尿素合成的化工计算——热力学模型篇

《水氮热耦合条件下土壤尿素转化动力学及热力学特性研究》篇一一、引言随着现代农业的快速发展，土壤中尿素的施用已成为作物增产的重要手段。

然而，尿素在土壤中的转化过程复杂，受多种环境因素影响，特别是水、氮和温度的耦合作用。

因此，研究水氮热耦合条件下土壤尿素转化动力学及热力学特性，对于提升作物营养吸收、提高尿素利用效率、减少环境污染具有重大意义。

二、文献综述近年来，国内外学者对尿素在土壤中的转化过程进行了大量研究。

在动力学方面，学者们通过实验研究了不同环境因素对尿素转化的影响，并建立了相应的动力学模型。

在热力学方面，关于尿素转化的热力学特性的研究尚不够深入，尤其是在水氮热耦合条件下的研究更为罕见。

本研究的目的是通过对该领域的深入研究，为提高尿素利用率和减少环境污染提供理论依据。

三、材料与方法1. 材料本研究选取了不同地区的土壤样品进行实验。

实验所用尿素为工业级尿素。

2. 方法（1）实验设计：设计水氮热耦合实验系统，模拟不同环境条件下的尿素转化过程。

（2）动力学实验：在控制环境下进行尿素转化实验，测定不同时间点的尿素含量，并建立动力学模型。

（3）热力学分析：通过热力学实验测定尿素转化的热力学参数。

（4）数据分析：采用统计分析方法对实验数据进行处理和分析。

四、结果与讨论1. 动力学结果通过实验数据，我们发现水氮热耦合条件下，土壤中尿素的转化速率受温度、湿度和氮素含量的影响。

在一定的温度范围内，随着温度的升高，尿素转化速率加快。

同时，湿度和氮素含量也对尿素转化有显著影响。

我们建立了尿素转化的动力学模型，并确定了模型参数。

2. 热力学特性通过对热力学实验数据的分析，我们发现水氮热耦合条件下，尿素转化过程伴随着吸热和放热反应。

我们计算了尿素转化的焓变、熵变和自由能变化等热力学参数，并分析了这些参数与温度的关系。

3. 讨论本研究的结果表明，水氮热耦合条件下，土壤中尿素的转化过程是一个复杂的化学反应过程，受多种环境因素影响。

尿素生产中的热量衡算1.1 合成塔1.1.1 计算依据（计算以25℃为基准）CO2(包括惰性气)进口的压力大小为21.7MPa(绝压)，温度125℃甲铵溶液进口压力大小为21.7MPa(绝压)，温度100℃尿素反应物出口压力大小为21.78MPa(绝压)，温度190℃按物料平衡各进出口物料组分列表如下：收入项目质量（kg）物质的量（kmol）支出项目质量（kg）物质的量（kmol）原料CO2气其中：CO2O2N2H2O原料液态氨循环液态氨甲铵溶液其中:NH3 CO2H2O尿素总计741.4735.072.95.230.234567.31766.441285.50521.84435.63321.532.553431.621716.20.10.20.0233.445.0358.130.91017.310.06153.56反应后混合物其中：尿素氨基甲酸铵CO2NH3NH3H2OO2N2总计3351.61010.1769.08433.87335.3951.5613.03.95.23353.6136.816.79.99.920.01343.120.0910.19137.821.1.2 计算ΔH1—CO2气体降温降压吸热22.58MPa（绝压）125℃时，i=166kcal/kg0.1MPa（绝压）25℃时，i=174kcal/kgΔH1=735.1×（166-174）=-735.1×8=-5880kcalΔH2—当量NH3降温降压及气化吸热由NH3 I-logP图查：0.1MPa（绝压）25℃时，i=423kcal/kg21.7MPa（绝压）t℃时，i=Ikcal/kgΔH2=567.3（I-423）=567.3-240455kcal尿素合成反应热平衡在一个标准大气压下，25℃固体甲铵生成热为：ΔH=38061kcal/kmolΔH3=16.2×39060=636083kcalΔH4—固体甲铵升温吸热升温时热焓增值为5261.23kcal/kmolΔH4=-16.72×5360=-88000kcalΔH5—固体甲铵融熔热量甲铵在150℃时融熔热量为：ΔH=4849.53kcal/kmol ΔH5=-16.2×4849.53=-81144kcalΔH6—循环甲铵液升温吸热物料衡算中甲铵液的组成为：NH3 523.77kg CO(NH2)2779kg 61.2%CO2437.6kg 氨水 497.54kg 48.40%H 2O 312.6kg 其中NH3185.89kg 含氨38.4%CO(NH2)22.53kg H2O 310.789kg总计 1277.6kg 总计 1277.6kg 100% 取固体甲铵比热Cp=37.3kcal/(kmol·℃)取38.4%氨水比热1.26kcal/(kg ·℃)Cp =0.7×783.36+0.4×1.2=0.8kcal/(kg ·℃) ΔH 6=-1276.5×0.76×(150-100) =-47905kcal 