氨合成是最重要的基础化学工业之一。由于合成氨的生产能耗非常高,约占世界化工生产总能耗的十分之一,进一步降低合成氨的生产能耗,已成为发展现代化工业需要重点考虑的问题。布朗(Braun)工艺以天然气为原料,其关键在于合成气的深冷精制,成功实现了造气工段与氨合成工段的相对独立,合成驰放气的量非常小,合成气利用率高。本论文从物料平衡、能量平衡以及物质/能量的协同匹配等三方面出发,分析布朗工艺中影响尿素单耗的关键因素,发现：1)造气工段,空气输入二段转化炉,用于提升炉温、提供氮气,存在物料与能量的不匹配,即为了满足炉温(800℃)的要求,氮气过量,造成了公用工程的浪费；2)尿素合成工段,造气工段提供的二氧化碳与氨合成工段理论氨产量不匹配,部分合成气用作燃料气,既浪费了公用工程,又降低了产能。针对造气工段中物质/能量不能同时达到合理指标的问题,本文提出采用富氧空气代替普通空气强化二段转化炉的改进方法,解决造气工艺中氮气过剩带来的能耗较高的问题。通过物料衡算可知,年产30万吨合成氨的布朗工艺,造气工艺中N2过量462 kmol/h,本文采用膜分离法制取21%～30%(摩尔分数)的富氧空气,改善其质能平衡,同时净化器放空气中的甲烷的浓度从16.5%增加37.22%。因此可将该股物流循环回一段转化炉,以提高原料利用率。针对造气工段提供的二氧化碳不能满足尿素合成工段需求的问题,本文提出利用工厂烟道气中二氧化碳作为补充碳源的方法。通过物料衡算可知,年产30万吨合成氨的布朗工艺生产尿素时,过量合成气为72.2 kmol/h,缺少C02量为18.05 kmol/h,本文采用化学溶剂MSA法回收烟道气中二氧化碳,提高合成气利用率,减少排碳量。本文对30万吨/年布朗工艺进行模拟优化：造气工段优化结果表明富氧膜选用PI膜,富氧膜原料侧压力为415 kPa,渗透侧压力为102 kPa时,富氧成本最低；在净化尾气不循环工艺中,当富氧浓度为26.5%时,单位合成气的成本最低,其值为32.51元/kmol,此时合成气产量为5350 kmol/h;循环利用净化尾气工艺,当富氧浓度调至29.09%时达到趋于稳定,合成气其值由34.49元/kmol降至30.91元/kmol,此时合成气产量为5767kmol/h,显然,此工艺较好；MSA法回收CO2作为合成尿素的补充碳源工艺,按造气工段合成气产量为5767kmol/h时,C02产量为86.1 kmol/h,其设备投资为26万元/年,公用工程为5.745百万元/年。经过两种方法优化后,最终经济效益为509万元/年。