1二氧化碳气提法制取尿素.docx

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1二氧化碳气提法制取尿素

二氧化碳气提法制取尿素

二氧化碳气提法制取尿素

一．概述

1.尿素的性质：

尿素又称为脲，分子是为：

CO（NH2）2，相对分子质量为60.06，熔点为132.7℃。

在室温下是无色、无味、无嗅的针状晶体，在一定条件下，也呈斜方棱柱结晶状，尿素易溶于水和液氨，也溶于甲醇、乙醇、甘油、不溶于乙醚和氯仿。

2.尿素的用途：

主要分为工业和农业两类：

农业：

尿素总产量中90%以上主要用作化学肥料，除了做化学肥料外，还可作牛、羊等反刍动物的辅助饲料（46%左右）。

工业：

尿素在工业上主要用作合成高聚物材料，其中一半以上用作生产尿素甲醛树脂和三聚氰胺；除此之外尿素作为添加剂应用于多种化工产品的生产中，同时尿素还用于医药和试剂的生产中。

3.尿素的生产方法：

不循环法、半循环法、全循环法

全循环法：

（水溶液全循环法、气提法）

4.尿素生产原料：

二氧化碳、氨

二．方法比较

1.水溶液全循环法与汽提法相比能量利用不合理，消耗较高，流程较长，近几年新建的大中型厂已很少采用该工艺。

2.CO2汽提法高压圈操作压力最低，无中压系统，流程短，设备少，生产稳定，消耗较低，投资较少，在国内有丰富的设计、设备制造和生产经验，且采用脱氢技术，从根本上杜绝了生产中的爆炸危险性，故选用该工艺。

3.氨汽提法工艺先进，消耗低，无高框架结构，无爆炸危险；但该工艺需购买国外专利工艺包，装置不能国产化，设备制造周期长，故不采用该工艺。

三．发展历史

1773年化学家鲁艾尔首次制得尿素结晶。

1828年德国化学家维勒利用氰酸与氨的水溶液反应，首次用人工方法从无机物出发制的了有机化合物尿素。

1868年俄国化学家巴扎罗夫通过加热氨基甲酸铵制得了尿素，为尿素的工业化发展奠定了基础。

1922年在德国建成第一座以氨和CO2为原料的合成尿素工厂。

中国尿素工业的发展始于20世纪50年代，目前全国尿素年产能力达2500万吨以上，位于世界前列。

四．工艺原理

1.主反应：

尿素的合成分两步进行：

2NH3（g）+CO2（g）≒NH4COONH2（l）

NH4COONH2（l）≒CO（NH2）2+H2O（l）

首先NH3和CO2反应生成中间产物氨基甲酸铵NH4COONH2，然后氨基甲酸铵脱水生成尿素：

CO（NH2）2。

第一步氨基甲酸铵的合成反应速度极快，而且反应相当完全，反应为强放热反应，而氨基甲酸铵的脱水转化为尿素是弱吸热反应，反应速度慢，而且平衡转化率不高，一般不超过50%~75%。

总体来说尿素的合成必须在高温高压下液相中进行，尿素生产工艺温度为：

180~185℃、压力：

13~24MPa。

2．副反应：

尿素合成条件还可能发生其他副反应，主要有三个：

尿素的水解、缩合和异构化，三个副反应的存在增加了尿素的损失，应减小到最小程度。

（1）、尿素水解：

CO（NH2）2+H2O≒2NH3+CO2

水解反应在较高温度下较为显著，因而应力求减小尿液在高温下的停留时间。

（2）、缩合反应：

2CO（NH2）2≒NH2CONHCONH2+NH3

温度越高，尿素浓度越高，氨浓度低均能促进缩合反应的发生，通常通过增加氨含量来抑制缩二脲的生成。

（3）、异构反应：

CO（NH2）2≒NH4NCO,

氰酸铵进一步分解：

NH4NCO≒NH3+HNCO,氨浓度的减小和温度的升高均有利于异构化反应的进行，特别是后续蒸发阶段，该反应较为严重。

五．工艺条件

1、温度：

（180~185℃）

当氨碳比和水碳比一定，二氧化碳平衡转化率只决定于温度，在通常的操作条件范围内，平衡转化率随温度的升高而增加，但增加幅度越来越小，当达到某一温度后，转化率反而下降。

