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1、尿素蒸发造粒段工艺设计毕业（设计）论文45kt/a 尿素蒸发造粒工段工艺初步设计目录第一章绪论111尿素生产技术发展简介1111尿素1112尿素的工业生产11.2尿素生产技术现状213水溶液全循环工艺214尿素造粒315蒸发技术研究及发展情况316蒸发器的选型与设计原则317流程方案说明4171说明4172流程简图5第二章物料衡算621任务622计算依据6计算6222工艺流程简图6223工艺指标623计算基准624 一段蒸发系统72.4.1 条件7242计算7243 段蒸发器物料平衡表102.5二段蒸发系统112.5.1条件252计算2.5.3二段蒸发器物料平衡表第三章 热量衡算3.1 闪蒸槽
2、热量衡算3.1.1计算依据312计算条件3.1.3热量衡算计算过程314闪蒸槽热量平衡表2.2 一段蒸发器热量衡算.i=jU=il=j=|3.2.1 计算依据3.2.2 热量衡算计算过程3.2.3 一段蒸发器热量平衡表3.3二段蒸发器热量衡算331计算依据332热量衡算计算过程333二段蒸发器热量平衡表第四章 设备选型1111121414141414151616171919191921224.1闪蒸槽设计选型22411操作条件22412物料衡算22413体积22414规格2242 一段蒸发器设计选型22421已知条件22422传热计算23423加热室计算26424分离室计算27425规格与参数
3、2743二段蒸发器设计选型27431已知条件27432传热计算28433加热室计算31434分离室计算32435规格3244造粒塔32计条件32442性能计算3345附属设备选型36451接管选型364.5.2泵的选型38453造粒器的选型38第五章主要设备一览表39设计评述40致谢42附 图 43第一章 绪论1.1尿素生产技术发展简介1.1.1 尿素尿素是一种有机化合物，它的化学名称为脲(Urea)或者碳酰胺1 (Diamide), 结构式为NH2CONH2,分子量为60.06,纯尿素是一种无色无臭、吸湿性强的呈 针状或斜方棱柱状的结晶体。在自然界,尿素主要存在于人及其他食肉脊椎动 物所排泄
4、的尿液中,是蛋白质新陈代谢后元素氮的最终产物。另外,在菠菜、 胡萝卜的叶子中及各种植物的幼芽中也有尿素存在。尿素是一种重要的化学肥 料之一,在工农业经济发展中占有举足轻重的地位。尿素含氮量高达46.65%(质量)2,超过任何其它固体氮肥,是一种高效氮肥。 尿素属于中性速效肥料,不含酸根,施于土壤中以后不会残留使土壤恶化的酸 根,长期使用不会引起土质变硬、板结,而且分解出来的二氧化碳也可为植物 吸收。尿素的施用及贮藏性能好,不分解,不吸潮,不结块,流动性好,无爆 炸性。还可以与其它化肥进行物理混配或均质造粒,以配成多营养成分的混合 肥料和复合肥料以满足不同土质、不同作物的需要。尿素产量的 10%
5、用作工业原料,主要工业用途是生产合成高聚物、塑料、 漆料,以及粘合剂。另外,尿素在医药、化纤、炸药、制革等生产中也有应用。 目前,尿素工业的发展状况己成为衡量一个国家工业化水平高低的一个重要标 志。1.1.2尿素的工业生产 尿素是人类和动物尿液中的一种组分。1773年化学家鲁埃勒1 (Rouelle) 蒸 发尿液时发现的，1824年Prout首次进行了精确分析，得出尿素的实验式，1824 年德国化学家武勒2 (Friedrich Wohler)首次用氰酸合成尿素，这是人类第一次 用人工方法由无机物合成了有机物。1868 年俄国化学家巴扎罗夫在密封管内长 时间加热氨基甲酸铵和碳酸氨制成了尿素，为
