。因此从合成塔出来的尿素溶液中除了尿素外，还有氮和甲铵。按未反应物的循环利用程度，尿素生产方法可分为不循环法、半循环法和全循环法三种。 依气提介质的不同，分别称为二氧化碳气提法、氨气提法、变换气气提法。依照分离回收方法的不同主要分为水溶液全循环法、气提法等。按气提气体的不同又可分为二氧化碳气提法、氨气提法、变换气气提法。1.2.1水溶液全循环法 20世纪60年代以来，全循环法在工业上获得普遍采用。全循环法是将未转化成尿素的氨和二氧化碳经减压加热和分离后。全部返回合成系统循环利用，原料氨利用率达97%以上。全循环法尿素生产主要包括四个基本过程：氨和二氧化碳原料的供应及净化；氨和二氧化碳合成尿素；未反应物的分离与回收；尿素溶液的加工。其生产过程如图1-1所示。图1-1 水溶液全循环法生产尿素工艺流程图1.3两种方法的比较1.3.1水溶液全循环尿素工艺的优、缺点水溶液全循环法是将未反应的氨和二氧化碳,经减压加热分解分离后，用水吸收生成甲铵或碳酸铵水溶液再循环返回合成系统。我国尿素厂多数采用水溶液全循环法。水溶液全循环尿素工艺生产装置的静止高压设备较少，只有尿素合成塔及液氨预热器为高压设备，其它均为中压和低压设备，所以该尿素工艺生产装置的技术改造比较容易、方便，改造增产潜力较大。氨碳比控制的较高，一般摩尔比为4.0左右，工艺介质对生产装置的腐蚀性较低，由于氨碳比控制的较高，二氧化碳气体中氧含量控制的较低，并且尿素合成塔操作压力为19.6MPa，操作温度为188190，所以水溶液全循环生产尿素工艺中二氧化碳转化率较高，一般能达到42%-68%，经过尿素合成塔塔板的改造，有的企业已经达到68%以上。由于该工艺高压设备较少，高压系统停车保压时间可以达到24h，所以生产装置的中小检修一般可以在尿素合成塔允许的停车保压时间内完成，减少了高压系统排放的次数，降低了尿素的消耗。由于氨碳比控制的较高，中低压分解系统温度控制适当，尿素产品质量较容易控制，一般可以控制在优级品范围内。水溶液全循环尿素工艺可靠、设备材料要求不高、投资较低。缺点是：水溶液全循环尿素工艺生产装置的工艺流程较长，在操作调节方面不如CO2气提法生产尿素工艺简单、方便。由于氨碳摩尔比控制得较高，一般稳定在4.0左右，并且未反应生成尿素的氨和二氧化碳气体全部要经过低压、中压循环吸收系统回收后再返回到尿素合成塔，液氨泵和一段甲铵泵的输送量比较多，所以该工艺中液氨泵和一段甲铵泵的台数较多，动力消耗较多。由于该工艺高压系统的操作压力高达19.6 MPa，并且一段甲铵液的工艺要求温度高达90左右，所以一段甲铵泵和液氨泵的运行周期较短、检修维护时间较多、维修费用较高。二氧化碳气体压缩机由于出口压力高达20.0MPa，比CO2汽提法高5.0MPa，故其运行周期也相对较短、维修工作量较多、维修费用较高。水溶液全循环尿素工艺的另一个缺点就是，目前国内在运行的生产装置大多为年产() 104t/a(经过改造后的生产能力)，也有个别厂家经过双尿素合成塔改造后达到了年产3010吨，最近山东化工规划设计院也设计了年产3040万吨尿素的水溶液全循环法生产尿素的装置，但从单套装置的设计生产能力来说，相对于CO2气提法生产尿素工艺的装置还相差较远。1.2.3 C02汽提法尿素工艺的优、缺点气提法是利用某一气体在与合成等压的条件下分解甲铵并将分解物返回合成系统的一种方法。气提法是全循环法的发展，具有热量回收完全，氨和二氧化碳处理量较少的优点。此外，在简化流程、热能回收和减少生产费用筹方面也都优于水溶液全循环法是尿素生产发展的一种方向。CO2气提法尿素工艺生产装置的工艺流程较短，在操作调节方面比较简单、方便。