万吨每尿素化工厂合成设计方案.docx

1、万吨每尿素化工厂合成设计方案毕业设计题目：10万吨/年尿素化工厂合成工艺设计系别：专业：姓名：学号：指导教师：河南城建学院2018 年 5 月20日河南城建学院毕业设计论文）任务书题目10万吨/年尿素化工厂合成工艺设计系别化学化工系专业化学工程与工艺班级学号学生姓名指导教师发放日期2018年12月19日河南城建学院本科毕业设计+CO2(g=NH4COONH2(l+119.2Kj/molNH4COONH4(l=CO(NH22(l+H2O(l+15.5Kj/mol设计目标:成品尿素组成总碳N）含量%）以干基干）缩二脲含量%）水分含量%）粒度0.8mm2.5mm）%）一级品46.01.00.590二

2、级品46.01.81.090二、主要内容与基本要求：主要内容： 1明确设计任务，查阅文献资料； 2.确定设计方案，通过技术及经济筛选、对比，选定技术先进、经济效益好的设计方案； 3.明确已知条件，工艺参数及计算基准； 4.工艺计算，包括物料衡算及热量衡算，反应釜及吸收塔的工艺和机械强度计算； 5.CAD绘制带控制点流程图、主设备图、物料衡算图）； 6.编写设计说明书。基本要求：对所涉及的化工生产过程的原理，工艺参数，流程，影响因素及控制手段有一定的掌握。按课程设计任务书的条件和要求，根据所学理论知识和技能和积累的素材，自主的，创造性的完成设计的工作。三、计划进度：接受设计任务：1天收集资料：3

3、天制定设计方案提交设计开题报告：5天设计计算：25天设计图纸绘制：15天编制说明书：4天答辩：2天合计：55天四、主要参考文献：塔设备设计上海科学技术出版社化工容器及设备简明设计手册化学工业出版社化工设备设计基础化学工业出版社化工工艺设计手册化学工业出版社化工过程设计化学工业出版社化学工程手册化学工业出版社无机化工工艺学西安交通大学出版社合成氨生产工艺化学工业出版社指导教师签名）：年月日教研室审核意见：建议就任务书的规范性；任务书的主要内容和基本要求的明确具体性；任务书计划进度的合理性；提供的参考文献数量；是否同意下达任务书等方面进行审核。）教研室主任签名：年月日注：任务书必须由指导教师和学生

4、互相交流后，由指导老师下达并交教研室主任审核后发给学生，最后同学生毕业论文等其它材料一起存档。成绩评定成绩评定说明一、答辩前每个学生都要将自己的毕业设计论文）在指定的时间内交给指导教师和评阅教师，由指导教师和评阅教师审阅，写出评语并评分。二、答辩工作结束后，答辩小组应举行专门会议按学校统一的评分标准和评分办法，在参考指导教师和评阅教师评定结果的基础上，评定每个学生的成绩。系对专业答辩小组提出的优秀和不及格的毕业设计论文），要组织系级答辩,最终确定成绩，并向学生公布。三、各专业学生的最后成绩应符合正态分布规律。四、具体评分标准和办法见河南城建学院毕业设计论文）工作管理规程。毕业设计论文）成绩评定

5、班级 姓名 学号综合成绩： 分折合等级 ）答辩小组组长签字 年 月 日指导教师评定意见一、评语：二、评分：1）理工科评分表评分工程工作态度与纪律10分）毕业设计论文）完成任务情况与水平40分）数据处理、文字表达10分）基础理论和基本技能20分）创新能力20分）合计100分）评分2）文科评分表评分工程文献阅读与文献综述20分）外文翻译10分）论文撰写质量40分）学习态度10分）论证能力与创新20分）合计100分）评分指导教师签字：年月日评阅教师评定意见一、评语：二、评分：评分工程规范化程度10分）数据处理、文字表达10分）质量正确性、条理性、创造性、实用性）40分）成果的技术水平科学性、系统性）

6、40分）合计100分）评分评阅教师签字：年月日答辩小组评定意见一、评语：二、评分：评分工程完成任务情况20分）毕业设计论文）质量40分）表达情况15分）回答问题情况25分）合计100分）评分答辩小组成员签字：年月日毕业答辩说明1、答辩前，答辩小组成员应详细审阅每个答辩学生的毕业设计论文），为答辩做好准备，并根据毕业设计论文）质量标准给出实际得分。2、严肃认真组织答辩，公平、公正地给出答辩成绩。3、指导教师应参加所指导学生的答辩，但在评定其成绩时宜回避。4、答辩中要有专人作好答辩记录。设计说明本设计采用水溶液全循环法，使用氨和二氧化碳直接合成尿素，是将未转化成尿素的氨和二氧化碳经减压加热和分离后

7、，用水吸收生成甲铵或碳酸铵水溶液，然后全部返回合成系统循环利用，原料氨利用率可达97%以上。水溶液全循环法主要包含以下步骤：1）二氧化碳的压缩与净化，2）氨的输送及尿素的合成，3）循环回收，4）尿素溶液加工， carbon dioxide compression and purification, (2 delivery of ammonia and urea synthesis, (3 recycling, (4 of the urea solution processing, (5 process condensate distribution and desorption step sy

