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第一章尿素生产的基本原理及工艺条件的选择1

第一节尿素合成反应的化学平衡与反应速度1

一、氨基甲酸铵生成反应的化学平衡1

目录1

图1-1固体氨基甲酸铵的离解压力2

表1-1 积分不同温度下的平衡常数2

表1-9 P=20公斤／厘米2下，尿素—NH3

图1-2氨基甲酸铵合成的平衡常数3

图1-3以温度为函数的CO2亨利系数5

表1-2二氧化碳亨利系数Hco25

二、氨基甲酸铵脱水反应的化学平衡6

三、尿素合成反应的平衡常数及转化率6

表1-3不同温度下的Kc值7

图1-4二氧化碳转化为尿素的转化率8

图1-5尿素生产的平衡常数9

图1-6 1nK与1/RT的关系10

表1-4几种尿素生产装置的设计转化率11

四、影响尿素合成反应化学平衡的因素11

图1-7 温度与KC(1)、Kc(2)、Kc的关系11

图1-8温度对平衡转化率的影响12

图1-9在NH3/CO2=4条件下，温度对平衡转化率的影响12

图1-10平衡转化率与NH3/CO2比的关系12

表1-5 NH3/CO2与CO2转化率的关系12

五、尿素合成反应平衡压力的影响13

表1-6 CO2纯度对合成率的影响13

图1-12在180℃时过量水对转化率的影响13

图1-13 CO2纯度与总合成率的关系13

图1-11 平衡转化率与H2O/CO2比的关系13

表1-7不同氨过量率时的温度与平衡压力14

图1-14温度与平衡压力的关系14

图1-15不同H2O/CO2时平衡压力与温度的关系14

图1-16平衡压力与温度的关系15

图1-17 CO2—NH3系平衡压力15

图1-18平衡压力与NH3/CO2的关系15

图1-19平衡压力与H2O/CO2的关系15

尿素合成的气—液平衡16

图1-20气—液系统气液两相界面示意图16

七、尿素合成的反应速度17

表1-8甲铵脱水反应的正反应速度常数17

图1-24尿素生产强度与反应时间的关系18

八、尿素合成反应工艺条件的选择18

图1-21 氨基甲酸铵的转化率与加热时间的关系18

图1-23过量氨存在时，氨基甲酸铵转化为尿素的时间18

图1-22氨基甲酸铵的转化率与时间的关系18

第二节未反应物的分离与回收19

一、未反应物的减压、加热分离19

图1-25甲铵分解率、氨蒸出率与温度的关系20

图1-26 甲铵分解率、氨蒸出率与压力的关系20

—CO2—H2O气液平衡数据21

二、氨和二氧化碳的回收23

图1-27 NH3—CO2—H2O系统饱和线的相图24

图1-28 NH3—CO2—H2O系统氨基甲酸铵相区等温线、等压线和等组分曲线图（饱和溶液）25

图1-29 NH3—CO2—H2O系甲铵相区溶液等温线、等压线和等组分曲线图（不饱和溶液高于熔点10℃）27

图1-30 NH3—CO2—H2O系甲铵相区溶液等温线、等压线和等组分曲线图（不饱和溶液高于熔点20℃）28

图1-31NH3—CO2—H2O系统在40℃下不饱和溶液的相图29

图1-32 NH3—CO2—H2O系统在60℃下不饱和溶液的相图30

图1-33 NH3—CO2—H2O系统在80℃下不饱和溶液的相图31

图1-34 NH3—CO2—H2O系统在100℃下不饱和溶液的相图32

图1-35 NH3—CO2—H2O系统在120℃下不饱和溶液的相图33

表1-10式（1-50）～（1-56）中的参数34

表1-11 P=20公斤／厘米2下，NH3—CO2—H2O系的气液平衡数据34

表1-12 P=20公斤／厘米2下，NH2—CO2—H2O系的气液平衡数据35

三、未反应物的汽提分离与回收35

图1-36 CO2—NH3—Ur·1H2O似三元系气液平衡相图37

图1-37在130标准大气压下NH3—CO2—Ur·1H2O似三元系统相图38

图1-38尿液用CO2汽提过程39

图1-39汽提过程在相图上的表示40

图1-40汽提压力和温度对汽提效率的影响41

图1-41NH3—CO2系统的P－T及T－X投影43

图1-42 NH3—CO2系统44

表1-13 水对NH3—CO2二元物系冷凝温度的影响44

