尿素生产

合成原理和工艺条件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：

2NH

3+CO

2

NH

2

CO

2

NH

4

+159.47kJ (1)

NH

2CO

2

NH

4

NH

2

CONH

2

+H

2

O-28.49kJ (2)

式(1)是强放热反应，在常压下反应速度很慢,加压下则很快。式(2)是温和的吸热反应。

当温度为170～190℃,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CO

2

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≥3。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。少量氧（空气）的存在能阻缓材料的腐蚀。增加反应物料的停留时间能提高转化率,但并不经济,工艺设计中最佳条件的选择是在经济合理的情况下，追求单位时间的最大产量。典型的工艺操作条件是温度180～200℃、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。

生产工艺氨和二氧化碳在合成塔内，一次反应只有55％～72％转化为尿

素(以CO

2

计),从合成塔出来的物料是含有氨和甲铵的尿素溶液（简称尿液）。在进行尿液后加工之前，必须将氨和甲铵分离出去。甲铵分解成氨和二氧化碳是尿素合成反应中式(1)的逆反应,是强吸热反应，用加热、减压和气提等手段能促进这个反应的进行。围绕着如何回收处理从合成塔里出来的反应混合物料，曾发展了尿素的多种生产工艺。①不循环工艺和部分循环工艺:不循环工艺是指从合成塔出来的物料,经减压至常压并用蒸汽加热,将氨和二氧化碳分离出来,尿液送去后加工系统，氨用于生产其他的铵盐。部分循环工艺是把从甲铵分解器内分解出来的部分氨和二氧化碳，以甲铵水溶液的形式循环回合成塔。不循环和部分循环工艺较简单，投资较省、操作费用也较低，缺点是要附设庞大的铵盐加工系统,经济上不合理,新的尿素厂则采用全循环工艺。②全循环工艺：是把未转化成尿素的氨和二氧化碳，经分离后全部循环返回尿素合成系统。这类工艺因分解、循环的方法不同而有不同，但主要是水溶液循环法和气提法

根据不同要求，可以采用三种方法生产固体尿素。

①结晶法将尿液蒸浓到约85％，再通过冷却、结晶、分离、干燥而得到产品。在结晶过程中,通入约95℃的热空气，使结晶与干燥同时进行的方法称为无母液结晶法。也有采用真空结晶法，借以充分利用系统的反应热（如三井东压

法）。结晶法的特点是成品中缩二脲含量＜0.3％，但成品易吸湿、结块，一般作工业尿素用。

②塔式喷淋法造粒是目前使用最广泛的方法。将99.5％的尿液在造粒塔顶通过喷头(大多用旋转喷头)喷成液滴下落，与塔底通入的空气逆流接触凝结、冷却而成为粒径0.8～2.5mm的颗粒产品。此法优点是消耗动力很少，但产品机械强度不高，易破碎；且塔顶排出的空气含尿素大于100mg/m3，污染大气，需在造粒塔顶加设庞大的净化装置（见尿素造粒塔）。

③颗粒成型法造粒塔式喷淋造粒法产品强度较低，粒径较小，抗碎、抗磨强度较差，不能满足掺混肥料及机械施肥的需要。60年代起，发展了颗粒成型法造粒新技术，即把96％以上的尿液，逐层凝结在晶种粒子表面而形成颗粒尿素。产品粒度为2～4mm(根据需要可达7～11mm),不但强度高,且不易吸湿结块,可以散装贮存，此法造粒装置可分盘式造粒、转鼓造粒和流动床造粒等。

当今尿素生产工艺主要有：水溶液全循环法、日本东洋改良“C”法（ACES）、荷兰Stamicarbon的二氧化碳汽提法、意大利Snam的氨汽提法。

1.1.1.1 水溶液全循环法

该法主要应用在五、六十年代建的中、小氮肥企业，由于水溶液全循环法能耗、物耗高，放空损失大，规模小，已属淘汰的工艺，因此新建装置都不使用该生产工艺。

1.1.1.2 日本东洋改良“C”法（ACES）

该法由日本东洋公司在水溶液全循环法的基础上开发而来的一种生产工艺，国内主要有川化和齐鲁石化化肥厂使用该种工艺。川化在2000年已由东洋公司改良“C”法改成汽提法，而齐鲁石化的装置也由山东搬到四川。改良“C”法由于操作压力高，操作温度高，因此[wiki]设备[/wiki][wiki]腐蚀[/wiki]严重。改良“C”法为保障装置的生产正常，合成塔采用两个，一开一备。并且合成塔衬里采用耐腐蚀的钛材，但都因腐蚀问题导致合成塔泄漏过；改良“C”法相对二氧化碳汽提法和氨汽提法，在能耗和氨耗方面相对要高，这是因为工艺和操作压力的关系。改良“C”法在全世界范围内建厂不多，从各方面比较其竞争力都不强。

1.1.1.3 二氧化碳汽提法

该法由荷兰Stamicarbon公司研发，在二十世纪七十年代中国共引进十三套，如云天化、赤天化、泸天化等。该法以二氧化碳气体为汽提气，在合成圈等压（14.0MPa）的压力下，对甲铵进行分解、汽提，避免过多的甲铵进入低压段，再分解后吸收，重新输送返回合成圈，增加能耗。由于等压汽提的存在，减少进入低压段的甲铵量，因此无中压系统，低压段的设备也较少。同时，由于框架的存在，使得工艺介质以位差流动，减少了动力消耗。进入二十一世纪，利用脱[wiki]氢[/wiki]等技术对老的装置进行节能增产改造。如云天化、大庆石化化肥厂及乌石化化肥厂等，使这些老厂又焕发了活力。同时，Stamicarbon公司利用脱氢装置和池式反应器技术，提出了2000+的超优技术，并结合与三特维克共同开发拥有自己专利的新材质——Safurex，进一步降低氧含量，增加设备的耐腐蚀性，使得工艺消耗、能耗更低，产量规模也越来越大。国内海南富岛二期装置采用池式冷凝器技术已稳定运行几年，最近重庆建峰、新疆、内蒙鄂尔多斯等新建项目与Stamicarbon签定使用二氧化碳汽提工艺。

1.1.1.4 氨汽提法工艺

氨汽提法工艺是上世纪七十年代末、八十年代初由意大利Snam公司研发的一种以氨为汽提介质的生产工艺。在八十年代和九十年代，在国内建有许多生产装置，如中原濮阳、九江石化化肥厂、内蒙和海南富岛一期等。氨汽提法工艺也属较成熟的一种生产工艺，在世界范围内所建装置也仅次于Stamicarbon的二氧化碳汽提法装置。氨汽提法与二氧化碳汽提法一样采用在合成圈等压汽提技术来降低下工段的负荷，降低能耗。但由于氨的过量，无法在低压段全部回收，因此氨汽提法工艺增加有中压段，使得氨汽提法工艺装置流程加长。同时由于氨汽提法工艺的合成系统操作压力高，汽提塔操作温度高，因此腐蚀较严重，针