强烈推荐煤合成100wta尿素氨合成工段设计毕业论文设计.docx

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强烈推荐煤合成100wta尿素氨合成工段设计毕业论文设计

本科生毕业论文（设计）

题目

煤合成100wta尿素-氨合成工段设计

二级学院

化学与化工学院

专业

应用化学

学生姓名

学号

年级

指导教师

职称

摘要

尿素作为氮肥中含氮量最高的品种，它在农业和工业及其他方面都有着十分广泛的作用，当然它的需求量也是很大的。

尿素生产经过多年的发展，现已发展成为一种成熟的化工生产工艺。

本设计是以煤为原料年产100万吨尿素中合成氨工序中氨合成工段的设计。

由于资源结构的原因，以煤为原料，成本较低，资源丰富，虽然以煤为原料合成氨存在不少缺点，但近年来，我国技术人员做了大量技术改进，节能、降耗、环境污染等有了很大的进展。

本设计绪论部分主要讲述了尿素的性质、尿素工业的发展情况；设计方案的选择和确定，讲了几种流程方案的比较和建厂的选址；生产流程简述；设计工艺计算主要包括物料衡算和热量衡算；主要设备选型；环境保护与安全措施。

关键字：

尿素；合成氨；工艺选择；能源消耗

abstract

Inthenitrogenfertilizerproducts，ureacontent.Ittheagriculture,industryandotheraspects.Ofcourse,itisalsoingreatdemand.Theproductionofureaisbasedonthesynthesissectionofammonia,whichisapartofthatusecoalasrawmaterialtoproduceurea1milliontonseveryyear.Becausethestructureofresource,takingcoalasrawmaterialisnotonlyusingcoalasrawmaterialsforproductingammonia.Butourtechnicistrecentyears.Itenergysaving,consumptionreduction,environmentpollutionandsoon.Thefirstpartofthisdesignismainlyaboutthenatureoftheureaanditsindustrydevelopmentsituation.Then,thechoiceanddeterminationofdesignscheme;introducesseveralkindsofprocesschemeandmakeacomparison;thelocationofthefactory;thesummaryofproductionprocess.Designprocessmainlyincludematerialbalanceand;Themainequipmentselection;environmentalprotectionandsafetymeasures.

Keywords:

theurea;syntheticammonia;processselection;energy

摘要I

abstractIII

第1章绪论1

1.1尿素的性质、用途及重要性1

1.1.1尿素的性质1

1.1.2尿素的用途1

1.2尿素的发展趋势1

1.3尿素的几中生产方法及特点2

第2章氨的合成3

2.1设计产品所需的主要原料来源、规格3

2.1.1主要原料来源3

2.1.2主要原料规格3

2.2氨合成操作条件的选择4

2.2.1氨合成催化剂4

2.2.2压力4

2.2.3温度4

2.2.4空间速度4

2.3氨合成的工艺流程5

第3章工艺计算7

3.1原始条件7

3.2物料衡算7

3.2.1合成塔物料衡算7

3.2.2氨分离器气液平衡计算8

3.2.3冷交换器气液平衡计算10

3.2.4液氨贮槽气液平衡计算10

3.2.5液氨贮槽物料计算12

3.2.6合成系统物料计算14

3.2.7合成塔物料计算14

3.2.8水冷器物料计算15

3.2.9氨分离器物料计算16

3.2.10冷交换器物料计算16

3.2.11氨冷器物料计算17

3.2.12冷交换器物料计算18

3.2.13液氨贮槽物料计算19

3.2.14物料衡算结果汇总21

3.3热量衡算24

3.3.1冷交换器热量衡算24

第4章主要的设备选型与计算27

4.1合成塔催化剂层设计27

4.2换热器设计30

4.3主要设备选型汇总31

第5章环境保护与安全措施33

5.1环境保护33

5.2安全措施33

5.2.1防火33

5.2.2防爆34

5.2.3防中毒34

5.2.4防烧伤34

5.2.5防机械伤害34

5.2.6防触电34

结论37

参考文献39

致谢41

附录43

第1章绪论

1.1尿素的性质、用途及重要性

1.1.1尿素的性质

尿素，分子式CO（NH2）2,它的学名是碳酰二胺。

物理性质：

相对分子质量为60.06，密度是1.335gcm3，熔点是132.7℃，可溶于水、醇，但不溶于氯仿、乙醚。

纯净的尿素是无色、无味的针状或棒状结晶体，尿素是氮肥中含氮量最高的，含氮量为46.6%。

化学性质：

呈弱碱性，可以和酸作用生产盐。

有水解作用，在常温下，尿素在水中逐渐地进行水解，先转化为氨基甲酸铵（简称甲铵），再形成（NH3）2CO3，最终分解为CO2与氨。

它的水解速度温度升高成正比，同时水解进行更容易。

尿素在高温下还可进行缩合反应，产物为缩二脲、缩三脲、三聚氰酸。

当加热到160℃时，会分解产生氨气同时变为氰酸。

当温度小于60℃时，尿素无论在酸、中或碱性溶液中都不水解[1]。

1.1.2尿素的用途

尿素在工业和农业还有其他方面都有着十分广泛的作用。

在工业上，尿素可用来生产高聚物合成材料，如脲醛树脂。

在农业上可用作肥料，尿素是当前使用的固体氮肥中含氮量最高的化肥。

除此以外，在纺织、炸药、染料等生产中，也都利用了尿素。

国外还用尿素用在环保方面，吸收污染物质，以保护环境[2]。

尿素还有以下用途：

①水稻种植：

在杂交稻技术中，可用尿素代替赤霉素，在孕穗盛期和始穗期使用1.5%-2%的尿素，可提高父母本的异交率和增加杂交稻制种量，同时还不会增加株高。

②调节花量：

为克服苹果的小年，在开花后的5-6周，在其页面上喷洒低浓度的尿素水溶液，可提高叶子的含氮量，使新梢生长，抑制花芽分化。

③疏花疏果：

用尿素对桃进行疏花疏果，但需要一定的浓度，不同的土地也有不同的效果。

④尿素铁肥：

尿素与2价铁生成螯合铁，这是一种成本较低的有机铁肥，可以防止去热帖失绿。

⑤防治害虫：

用尿素、洗衣粉、清水按照一定的比例混合均匀后，可用来防止蔬菜、果树、棉花上的红蜘蛛、菜青虫等害虫[3]。

1.2尿素的发展趋势

直接用二氧化碳和氨制尿素，在20世纪50年代之前都发展的很慢，但后来在尿素生产中的技术问题得到解决后，尿素工业也逐渐发展起来。

20世纪60年代初主要是采用水溶液全循环法，到了70年代就以二氧化碳气提法居多了，直到80年代后期氨气提法等快速发展，生产规模也逐渐增大。

这么多年以来，尽管经过不断的改进，但尿素的生产工艺也没有根本性变化[2]。

2012年2月3日发布的《化肥工业“十二五”发展规划》中提到了，为适应现代农业发展的需要，转变化肥工业发展方式，推进循环经济，加快调整产业结构，发展农化服务业，提高化肥利用效率等。

《化肥工业“十二五”发展规划》在“十一五”化肥工业发展成就的基础上，提出淘汰落后产能、实现磷肥、氮肥完全自给并且可以少量出口及钾肥我国保障能力在60%以上的“十二五”发展目标，尿素作为氮肥中比重最大的产品，肯定会带来新一轮产业升级的发展热潮[4]。