能耗低、生产费用低。该工艺的特点是采用共沸物下的CO(NH2)2摩尔比为2.89作为操作控制最佳指标进行操作，大部分未反应生成尿素的氨和二氧化碳在高压系统内循环继续反应生成尿素，只有较少部分的氨和二氧化碳需要在低压部分进行回收，液氨泵和甲铵泵的输送量比较少，所以该装置中液氨泵和甲铵泵的台数较少，动力消耗较少，并且该工艺高压系统的操作压力较低，为13.514.5MPa，使液氨泵和甲铵泵的运行周期较长，维修费用较少。该工艺能够回收较高品位的甲按反应热，除本系统加热使用外还可剩余少部分富裕低压蒸汽供外系统使用。CO2气提法尿素的另一个优点就是，生产装置的生产能力的范围较宽，运行都很正常稳定。并且荷兰斯塔米卡邦公司最近几年又对该工艺进行了大量研究工作，开发出了单套装置年产100100t/a尿素的尿素池式冷凝器技术。与传统高压甲铵冷凝器不同的是，池式冷凝器可提供一定的停留时间，使甲铵生成尿素的反应在此可达到反应平衡的60%80%，使生产装置产能在原设计能力的基础上翻一番，并且尿素主框架高度降到40m以下，使操作更加方便、动力消耗又有所降低。缺点：CO2气提法生产尿素工艺装置的静止高压设备较多，有尿素合成塔、高压二氧化碳气提塔、高压甲铵冷凝器、高压洗涤器四大主要设备，它们是CO2气提法尿素工艺生产装置的核心，其它均为低压设备，所以该尿素工艺生产装置的技术改造比较困难，改造增产潜力较小。高压二氧化碳气提塔加热需要的蒸汽品质较高，为2.5MPa，不如水溶液全循环尿素需用的蒸汽压力低。1.3.3尿素的发展前景与展望尿素的合成是第一次用人工方法从无机物制得有机化合物。1773年Rouelle在蒸发人尿时第一次发现尿素；1824年，Prout通过分析得出尿素的实验式；1828年德国化学家Wohler在实验室以氰酸和氨制的尿素；1932年美国杜邦公司用直接合成法制取尿素氨水，在1935年开始制造固体尿素，之后又出现了制备尿素的其他方法，包括光气与氨反应、CO2与氨反应、氰胺化钙水解等，由于种种原因，最终都未能实现工业化；唯一成为当代尿素工业化基础的是由氨和二氧化塔合成尿素的反应。1932年，美国DU Pont公司用氨和二氧化碳直接合成尿素并副产氨水；1935年开始生产固体尿素并将未转化物循环回收，逐步形成全循环法工艺。20世纪50年代世界各国推出多种溶液全循环工艺流程，类型有：热气循环法；悬浮液循环法；气体分离循环法；水溶液全循环法等。其中，仅水溶液全循环法成功获得了工业应用：未反应的氨和二氧化碳以气态形式与尿素水溶液分离后，用水吸收为水溶液，再用泵送回系统。其工艺包括气液分离、液体吸收、气体冷凝几个步骤。当时工业化应用较成功的技术有美国Chemico法、Du Pont法和瑞士的Incenta法。另外，法国Pechiney推出未反应物以不同溶剂选择性吸收循环流程。20世纪60年代，尿素工业发展的特点是：其一，尿素装置趁于单系列大型化，装置能力达到1000t/a1500t/a；其二，气提法工艺被广泛采用。气提法是针对水溶液全循环法的缺点而开发的一种工艺，其实质是在与合成反应相等压力条件下，利用一种气体通过反应物系（同时伴有加热）是未反应的氨或二氧化碳被带出。因此，先后出现了二氧化碳气提法（由Stamiearbon开发，使尿素生产的能耗大为降低）；氨气提法（由意大利Snam Progetu开发），1966年建成第一个氨气提法尿素工厂；日本Toyo Koatsu全循环改良C法（合成压力高达25MPa，温度为200，转化率72%）和D法；美国的UTI热循环法。