产万吨水溶液全循环法生产尿素工艺设计方案

摘要由于具有生产工艺简单，生产操作易于掌握；生产设备容易制造，投资较省；施用后见效快，增产显著等特点，尿素在各种肥料新品种不断涌现的情况下产销量仍持高不下。

本设计介绍了尿素的性质、用途、生产方法和发展状况，详细描述了水溶液全循环法生产尿素的工艺流程，重点介绍了尿素的工业生产的过程，并对单位质量参加反应的原料进行物料衡算和热量衡算，以期获得低耗能、低污染、高产出的尿素生产工艺。

关键词：尿素，全循环，发展，工艺流程一、概述（一）尿素的物理化学性质和用途1 .尿素的物理性质分子式：CO（NH2）2,分子量60.06,因最早由人类及哺乳动物的尿液中发现，故称尿素。

纯净的尿素为无色、无味针状或棱柱状晶体，含氮量为46.6%，工业尿素因含有杂质而呈白色或浅黄色，工业或农业品为白色略带微红色固体颗粒无臭无味。

密度1.335g/cm3。

熔点132.7C。

超过熔点则分解。

尿素较易吸湿，贮存要注意防潮。

尿素易溶于水和液氨，其溶解度随温度升高而增大。

2.尿素的化学性质易溶于水、醇，不溶于乙醚、氯仿。

呈微碱性。

可与酸作用生成盐。

有水解作用。

在高温下可进行缩合反应，生成缩二脲、缩三脲和三聚氰酸。

加热至160C分解，产生氨气同时变为氰酸。

因为在人尿中含有这种物质，所以取名尿素。

尿素含氮（N）46 %，是固体氮肥中含氮量最高的。

尿素在酸、碱、酶作用下（酸、碱需加热）能水解生成氨和二氧化碳。

对热不稳定，加热至150~160°C将脱氨成缩二脲。

若迅速加热将脱氨而三聚成六元环化合物三聚氰酸。

（机理：先脱氨生成异氰酸（HN=C=O）, 再三聚）。

在氨水等碱性催化剂作用下能与甲醛反应，缩聚成脲醛树脂。

与水合肼生成氨基脲2NH3+CO2—NH2COONH4—CO（NH2）2+H2O 粒状尿素为粒径1~2毫米的半透明粒子，外观光洁，吸湿性有明显改善。

20C时临界吸湿点为相对湿度80%，但30C时，临界吸湿点降至72.5%，故尿素要避免在盛夏潮湿气候下敞开存放。

目前在尿素生产中加入石蜡等疏水物质，其吸湿性大大下降。

3.尿素的用途尿素是一种高浓度氮肥，属中性速效肥料，也可用来生产多种复合肥料。

在土壤中不残留任何有害物质，长期施用没有不良影响，但在造粒中温度过高会产生少量缩二脲，又称双缩脲，对作物有抑制作用。

我国规定肥料用尿素缩二脲含量应小于0.5%。

缩二脲含量超过1%时，不能做种肥，苗肥和叶面肥，其他施用期的尿素含量也不宜过多或过于集中尿素是有机态氮肥，经过土壤中的脲酶作用，水解成碳酸铵或碳酸氢铵后，才能被作物吸收利用。

