原创尿素蒸发造粒段工艺毕业论文设计.docx
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原创尿素蒸发造粒段工艺毕业论文设计
毕业（设计）论文
45kta尿素蒸发造粒工段工艺初步设计
目录
第一章绪论1
1.1尿素生产技术发展简介1
1.1.1尿素1
1.1.2尿素的工业生产1
1.2尿素生产技术现状2
1.3水溶液全循环工艺2
1.4尿素造粒3
1.5蒸发技术研究及发展情况3
1.6蒸发器的选型与设计原则3
1.7流程方案说明4
1.7.1说明4
1.7.2流程简图5
第二章物料衡算6
2.1任务6
2.2计算依据6
2.2.1工艺计算6
2.2.2工艺流程简图6
2.2.3工艺指标6
2.3计算基准6
2.4一段蒸发系统7
2.4.1条件7
2.4.2计算7
2.4.3一段蒸发器物料平衡表10
2.5二段蒸发系统11
2.5.1条件11
2.5.2计算11
2.5.3二段蒸发器物料平衡表12
第三章热量衡算14
3.1闪蒸槽热量衡算14
3.1.1计算依据14
3.1.2计算条件14
3.1.3热量衡算计算过程14
3.1.4闪蒸槽热量平衡表15
2.2一段蒸发器热量衡算16
3.2.1计算依据16
3.2.2热量衡算计算过程17
3.2.3一段蒸发器热量平衡表19
3.3二段蒸发器热量衡算19
3.3.1计算依据19
3.3.2热量衡算计算过程19
3.3.3二段蒸发器热量平衡表21
第四章设备选型22
4.1闪蒸槽设计选型22
4.1.1操作条件22
4.1.2物料衡算22
4.1.3体积22
4.1.4规格22
4.2一段蒸发器设计选型22
4.2.1已知条件22
4.2.2传热计算23
4.2.3加热室计算26
4.2.4分离室计算27
4.2.5规格与参数27
4.3二段蒸发器设计选型27
4.3.1已知条件27
4.3.2传热计算28
4.3.3加热室计算31
4.3.4分离室计算32
4.3.5规格32
4.4造粒塔32
4.4.1设计条件32
4.4.2性能计算33
4.5附属设备选型36
4.5.1接管选型36
4.5.2泵的选型38
4.5.3造粒器的选型38
第五章主要设备一览表39
设计评述40
参考文献41
致谢42
附 图43
第一章绪论
1.1尿素生产技术发展简介
1.1.1尿素
尿素是一种有机化合物，它的化学名称为脲（Urea）或者碳酰胺[1]（Diamide），结构式为NH2CONH2，分子量为60.06，纯尿素是一种无色无臭、吸湿性强的呈针状或斜方棱柱状的结晶体。
在自然界，尿素主要存在于人及其他食肉脊椎动物所排泄的尿液中，是蛋白质新陈代谢后元素氮的最终产物。
另外，在菠菜、胡萝卜的叶子中及各种植物的幼芽中也有尿素存在。
尿素是一种重要的化学肥料之一，在工农业经济发展中占有举足轻重的地位。
尿素含氮量高达46.65%（质量）[2]，超过任何其它固体氮肥，是一种高效氮肥。
尿素属于中性速效肥料，不含酸根，施于土壤中以后不会残留使土壤恶化的酸根，长期使用不会引起土质变硬、板结，而且分解出来的二氧化碳也可为植物吸收。
尿素的施用及贮藏性能好，不分解，不吸潮，不结块，流动性好，无爆炸性。
还可以与其它化肥进行物理混配或均质造粒，以配成多营养成分的混合肥料和复合肥料以满足不同土质、不同作物的需要。
尿素产量的10%用作工业原料，主要工业用途是生产合成高聚物、塑料、漆料，以及粘合剂。
另外，尿素在医药、化纤、炸药、制革等生产中也有应用。
目前，尿素工业的发展状况己成为衡量一个国家工业化水平高低的一个重要标志。
1.1.2尿素的工业生产
尿素是人类和动物尿液中的一种组分。
1773年化学家鲁埃勒[1]（Rouelle）蒸发尿液时发现的，1824年Prout首次进行了精确分析，得出尿素的实验式，1824年德国化学家武勒[2]（FriedrichWohler）首次用氰酸合成尿素，这是人类第一次用人工方法由无机物合成了有机物。
1868年俄国化学家巴扎罗夫在密封管内长时间加热氨基甲酸铵和碳酸氨制成了尿素，为后来用二氧化碳和氨气合成尿素指明了方向。
到上世纪初，工业规模的合成氨生产开始形成，为合成尿素提供了便宜的氨和二氧化碳原料[3]。
各国研究者对此反应进行了大量的实验研究，为工业化奠定了基础。
进入20世纪60年代后，随着合成氨大型化技术的兴起，与之配套的尿素生产也进入了大型化时代，单套装置的日产能力达到0.5~2.0kt。
这时获得应用的几种尿素生产技术基木上都是采用水溶液全循环方式[4]，但在不同工序又各有特点。