尿素在150℃时的生成热为5230.11kcal/kmol ΔH 7=-(16.9-0.04)×5220 =-16.8×5230.11=-87744kcal1.2预分离器预分离器物料平衡表序号 收入项目 kcal % 序号支出项目kcal % 1 2甲铵生成热 过量氨混合热635183 6224991.30 9.71 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 CO2气降温降压 当量氨降温降压 固体甲铵升温 固体甲铵融熔吸热 循环甲铵液升温 甲铵转化尿素吸热 反应融熔物升温 循环氨升温 （ΔH11+ΔH13） 循环氨气化 惰性气升温 热损失 5890 153743 87995 81144 47795 87744 108950 111391 0130.45 13061 0.83 21 11.6 11.60 6.85 12.56 15.54 16 0 0.01 2.01 总 计 697832 100总 计6974221001.2.1计算依据（计算以25℃为基准） 出口物料液相：1.8MPa （绝压），t ℃CO(NH 2)2 1010.1kg CO(NH 2)2 1010.01kg 40% CO 2 368.86kg 或CO 2(NH 3)2 653.7kg 25% NH 3 608.4kg 氨水 900.8kg 36% H 2O 576.36kg 其中NH 3 323.5kg 含氨36.6% H 2O 576.8kg总计 2565.6kg总计 2565.6kg 100% 气相：1.764MPa （绝压），115℃CO 2 65.1kg 1.43kmol 3.4%（气） 0.1MPa NH 3 678.4kg 40kmol 91.3%（气） 1.41MPa H 2O 37.72kg 2.5kmol 1.7%（气） 0.09MPa 惰性气 8.1kg 0.3kmol 0.5%（气） 0.01MPa_____________________________________________________________ 总计 789kg 43.7kmol 100% 1.8MPa 1.2.2 计算进口的液相带入热量 Cp=0.9kcal/(kg ·℃)Q 1=3345×0.9×(190-25)=448760kcal 进口气相带入热量 据空气T-S 图查得：空气在 21.7MPa ，190℃ i=85kcal/kg 0.1MPa ，25℃ i=45.12kcal/kg Q 2=8.1×(85-45.12)=317.34kcal 出口液相带出热量已知：甲铵比热 37.3kcal/(kmol ·℃) 尿素比热 0.486kcal/(kg ·℃) 36.9%氨水比热 1.1kcal/(kg ·℃)Cp =783.36×0.26＋0.48×0.4＋1.1×0.34=0.7kcal/(kg ·℃) Q 3=2565×0.7×(t-25)=1777t-44525 排出气相带出热设出口气相温度为118℃，CO2带出显热查CO2T-S图得：0.06MPa，118℃ i=194kcal/kg 0.1MPa, 25℃ i=174kcal/kgQCO2=65.1×(195-175)=1302kcalNH3带出显热查NH3I-logP图得：1.6MPa 119℃ i=462kcal/kg0.1MPa 25℃ i=422kcal/kgQNH3=679.3×(463-423)=27142kcal据H2O I-S图查得：0.84MPa， 118℃ i=649kcal/kg 0.1MPa, 25℃ i=25kcal/kgQH2O=36.8×(649-25)=23013kcal据空气T-S图查得：0.01MPa， 118℃ i=68.5kcal/kg 0.1MPa, 25℃ i=46.5kcal/kgQ空气=8.02×(67.5-45.5)=176kcalQ 4=QCO2＋QNH3＋QH2O＋Q空气=1301＋27133＋22945＋178=51525kcal 甲铵分解量在0.1MPa（绝压），25℃时甲铵生成热=38070kcal/kmol甲铵融熔热=4849kcal/kmol先求取1.8MPa（绝压），120℃时甲铵分解热A.NH4OH由118℃降温到42℃的放出的热量：取61.7%氨水比热为1.23kcal/(kg·℃)QA=1561.48×1.2×(118-41)=144659kcalB.NH4OH在41℃时分解吸收热量最后的状态：60.7%氨水混合热量为98kcal/kgNH3最后的状态：35.9%氨水混合热量为160kcal/kgNH3QB=953.5×95-321.6×160=-38955kcalC.NH3汽化热NH3在1.7MPa时汽化时的热量为263kcal/kg分解NH3量为951.50-323.6=629kgQC=629×(-263）=-164537kcalD．