1、2009 级应用化学专业本科生毕业论文（设计）III煤合成 100wt/a 尿素- 氨合成工段设计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
2、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2009 级应用化学专业本科生毕业论文（设计）IVabstractIn 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 produ
3、ction 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 mat
4、erial is not only has a low cost, but also has a abundant resources. Although it has some shortcomings 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 reductio
5、n, 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 comparison;the location of the factory; the summ
6、ary of production process. Design process mainly include material 2009 级应用化学专业本科生毕业论文（设计）Vbalance and heat balance calculation; The main equipment selection ;environmental protection and safety measures.Key words: the urea; synthetic ammonia ;process selection; energy 2009 级应用化学专业本科生毕业论文（设计）VI目 录摘要
7、.Iabstract .III第 1 章 绪论 .11.1 尿素的性质、用途及重要性 .11.1.1 尿素的性质 .11.1.2 尿素的用途 .11.2 尿素的发展趋势 .11.3 尿素的几中生产方法及特点 .2第 2 章 氨的合成 .32.1 设计产品所需的主要原料来源、规格 .32.1.1 主要原料来源 .32.1.2 主要原料规格 .32.2 氨合成操作条件的选择 .42.2.1 氨合成催化剂 .42.2.2 压力 .42.2.3 温度 .42.2.4 空间速度 .42.3 氨合成的工艺流程 .5第 3 章 工艺计算 .73.1 原始条件 .72009 级应用化学专业本科生毕业论文（设计
8、）VII3.2 物料衡算 .73.2.1 合成塔物料衡算 .73.2.2 氨分离器气液平衡计算 .83.2.3 冷交换器气液平衡计算 .103.2.4 液氨贮槽气液平衡计算 .103.2.5 液氨贮槽物料计算 .123.2.6 合成系统物料计算 .143.2.7 合成塔物料计算 .143.2.8 水冷器物料计算 .153.2.9 氨分离器物料计算 .163.2.10 冷交换器物料计算 .163.2.11 氨冷器物料计算 .173.2.12 冷交换器物料计算 .183.2.13 液氨贮 槽物料计算 .193.2.14 物料衡算结果汇总 .213.3 热量衡算 .243.3.1 冷交换器热量衡算
9、.24第 4 章 主要的设备选型与计算 .274.1 合成塔催化剂层设计 .274.2 换热器设计 .304.3 主要设备选型汇总 .31第 5 章 环境保护与安全措施 .335.1 环境保护 .332009 级应用化学专业本科生毕业论文（设计）VIII5.2 安全措施 .335.2.1 防火 .335.2.2 防爆 .345.2.3 防中毒 .345.2.4 防烧伤 .345.2.5 防机械伤害 .345.2.6 防触电 .34结论 .37参考文献 .392009 级应用化学专业本科生毕业论文（设计）1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(
10、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 1.335g/cm3，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（NH 3)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
11、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：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。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
12、叶子的含氮量，使新梢生长，抑制花芽分化。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。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。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2009 级应用化学专业本科生毕业论文（设计）2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
13、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
14、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，CO 2 和水的摩尔比接近 1，称为碳酸铵盐水溶液全循环法；
15、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。2013 届毕业设计3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
16、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
17、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。2013 届毕业设计4（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
18、说都有毒，H 2S 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 20ppm7。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
19、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。CO 2、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