20世纪80年代之后，二氧化碳气提法和氨气提法得到进一步改进、完善；同时世界上著名的尿素公司还开发了其他的先进工艺：意大利的等压双循环工艺（Isobaric Double Recycle，简称IDR）；日本TEC/TMC开发了降低成本和节能新流程ACES（Advancde Process for Cost and Energy Saving）新工艺；瑞士Amonnia Casale开发了分级处理合成液的气提法分流工艺等。与原有二氧化碳气提法相比，具有以下特点：一是采用了新型高效的塔盘；二是开发了卧式池式冷凝器取代原立式高压冷凝器；三是降低了尿素主框架的高度；四是增设了二氧化碳脱氢装置，使二氧化碳气中氢气体积分数由约0.5%降到了500.05 以下，确保尿素洗涤系统安全运行。国内情况是我国尿素的年消耗量约在3000万吨，即使预计今后几年有所增长，大概也不会超过3500万吨。现有的生产能力已经快要达到，我国今后十年内生产尿素都将过剩。本设计主要叙述水溶液全循环法的有关内容。第二章 水溶液全循环法生产尿素的原理水溶液全循环法是将未反应的氨和二氧化碳经减压加热分解分离后，用水吸收生成甲铵或碳酸铵水溶液再循环返回合成系统。2.1反应原理生产尿素的原料是氨和二氧化碳，后者是合成氨厂的副产品。尿素合成反应分两步进行：氨与二氧化碳作用生成氨基甲酸铵(简称甲铵)；甲铵脱水生成尿素，其反应式为： 2NH3+CO2NH2COONH4+159.47kJNH2COONH4CO(NH2)2+H2O-28.49kJ式是快速、强放热反应，且平衡转化率高。式是慢速微吸热的可逆反应，且需要在液相中进行。当温度为170190时，氨与二氧化碳的摩尔比为2.0，压力高到足以使反应物得以保持液态时，甲铵转化成尿素的转化率(以CO2计)为 50%；其反应速率随温度的提高而增大。当温度不变时，转化率随压力的升高而增大，转化率达到一定值后，继续提高压力，不再有明显增大，此时，几乎全部反应混合物都以液态存在。提高氨与二氧化碳的摩尔比，可增大二氧化碳的转化率，降低氨的转化率。在实际生产过程中，由于氨的回收比二氧化碳容易，因此都采用氨过量，一般氨与二氧化碳的摩尔比3。反应物料中水的存在将降低转化率，在工业设计中要把循环物料中的水量降低到最小限度。增加反应物料的停留时间能提高转化率，但并不经济。典型的工艺操作条件是温度180200、压力13.824.6MPa、氨与二氧化碳摩尔比2.84.5反应物料停留时间2540min。2.2反应机理2.2.1尿素合成的基本原理液氨和二氧化碳直接合成尿素的总反应为：2NH3+CO2CO(NH2)2+H2O-103.7kJ。这是一个可逆、放热、体积缩小的反应，反应在液相中是分两步进行的。首先液氨和二氧化碳反应生成甲铵，故称其为甲铵生成反应：2NH3+CO2NH2COONH4。在一定条件下，此反应速率很快，容易达到平衡。且此反应二氧化碳的平衡转化率很高。然后是液态甲铵脱水生成尿素，称为甲铵脱水反应：NH2COONH4CO(NH2)2+H2O。平衡转化率一般为50%70%，此步反应的速率也较缓慢，是尿素合成中的控制速率的反应。2.2.2反应速度从生成尿素的反应机理可知甲铵脱水是反应的控制阶段，但甲铵脱水反应在气相中不能进行，在固相中反应速率较慢，而在液相中反应速率较快，故甲铵脱水生成尿素的反应必须在液相中进行。因此决定反应速率的因素有两个：氨和二氧化碳由气相进入液相的速率液相中甲铵脱水的速率。