四、尾气的爆炸性及预防45

图1-43 NH3—N2—O2和H2—N2—O2气体混合物的爆炸范围45

图1-44 H2—NH3—空气混合物的爆炸范围46

图1-45空气—NH3－（H2+N2）混合气体爆炸范围46

图1-46 NH3－H2—N2－空气在150℃和175巴条件下爆炸范围47

图1-47NH3－H2—N2—空气在150℃和40巴条件下爆炸范围48

图1-48 NH3－CO2－H2O三元系统顶脊线温度－压力－组分图49

图1－49脱H2反应器出口气体温度与H2含量的关系51

图1-51 尿素的水解速率和停留时间的关系52

图1-50尿素的水解速率和温度的关系52

第三节 尿素溶液的加工52

一、尿素生产过程中的副反应52

图1-52 120℃时尿素的水解率53

图1-53 130℃时尿素的水解率53

图1-54 140℃时尿素的水解率53

图1-55 150℃时尿素的水解率53

图1-56 160℃时尿素的水解率54

图1-57 170℃时尿素的水解率54

图1-58 化学平衡时尿素合成溶液中缩二脲的含量55

表1-14缩二脲实际平衡常数55

图1-60 NH3—Ur—Bi系统的化学平衡56

图1-61 NH3—Ur—Bi系统56

图1-59 NH3—Ur—Bi系统的化学平衡56

图1-62尿素溶液中缩二脲生成的列线图57

图1-63尿液中缩二脲生成率57

图1-64熔融尿素生成缩二脲量与温度、时间的关系58

图1-65熔融尿素中缩二脲生成速率与温度、时间的关系58

图1-66 120℃下缩二脲生成率与尿液浓度和时间的关系58

图1-67 130℃下缩二脲生成率与尿液浓度和时间的关系59

图1-68 140℃下缩二脲生成率与尿液浓度和时间的关系59

图1-69150℃下缩二脲生成率与尿液浓度和时间的关系59

图1-70 160℃下缩二脲生成率与尿液浓度和时间的关系59

图1-71 170℃下缩二脲生成率与尿液浓度和时间的关系60

表1-15在尿素和缩二脲的熔融物中、酸、碱对缩二脲生成速度的影响60

二、蒸发过程工艺条件的选择60

表1-16尿液第一沸点和第二沸点的温度与压力的关系61

图1-72尿素溶液密度、蒸汽压力和温度的关系61

三、结晶过程工艺条件的选择62

图1-73尿素在水中的溶解度62

图1-74饱和尿素水溶液的蒸汽压力63

表1-17尿素在水中的溶解度64

表1-18缩二脲在水中的溶解度64

图1-75尿素和缩二脲在水中的溶解度64

图1-76尿素一缩二脲一水系统65

第四节尿素生产中有关介质的物化数据66

一、尿素和尿素溶液66

表1-19尿素在水中的溶解度67

图1-77尿素在液氨中的溶解度67

表1-22尿素在某些溶剂中的溶解度68

表1-20尿素在液氨中的溶解度68

表1-21尿素在醇类中的溶解度68

表1-23常压下尿素溶液和熔融尿素的密度69

表1-24固体尿素的热容及外推值69

图1-78固体尿素的热容70

表1-25尿素水溶液的比热70

图1-79尿素水溶液的比热71

表1-26从饱和溶液中结晶尿素的结晶热71

图1-80尿素晶体在水中的溶解热72

图1-81 1克分子尿素在X克分子水中的溶解热72

图1-82尿素的结晶热73

表1-27尿素溶液的导热系数73

图1-83尿素水溶液的粘度算图74

表1-28尿素水溶液的粘度74

图1-84尿素水溶液的蒸汽压75

图1-85尿素－氨饱和溶液的蒸汽压76

图1-86尿素水溶液的表面张力76

表1-29氨基甲酸铵脱水生成尿素的焓增值△HU77

图1-87 △HU与温度的关系77

二、氨基甲酸铵（简称甲铵）77

图1-88甲铵水溶液的比重78

表1-30氨基甲酸铵的熔融热△HM78

表1-31 氨基甲酸铵在水中的溶解度79

图1-89氨基甲酸铵在水中的溶解度79

图1-90氨-氨基甲酸铵系统80

图1-91 NH2COONH4的热容80

图1-93氨基甲酸铵溶液的比热（二）81

表1-32固体氨基甲酸铵延伸分子热容81

图1-92氨基甲酸铵溶液的比热（一）81

图1-94氨基甲酸铵溶液的分解热82

三、缩二脲82

四、氨83

表1-33液氨（及蒸汽）的密度84