因此，尿素要在作物的需肥期前4~8天施用。

尿素是目前使用的含氮量最高的化肥。

尿素属中性速效肥料，长期施用不会使土壤发生板结。

其分解释放出的CO2也可被作物吸收，促进植物的光合作用。

在土壤中，尿素能增进磷、钾、镁和钙的有效性，且施入土壤后无残存废物。

(二)尿素的生产方法简介生产尿素的方法有很多种，20世纪60年代以来，全循环法在工业上获得普遍采用，最常用的是水溶液全循环法生产尿素和二氧化碳气提法生产尿素。

合成氨生产为NH3和CO2直接合成尿素提供了原料。

由NH3和CO2合成尿素的总反应为：2NH3+CO2—CO(NH2)2+H2O。

该反应是放热的可逆反应，转化率一般为50~70%。

因此从合成塔出来的尿素溶液中除了尿素外，还有氮和甲铵。

按未反应物的循环利用程度，尿素生产方法可分为不循环法、半循环法和全循环法三种。

依气提介质的不同，分别称为二氧化碳气提法、氨气提法、变换气气提法。

依照分离回收方法的不同主要分为水溶液全循环法、气提法等。

按气提气体的不同又可分为二氧化碳气提法、氨气提法、变换气气提法。

1水溶液全循环法20世纪60年代以来，全循环法在工业上获得普遍采用。

全循环法是将未转化成尿素的氨和二氧化碳经减压加热和分离后。

全部返回合成系统循环利用，原料氨利用率达97%以上。

全循环法尿素生产主要包括四个基本过程：①氨和二氧化碳原料的供应及净化；②氨和二氧化碳合成尿素；③未反应物的分离与回收；④尿素溶液的加工。

其生产过程如图1所示。

熱图1水溶液全循环法生产尿素工艺流程图（三）两种方法的比较1.水溶液全循环尿素工艺水溶液全循环法是将未反应的氨和二氧化碳，经减压加热分解分离后，用水吸收生成甲铵或碳酸铵水溶液再循环返回合成系统。

我国尿素厂多数采用水溶液全循环法。

2.CO 2汽提法尿素工艺气提法是利用某一气体在与合成等压的条件下分解甲铵并将分解物返回合成系统的一种方法。

气提法是全循环法的发展，具有热量回收完全，氨和二氧化碳处理量较少的优点。

此外，在简化流程、热能回收和减少生产费用筹方面也都优于水溶液全循环法.是尿素生产发展的一种方向。

3.两种工艺的比较优点；水溶液全循环尿素工艺生产装置的静止高压设备较少，只有尿素合成塔及液氨预热器为高压设备，其它均为中压和低压设备，所以该尿素工艺生产装置的技术改造比较容易、方便，改造增产潜力较大。

由于该工艺高压设备较少，高压系统停车保压时间可以达到24h,所以生产装置的中小检修一般可以在尿素合成塔允许的停车保压时间内完成，减少了高压系统排放的次数，降低了尿素的消耗。

水溶液全循环尿素工艺可靠、设备材料要求不高、投资较低。

CO2气提法尿素工艺生产装置的工艺流程较短，在操作调节方面比较简单、方便。

能耗低、生产费用低。

该工艺能够回收较高品位的甲按反应热，除本系统加热使用外还可剩余少部分富裕低压蒸汽供外系统使用。

缺点：水溶液全循环尿素工艺生产装置的工艺流程较长，在操作调节方面不如CO2气提法生产尿素工艺简单、方便。

由于氨碳摩尔比控制得较高，一般稳定在 4.0左右，并且未反应生成尿素的氨和二氧化碳气体全部要经过低压、中压循环吸收系统回收后再返回到尿素合成塔，液氨泵和一段甲铵泵的输送量比较多，所以该工艺中液氨泵和一段甲铵泵的台数较多，动力消耗较多。

CO2气提法生产尿素工艺装置的静止高压设备较多，有尿素合成塔、高压二氧化碳气提塔、高压甲铵冷凝器、高压洗涤器四大主要设备，它们是CO2气提法尿素工艺生产装置的核心，其它均为低压设备，所以该尿素工艺生产装置的技术改造比较困难，改造增产潜力较小。

高压二氧化碳气提塔加热需要的蒸汽品质较高，为2.5MPa,不如水溶液全循环尿素需用的蒸汽压力低。

4•尿素的发展前景与展望尿素的合成是第一次用人工方法从无机物制得有机化合物。

1773年Rouelle在蒸发人尿时第一次发现尿素；在1935年开始制造固体尿素，之后又出现了制备尿素的其他方法，包括光气与氨反应、CO2与氨反应、氰胺化钙水解等，由于种种原因，最终都未能实现工业化；唯一成为当代尿素工业化基础的是由氨和二氧化塔合成尿素的反应。

1935年开始生产固体尿素并将未转化物循环回收，逐步形成全循环法工乙。

20世纪80年代之后，二氧化碳气提法和氨气提法得到进一步改进、完善；同时世界上著名的尿素公司还开发了其他的先进工艺：意大利的等压双循环工艺(Isobaric Double Recycle,简称IDR);日本TEC/TMC开发了降低成本和节能新流程ACES(Advancde Process for Cost and Energy Savin)新工艺；瑞士Amonnia Casale开发了分级处理合成液的气提法分流工艺等。

