【正文】 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目煤合成100wt/a尿素 氨合成工段設(shè)計(jì)二級(jí)學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院專 業(yè)應(yīng)用化學(xué)學(xué)生姓名學(xué) 號(hào)年級(jí)指導(dǎo)教師職稱 2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)摘要 尿素作為氮肥中含氮量最高的品種，它在農(nóng)業(yè)和工業(yè)及其他方面都有著十分廣泛的作用，當(dāng)然它的需求量也是很大的。尿素生產(chǎn)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)展成為一種成熟的化工生產(chǎn)工藝。 本設(shè)計(jì)是以煤為原料年產(chǎn)100萬(wàn)噸尿素中合成氨工序中氨合成工段的設(shè)計(jì)。由于資源結(jié)構(gòu)的原因，以煤為原料，成本較低，資源豐富，雖然以煤為原料合成氨存在不少缺點(diǎn)，但近年來(lái)，我國(guó)技術(shù)人員做了大量技術(shù)改進(jìn)，節(jié)能、降耗、環(huán)境污染等有了很大的進(jìn)展。 本設(shè)計(jì)緒論部分主要講述了尿素的性質(zhì)、尿素工業(yè)的發(fā)展情況；設(shè)計(jì)方案的選擇和確定，講了幾種流程方案的比較和建廠的選址；生產(chǎn)流程簡(jiǎn)述；設(shè)計(jì)工藝計(jì)算主要包括物料衡算和熱量衡算；主要設(shè)備選型；環(huán)境保護(hù)與安全措施。關(guān)鍵字：尿素；合成氨；工藝選擇；能源消耗 I2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)abstractIn the nitrogen fertilizer products ，urea has the highest nitrogen content. It has widely effect in the agriculture ,industry and other aspects. Of course, it is also in great demand. The production of urea has years of development ,it has developed into a mature chemical process now. This design is based on the synthesis section of ammonia, which is a part of that use coal as raw material to produce urea 1 million tons every year. Because the structure of resource, taking coal as raw material is not only has a low cost, but also has a abundant resources. Although it has some shortings in using coal as raw materials for producting ammonia. But our technicist have done a lot of technical improvement in recent years. It has made great progress in energy saving, consumption reduction, environment pollution and so on. The first part of this design is mainly about the nature of the urea and its industry development situation. Then, the choice and determination of design scheme 。 introduces several kinds of proces scheme and make a parison。the location of the factory。 the summary of production process. Design process mainly include material balance and heat balance calculation。 The main equipment selection 。environmental protection and safety measures.Key words: the urea。 synthetic ammonia 。process selection。 