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本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 題目： 年產(chǎn)五萬噸尿素的生產(chǎn)工藝設(shè)計 課 題 類 型： 設(shè)計□ 實驗研究□ 論文□ 學 生 姓 名： 孫衛(wèi)星 學 號： 3110404211 專 業(yè) 班 級： 化學工程與工藝112班 學 院： 生物與化學工程學院 指 導 教 師： 沈鳳翠 講師 開 題 時 間： 2015/3/14 2015年3月14日 開題報告內(nèi)容和要求 1、 畢業(yè)設(shè)計研究內(nèi)容和意義 1.1 研究內(nèi)容 尿素生產(chǎn)以煤為原料，采用改進型CO2汽提法工藝。尿素合成中有二氧化碳壓縮，液氨升壓，合成和氣提，蒸發(fā)、解析和水解以及造粒等工序，同時還要進行尿素的工藝計算、降溫設(shè)備的設(shè)計、設(shè)備選型，并繪制工藝流程圖，最后對整個項目進行經(jīng)濟分析和評價。 1.2 研究意義 尿素主要用作化肥，工業(yè)上還用作制造脲醛樹酯、聚氨酯、三聚氰胺-甲醛樹脂的原料，在醫(yī)藥、炸藥、制革、浮選劑、顏料和石油產(chǎn)品脫蠟等方面也有廣泛的作用。因此尿素的設(shè)計優(yōu)化工藝在未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上具有重大的作用以及廣闊的前景。 二、畢業(yè)設(shè)計研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 2．1．1尿素的國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2010-2013年，中國尿素(折含N100%)產(chǎn)量整體保持穩(wěn)步增長的態(tài)勢，產(chǎn)量均高于2500萬噸。2012年尿素增長率一度達到13.1%的高位，產(chǎn)量也是自2010年來首次突破3000萬噸，達到3003.83萬噸。2014年，出現(xiàn)了近五年來的首次下滑，與2013年3333.18相比，減產(chǎn)了超100萬噸，為3217.83萬噸。國內(nèi)尿素生產(chǎn)技術(shù)是在小裝置能力的基礎(chǔ)上形成的，最大的生產(chǎn)能力只能達到20萬噸/a,因其投資低，基建快、潛力大等優(yōu)勢，得以在近年迅速地蓬勃地發(fā)展起來。主要的工藝技術(shù)有SHS技術(shù)、高壓圈尿素優(yōu)化組合技術(shù)和“節(jié)能增產(chǎn)新工藝”技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有尿素生產(chǎn)企業(yè)200多個，規(guī)模分為大型（引進48萬噸/年以上）、中型（13—30萬噸/年以上）、小型（4—13萬噸/年），我國中小氮肥企業(yè)中90％采用煤為原料，近年來產(chǎn)能發(fā)展較快。尿素的生產(chǎn)可以天然氣、煤炭、重油等為原料。中國的能源儲備具有“缺油、少氣、有煤”的特點，與之相適應(yīng)，國內(nèi)尿素產(chǎn)業(yè)也形成了獨特的工藝路線結(jié)構(gòu)：中、東部企業(yè)的生產(chǎn)原料以煤炭為主，而西部大型裝置特別是中石油下屬的尿素企業(yè)均以天然氣為原料。目前國內(nèi)尿素原料構(gòu)成比例為：煤基企業(yè)占72%，氣基企業(yè)占26%，其余2%則為油基企業(yè)。制造尿素的原料是天然氣、煤或石油之一和空氣轉(zhuǎn)化成氨和二氧化碳[5]。 2．1.2尿素的國內(nèi)發(fā)展趨勢 水溶液全循環(huán)法是將未反應(yīng)的氨和二氧化碳用水吸收生成甲銨或碳酸銨水溶液再循環(huán)返回合成系統(tǒng)。但該法存在以下問題：一、能量利用率低；二、一段甲銨泵腐蝕嚴重；三、流程過于復雜。氣提法是針對水溶液全循環(huán)法的缺點而提出的。該法在簡化流程、熱能回收、延長運轉(zhuǎn)周期和減少生產(chǎn)費用等方面都較水溶液全循環(huán)法。氨氣提尿素法是利用氨氣通入尿素合成出口溶液中，降低氣相中二氧化碳的分壓，從而促使液相甲銨分解和過剩氨的吸收。從世界范圍來看氨氣提尿素法發(fā)展非常迅速。氨氣提法20世紀70年代初實現(xiàn)了工業(yè)化，雖不如二氧化碳氣提法應(yīng)用廣泛，但有后來者居上的趨勢。 