升温吸热NH3汽化升温吸热qNH3：1.7MPa，41℃ i=409kcal/kg1.7MPa，118℃ i=465kcal/kgqNH3=623×(409-464)=-33895kcal氨水升温吸热q氨水：取36.0%氨水比热为1.2kcal/(kg·℃)氨水量为900.8kgq氨水=900.8×1.11×(41-120)=-77089kcalQ D =qNH3+q氨水=-(76970+33285)=-110245kcalQ 6=QA+QB+QC+QD=144659-38956-164546-110353=-169224kcal 热量损失取热量损失约进入热负荷的1.2%Q 7=5085kcal预分离器出口液相温度t ℃的求取 因 ∑-7171Q=0故 44867317=1776t-44426+51454+47381+169214+5065 则 t=1777228629448977-=121.0℃出口液相带出热量Q 3Q 3=1779(t-46)=1779×(125-46)=1759986kcal1.3 一段分解系统1.3.1 计算依据进出口物料组成及工艺条件 进口反应融熔物（1.78MPa,124℃）CO(NH 2)2 1010.1kg CO(NH 2)2 1010.1kg 40.3% CO 2 368.8kg CO 2(NH 3)2 653.7kg 26.4% NH 3 609.53kg 氨水 900.76kg 36.3% H 2O 578.25kg 其中NH 3 322.52kg 36.9% 出口物料液相 1.8MPa ，160℃CO(NH 2)2 1010.1kg ，CO(NH 2)2 1010.1kg 61.4% CO 2 52.1kg 或CO 2(NH 3)292.2kg 5.6%NH 3 135.3kg 氨水 543.4kg 33.1% H 2O 450.2kg 其中NH 3 95.2kg 含氨17.2% H 2O 450.2kg总计 1646.6kg总计 1646.67kg 100% 气相 1.8MPa ，160℃CO 2 317.7kg 7.1kmol 17.1%（气） 0.3MPa NH 3 473.2kg 27.9kmol 63%（气） 1.2MPa H 2O 129.1kg 7.2kmol 17%（气） 0.3MPa__________________________________________________________ 总计 919kg 47.2kmol 100% 1.8MPa 1.3.2 计算反应融熔物带入热量 Q 1=176023kcal 反应融熔物带出热量 反应融熔物比热的计算：取17.5%氨水比热 1.1kcal/(kg ·℃) 尿素比热 0.5kcal/(kg ·℃) 甲铵比热 36.3kcal/(kmol ·℃)Cp =783.36×0.05+0.5×0.6+1.1×0.3=0.69kcal/(kg ·℃) Q 2=1646.6×0.7×(160-25)=151385kcal 据CO 2 T-S 图查：0.3MPa ， 160℃ i=203kcal/kg 0.1MPa ， 25℃ i=174kcal/kg Q 3=317.17×(203-174)=9174kcal 据NH 3 I-logP 图查得：1.2MPa ， 160℃ i=487kcal/kg 0.1MPa ， 25℃ i=422kcal/kg Q 4=472×(487-422)=30756kcal据H2O I-S图查得：0.3MPa，160℃i=664kcal/kg0.1MPa，25℃i=25kcal/kgQ5=129.1×(665-26)=82369kcal 气相带出热量总和为：Q 3+Q4+Q3=9184+30855+82569=123408kcal甲铵分解吸热甲铵分解量 653.7-92.2=561.5kg或7.2kmol甲铵分解热 32011kcal/kmolQ6=7.2×32011=230417kcalNH4OH分解热，先降温再分解，然后气化，最后升温A.36%氨水降温放热取36%氨水比热为1.1kcal/(kg·℃)QA=901.87×1.1×（160-30）=128820kcalB.NH4OH分解热（吸热）最初状态氨水浓度为36%NH3，混合热为160kcal/kgNH3最终状态氨水浓度为18%NH3，混合热为196kcal/kgNH3分解热QB=95.2×195-323.5×160=18544-51458=-328894kcalC.氨汽化热1.2MPa 30℃ NH3汽化热为21.6kcal/kg分解氨量为323-95=227kgQC=228.34×（-272.6）=62489kcalD.