总的方向是:
闭路循环、能量综合利用、单系列、大机组、不断朝向进一步降低成本、降低能耗、提高质量、减少污染的方向发展。
大体上，现代尿素生产工艺流程如下图：
1.2尿素生产技术现状
尿素是世界上使用最为广泛的化学肥料，其产量居氮肥生产总量的首位[6]。
当前，尿素工业的发展状况已成为衡量一个国家工业化水平高低的一个重要标志[7]。
许多国家都耗费大量的人力、物力和财力致力于尿素生产系统的研究，如尿素合成反应机理，物系热力学性质及传递性质的研究[8]。
在工艺流程方面，旧的流程不断得到改进以求能在激烈的竞争中争得一席之地。
我国自五十年代末开始发展尿素工业，并引进、消化、吸收了国外先进技术，但国产尿素无论是在能耗、物耗还是自动控制或者是在内生产安全性等方面都与国外先进技术有较大差距，而且对环境的影响也远比国外严重。
尤其是中国加入WTO后，国内的化肥行业将面临更为严峻的挑战，由于受原料、燃料价格等多种因素的影响，国产尿素的成本较高，欧美等国的优质化肥将陆续进入我国，迫切需要提高我国尿素工业的水平。
1.3水溶液全循环工艺
水溶液全循环工艺虽属60年代技术水平，但由于我国尿素工艺研究和工业生产发展过程中均以该工艺为主，因此积累了工艺设计、设备制造、操作技术和生产管理的丰富经验[5]，为小氮肥厂改产尿素提供了丰富技术，使小尿素装置投产以后即能稳定运行。
小尿素装置发展迅速，是适合我国国情的，充分发挥了原小氮肥厂的优势。
引进时的传统工艺在中压分解前设置预分离器，以减轻一段分解加热器的负荷，出预分离器的气相单独进入一吸塔。
一段分解气（160℃）中含有较高的水蒸气分压，通过一蒸加热器热利用段后进入一吸塔，一甲液返回合成塔，使入塔H2OCO2分子比较高（0.70~0.75）,合成塔CO2转化率在63％。
此工艺的主要缺点是甲铵生成热没有充分利用，而在一、一段分解未反应物时却需耗用大量蒸汽，吸收时又用大量冷却水加以冷却，吨尿素消耗蒸汽设计值为1.7吨（负荷高时，实耗1.5吨），吨尿素汽耗比气提法工艺高0.6~0.7吨。
1.4尿素造粒
到目前为止，直接用于农业肥料的尿素绝大部分是通过造粒塔造粒的，这是最广泛的使用方法；少数人颗粒尿素则是采用流化床造粒设备造粒的。
造粒塔造粒的喷头可以为旋转型，固定型和振动型三类形式。
广泛使用的是旋转型造粒喷头。
造粒塔的通风方式有自然通风和机械通风。
利用空气的热压头进行自然通风的尿素造粒塔始建于20世纪60年代初期。
由于该型塔体较高，塔径较大，塔内空气速度低，塔顶排出的尿素粉尘含量较少，因而环境污染较少；另外出于顶部不设通风机，管理方便，运行费用低，性能可靠。
中国建造的尿素造粒塔大都采用自然通风型。
在国外亦越来越多地采用自然通风造粒。
造粒塔造粒的喷头可以为旋转型，固定型和振动型三类形式。
广泛使用的是旋转型造粒喷头。
造粒塔的通风方式有自然通风和机械通风。
塔。
只有当塔顶安装固定喷头造粒，塔径小而风量要求大或安装粉尘同收设备，要求风压较大时或者是地方当局限制塔的高度时才采用机械通风造粒塔。
采用机械通风的优点是塔高可以大大降低;风速和风压恒定，不受外界气流的影响，有利于造粒过程的优化。
其缺点是增加了电耗，空气携带粉尘较多。
机械通风有塔底送风、塔顶抽风以及塔底送风和塔顶抽风三种型式。
1.5蒸发技术研究及发展情况
蒸发是重要的化工单元操作之一，它在工业生产中的应用十分广泛。
蒸发操作可在加压、常压、真空下进行。
为了保证产品生产过程的系统压力，则蒸发需要在加压状态下操作;对于热敏性物料，为了保证产品质量，在较低温度下浓缩，则需要采用真空操作以降低溶液沸点;若要回收利用低位热能，采用真空操作也是有利的，因为在真空下热源与被蒸发溶液间的温度差比常压下增大，从而加速了热量传递过程。
但由于沸点低，溶液的粘度也相应增大，而且设置真空发生系统，也需要增加设备和动力。
因此，一般无特殊要求的溶液，采用常压蒸发是最佳的。
1.6蒸发器的选型与设计原则
蒸发器是一个大的热能消耗装置，由于能源价格不断地提高。
因此，在系统工程中以及蒸发装置本身，如何降低能耗，有效地利用各种余热更加重要。
多效蒸发依然是研究的重点，其最佳化参数有:
效数、温度差、浓度比、年经营效用和总传热面积等。
蒸发器的结构型式种类繁多，应结合具体的蒸发任务来加以选择[11]。
首先，必须考虑的因素是溶液的物化性质，确保蒸发浓缩产品的质量。
被蒸发的溶液均具有一定的特性，包括组成、粘性、热敏性、发泡性、腐蚀性，以及在蒸发过程中是否易结晶、结垢，是否含有固体悬浮物等。
