【正文】 34 加熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 ................................................................................. 35 結(jié)論 ..............................................................................................................................................36 致謝 .......................................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................................................37 附錄 ..............................................................................................................................................37 I 年產(chǎn) 20 萬(wàn)噸水溶液全循環(huán)法制尿素蒸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 ： 水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素工藝，主要包括六個(gè)方面：原料的壓縮和凈化、尿素的合成、中低壓吸收、解吸及蒸發(fā)造粒。合成塔出來(lái)的合成液中含有尿素、氨基甲酸銨、過(guò)剩的氨和水，再經(jīng)過(guò)循環(huán)回收進(jìn)入合成塔，整個(gè)過(guò)程靠水作為循環(huán)介質(zhì)。本設(shè)計(jì)主要通過(guò)參考工廠數(shù)據(jù)進(jìn)行蒸發(fā)階段的物料及熱量衡算， 可得 出蒸發(fā) 各 階段的出入物料 量及熱 負(fù)荷 ，并對(duì)二段蒸發(fā)加熱器進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)。 水溶液全循環(huán)法制尿素是將未反應(yīng)的氨和二氧化碳用水吸收，并以水溶液的形式返回尿素合成系統(tǒng)，繼續(xù)參加反應(yīng)，生成尿素。難度在于氣液分離的溫度不能太高，以免使生成的尿素分解；液體吸收溫度不能太低，以防出現(xiàn)固體結(jié)晶；返回系統(tǒng)的水量必須控制在最少，否則由于有水進(jìn)入反應(yīng)器，一次通過(guò)的尿素合成率太低，造成大量溶液循環(huán)。它的特點(diǎn)是合成塔內(nèi)轉(zhuǎn)化率高，未反應(yīng)物采用三段減壓分解，動(dòng)力消耗較大，尾氣壓力、溫度均較低，爆炸危險(xiǎn)性小。 農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，肥料是保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可缺少 的基本生產(chǎn)資料，尿素是良好的中性肥料，是固體化肥中含氮量最高的品種，對(duì)土地沒(méi)有殘留的壞效果，并且易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，有良好的穩(wěn)定性。 掌握以液氨為原料，用水溶液全循環(huán)法合成尿素的工藝，及工藝條件的選擇，使尿素的質(zhì)量達(dá)到國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)，滿足工業(yè)和農(nóng)業(yè)的使用要求，實(shí)現(xiàn)純粹的無(wú)色、無(wú)味、無(wú)臭的國(guó)家優(yōu)等產(chǎn)品。