升温吸热氨气 1.2MPa，30℃ i=408.4kcal/kg1.2MPa，160℃ i=489kcal/kgQNH3=228.4×（408.4-489）=-18404kcal17.5%氨水，取其比热为1.1kcal/(kg·℃)Q氨水=531.4×1.1×（30-160）=-77700kcalQ D =QNH3+Q氨水=-77700-18407=-96106kcalQ 7=QA+QB+QC+QD=128910-32894-62579-96107=-62656kcal 热损失取进入热负荷~1.1%Q8=1889kcal设所需加热蒸汽热量为QQ 1+Q=Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+Q817623+Q=151385+122508+230507+62758+1889Q=392724kcal1.4 二段分解系统1.1.1 计算依据（计算以25℃为基准）进二段分解塔尿素溶液温度t=160℃，压力P=0.4MPa（绝压）出二段分解塔尿素溶液温度t=150℃出二段分解塔气体温度t=120℃第二段分解气各组分的压力：CO2：0.4×1.1100.1=0.4MPaNH3：0.4×1.11318.7=2.7MPaH 2O：0.4×1.118.2=0.1Pa第二段分解塔溶液的组成CO27.91kg 0.2kmol 甲铵 13.1kgNH311.4kg 0.7kmol 或氨水 401.1kgH 2O 398.6kg 21.12kmol 其中NH35.7kg尿素 1001.kg 16.5kmol H2O 399.0kg尿素 1001.1kg 缩二脲 6.0 0.06kmol 缩二脲 6.0kg_____________________________________________________________________ 总计 1421.1kg 总计 1426.1kg1.1.2 计算（1）溶液带入热量Q1=151345kcal加热蒸汽供给热量Q2（2）尿液带出的热量因为尿素溶液中含CO2、NH3、缩二脲含量较少，所以在计算中不考虑，则尿液浓度为：H2O 397.44kg 27.4%尿素 1003.05kg 72.6%_______________________________合计 1400.4 100%查图的71%尿液Cp=0.69kcal/(kg·℃)Q3=1431.03×0.8×（150-25）=121238kcal分解气体带出热量CO20.04MPa, 120℃ i=194kcal/kg0.1MPa, 25℃ i=174kcal/kgQCO2=41.23×（194-174）=885kcalNH30.1MPa, 120℃ i=471kcal/kg0.01MPa, 25℃ i=423kal/kgQNH3=125.44×（471-423）=6073kcalH2O 0.01MPa, 120℃ i=643kcal/kg 0.01MPa, 25℃ i=25kcal/kgQH2O=49.9×（6450-25）=31213kcalQ 4=QCO2+QNH3+QH2O=886+594+311114=37651kcal（3）甲铵分解热1.72MPa，120℃时甲铵分解热为32002kcal/kmol甲铵分解量为1.00kmolQ5=1×32021=32021kcal（4）NH4OH分解热刚开始溶液中NH3量为7.9-2×1.2=5.6kmol最后溶液中NH3量为0.71-2×0.2=0.35kmolNH4OH分解量为5.60-0.4=5.3kmol刚开始溶液中H2O/NH3=21.8/5.6=1.35平均276 .935.4=31.8QA氨水降温降压放热QA=543.34×1.1×（120-20）=59789kcalQB氨水在0.1MPa，20℃下分解吸热QB=-8346=-44452kcalQC—氨气升温升压吸热0.1MPa，20℃ i=424kcal/kg0.4MPa，120℃ i=471kcal/kgQ C =5.3×17×（423-470）=-4201cal Q D 氨水升温吸热因为第二段分解系统的出口液相中含氨量较少，所以氨水浓度稀，取它的比热Cp ≈1kcal/(kg ·℃)Q D =401.1×1×（-20-120）=-40415kcalQ 6=Q A +Q B +Q C +Q D =59770-44442-4201-40415=-29188kcal （5）热损失，取热损失为进热负荷的~1.7% Q 7=2561kcal 因 ∑-7171Q=0故Q 2=Q 3+Q 4+Q 5+Q 6+Q 7-Q 1=112298+31001+29188+37871+2561-151355 =71768kcal 所以Q 2=71768kcal （6）二段分解塔热量平衡表收入项目 kcal % 支出项目 kcal % 尿素溶液带入 蒸汽供给热量151385 7171367．77 32.23尿素溶液带出 甲铵分解热 NH4OH 分解热 气相带出热 热损失 121498 32011 29148 37961 2544 51.4 15.3 20.1 17 1.7 总计 223098 100总计224008100。