第三章 水溶液全循环法的生产工艺流程3.1尿素的合成3.1.1液氨和二氧化碳直接合成尿素总反应为：2NH3+CO2CO(NH2)2+H2O-103.7kJ实际上反应是分两步进行的，首先是氨与二氧化碳反应生成氨基甲酸铵：2NH3+CO2NH2COONH4+159.47kJ该步反应是一个可逆的体积缩小的强放热反应，在一定条件下，此反应速率很快，客易达到平衡，且此反应二氧化碳的平衡转化率很高.。然后是液态甲铵脱水生成尿素，称为甲铵脱水反应；NH2COONH4CO(NH2)2+H2O-28.49kJ此步反应是一个可逆的微吸热反应，平衡转化率一般为50%70%，并且反应的速率也较缓慢，是尿素合成中的控制速率的反应。3.1.2合成尿素的理论基础在一定条件，氨基甲酸铵的生成速度是很快的，而氨基甲酸铵的脱水速度则很慢。所以，在合成尿素的生产中，反应时间的长短和尿素合成产率的高低，直接与氨基甲酸铵的脱水速度和尿素合成反应的平衡有关。3.2尿素的工艺流程图3.2.1水溶液全循环法合成尿素工艺流程水溶液全循环法合成尿素工艺流程图如图3-1，经过加压预热的原料液氨与经压缩后的原料二氧化碳气及循环回收来的氨基甲酸铵液一并进入预反应器。在预反应器内氨与二氧化碳反应生成氨基甲酸铵，在进入尿素合成塔，在塔内氨基甲酸铵脱水生成尿素。尿素熔融物从塔顶出来进入预分离器，将氨基甲酸铵和氨进行分离。氨基甲酸铵从预分离器底部出来进入中压循环加热器，用蒸汽加热进一步提高温度，促使残余氨基甲酸铵分解。气、液在低压循环分离器内分离。分离出来的尿液经减压至常压后，进入闪蒸槽，经减压后尿液中的氨基甲酸铵和氨几乎全部清除。自闪蒸槽出来的尿液进入尿液贮槽，用尿素溶液泵打入中压蒸发加热器及低压蒸发加热器，在不同真空度下加热蒸发，气、液分别在中压蒸发分离器及低压蒸发分离器内分离。低压分离器出口尿液浓度达99.7%（质量）以上，用熔融尿素泵打入造粒塔，经造粒喷头撒成尿粒，在塔低得到成品尿素。图3-1 水溶液全循环法合成尿素示意流程图1-预反应器；2-尿素合成塔；3-预分离器；4-中压循环加热器；5-中压循环分离器；6-精馏塔；7-低压循环加热器；8-低压循环分离器；9-闪蒸槽；10-尿素贮槽；11-尿素溶液泵；12-一段蒸发加热器；13-一段蒸发分离器；14-二段蒸发加热器；15-二段蒸发分离器；16-熔融尿素泵； 17-造粒塔 预分离器、中压循环分离器、低压循环分离器及精馏塔顶部出来的氨和二氧化碳，进入回收系统。回收的氨与二氧化碳以液氨或氨基甲酸铵的形式返回合成系统循环使用。一段蒸发分离器、二段蒸发分离器及闪蒸槽出来的气体，大部分水蒸气和少量的氨去冷凝、真空系统，回收残余氨后放空。 3.2 合成尿素工艺流程水溶液全循环法合成尿素工艺流程简图如3-2，由造气炉产生的半水煤气脱碳后，其中大部分的二氧化碳由脱碳液吸收、解吸后，经油水分离器，除去二氧化碳气体中携带的脱碳液，进入二氧化碳压缩机系统，由压缩机出来的二氧化碳气体压力达到16 kg后进入尿素合成塔。从合成氨车间氨库来的液氨进入氨储罐，经过氨升压泵加压进入高压液氨泵，加压至20kg左右，经过预热后进入甲铵喷射器作为推动液，将来自甲铵分离器的甲铵溶液增压后混合一起进入尿素合成塔。尿素合成塔内温度为186190，压力为200kg左右,NH 3/ CO2的摩尔比和H2O/CO2的摩尔比控制在一定的范围内。合成后的气液混合物进入一段分解，进行气液分离，将分离气相后的尿液送入二段分解，进一步见混合物中的气相除去。净化后的尿液依次进入闪蒸槽、一段蒸发、二段蒸发浓缩，最后得到尿素熔融物，用刮料泵输送到尿素造粒塔喷洒器，经图3-2 水溶液全循环法生产尿素工艺流程简图在空气中沉降冷却固化成粒状尿素，并通过尿素塔底机用运输皮带送往储存包装车间。