尿素生产技术 教学课件 ppt 作者 池永庆 编第三章 尿素的合成.ppt

尿素生产技术,第三章 尿素的合成,第一节 尿素合成的基本原理 第二节 尿素合成的工艺条件,第一节 尿素合成的基本原理,一、合成尿素的反应机理 工业上尿素的生产都是用液氨与二氧化碳反应直接合成的，总反应式为 2NH3（L）+CO2(g) CO(NH2)2(L)+H2O(L)+Q （3-1） 这是一个体积缩小的、可逆的放热反应从反应机理研究有很多解释，一般认为合成尿素的反应分为两步进行第一步 甲铵的生成：氨与二氧化碳反应，首先生成液体中间产物氨基甲酸铵（简称甲铵）该反应即使在常温常压下也很容易发生，其化学反应式为： 2NH3（L）+CO2(g) NH4COONH2（L）+ Q1 （3-2） 第二步 甲铵的脱水：甲铵是一种很不稳定的化合物，在一定的条件下分子内可以脱水生成尿素，其脱水反应式为 NH4COONH2（L） CO(NH2)2（L）+H2O（L） - Q2 （3-3）,,二、氨基甲酸铵的性质 纯净的甲铵是带有浓烈氨味、无色透明的结晶体，而且很不稳定在常压下不到60℃的温度就可完全分解为气体氨和二氧化碳 NH4COONH2 === NH3↑+CO2↑,,1.甲铵的离解压力 所谓甲铵离解压力，是指在一定温度条件下，固体或液体甲铵表面上氨与二氧化碳气相混合物的平衡压力。

甲铵的离解压力随温度升高而急剧增加，用数学表达式如下: logPs=-2748/T + 8.2753 （3-4）,,利用固体甲铵离解压力公式采用外推法近似求取液体甲铵的离解压力： lgPL=-2346.58/T+7.2789 （3-5）,,图3-1 固体氨基甲酸铵的离解压力与温度的关系图,,2.甲铵的熔化温度 甲铵的熔化温度尚无定值，其主要原因如下 （1）固体甲铵在加热过程中受到加热速度和甲铵脱水反应的影响 （2）水对甲铵熔化温度的影响,,图3-2 甲铵-尿素体系相图,,图3-3 甲铵-水体系相图,,3.甲铵的溶解性 甲铵的溶解性主要指甲铵在水、液氨等中溶解度的变化规律 （1）甲铵易溶于水 （2）甲铵在液氨中的溶解情况,,图3-4 NH3-NH4COONH2二元体系相图,,三、氨基甲酸铵的生成 2NH3（g）+CO2(g) NH4COONH2（S）+ Q1 （3-6） 2NH3（L）+CO2(L) NH4COONH2（L）+ Q2 （3-7） 2NH3（L）+CO2(g) NH4COONH2（L）+ Q3 （3-8）,,1.甲铵生成的化学平衡 生产上甲铵的化学平衡常数有以下三种表示方法。

第一种情况 2NH3（g）+CO2(g) NH4COONH2（s）+ Q1,,第二种情况 2NH3（g）+CO2(g) NH4COONH2（L）+ Q2,K1=,,第三种情况 2NH3（L）+CO2(g) NH4COONH2（L）+ Q3,,图3-5、图3-6氨基甲酸铵体系平衡常数,,四、甲铵脱水生成尿素 1.尿素生成反应的化学平衡 合成尿素的化学反应如下： 2NH3（L）+CO2(g) NH4COONH2（L）+ Q1 （3-2） NH4COONH2（L） CO(NH2)2（L）+H2O（L） - Q2 （3-3） 总反应式 2NH3（L）+CO2(g) CO(NH2)2(L)+H2O(L)+Q （3-1）,,,,,,（2）按有过量氨存在的化学反应平衡来计算,（3）按实际生产的反应平衡来计算,,,图3-7 弗里扎克平衡转化率算图,,图3-8 马罗维克平衡转化率算图,,,,2.尿素合成的反应速率 从生成尿素的反应机理可知，甲铵脱水速率缓慢，是尿素合成总反应的控制步骤，尿素合成的速率取决于甲铵的脱水反应速率但甲铵脱水反应在气相中不能进行，在固相中反应速率很慢，只有在液相中反应速率较快，故甲铵脱水生成尿素的反应必须在液相中进行。