第一章尿素1.1 尿素简介尿素是人工合成的第一个有机物，是一种高浓度氮肥，属中性速效肥料，也可用了生产多种复合肥料。

在土壤中不残留任何有害物质，长期施用没有不良影响。

畜牧业可用作反刍动物的饲料。

但在造粒中温度过高会产生少量缩二脲，又称双缩脲，对作物有抑制作用。

我国规定肥料用尿素缩二脲含量应小于0.5％。

缩二脲含量超过1％时，不能做种肥，苗肥和叶面肥，其他施用期的尿素含量也不宜过多或过于集中。

尿素广泛存在于自然界中，如新鲜人粪中含尿素0.4％。

尿素产量约占我国目前氮肥总产量的40％，是仅次于碳铵的主要氮肥品种之一。

尿素作为氮肥始于20世纪初。

20世纪50年代以后，由于尿素含氮量高(45％～46％)，用途广泛和工业流程的不断改进，世界各国发展很快。

我国从20世纪60年代开始建立中型尿素厂。

1986～1992年，我国尿素产量均在900万吨以上。

目前占氮肥总产量的40％。

尿素分子式是CO(NH2)2，因为在人尿中含有这种物质，所以取名尿素[1]。

尿素含氮(N)46％，是固体氮肥中含氮量最高的。

工业上用液氨和二氧化碳为原料，在高温高压条件下直接合成尿素，化学反应如下：2NH3+CO2→NH2COONH4→CO(NH2)2+N2O尿素易溶于水，在20℃时100毫升水中可溶解105克，水溶液呈中性反应。

尿素产品有两种。

结晶尿素呈白色针状或棱柱状晶形，吸湿性强。

粒状尿素为粒径1～2毫米的半透明粒子，外观光洁，吸湿性有明显改善。

20℃时临界吸湿点为相对湿度80％，但30℃时，临界吸湿点降至72.5％，故尿素要避免在盛夏潮湿气候下敞开存放。

目前在尿素生产中加入石蜡等疏水物质，其吸湿性大大下降。

尿素是生理中性肥料，在土壤中不残留任何有害物质，长期施用没有不良影响。

但在造粒中温度过高会产生少量缩二脲，又称双缩脲，对作物有抑制作用。

我国规定肥料用尿素缩二脲含量应小于0.5％。

缩二脲含量超过1％时，不能做种肥，苗肥和叶面肥，其他施用期的尿素含量也不宜过多或过于集中。

尿素工艺流程简述1、尿素的合成CO2压缩机五段出口CO2气体压力约20。

69MPa（绝），温度约125℃,进入尿素合成塔的量决定系统生产负荷。

从一吸塔来的氨基甲酸铵溶液温度约90℃左右，经一甲泵加压至约20.69MPa（绝）进入尿素合成塔，一般维持进料H2O/CO2(摩尔比)0.65～0.70。

从氨泵来的液氨经预热器预热至40～70℃进入尿素合成塔，液氨用量根据生产负荷决定，塔顶温度控制在186～190℃，进料NH3/CO2分子比控制3。

8～4。

2.尿塔压力由塔顶减压阀PIC204（自调阀）自动控制,一般维持19。

6MPa(表）物料在塔内停留时间为40分钟，CO2转化率≥65％。

为防止尿塔停车时管路堵塞，设置高压冲洗泵,将蒸汽冷凝液加压到19。

6～25.0MPa送到合成塔进出口物料管线进行冲洗置换。

2、中压分解出合成塔气液混合物减压至1。

77MPa（绝）进入预分离器，合成液中的氨大部分被分离闪蒸出来，通过气相管道进入一吸外冷却器,液相进入预蒸馏塔上部,在此分离出闪蒸气后溶液自流至中部蒸馏段，与一分加热器来的热气逆流接触，进行传质、传热，使液相中的部分甲铵与过剩氨分解、蒸出进入气相，同时,气相中的水蒸汽部分冷凝降低了出塔气相带水量.出预蒸馏塔中部的液体进入一分加热器，经饱和蒸汽加热后,出一分加热器温度控制在155～160℃，保证氨基甲酸铵的分解率达到88％，总氨蒸出率达到90%，加热后物料进入预蒸馏塔下部的分离段进行气液分离，分离段液位由LICA302摇控控制，物料减压后送至二分塔。

在一分加热器液相入口用空压机补加空气，防止一段分解系统设备管道的腐蚀,加入空气量由流量计指示(约2m3/TUr）通过旁路放空阀调节流量。

3、二段分解(低压分解)出预蒸馏塔的液体经LRC302减压至0.29～0。

39MPa(绝）,进入二分塔上部进行闪蒸，液体在填料精馏段与塔下分离段来的气体进行传质、传热,以降低出塔气体温度和提高进二分塔加热器的液体温度。

工业装置尿素合成动态模型及其应用热力学、动力学、焓模型篇上世纪70年代之前的传统化工产业，通常采用经验型的发展模式，这种传统型发展模式以大量实验数据为基础，通过中试或分流小装置等方法，取得工业数据；然后逐级放大，直到建立工业化装置。