目前使用的工业流程中的合成温度为180~185℃，两种技术路线。

（1）高温、高压、高转化率路线，优点是一次通过的转化率高，分离循环的负荷较小，能耗较低，但设备费用高。

（2）低温、低压、低转化率路线，动力消耗及设备投资较低，但分离循环方面负荷较大。

2、氨碳比（2.8~2.9）

在其他条件相同时，提高进料的氨碳比，二氧化碳的转化率升高。

当氨碳比增加到一定程度，随氨碳比的继续增高，效果逐渐下降。

提高氨碳比的优点：

（1）抑制缩二脲的生成；

（2）降低物系介质的腐蚀性；

（3）有利于调节操作的热平衡。

不利影响：

（1）氨碳比升高，物系饱和蒸汽压升高，导致操作压力升高，加大机组和泵的负荷。

（2）提高氨碳比，提高了二氧化碳的转化率，但降低了氨的转化率，未反应氨的循环回收，增加了输送设备的负荷，加大了能耗。

3、水碳比（0.4~0.5）

水碳比较高不利于尿素的生成，因而在生产中力求降低水碳比。

但水碳比的提高也有有利的方面：

（1）提高水碳比可降低平衡压力，降低操作压力。

（2）水碳比的提高，提高了液相物系的沸点，提高了气相物系的冷凝温度，有利于热能的回收。

4、压力（14MPa）

压力不是独立变量，当原料配比和温度一定时，平衡压力一定，因而在实际操作过程中操作压力稍高于平衡压力。

5、反应时间

就平衡角度来说，反应时间越长，反应越接近平衡，但反应时间过长，单位时间生产能力下降，因而反应时间的长短通常通过综合考虑得出。

6、原料纯度

（1）原料液中氨的纯度一般都很高质量分数不低于99.5%，其中N2、H2含量不高于0.5%。

（2）二氧化碳原料气的CO2体积分数不低于98.5%（干基），硫化物含量不高于15mg/m3。

六．工艺流程

原料二氧化碳气经过压缩后进入气提塔2,与合成塔1来的尿素熔融物逆流接触，用蒸汽间接加热进行气提使大部分未反应生产尿素的氨基甲酸铵和氨分离，塔底出来的气体进入高压氨基甲酸铵冷凝器3。

加压和预热后的液氨经高压喷射泵5与来之高压洗涤器4的循环氨基甲酸铵液同时进入高压氨基甲酸铵冷凝器3。

氨与二氧化碳个在高压氨基甲酸铵冷凝器3内反应生成氨基甲酸铵，反应热与管外副产蒸汽移走。

从高压氨基甲酸铵冷凝器3出来的物料自动流入合成塔1底部，氨基甲酸铵在合成塔1脱水生成尿素，尿素熔融液从塔底部溢流进入气提塔2顶与塔底进入的二氧化碳进行气提。

以上过程都是等压情况进行的，经气提后尿液中仍有少量的未分解的氨基甲酸铵和氨，减压进入精馏塔7，尿液在循环中不断加热，促使氨基甲酸铵分解，从精馏塔7出来的尿液经减压后，进入分离器8，将部分水分和氨基甲酸铵分离，尿液放入尿液贮槽，由尿液泵打入一段蒸发器12和二段蒸发器13，在不同负压下加热蒸发排出水分，将尿液浓度提高到99.7%以上，再有熔融尿素泵打入造粒塔15，经造粒喷头喷洒，塔底即可得到成品的尿素。

从尿素合成塔顶出来的气体进入高压洗涤器4，用稀氨基甲酸铵液吸收，生成的浓氨基甲酸铵液返回合成系统循环使用。

从精馏塔7顶出来的气体，进入低压氨基甲酸铵冷凝器10冷凝，在进入解吸塔16，用稀氨水吸收稀氨基甲酸铵液，由低压氨基甲酸铵打入高压洗涤器4循环使用，分离器8和一、二段蒸发器出来的气体去冷凝真空系统。

七．主要设备

1.合成塔

合成塔进入合成塔的其他主要由两部分组成，一部分是占气体总量65%-70%的主反应气，从塔底进入位于塔内最底层的换热器和中心管进行加热，升温至360℃-370℃，进入第一催化剂床层反应，反应温度达到470℃-480℃，，另外一部分为为热护气和冷护气的混合气体，约占总气体量的30%-35%，由下而上进入合成塔内件与壳层的环隙，从塔顶顶部进入催化剂层冷管束，被管外热气加热至250℃，上升至冷激分气盒进入催化剂第二床层。