图1-95液氨的密度84

表1-34氨的压缩系数A（一）85

表1-35氨的压缩系数A（二）85

表1-36氨的热容（一）85

表1-37氨的热容（二）86

表1-38氨的热容（三）86

图1-96氨的热容87

图1-97液氨的比热88

图1-98高温高压下氨的比热89

表1-39饱和状态下氨的热力学性质90

图1-99氨的压-焓图（一）92

图1-100氨的压-焓图（二）93

图1-101氨的温-熵图94

表1-40氨的导热系数95

图1-102氨的导热系数96

表1-41液氨导热系数97

表1-42氨的粘度97

图1-103氨的粘度（一）98

图1-104氨的粘度（二）99

表1-43液氨的粘度99

表1-44液氨的表面张力99

图1-106氨在水中的溶解度（0～100℃，2000毫米汞柱）100

图1-105液氨的粘度算图100

五、氨的水溶液100

图1-107氨在水中的溶解度（10～70℃，0.5～4大气压）101

表1-45氨水溶液的密度101

图1-108氨水溶液的密度102

表1-46氨水的比热103

图1-109氨水溶液的比热103

图1-110氨水的比热104

表1-47氨在水中的积分溶解热104

图1-111气氨在水中的积分溶解热（18℃时）105

图1-112氨在水中的积分溶解热（25℃时）105

图1-113氨溶解热的温度、压力校正值105

表1-48液氨在水中的微分和积分溶解热105

表1-49不同碳化度的氨水溶液中氨的积分和微分溶解热106

图1-114液氨和水的混合热107

表1-50氨水在20℃下的压缩系数107

图1-115氨水的粘度108

图1-116氨水导热系数108

图1-117氨水溶液的焓－浓图108

表1-51氨水溶液的蒸汽总压109

图1-118氨水溶液的蒸汽总压（一）110

图1-119氨水溶液的蒸汽总压（二）111

图1-120氨水溶液的蒸汽总压（三）112

图1-121氨水溶液上氨的分压（一）113

图1-122氨水溶液上氨的分压（二）114

图1-123氨水溶液上氨的分压（三）115

六、二氧化碳116

表1-52氨水溶液的表面张力116

表1-53 液态二氧化碳的密度117

表1-54二氧化碳的压缩系数117

图1-12二氧化碳的压缩系数118

表1-55二氧化碳的热容118

表1-56二氧化碳的定压比热119

图1-125 CO2的压－焓图120

图1-126CO2的温－熵图（一）121

图1-127 CO2的温-熵图（二）122

图1-128CO2的温－熵图（三）123

图1-129 CO2的温-熵图（四）124

表1-57氧化碳的导热系数125

图1-130二氧化碳的粘度130

表1-60液态及固态二氧化碳的体膨胀系数131

表1-58二氯化碳的粘度131

表1-59液态CO2的表面张力131

表1-61二氧化碳在水中的溶解度132

图1-131二氧化碳在水中的溶解度（1～700大气压）132

图1-132二氧化碳在水中的溶解度（100～700毫米汞柱）133

表1-62不同碳化度的氨水溶液中二氧化碳的积分与微分溶解热133

表1-63液态二氧化碳的蒸汽压134

表1-64二氧化碳的气化热135

第五节主要工艺条件135

一、水溶液全循环法流程主要工艺条件135

二、二氧化碳汽提法流程主要工艺条件136

三、改良C法流程主要工艺条件139

参考文献141

第一节水溶液全循环法流程物料衡算计算条件的确定143

第二章物科衡算143

第二节 水溶液全循环法流程物料衡算145

一、压缩系统145

二、合成系统148

三、一段分解系统150

四、二段分解系统153

五、一段蒸发系统154

六、二段蒸发系统158

七、吸收—解吸系统160

八、二段吸收系统163

九、一段吸收系统165

第三节 尿素生产工艺流程及物料数据167

图2-1 水溶液全循环法生产尿素的工艺流程168

一、水溶液全循环法生产尿素的工艺流程及物料数据表169

表2-1 图2-1的工艺物料数据表169

二、二氧化碳汽提法生产尿素的工艺流程及物料数据174