从一段分解、二段分解出来的气相含有未反应的氨和二氧化碳，分别进入一段吸收和二段吸收，氨和二氧化碳被后面闪蒸、一段蒸发、二段蒸发工段冷凝下来的冷凝水吸收混合形成水溶液，用泵送入尿素合成塔；一段吸收后剩余的气体进入惰洗器稀释后，与二段吸收的残余气体混合进入尾气吸收塔，与一段蒸发、二段蒸发工段气相冷凝除去水后残余的气体混合后放空。3.3原料的准备合成尿素的主要原料是液氨和气体二氧化碳，二者分别是合成氨厂的主副产品，所以合成氨和尿素生产装置设在一起，联合生产。3.3.1氨的性质氨的分子式为NH3，分子量为17.03，在常温常压下是无色的具有特殊刺激性的气体，在低温高压下可以液化，当温度低于77.7以下时，氨可以成为具有臭味的无色结晶，其主要物理性质如下：临界温度 132.4临界压力（绝压）MPa 11.15临界比容(m3) 4.26密度（气体在标准状态下）（L） 760尿素生产对液氨质量的要求其质量分数为：氨99.5，水0.5，油10 mg/kg。3.3.2二氧化碳二氧化碳是无色气体，在一定条件下可以液化，在强烈冷却时可以变为固体，成为干冰，其分子式为CO2，分子量为44，其临界压力为7.29MPa，临界温度为31，临界密度为0.486gcm3，标准状态下气体密度为1.997gL,液体的密度为0.9248gcm3，沸点为56.2，熔点为78.48.尿素生产对原料二氧化碳气的要求为：CO2含量98.5%（体积分数）H2S含量15mg/m3。3.4原料的净化与输送3.4.1二氧化碳脱硫与压缩原理3.4.1.1脱硫 原料二氧化碳是合成氨装置生产的副产物，其中含有极少量的硫化物（主要是硫化氢）。为了减少硫化氢对尿素设备及管道的腐蚀，首先必须对其进行脱硫。方法有干法和湿法，干法较常用，可以达到很高的净化度，但只有当空气中的硫化氢含量较低时才能应用（98%（体积），愈纯愈好。第五章 生产尿素的主要设备5.1脱硫塔该塔为圆柱形立式设备，其作用是在加压的条件下（2.0MPa），脱出二氧化碳中的硫化氢。含硫化氢的二氧化碳气体，自上而下通过多层氢氧化铁脱硫剂，发生脱硫反应，从塔的底部流出。为了提高脱硫效率，一般采用多塔并联和串联的组合方式。由于脱硫反应是在常压和加压的条件下进行，故该设备外壳为16Mn材质制作，其结构示意图如图5-1。5.2二氧化碳压缩机二氧化碳压缩机采用对置机体，机体由机身和四个滑道中体组成，常用优质灰铸铁铸造。二氧化碳压缩机中一、二、三段汽缸为双作用夹套式汽缸，用优质灰铸铁制成，夹套中流通冷却水，用以带走部分热量。四、五段汽缸为单作用夹套汽缸，四段汽缸由铸铁制成，五段汽缸由锻钢制成，亦均通入冷却水冷却。为了防止活塞于汽缸咬合，提高汽缸使用寿命，四、五段缸镶有铸铁缸套，其中间有一空隙引入压缩机三段进口气体，称为平衡段，用以平衡活塞力，其结构示意图如图5-2。-19-图5-1 脱硫塔结构简图图5-2 二氧化碳压缩机结构图5.3合成塔合成塔是尿素合成的关键设备之一，液氨与二氧化碳在塔内反应，最后生成尿素。尿素合成塔在较高的压力下操作，因而应符合高压容器要求，工业生高压筒体一般采用较大的高径比。尿素的合成是在较高温度下操作，外壳需要保温，保持热量不扩散。尿素的合成反应需要一段时间，所以塔内需要有足够的空间，反应中不需要外加催化剂和换热装置，所以合成塔为空筒形式，有的内装有塔板，以防物料的返混。尿素合成反应液具有强烈的腐蚀作用，塔内壁采用耐腐蚀材料衬里，现在一般用超低碳奥氏体不锈钢、高铬锰不锈钢或钛作为衬里或内套。外壳为整体锻造或多层钢板卷焊制成的高压圆筒，顶盖于筒体的密封结构，也可以采用强制式的，目前都采用强制式的，其结构图如图5-3。