1.3尿素的几中生产方法及特点

目前工业上主要是用氨与二氧化碳直接生产尿素，整个过程包括以下4步：

二氧化碳和氨的供给和净化；二氧化碳和氨反应；反应生产的尿素熔融液和没有反应的分离；尿素熔融液加工成尿素成品。

尿素的生产有几种不同的流程，是根据合成过程中未反应物的利用方式不同。

一、气提法：

在和合成塔等压的条件下，用一种气体介质通过反应液分解出甲胺，并把分解物返回系统使用。

二、气体分离循环法：

用选择性吸收剂吸收CO2和氨，吸收后的溶液再生，CO2和氨吸收后返回合成。

三、水溶液全循环法：

用水吸收没反应的CO2和氨，再返回系统中。

加入的水量较多，CO2和水的摩尔比接近1，称为碳酸铵盐水溶液全循环法；加入的水较少，基本上是以甲铵返回系统，则叫做氨基甲酸铵溶液全循环法。

四、热气循环法：

把没反应的CO2和氨在较高温度下直接加压后，返回系统循环使用。

我国一般选用的是二氧化碳气提法和甲铵水溶液循环法[1]。

第2章氨的合成

2.1设计产品所需的主要原料来源、规格

2.1.1主要原料来源

由于资源结构的原因，在我国以气、油为原料制造氨，其原料成本较高，况且供应也不能保证。

原料选用煤，不仅成本较低，而且来源也更丰富。

目前，已形成以煤为主，油气并存的局面，以煤为原料制氨处于中国主导地位，本设计就是以煤为原料合成氨[5]。

2.1.2主要原料规格

（一）合成塔进塔气体组成

（1）氢氮气

当氢氮比是3时，对于氨合成发应，能得到最大平衡氨浓度，但在动力学角度来看，最适宜氢氮比随着氨含量的不同而变化。

经过生产经验表明，把入塔气体中的氢氮比降到3以下，有利于氨的合成。

最佳氢氮比为2.7-2.9，故可在循环气中有一定的过量氮，而新鲜的氮氢气应根据氮氢比的需要来调节。

（2）惰性气含量

新鲜氮氢气中含有CH4和Ar，以及微量的氦、氖、氪等稀有气体，因为它们不会参与氨合成反应，也不会使催化剂中毒，因此它会积累在系统中。

但维持过低的惰性气又需要排放大量循环气。

惰性气的存在，不管从化学平衡角度还是动力学角度都是不利的。

因此，循环气中惰性气体含量还跟新鲜气惰性气体含量、催化剂活性、操作压力等有关。

（3）氨含量

合成塔出口气中氨分离采用冷凝法，因为此法不可能把气体中的氨全部冷凝下来，所以返回合成塔进口的气体还有一些氨，一般为2%-5%（体积）。

当其他条件确定后，入塔气体中氨含量增加，出塔氨的含量也增加，但因为氨存在会影响氨合成效率，氨含量却减少。

合成塔进口气中初始氨含量的高低取决于氨分离的方法，就冷冻分离氨，初始氨含量与冷凝温度和系统压力有关。

操作压力为30MPa时，一般进塔氨含量控制在3.2%-3.8%[6]。

（二）硫化物和碳氧化物含量

不管用什么原料来制原料气，都会产生一定的硫化物。

即使它的含量不是很高，但对氨的生产有很不利。

硫化物对很多催化剂来说都有毒，H2S会使设备管道腐蚀。

为防止CO和CO2对催化剂的毒害，规定CO和CO2总含量不得多余20ppm[7]。

2.2氨合成操作条件的选择

在选择氨的生产工艺时，要选可以产量高、消耗低的，而且要流程不是很复杂、设备结构简单、安全度高的。

能影响生产条件的有温度、压力、催化剂等。

2.2.1氨合成催化剂

有许多金属，如Ru、Fe、Mo、Mn、W等对氨合成有一定催化作用。

但采用铁系催化剂且加有促进剂的，不仅便宜容易得到，且活性好、使用寿命长，所以应用很多。

氨合成使用的催化剂，是黑色、带有金属光泽的，且有不规则成型的固体颗粒。

至今已有球型颗粒的，虽然容易在空气中受潮，从而使钾盐析出降低活性，但经还原后的催化剂中，FeO被还原为小的活性铁晶体均匀的分布在Al2O3上，就变成了海绵状的结构且孔隙率较大，铁催化剂被还原后若敞在空中会很快被氧化，就没有活性了。

CO2、CO、水蒸气、硫化物等都会使催化剂永远或暂时中毒，何况不同的铁催化剂也有最适宜反应温度、耐热温度和起始活性温度。

2.2.2压力

压力升高，有助于合成氨反应平衡，对反应速率也有利，空间速度确定后，氨出口的浓度和氨净值都随压力增大而增大，进而生产能力就增大，同时氨产率也上升。

压力能反应氨生产过程能量消耗的高低，其中的能量消耗包括氨分离的冷冻功与循环气压缩功。

原料气的压缩功和氨净值随压力升高而增加，那么循环气量会减少，进而循环气压缩功也减少。

氨的分离在压力高的情况下更有利，温度高更有利于氨冷凝成液氨，也降低了冷冻功。

经验表明，当在20-35MPa下消耗的总能量会比较低。

2.2.3温度

氨的合成中要用催化剂，所以在氨的合成过程要在一定的温度范围内进行最好。

在一个温度下，能使某催化剂在此生产条件下使氨的生产率最高，那么这个温度就是最适宜温度，催化剂不同则最佳温度也不同，即使是同种催化剂在不同的时间这个最佳温度也不同。