国内情况是我国尿素的年消耗量约在3000万吨，即使预计今后几年有所增长，大概也不会超过3500万吨。

现有的生产能力已经快要达到，我国今后十年内生产尿素都将过剩。

本设计主要叙述水溶液全循环法的有关内容。

、水溶液全循环法生产尿素的原理水溶液全循环法是将未反应的氨和二氧化碳经减压加热分解分离后，用水吸收生成甲铵或碳酸铵水溶液再循环返回合成系统。

（一）反应原理生产尿素的原料是氨和二氧化碳，后者是合成氨厂的副产品。

尿素合成反应分两步进行：①氨与二氧化碳作用生成氨基甲酸铵（简称甲铵）:②甲铵脱水生成尿素，其反应式为：2NH3+CO2—NH2COONH4+159.47kJ ①NH2COONH4—CO（NH2）2+H2O-28.49kJ ②式①是快速、强放热反应，且平衡转化率高。

式②是慢速微吸热的可逆反应，且需要在液相中进行。

当温度为170~190C时，氨与二氧化碳的摩尔比为2.0,压力高到足以使反应物得以保持液态时，甲铵转化成尿素的转化率（以CO2计）为50%;其反应速率随温度的提高而增大。

当温度不变时，转化率随压力的升高而增大，转化率达到一定值后，继续提高压力，不再有明显增大，此时，几乎全部反应混合物都以液态存在。

提高氨与二氧化碳的摩尔比，可增大二氧化碳的转化率，降低氨的转化率。

在实际生产过程中，由于氨的回收比二氧化碳容易，因此都采用氨过量，一般氨与二氧化碳的摩尔比绍。

反应物料中水的存在将降低转化率，在工业设计中要把循环物料中的水量降低到最小限度。

增加反应物料的停留时间能提高转化率，但并不经济。

典型的工艺操作条件是温度180~200C、压力13.8~24.6MPa氨与二氧化碳摩尔比2.8~4.5反应物料停留时间25~40min。

（二）反应机理1.尿素合成的基本原理液氨和二氧化碳直接合成尿素的总反应为：2NH3+CO2—CO（NH2）2+H2O-103.7kJ。

这是一个可逆、放热、体积缩小的反应，反应在液相中是分两步进行的。

首先液氨和二氧化碳反应生成甲铵，故称其为甲铵生成反应：2NH3+CO2—NH2COONH4在一定条件下，此反应速率很快，容易达到平衡。

且此反应二氧化碳的平衡转化率很高。

然后是液态甲铵脱水生成尿素，称为甲铵脱水反应：NH2COONH4—CO(NH2)2+H2O平衡转化率一般为50%~70%，此步反应的速率也较缓慢，是尿素合成中的控制速率的反应。

2.反应速度从生成尿素的反应机理可知甲铵脱水是反应的控制阶段，但甲铵脱水反应在气相中不能进行，在固相中反应速率较慢，而在液相中反应速率较快，故甲铵脱水生成尿素的反应必须在液相中进行。

因此决定反应速率的因素有两个：①氨和二氧化碳由气相进入液相的速率②液相中甲铵脱水的速率。

三、水溶液全循环法的生产工艺流程(一)尿素的合成1.液氨和二氧化碳直接合成尿素总反应为：2NH3+CO2—CO(NH2)2+H2O-103.7kJ实际上反应是分两步进行的，首先是氨与二氧化碳反应生成氨基甲酸铵：2NH3+CO2—NH2COONH4+159.47kJ该步反应是一个可逆的体积缩小的强放热反应，在一定条件下，此反应速率很快，客易达到平衡，且此反应二氧化碳的平衡转化率很高.0然后是液态甲铵脱水生成尿素，称为甲铵脱水反应；NH2COONH4—CO(NH2)2+H2O-28.49kJ此步反应是一个可逆的微吸热反应，平衡转化率一般为50%~70%，并且反应的速率也较缓慢，是尿素合成中的控制速率的反应。