energy III2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)目 錄摘要 Iabstract III第1章 緒論 用途及重要性 1 尿素的性質(zhì) 1 尿素的用途 1 尿素的發(fā)展趨勢(shì) 1 尿素的幾中生產(chǎn)方法及特點(diǎn) 2第2章 氨的合成 3 設(shè)計(jì)產(chǎn)品所需的主要原料來(lái)源、規(guī)格 3 主要原料來(lái)源 3 主要原料規(guī)格 3 氨合成操作條件的選擇 4 氨合成催化劑 4 壓力 4 溫度 4 空間速度 4 氨合成的工藝流程 5第 3 章 工藝計(jì)算 7 原始條件 7 物料衡算 7 合成塔物料衡算 7 氨分離器氣液平衡計(jì)算 8 冷交換器氣液平衡計(jì)算 10 液氨貯槽氣液平衡計(jì)算 10 12 合成系統(tǒng)物料計(jì)算 14 14 水冷器物料計(jì)算 15 氨分離器物料計(jì)算 16 16 氨冷器物料計(jì)算 17 冷交換器物料計(jì)算 18 19 物料衡算結(jié)果匯總 21 熱量衡算 24 冷交換器熱量衡算 24第 4 章 主要的設(shè)備選型與計(jì)算 27 合成塔催化劑層設(shè)計(jì) 27 換熱器設(shè)計(jì) 30 主要設(shè)備選型匯總 31第 5 章 環(huán)境保護(hù)與安全措施 33 環(huán)境保護(hù) 33 安全措施 33 防火 33 防爆 34 防中毒 34 防燒傷 34 防機(jī)械傷害 34 防觸電 34結(jié)論 37參考文獻(xiàn) 39致謝 41附錄 43VI第1章 緒論、用途及重要性 尿素的性質(zhì) 尿素，分子式CO(NH2)2,它的學(xué)名是碳酰二胺。 物理性質(zhì)：，℃，可溶于水、醇，但不溶于氯仿、乙醚。純凈的尿素是無(wú)色、無(wú)味的針狀或棒狀結(jié)晶體，尿素是氮肥中含氮量最高的，%。 化學(xué)性質(zhì)：呈弱堿性，可以和酸作用生產(chǎn)鹽。有水解作用，在常溫下，尿素在水中逐漸地進(jìn)行水解，先轉(zhuǎn)化為氨基甲酸銨（簡(jiǎn)稱甲銨），再形成（NH3)2CO3，最終分解為CO2與氨。它的水解速度溫度升高成正比，同時(shí)水解進(jìn)行更容易。尿素在高溫下還可進(jìn)行縮合反應(yīng)，產(chǎn)物為縮二脲、縮三脲、三聚氰酸。當(dāng)加熱到160℃時(shí)，會(huì)分解產(chǎn)生氨氣同時(shí)變?yōu)榍杷?。?dāng)溫度小于60℃時(shí)，尿素?zé)o論在酸、中或堿性溶液中都不水解[1]。 尿素的用途 尿素在工業(yè)和農(nóng)業(yè)還有其他方面都有著十分廣泛的作用。在工業(yè)上，尿素可用來(lái)生產(chǎn)高聚物合成材料，如脲醛樹(shù)脂。在農(nóng)業(yè)上可用作肥料，尿素是當(dāng)前使用的固體氮肥中含氮量最高的化肥。除此以外，在紡織、炸藥、染料等生產(chǎn)中，也都利用了尿素。國(guó)外還用尿素用在環(huán)保方面，吸收污染物質(zhì)，以保護(hù)環(huán)境[2]。尿素還有以下用途：①水稻種植：在雜交稻技術(shù)中，可用尿素代替赤霉素，%2%的尿素，可提高父母本的異交率和增加雜交稻制種量，同時(shí)還不會(huì)增加株高。②調(diào)節(jié)花量：為克服蘋果的小年，在開(kāi)花后的56周，在其頁(yè)面上噴灑低濃度的尿素水溶液，可提高葉子的含氮量，使新梢生長(zhǎng)，抑制花芽分化。③疏花疏果：用尿素對(duì)桃進(jìn)行疏花疏果，但需要一定的濃度，不同的土地也有不同的效果。④尿素鐵肥：尿素與2價(jià)鐵生成螯合鐵，這是一種成本較低的有機(jī)鐵肥，可以防止去熱帖失綠。⑤防治害蟲：用尿素、洗衣粉、清水按照一定的比例混合均勻后，可用來(lái)防止蔬菜、果樹(shù)、棉花上的紅蜘蛛、菜青蟲等害蟲[3]。 尿素的發(fā)展趨勢(shì) 直接用二氧化碳和氨制尿素，在20世紀(jì)50年代之前都發(fā)展的很慢，但后來(lái)在尿素生產(chǎn)中的技術(shù)問(wèn)題得到解決后，尿素工業(yè)也逐漸發(fā)展起來(lái)。20世紀(jì)60年代初主要是采用水溶液全循環(huán)法，到了70年代就以二氧化碳?xì)馓岱ň佣嗔耍钡?0年代后期氨氣提法等快速發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模也逐漸增大。這么多年以來(lái)，盡管經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)，但尿素的生產(chǎn)工藝也沒(méi)有根本性變化[2]。 2012年2月3日發(fā)布的《化肥工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中提到了，為適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，轉(zhuǎn)變化肥工業(yè)發(fā)展方式，推進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，加快調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)展農(nóng)化服務(wù)業(yè)，提高化肥利用效率等?！痘使I(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》在“十一五”化肥工業(yè)發(fā)展成就的基礎(chǔ)上，提出淘汰落后產(chǎn)能、實(shí)現(xiàn)磷肥、氮肥完全自給并且可以少量出口及鉀肥我國(guó)保障能力在60%以上的“十二五”發(fā)展目標(biāo)，尿素作為氮肥中比重最大的產(chǎn)品，肯定會(huì)帶來(lái)新一輪產(chǎn)業(yè)升級(jí)的發(fā)展熱潮[4]。 