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1、四川大学 硕士学位论文 尿素合成塔优化分析 姓名：刘正全 申请学位级别：硕士 专业：化学工程 指导教师：王煤;高俊勇 20040101 尿素合成塔优化分析 尿素合成塔优化分析 专业化学工程 研究生刘正全指导教师王煤高俊勇 尿素合成塔是建峰化工总厂化肥厂尿素合成的关键设备，自1 9 9 3 年开车运行 以来，由于原设计的不足，合成塔的C 0 2 转化率长期达不到设计值( 原设计值为 6 7 ，实际运行最高能达到6 3 ，平均约6 0 ) ，造成汽提塔( 3 0 0 E 0 1 ) 的热负荷 加大，出液温度低，使负荷后移，加重了后续设备分解回收负担和放空损失；同 时C 0 2 转化率低带来了游离反
2、应物增多，分解用蒸汽量增加，汽提塔汽提效率降 低，高压甲铵冷凝器副产蒸汽量降低等后果。因此。提高尿素合成塔C 0 2 转化率 是降低能耗，提高尿素产量，增加效益的关键。 本文利用化工热力学，传递现象，化工流体力学，化学反应工程，化学反应 器理论，尿素合成理论等知识，结合建蜂化工总厂尿素合成塔的设计和运行情况， 对合成塔进行了装置改造和操作优化的分析。 通过理论分析和对实际的尿素合成塔的温度分布情况的考察认为：虽然一般 来说甲铵合成是快反应，甲铵脱水生成尿素是慢反应，但由于合成甲铵的反应是 在气相C 0 2 与液相氨间进行，其宏观反应速度既与化学反应速度有关，也与气相 物料扩数到气液相界面的速度
3、有关，所以甲铵合成的宏观速率受扩散控制；而整 个尿素合成反应的速度也受到甲铵合成的宏观速度的影响。同时，尿素合成的化 学反应，除影响尿素化学平衡的3 个独立变量外，还与物料在尿素合成塔内的流 动状态、物料的纯净程度、物料停留时间、气液混合程度以及物料间的传热传质 速度有关。 通过分析原设计存在的不足，找出了相应的合理的改进办法。为提高C 0 2 转 化率，优化尿素合成塔的操作，根据建峰厂的实际情况，提出了以下优化措施： 1 、适当提高氨碳比； 2 、尽量降低水碳比： 3 、选择最佳的舍成塔操作温度； 旦型查堂三墼堡兰生些兰垒丝兰 4 、用约0 3 纯氧代替l 的防腐蚀用空气： 5 、改造原合成
4、塔的塔板结构使其更有效地增加气液两相之间的混合程度并 合理调整化学反应的停留时间分布，加速热量和质量的传递： 6 、增设预混反应器。 分析了尿素合成塔操作优化的经济技术可行性，以及在新的操作条件及新合 成塔塔板情况下设备的腐蚀状况及其对策。 通过分析和论证，为建蜂化工总厂今后对尿素合成塔的操作优化和设备改造 提供了理论依据和具体的方向及措施。 关键词：尿素合成塔；分析；优化 尿素台成塔优化分析 T h e O p t i m u mA n a l y s e o fU r e a S y n t h e s i s R e a c t o r M a j o r ：C h e m i c a
5、le n g i n e e r i n g P o s t g r a d u a t e ：L i uZ h e n g q u a nS u p e r v i s o r s ：W a n g M e iG a o J u n y o n g T h eU r e as y n t h e s i sr e a c t o ri st h ek e y e q u i p m e n to f u r e as y n t h e s i si nJ i a n f e n gF e r t i l i z e rp l a n t S i n c ei th a sb e e nr
6、u nf r o m1 9 9 3 ，d u et ot h es h o r t c o m i n g so f t h eo r i g i n a ld e s i g n ，C 0 2c o n v e r s i o n r a t ei sl o w e rt h a nt h ed e s i g n ，( t h ed e s i g nv a l u ei s6 7 t h ea c t u a l l yh i g l l e s tv a l u ew a s6 3 ，t h e a v e r a g eW a s6 0 ) a n di n c r e a s e
7、st h ec a l o r i cb u r d e n o f t h es t r i p p e r ( 3 0 0 E 0 1 ) ，m e a n w h i l et h ed e s i g n a r e ao f3 0 0 E 0 1i sn o te n o u g hf o rh e a te x c h a n g e ，a n dt h eo u t l e tl i q u i dt e m p e r a t u r ei sl o w I tc a u s e s t h eb u r d e nm o v et od o w n s t r e a me
8、q u i p m e n t sa n di n c r e a s e st h ed e c o m p o s i t i o nr e c o v e r yb u r d e no f t h ef o t l o w i n ge q u i p m e n t s B e c a u s eo f t h el o wr a t eo f t h eC 0 2c o n v e r s i o n ，t h es t e a mc o n s u n q 【p t i o n i n c r e a s e sf o rd e c o m p o s i t i o na n