这个最佳温度也跟空间速度有关，空间速度确定后，氨产率会先随温度的升高而增加，达到最佳温度后，会随温度的升高而降低，每个空间速度对应一个最佳温度。

为了合成最大的氨产率，合成氨的产率随着空间速度的增加而提高，在最适宜温度以外，不管是升温还是降温，氨产率都会降低。

氨产率也会受催化层内温度分布的影响，进催化层的温度高，出催化层的温度低。

因为刚进入催化层的气体中氨含量低，离平衡远，为了提高氨含量要加快合成反应，催化层上面升高温度能加快反应速率。

2.2.4空间速度

在温度、操作压力、入塔气组成确定后，空间速度的增加会使气体通过催化层的速度也增加，这样催化剂和气体接触时间变少，那么出塔气中氨含量降低。

但空间速度增大的幅度比氨净值降低的幅度要大，氨的生产能力随空间速度增大而提高，氨产量也跟着增大。

其余条件确定后，空间速度的增大可以提高催化剂的生产强度，冷冻功也增大，但单位循环气量的氨产量也随之降低，若单位循环气的反应热减少到一定量时，整个合成塔将很难维持“自然”。

2.3氨合成的工艺流程

（一）合成氨工艺流程

本设计采用传统中压氨合成流程（图2-1）。

图2-1传统中压流程简图

1、从合成塔1出来的气体，被水冷器2冷却到差不多30℃，有些氨冷凝后，在氨冷器中分出液氨，为降低惰性气体浓度，循环气在氨冷器中被放出，大部分循环气被循环压缩机4压缩，再进到油分离器，同时也补充新鲜气。

2、气体到了6上面的换热器管内，将从7出来的循环气的能量回收，再通过氨冷器冷至差不多-10℃，把大部分氨冷凝后，再在冷热交换器的下面氨分离段把氨分离出来。

3、分离出液氨的低温循环气经过冷热交换器管间预冷进氨冷器的气体，自身被加热到10-30℃后进入氨合成塔，完成循环过程[8]。

（二）反应热的回收利用

氨的合成反应是放热反应，所以有必要回收并利用这部分反应热。

现在回收利用反应热的方法有很多，现在我们一般都采用把副产蒸汽和氢氮混合气在反应前加热，这样回收的热量较多，且可得副产蒸汽[9]。

第3章工艺计算

3.1原始条件

（1）年产量100wt尿素，通过换算可知需年产113.33wt的液氨，若损失量为5%，则需要氨的年产量为119.29wt，年生产时间扣除检修等时间后按330天计，则产量为：

150.62t（i）

NH3

CH4

H2

N2

Ar

小计

0.16

0.13554

0.50293

0.16764

0.03389

1.00000

查表得当t=35℃，P=29.1MPa时各组分平衡常数：

表3-3各组分平衡常数

KNH3

KCH4

KH2

KN2

KAr

0.098

8.2

27.500

34.500

28.200

设时，带入

：

LNH3==0.07664Kmol

LCH4==0.00147Kmol

LH2==0.00164Kmol

LN2==0.00044Kmol

LAr==0.00011Kmol

L总=

=0.0803Kmol

分离气体量：

计算气液比：

=0.91970.0803=11.4533

再计算液体中各组分含量：

液体中氨的含量：

xNH3=

液体中甲烷的含量：

xCH4=

液体中氢的含量：

xH2==0.001640.0803×100%=2.042%

液体中氮的含量：

xN2==0.000440.0803×100%=0.548%

液体中氩的含量：

xAr==0.000110.0803×100%=0.137%

分离气体组分含量：

气体氨的含量：

yNH3==9.06%

气体甲烷的含量：

yCH4==14.58%

气体氢含量：

yH2==54.51%

气体氮含量：

yN2==18.18%

气体氩的含量：

yAr==3.67%

氨分离器出口的液体、气体含量见表3-4：

3.2.3冷交换器气液平衡计算

查表得当℃,的平衡常数：

表3-4氨分离器出口液体、气体含量（%）

NH3

CH4

H2

N2

Ar

小计

液体含量

95.442

1.831

2.042

0.548

0.137

100

气体含量

9.06

14.58

54.51

18.18

3.67

100

表3-5各组分的平衡常数

KNH3

KCH4

KH2

KN2

KAr

冷交换器出口液体组分含量：

出口液体氨的含量：

xNH3==0.0270.0274×100%=98.54%

出口液体甲烷的含量：

xCH4==0.444%

出口液体氢的含量：

xH2==0.823%

出口液体氮含量：

xN2==0.257%

出口液体氩的含量：

xAr==0.059%

表3-6冷交换器出口液体组分含量（％）

NH3

CH4

H2

N2

Ar

小计

3.2.4液氨贮槽气液平衡计算

因为冷交换器出口中和氨分离器中的液体都流到液氨贮槽，然后通过降低压力后，将溶解在液氨中的气体析出，便是弛放气。

。

G％=

=[（1+0.027）×（0.16-0.0906）][（0.16-0.027）×（1-0.0906）]