甲铵脱水速率与温度的关系如图2-9所示图3-9 甲铵脱水反应速率与温度关系图,,图3-10甲铵脱水反应速率与温度的关系,第二节 尿素合成的工艺条件,一、水溶液全循环法尿素合成的工艺条件 1.温度条件的选择 甲铵脱水的反应是尿素合成的控制步骤，它是一个微吸热、体积缩小的可逆反应总反应速率取决于加铵脱水的速率升高合成塔内操作温度，甲铵脱水的反应速率加快，尿素的合成反应速率加快，平衡常数增大，二氧化碳转化率升高如温度每升高10℃，反应速率约增加一倍，因此，从提高反应速率或提高设备单产能力角度考虑，尽量采用高温操作对该合成反应有利图3-11尿素平衡转化率与温度的关系 图3-12 不同氨碳比和水碳比时 (NH3／CO2=4) CO2转化率实测数据,,2.氨碳比的选择 氨碳比是指原始反应物料中氨与二氧化碳的摩尔比，常用符号a来表示氨过量率” 是指原料中氨量超过化学反应的理论量的摩尔百分数图3-13 不同温度下，NH3与CO2混合物的平衡压力,,3.水碳比的选择 水碳比是指合成塔进料中水与二氧化碳的摩尔比，常用符号b来表示合成塔中水的来源由两部分组成：一是尿素合成反应中甲铵脱水生成尿素时的副产物，二是现有各种水溶液全循环法中，一定量的水会随同回收来的未反应的氨和二氧化碳以甲铵水溶液的形式返回合成塔中的。

4.操作压力的选择 尿素合成总反应是一个体积缩小的反应，因而提高操作压力对合成尿素有利，二氧化碳转化率随压力增加而增大图3-14 合成压力与二氧化碳转化率的关系,,,,5.反应时间 在一定温度和压力条件下，甲铵生成反应速率极快，而且反应比较完全，但甲铵脱水反应速率较慢，并且反应很不完全所以尿素合成反应时间主要是指甲铵脱水生成尿素反应时间图3-15反应物料在合成塔内停留时间与转化率的关系 压力22MPa，温度188℃，a=4.04， b=0.66,,二、二氧化碳气提法尿素合成的工艺条件 二氧化碳气提法是在水溶液全循环法基础上的改进合成和气提生产工段由合成塔，气提塔、高压冷凝器和高压洗涤器四个高压设备组成，这一工段是二氧化碳气提法核心部分（因循环、蒸发以及吸收与一般法差别较小），这四个设备的操作条件应统一考虑，以期达到尿素的最大产率和最大限度的回收反应热，多副产蒸汽1.温度条件的选择 对于二氧化碳气提法，因合成与气提采用了等温等压操作，未转化物甲铵的分解反应，过剩NH3及游离C02的解吸都需要大量消耗加热用蒸汽因此，在设备材质允许的情况下，应尽量提高气提操作温度，以利于气提过程的进行但操作温度也不能太高，如果温度太高反应物料对设备腐蚀加重，同时加剧了尿素合成副反应的发生，这必将影响到产品尿素的产量和质量。

2.压力条件的选择 从气提的要求来看，采用较低的气提操作压力，有利于甲铵的分解和过剩氨和二氧化碳的解吸，这样能减小低压分解工序的负荷，同时提高气提效率3.液气比的选择 气提塔的液气比是指进入气提塔的尿素合成液与二氧化碳的质量比它是由尿素合成反应本身的加料组成决定的，不能任意改变4.停留时间的选择 尿素合成液在气提塔内要有足够的停留时间停留时间太短，甲铵分解率偏低，过剩氨来不及充分解吸，达不到气提的要求；停留时间过长，气提塔生产能力降低，同时加剧了副反应的发生，影响产品产量和质量因此，气提塔内尿液停留时间一般选择在1min左右为宜二、尿素合成的工艺流程 原料液氨的供给可以有二种方式，一种由低压液氨储罐或氨球，经液氨升压泵加压到2.5MPa（绝压），温度高于9℃的液氨直接供给尿素生产系统，从而节省了液氨升压泵现在按第一种方式叙述，第二种方式就自然包括在内了1.水溶液全循环法尿素合成的工艺流程,图3-16 水溶液全循环法尿素合成的工艺流程简图,2.二氧化碳气提法尿素合成的工艺流程,图3-17 二氧化碳气提、循环、回收过程的工艺流程,,三、尿素合成的主要设备 1.尿素合成塔,,2.二氧化碳压缩机 离心式二氧化碳压缩机提高气体压力是靠叶轮带动气体旋转，使气体受到离心力的作用产生压力获得动能，然后进入扩压器中，气体流速逐渐减慢，将动能转变为压力能，而使压力得到提高。

二氧化碳压缩机是单列蒸汽透平驱动的双缸四段离心压缩机，带有中间冷凝器和分离器，蒸汽透平的转速由透平的速度控制器控制，根据压缩机速度的变化可以得到一套流量和压力（Q-H）曲线，从而可以用转速来调整负荷3.液氨泵 氨升压泵为筒立式多级离心泵，带有冷却水的机械密封，泵的启动以及主副线出口阀可以在总控制室操作，主管上装有缓冲罐及流量累计表，缓冲罐上部接管到液氨罐或氨球的气相空间，其作用一是为了防止高压氨泵的脉冲影响流量累计的正确性，二是可以将任何气氨排回氨罐三、尿素合成塔状态分析及操作要点 1.尿素合成塔状态分析 （1）合成塔内组成的变化 （2）合成塔内温度的变化 （3）合成塔内压力的变化,,2.合成塔生产操作控制要点 (1)尿素合成反应温度控制 (2)合成塔进料氨碳比的控制 (3)合成塔进料水碳比的控制 (4)尿素合成压力的控制 (5)二氧化碳气中加氧量的控制,Thank you,。