尿素简介与制备

2.2.2尿素的造粒
农业使用的尿素产品绝大多数均加工成 一定的颗粒。颗粒尿素产品的流动性能好， 不一吸潮和结块，便于散装贮存和运输。 造粒的方法可以分为造粒塔造粒和造粒 机造粒。


Stamicarbon的大颗粒造粒工艺流程图


流化床大颗粒造粒是整个工艺最核心的部分。Stamicarbon 的大颗粒造粒工艺以浓度为98.5％的熔融尿素为原料，尿液加 入甲醛后送入造粒机。造粒机为流化床造粒机，以空气作为流 化剂。熔融尿素经过喷嘴喷射，在喷嘴上方形成尿素液膜，二 次空气将粒种吸入液膜中。液膜厚度约为50～150μm，尿素 颗粒被一层层包裹，液体层温度很高。流化床的温度相对较高， 继续包裹有一个再融化的过程。通过最终的结晶，每一层包裹 最后都成为晶体的一部分。因而，尽管使用了膜式喷嘴，颗粒 内部并没有形成“洋葱”式的多层结构。 离开造粒机之后，产品经过粗筛，进入冷却器，温度降至 70℃。之后，通过主震动筛的筛选，规格不合要求的颗粒被 重新回收至造粒机中。体积太大的颗粒被送入破碎机中进行破 碎。破碎机扮演着一个非常重要的角色，它通过粒种的供给, 保证粒子的平衡状态。在造粒机中没有粉尘或粒种材料生成。 破碎机是产生粉尘的主要来源，因此，选定破碎机时，应该优 化选择，使其产生的粉尘最少。被破碎的颗粒和细微颗粒一并 送回造粒机。
§1 尿素的简介 尿素，又称脲，分子式为CH4ON2,相对分 子质量60.056，结构式CO(NH2)2,可展开写成 O ‖ NH2— C —NH2 在人类及哺乳动物的尿液中还有这种物质，故称尿素，是 蛋白质新陈代谢后元素氮的最终产物。尿素在许多生物过程中 起着重要的作用。 尿素可以看做是碳酸的二酰胺。H2CO3是含有一个羰基的二 元羧酸。所以尿素又成为碳酰二胺。 纯尿素在室温下是无声，无味，无臭的针状结晶体，在一 定条件也可以呈斜方棱柱状结晶体。 尿素易溶于水和液氮，也可容易甲醇，乙醇，甘油，不溶 于乙醚和氯仿。尿素在水中或液氮中的溶解度均随温度的升高 而增加。


因此，根据相率，得
自由度=组分-2+相数=3-2+2=3
这样，系统的自由度为3。为完全确定物系 所处的状态，需要而且只需要3个独立变量。 从理论上说，选作自由度的变量可以使任何 三个独立的强度性质的变量。 从实际方便来说，以系统的氨碳比和水碳 比及温度作为三个独立变量是合适的。所谓 氨碳比和水碳比，是将原始配料折算为 NH3,CO2,和H2O三种物质，算出NH3/CO2和 H2O/CO2两个配料比，通过摩尔比计算。在 尿素行业中，普遍采用CO2转化率来表示反 应的程度，即原料CO2转化为尿素的百分率。
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必须在高压下进行。实 际上，若在NH3和CO2 存在的条件下，系统的 熔点将比纯 NH4COOCH2有多降低。 但大体上来说，合成尿 素的过程仍必须在高温 高压下于液相中进行反 应。现在，不同的尿素 生产工艺的温度为 180~210℃和压力在 13~24MPa范围内进行。
在此条件下，生成NH4COONH2的反应速度极 快，而且反应相当完全，反应为强放热反应。而 其脱水转化为尿素的反应时弱吸热反应，反应速 度慢，而且平衡转化率不高，一般不超过 50%~70%。因此，有必要研究本系统的化学平衡 条件。 首先做相率分析。尿素的生产过程中涉及两 个独立反应，存在5种不同的物种： NH3,CO2,H2O,NH2CONH2 (以下简写为Ur)和 NH4COONH2（以下简写为Am）。所以，本系统 的组分分数为5-2=3，是三元系统。 在生产反应条件下，出液相外总存还在气相， 故气相为2。

§2尿素的合成



氨和二氧化碳合成尿素的反应分为两步行，首先NH3 和CO2合成为中间产物氨基甲酸铵NH4COONH2，然后氨基 甲酸脱水成为尿素NH2CONH2, 2NH3（g）+ CO2（g）＝ NH4COONH2（l） △H = —100500J/mol NH4COONH2（g）＝ NH2CONH2（g） + H2O（l） △H = —27600J/mol（180℃） 氨气和二氧化碳气体在常温下相遇，立即生成 NH4COOHNH2晶体。它是一种不稳定的化合物，预热随即 分解。基于这个反应，在一定温度下，NH4COONH2存在有 一定的分解压力。当系统压力低于其分解压力时， NH4COONH2即行分解而成为气态氨气和二氧化碳。 氨基甲酸铵结晶不能直接脱水变成尿素，此反应只 有在液相中才能进行。纯NH4COONH2的熔点156℃ ，此时 的分解压力很高。所以，为保持物系处于液态，

§2.2尿素的结晶与造粒 2.2.1尿素的结晶 利用尿素的溶解度随温度的降低而降低的关系， 将在较高温度下的尿素溶液冷却，即可析出晶体， 再通过离心分离，干燥，得到尿素结晶产品。由 于在制取结晶尿素的加工过程过程中温度较低， 副产品少，所以产品的缩二脲含量低，可作为低 缩二脲含量的化肥使用，也用于工业。但结晶尿 素呈粉末或细晶，不便于施用，且易于结块。 结晶的尿素的生产分为常压和真空结晶法。
很早人们就通过实验证实，在同样的氨碳比，水 碳比和温度条件下，测得的平衡转化率并非定值。 只有再加上一个条件，当实验装置的物料充填密度 也固定，结果才是唯一的。这并不违反相率，因为 原始配料比并不是某一个相得组成，而是平衡时气 液两相只和，而他显然与两相得相对数量多少有关。 只有当充填密度一定，两相的数量比才一定。所以， 在这样的数量比才一定，平衡转化率是4个独立变 量的函数, 即x=f（t,A,B,d） 式中 X—CO2平和转化率 t—温度 A—系统总氨碳比 B—系统总水碳比 d—系统充填密度

早期的关于尿素合成反应的研究大都将测定数 据整理成4参数关系。这些实验结果对生产工艺 条件的确定有其指导意义，蛋难以据此作理论分 析，对于连续型反应器更不便于应用。 更为合理的处理方法是以液相组成（液相的氨 碳比和水碳比）和温度作自由度的独立变量。 即x=f（t,a,b） 式中a—液相组成的氨碳比 b—液相组成的水碳比 a和b与Am的脱水式中总体组成的A和B不同。 只有当体系所处状态只存在一相（液相），两者 才一致。