尿素是目前使用的固體氮肥含氮量最高的化肥，其含氮量為硝酸銨的1.3倍，氯化銨的1.8倍，硫酸銨的2.2倍，碳酸氫銨的2.6倍。 按照最近的行業(yè)統(tǒng)計，尿素產(chǎn)量最大的公司是中國石化，其產(chǎn)量高達350萬噸/年。但是由于中石化的總體收入很大，尿素所占比例還是非常小。其他的尿素大戶有海南中國海油化學公司和烏魯木齊石化總廠。與普通尿素相比，大顆粒尿素在生產(chǎn)應(yīng)用和市場銷售方面有明顯的優(yōu)勢。在國際市場上，大顆粒尿素也十分俏銷。北美市場的大顆粒尿素銷售價格比普通尿素每噸高出5-10美元，在西歐市場高出10-15美元。國內(nèi)目前僅有海南富島和寧夏兩個企業(yè)生產(chǎn)大顆粒尿素，年總產(chǎn)量約為100萬噸左右，僅占國內(nèi)尿素年總產(chǎn)量的3.7%左右，遠遠不能滿足市場需求。若要達到國際上大顆粒尿素所占的比例，還需增加400萬噸的年產(chǎn)量。因此，尿素的生產(chǎn)開發(fā)目前在國內(nèi)仍具有較大的發(fā)展空間[2]。 2. 2物理、化學性質(zhì) 尿素是一種由碳、氮、氧和氫組成的有機化合物，分子式為H2NCONH2。相對分子質(zhì)量：60．06。又稱尿素、碳酰胺、碳酰二胺脲，為白色無臭固體，熔點133-135℃，相對密度1.323(20/4℃)，易溶于水和乙醇，強熱時分解成氨和二氧化碳。它是哺乳動物體內(nèi)蛋白質(zhì)代謝的最終產(chǎn)物，一個成年人每天的尿中可排出尿素約30克 2.3尿素的生產(chǎn)原理 由液氨和二氧化碳氣體直接合成尿素的總反應(yīng)式為： 2NH3+CO2—(NH2)2CO+H2O 這是一個可逆的放熱反應(yīng)。實際上，該反應(yīng)分兩步進行。第一步由氨與二氧化碳生成中間產(chǎn)物氨基甲酸銨NH4COONH2，簡稱甲銨。第二步是甲銨脫水生成尿素，其反應(yīng)式為： 2NH3+CO2—NH2CO2NH4 +159．47kJ (2-1) NH2CO0NH4—NH2CONH2+H2O -28．49kJ (2-2) 式(2-1)是強放熱反應(yīng)，在常壓下反應(yīng)速度很慢,加壓下則很快。式(2-2)是溫和 的吸熱反應(yīng)。 當溫度為170～190℃,氨與二氧化碳的摩爾比為2．0，壓力高到 足以使反應(yīng)物得以保持液態(tài)時，甲銨轉(zhuǎn)化成尿素的轉(zhuǎn)化率(以CO2計)為 50％； 其反應(yīng)速率隨溫度的提高而增大。當溫度不變時，轉(zhuǎn)化率隨壓力的升高而增大， 轉(zhuǎn)化率達到一定值后，繼續(xù)提高壓力，不再有明顯增大，此時，幾乎全部反應(yīng) 混合物都以液態(tài)存在。 2.4尿素的生產(chǎn)方法 （一）水溶液全循環(huán)法 水溶液全循環(huán)法是20世紀60年代以來的經(jīng)典生產(chǎn)工藝。水溶液全循環(huán)法為尿素生產(chǎn)的發(fā)展做出了重大貢獻，不僅使生產(chǎn)能力大大增加而且使二氧化碳和氨的消耗大大降低，因此它曾經(jīng)被廣泛地采用。該法存在的主要問題有以下幾點。1能量利用低。尿素合成系統(tǒng)總的反應(yīng)是放熱的，但因加入大量過剩氨以調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度，反應(yīng)熱沒有利用。2一段甲銨泵腐蝕嚴重。高濃度甲銨液在90～95度時循環(huán)入合成塔，加劇了對甲銨泵的腐蝕，因此一段甲銨泵維修頻繁，是水溶液全循環(huán)法的突出弱點。3流程過于復雜[6]。 （二）氨氣提法 氨氣提法20世紀70年代初實現(xiàn)了工業(yè)化，雖然不如二氧化碳氣提法應(yīng)用廣泛，但現(xiàn)在有后來居上的趨勢。含氨量高，回收反應(yīng)熱多，設(shè)備腐蝕低，機械設(shè)備投資少，操作穩(wěn)定[8]。 （三）二氧化碳氣提法 二氧化碳氣提法是20世紀60年代后期開發(fā)出的生產(chǎn)工藝，現(xiàn)在已成為世界上建廠最多、生產(chǎn)能力最大的生產(chǎn)方法。它的主要特點如下。 1采用與合成等壓的原料二氧化碳氣提以分解未轉(zhuǎn)化的大部分甲銨和游離氨，殘余部分只需再經(jīng)過一次低壓加熱閃蒸分解即可。從而免去了操作條件苛刻、腐蝕嚴重的一段甲銨泵?？s減了流程和設(shè)備，并使操作控制簡化[1]。 2高壓冷凝器與合成等壓下冷凝氣提氣，冷凝溫度較高，返回合成塔的水量較少，有利于轉(zhuǎn)化率的提高。