图2-2二氧化碳汽提法生产尿素的工艺流程174

表2-2 图2-2的工艺物料数据表176

三、改良C法生产尿素的工艺流程及物料数据184

图2-3改良C法生产尿素的工艺流程184

表2-3图2-3的工艺物料数据表186

表2-4尿素生产方法的消耗定额比较193

参考文献193

第三热量衡算194

第一节水溶液全循环法流程热量衡算194

一、合成塔194

二、预分离器198

三、一段分解塔202

四、二段分解塔205

五、闪蒸槽207

六、一段吸收塔209

七、氨冷凝器214

八、惰性气体洗涤器215

九、二段循环第一冷凝器217

十、二段循环第二冷凝器219

十一、一段蒸发器220

十二、二段蒸发器224

十三、一段蒸发表面冷凝器225

十四、二段蒸发表面冷凝器227

十五、尾气吸收塔229

十六、解吸塔231

十七、解吸塔换热器233

十八、冷却设备耗水量235

十九、设备用汽量235

第二节 二氧化碳汽提法工艺流程及热量衡算数据235

一、蒸汽和冷凝液平衡数据235

图3-1 二氧化碳汽提法流程蒸汽和冷凝液平衡图236

表3-1 图3-1的蒸汽和冷凝液数据表237

二、冷却水平衡数据239

图3-2二氧化碳汽提法流程冷却水平衡图239

第三节改良C法流程蒸气、冷凝液、冷却水平衡数据240

一、蒸汽和冷凝液平衡数据240

图3-3改良C法流程蒸汽和冷凝液平衡图240

图3-4改良C法流程冷却水平衡图242

二、冷却水平衡数据242

参考文献243

第四章 主要工艺设备计算244

一、尿素合成塔有效容积244

图4-1 尿素合成塔生产强度与转化率的关系244

二、一段分解加热器244

三、一段分解塔分离器249

表4-1 NH3、CO2、H2O的临界温度、临界压力值250

四、一段吸收塔250

表4-2不同塔径时的塔板间距251

图4-2 不同分离空间下动能参数与负荷系数之间的关系252

图4-3不同气体重度和塔板间距下的CAFO255

表4-3不同物系的系统因数255

五、氨冷凝器263

图4-4平均温差校正系数265

表4-4系数α与tm的关系266

表4-5系数α值266

表4-6系数b值267

六、二段蒸发加热器272

图4-5管内流动状态判断图274

七、气体引射器277

图4-6引射器277

图4-7 超音速引射器的设计尺寸图285

八、水溶液全循环法工艺流程主要设备参数288

表4-7主要设备的规格与参数288

九、二氧化碳汽提法工艺流程主要设备参数294

表4-8主要设备规格与参数294

表4-9主要设备规格与参数302

十、改良C法工艺流程主要设备参数302

参考文献308

第五章尿素造粒塔309

第一节 自然通风造粒塔309

一、自然通风造粒塔309

图5-1（尿№1～尿№8）尿素造粒塔塔高、塔径的选择及其主要性能系列图310

二、自然通风造粒塔性能方程组330

图5-2造粒塔上各符号所表示的位置331

表5-1颗粒降落垂直方向阻力系数339

C值339

图5-3造粒塔进风口340

图5-4造粒塔排风口340

表5-3相对湿度的选用342

表5-2温度系数？1与？2值342

图5-5（一～五）某些地区气温变化状况图343

三、颗粒降落运动的轨迹方程347

表5-4颗粒水平方向运动的阻力系数B值348

四、造粒塔结构型式的设计要点348

图5-6多级锥斗示意图349

第二节机械通风造粒塔349

一、工艺性能计算349

二、通风机设备的选择352

图5-7 65KZ-12型NO15.5轴流化工专用通风机353

图5-8 CD30KZ-12型轴流通风机353

第三节造粒塔的热工计算353

表5-5αt及ααt与风速的关系354

一、单向热流塔壁温度计算354

图5-9 三个地区纬度（炎热季）各方位立面上太阳总辐射强度356

二、平面热流的塔壁内部的温度场计算358

图5-10计算网格图359

图5-11 造粒塔塔壁上物料粉尘的吸湿高度检查图360

三、粘附于塔内壁上的尿素粉尘与空气之间的湿转移平衡界面的检验362

第四节旋转造粒喷头计算362

一、等重量密度分布的计算方法362

图5-12旋转造粒喷头示意图363