这种传统模式既浪费了人力物力财力，也影响了传统化工产业的发展速度。

上世纪70年代之后，随着电子计算机技术（包括软件，硬件，计算技术等）的发展，这种传统型发展模式逐渐改变。

运用电子计算机，模型化和过程模拟软件，进行流程模拟已成为加快发展传统化工产业的先进有效方法。

对于简单物系，传统化工工艺的工业实际过程，若能用机理模型准确表达的话，则通过建立数学模型和流程模拟等，可以大大减少实验量，甚至可不经过中试直接放大至工业装置。

这样既节省了人力物力财力，又加快了发展速度。

对于化工单元过程，也可通过建模，过程模拟等方法，达到优化操作，优化控制，节能降耗之目的。

上世纪80～90年代，已出现了商品化的化工软件包，其中收入了众多常见物系，低常压条件下的化工单元过程，如精馏、传热等模型电算软件。

然而，对于高温高压下的复杂物系，模型软件就很少收入了，如尿素合成物系，即使像著名的Aspen 和PRO/Ⅱ软件包也未载入。

究其原因，其一，可能是尿素公司开发的尿素合成模型模拟软件已成为尿素专利技术的组成部分，属于知识产权范围内的核心技术，不肯廉价出售；其二，尿素合成物系太过复杂，优质模型的建立殊非易事。

从而可见，尿素合成模型开发的困难所在，也体现了它的价值。

在复杂的尿素合成反应过程中，平衡（包括化学平衡和相平衡），速度和热效应是最为重要的工业要素，为此，本篇将以前文的实验数据为基础，建立尿素合成反应过程三个半经验半理论模型：——热力学模型；——动力学模型；——物流焓模型。

用三模型来描述尿塔稳态合成反应过程任一截面的状态，为我国尿素产业的发展服务，满足技改之需。

第一节热力学模型尿素合成物系热力学模型是研究尿素合成反应过程中气液物流变化的数学模型；是描述高温高压条件下NH3―CO2―H2O―（NH2）2CO物系汽液平衡复杂函数关系的热力学计算模型。

毕业设计题目：10万吨/年尿素化工厂合成工艺设计系别：专业：姓名：学号：指导教师：河南城建学院2018 年 5 月20日河南城建学院毕业设计<论文）任务书题目10万吨/年尿素化工厂合成工艺设计系别化学化工系专业化学工程与工艺班级学号学生姓名指导教师发放日期2018年12月19日河南城建学院本科毕业设计<论文）任务书教研室主任审核后发给学生，最后同学生毕业论文等其它材料一起存档。

·成绩评定·毕业设计<论文）成绩评定·指导教师评定意见·一、评语：二、评分：<1）理工科评分表<2）文科评分表指导教师签字：年月日·评阅教师评定意见·一、评语：评阅教师签字：年月日·答辩小组评定意见·一、评语：二、评分：答辩小组成员签字：年月日毕业答辩说明1、答辩前，答辩小组成员应详细审阅每个答辩学生的毕业设计<论文），为答辩做好准备，并根据毕业设计<论文）质量标准给出实际得分。

2、严肃认真组织答辩，公平、公正地给出答辩成绩。

3、指导教师应参加所指导学生的答辩，但在评定其成绩时宜回避。

4、答辩中要有专人作好答辩记录。

设计说明本设计采用水溶液全循环法，使用氨和二氧化碳直接合成尿素，是将未转化成尿素的氨和二氧化碳经减压加热和分离后，用水吸收生成甲铵或碳酸铵水溶液，然后全部返回合成系统循环利用，原料氨利用率可达97%以上。

水溶液全循环法主要包含以下步骤：<1）二氧化碳的压缩与净化，<2）氨的输送及尿素的合成，<3）循环回收，<4）尿素溶液加工，<5）工艺冷凝液的分配及解吸等个步骤进行合成尿素，并围绕如何调高二氧化碳二氧化碳的转化率，减少循环量，降低能耗以及提高尿素质量来进行。

首先进行工艺流程分析并根据工艺参数及有关标准进行尿素合成塔和冷凝器内的物料、热量衡算；其次就解吸塔等设备利用传质传热方程、溶液物性数据等方面的知识进行塔体的总体结构设计和计算，设计出解吸塔塔径0.8m，塔高11.16m；然后对解吸塔进行了必要的强度校核；最后绘制了主设备图和工艺流程图。

尿素流程工艺二氧化碳汽提塔的模拟大连理工大学硕士学位论文尿素流程工艺二氧化碳汽提塔的模拟姓名:吴丹申请学位级别:硕士专业:化学工程指导教师:张述伟20020619尿素流程工艺二氧化碳汽提塔的模拟摘要尿素是一种广泛应用且肥效高的化学肥料,同时它还是一种重要的工业原料,是国家的支柱产业之一。