这些性质对蒸发器的造型起着至关重要的作用。
如对于高浓度的溶液不适宜于采用升膜式蒸发器，因为其二次蒸汽流速不够，从而难以形成良好的传热膜；高粘度的溶液因流动性差，则可选择刮板薄膜式蒸发器或强制循环蒸发器;热敏性的溶液易分解、异构、缩聚等，应选择储液量少、停留时间短的膜式蒸发器；有结晶或易结垢的溶液一般应选用强制循环式或外加热式以避免结晶物附着管壁或结垢:
易发泡的溶液不宜在真空下蒸发，同时应选用升膜式、强制循环式或外加热式等破泡能力强的蒸发器。
当几种型式的蒸发器均能适应溶液性质时，可结合经济性和可行性确定。
其次，传热效果是选用和设计蒸发器应考虑的重要问题，蒸发器所需传热面积的大小，决定着设备费用，在相同的额定生产负荷下，良好的传热效果可节约投资，而在设各面积一定的条件下又可提高生产能力。
为尽量缩短蒸发加热时间，减少尿液蒸发过程中副反应的发生，本设计的一段，二段蒸发器都选用升膜蒸发器进行蒸发。
1.7流程方案说明
1.7.1说明
本设计是尿素蒸发，造粒工段初步设计，蒸发段采用二效串联蒸发，之前用闪蒸槽进行预蒸。
二段分解塔来的压力为4kgcm2，温度为150℃的尿液通过操作压力为0.45kgcm2，操作温度为98℃的闪蒸槽减压预蒸后，98℃的尿液有尿液泵输送进入一段蒸发器进行蒸发，压力为0.272kgcm2，温度为130℃的蒸发气体和同闪蒸槽的蒸发气体进入一段蒸发表明冷凝器后进行循环，温度为130℃的熔融尿素通过熔融尿素泵输送到第二段蒸发器进行蒸发操作。
130℃的蒸发蒸汽由管道输送到二段表面冷凝器进行冷却后，进行循环。
130℃的熔融尿素进入二段蒸发器蒸发后温度提高到140℃尿素进一步浓缩后由熔融尿素泵输送到造粒塔进行冷却造粒制成产品。
1.7.2流程简图
第二章物料衡算
2.1任务
4.5万吨年尿素蒸发造粒
2.2计算依据
2.2.1工艺计算
1，规模：
4.5万吨年。
2，年操作时间：
8000小时，三班连续生产。
3，理论产量：
4.5万吨年=5625kg=117根，列管φ25×2.5，长=2000mm
3．传热面积：
25m2
4．传热系数：
800
4.3二段蒸发器设计选型
4.3.1已知条件
1.操作压力：
P=0.034kgcm2（绝）
2.操作温度：
进入物料：
出料温度：
3.加热蒸汽条件
压力：
P=12.5大气压（绝）
温度：
4.冷凝温度：
冷凝潜热：
5.热负荷：
6.物料平衡数据
进一段加热器尿液浓度：
96％
出一段加热器尿液浓度：
99.7％
7.加热蒸汽用量：
加热蒸汽质量流量：
149138.9÷475=313.98kg=51根，列管φ25×2.5， 长=2000mm
3.传热面积：
10m2
4．传热系数：
800kcal（m2·s。
6．平均粒径1.45mm。
7．喷洒起始温度为140℃，出料温度为70℃。
8．当地大气压力753毫米汞柱，大气温度30℃，g=9.81ms2
9．塔内湿转移系数
。
10．水蒸汽在造粒塔出口的热焓为610kcalkg。
11．假设塔径为10m。
4.4.2性能计算
1.排风温度
2.凝固下段温度
3.颗粒传热面积[13]
4.有传热面积
5.所需颗粒的降落时间
6.速度
因为
取
有塔内空气平均密度
塔内空气平均流速
相对速度：
7.塔高
由喷头条件知：
颗粒在喷孔出口处的垂直速度为0，在τ0=7.5s的落程下，
C=CSU，即a=1，有
最后得
由于颗粒在起始运动是加速运动过程，所以上面的结果一般大于实际值5%
凝固区下界落程
8.校核塔径与喷头是否相合适。
由上可以看到，假设的塔高35米是可以的，从计算结果可以知道颗粒达到塔壁是不断密集颗粒，可以知道到塔底也不会聚集很大数量，对冷却不会有影响，由于在塔底以上6米高度范围内喷洒布满整个塔截面，这对于防止风量沿壁面短路上升而降低有效作用系数是有利的。
4.5附属设备选型
4.5.1接管选型
1．一段蒸发蒸汽进口管
由一段蒸发热量衡算可以知道,需要加热量为:
953871.69kcals
蒸汽进口接管直径为:
d=
m
取直径：
d=100mm
2．一段蒸发进料管
尿液的密度：
ρ=1214㎏m3
料液的性质与水接近取u=0.8ms
Vs=
m3s
d=
m
取直径d=70mm
3．一段蒸发出料管
物料衡算得：
Ws=5881.33kgs
Vs=
m3s
d=
m
取直径d=70mm
4．二次蒸发蒸汽出口管
物料衡算得：
Ws=1623.60kgs
Vs=
m3s
d=
m
取直径d=100mm
