化学肥料第2章 尿素生产方法原理

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1、化工工艺学Chemicalengineeringtechnics化学工程与工艺专业第二章尿素生产方法和原理2.1尿素的合成2.2合成液未反应物的分离和回收2.3尿素溶液的蒸发2.4尿素的结晶和造粒2.5尿素生产的三废处理2.6尿素生产中的腐蚀与防护2.1尿素合成反应的化学平衡工业合成尿素的反应通常认为分两步2NH3(aq)+CO2(aq)=NH4COONH2(aq)快NH4COONH2(aq)=CO(NH2)2(aq)+H2O慢第一反应放热很多，H1=-86.93kJ/mol;第二反应吸热，H1=28.45kJ/mol。反应体系为5组分多相平衡体系，除化学

2、平衡外，还有气液平衡：NH3(g)=NH3(aq)CO2(g)=CO2(aq)H2O(g)=H2O(aq)尿素合成总反应．2NH3(l)+CO2(l)=CO(NH2)2(l)+H2O(l)化学平衡常数的经验关系为：或K取决于K3和甲铵离解常数K1。温度190~200℃时，K3随T升高而增大，转化率增加。但温度很高，K1为主，温度升高使甲铵浓度下降，所以总平衡常数有一个最大值，此时的平衡转化率最高。图2.1Mavrovic平衡转化率算图影响尿素合成反应化学平衡的因素(1)温度的影响温度较低时平衡转化率随温度升高而增加，在195~200℃时达最大，温度再高，平衡转

3、化率反而下降。尿素平衡转化率与温度的关系如右图。工业生产中，除考虑平衡转化率外，还要考虑腐蚀等，一般为180~200℃。170180190200210(2)组成的影响CO2过量影响小，氨过量提高转化率明显。氨碳比的影响如下图.全循环法4.0，汽提法2.8~2.9。水碳比增加0.1,转化率可下降约1％。全循环法0.65~0.7，汽提法0.3~0.4。图2.3(3)压力的影响对液相反应压力影响很小。但由于体系存在气液平衡，操作压力不能小于平衡压力。平衡压力与温度的关系如图2.4。平衡压力与组成的关系很复杂，实验得出的关系如图2.5。图2.4图2.5最低平衡压力下的

4、氨碳比经验式：amin=0.01519t+0.005626tb-0.7287b-1.78×10-3全循环法，合成塔顶压力约16.7MPa；汽提法，合成塔顶压力约11.8MPa。相平衡计算很复杂,综合诸因素有下列经验公式P=54.75a-10.1ab-90.25b-0.1502at+2.059×104b/t-3.581t+2.099×10-2t2式中P为表压，0.1MPa；温度175~195℃，水碳比0.2~1.0，氨碳比较高。尿素合成过程的相平衡另一个经验公式为：气相氨碳比气相中可忽略尿素和水，液相中将尿素和水看成一个组分，可将体系简化为三组分。压力固定时，N

5、H3和CO2体系的相图如图2.6。图2.6压力固定时三元立体相图如图2.7。压力固定时将各等温面投影到平面上，可得图2.8的三元平面相图。图2.7图2.8Y从图中可看出，当压力和温度不变时，体系吸收或散发热量，溶液组成必沿等温线移动；当压力不变时，化学平衡等压线与顶脊线交点的平衡温度最高，此时转化率最高，能耗最少。图中Y点表示一适宜操作点。此点温度最高，尿素含量高，压力最低。如选择更高压力，则平衡温度比上述Y点温度高。虽有利于尿素合成反应，但合成塔材料必须更耐腐蚀。如选择较低压力，则平衡温度较低，CO2转化率下降。合成塔内的传质过程合成塔内压力高，传质速率快，

6、气体流动快。反应初期，气相CO2和NH3平衡分压高，向液相传质推动力p-p*不大。随着反应的进行，液相中生成尿素增多，气相中CO2和NH3不断转移到液相使其平衡分压下降，推动力增大。影响塔内流动状况因素：a.塔的高径比。高径比越大，塔越细长，越趋于置换型；b.生产强度。生产强度大，流速大，混合加大；c.惰性气体含量。含量高，气体体积大，混合加剧；d.操作压力。压力高有利于气体溶于液相，搅混少，压力越高越接近置换型。置换型与混合型合成塔转化率对比置换型0204060809095100混合型019354963717680塔内筛板数与物料停留时间的关系筛板数0137

7、停留时间/min252219.517合成塔筛板数与转化率的测定值筛板数026平衡转化率60.562.563.3若将塔内流动设计为置换型，在达到同样转化率的条件下，置换型所需的反应容积比混合型反应容积小得多。塔内筛板较多，可以看成是由若干个串联的、混合的小室组成。虽每个小室接近理想混合型，但就整个塔来说，其流动状况却接近理想置换型。生产实践表明，当物料停留时间相同时，有筛板的塔的效率比无筛板塔高得多。当转化率相同时，有筛板的塔生产强度大，物料停留时间较短。2.2未反应物分离与回收(1)未反应物的回收为了有效利用原料，必须将产物尿素与甲铵的混合物中的甲铵分离出来循

8、环利用。甲铵分解化学反应NH4COON