尿素的幾中生產(chǎn)方法及特點(diǎn) 目前工業(yè)上主要是用氨與二氧化碳直接生產(chǎn)尿素，整個(gè)過(guò)程包括以下4步：二氧化碳和氨的供給和凈化；二氧化碳和氨反應(yīng)；反應(yīng)生產(chǎn)的尿素熔融液和沒(méi)有反應(yīng)的分離；尿素熔融液加工成尿素成品。尿素的生產(chǎn)有幾種不同的流程，是根據(jù)合成過(guò)程中未反應(yīng)物的利用方式不同。 一、氣提法：在和合成塔等壓的條件下，用一種氣體介質(zhì)通過(guò)反應(yīng)液分解出甲胺，并把分解物返回系統(tǒng)使用。 二、氣體分離循環(huán)法：用選擇性吸收劑吸收CO2和氨，吸收后的溶液再生，CO2和氨吸收后返回合成。 三、水溶液全循環(huán)法：用水吸收沒(méi)反應(yīng)的CO2和氨，再返回系統(tǒng)中。加入的水量較多，CO2和水的摩爾比接近1，稱為碳酸銨鹽水溶液全循環(huán)法；加入的水較少，基本上是以甲銨返回系統(tǒng)，則叫做氨基甲酸銨溶液全循環(huán)法。 四、熱氣循環(huán)法：把沒(méi)反應(yīng)的CO2和氨在較高溫度下直接加壓后，返回系統(tǒng)循環(huán)使用。 我國(guó)一般選用的是二氧化碳?xì)馓岱ê图卒@水溶液循環(huán)法[1]。22013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)第2章 氨的合成 設(shè)計(jì)產(chǎn)品所需的主要原料來(lái)源、規(guī)格 主要原料來(lái)源 由于資源結(jié)構(gòu)的原因，在我國(guó)以氣、油為原料制造氨，其原料成本較高，況且供應(yīng)也不能保證。原料選用煤，不僅成本較低，而且來(lái)源也更豐富。目前，已形成以煤為主，油氣并存的局面，以煤為原料制氨處于中國(guó)主導(dǎo)地位，本設(shè)計(jì)就是以煤為原料合成氨[5]。 主要原料規(guī)格 （一）合成塔進(jìn)塔氣體組成 （1）氫氮?dú)? 當(dāng)氫氮比是3時(shí)，對(duì)于氨合成發(fā)應(yīng)，能得到最大平衡氨濃度，但在動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看，最適宜氫氮比隨著氨含量的不同而變化。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，把入塔氣體中的氫氮比降到3以下，有利于氨的合成。，故可在循環(huán)氣中有一定的過(guò)量氮，而新鮮的氮?dú)錃鈶?yīng)根據(jù)氮?dú)浔鹊男枰獊?lái)調(diào)節(jié)。 （2）惰性氣含量 新鮮氮?dú)錃庵泻蠧H4和Ar，以及微量的氦、氖、氪等稀有氣體，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)參與氨合成反應(yīng)，也不會(huì)使催化劑中毒，因此它會(huì)積累在系統(tǒng)中。但維持過(guò)低的惰性氣又需要排放大量循環(huán)氣。惰性氣的存在，不管從化學(xué)平衡角度還是動(dòng)力學(xué)角度都是不利的。因此，循環(huán)氣中惰性氣體含量還跟新鮮氣惰性氣體含量、催化劑活性、操作壓力等有關(guān)。 （3）氨含量 合成塔出口氣中氨分離采用冷凝法，因?yàn)榇朔ú豢赡馨褮怏w中的氨全部冷凝下來(lái)，所以返回合成塔進(jìn)口的氣體還有一些氨，一般為2%5%（體積）。當(dāng)其他條件確定后，入塔氣體中氨含量增加，出塔氨的含量也增加，但因?yàn)榘贝嬖跁?huì)影響氨合成效率，氨含量卻減少。合成塔進(jìn)口氣中初始氨含量的高低取決于氨分離的方法，就冷凍分離氨，初始氨含量與冷凝溫度和系統(tǒng)壓力有關(guān)。操作壓力為30MPa時(shí)，%%[6]。 （二）硫化物和碳氧化物含量 不管用什么原料來(lái)制原料氣，都會(huì)產(chǎn)生一定的硫化物。即使它的含量不是很高，但對(duì)氨的生產(chǎn)有很不利。硫化物對(duì)很多催化劑來(lái)說(shuō)都有毒，H2S會(huì)使設(shè)備管道腐蝕。為防止CO和CO2對(duì)催化劑的毒害，規(guī)定CO和CO2總含量不得多余20ppm[7]。 氨合成操作條件的選擇 在選擇氨的生產(chǎn)工藝時(shí)，要選可以產(chǎn)量高、消耗低的，而且要流程不是很復(fù)雜、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全度高的。能影響生產(chǎn)條件的有溫度、壓力、催化劑等。 氨合成催化劑 有許多金屬，如Ru、Fe、Mo、Mn、W等對(duì)氨合成有一定催化作用。但采用鐵系催化劑且加有促進(jìn)劑的，不僅便宜容易得到，且活性好、使用壽命長(zhǎng)，所以應(yīng)用很多。 氨合成使用的催化劑，是黑色、帶有金屬光澤的，且有不規(guī)則成型的固體顆粒。至今已有球型顆粒的，雖然容易在空氣中受潮，從而使鉀鹽析出降低活性，但經(jīng)還原后的催化劑中，F(xiàn)eO被還原為小的活性鐵晶體均勻的分布在Al2O3上，就變成了海綿狀的結(jié)構(gòu)且孔隙率較大，鐵催化劑被還原后若敞在空中會(huì)很快被氧化，就沒(méi)有活性了。COCO、水蒸氣、硫化物等都會(huì)使催化劑永遠(yuǎn)或暫時(shí)中毒，何況不同的鐵催化劑也有最適宜反應(yīng)溫度、耐熱溫度和起始活性溫度。 壓力 壓力升高，有助于合成氨反應(yīng)平衡，對(duì)反應(yīng)速率也有利，空間速度確定后，氨出口的