【正文】 第一章 緒論 第一章 緒論尿素是一種有機(jī)化合物，它的化學(xué)名稱為脲(Urea)或者碳酰胺[1] (Diamide)，結(jié)構(gòu)式為NH2CONH2，純尿素是一種無(wú)色無(wú)臭、吸濕性強(qiáng)的呈針狀或斜方棱柱狀的結(jié)晶體。在自然界，尿素主要存在于人及其他食肉脊椎動(dòng)物所排泄的尿液中，是蛋白質(zhì)新陳代謝后元素氮的最終產(chǎn)物。尿素是一種重要的化學(xué)肥料之一，在工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有舉足輕重的地位。尿素屬于中性速效肥料，不含酸根，施于土壤中以后不會(huì)殘留使土壤惡化的酸根，長(zhǎng)期使用不會(huì)引起土質(zhì)變硬、板結(jié)，而且分解出來(lái)的二氧化碳也可為植物吸收。還可以與其它化肥進(jìn)行物理混配或均質(zhì)造粒，以配成多營(yíng)養(yǎng)成分的混合肥料和復(fù)合肥料以滿足不同土質(zhì)、不同作物的需要。另外，尿素在醫(yī)藥、化纖、炸藥、制革等生產(chǎn)中也有應(yīng)用。尿素是人類和動(dòng)物尿液中的一種組分。1868年俄國(guó)化學(xué)家巴扎羅夫在密封管內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間加熱氨基甲酸銨和碳酸氨制成了尿素，為后來(lái)用二氧化碳和氨氣合成尿素指明了方向。各國(guó)研究者對(duì)此反應(yīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，為工業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。這時(shí)獲得應(yīng)用的幾種尿素生產(chǎn)技術(shù)基木上都是采用水溶液全循環(huán)方式[4]，但在不同工序又各有特點(diǎn)。大體上，現(xiàn)代尿素生產(chǎn)工藝流程如下圖：尿素是世界上使用最為廣泛的化學(xué)肥料，其產(chǎn)量居氮肥生產(chǎn)總量的首位[6]。許多國(guó)家都耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力致力于尿素生產(chǎn)系統(tǒng)的研究，如尿素合成反應(yīng)機(jī)理，物系熱力學(xué)性質(zhì)及傳遞性質(zhì)的研究[8]。我國(guó)自五十年代末開(kāi)始發(fā)展尿素工業(yè)，并引進(jìn)、消化、吸收了國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，但國(guó)產(chǎn)尿素?zé)o論是在能耗、物耗還是自動(dòng)控制或者是在內(nèi)生產(chǎn)安全性等方面都與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)有較大差距，而且對(duì)環(huán)境的影響也遠(yuǎn)比國(guó)外嚴(yán)重。水溶液全循環(huán)工藝雖屬60年代技術(shù)水平，但由于我國(guó)尿素工藝研究和工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展過(guò)程中均以該工藝為主，因此積累了工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、操作技術(shù)和生產(chǎn)管理的豐富經(jīng)驗(yàn)[5]，為小氮肥廠改產(chǎn)尿素提供了豐富技術(shù)，使小尿素裝置投產(chǎn)以后即能穩(wěn)定運(yùn)行。引進(jìn)時(shí)的傳統(tǒng)工藝在中壓分解前設(shè)置預(yù)分離器，以減輕一段分解加熱器的負(fù)荷，出預(yù)分離器的氣相單獨(dú)進(jìn)入一吸塔。此工藝的主要缺點(diǎn)是甲銨生成熱沒(méi)有充分利用，而在一、一段分解未反應(yīng)物時(shí)卻需耗用大量蒸汽，吸收時(shí)又用大量冷卻水加以冷卻，(負(fù)荷高時(shí)，)，~。造粒塔造粒的噴頭可以為旋轉(zhuǎn)型，固定型和振動(dòng)型三類形式。造粒塔的通風(fēng)方式有自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)。由于該型塔體較高，塔徑較大，塔內(nèi)空氣速度低，塔頂排出的尿素粉塵含量較少，因而環(huán)境污染較少；另外出于頂部不設(shè)通風(fēng)機(jī)，管理方便，運(yùn)行費(fèi)用低，性能可靠。在國(guó)外亦越來(lái)越多地采用自然通風(fēng)造粒。廣泛使用的是旋轉(zhuǎn)型造粒噴頭。塔。采用機(jī)械通風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)是塔高可以大大降低。其缺點(diǎn)是增加了電耗，空氣攜帶粉塵較多。蒸發(fā)是重要的化工單元操作之一，它在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用十分廣泛。為了保證產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的系統(tǒng)壓力，則蒸發(fā)需要在加壓狀態(tài)下操作。若要回收利用低位熱能，采用真空操作也是有利的，因?yàn)樵谡婵障聼嵩磁c被蒸發(fā)溶液間的溫度差比常壓下增大，從而加速了熱量傳遞過(guò)程。因此，一般無(wú)特殊要求的溶液，采用常壓蒸發(fā)是最佳的。因此，在系統(tǒng)工程中以及蒸發(fā)裝置本身，如何降低能耗，有效地利用各種余熱更加重要。蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)型式種類繁多，應(yīng)結(jié)合具體的蒸發(fā)任務(wù)來(lái)加以選擇[11]。被蒸發(fā)的溶液均具有一定的特性，包括組成、粘性、熱敏性、發(fā)泡性、腐蝕性，以及在蒸發(fā)過(guò)程中是否易結(jié)晶、結(jié)垢，是否含有固體懸浮物等。如對(duì)于高濃度的溶液不適宜于采用升膜式蒸發(fā)器，因?yàn)槠涠握羝魉俨粔?，從而難以形成良好的傳熱膜；高粘度的溶液因流動(dòng)性差，則可選擇刮板薄膜式蒸發(fā)器或強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器。當(dāng)幾種型式的蒸發(fā)器均能適應(yīng)溶液性質(zhì)時(shí)，可結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和可行性確定。為盡量縮短蒸發(fā)加熱時(shí)間，減少尿液蒸發(fā)過(guò)程中副反應(yīng)的發(fā)生，本設(shè)計(jì)的一段，二段蒸發(fā)器都選用升膜蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)。二段分解塔來(lái)的壓力為4kg/cm2，溫度為150℃，操作溫度為98℃的閃蒸槽減壓預(yù)蒸后，98℃的尿液有尿液泵輸送進(jìn)入一段蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)，溫度為130℃的蒸發(fā)氣體和同閃蒸槽的蒸發(fā)氣體進(jìn)入一段蒸發(fā)表明冷凝器后進(jìn)行循環(huán)，溫度為130℃的熔融尿素通過(guò)熔融尿素泵輸送到第二段蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)操作。130℃的熔融尿素進(jìn)入二段蒸發(fā)器蒸發(fā)后溫度提高到140℃尿素進(jìn)一步濃縮后由熔融尿素泵輸送到造粒塔進(jìn)行冷卻造粒制成產(chǎn)品。2， 年操作時(shí)間：8000小時(shí)，三班連續(xù)生產(chǎn)。2．進(jìn)入物料（二段分解塔出口尿液[13]）。（尿+水，其余不計(jì)） 。8. 尿液中所含的游離NH3及CO2通過(guò)一段蒸發(fā)后全部氣化到蒸汽中。 計(jì)算[13] 轉(zhuǎn)化成尿素的均以CO2量為 kmol/t t/h = kmol/h1). 閃蒸槽出口氣體中的CO2 未轉(zhuǎn)化量 蒸出率= （ － ）= kmol/h2). 閃蒸槽出口氣體中的NH3a. 由氨基甲酸銨分解得： 2 = kmol/h 或 kg/hb. 由過(guò)量氨蒸出得： 全部過(guò)量氨：( ＋ ＋) kmol/t t/h = kmol/h蒸出得： 過(guò)量 蒸出率= （－） = kmol/h 或 kg/h總計(jì)： + = kmol/h 或 kg/h3). 閃蒸槽出口溶液組成。 76 ％ = kg/h 或 kmol/h 4). 閃蒸槽出口氣體中的水： 進(jìn) – 出 = – = kmol/h 或 kg/h5). 閃蒸槽物料平衡表 表2. 2 閃蒸槽物料平衡表 基準(zhǔn)：5625kg/h尿素生產(chǎn)收入kg/hkmol/h支出kg/hkmol/h分解塔來(lái)溶液氣體CO2CO2NH3NH3H2OH2O尿素溶液縮二脲CO2NH3H2O尿素 縮二脲總計(jì)2．一段蒸發(fā)器物料衡算：1). 一段蒸發(fā)器內(nèi)生成縮二尿反應(yīng)的計(jì)算：由一段蒸發(fā)器內(nèi)生成縮二尿量由物料平衡條件知：（2—1）1 kg/t = kg/h 或 kmol/h由上方程可得：消耗尿素 ： x = 2 60 247。 103 = kg/h 或 kmol/h2). 一段蒸發(fā)器內(nèi)尿素水解量由物料衡算條件知： 5625 kg/h = kg/h 或 kmol/h（2—2）由方程解之得 ：①．H2O消耗 ： x = 18 247。 60 = kg/h 或 kmol/h③．生成NH3 ： z = 2 17 247。 96 = kg/h 或 kmol/h5). 一段蒸發(fā)器蒸發(fā)蒸汽中的H2O為：進(jìn)入量 － 反應(yīng)量 － 出量 = － － = kg/h 或 kmol/h 表2. 3 一段蒸發(fā)器物料平衡表基準(zhǔn)：5625kg/h尿素生產(chǎn)收入項(xiàng)目kg/hkmol/h支出項(xiàng)目kg/hkmol/h閃蒸槽出口尿液一段蒸汽CO2CO2NH3NH3H2OH2O尿素尿素縮二脲一段后尿液尿素縮二脲H2O總計(jì) 二段蒸發(fā)系統(tǒng)二段蒸發(fā)器的操作壓力：P = Mpa （絕）二段蒸發(fā)后尿素溶液的濃度 ％（重量）1). 二段蒸發(fā)器內(nèi)發(fā)生的縮二脲的計(jì)算：由物料衡算條件知為：2 kg/h = kg/h 或 kmol/h （ 2—3 ）消耗尿素： 120 247。 103 = kg/h 或 kmol/h2）.二段蒸發(fā)器內(nèi)尿素水解反應(yīng)的計(jì)算：尿素水解量： kg/t t/h = kg/h 或 kmol/h由方程（2—2）計(jì)算得：①. 水解生成NH3為：2 = kmol/h 或 kg/h②. 水解生成CO2為： kmol/h 或 kg/h ③. 水解消耗H2O： kmol/h 或 kg/h3). 蒸發(fā)蒸汽組成：蒸發(fā)蒸汽中含CO2： kmol/h 或 kg/h 蒸發(fā)蒸汽中含NH3： ＋ = kmol/h 或 kg/h 4). 二段蒸發(fā)后尿素熔融物組成：蒸發(fā)蒸汽中尿素夾帶尿素量： kg/t t/h = kg