5.接管表一览
Dg
管子
法兰
螺栓
dH
s
D
D1
D2
D0
f
b
d
100
114
4
215
180
158
115
3
22
18
4
M16
70
75.5
3.75
180
145
122
77
3
20
18
4
M16
32
42.25
3.25
135
100
78
43
2
16
18
4
M12
4.5.2泵的选型
1．二段熔融尿素泵
类型：
离心泵
型号：
65FN-50A-1
性能：
Q=16m3
2．一段熔融尿素泵
类型：
离心泵
型号：
2FW-6
性能：
Q=20m3
4.5.3造粒器的选型
名称：
喷洒式旋转喷头
材质：
1Cr18Ni9Ti
性能：
H=323,φ200φ60
第五章主要设备一览表
表5.1主要设备一览
序号
名称及规格
型号
主要材料
台数
备注
1
熔融尿素泵（离心泵）
65FN-50A-1
2
一台备用
Q=16m3h
H=68m
2
熔融尿素泵（离心泵）
2FW-6
1
Q=20m3h
H=30m
3
造粒器
1Cr18Ni9Ti
2
一台备用
喷洒式旋转喷头
H=323
φ200φ60
4
闪蒸槽
18-8Ti
1
φ620，H=1250，
V=1.5m3
5
一段蒸发分离器
18-8Ti
1
φ1100，H=2088，
V=2.89m3
6
二段蒸发分离器
18-8Ti
1
φ1000，H=2066，
V=3.514m3
7
一段蒸发加热器
1Cr18NiMo2Ti
1
立式列管
φ25×2n=117
D=600H=2373
8
二段蒸发加热器
立式列管
φ25×2n=51
D=400H=2256
1Cr18NiMo2Ti
1
设计评述
本次的设计的完成是在指导老师的悉心指导和关注下完成的，通过参与这次的毕业设计锻炼我对化工计算、绘图、编辑设计文件、使用规范化手册等基本工作实际能力。
蒸发工艺主要运用于大量的化工产品浓缩过程，例如，芒硝，食盐，药品等等。
蒸发的过程包含了浓缩，结晶，传热，传质等过程。
通过本次毕业设计，让我了解了蒸发工艺的初步设计，以及传质，传热等过程。
让我拥有了比较清晰的设计思路，这对于以后我接触有关蒸发，传热等过程的工艺有极大的帮助。
由于这是初次设计，所以有很多错误和考虑不足的地方；但是通过设计，让我深入的理解了课本知识，树立了科学的设计思路，通过以后在实际中的锻炼，我一定可以做到更好。
杨中进
2007年6月于四川省自贡市
参考文献
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化学工业出版社，1988
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化学工业出版社，1986
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化学工业出版社，1985
[14]中国寰球化学工程公司主编．氮肥工艺设计手册（理化数据）[M]．北京：
石油化学工业出版社，1986
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化学工业出版社，1995
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[17]尾花，英朗．热交换器设计手册（下）[M]．石油工业出版社，1975
致谢
本文的研究工作是在我的导师的精心指导和悉心关怀下完成的，在我的学业和设计的研究工作中无不倾注着导师辛勤的汗水和心血。
导师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。
从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。
在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。
在多年的学习生活中，还得到了许多同学和老师的热情关心和帮助。
在日常学习和生活中，我的师兄弟们给予了我很大帮助。
在此，向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的谢意！
衷心地感谢在百忙之中评阅设计和参加答辩的各位专家、教授！
附 图
1.带主要控制点的工艺流程图.
2.一段蒸发器装备图.
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