尿素知识问答

问题解答

1、请用二元系分析高压甲铵冷凝器中的冷凝过程？

答：从NH3——CO2二元系气液平衡图（见图23）上看出，当压力130×10Pa大气压NH3/CO2在2.38，其共沸点温度E点为164.2℃，在这个压力下，这个组分的冷凝温度最高，可以产生较高压力的蒸汽，其曲线中间有一狭窄的液相区域如果这时在共沸点开始冷凝，系统的组成点就进入液相区亦即不出现气相，全部冷凝，且冷凝温度最高，在实际生产中，并非NH3——CO2二元系，因另外加有返回水呈三元系，共沸点组分的沸点会升高，且NH3、CO2冷凝量加大，保持水量不变的三元系，可以视为另外的NH3——CO2二元系，在气液平衡图中，A 点为汽提操作要求的世界投料点，相当于NH3/CO2为2.89，如果这时开始降温，当温度下降到A‘点是开始出项冷凝，如果温度继续下降到A’‘，此时的温度为t A’‘，液相组成点为X A’‘，气相组成点为Y A’‘，因不在共沸点，在这个条件下不可能全部冷凝成液体，始终存在着一定的液汽比，只有控制好这个液汽比，（液汽比＝???）一方面满足了冷过程温度越高越好，产生最高压力蒸汽，另一方面也满足了合成塔工艺条件要求，即保证有一部分气体进入合成塔继续冷凝放出热量供给生成尿素所需的热量的自热平衡。实际中有78％－80％冷凝成液体，冷凝后温度在166.7℃。

2、合成系统工艺条件如何确定？

答：尿素合成工艺条件有温度、压力、NH3/CO2、H2O/CO2

（1）首先根据合成系统采用的材料来确定最高反应温度，本流程采用316－L不锈钢。这种材料使用温度不超过190℃。操作上采用183－185℃。

（2）NH3/CO2的确定：由于汽提过程要求合成塔出料组成在液相顶脊线上（原因下述）因而要求投料组成NH3/CO2须在2.89处，该处也是具有最小平衡压的投料组成。

（3）压力的确定，根据尿素合成过程的平衡压力图（图24）从图中的曲线看出，各个不同温度下都有一个最小平衡压力，183℃时最小平衡压力为125×105Pa，此时NH3为74%(分子比)，氨与二氧化碳分子比相当与2.8即图中A点处，由于进系统物料的CO2气中有4%空气连同原有的1%，因此操作压力为（125×100％）/（100-5％）＝136×105Pa。

（4）H2O/CO2的确定，根据汽提过程出液可知，从汽提塔出来时液体中NH36.87%, CO28.8%, H2O26.4%, NH3、CO2在循环系统分解后以水溶液形式返回，为使循环甲铵浓度不致水量太少，因为浓度过高会形成结晶，同时也最大限度降低水量来回收NH3和CO2，以提高合成转化率，这就是甲铵液熔点、沸点差别的原因。

该甲铵液组成选NH3为31.1％，CO234.3％，H2O34.4％，熔点（51－52℃），这部分水进入合成系统使202－C的H2O/CO2约为0.37。

3、汽提部分工艺条件如何确定？（见图25）

（1）根据合成塔出料组分，确定进入汽提塔内溶液平均温度183－185℃，由图找出183℃下等温度线与顶脊线交点L1其组成为NH328.5%,CO216.5%,U r H2O55%(Wt)。

（2）过L1作反应线与理论线平行（理论反应线H2O/CO2=2.0与U r H2O的连线）该线相交NH3/CO2边于NH353％，CO247％，相当于NH3/CO22.89，即202－C的加料组成为2.9。

（3）过L1作L1——CO2连线，并取汽提液与新鲜CO2气之比（重量比）4:1 (这个比值是反应液重量与进入汽提塔新鲜CO2重量之比值)得B点，B点为总组成点（反应液＋CO2）。