主反应气与热护气和冷护气的混合气体在第一反应床层混合后依次进入第二、第三床层反应。

进入合成塔内件与壳层环隙的气体主要起保护作用：

因为合成氨的反应条件为高温高压，而塔设备的材料决定了其只能在反应时承受高温或者高压，而不能同时承受高温高压，进入环隙的保护气在加压后压力和塔内的压力相当，避免了塔内件承受高压而只承受高温，同时气体处于低温状态可以吸收反应放出的热量，避免了塔的壳层承受高温而只承受高压。

反应放出的热量对保护气加热也实现了能量的充分利用。

2.喷射泵

喷射泵是利用流体流动是能量的转变来达到输送的目的。

利用它可输送液体，也可输送气体。

在化工生产中，常将蒸汽作为喷射泵的工作流体，利用它来抽真空，使设备中产生负压。

因此常将它称为蒸汽喷射泵。

水蒸汽喷射真空泵

工作原理：

工作时水蒸汽在高压下以很高的流速从喷嘴中喷出，使周围的空间形成一定的负压，将低压气体或蒸汽带入高速的流体中，吸入的气体与水蒸汽混合后进入扩大管，速率逐渐降低，静压力因而升高，最后经排出口排出。

又称射流泵和喷射器。

利用高压工作流体的喷射作用来输送流体的泵。

由喷嘴、混合室和扩大管等构成。

工作流体在高压下经过喷嘴以高速度射出时，混合室内产生低压，被输送的流体被吸入混合室，与工作流体相混，一同进入扩大管。

在经过扩大管时，流体的压力又逐渐上升；然后排出管外。

3.汽提塔

CO2汽提塔是二氧化碳汽提法尿素装置的4大重要高压设备之一，在尿素生产中发挥着极其重要的作用，其运行的好坏直接关系到装置的产能、生产过程的安全和环保，以及装置的长周期稳定经济运行。

汽提塔的作用：

二氧化碳汽提法尿素工艺中汽提塔的作用是在与尿素合成等压条件下，通入二氧化碳气体，在蒸汽加热的条件下，将合成液中未脱水生成尿素的甲铵分解，并分离出其中大部分的游离二氧化碳和游离氨，返回高压圈进行合成脱水反应生成尿素，从而提高尿素产率，降低消耗。

4．洗涤器

洗涤器是实现气液密切接触，使污染物从废弃中分离出来的装置。

既能用于气体除尘，也能用于气体吸收，去除气态污染物，还能用于气体的降温、加湿和除雾等操作。

气体洗涤器结构简单，造价低，净化效率高，适于净化非纤维性粉尘。

尤其适宜于净化高温、易燃和易爆气体。

洗涤器的类型主要根据气液接触方式划分。

用于气体除尘的洗涤器型式有重力喷雾、旋风、自激喷雾、泡沫板式、填料床、文丘里和机械诱导喷雾等数种。

对洗涤有重要作用的除尘机理包括重力沉降、离心分离、惯性碰撞和截留、扩散、凝聚和冷凝等。

无论哪种类型的洗涤器，颗粒物都是借助于一种或几种基本机理而被分离的。

对管道和设备的腐蚀、污水和污泥的恶处理、烟气抬升减小及冬季排气产生冷凝气水雾等都应引起特别注意。

5.精馏塔

是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。

有板式塔与填料塔两种主要类型。

根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。

蒸气由塔底进入。

蒸发出的气相与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发（低沸点）组分不断地向气相中转移，气相中的难挥发（高沸点）组分不断地向下降液中转移，气相愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，从而达到组分分离的目的。

由塔顶上升的气相进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。

塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，加热蒸发成气相返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。

八.总结：

该法以二氧化碳气体为汽提气，在合成圈等压（14.0MPa）的压力下，对甲铵进行分解、汽提，避免过多的甲铵进入低压段，再分解后吸收，重新输送返回合成圈，增加能耗。

由于等压汽提的存在，减少进入低压段的甲铵量，因此无中压系统，低压段的设备也较少。

同时，由于框架的存在，使得工艺介质以位差流动，减少了动力消耗。

用原料气CO2气提，气提效率高，使未转化的大部分直接返回，少量残余物在一次低压分解循环即可回收，省去中压循环，简化流程。

合成压力低，节省压缩机和泵的动力。

高压圈内高压冷凝器的余热温度高，用来副产蒸汽，有利于能量的利用，降低蒸汽和冷却水的消耗。

九.参考文献：

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