尿素生产工艺综述

尿素生产工艺综述

摘要：简单介绍尿素的基本理化性质与市场供需情况。同时结合我国的实际生产工艺，解析传统工艺的弊端及对几种新工艺进行比较。最后以美国UTI工艺为背景对尿素合成与分离的过程进行详细探讨。

关键词：尿素;合成;UTI工艺

一、尿素理化性质

尿素又称碳酰胺（carbamide)。最简单的有机化合物之一。哺乳动物和某些鱼类体内蛋白质代谢分解的主要含氮终产物。化学式：CO(NH2)2，相对分子质量60.06 ，CO(NH2)2是无色或白色针状或棒状结晶体，工业或农业品为白色略带微红色固体颗粒，有刺鼻性气味。含氮量约为46.67%。密度为1.335g/cm3。熔点为132.7℃。溶于水、醇，难溶于乙醚、氯仿。呈弱碱性可与酸作用生成盐。有水解作用。

尿素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160℃分解，产生氨气同时变为异氰酸。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℃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。）与乙酰氯或乙酸酐作用可生成乙酰脲与二乙酰脲。在乙醇钠作用下与丙二酸二乙酯反应生成丙二酰脲（又称巴比妥酸，因其有一定酸性）。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。与水合肼作用生成氨基脲。尿素易溶于水，在20℃时100毫升水中可溶解105克，水溶液呈中性反应。尿素产品有两种。结晶尿素呈白色针状或棱柱状晶形，吸湿性强。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。20℃时临界吸湿点为相对湿度80%，但30℃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。在尿素生产中加入石蜡等疏水物质，其吸湿性大大下降。

二、尿素用途

尿素主要用作化肥。工业上还用作制造脲醛树酯、聚氨酯、三聚氰胺-甲醛树脂的原料，在医药、炸药、制革、浮选剂、颜料和石油产品脱蜡等方面也有广泛的作途。尿素加热至200℃时生成固态的三聚氯酸（即氰尿酸）。三聚氰酸的衍生物三氯异氰尿酸、二氯异氰酸钠、异氰尿酸三（2-羟乙酯）、异氰尿酸三（烯丙基）酯、三（3，5-二叔丁基-4-羟基苄基）异氰酸酯、异三聚氰酸三缩水甘油醚、氰尿酸三聚氰胺络合物等有许多重要应用。前两者是新型高档消毒、漂白剂，三氯异氰尿酸全世界总所产能力超过8万吨。

三、市场现状

1、世界尿素市场现状

国际肥料工业协会(IFA)统计数据显示， 2009年全球尿素供应量约1.592亿吨，比2008年增长5.8%；尿素需求约1.548亿吨，比2008年增长4.9%，其中1.375亿吨尿素为肥料用途。从2007年开始，全球尿素市场已由供应紧张转为较为过剩2009年底，世界尿素产能为1.74亿吨/年，主要分布在亚洲。2009年东亚、南亚和西亚的产能分别为7742万吨/年、3024万吨/年和1757万吨/年，约占全球产能的71.9%。 20世纪80年代以前，世界氮肥生产以发达国家为主导。1989年，发展中国家氮肥产量首次超过发达国家。此后，发展中国家的产量稳步增长，而发达国家的产量逐步递减。目前，世界主要尿素生产国是

中国、印度、美国、印度尼西亚、俄罗斯等。2008年，前八大主要生产国共生产尿素1.08亿吨，约占同期全球总产量的71.8%。2008年，世界主要尿素消费国是中国、印度、美国、印度尼西亚、巴基斯坦等。前八大主要国家共消费尿素1.11亿吨，约占全球总消费量的75.2%。

2、国内尿素市场现状

目前，我国已经成为世界最大的化肥生产国和消费国，其中尿素产量已占到全球产量的三分之一。我国氮肥生产在1997年开始过剩，而近十年氮肥产量更是以年均6.7%的速度增长，最终产能过剩问题越来越突出。以氮肥中所占比例最大的尿素为例，2009年底，全国尿素产能已达6400万吨/年，同比新增543万吨/年。2009年尿素表观消费量为6041万吨，同比增加844万吨。

未来我国尿素的需求增长主要来源于四方面：一是替代碳铵；二是用于生产高氮复合肥的尿素需求量不断增加；三是粮食及经济作物种植面积增加；四是工业需求稳步增长。但是由于近几年，我国农民调整了种植结构，复合肥使用量明显增加，作为单质肥的尿素亩均使用量逐年减少。同时，国家实行财政补贴大力推广的测土配方施肥要比常规施肥亩均施氮量减少2千克左右。这些因素都减缓了尿素需求增长。预计2009-2013年我国尿素需求的年均增速为1.3%~1.8%。到2013年，国内农业用尿素消费量为5100万吨，工业尿素量增至1200万吨，两项消费量合计为6300万吨。

四、尿素生产原理

工业上一般采用以下三种方法合成尿素：光气和氨反应、氨和氧硫化碳反应、氨与二氧化碳反应。而氨与二氧化碳反应合成尿素是可行性最高，工艺最典型的方法，工业一般采用此法。

尿素的生产可以天然气、煤炭、重油等为原料。中国的能源储备具有“缺油、少气、有煤”的特点，与之相适应，国内尿素产业也形成了独特的工艺路线结构：中、东部企业的生产原料以煤炭为主，而西部大型装置特别是中石油下属的尿素企业均以天然气为原料。目前国内尿素原料构成比例为：煤基企业占72%，气基企业占26%，其余2%则为油基企业。制造尿素的原料是天然气、煤或石油之一和空气转化成氨和二氧化碳。

由液氨和二氧化碳气体直接合成尿素的总反应式为：

2NH3+CO2—(NH2)2CO+H2O

这是一个可逆的放热反应。实际上，该反应分两步进行。第一步由氨与二氧化碳生成中间产物氨基甲酸铵NH4COONH2，简称甲铵。第二步是甲铵脱水生成尿素，其反应式为：

2NH3+CO2—NH2CO2NH4 +159．47kJ (4-1)

NH2CO2NH4—NH2CONH2+H2O -28．49kJ (4-2) 式(2-1)是强放热反应，在常压下反应速度很慢,加压下则很快。式(2-2)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。

五、生产工艺对比

1、水溶液全循环法

水溶液全循环法是20世纪60年代以来的经典生产工艺。水溶液