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尿素生产系统热力学研究及流程模拟开发

张香平  
【摘要】: 尿素作为一种重要的化学肥料,在世界范围内其生产和使用居首位,此外它也是一种用途广泛的工业原料。自二十世纪三、四十年代以来,与尿素生产相关的理论研究和工业应用研究就一直为人们所关注,成为化学工业一个重要的学术研究领域。当今日益严重的能源危机和日益恶化的环境状况促使人们对这一工业过程进行更为深入的研究,以达到节能降耗、清沾生产的目的。本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_20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.本文采用扩展的UNIQUAC方程对NH_3-CO_2-H_2O-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,并重新回归厂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。首次将“物种群”概念引入求液相物种活度系数的扩展UNIQUAC方程中,用“物种群”间的交互作用代替实际物种间的交互作用,大大减少了模型参数个数,简化了计算及参数回归,将该模型用于NH_3-CO_2-H_2O-urea体系中低压部分的气液平衡模拟计算,与原模型计算值相比,平衡压力平均相对误差降低了3.6%。所提出的模型同样适用于伴随有化学反应的多组分溶液体系的气液平衡热力学计算。 3.以NH_3-CO_2-H_2O-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引(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- 大江搜工大学N门,学位论义 CO。-H。O-。lrea体系热力学机理拱型及单元设备模型的正确性。问时对其他高压 设爷进行了建模分析与计算。 5{f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,考虑到该系统媚 环流股多、流程复杂的特点,我们采川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。本方法既保证了各单元模块机理模型的使用,又避免了由 丁流程复杂而导致采用序贯模块法时模拟过程不易收敛、计算时问过长等问 题,同样也无需求解采用联立方程法时所形成的大型仆线性方程组。模拟计算 结果同设计数据吻合。 6 在实际工程应用中,许多忧化问题常常需要同时满足多个目林的需求,而这些 口标函数又常常是相互冲突的。本文首伙以二氧化碳平衡转化率和未反应的氮 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——操作硫 度、氨碳比和水碳比。采用多口标微观遗传算法对该多目标优化问题求解,汕 策者可从求解得到的优化解集Pareto fronts中根据自己的意向和各日标所赋权 哲的大小寻求满意解。本二-作对实际厂业中尿素合成过程操作参数的优选有巫 要的指导意义。


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