（4）汽提后B点分两个组成，汽提汽在NH3/CO2边上，液相在理论反应线上（因汽提后液相NH3/CO22.0），而液相又在183℃等温线上，所以汽提后液相在理论反应线上183℃等温线交点处L2，组成为CO28.0%,NH36%（实际上汽提后液体温度接近于170℃，NH3/CO2=2.0）

（5）连L2——B延长交边NH3——CO2于G点，其组成为NH340%, CO260%，即为汽提塔出汽。因为顶脊线组分是合成反应压力最低、温度最高的组分。

为什么汽提塔进料一定要选在顶脊线上：如果选在顶脊线下方，则对合成反应不利因NH3/CO2太低，降低尿素合成转化率；如果选在上方，则通CO2过反应液进行汽提时，将先有一个CO2溶解在液相的过程，而不是被汽提出来，故只有在顶脊线上的组成最合乎工艺要求，即NH3/CO2为2.89。

由此可看出汽提过程所要求的进料组分点（NH3/CO2）于合成条件所要求的最低平衡压力对应的组分点（NH3/CO2）是吻合的。

4、为什么高压甲铵冷凝器中NH3/CO2须控制在2.89？

答：1）、根据2NH3＋CO2＝CO（NH2）2＋H2O反应平衡式来看，增加反应物浓度，有利于反应朝右边进行。所以，进料NH3/CO2起码大于2。

2）、由于汽提过程要求合成塔出来组成应在液相顶脊线上，因而要求投料组成NH3/CO2须在2.89处。

3）、根据尿素合成的平衡压力图，各个不同的温度下，都有一个最小平衡压力，185℃时平衡压力为125×105Pa，此时在2.87左右。

通过以上几点说明进202－C NH3/CO2应控制在2.89。

5、叙述汽提塔中汽提过程及原理？

答：汽提塔实际上时一个多管膜式湿壁塔，合成塔来的反应液，其中含NH329%、CO219％、U r34.5％通过阀HV201进入汽提塔上部花板，每根汽提管上部有一液体分布器，当液体流过分布器小孔后（¢2.3mm×3）呈膜状向下沿管壁流动，随着阀开度改变，分布器上液层高度也改变，负荷高，液层高，流过小孔流量答，反之即小。当液体下流后与下部来的CO2气体相遇，首先湿游离氨被逐出，再向下是甲铵分解即以两个NH3分子一个CO2分子这样的比例分解出来。由于管外有20×105Pa温度214℃的饱和蒸汽供给热量，使分解反应得以不断进行。汽提过程所以能实现是由于反应液呈平衡的溶液表面上蒸汽压力始终大于气相中的氨的分压。这样NH3一直可以被分解出来，而CO2则是由于化学平衡关系，当减低气相NH3的浓度后，反应向左方向进行，因在？？？

Kp是温度函数，在某一温度下为定值，当[CNH3]大大减低趋于零时液相中甲铵浓度C甲铵亦趋进于零。即液相中甲铵几乎全被分开。

由于受到压力和温度限制，另外考虑到工厂的经济性，（增加管子长度或加大管径并不能提高汽提效率）物料不可能在汽提塔内长时间停留，大约停留1分钟左右。物料出汽提塔时含NH36.7％，CO28.7％左右。

6、画出合成塔结构图（标出物料流向）见图26

7、合成塔塔板的作用？

答：合成塔有11块塔板，把合成塔分隔呈小的反应室，实际上是一个完全混合并流的多节串连鼔泡式反应器，即由于反应不断进行，尿素浓度不断增加。重度增大就会有下沉现象，从而降低了原料浓度，加了塔板可防止物料反混，加了塔板使汽提从塔板中部的孔上升，液体则沿塔板与塔壁环隙上升，在这个过程中反应不断进行，随着反应的不断进行汽提越来越多，故上部塔板开孔率低于下部塔板。有了塔板，使合成转化率有所上升。

8、什么叫水碳比？合成塔内水碳比对生成尿素反应有何影响？