5.4高压混合塔 高压混合塔为锻制圆筒体，有三部分总成：顶盖、底部、筒体。筒体外采用中压出口蒸汽伴管保温。顶盖底盖与筒体材料相同，也是锻制而成，顶盖与出口管相连，关上设有温度点，用以观察物料混合后的温度而判断进料的组分比例。底盖与二氧化碳氨、氨基甲酸铵溶液进口相连，进口管分布为二氧化碳与氨互成180，氨基甲酸铵溶液管则与之互成90，这种分布的混合均匀效果较好。底盖与支座相连，支座图5-3 套筒式合成塔结构简图用地脚螺栓固定在混凝土基础上。5.5中压分解加热器中压分解加热器为立式列管换热器，壳体为碳钢，列管及顶、底盖为不锈钢。中压分解加热器的主要作用是将合成塔出口反应液中未反应的液态游离氨、二氧化碳及氨基甲酸铵加热分解成气相氨与二氧化碳，中压分解加热器如图5-4。图5-4 中压分解加热器 1-尿素合成反应液进口；2-中压分解气液出口；3-加热蒸汽进口；4-冷凝液出口； 5，6-放气阀；7-压力表接管 5.6中压分解分离器中压分解分离器为立式旋风分离装置，气体从切线方向有接管进入器内，产生离心力，液滴依靠重力而下沉。分离后的气体经喇叭形排气管通过不锈钢丝网除沫层，从顶部出口管3排出。设置喇叭形排气管的目的是使气体中冷凝液沿着椎体流向中间，防止冷凝液再被进口气体带走，其结构示意图如图5-5。图5-5 旋风分离器5.7中压吸收器中压吸收塔是将中压分解气体氨和二氧化碳用来自低压吸收的稀氨基甲酸铵液吸收下来，它是水溶液全循环工艺的关键设备之一。中压吸收塔一般为立式设备，分上下两段，下部为鼓泡段，其中有气体分布器和加热与冷却管束。上部是吸收段，也称精洗段。该段有的填环状填料，有的使用浮阀塔板，其结构示意图如图5-6。5.8氨冷凝器氨冷却器的作用是将中压吸收塔塔顶排出的气体氨冷凝成液氨。该设备为卧式列管式热交换器，用碳钢制成。水在管内流动，气氨由冷凝器接管1进入，管见内装折流板15块，气体沿管间曲折通过，冷凝的液氨向下流动。接管7进入液氨缓冲槽。为了将气氨充分冷凝下来，通常串联两个氨冷却器，第一氨冷凝器中未冷凝的气体从图5-6 中压吸收塔图5-7 氨冷凝器结构简图1-人孔盖；2-人孔短节；3-球形封头；4-管箱；5-隔板；6-管板；7-换热管；8-低压壳体；9-折流板；10-支撑板体从接管2排出进入第二氨冷凝器。冷却水与气氨逆向流动。从第二氨冷凝器来的冷却水由接口3进入第一冷凝器后，再经出口接管4排出。冷凝器通冷却水前必须将排气阀5打开，保证冷却水充满列管，提高冷凝效果，其结构图如图5-7。5.9低压分解精馏塔低压分解精馏塔为立式填料塔，该塔的主要作用是：使来自低压分解分离器的气体与中压循环来的进料液进行精馏和换热，从而降低了低压分解加热器的热负荷，也减少了出塔气相水分。低压分解分离器来的气体从塔的下部进入，在填料段与塔顶进料液相逆流接触，换热后，通过不锈钢丝网除沫层，从塔顶气相管排出。5.10低压吸收第一氨基甲酸铵冷凝器低压吸收第一氨基甲酸铵冷凝器是立式不锈钢列管换热器，它的主要作用是把低压分解气及解吸塔来的解吸气冷凝和吸收为稀的氨基甲酸铵，其结构简图如图5-8。 图5-8 低压吸收第一氨基甲酸铵冷凝器1-上管箱；2-上管板；3-出水口；4-壳体；5-换热；6-膨胀节；7-下管板；8-入水口；9-排气口-24-5.11低压吸收第二氨基甲酸铵冷凝器 低压吸收第二氨基甲酸铵冷凝器为立式不锈钢U形管束换热器，它的主要作用是将第一氨基甲酸铵冷凝器未冷凝的残余气氨在此冷凝吸收。5.12氨吸收塔吸收塔是一立式填料塔，它的主要作用是吸收高、低压循环系统尾气中的氨气，其结构如图5-9。