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尿素生产原理

第一章尿素生产的工作原理

第一节合成尿素原理

1．合成尿素总反应式

由液氨与二氧化碳气体直接合成尿素的总反应式为：

2NH3（液）+CO2（气）⇄CO（NH2）2（液）+H2O（液）+Q

这是一个可逆的放热反应。

2．合成尿素的两个步骤

合成尿素分两步进行：

第一步由氨与二氧化碳生成中间产物甲铵，其反应式为：

2NH3（液）+CO2（气）NH2COONH4（液）+100kJ/mol

第二步由甲铵脱水生成尿素，其反应式为：

（合成尿素过程中的控制反应）

NH2COONH4（液）CO（NH2）2（液）+H2O（液）mol

3．使甲铵液处于液相状态的条件

使甲铵液处于液相状态的条件：

·温度必须高于其熔点154℃；

·压力必须高于其平衡压力80kgf/cm2。

4．尿素反应进行程度的表示方法

以尿素的产率表示尿素的反应进行程度，由于尿素的生产都采用过剩氨，因此用二氧化碳转化率（

）来表示尿素的产率：

5．反应温度对二氧化碳转化率的影响

反应温度对二氧化碳转化率的影响：

二氧化碳平衡转化率随反应温度升高而逐渐增大，在温度为190～200℃之间出现一个最高值，而后二氧化碳平衡转化率随着反应温度的上升而下降，因为甲铵脱水生成尿素的反应是合成尿素过程的控制反应，此反应吸热，因而提高反应温度对生成尿素有利，但二氧化碳平衡转化率在190～200℃后随着反应温度的升高而降低的原因，可能是由于产生副反应的缘故。

6．氨碳比对二氧化碳转化率的影响

氨碳比对二氧化碳转化率的影响：

在水碳比一定时，N/C越高，CO2转化率增加；当N/C=2时

为40％，N/C=3时

为54％，N/C=4时

为％。

7．水碳比对二氧化碳转化率的影响

水碳比是指进入合成塔物料中水和二氧化碳的分子比由质量定律可知，增加水即增加生成物的浓度，不利于尿素的生成。

因此水碳比的增高，将使二氧化碳平衡转化率下降。

在尿素生成过程中，水碳比每增加，二氧化碳转化率则降低1％。

8．压力对二氧化碳转化率的影响

压力对二氧化碳转化率的影响：

在合成尿素的过程中，压力不是一个独立的变数，它依赖于温度、氨碳比及水碳比而定。

合成尿素的操作压力一般较平衡压力稍高。

所谓平衡压力即反应达到气液相之间的物理平衡，也达到了化学平衡，此时物系的压力，若操作压力低于平衡压力，不但氨从液相中逸出，使液相中过剩氨降低，同时也会使甲氨分解，从而降低了CO2转化率。

9．影响合成尿素的反应速度的因素

合成尿素的反应速度常用单位时间内所能达到的CO2转化率表示（即尿素生成速度），其影响因素如下：

·温度的影响：

在多数温度下，对于相同的反应时间，随着温度的增加，CO2转化率也增加。

温度超过200℃时，反应速度变慢，CO2转化率反而下降，这可能是由于产生副反应等的结果。

·过剩氨的影响：

由于过剩氨的存在，降低了甲铵的熔点，温度为150℃时，虽然低于甲铵的熔点，但一开始物系便为液相反应，速度就较快。

在相同温度下，有过剩氨时反应速度较大，而且CO2转化率也较高。

·液体动力学条件的影响：

在工业上尿素合成塔内物料由于温差、比重的不同产生了返混现象，返混的结果，使合成塔上部尿素含量较多的物料与底部尿素含量较少的物料混合，这不仅降低了出口物料中尿素的浓度，而且由于顶部生成物（尿素和水）返回底部，使反应速度降低。