多年来,有关尿素新工艺、新设备的开发及老工艺、设备的改造一直是人们所研究的课题,并随着能源严重的短缺和相关技术的发展而越来越受到人们的重视。

汽提塔是尿素合成工艺中的关键设备之一。

对其进行准确的热力学模拟计算有利于该设备的改造及工艺过程的改进、工艺操作参数的优化,从而使能量回收利用更为完全,达到增产降耗的目的。

论文的主要内容有:阐述了前人对体系的尿素合成条件下的热力学气液平衡机理模型。

采用等提出的扩展的方程计算对...体系气液平衡进行模拟计算。

所得模型在一定范围内的预测性和实用性都很好,可满足尿素合成条件下工艺计算及流程模拟的需要。

建立了适用于汽提塔的平衡级数学模型,计算结果同设计数据以及实际工况吻合较好。

汽提过程液相摩尔分率的变化情况同采用相图分析的结果一致,充分说明了本模型的合理性。

同时也验证了热力学模型的『确性,计算结果得到汽提塔内各个操作参数的分布,因此,模拟计算结果比相图更能反映塔内的情况。

建立了汽提塔的非平衡级数学模型,并给出相关的动力学参数的求解方法。

将人工神经网络应用于汽提塔的模拟,以其模型作为“黑箱”模型,代替了严格模型,简化了计算,节省了机时。

从训练结果来看网络模型较为可靠,能够代替严格模型,为尿素过程系统的进一步优化奠定了基础。

关键词::汽提塔;。

一:一。

一体系;人工神经网络垦壅鎏塑三茎三蔓些壁苎堡堕竺堡塑一.,. . ..,,.: . ..?一....一一一 :, .., .... .【, ’.‘. ::一一一:尿素流程工艺二氧亿碳汽播塔的模拟第一豢绪论尿素作为重要的化学肥料,在整界范围内其产量和使用高麟第一。

第３６卷第６期化肥工业２００９年１２月工业尿素合成理论（二）沈华民（上海＃６Ｙ－研究院２０００６２）ＴｈｅｏｒｙｏｆＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＵｒｅａＳｙｎｔｈｅｓｉｓ（ＰａｒｔⅡ）ＳｈｅｎＨｕａｍｉｎ（ＳｈａｎｇｈａｉＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙ２０００６２）２现代工业尿素合成理论尿素，这一十分重要的化肥化工产品，问世于２０世纪２０年代。

由于对尿素合成试验与理论研究不完全，以及高温、高压尿素合成相平衡和相图匮缺，在此后４０多年的时间里，受传统工业尿素合成理论指导下的尿素产业一直处于尿素合成塔的实际工况与理论之间的矛盾之中，在理论不能指导实践的情况下生产着尿素这一产品。

鉴于上述情况，从２０世纪六七十年代开始，世界各大尿素技术公司和各国尿素研究者，出于对新技术开发之需以及对未知领域探索求真的巨大兴趣，竞相开展了高温、高压条件下ＮＨ，－ＣＯ：一Ｈ：０一ＮＨ：ＣＯＮＨ：物系的实验室研究，从而对尿素合成的化学平衡、热平衡、反应动力学和相平衡等方面进行了较为全面的试验测定和提升。

这些研究成果，既丰富完善了尿素合成理论，有利于人们正确认识尿素合成这一复杂的化工过程，也为工业合成理论从传统型更新为现代型奠定了基础，同时也是尿素合成走向模拟化、数字化的必要措施。

在上述研究者中，最为突出的要首推Ｋａａｓｅｎ－ｂｒｏｏｄ【１４１和Ｌｅｍｋｏｗｉｔｚ¨纠等的研究成果。

２０世纪六七十年代，为了开发气提技术，荷兰Ｓｔａｍｉｃａｒｂｏｎ公司的Ｋａａｓｅｎｂｒｏｏｄ等研究者系统研究了高温、高压条件下ＮＨ３－Ｃ０：物系及相关物系的超临界共沸相平衡和相图。

这些新的研究，既为荷兰Ｓｔａｍ．ｉｃａｒｂｏｎ公司的高压ＣＯ：气提法流程的成功开发作出了重大贡献，同时这些新的尿素合成条件下ＮＨ，一ＣＯ：物系介稳态和稳态的相平衡试验和理论研究，也填补了尿素合成理论所缺少的高压相平衡数据的空白。