图5-9 氨吸收塔第六章 物料衡算和热量衡算6.1 物料衡算年产5万吨水溶液全循环法生产尿素，进料量中NH3 60%，CO230% ,氨基甲铵10%。(1) 计算范围以反应器为计算范围，如图6-1所示。图6-1 尿素物料衡算示意图(2) 反应式为总反应方程式： 2NH3+CO2CO(NH2)2+H2O分步反应方程式：2NH3+CO2NH2COONH4+159.47kJ NH2COONH4CO(NH2)2+H2O-28.49kJ (3) 计算任务 原料消耗量和产物生成量。(4) 选择数据 尿素回收率60%；NH3 的转化率80%；纯循环氨基甲铵90%；CO2的转化率80%；循环氨基甲铵转化率100%。(5) 计算过程 生成尿素的物质的量为 =4900 kmol=294000 kg生成水的物质的量为 4900kmol=88200kg纯循环氨基甲铵的物质的量为4900kmol =382200 kg原料中循环氨基甲铵的物质的量为=5444.4 kmol=424663.2 kg原料的物质的量为=54444.4 kmol进料中NH3的物质的量为60%=32666.7kmol=555333.9kg进料中CO2的物质的量为10%=16333.3kmol=718665.2kg出料中NH3的物质的量为60%(1-80%)=6533.34kmol =111066.78kg出料中CO2的物质的量为30%(180%)=3266.66kmol =143733.04kg出料中环氨基甲铵的物质的量为30%=16333.3kmol=1273997.4kg(6) 列物料衡算表 见表6-1。表6-1 物料衡算表物料名称相对分子质量输入输出质量/ kg物质的量/ kmol质量/ kg物质的量/ kmolNH317555333.932666.7111066.786533.34CO244718665.216333.3143733.043266.66 NH2COONH478424663.25444.41273997.416333.3CO(NH2)2602940004900H2O18882004900总计1698662.354444.41910997.2235933.36.2 热量衡算年产5万吨水溶液全循环法合成尿素中第一反应器的物料衡算数据作热量衡算。(1) 计算任务 输入热量和输出热量。(2) 选择数据 298K标准生成热如下： fHm(CO2)=393.51kJ/mol；fHm（H2O）= 285.838 kJ/mol fHm(NH3)=46.19 kJ/mol；fHm（CO(NH2)2）= 333.19 kJ/mol fHm（NH2COONH4）=21.92 kJ/mol表6-2 各物料的定压热容 （298K时的Cp,m）物料名称Cp,m J/(mol.K)NH335.65CO237.12NH2COONH469.37CO(NH2)26.75H2O33.57根据Cp,m=a+bT+cT或Cp,m=a+bT+cT计算初始温度为25升到180时的Cp,m，热损失为反应放热量的10%。