因此在直径大，高径比小的合成塔中，必须考虑防止返混现象。

为了防止返混现象，一般在合成塔内装置若干筛板。

物料经筛板时由于断面缩小，流速加大，增加了流动状态，增加了氨和二氧化碳的接触面积，加快了反应速度，因此增加了筛板后，提高了二氧化碳转化率。

10．气提塔中气提过程及原理

气提过程：

气提塔实际上是一个多管降膜式湿壁塔。

合成塔来的反应液，其中含氨：

29％、二氧化碳：

19％、尿素：

％。

通过合成塔出料调节阀HV201进入气提塔上花板，每根气提管上部有一液体分布器，当液体流过分布器小孔后呈膜状向下沿管内壁流动。

随着阀开度的改变，分布器上液层高度也改变。

负荷高，液层高，流过小孔流量大，反之即小。

当液体下流后与下部来的二氧化碳气体相遇，首先是游离氨被逐出，再向下是甲铵分解即以两个氨分子一个二氧化碳分子这样的比例分解出来。

由于管外有，温度为230℃的饱和蒸气供给热量，使分解反应不断进行。

气提过程所以能实现是由于与反应液呈平衡的溶液表面上氨蒸汽压力始终大于气相中氨分压。

这样氨一直可以被分解出来，而二氧化碳则是由于化学平衡关系，当减低气相氨的浓度后，反应向左进行。

气提原理：

所谓气提就是一种气体通过反应物，从而降低气相中氨和（或）二氧化碳的分压，使甲铵分解。

其基本原理如下：

·采用甲铵离解压力关系来说明

甲铵分解反应式为：

NH2COONH4（固）=2NH3（气）+CO2（气）

平衡常数KP=P3·y2NH3·yCO2

当纯的固体甲铵离解时，气相中氨碳比等于2

Kp=P3S·y2NH3·yCO2

=P3S·（2/3）·1/3

=4PS/27

PS----纯固体甲铵离解压力。

由上述两式比较得：

当温度一定时，PS为常数，当用纯二氧化碳、纯氨或其他任何惰性气体作为气提剂时，气相中yNH3或yCO2的浓度趋近零，则总压趋近于无穷大，这就说明，在任何压力下操作都能使甲铵完全分解。

·采用液态甲铵的生成或分解来说明

2NH3（液）+CO2（液）=NH2COONH4（液）

平衡常数KC（液）=

溶液中氨和二氧化碳与气相中的氨和二氧化碳处于平衡，假设它们分别符合拉乌尔与亨利定律，则有：

PNH3=P0NH3·〔NH3〕（液）

PCO2=HCO2·〔CO2〕（液）

PNH3---溶液中氨的平衡分压

PCO2---溶液中二氧化碳的平衡分压

p0NH3----纯氨的饱和蒸汽压

HCO2----二氧化碳的亨利系数

〔NH3〕（液）----液相中氨的分子分率

〔CO2〕（液）----液相中二氧化碳的分子分率

由上述各式可知，当用二氧化碳为气提剂时，气相中的氨分压趋近于零，则液相中氨的平衡分压大于实际气流中的氨分压，故液相中的氨不断汽化逸出，液相中〔NH3〕（液）降低，反应向着甲铵分解成氨和二氧化碳的方向进行。