6、后来用二氧化碳和氨气合成尿素 指明了方向。到上世纪初，工业规模的合成氨生产开始形成，为合成尿素提供了便宜的 氨和二氧化碳原料3。各国研究者对此反应进行了大量的实验研究，为工业化奠 定了基础。进入 20 世纪 60 年代后，随着合成氨大型化技术的兴起，与之配套的尿素 生产也进入了大型化时代，单套装置的日产能力达到0520kt。这时获得应用 的几种尿素生产技术基木上都是采用水溶液全循环方式4，但在不同工序又各有特点。总的方向是:闭路循环、能量综合利用、单系列、大机组、不断朝向进一 步降低成本、降低能耗、提高质量、减少污染的方向发展。大体上，现代尿素 生产工艺流程如下图：1.2尿素生产技术现状尿素是
7、世界上使用最为广泛的化学肥料，其产量居氮肥生产总量的首位6。 当前，尿素工业的发展状况已成为衡量一个国家工业化水平高低的一个重要标 志7。许多国家都耗费大量的人力、物力和财力致力于尿素生产系统的研究，如 尿素合成反应机理，物系热力学性质及传递性质的研究8。在工艺流程方面，旧的流程不断得到改进以求能在激烈的竞争中争得一席 之地。我国自五十年代末开始发展尿素工业，并引进、消化、吸收了国外先进 技术，但国产尿素无论是在能耗、物耗还是自动控制或者是在内生产安全性等 方面都与国外先进技术有较大差距，而且对环境的影响也远比国外严重。尤其 是中国加入wto后，国内的化肥行业将面临更为严峻的挑战，由于受原料、
8、燃 料价格等多种因素的影响，国产尿素的成本较高，欧美等国的优质化肥将陆续 进入我国，迫切需要提高我国尿素工业的水平。1.3水溶液全循环工艺水溶液全循环工艺虽属 60年代技术水平，但由于我国尿素工艺研究和工业 生产发展过程中均以该工艺为主，因此积累了工艺设计、设备制造、操作技术 和生产管理的丰富经验5，为小氮肥厂改产尿素提供了丰富技术，使小尿素装置 投产以后即能稳定运行。小尿素装置发展迅速，是适合我国国情的，充分发挥 了原小氮肥厂的优势。引进时的传统工艺在中压分解前设置预分离器，以减轻一段分解加热器的负荷，出预分离器的气相单独进入一吸塔。一段分解气（160C）中含有较高的水 蒸气分压，通过一蒸加
9、热器热利用段后进入一吸塔，一甲液返回合成塔，使入 塔H2O/CO2分子比较高（070075），合成塔CO2转化率在63%。此工艺的主要 缺点是甲铵生成热没有充分利用，而在一、一段分解未反应物时却需耗用大量 蒸汽，吸收时又用大量冷却水加以冷却，吨尿素消耗蒸汽设计值为 17 吨（负荷 高时，实耗15吨），吨尿素汽耗比气提法工艺高0607吨。1.4尿素造粒到目前为止，直接用于农业肥料的尿素绝大部分是通过造粒塔造粒的，这 是最广泛的使用方法；少数人颗粒尿素则是采用流化床造粒设备造粒的。造粒 塔造粒的喷头可以为旋转型，固定型和振动型三类形式。广泛使用的是旋转型 造粒喷头。造粒塔的通风方式有自然通风和机械
10、通风。利用空气的热压头进行 自然通风的尿素造粒塔始建于 20 世纪 60 年代初期。由于该型塔体较高，塔径 较大，塔内空气速度低，塔顶排出的尿素粉尘含量较少，因而环境污染较少； 另外出于顶部不设通风机，管理方便，运行费用低，性能可靠。中国建造的尿 素造粒塔大都采用自然通风型。在国外亦越来越多地采用自然通风造粒。造粒 塔造粒的喷头可以为旋转型，固定型和振动型三类形式。广泛使用的是旋转型 造粒喷头。造粒塔的通风方式有自然通风和机械通风。塔。只有当塔顶安装固 定喷头造粒，塔径小而风量要求大或安装粉尘同收设备，要求风压较大时或者 是地方当局限制塔的高度时才采用机械通风造粒塔。采用机械通风的优点是塔 高