Cp,m(CO2)=44.14+9.04103 4538.5410-54532 =4095164 =4.1103kJ/(mol.K)Cp,m(NH3)=26.79+25.48103453+(1.665)4532 =1.15104kJ/(mol.K) Cp,m（H2O）=30.12+11.3103453 =5.12103kJ/(mol.K)(3) 计算过程 298K反应热效应：rHm()=21.9+393.51+246.19=463.99 kJ/(mol.K)rHm()=285.838333.19+21.9=597.13 kJ/(mol.K)Q (298K)放热=rHm=32666.7103(463.9980%597.1320%) =8.22106MJQ带入=(2940035.65+9799.9837.12+490069.37)298=5.22105kJ=522MJQ带入=(65333.341.15104+3266.664.1103+49005.12103+16333.369.37+49006.75)(453-298) =1224MJQ损失=8.22106MJ10%=8.22105MJQ移出= Q (298K)放热 + Q带入Q带出Q损失 =8.22106MJ+522MJ1224MJ8.22105MJ=7397 MJ(4) 列热量衡算表 见表6-2。表6-2 热量衡算表输入输出项目热量/ MJ项目热量/ MJ反应带入热522反应带出热1224移出热7397298K反应放热8.22106热损失8.22105总计8220522总计830621致 谢三年的大学生活很快就结束了，回味这三年的生活仍然历历在目。还记得年三前刚踏进校门那一刻，我还是一个对大学的所有一切都充满好奇的新生，本次设计能够顺利完成，首先我要感谢我的母校焦作大学，是她为我们提供了学习知识的土壤，使我们在这里茁壮成长；其次我要感谢化工与环境工程学院的老师们，他们不仅教会我们专业方面的知识，而且教会我们做人做事的道理；尤其要感谢在本次设计中给与我大力支持和帮助的成战胜老师，正是在成老师的悉心指导和耐心修改下，我的论文才得以完稿。成老师学识渊博、治学严谨，待人平易近人，在成老师的悉心指导中，我不仅学到了扎实的专业知识，也在怎样处人处事等方面收益很多，同时他对工作的积极热情、认真负责的态度，给我留下了深刻的印象，使我受益非浅。在此我谨向成老师表示衷心的感谢和深深的敬意。感谢所有的任课老师，是你们让我学到了很多知识；教会了我许多专业技能；给我的论文提供了很大的帮助。你们教给我的知识能让我在今后的人生大道更加坦途，让我走得更加自信。在此我衷心地祝愿你们永远健康、快乐。感谢所有的朋友，和你们一起走过的三年是令我一生难忘的三年。与你们的在一起的时光是快乐的。是你们的热情、善良让我变得更加自信、坚强。未来的工作和生活中，我们仍将一路同行。三年，在人生的旅途中，不算太长；但这却是不可重来的珍贵的三年。虽然这三年有很多遗憾，但我并没有虚度。我要再次深深感谢所有的人，祝你们身体健康，工作顺利！谢谢！参考文献1 刘振河.化工生产技术M. 北京：:高等教育出版社,2007年.2王铁牛化学工艺M.北京：化学工业出版社,2007年.3 刘金银氮肥生产工M .北京：化学工业出版社,2005年.4 张文辉氮肥的生产工艺J.磷肥与复肥,1992,(4):70.5 张允湘氮肥及复合肥工艺学M.北京：化学工业出版社,2008年.6王有尿素生产设备腐蚀分析J.中国学术期刊网络出版总库 2002 Vol.23 No.04 9 赵文莲尿素的研究与开发J.郑州大学.2007(5):4251.10赵忠祥氮肥生产概论J.化学工业出版社.1995年.11霍丹群、侯长军尿素性质与尿素品种生产的关系J.四川轻化工学院学报.1995,(06):165176.12化肥工业大全编辑委员会编. 化肥工业大全M.化学工业出版社.1988年.13旷英姿.化学基础M. 化学工业出版社.2005年.14袁一.尿素M. 化学工业出版社.1997年.15王亚平.我国尿素工业发展影响因素及政策J.龙源期刊网.2007年19期.- 30 -