这就促使了液相中甲铵的分解。

在甲铵分解的同时，液相中〔CO2〕（液）增加，与此相平衡的二氧化碳分压大于实际气相中的二氧化碳分压，促使液相中二氧化碳汽化逸出。

因此液相中甲铵不断分解，液相中氨和二氧化碳不断汽化逸出，从而实现气提过程。

以氨或变换气等为气提剂时其原理与上述相同。

从理论上讲，在任何压力和温度范围内，用气提的方法都可以把溶液中未反应的甲铵完全分解。

但在工业上，由于要求过程在一定的速度下进行，因此必须保持足够高的温度。

11．影响二氧化碳气提操作的主要原因

·压力

提高二氧化碳气提压力，气提效率降低。

·温度

尿素溶液中游离氨的蒸出和甲铵的分解均需要吸收热量，因此提高温度对气提有利。

·液气比

二氧化碳气提塔的液气比由合成塔本身所决定，不能任意改变。

但由于液体分布器工作不正常时，对于每一根气提管而言，它的液气比是可以变化的。

增加液气比，气提效率将降低。

因此设计液体分布器务必使每根气提管内分布的液体量均匀。

·停留时间

尿素溶液在二氧化碳气提塔中停留时间太长，缩二脲的生成及尿素水解将增加。

根据变换气提实验表明在不同温度下尿素溶液在每分钟内的水解率如下表：

尿素溶液在每分钟内的水解率

温度，℃

水解率，％

145

165

185

尿素在气提塔内水解及生成缩二脲不仅影响了整个合成系统的尿素生成量，也影响了尿素产品的质量，因此应尽量缩短液体在二氧化碳气提塔内的停留时间。

流体停留时间按平均流量计为小于一分钟。

·液体负荷

二氧化碳气提塔实质上是一个用蒸汽加热的多管降膜式湿壁塔，管中液膜的厚度必然会影响到气提传热的效率，即影响到气提效率，液体负荷过大，液膜增厚，将使气提效率降低。

液体负荷过小，则不能润湿整个管壁，使管内局部温度超温，腐蚀加剧，因此，每一根气提管的液体负荷是有一定的操作范围的。

第二节低压分解吸收原理

1．精馏塔的精馏过程

高压圈合成的合成液，经气提塔气提后，由气提塔出料调节阀压力由145kgf/cm2减压至5～6kgf/cm2，使气提液中的部分甲铵分解成为氨和二氧化碳气体。

未分解的气提液进入精馏塔顶部填料层的精馏段，不断往下流动，，进入下部加热器底部，由高调水供热后，进入中间加热器和顶部加热器，由6kgf/cm2蒸汽进行加热，使气提塔中未分解的甲铵进一步分解，分离器出来的气体经过升气帽由填料层的精馏段不断上升，进行传热与传质，气相中的沸点较高的水蒸汽不断地被塔顶流下来的溶液所冷凝，尿液中未分解的甲铵被气体加热后，不断分解和气化成氨和二氧化碳，所以塔顶气体主要是高浓度的氨和二氧化碳，进入低压循环系统吸收，顶部加热器排出的主要是尿素的水溶液，进入闪蒸槽进一步提浓。

2．低压分解温度与压力对低压分解的影响

·分解温度的影响：

低压分解温度越高，低压甲铵分解率与总氨蒸出率也越大，液相中残余的CO2与NH3含量越少。

·分解压力的影响：

分解压力愈低，总氨蒸出率越高，甲铵分解率也升高，液相中残余氨和CO2就越少。

3．低压分解温度对蒸发系统的影响

低压分解压力不变时：

·温度低，分解后分解液中NH3/u和CO2/u高，分解液中含游离氨和甲铵多，进入蒸发后游离氨与甲铵的蒸馏和分解大量吸热，蒸发的热负荷增加，蒸发加热器的蒸汽量增大。

如果蒸汽供应不足，则蒸发尿液温度提不起来，使蒸发表冷器的冷凝负荷增加，冷却水增大，则蒸发真空度提不起来。

使进入造粒室的尿素溶液浓度过低，这样容易导致成品水份高，所以分解温度低，不但增加生产中氨耗，同时影响产品质量。

·系统大减量后精馏塔负荷轻，出液温度高，分解后分解液中甲铵和游离氧虽然少，但是进入蒸发的尿液中缩二脲含量高，尿素的水解增加，影响产品质量，影响氨耗。

低压分解后尿液中一般要求缩二脲含量在～％以下。

因此高压圈减量生产后，应及时调节精馏塔温度。

根据上述两点，低压分解温度应控制在最佳状态，正常温度一般在140℃以下。

第三节解吸原理

1．解吸的含义

解吸的含义：

解吸就是吸收的反过程，利用氨在不同压力和温度下，在水中的溶解度不同，使氨被解吸出来，这就叫解吸。

2．设置解吸的目的

·将氨水槽中的氨与二氧化碳用蒸汽蒸出来后，进入回流冷凝器冷凝后，高浓度的回流液返回低压吸收系统，使原料得到全部利用，以达到降低原料消耗的目的。

·控制氨水槽液位，在生产中氨水作为常压吸收塔的循环吸收剂，使氨水槽中氨水保持在一定的浓度和液位，通过解吸后，回收原料氨和二氧化碳，系统中多余的水排至地沟。

3．水解的目的

设置水解的目的：

将系统内产生的氨水经过第一解吸塔解吸后，送到水解换热器换热，再进入水解器，用蒸汽进行加热，提高温度以达到将氨水中尿素分解的目的，将分解后的气相氨和二氧化碳在回流冷凝器中得到回收，液相进入第二解吸塔，进一步解吸，同时也给第二解吸塔供热，节约了低压蒸汽，又能使废液合格，达到合格排放。

