尿素合成工艺设计中的关键设备的计算及选型案例综述
1.1尿素合成塔
设计条件
1）CO2转化率：η%
2）生产能力：G吨/天
设计程序
1）确定尿素合成塔生产强度
由已知CO2转化率η%查出尿素合成塔生产强度
2）计算尿素合成塔有效容积
按下式计算：
V=m3
（3）计算
1）已知
①CO2转化率：η=63%
②生产能力：G==625d/t
2）确定合成塔生产强度：
由CO2转化率η%查出尿素合成塔生产强度为13.2t/(m3·d)
3)计算尿素合成塔有效容积
V==47.35m3
实际选取50m3，裕度18%
实际生产强度为：Vˊ==12.5t/(m3·d)
4）计算塔高、塔径
由于进塔气体比出塔气体大的多，所以按塔底进料气体计算气相流量。
进塔气体：
CO2737kg16.71kmol；
O22.89kg0.09kmol；
N21.14kg0.1847kmol；
H20.279kg0.0155kmol；
总计743.369kg17.0002kmol。
进塔气体密度：
ρ====244.8kg/m3
气相流量：
VS=×=0.0351m3/s
空塔气速：u=（0.6-0.8）?umax
取u=0.008m/s
塔径D==m圆整：m
塔高H===m圆整：m
1.2一段分解加热器
已知条件
①操作压力：P=18MPa（绝压）
②操作温度
进加热器尿液温度t1=124℃；
出加热器尿液温度t2=160℃。
③加热蒸汽条件
压力：P汽=12.5MPa（绝压）；
温度：t汽=188.9℃；
冷凝温度：t凝=188.9℃；
冷凝潜热：r=475kcal/kg。
④热负荷Q=392723kcal/kg(尿素)
⑤物料浓度
进加热器尿液浓度：39.30%；
出加热器尿液浓度：61.37%。
⑥生产能力约为45t/h
有效平均温度差
Δtm===44.7℃
壳程蒸汽冷凝给热系数a1
设管壁温度tWA=185℃，则冷凝液平均温度为：
=187℃
在平均温度187℃时水的物性数据
—密度，880kg/m3；
—导热系数，0.577kcal/(m·h·℃)；
—粘度，15×10-6kg·s/m2。
初选567根管，管长9m，管径R=25mm
先计算定性准数范围
（Ga·Pr·KD）===
故33
=3
管内尿液加热分解给热系数a2??????????????????????????.????????4
尿液在管内平均温度t液：
t液==142℃
设管内尿液平均壁温tWB=154℃
则=tWB-t液=154-142=12℃
水在该条件下的泡核沸腾给热系数a水
尿液平均浓度
=%
在142℃条件下50.34%尿液的物性常数
—导热系数，
c—比热
c==0.687cal/(kg·℃)
式中：—分别为进、出口尿液的比热
—密度，kg/m3
—粘度，0.41厘泊
在142℃时水的物性常数
—kcal/(m?h?℃)
c水—kcal/(kg?℃)
—kg/m3
—厘泊
则校正系数
=（）1.8·（）0.4·（）2.3·（）-3.1
=（）1.8×（）0.4×（）2.3×（）-3.1
=
=
则：a2=a水=cal/(m2?h?℃)
传热系数K
取污垢热阻m2?h?℃/kcal
不锈钢管导热系数=15kcal/(m?h?℃)
管壁厚度=2mm=0.002m
==
=
=kcal/(m2?h?℃)
壁温的校验
热流部分：
壁=t凝-=-=℃
冷流部分：
t壁=t液+=+=℃
与假设基本相符。
传热面积
由已知条件得传热总量为：
kcal/h
则：S===m2
选用加热器传热面积S=400m2
实际传热面积=ndl=
壳体内径
由已知得
=1.1×=
=1.2d0=1.2×25=30mm
则：
=
圆整为标准1000mm，最小壁厚12m
一般列管式换热器的长度与壳体直径之比L/D为6-10，所以取L/D=9，即L=100mm。
1.3二段蒸发加热器
已知条件
①操作压力P=0.034大气压（绝压）
②操作温度
进加热器物料温度：t1=130℃
出加热器物料温度：t2=140℃
③加热蒸汽条件
压力：P汽=12.5大气压（绝压）
温度：t汽=188.9℃
冷凝温度：t凝=188.9℃
冷凝潜热：r=475kcal/kg
④热负荷：Q=26316kcal/t（尿素）
⑤物料浓度
进加热器物料浓度：96%
出加热器物料浓度：99.7%
蒸发蒸汽组成(以1t尿素计)：
CO21.1kg0.025kmol1.067%
NH31.18kg