尿素溶于水、醇，不溶于乙醚、氯仿，呈微堿性 [3]?？膳c酸作用生成鹽，有水解作用，在酸、堿、酶作用下（酸、堿需加熱）能水解生成氨和二氧化碳。加熱至 160℃ 分解，產(chǎn)生氨氣同時(shí)變?yōu)榍杷?。不僅是用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效氮肥，還可作飼料，而且是工業(yè)中常用的化工原料 [4]。尿素是目前含氮量最高的化肥，含氮量高達(dá) %(質(zhì)量 )[6]，尿素屬中性肥料，長(zhǎng)期施用不會(huì)使土壤發(fā)生板結(jié)。在土壤中尿素能增進(jìn)磷、鉀、鎂和鈣的有效性，且施入土壤中無(wú)殘存廢物。當(dāng)前，尿素工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r已成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)化水平高低的一個(gè)重要標(biāo)志 [7]。 在制藥方面，尿素可用來(lái)制作呋喃西林、脲脂、魯米那、利尿劑等幾十種化學(xué)藥品 [9]。 尿素的質(zhì)量指標(biāo) 尿素的質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn) 下 表 ： 3 表 尿素的質(zhì)量指標(biāo) 指標(biāo)名稱 工業(yè)指標(biāo) 農(nóng)業(yè)指標(biāo) 優(yōu)等 一等 合格 優(yōu)等 一等 合格 顏色 白色 白色或淺色 總氮含量 ,%? 縮二尿含量 ,%? 水分含量 ,%? 鐵含量 ,%? —— —— —— 堿度 ,%? —— —— —— 硫酸鹽含量 ,%? —— —— —— 水不溶物 ,% 0.? 005 —— —— —— 粒度 (φ ～), %? 90 90 90 90 90 90 本章介紹了尿素的性質(zhì)、應(yīng)用領(lǐng)域、符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的尿素質(zhì)量指標(biāo)，對(duì)尿素有了初步的了解，體現(xiàn)出設(shè)計(jì)的目的和意義。于 1962 年半循環(huán)法工藝通過(guò)國(guó)家技術(shù)鑒定后，以此工藝設(shè)計(jì)了兩套 40Kt/a 裝置建于上海吳涇、浙江巨化。 1966年我國(guó)引進(jìn)荷蘭 STAMICARBO 公司的兩套 80Kt/a水溶液全循環(huán)工藝裝置在瀘州天然氣化工廠投產(chǎn)，同時(shí)化四院利用上?；ぱ芯吭簻y(cè)試的水溶液全循環(huán)法工藝技術(shù)數(shù)據(jù)，并借鑒進(jìn)口裝置的設(shè)備結(jié)構(gòu)，自行設(shè)計(jì)了 80 Kt/a 和 110 Kt/a 尿素裝置 (整個(gè)裝置的設(shè)備也均由國(guó)內(nèi)生產(chǎn) )，于 1966 年 11月在石家莊化肥廠投入生產(chǎn)。 上世紀(jì) 70 年代開(kāi)始至 80 年代初，我國(guó)建設(shè) 80～ 110Kt/a 中型規(guī)模的尿素裝置有 32 個(gè)廠， 38 套（包括兩套進(jìn)口），稱前 38 套。第四版是較為完善的一個(gè)版本，如浙江衢化、江西氨廠等都使用此版本建設(shè)。在 “ 七五 ” 和 “ 八五 ” 期間，國(guó)家選定 150 家有較好條件的小氮肥廠改 產(chǎn)尿素，共有 120 多個(gè)廠，其中 18 家廠建有兩套，山東魯西和山西臨猗各建三套，投產(chǎn)裝置中約有 70%的裝置改造至 100t/a 以上，其中還有 150～ 200t/a 規(guī)模的。水力、電力資源豐富的省更占優(yōu)勢(shì)，這樣生產(chǎn)成本低，具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。