11、可以大大降低;风速和风压恒定，不受外界气流的影响，有利于造粒过程的优 化。其缺点是增加了电耗，空气携带粉尘较多。机械通风有塔底送风、塔顶抽 风以及塔底送风和塔顶抽风三种型式。1.5蒸发技术研究及发展情况蒸发是重要的化工单元操作之一，它在工业生产中的应用十分广泛。蒸发 操作可在加压、常压、真空下进行。为了保证产品生产过程的系统压力，则蒸 发需要在加压状态下操作;对于热敏性物料，为了保证产品质量，在较低温度下 浓缩，则需要采用真空操作以降低溶液沸点 ;若要回收利用低位热能，采用真空 操作也是有利的，因为在真空下热源与被蒸发溶液间的温度差比常压下增大， 从而加速了热量传递过程。但由于沸点低，溶液的粘
12、度也相应增大，而且设置 真空发生系统，也需要增加设备和动力。因此，一般无特殊要求的溶液，采用 常压蒸发是最佳的。1.6蒸发器的选型与设计原则蒸发器是一个大的热能消耗装置，由于能源价格不断地提高。因此，在系 统工程中以及蒸发装置本身，如何降低能耗，有效地利用各种余热更加重要。 多效蒸发依然是研究的重点，其最佳化参数有:效数、温度差、浓度比、年经营 效用和总传热面积等。蒸发器的结构型式种类繁多，应结合具体的蒸发任务来加以选择11。首先， 必须考虑的因素是溶液的物化性质，确保蒸发浓缩产品的质量。被蒸发的溶液 均具有一定的特性，包括组成、粘性、热敏性、发泡性、腐蚀性，以及在蒸发 过程中是否易结晶、结垢
13、，是否含有固体悬浮物等。这些性质对蒸发器的造型 起着至关重要的作用。如对于高浓度的溶液不适宜于采用升膜式蒸发器，因为 其二次蒸汽流速不够，从而难以形成良好的传热膜；高粘度的溶液因流动性差， 则可选择刮板薄膜式蒸发器或强制循环蒸发器;热敏性的溶液易分解、异构、缩 聚等，应选择储液量少、停留时间短的膜式蒸发器；有结晶或易结垢的溶液一 般应选用强制循环式或外加热式以避免结晶物附着管壁或结垢:易发泡的溶液不 宜在真空下蒸发，同时应选用升膜式、强制循环式或外加热式等破泡能力强的 蒸发器。当几种型式的蒸发器均能适应溶液性质时，可结合经济性和可行性确 定。其次，传热效果是选用和设计蒸发器应考虑的重要问题，蒸
14、发器所需传热 面积的大小，决定着设备费用，在相同的额定生产负荷下，良好的传热效果可 节约投资，而在设各面积一定的条件下又可提高生产能力。为尽量缩短蒸发加热时间，减少尿液蒸发过程中副反应的发生，本设计的 一段，二段蒸发器都选用升膜蒸发器进行蒸发。1.7流程方案说明1.7.1 说明本设计是尿素蒸发，造粒工段初步设计，蒸发段采用二效串联蒸发，之前 用闪蒸槽进行预蒸。二段分解塔来的压力为4kgcm2,温度为150C的尿液通过 操作压力为045kgcm2,操作温度为98C的闪蒸槽减压预蒸后，98C的尿液有 尿液泵输送进入一段蒸发器进行蒸发，压力为0272kgcm2,温度为130C的蒸 发气体和同闪蒸槽的蒸发气体进入一段蒸发表明冷凝器后进行循环，温度为 130C的熔融尿素通过熔融尿素泵输送到第二段蒸发器进行蒸发操作。130C的 蒸发蒸汽由管道输送到二段表面冷凝器进行冷却后，进行循环。130C的熔融尿 素进入二段蒸