8、nthesis of urea, and focus on how the conversion rate of increase in carbon dioxide carbon dioxide, reducing the circulation rate, reduce energy consumption and improve urea quality.Process analysis of the first materials in accordance with the process parameters and standards within the urea reacto

9、r and the condenser heat balance。 followed by the desorption tower and other equipment used to heat and mass transfer equations, the solution property data and other knowledge of tower body the overall structural design and calculations, design the desorption Tata diameter 0.8m high tower, 11.16m。 d

10、esorbers the necessary strength check。 finally draw the master map and process flow diagram.Key words: urea, water solution full recycles method, material balance, heat balance calculation, equipment主要符号说明A传热面积，m2hw内堰高度, mA每根管子的沸腾面积,m2K传热系数 kJ/(m2sCAb液流面积,m2Kc阻力系数Af降液管截面积,m2L液流量 m3/hA全塔截面积,m2L流道长度 m

11、Aw全塔截面积,m2Ll流体沿管周的喷淋密度kg/(msA液相流经内堰时的最窄断面,m2Ls液相流量m3/sB折流板间距,ml管长mCp液体的比热容,KJ/(kmolCl 堰长mD塔径，mlw堰长 mde当量直径,mm每层塔板泡罩个数dl管内径,mm1换热器内换热管垂直列数do管外径,mn换热管总数或塔板数E液流收缩系数,ne壳体中心线上排列管数Ev雾沫夹带量, kg/kg气Nu努赛特准数F流道自由界面,m2P压力 MpaF动能因素,Pr普兰特准数F1泡罩升气管面积,m2Q设备设负荷 kJ/hF4泡罩的齿缝总面积,m2q单位热负荷 Kj/(m2sFt温度校正系数,R污垢热阻m2sC/kJG气体

12、的重量速度,kg/( m2sR1弯管的曲率半径,M G尿素生产能力,t/hRc冷流体侧的污垢热阻, m2sC/kJH 管子高度,mRe雷诺准数,HT踏板间距,mRh热流体侧的污垢热阻, m2sC/kJHd降液管内液层高度m流体密度 kg/m3h 齿缝高,mr梯形的顶边与底边之比ho降液管底部至下一块踏板的距离,mrh水力半径 mhl有效液层阻力,m液柱L液相密度 kg/m3h2蒸汽冷凝热， kJ/kgV气相密度 kg/m3ha泡罩的局部阻力，m液柱hd液相流出降液管的局部阻力，m液柱hd1降液管底部的阻力，m液柱 h内堰的阻力，m液柱hds动液封,m液柱hf堰顶端到降液管内液面的距离,mhow

13、堰上溢流高度, m hp通过每层塔板的气相总压降，m液柱hr泡罩帽缘安全高度,mhs齿缝开度, mhss静液封,mhT 外堰高度, mhW 泡罩下缘距踏板间距,mtm冷流体平均温度, C进出口堰之间的液面梯度,m T 热流体温差, Ct 有效平均温差Ct两流体之间的温度差,CP 压力降 kg/cm3液体在降液管中的停留时间,s 他的积液排空时间 s表面张力 N/h塔的倾斜角度光壁厚度 m流体导热系数kJ/( m2sC 流体粘度 kgs/m21引言1.1尿素的物化性质和用途1.1.1尿素的物理性质尿素分子量 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

14、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。固体尿素相对密度，2040，1.335g/cm3。熔点，标准大气压下，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尿素的化学性质尿素分子式：CO (NH22尿素结构式：1）尿素的酸碱性尿素呈微碱性，可与酸作用生成盐，但因其碱性较弱，不能使一般的指示剂改变颜色。2）尿素的水解反应尿素的水解反应，最初是尿素转化为氨基甲酸铵，而后形成碳酸铵，最后分解成氨和二氧化碳：总反应式为：在60以下尿素在酸性、碱性或中性溶液中不发生

15、水解反应。但是随着温度的升高，水解速率加快，水解程度增大。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

16、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。1.2.2 CO2气提法2 % J- L5 C。 c w所谓气提法就是用气提剂如CO2、氨气、变换气或其他惰性气体，在一定压下加热，促进未转化成尿素的甲铵的分解和液氨气化。气提分解效率受压力、温度、液气比及停留时间的影响，温度过高会加速氨的水解和缩二脲的增加，压力过低，分解物的冷凝吸收率下降。气提时间愈短愈好，可防止水解和缩合反应。故气提法是采用二段合成原理，即液氨和气体CO2在高压冷凝器内进行反应生成甲铵，而甲铵的脱水反应则在尿素合成塔中进行。

17、实际上，为了维持合成尿素塔的反应温度，部分甲铵的生成留在合成塔中，而不是全部在高压冷凝器中完成。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

18、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C

19、O2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，

20、目前国内在运行的生产装置大多为年产(1020 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。1.3.2 CO2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

21、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(NH22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

22、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M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

23、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

24、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