第四节常压吸收原理

1．设置鼓泡、常压吸收的目的

设置鼓泡、吸收的目的：

是为了最大限度的回收在正常操作时循环液位槽气相、回流冷凝液槽气相中的氨和二氧化碳，用吸收塔给料泵打氨水吸收后返回氨水槽，已达到降低氨耗的目的，同时减小对环境的污染。

2．常压吸收塔与碳铵液槽在系统中的作用

常压吸收塔与碳铵液槽在系统中的作用：

常压吸收塔主要作用是吸收循环系统、解吸系统未被吸收氨和二氧化碳。

氨水槽主要作用收集各处吸收后排放的氨和二氧化碳的冷凝液及吸收液。

第五节蒸发和大颗粒造粒原理

1．尿素水解的含义及影响尿素水解的因素

在一定条件下，尿素和水作用最终生成氨和二氧化碳的反应称为尿素的水解。

尿素水解率的高低和温度、尿素溶液中氨浓度、停留时间等因素有关。

尿素溶液温度低于80℃时水解很慢，高于80℃时水解度加快，在145℃以上有剧增趋势。

尿素溶液中的游离氨抑制尿素水解的进行，因而，尿素中游离氨含量高的场合，水解速率低，尿素水解率与尿素溶液中水的浓度成正比。

但是如果尿素溶液浓度低，水解率虽然大而水解量并不大，而溶液浓度高水解率虽然小，而水解量却较大，当尿素溶液浓度为50％其水解量最大。

停留时间越长，尿素水解率越高。

2．蒸发的含义及尿液蒸发采取真空蒸发的原因

液体变成气体的转化过程叫做蒸发。

真空蒸发与减压蒸发，和常压蒸发相比有以下优点：

在减压条件下液体的沸点降低，可使加热蒸汽和沸腾液之间的温差增大，这样，既为利用低压蒸气创造了条件，又可达到了传热面积的目的。

在较低温度下进行蒸发可避免某些物质在高温下产生的不良副反应，真空蒸发损失与外界的热量较少，因而用于补偿这种损失而消耗的蒸汽减少。

根据以上理由，尿液在真空下进行蒸发浓缩，对降低缩二脲生成、减少尿素水解损失游离有利。

由于液体气化所需的热量随气化温度的降低而增加，因此在真空蒸发中蒸发相同液体所消耗的加热蒸汽较常压下消耗的略多，因其优点多的多，所以仍广泛被采用。

3．流化床造粒法的尿液提浓只采用一段蒸发的原因

流化床造粒法的尿液提浓只采用一段蒸发的原因，流化床造粒法对尿液进入造粒室的浓度要求没有塔式造粒法的高，浓度达到95％即可，因为造粒室是在真空的状态造粒的，也是水分蒸发的过程，相当于塔式造粒的二段蒸发。

因此只采用一段蒸发。

4．蒸汽喷射泵的工作原理

蒸汽喷射泵是利用蒸汽减压节流的能量形成真空的。

一定压力的工作蒸汽流经喷嘴时，以极高的速度从出口流向扩散管，由于速度快，动能增加，因而蒸汽的压能减少，压力下降，因而能把被抽气体吸入。

高速蒸汽流亡和被抽气体发生碰撞，混合，进行能量交换，流向扩散管。

在扩散管的收缩段蒸汽和被抽气体逐步混合成均匀的混合气体，速度下降压力上升，在扩散管喉部附近产生正激波，混合气流由超声速降为亚声速。

然后在扩散管的膨胀段连续受到压缩，压力进一步升高，速度相应降低，在扩散管出口达不到稍高于大气压力或后一级喷射泵的进口压力而把被抽气体排出。

5．蒸汽喷射泵的优缺点及常见的故障

优点：

构造简单，操作方便，结构紧凑，因没有运动部分，故不需要传动设备和基础能安装于任何地方，适于室外操作。

抽真空的效率明显高于真空泵往复泵及水环泵。

缺点：

·蒸汽效率低，蒸汽消耗量大，因而只有运用于绝压要求小于30～40毫米汞柱的场合才是经济的；启动缓慢，因喷射泵抽气量是一定的，刚开始启动时，因为压力还高，故真空提高很慢。

