【正文】 ndustry development situation. Then, the choice and determination of design scheme 。the location of the factory。 The main equipment selection 。 synthetic ammonia 。 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。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，%。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。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)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]。在工業(yè)上，尿素可用來(lái)生產(chǎn)高聚物合成材料，如脲醛樹脂。除此以外，在紡織、炸藥、染料等生產(chǎn)中，也都利用了尿素。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。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。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、棉花上的紅蜘蛛、菜青蟲等害蟲[3]。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?，直?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。 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。 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。 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。 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。 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。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。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]。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。 （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。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。 （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）。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)。 （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。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。 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。 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。 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。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。 壓力能反應(yīng)氨生產(chǎn)過(guò)程能量消耗的高低，其中的能量消耗包括氨分離的冷凍功與循環(huán)氣壓縮功。氨的分離在壓力高的情況下更有利，溫度高更有利于氨冷凝成液氨，也降低了冷凍功。 溫度 氨的合成中要用催化劑，所以在氨的合成過(guò)程要在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行最好。這個(gè)最佳溫度也跟空間速度有關(guān)，空間速度確定后，氨產(chǎn)率會(huì)先隨溫度的升高而增加，達(dá)到最佳溫度后，會(huì)隨溫度的升高而降低，每個(gè)空間速度對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳溫度。氨產(chǎn)率也會(huì)受催化層內(nèi)溫度分布的影響，進(jìn)催化層的溫度高，出催化層的溫度低。 空間速度 在溫度、操作壓力、入塔氣組成確定后，空間速度的增加會(huì)使氣體通過(guò)催化層的速度也增加，這樣催化劑和氣體接觸時(shí)間變少，那么出塔氣中氨含量降低。其余條件確定后，空間速度的增大可以提高催化劑的生產(chǎn)強(qiáng)度，冷凍功也增大，但單位循環(huán)氣量的氨產(chǎn)量也隨之降低，若單位循環(huán)氣的反應(yīng)熱減少到一定量時(shí)，整個(gè)合成塔將很難維持“自然”。 氨合成的工藝流程 （一）合成氨工藝流程 本設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)中壓氨合成流程（圖21）。 氣體到了6上面的換熱器管內(nèi)，將從7出來(lái)的循環(huán)氣的能量回收，再通過(guò)氨冷器冷至差不多10℃，把大部分氨冷凝后，再在冷熱交換器的下面氨分離段把氨分離出來(lái)。 (二）反應(yīng)熱的回收利用 氨的合成反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以有必要回收并利用這部分反應(yīng)熱。 62013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)第 3 章 工藝計(jì)算 原始條件 （1）年產(chǎn)量100wt尿素，若損失量為5%， wt，年生產(chǎn)時(shí)間扣除檢修等時(shí)間后按330天計(jì)，則產(chǎn)量為： （2）新鮮補(bǔ)充氣組成表31 新鮮補(bǔ)充氣組成組分H2N2CH4Ar總計(jì)含量（%）24100 （3）合成塔入口中氨的含量： （4）合成塔出口中氨的含量： （5）合成塔入口中惰性氣體的含量： （6）合成塔的操作壓力： （7）精煉氣溫度： ℃ 物料衡算 該過(guò)程的物料計(jì)算按照?qǐng)D31中的物料點(diǎn)流程計(jì)算，見圖31： 合成塔物料衡算 （1）合成塔入口氣組分： 入塔時(shí)氨的含量: y5，NH3 = % ； 入塔時(shí)甲烷的含量：y5，CH4 = 15%（+）100%= 12% 入塔時(shí)氮的含量：y5，N2 =[100%－（%+15%）] 1/4100%= % 入塔時(shí)氫的含量：y5，H2 =[100%－（%+15%）] 3/4100%= % 入塔時(shí)氬的含量：15%－12%= 3% （2）合成塔出口氣組分： 以100kmol入塔氣為計(jì)算基準(zhǔn)來(lái)計(jì)算出塔氣組分： 計(jì)算塔內(nèi)生成氨含量：MNH3= = 出塔氣量：M8=入塔氣量—生成氨含量=100－= 出塔氨的含量：y8，NH3 = 16% 出塔甲烷含量：y8，CH4==(100/)12%= %.——精煉氣 ； .——合成氣； 13——放空氣 20——弛放氣 ； ——液氨 圖31 計(jì)算物料點(diǎn)流程 出塔氫的含量：y8，H2= 3/4100％ =(1－－－)3/4100％=% 出塔氮的含量：y8，N2=（1－－－) 1/4100％ =% 出塔氬的含量：y8，Ar = =100/3% = % 合成塔的進(jìn)、出口各氣體組分含量見表311： （3）合成率 合成率=100％ = 2 [100(1－－)] 100％ = % 氨分離器氣液平衡計(jì)算 表32 已知氨分離器入口混合物組分m(i)NH3CH4H2N2Ar小計(jì) 查表得當(dāng)t=35℃，P=： 表33 各組分平衡常數(shù)KNH3KCH4KH2KN2KAr 設(shè)時(shí)，帶入： LNH3= = LCH4= = LH2= = L N2= = LAr= = L總= = 分離氣體量： 計(jì)算氣液比：= 再計(jì)算液體中各組分含量： 液體中氨的含量：xNH3= 液體中甲烷的含量：xCH4= 液體中氫的含量：xH2= =100%=% 液體中氮的含量：xN2= =100%=% 液體中氬的含量：xAr= =100%=% 分離氣體組分含量： 氣體氨的含量：yNH3==% 氣體甲烷的含量：yCH4==% 氣體氫含量：yH2==% 氣體氮含量：yN2==% 氣體氬的含量：yAr==% 氨分離器出口的液體、氣體含量見表34： 冷交換器氣液平衡計(jì)算查表得當(dāng)℃, 的平衡常數(shù)：表34 氨分離器出口液體、氣體含量（%）NH3CH4H2N2Ar小計(jì)液體含量100氣體含量100表35 各組分的平衡常數(shù)KNH3KCH4KH2KN2KAr 冷交換器出口液體組分含量： 出口液體氨的含量：xNH3= =100%=% 出口液體甲烷的含量：xCH4==% 出口液體氫的含量：xH2==% 出口液體氮含量：xN2==% 出口液體氬的含量：xAr==%表36 冷交換器出口液體組分含量（％）NH3CH4H2N2Ar小計(jì) 液氨貯槽氣液平衡計(jì)算 因?yàn)槔浣粨Q器出口中和氨分離器中的液體都流到液氨貯槽，然后通過(guò)降低壓力后，將溶解在液氨中的氣體析出，便是弛放氣。 G％= =[(1+）（）]/ [（）（）] =% %冷交，%。 （2）冷氣進(jìn)口溫度 %，所以氨冷器的氣體中，%，假定飽和度是10%，那么可計(jì)算出此冷凝溫度下的平衡量為yNH3=(1+) 100%=%%時(shí)，它的冷凝溫度為t2=10℃，那么冷氣進(jìn)口溫度為10℃[10]。當(dāng)t14=35 ℃，P=，各組分氣體含量及比熱容見表313：表313 各組分含量，比熱容NH3CH4H2N2Ar氣體含量CpCp14=++++= KJ/(Kmol℃)熱氣體帶進(jìn)的熱量Q14=V14Cp14t14=35= KJ/tNH3