同時有可能利用冷凝過程生成甲銨時放出的大量生成熱和冷凝熱來副產(chǎn)低壓蒸汽，除氣提塔需不加蒸汽外，低壓分解、蒸發(fā)及解吸等工序都可以利用副產(chǎn)蒸汽，從總體上看可以降低蒸汽的消耗及冷卻水用量[2]。 3二氧化碳氣提法中的高壓部分，，如高壓冷凝器的甲銨液及來自高壓洗滌器的甲銨液，均采用液位差使液氣物料自流返回合成系統(tǒng)，不需用甲銨泵輸送，不僅可以節(jié)省設(shè)備和動力，且操作穩(wěn)定。但為了造成一定的位差就不得使設(shè)備之 間保持一定的位差。因此，需要巨大的高層結(jié)構(gòu)來支撐設(shè)備[7]。 4由于采用二氧化碳氣提，所選用的合成塔操作壓力較低（14-15MPa），因此節(jié)省了壓縮機和泵的動力消耗，同時也降低了壓縮機、合成塔的耐壓要求。便于采用蒸汽透平驅(qū)動的離心式二氧化碳壓縮機，對強化設(shè)備的生產(chǎn)能力和提高熱能利用十分有利[4]。 5在整個流程中循環(huán)的物料量較少，動力消耗較低。但是較低的氨碳比又使得在高壓部分物料對設(shè)備的腐蝕嚴重。另外，因氨碳比低，氨量少，故縮二脲生成量高[3]。 通過以上綜述及比較，本設(shè)計我選用了二氧化碳氣提法生產(chǎn)尿素。 三、畢業(yè)設(shè)計研究方案及工作計劃 3.1 研究方案 1查閱相關(guān)資料，并寫出開題報告一篇，翻譯外文文獻一篇。并寫出簡要的設(shè)計方案。擬定基本設(shè)計方案。 2根據(jù)方案第一步設(shè)計尿素生產(chǎn)流程以及過程中液氨升壓，合成和氣提，蒸發(fā)、解析和水解以及造粒等工序進行理論分析，并且進行尿素的工藝計算、還有降溫設(shè)備的設(shè)計。 3物料衡算和熱量衡算。 4計算依據(jù)，繪制出工藝流程圖。 5 主要設(shè)備設(shè)計及設(shè)備參數(shù)確定。 3.2 工作計劃 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書及擬訂的工作計劃，按時完成各個時期的工作任務(wù)。 （1）通過查閱各種參考文獻，首先確定一套可行的年產(chǎn)5萬噸的尿素工藝方法。（2）根據(jù)所學知識，且通過對所查資料的學習統(tǒng)籌掌握要做的設(shè)計的具體內(nèi)容。 （3在上面基礎(chǔ)上寫好完整的工藝流程，接著進行物料和熱量衡算，并對主要設(shè)備進行選型和計算，最后用AUTO-CAD畫出工藝流程圖、車間設(shè)備布置圖、主體設(shè)備圖。 詳細工作計劃安排如下： 4.1～4.5：翻譯一篇與論文題目相關(guān)的英文文獻。 4.6～4.20：準備設(shè)計材料，完成工藝流程的設(shè)計。 4.21～5.18：根據(jù)所選方案對設(shè)計進行物料衡算和熱量衡算，和塔設(shè)備的計算。 5.19～6.1：撰寫設(shè)計說明書，作好工藝流程、設(shè)備設(shè)計的CAD圖形。 6.2～6.8：在指導老師的指點下優(yōu)化設(shè)計，完善設(shè)計過程。 6.9～6.18：提交畢業(yè)論文，準備論文答辯。 四 、參考文獻 [1]高濤，次會玲，CO2汽提法尿素生產(chǎn)工藝研究[J]，2012.06.18（3）：45-51 [2]應(yīng)賢強，尿素生產(chǎn)工藝物料中二氧化碳測定方法的改進[J]，2014.5.01. 16（3）：20-25 [3]宣鳳琴，CO2氣提法和NH3氣提法尿素生產(chǎn)技術(shù)的比較[J]，安徽化工，2001.11 (4)：31-38 [4]吳丹，尿素流程工藝二氧化碳汽提塔的模擬[D]，大連理工大學； 2002 [5]王云霞，趙合莊，改進型CO2氣提法尿素工藝技術(shù)的應(yīng)用[J]，化肥工業(yè)；2002.10.28(4)：11-18 [6]周慶偉，尿素生產(chǎn)工藝計算與優(yōu)化軟件的研究[J]，浙江工業(yè)大學；1998，15（1）：1～9 [7]劉金銀， 氮肥生產(chǎn)工[M] ，化學工業(yè)出版社, 2005 [8]劉振河， 化工生產(chǎn)技術(shù)[M] ， 高等教育出版社, 2007 [9]M.J.Stovrop.HJ.HK.Modjsen.Department of Energy Enjineering.Ashrae Transaction. 1980, 19(3): 396～403 [10]S.M.Lemkowitz.Journal of applied Chemistry and Bioteechnology.Journal , 1990, 19(3): 320～350