尿素水解制氨过程模型与实验研究

摘要

火电厂SCR烟气脱硝系统普遍采用液氨法制备还原剂，近年来，国内外发电企业对液氨使用过程中的潜在危险越来越重视，以尿素替代液氨制备氨气的工艺开始受到广泛关注。尿素分解法制备脱硝还原剂分为热解法和水解法，其中水解制氨工艺在前期设备投资方面比热解法低11％，年运行费用低约27％，将具备更强的市场竞争力。
　　尿素水解技术来源于化工行业尿素生产中的废液回收工艺，应用于火电厂SCR烟气脱硝还原剂制备时，其反应机理和工艺设计均具有显著的差别。目前针对尿素水解制氨的理论研究主要在半间歇和间歇反应器上进行，而工业用连续反应器中的尿素水解制氨是一个伴随传热传质的化学反应过程，其理论模型有待进一步完善。为研究开发适用于火电厂烟气脱硝所需的尿素水解技术，本文对工业连续反应器中的尿素水解制氨过程进行了理论建模和实验研究。
　　首先，采用物料平衡方程、热量平衡方程、化学平衡方程及相平衡方程组成的非线性方程组来构建开口体系内尿素水解过程的热力学模型和动力学模型，并引入修正的Lewis-Randall方程和修正的Herry方程来描述水解反应器内H2O-NH3-CO2-(NH2)2CO(ACWU)四元多自由度气液平衡关系，气液两相的非理想性则分别采用PR状态方程和扩展UNIQUAC模型进行修正。尿素水解反应体系内的换热过程由蒸汽放热、盘管导热和尿素溶液吸热三部分构成，蒸汽放热过程可采用冷凝换热模型，尿素溶液吸热过程则符合沸腾换热的特征。
　　为模拟工业反应器的传递过程条件，在西安热工研究院设计搭建了一台尿素水解中试装置，并开展了实验研究。结合实验数据分析了压力、温度和给料尿素溶液浓度对气液相组分和产氨速率的影响，从反应器结构设计和腐蚀防护两方面确定了最优的尿素水解工艺操作参数，具体为操作压力0.6MPa（定压运行）、操作温度140～160℃、尿素溶液给料浓度40％～60％。
　　最后，探讨了内外扩散传质过程对反应动力学的影响，拟合得到了适用于火电厂烟气脱硝用尿素水解制氨工艺条件下的反应动力学参数，具体为指前因子A等于2979461.82s-1，活化能E等于86.575 kJ/mol，该动力学模型可用于工业化放大。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 尿素分解法制氨技术

1．3 国内外研究现状

1．4 主要研究内容

第2章 尿素水解系统数学模型

2．1 尿素水解制氨机理

2．2 热力学模型

2．2．1 物料平衡模型

2．2．2 热量平衡模型

2．2．3 NH3-CO2-H2O-(NH2)2CO体系汽液平衡模型

2．2．5 化学平衡模型

2．3 动力学模型

2．4 液相组分影响因素

2．4．1 给料浓度的影响

2．4．2 温度的影响

2．4．3 压力的影响

2．5 本章小结

第3章 尿素水解实验研究

3．1 中试装置介绍

3．2 实验工况及数据

3．3 理论模型验证

3．3．1 物料平衡模型验证

3．3．2 热量平衡模型验证

3．3．3 相平衡模型验证

3．4 动力学参数拟合

3．5 本章小结

第4章 总结及结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文和研究成果

致谢