=58.928%

水冷之后分离的液氨占总量的58.928%冷交，氨冷后分离的液氨占总量的41.072%。

假定液氨贮槽入口的液体为1Kmol，则记为L0=1Kmol，那么入口的液体混合后组分含量为：

m（0i）==

=0.58928X15i+0.41072X16i

混合后入口氨的含量：

m0，NH3=0.58928×0.95442+0.41072×0.9854=0.96714

混合后入口甲烷的含量：

m0，CH4=0.58928×0.01831+0.41072×0.00444=0.01261

混合后入口氢的含量：

m0，H2=0.58928×0.02042+0.41072×0.00823=0.01541

混合后入口氮含量：

m0，N2=0.58928×0.00548+0.41072×0.00257=0.00428

混合后入口氩的含量：

m0，Ar=0.58928×0.00137+0.41072×0.00059=0.00105

表3-7液氨贮槽入口液体含量

m0，NH3

m0，CH4

m0，H2

m0，N2

m0，Ar

小计

0.96714

0.01261

0.01541

0.00428

0.00105

1.000

当t=17℃，P=1.568MPa时，可得到热平衡常数如下：

表3-8各组分的平衡常数

KNH3

KCH4

KH2

KN2

KAr

0.598

170

575

620

540

由气液平衡L（i）=,设（VL）=0.05,代入得：

出口液体中氨的含量：

LNH3=

=0.96714（1+0.05×0.598）=0.93906Kmol

出口液体中甲烷的含量：

LCH4=

=0.01261（1+0.05×170）=0.00133Kmol

出口液体中氢气的含量：

LH2=

=0.01541（1+0.05×575）=0.00052Kmol

出口液体中氮气的含量：

LN2=

=0.00428（1+0.05×620）=0.00013Kmol

出口液体中氩的含量：

LAr=

=0.00105（1+0.05×540）=0.00004Kmol

L总=

=0.94108Kmol

V==1-0.94108=0.05892Kmol，=0.06261

出口液体中各组分的含量：

出口液体中氨的含量：

xNH3=

出口液体甲烷的含量：

xCH4==

出口液体中氢气的含量：

xH2==0.000520.94108×100%=0.055%

出口液体中氮气的含量：

xN2==0.000130.94108×100%=0.014%

出口液体中氩的含量：

xAr==0.000040.94108×100%=0.004%

表3-9液氨贮槽出口液氨各组分（％）

NH3

CH4

H2

N2

Ar

小计

99.785

0.142

0.055

0.014

0.004

100

出口中弛放气各组分含量：

弛放气中氨的含量：

yNH3=

弛放气中甲烷的含量：

yCH4=

弛放气中氢气的含量：

yH2=

弛放气中氮气的含量：

yN2=

弛放气中氩的含量：

yAr=

表3-10出口弛放气各组分含量（％）

NH3

CH4

H2

N2

Ar

小计

47.658

19.145

25.272

7.043

1.712

100

3.2.5液氨贮槽物料计算

L（19）=1000×22.4（0.99785×17）=1320.486m3

其中NH3：

L（19，NH3）==1320.486×99.785%=1317.647m3

CH4：

L（19，CH4）==1320.486×0.142%=1.875m3

H2：

L（19，H2）==1320.486×0.055%=0.726m3

N2：

L（19，N2）==1320.486×0.014%=0.185m3

Ar：

L（19，Ar）==1320.486×0.004%=0.053m3

假定液氨贮槽出口弛放气（VL）=0.0618，则

V（20）=0.0621×L（19）=0.0621×1320.486=82.002m3

其中NH3：

V（20，NH3）==82.002×47.658%=39.081m3

CH4：

V（20，CH4）==82.002×19.145%=15.699m3

H2：

V（20，H2）==82.002×25.272%=20.724m3

N2：

V（20，N2）==82.002×7.043%=5.775m3

Ar：

V（20，Ar）==