用其分析工业尿素合成塔中合成反应过程和工况，对现代工业尿素合成理论的成功开发同样功不可没，起着至关重要的作用。

尿素合成的化工计算——焓模型篇
沈华民
【期刊名称】《中氮肥》
【年(卷),期】2009(000)001
【摘要】采用焓值法对尿素合成物系进行能量平衡的计算,建立了尿素合成物系气、液物流焓值的计算模型.用该气、液物流焓值计算模型来计算CO2汽提法大型尿素装置高压甲铵冷凝器、合成塔、汽提塔设备的热负荷,计算值与设计值一致,说明该
焓值计算模型能满足尿素合成系统设计和生产控制之需.
【总页数】5页(P7-11)
【作者】沈华民
【作者单位】上海化工研究院,上海,200062
【正文语种】中文
【中图分类】TQ441.41
【相关文献】
1.尿素合成塔化学爆炸的可能性分析--第二篇合成气性状分析 [J], 沈华民
2.尿素合成塔化学爆炸的可能性分析--第三篇合成气爆炸可能性的检验与判断 [J], 沈华民
3.尿素合成塔化学爆炸的可能性分析r——第四篇尿素合成塔化学爆炸能量 [J],
沈华民
4.尿素合成的化工计算——热力学模型篇 [J], 沈华民
5.尿素合成的化工计算——动力学模型篇 [J], 沈华民
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逆流等温尿素合成的热力学分析（续一）沈华民【期刊名称】《化工设计通讯》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】8页(P1-8)【作者】沈华民【作者单位】中国化工学会化肥专业委员会，上海 200062【正文语种】中文【中图分类】TQ441.411 研究本课题的目的和意义逆流等温尿素合成塔是UTI热循环工艺开发出的众多创新成果中最引人注目的科研成果。

该成果使尿素合成转化率从传统法的65%提高到75%，经济效益不言而喻。

因为逆流等温合成塔是从传统合成塔发展创新而来的，合成塔的工艺条件——压力、温度、NH3/CO2、H2O/CO2，与传统法相近，因而特别受我国目前运行着的众多传统法尿素装置青睐。

仅此一项成果(尿素合成转化率提高)，即能使传统法尿素装置吨尿蒸汽消耗降至1.2～1.1 t。

同时该项成果还是节能与增产兼顾的先进技术，故而也是扩产改造的首选技术，增产能力在40%～50%(即130 kt/a扩产到190 kt/a)时，合成转化率仍能保持在70%以上。

本课题首先考察传统工业尿素合成存在哪些问题，指出传统尿素合成运行效率低的原因，哪些因素影响转化率的提高。

嗣后，对UTI新颖的逆流等温合成法所采取的技改措施开展热力学分析，揭示其高效运行的成功之道及技术关键。

2 传统工业尿素合成存在的的问题2.1 传统工业尿素合成过程分析[1，2]通常，工业上传统尿素合成的运行方式如下：三股物流(原料CO2、预热的液氨、以及返回的循环甲铵液)全部从底部进入尿塔，如图1所示。

经过理想混合后，原料CO2全部生成甲铵。

由于进入的NH3与CO2生成液态甲铵的反应是快速强放热反应，放出的大量反应热会加热混合物料，使物料温度急剧升高，导致底部过热，其结果是使液相物系平衡压迅速升高。

若平衡压超过外压时，甲铵反应热还有多余，则生成的液态甲铵将分解为NH3与CO2气体，直到多余的热量全部用完，达到新的气液相平衡。

图1 传统尿塔示意图底部进料尿塔的过热现象是工业尿素合成物系甲铵生成反应化学平衡与相平衡、焓平衡三者综合的结果。

尿素的化学式为CO(NH₂)₂，当它溶解在水中时，会吸收热量。

这个溶解过程的热量变化，也就是溶解热，可以通过实验测定。

尿素的溶解热包括两个部分：溶质分子从固态转变为溶液的热量（即溶质的摩尔热容）以及溶质分子与水分子之间相互作用形成溶液的热量。

溶解热的计算通常使用以下公式：
ΔH = q / n
其中：
ΔH 是溶解热（摩尔溶解热，单位通常是kJ/mol 或J/mol），
q 是溶解过程中放出或吸收的热量（单位是焦耳J），
n 是溶解的物质的量（单位是摩尔mol）。

尿素的摩尔质量大约是60.06 g/mol。

如果我们知道溶解特定量的尿素（比如1摩尔）所放出或吸收的热量，就可以计算出尿素的摩尔溶解热。

然而，实际上，尿素的溶解热并不是一个固定的值，因为它受到许多因素的影响，包括溶液的浓度、温度、压力以及溶剂的性质等。

实验室中通常通过量热法来测定溶解热，比如使用差示扫描量热法（DSC）或微量量热法。

在没有实验数据的情况下，我们无法准确计算尿素的溶解热。

不过，可以查阅科学文献或化学手册来获取尿素的近似溶解热数据。

这些数据通常是在标准条件（25°C，1大气压）下测定的。

请注意，这里提供的是一般性的信息，实际的计算和测定需要专业的实验技能和仪器。

如果您需要准确的数据，建议查阅相关的化学文献或进行实验测定。