后 16 套在原小氮肥廠中建設(shè)的多，原中型廠建第二套時(shí)采用氨汽提、 CO2 汽提者為多。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的增產(chǎn)節(jié)能技術(shù)改造，汽耗可降至 1100kg，眾多的原小氮肥廠新建尿素裝置時(shí)仍采用此工藝，其投資低 5 于 CO2 汽提工藝裝置的一半。 本章主要簡(jiǎn)述了中國(guó)水溶液全循環(huán)法制尿素工藝的逐步發(fā)展歷程，過(guò)去幾十年對(duì)水溶液全循環(huán)法制尿素應(yīng)用及技改中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。 6 第 3 章 水溶液全循環(huán)法工藝流程 尿素的合成 原料氣二氧化碳由合成車間凈化工段送來(lái)，在進(jìn)入 CO2 壓縮機(jī)之前，為防止合成循環(huán)系統(tǒng)的腐蝕，加入 CO2 總量的 ％（體積）的氧氣，然后進(jìn) CO2 壓縮機(jī)，經(jīng)五段壓縮機(jī)至 20MPa，溫度約 125℃ 進(jìn)入尿素合成塔。 從一段吸收塔來(lái)的溫度 88~92℃ 的氨基甲酸銨溶液，經(jīng)一段甲銨泵加壓到 20MPa 進(jìn)入合成塔，合成塔操作壓力為 177。2℃ ，在合成塔內(nèi)有 62~3℃ 的 CO2 轉(zhuǎn)化為尿素。實(shí)際上 ，該反應(yīng)分兩步進(jìn)行。反應(yīng)式為： 2NH3（液） + CO2（氣） = NH4COONH2（液） + Q1 （ 32） 這是一個(gè)可逆的強(qiáng)放熱反應(yīng)。 （ 33） 第二步由甲胺脫水生成尿素 反應(yīng)式為： NH4COONH2（液） = CO(NH2)2（液） + H2O（液） ? Q2 （ 34） 這是一個(gè)可逆的微吸熱反應(yīng)。 循環(huán)回收 合成塔反應(yīng)的溶液中 有尿素，氨基甲酸銨，過(guò)剩的氨和水，通過(guò) P4 調(diào)節(jié)閥減壓節(jié)流到 ，進(jìn)入分離器分離過(guò)剩的氨，并分解部分氨基甲酸銨，放出的氣態(tài) CO2 和水由頂部出來(lái)與精餾氣匯合進(jìn)入一段吸收塔底部。 精餾氣和二甲液混合經(jīng)回收熱量后進(jìn)入中壓外冷器，進(jìn)一步吸收其中的 CO2，反應(yīng)生成的熱量經(jīng)溫水冷卻器后由循環(huán)水移走。從吸收塔底部出來(lái)的一甲液溫度 88~92℃ ， NH3/CO2 為 3:1 左右，經(jīng)一段甲胺泵加壓到 20MPa 送入合成塔。 自一段分解他出來(lái)的溶液經(jīng)減壓后，送入二段分解塔頂噴淋，塔內(nèi)上升的氣體被溶液冷卻而減少了氣體中水蒸汽含量，而溶液被加熱到 130℃ 左右，此溶液經(jīng)二段分解加熱器加熱到 150℃ 左右，使氨基甲酸銨進(jìn)一步分解，分離出來(lái)的溶液進(jìn)入閃蒸槽。 蒸發(fā)造粒 從二分塔出來(lái)的尿液進(jìn)入閃蒸槽，在真空條件下 汽 化分離，溶液溫度降至 97~105℃ ，含尿素約 74％（重量）。 一段蒸發(fā)操作壓力壓力為 35~40KPa，溫度約為 130℃ 左右，蒸發(fā)后濃度 ％的尿液進(jìn)入二段蒸發(fā)加熱器，在 5~8KPa 下蒸濃到 ％，蒸汽混合物在二段蒸發(fā)分離器分離，氣體經(jīng)升壓器升壓，進(jìn)入二段蒸發(fā)表面冷凝器冷凝，沒(méi)被冷凝的氣體經(jīng)二段蒸發(fā)噴射泵 A 8 帶入中間冷凝器進(jìn)一步冷凝，中間冷凝器中沒(méi)冷凝的氣體經(jīng)二段水力雙吸泵抽射放空。 蒸濃后分離出來(lái)的熔融尿素經(jīng)尿素熔融泵到造粒塔噴淋造粒在塔底得到成品尿素 [13]，顆粒尿素由造粒塔經(jīng)皮帶運(yùn)輸送往成品庫(kù)進(jìn)行包裝 [14]。 