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：

2NH 3(液)+CO 2(气) CO(NH 2)2(液)+H 2O(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：

2NH 3(液)+CO 2(气) NH 2COONH 4(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)

NH 2COONH 4(液) CO(NH 2)2(液)+H 2O(液)-27.5kJ/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/cm 2。

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(2CO X )来表示尿素的产率：

%

CO 733.0%100733.0%%100CO CO 2222的重量尿素的重量反应液中尿素的重量的总量转化成尿素的+⨯⨯⨯=⨯=CO X 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，CO 2转化率

增加；当N/C=2时2CO X 为40％，N/C=3时2CO X 为54％，N/C=4时 2CO X 为67.5％。

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0.1，二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CO 2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CO 2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，CO 2转化率也增加。温度超过200℃时，反应速度变慢，CO 2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CO 2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：34.5％。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2.1MPa ，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：NH 2COONH 4(固) = 2NH 3(气)+CO 2(气)

平衡常数 K P =P 3·y 2

NH 3·yCO 2

当纯的固体甲铵离解时，气相中氨碳比等于2

Kp = P 3

S ·y 2NH 3·yCO 2

= P 3

S ·(2/3)·1/3

= 4P S /27

P S ----纯固体甲铵离解压力。

由上述两式比较得： 2

52530yco y Ps

.P ⨯=

当温度一定时，P S 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yNH 3或yCO 2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

2NH 3(液)+CO 2(液) = NH 2COONH 4(液)