尿素生产系统热力学研究及流程模拟开发

摘要

该文从尿素生产系统的热力学气液平衡机理模型的研究入手,对尿素工艺高压流程模拟系统进行开发研究,以期为尿素工业生产提供一定的理论指导.论文的主要内容有:1.热力学模型是进行化工过程模拟的基础,是决定模拟结果是否准确的最关键因素之一.论文首先基于Edwards模型建立了NH<,3>-CO<,2>-H<,2>O体系气液平衡热力学机理模型,着重对模型的求解算法进行了详细的研究,将联立求解方程组的方法与模拟实际反应过程、以反应进度稳定为收敛准则的迭代法相结合,设计出稳定收敛的算法,以满足尿素流程低压设备模拟计算的需要.将热力学模型用于尿素生产流程中冷凝工段各冷凝器的模拟计算,所得计算结果与实际相符,可将其作为全流程模拟的单元模块,同时也验证了热力学模型的可靠性,2.该文采用扩展的UNIQUAC方程对NH<,3>-CO<,2>-H<,2>O-urea体系气液平衡进行模拟计算,以满足尿素生产系统中高压系统的流程模拟计算的需要,并重新回归了模型氨组分的标准态逸度,使模型计算结果与实际数据更为相符.3.以NH<,3>-CO<,2>-H<,2>O-urea体系气液平衡热力学机理模型为基础,采用平衡级模型及非平衡级模型(基于非全混流模型,考虑传质通量)对尿素生产系统的关键设备——尿素合成塔进行了模拟计算,将计算结果同实际设计及实际操作数据作了比较.我们首次将该热力学机理模型用于非平衡级模型的计算,所得到的合成塔内的参数分布与实际的分析结果更为相符.4.采用平衡级模型对高压汽提塔进行了模拟计算,计算结果同高压相图的分析结果进行了比较,模型适用于CO<,2>汽提塔及NH<,3>汽提塔.也以此验证了NH<,3>-CO<,2>-H<,2>O-urea体系热力学机理模型及单元设备模型的正确性.同时对其他高压设备进行了建模分析与计算.5.在对尿素高压部分各单元设备建立严格模型并求解的基础上,考虑到该系统循环流股多、流程复杂的特点,我们采用联立模块法开发尿素高压流程模拟系统,交替求解模块水平上各单元的机理模型和流程水平上的简化模型,从而完成对高压圈的模型计算.该方法既保证了各单元模块机理模型的使用,又避免了由于流程复杂而导致采用序贯模块法时模拟过程不易收敛、计算时间过长等问题,同样也无需求解采用联立方程法时所形成的大型非线性方程组.模拟计算结果同设计数据吻合.6.该文首次以二氧化碳平衡转化率和未反应的氨量作为两个目标函数,同时优化求解尿素合成过程的主要控制参数——操作温度、氨碳比和水碳比.