氨汽提法尿素合成塔的模拟计算

摘要

本文采用双膜论建立了尿素合成塔的气液传质模型，并结合已有的尿素合成体系热力学模型及尿素合成反应动力学模型，通过非平衡级机制建立了氨汽提法尿素合成塔的计算模型，并借助计算机通过Fortran程序实现了合成塔的模拟计算。
　　尿素合成塔是整个尿素工艺的关键设备，其涉及高温、高压、超临界、电离平衡以及物料返混等复杂现象。研究发现，CO2转化率与气、液物流的混合程度即传质效率有关，而CO2转化率的高低直接决定了尿素工艺后续工段的复杂程度及整个工艺的能耗大小。故在合成塔的建模过程中，将气液传质作为重要研究内容。
　　气液传质模型假设气液传质面积与生成的气泡面积相等。收集整理了与传质模型相关的参数，包括气、液相黏度，液相表面张力，合成塔塔板开孔率等，选择合理的方法计算得到了各级反应器内的平均气泡直径、平均气含率以及停留时间等重要参数。
　　本文将合成塔看做多级串联的全混流反应器组来处理，以物料高度划分反应器级数，对每一级反应器建立基于热力学、动力学和流体力学(气液传质)的非平衡级模型。模拟结果与实际工况较接近，表明合成塔的模型建立成功。计算获得了实际操作中缺乏的重要信息，包括合成塔内不同高度气、液相物流温度、流量、组成、CO2转化率、平均气泡直径及平均气含率等，具有实际参考意义。该研究对现有氨汽提工艺的设备改造、参数优化及提高CO2转化率具有理论指导意义。

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1 绪 论

1.1 尿素及其工业概况

1.2 当代主要的尿素合成工艺

1.3 尿素合成体系的理论研究

1.4 论文立题

2 尿素合成体系的热力学模型

2.1 化学反应平衡[3,15,31]

2.2 尿素合成体系的汽液平衡模型

2.3 扩展型UNIQUAC活度系数方程

2.4 焓值模型[2,30]

2.5 本章小结

3 尿素合成反应动力学模型

3.1 尿素合成平衡转化率

3.2 尿素合成动力学方程[1,29]

3.3 本章小结

4 尿素合成塔内的气液传质模型

4.1 双膜论气液传质模型

4.2 合成塔的平均气含率

4.3 气泡体面当量直径

4.4 物料停留时间

4.5 本章小结

5 氨汽提法尿素合成塔的模拟及结果分析

5.1 氨汽提法尿素合成塔的数学模型

5.2 合成塔的模拟实现

5.3 计算结果与讨论

5.4 本章小结

6 总 结

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的文章目录:

B. PHS方程[72]

C. M-H方程[73]