尾氣吸收循環(huán)泵將一段蒸發(fā)冷凝液及系統(tǒng)排放的液體經(jīng)尾氣吸收塔冷卻后送往尾吸收塔頂部做吸收劑用，洗滌下來(lái)的液體流入碳銨液槽，沒(méi) 被吸收下來(lái)的惰性氣體則從塔頂放空。 尿素合成過(guò)程中，因受化學(xué)平衡的限制，進(jìn)入合成塔的 NH3 和 CO2 不可能全部轉(zhuǎn)變?yōu)槟蛩?，其中未轉(zhuǎn)化的氨和 CO2 以氨基甲酸銨和游離氨的形式存在于尿素熔融液中。 采用方法不同，生產(chǎn)尿素工藝流程不同，均可以分為以下四個(gè)步驟： （ 1）原料的凈化和壓縮； （ 2） 尿素的合成； （ 3） 未反應(yīng)物中甲胺的分解，過(guò)量氨的吸收及氨和二氧化碳的回收循環(huán)； （ 4） 尿素溶液的加工。這樣大量的甲胺生成反應(yīng)熱未充分利用，反而需要大量蒸汽和冷卻水。 水溶液全循環(huán)工藝，是將尿素合成反應(yīng)后的物料分兩段減壓加熱，使其中未反應(yīng)的甲胺分解和游離氨解吸出來(lái)，并逐段將 NH3 和 CO2 冷凝成液氨和解吸成甲胺水溶液，用泵將 9 上述物料全部返回合成塔中，循環(huán)利用。文中也闡明了尿素合成的反應(yīng)機(jī)理，最后附 上了水溶液全循環(huán)法尿素蒸發(fā)系統(tǒng)工藝流程 簡(jiǎn) 圖 如下圖 。所設(shè)計(jì)題目的生產(chǎn)條件與實(shí)際生產(chǎn)條件相近，可以使用生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)得到的數(shù)據(jù)做物料衡算。 合計(jì) 5. 每噸成品尿素 CO2 的損失及其分配 11 總損失量： 103 442960 44987785 ??????kg （ 43） 式中 44— CO2 的摩爾質(zhì)量； 2— 每摩爾縮二脲中所消耗 CO2 的摩爾數(shù) 其中： 解吸廢液以尿素形式排出 ； 造粒粉塵以尿素形式排出 ； 成品包裝儲(chǔ)運(yùn)以尿素形式排出 ；一段甲銨泵泄露損失 ； 一段蒸發(fā)冷凝器尾氣損失 ； 尾吸塔尾氣損失 ； 解吸廢液損失 ； CO2 壓縮機(jī)損失（含泄露） 。 CO2 ％ N2 ％ O2 ％ （ 2）壓縮機(jī)吸入壓力： P = ；溫度： T = 40℃ 2. 計(jì)算 （ 1）進(jìn)入 CO2 壓縮系統(tǒng)的干 CO2 氣體量 12 CO2： 785kg O2： 8 5 ??? kg N2： ??? kg 干 CO2 氣體量： 0 8 5 ??? kg （ 2） CO2 氣體帶入水量 H2O： )0 0 5 0 5 ( 0 0 5 ????kg （ 3） CO2 氣體在壓縮系統(tǒng)的損失量（干基） CO2： O2： ??? kg N2： ??? kg （ 4）壓縮后的 CO2 氣體量 (干基 ) CO2： ?? kg O2： ?? kg N2： ? = kg 合計(jì) （ 5）壓縮后的 CO2 氣體含水量 CO2 壓縮機(jī)未設(shè)置五段水冷器，故壓縮后的 CO2 氣體含水量為五段入口 CO2 氣體的飽和水蒸汽含量。 40℃ 時(shí)，水蒸汽壓力 故氣相含水量 ： 8 0)0 0 7 4 ( 0 0 7 5 8 ????kg （ 6） CO2 壓縮機(jī)各段排出水量： H2O ?? kg 尿素合成塔物料衡算 1. 條件 （ 1）尿素合成塔原始物料組成 NH3/CO2 1? (摩爾比 ) H2O/CO2 = （摩爾比） （ 2）操作條件 壓力 P = 177。 2℃ （ 3） CO2 轉(zhuǎn)化率 根據(jù)以上條件可查表得 CO2 轉(zhuǎn)化率 63％ [17] （ 4）原料液氨帶入系統(tǒng)的水量忽略不計(jì)。 尿素合成塔應(yīng)生成尿素量： 尿素 ??? = kg 消耗氨 7 217260 0 1 1 ??? kg 消耗二氧化碳 4 14460 0 1 1 ?? k