表5-6喷头转数的选择363

图5-13塔内环带分布图364

图5-14喷头孔口速度分解合成图365

表5-7β及ηc值（α=10？，壁厚σ=2毫米）366

表5-8式（5-80）中采用的K、P、Q、U值366

表5-9孔口有效面积fe367

图5-15旋转液层抛物面母线及其在锥形喷头内的状态示例368

表5-10旋转液层抛物面母线的计算绪果369

二、等轨迹密度的设计计算方法369

三、预先布置喷孔的设计计算方法370

四、性能计算371

第五节固定造粒喷头的计算372

图5-16固定喷头及装置372

一、固定喷头的设计计算373

图5-17固定喷头打孔位置图373

图5-18各排孔在平面展开图上的位置374

二、固定喷头的性能计算374

图5-19最大喷洒区状况375

图6-1 00Cr17Ni14Mo2不锈钢衬里的均匀腐蚀376

第六章 尿素生产中的腐蚀和耐腐蚀材料第一节腐蚀概况376

图6-2 00Cr17Ni14Mo2不锈钢衬里的晶间腐蚀377

图6-3 00Cr17Ni14Mo2不锈钢焊缝金属产生铁素体的选择性腐蚀377

图6-4 00Cr17Ni14Mo2不锈钢堆焊层产生的枝晶间腐蚀377

图6-5 Cr17Mn14Mo2N不锈钢端产生端晶腐蚀处的组织（650 x奥氏体＋铁素体＋σ相或x相）378

图5-6螺栓腐蚀后的表面378

图6-7 00Cr17Ni14Mo2不锈钢衬里板上产生的点蚀坑378

图6-8 00Cr17Ni14Mo2不锈钢衬里产生应力腐蚀破裂379

第二节腐蚀原因及其影响因素380

图6-9不锈钢在尿素－甲铵溶液中的活化和钝化状态381

表6-1 NH3/CO2比与金属的腐蚀率382

图6-10 H2S对0X17H16M3T不锈钢在尿素－甲铵溶液中的腐蚀率382

图6-11尿素－甲铵溶液中的O2含量对金属的腐蚀率383

表6-2尿素－甲铵溶液中不同的硫化物和氧含量对钛及其合金的腐蚀率383

表6-3 OX17H16M3T不锈钢在不同温度和不同NH2/CO2比时的腐蚀率384

图6-12在尿素－甲铵溶液中活化的00Cr17Ni14Mo2不锈钢的腐蚀率与温度的关系384

表6-4不锈钢中铬含量在尿素－甲铵溶液中的电位和腐蚀率385

表6-5不同铬含量的不锈钢在活化态／钝化态下需要的氧含量385

表6-6不锈钢中铬含量与由钝化态转为活化态时所需的时间385

图6-13尿素－甲铵溶液中铬镍钼不锈钢的镍含量对其在氨基甲酸铵溶液中腐蚀率的影响386

表6-7 铁素体、α相、x相和奥氏体基体的化学成分387

表6-8不锈钢焊接接头腐蚀型式与铁素体或σ相的关系387

第三节尿素用材的选择387

表6-9 金属材料耐腐蚀性能388

表6-10第一类材料在尿素－甲铵溶液中的腐蚀率389

表6-11 铬镍钼奥氏体不锈钢常用焊条392

表6-14工业纯锆的机械性能393

表6-12 钛及钛合金的机械性能393

表6-13工业纯锆所含杂质的化学成份393

表6-15第二类材料在尿素－甲铵溶液中的腐蚀率395

表6-16第三类材料在尿素－甲铵溶液中的腐蚀率397

表6-17第四类材料在尿素－甲铵溶液中的腐蚀率398

表6-18 第五类材料制造往复式高压甲铵泵缸体的使用寿命399

表6-19第六类材料制造减压阀阀芯、阀座的使用寿命399

参考文献400

附 录401

附表1中华人民共和国尿素标准401

附表2几种生产尿素方法产品质量指标401

附表3苏联尿素质量标准402

附表4尿素常用不锈钢国内外牌号对照表403

1．长度405

2．质量405

3．时间405

4．温度405

附表5常用单位换算表405

5．物质的量408

6．面积408

7．体积408

8．速度408

9．密度409

10．比容409

11．扩散系数409

14．力410

12．体积流量410

13．质量流量410

15．压力、应力411

16．能、功、热量411

17．功率412

18．动力粘度412

19．力矩412

20．表面张力413

21．热容、熵413

22．比热容、比熵413

23．比能413

24．导热系数414

25．传热系数414