開題報(bào)告年產(chǎn)五萬噸尿素的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì).docx

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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 題目： 年產(chǎn)五萬噸尿素的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì) 課 題 類 型： 設(shè)計(jì)□ 實(shí)驗(yàn)研究□ 論文□ 學(xué) 生 姓 名： 孫衛(wèi)星 學(xué) 號(hào)： 3110404211 專 業(yè) 班 級(jí)： 化學(xué)工程與工藝112班 學(xué) 院： 生物與化學(xué)工程學(xué)院 指 導(dǎo) 教 師： 沈鳳翠 講師 開 題 時(shí) 間： 2015/3/14 2015年3月14日 開題報(bào)告內(nèi)容和要求 1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jìn)型CO2汽提法工藝。尿素合成中有二氧化碳?jí)嚎s，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(shí)還要進(jìn)行尿素的工藝計(jì)算、降溫設(shè)備的設(shè)計(jì)、設(shè)備選型，并繪制工藝流程圖，最后對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析和評(píng)價(jià)。 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(jì)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(jì)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 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(shì)，產(chǎn)量均高于2500萬噸。2012年尿素增長率一度達(dá)到13.1%的高位，產(chǎn)量也是自2010年來首次突破3000萬噸，達(dá)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(dá)到20萬噸/a,因其投資低，基建快、潛力大等優(yōu)勢(shì)，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(jì)，我國現(xiàn)有尿素生產(chǎn)企業(yè)200多個(gè)，規(guī)模分為大型（引進(jìn)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(chǔ)備具有“缺油、少氣、有煤”的特點(diǎn)，與之相適應(yīng)，國內(nèi)尿素產(chǎn)業(yè)也形成了獨(dú)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(shì) 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(yán)重；三、流程過于復(fù)雜。氣提法是針對(duì)水溶液全循環(huán)法的缺點(diǎn)而提出的。該法在簡化流程、熱能回收、延長運(yùn)轉(zhuǎn)周期和減少生產(chǎn)費(fèi)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(jì)70年代初實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，雖不如二氧化碳?xì)馓岱☉?yīng)用廣泛，但有后來者居上的趨勢(shì)。 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(jì)，尿素產(chǎn)量最大的公司是中國石化，其產(chǎn)量高達(dá)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(xué)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(chǎng)銷售方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。在國際市場(chǎng)上，大顆粒尿素也十分俏銷。北美市場(chǎng)的大顆粒尿素銷售價(jià)格比普通尿素每噸高出5-10美元，在西歐市場(chǎng)高出10-15美元。國內(nèi)目前僅有海南富島和寧夏兩個(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)需求。若要達(dá)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(xué)性質(zhì) 尿素是一種由碳、氮、氧和氫組成的有機(jī)化合物，分子式為H2NCONH2。相對(duì)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(diǎn)133-135℃，相對(duì)密度1.323(20/4℃)，易溶于水和乙醇，強(qiáng)熱時(shí)分解成氨和二氧化碳。它是哺乳動(dòng)物體內(nèi)蛋白質(zhì)代謝的最終產(chǎn)物，一個(gè)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?xì)怏w直接合成尿素的總反應(yīng)式為： 2NH3+CO2—(NH2)2CO+H2O 這是一個(gè)可逆的放熱反應(yīng)。實(shí)際上，該反應(yīng)分兩步進(jìn)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(qiáng)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(dāng)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(shí)，甲銨轉(zhuǎn)化成尿素的轉(zhuǎn)化率(以CO2計(jì))為 50％； 其反應(yīng)速率隨溫度的提高而增大。