逆流等温尿素合成的热力学分析(续一).pdf

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1、第４０卷第５期化工设计通讯２０１４年１０月ChemicalEngineeringDesignCommunications·１·专论与综述UTI工艺的热力学分析逆流等温尿素合成的热力学分析（续一）沈华民（中国化工学会化肥专业委员会，上海２０００６２）中图分类号：TQ４４１畅４１文献标志码：B文章编号：１００３‐６４９０（２０１４）０５‐０００１‐０８铵。由于进入的NH３与CO２生成液态甲铵的反1研究本课题的目的和意义应是快速强放热反应，放出的大量反应热会加热逆流等温尿素合成塔是UTI热循环工艺开混合物料，使物料温度

2、急剧升高，导致底部过发出的众多创新成果中最引人注目的科研成果。热，其结果是使液相物系平衡压迅速升高。若平该成果使尿素合成转化率从传统法的６５％衡压超过外压时，甲铵反应热还有多余，则生成提高到７５％，经济效益不言而喻。的液态甲铵将分解为NH３与CO２气体，直到多因为逆流等温合成塔是从传统合成塔发展创余的热量全部用完，达到新的气液相平衡。新而来的，合成塔的工艺条件———压力、温度、NH３／CO２、H２O／CO２，与传统法相近，因而特别受我国目前运行着的众多传统法尿素装置青睐。仅此一项成果（尿素合成转化率提高），即能使

3、传统法尿素装置吨尿蒸汽消耗降至１畅２～１畅１t。同时该项成果还是节能与增产兼顾的先进技术，故而也是扩产改造的首选技术，增产能力在４０％～５０％（即１３０kt／a扩产到１９０kt／a）时，合成转化率仍能保持在７０％以上。本课题首先考察传统工业尿素合成存在哪些问题，指出传统尿素合成运行效率低的原因，哪些因素影响转化率的提高。嗣后，对UTI新颖的逆流等温合成法所采取的技改措施开展热力学分析，揭示其高效运行的成功之道及技术关键。图１传统尿塔示意图2传统工业尿素合成存在的的问题底部进料尿塔的过热现象是工业尿素合成物［1，2

4、］2畅1传统工业尿素合成过程分析系甲铵生成反应化学平衡与相平衡、焓平衡三者通常，工业上传统尿素合成的运行方式如综合的结果。如果甲铵生成热不移走，即在绝热下：三股物流（原料CO２、预热的液氨、以及返条件下，此现象是不可避免的。其结果是，使底回的循环甲铵液）全部从底部进入尿塔，如图１部物料形成气液两相流。所示。经过理想混合后，原料CO２全部生成甲底部进料的尿塔出现气液两相流是普遍的。收稿日期：２０１４‐０８‐０２作者简介：沈华民（１９４０－），男，上海人，教授级高级工程师，研究生导师，长期从事尿素技术的研究、开发和教

5、学工作。·２·化工设计通讯第４０卷除了传统法之外，日本改良C法，CO２汽提法，少。计算得传统水溶液全循环法的实际停留时间NH３汽提法，以及ACES等塔底都是呈相平衡为３０min（若为全液相，名义停留时间为４５～的气液两股物流。５０min）。随着停留时间的缩短，液相脱水反应对于传统法尿塔，当合成工艺条件为p２０时间亦随之减少，最终导致尿素转化率下降。MPa，t１８８～１９０℃，NH３／CO２４畅０～４畅１，H２O／CO２０畅６５时，由计算可知，占２０％～２５％的原料CO２在塔底尚未生成液态甲铵，或液态甲铵重又分解为

6、NH３与CO２气体，在塔底混合区输出达气液平衡的两股物流，温度为１７８～１８０℃。之后，进入反应区，进行复合的尿素合成反应。由热力学分析可知，此过程也是在化学平衡（这里是气液相甲铵生成反应和液相中甲铵脱水生成尿素的两个反应）、相平衡和焓平衡条件下进行的。简述如下。图２塔高与气液体积图当气体与液体呈平衡的混合物沿合成塔上升，随着时间的推移，液相中甲铵进行转化为尿（２）晚生成之甲铵停留时间严重不足素的脱水反应，使液相中水和尿素浓度增加，这由于底部存在过热现象，塔底液态甲铵要再两种物质都是高沸点，因此物系沸点升高，进入

7、分解为气态CO２和NH３，这部分CO２随着物料上液相区，溶液呈溶解吸收状态，气相中的NH３移而逐渐冷凝为液态甲铵，属于“晚生成之甲铵”。与CO２再一次反应生成液态甲铵，并放出反应上述的全程停留时间（３０min）并非物系中所热，作为甲铵脱水反应所需之热量。同时甲铵反有甲铵都享有，只有塔底未分解之液态甲铵才享应热还加热液态物料，使其达沸点。进入新的气有如此长的甲铵脱水转化为尿素的反应时间。液平衡状态的两股物流继续上移，随着时间的推底部气相物流中的CO２，都属于晚生成之甲移，进行新一轮的甲铵脱水转化为尿素的反应，铵。这

8、些CO２虽然会在上升过程中逐渐冷凝为⋯⋯如此不断循环。随着物流上移，尿素转化率液态甲铵，但其脱水转化为尿素的时间则逐渐递增加，溶液中尿素和水浓度增加。物流上移过程减，都低于３０min。中，气相物流量减少，液相物料量增加，物流温以传统法为例，图３中只有塔底８５％～８７％度逐渐升高。到达塔顶，近乎达化学平衡和相平的甲铵享有３０min脱水转化时间，位于中部（H１）衡的气液物流一