而往复泵、水环泵排气量是定容的，压力高，排气量大，因而启动快；

·吸进的气体与蒸汽混合在一起回收困难；

·喷嘴喉管易腐蚀磨损。

常见的故障：

喷嘴被卡住。

6．膜式蒸发器的成膜原理

CO2气提法中使用的升膜式列管蒸发器，上部为分离室，下部为列管加热器。

其成膜原理是：

膜式蒸发器的工作原理，与管内通冷水而管外用水蒸汽加热的情况一样，若管内外的传热温差很少则无沸腾现象产生，而仅起加热作用，若传热温差加大，靠近管的顶部便会出现沸腾现象。

当传热温差继续增大时，就会出现从管中交替喷出液体和蒸汽，随后在管子中央出现连续的蒸汽柱，而在管壁上则形成一层液体薄膜，而被高速的蒸汽流提携向上，在管顶高速喷出悬浮有小液滴的蒸汽。

此时，管子的下端仍起加热器的作用，液体从底部上升到某一距离后才开始沸腾，因此下端的传热速率仍然很低，若下端加热器部分过长，则上端发生沸腾部分的比例就太小，加热管中液位工况保持占总长的1/4～1/5为宜。

因此，膜式蒸发器的尿液应在沸点工况下进料，并保持有足够的传热温差。

加热蒸汽温度要适宜，温度太低，沸腾不充分，气化不充分，气化抽携力小，但温度太高，形成干壁破坏了液膜，也影响了膜式蒸发器的正常工作。

7．大颗粒造粒室的工作原理

造粒室共分为五个室，第一室、第二室为造粒室，第三、四、五室为产品冷却室，造粒室共有六组喷头，每组有十二个，共七十二个，将熔融泵送来的尿液送入这些喷头，用雾化风机送来的风将尿液形成雾状的尿液滴，在流化风的作用下与晶种包裹，形成颗粒状的固体尿素出造粒室。

8．平面旋转筛的工作原理

斗提机将出造粒室的尿素送入平面旋转筛，进行筛分，筛子分三层，每一层用不同的筛网，将直径为2～4.7mm的成品送入产品冷却室冷却后包装，将直径小于2mm的颗粒返回造粒室做晶种，将大于4.7mm的颗粒送入破碎机，进行破碎。

9．产品冷却室采用氨冷的工作原理

将冰机送来的液氨送入大颗粒的液氨储槽，将湿空气中的水蒸汽利用氨的温度低，将这些水蒸汽冷凝后形成液态的水排出，干燥的空气进入空气加热室，将温度加热至20℃左右，进入产品冷却室。

10．粉尘洗涤室的工作原理

抽引风机将各处的粉尘抽至洗涤室，用总控送来的解吸废液通过喷头喷至洗涤室顶部，将粉尘洗涤下来后，并不断大循环提浓，形成40～50％的尿液后，回收致蒸发系统后入造粒系统。

11．破碎机的工作原理

破碎机是将筛子筛分下来的超大颗粒破碎成晶种返回造粒室，破碎机分上辊和下辊，上辊的作用是将大颗粒破碎成两半，再进入下辊，继续破碎成四分子一的颗粒进入造粒室做晶种。

12．增加脲醛装置的原因

因为甲醛直接加入尿液中，和尿液没有充分的反应就进入了造粒室，使甲醛没有得到充分的利用，增加脲醛装置后避免了甲醛中的一部分水直接进入造粒室，降低了成品的水分，同时改变成品外观。

第六节包装秤的工作原理

微量定量包装秤的工作原理，是根据所需要的重量、速率输入智能微机，测量便送装置指挥动力机械设备完成颗粒物粒包装。