當(dāng)溫度不變時(shí)，轉(zhuǎn)化率隨壓力的升高而增大， 轉(zhuǎn)化率達(dá)到一定值后，繼續(xù)提高壓力，不再有明顯增大，此時(shí)，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(jì)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(xiàn)，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(diǎn)。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(yán)重。高濃度甲銨液在90～95度時(shí)循環(huán)入合成塔，加劇了對(duì)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(diǎn)。3流程過于復(fù)雜[6]。 （二）氨氣提法 氨氣提法20世紀(jì)70年代初實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，雖然不如二氧化碳?xì)馓岱☉?yīng)用廣泛，但現(xiàn)在有后來居上的趨勢(shì)。含氨量高，回收反應(yīng)熱多，設(shè)備腐蝕低，機(jī)械設(shè)備投資少，操作穩(wěn)定[8]。 （三）二氧化碳?xì)馓岱? 二氧化碳?xì)馓岱ㄊ?0世紀(jì)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(diǎn)如下。 1采用與合成等壓的原料二氧化碳?xì)馓嵋苑纸馕崔D(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(yán)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(shí)有可能利用冷凝過程生成甲銨時(shí)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?xì)馓岱ㄖ械母邏翰糠?，，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(dòng)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?xì)馓幔x用的合成塔操作壓力較低（14-15MPa），因此節(jié)省了壓縮機(jī)和泵的動(dòng)力消耗，同時(shí)也降低了壓縮機(jī)、合成塔的耐壓要求。便于采用蒸汽透平驅(qū)動(dòng)的離心式二氧化碳?jí)嚎s機(jī)，對(duì)強(qiáng)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(gè)流程中循環(huán)的物料量較少，動(dòng)力消耗較低。但是較低的氨碳比又使得在高壓部分物料對(duì)設(shè)備的腐蝕嚴(yán)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(jì)我選用了二氧化碳?xì)馓岱ㄉa(chǎn)尿素。 三、畢業(yè)設(shè)計(jì)研究方案及工作計(jì)劃 3.1 研究方案 1查閱相關(guān)資料，并寫出開題報(bào)告一篇，翻譯外文文獻(xiàn)一篇。并寫出簡要的設(shè)計(jì)方案。擬定基本設(shè)計(jì)方案。 2根據(jù)方案第一步設(shè)計(jì)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(jìn)行理論分析，并且進(jìn)行尿素的工藝計(jì)算、還有降溫設(shè)備的設(shè)計(jì)。 3物料衡算和熱量衡算。 4計(jì)算依據(jù)，繪制出工藝流程圖。 5 主要設(shè)備設(shè)計(jì)及設(shè)備參數(shù)確定。 3.2 工作計(jì)劃 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書及擬訂的工作計(jì)劃，按時(shí)完成各個(gè)時(shí)期的工作任務(wù)。 （1）通過查閱各種參考文獻(xiàn)，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(xué)知識(shí)，且通過對(duì)所查資料的學(xué)習(xí)統(tǒng)籌掌握要做的設(shè)計(jì)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(jìn)行物料和熱量衡算，并對(duì)主要設(shè)備進(jìn)行選型和計(jì)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(xì)工作計(jì)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(xiàn)。 4.6～4.20：準(zhǔn)備設(shè)計(jì)材料，完成工藝流程的設(shè)計(jì)。 4.21～5.18：根據(jù)所選方案對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行物料衡算和熱量衡算，和塔設(shè)備的計(jì)算。 5.19～6.1：撰寫設(shè)計(jì)說明書，作好工藝流程、設(shè)備設(shè)計(jì)的CAD圖形。 6.2～6.8：在指導(dǎo)老師的指點(diǎn)下優(yōu)化設(shè)計(jì)，完善設(shè)計(jì)過程。 6.9～6.18：提交畢業(yè)論文，準(zhǔn)備論文答辯。 四 、參考文獻(xiàn) [1]高濤，次會(huì)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(qiáng)，尿素生產(chǎn)工藝物料中二氧化碳測(cè)定方法的改進(jìn)[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(xué)； 2002 [5]王云霞，趙合莊，改進(jìn)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(jì)算與優(yōu)化軟件的研究[J]，浙江工業(yè)大學(xué)；1998，15（1）：1～9 [7]劉金銀， 氮肥生產(chǎn)工[M] ，化學(xué)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