9、dr e s u l t si nt h el o we f f i c i e n c yo fs t r i p p i n gt o w e ra n dt h ef a l lo f s t e a mo f t h ec o n d e n s e ro f h i g hp r e s s u r eA M T h e r e f o r e ，i ft h ec o n v e r s i o nr a t eo fC 0 2 i nu r e ac o n v e r t e rc a nb ei n c r e a s e d ，a n dt h es y n t h e t
10、 i e e f f i c i e n c y , a l s ot h ey i e l do fu r e ad a i l yw i l l b ei n c r e a s et h a tb r i n gh i 曲e c o n o m i ce f f i c i e n c yf o r J i a n f e n gF e r t i l i z e rp l a n t ， I nt h i sp a p e r ，b ym e a n so f t h ec h e m i c a le n g i n e e r i n gt h e r m o d y n a m
11、i c s , t r a n s f e rp h e n o m e n o n ， f l u i d d y n a m i c s ，t h e c h e m i c a lr e a c t i o n e n g i n e e r i n g ，t h et h e o r y o fc h e m i c a lr e a c t o r , a n du r e a s y n t h e s i st h e o r y , i n c o r p o r a t e t h e o r i g i n a ld e s i g n o fu r e ar e a c
12、t o r d e t a i l e d a n a l y s e h a sb e e n p e r f o r m e d f o rt h eu r e ar e a c t o r , A l t h o u g hi ti sq u i c kf o rA M s y n t h e s i sr e a c t i o na n di ss l o wf r o mA M t ou r e a , i na c t u a l l y , A Mi ss y n t h e s i z e db yg a sp h a s eo f C 0 2a n dl i q u i d
13、p h a s eo f a m m o n i a , c h e m i c a l r e a c t i o n o n l yh a p p e ni nl i q u i dp h a s e ，i t sm a c r or e a c t i o nv e l o c i t y n o to n l yh a v er e l a t i o nw i t h v e l o c i t yo f c h e m i c a lr e a c t i o n ，b u ta l s ow i t hd i f f u s ev e l o c i t yo fa i rp h
14、 a s em a t e r i a ld i f f u s i n gt ot h e i n t e r f a c eo f a i rl i q u i dp h a s er e l e v a n t l y T h et h e o r e t i ca n a l y s ea n da c t u a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f u r e ac o n v e a e rC a l lg e tt h es a m er e s u l tt h a tt h em a c r o s c o p i
15、 cr e a c t i o ns p e e do fA M s y n t h e s i si S c o n t r o l l e db yd i f f u s ea l s oi n f l u e n c e db yt h ee f f e c to f m a c r ov i e wv e l o c i t yo f A Ms y n t h e s i s B a s e do nt h er e l e v a n tt h e o r ya n dt h eJ W G i b b sp h a s er u l ea n a l y s eo ft h ec h
16、 e m i c a le q u a t i o n ， k n o wt h eI n d e p e n d e n tv a r i a b l eo fu r e as y n t h e s i si S3 ：t h ea n a l y s et ou r e ar e a c t o r , S h o w st h a tt h e c o n v e r s i o nr a t eo fC 0 2i Sn o to n l yh a v er e l a t i o nw i t h3i n d e p e n d e n tv a r i a b l e s , b u ta l s ow i t ht h e f l o w i n gs t a t ea n dt h ep u r i t yo f t h em a t e r i a l s ，w i t ht h es t a y i n gt i m eo fm a t e r i a li n s i d et h ec o n t a i n
