尿素生产方法原理合成工艺条件的确定1

尿素合成模型—热力学模型
尿素合成塔物流状态处于气液两相流状态下的热力学模型。 模型可分为三个阶段
出口区——尿素达化学平衡 反应区——尿素生成区 进口区——气液两相流形成区
19
20
四、尿素合成塔结构的研讨
1、中小型厂的合成塔为空筒，不设置内件，高径 比20，溶液呈平推流。
2、大型厂装有多孔塔板 设置塔板的目的：
防止物料反混 加强两相的接触
21
工业尿塔处于气液两相流的原因：
• 不论何种尿素流程，从化学平衡角度来考察，尽 管CO2生成甲铵的转化率高达97%～98%，但不 能使CO2全部转化为甲铵，合成液中的确含有少 量游离态的CO2，至少还有2%～3%的CO2呈游 离态存在，并最终进入气相。
有利因素： 同样的温度和氨碳比条件下，加大水碳比可降低平衡压 力，即可在较低的压力下操作； 当压力一定时，水的存在提高了液相物系的沸点，也提 高了液相物系的冷凝温度，有利于热能的回收。
实际生产中： 水溶液全循环法中，水碳比一般为0.6-0.7；二氧化碳
气提法中，水碳比一般为0.3-0.4。
16
4、压力
压力不是独立变量Fra Baidu bibliotek当原料配比和 温度一定时，平衡压力一定，因而 在实际操作过程中操作压力稍高于 平衡压力。
• 对水溶液全循环法来说，操 作压力约为20MPa左右； 对于二氧化碳气提法来说， 操作压力约为14MPa左右。
17
5、反应时间
就平衡角度来说，反应时间越长，反应越接近平 衡，但反应时间过长，单位时间生产能力下降， 因而反应时间的长短通常通过综合考虑得出。
复习：理论基础—气提法流程
3
复习：理论基础—相平衡
尿素合成相图是一个呈马鞍形沸腾环 的超临界共沸相图。在两个沸腾环内 物系呈现气液平衡特性。
NH3－CO2体系t－x图(示意)(超临界组分)
相图性质：A点为纯NH3系统点；B点为纯CO2系统点，C 点呈现纯度液相性质；D点位于气相区，呈现气相性质。 E点处于沸腾环内，为气液混合区，混合物在E点并不是单 相的，由气相V1和液相L1组成。
三、合成工艺条件的确定
复习：理论基础—尿素合成反应
尿素合成反应是由以甲铵为中心的两步串联反应 构成的。
第一步，NH3(g)+ CO2(g) = NH4COONH2 (l) 第二步， NH4COONH2(l) = NH2CONH2(l)+H2O(l)
反应（1）:快速强放热可逆反应。其平衡转化率约为98%。 反应（2）:速度较为缓慢的弱吸热可逆反应，只有在液相中才 有明显的反应速度。其平衡转化率为55%～80%。
率升高。当氨碳比增加到一定程度，随氨碳比的继续增高，
效果逐渐下降。
不利影响：
（1）氨碳比升高，物系饱
提高氨碳比的优点： （1）抑制缩二脲的生成； （2）降低物系介质的腐蚀性；
和蒸汽压升高，导致操作压 力升高，加大机组和泵的负 荷。
（3）有利于调节操作的热平衡。 （2）提高氨碳比，提高了
二氧化碳的转化率，但降低
工业生产中： 对于反应温度为180-190℃的装置，一般确定反应时 间为40-60min， 对于反应温度为200℃或更高的装置时，反应时间为 30min左右。 另外尿素合成反应时间的确定还与合成塔的内部结构 有关。
18
6、原料纯度
（1）原料液中氨的纯度一般都很高质量分数不 低于99.5%，其中N2、H2含量不高于0.5%。 （2）二氧化碳原料气的CO2体积分数不低于 98.5%（干基），硫化物含量不高于15mg/m3。
尿素合成工艺条件选择
合成的工艺条件与后 续的回收循环息息相 关。它也决定着整个 尿素生产过程的技术 路线。
因
此， 应
第一步，必须弄清楚在尿塔内
先
对 尿
的合成反应是怎样进行的？
素
合 第二步，分析各工艺条件对反
成
工
艺 应转化率究竟是如何影响的？
条
件
系 第三步，确定出最优的反应条
统
分 析
件。
尿素合成工艺条件选择
➢ 1、温度 ➢ 2、氨碳比 ➢ 3、水碳比 ➢ 4、压力 ➢ 5、惰气含量、填充度 ➢ 6、反应时间、生产强度
1、温度
9
1、温度
当a和b一定，CO2平衡转化率只决定于温度；
极值温度topt：190-210℃范围内；随a的增加有所降低。
提高温度： 有利的方面：促进反应平衡及能提高反应速率 不利的方面：提高温度的同时会不得不提高压力，对CO2压 缩机和液氨泵的要求均会提高，其次反应物的腐蚀性也会随 温度增加，需采用特殊材料作合成塔的衬里，如钛、锆等
了氨的转化率，未反应氨的
循环回收，增加了输送设备
的负荷，加大了能耗。
• 综合以上分析，只有选择最大尿素生成 速度时的氨碳比最为适宜：
• 对水溶液全循环法流程氨碳比以4.0左 右为宜；
• 二氧化碳气提法流程氨碳比以2.9左右 为宜。
3、水碳比
提高水碳比的不利因素： 大体上，当水碳比增加0.1时合成系统转化率下降 1.5%-2%。（水的不利因素随着氨碳比的增加减弱。）
鉴于以上因素，操作温度不能超过220
℃
10
两种尿素合成的技术路线：
高温、高压、高转化率的路线
优点：是一次通过的转化率高，分离循环的负荷较小， 能耗较低；
缺点：设备费用高。
低温、低压、低转化率的路线
优点：动力消耗及设备投资较低， 缺点：分离循环方面负荷较大。
11
2、氨碳比
13
在其他条件相同时，提高进料的氨碳比，二氧化碳的转化
复习：理论基础—相平衡
加热和冷却:
(1)加热溶液(图中C点)。到达t1时， 为物系沸点C1点，当温度到达t2时， 系统点C2分离成气相V2、液相L2。
NH3－CO2体系t－x图局部放大
（2）冷却气体(图中D点)。在t3时到达 冷凝点（即露点），即点D1，当温度为 t4时，D2分成液相L3和气相V3。
（3）关于气液混合物（图中E点）. 对于处于E点的气液混合物，加 热会变成单一气态混合物E1；而冷却则会成为液态混合物E2。
复习：理论基础—相平衡
实际合成相图是由二元相图演变而来的
（1）NH3－CO2－H2O三元相图结构:加入高沸点难挥发 组分H2O，其相图是尚未生成尿素的介稳态相图。
（2）NH3－CO2－H2O－Ur四元相图结构:在三元系中加 入高沸点组分Ur，或Ur和H2O混合物，指三元系发生合成 反应而成的过渡态相图和稳态相图（平衡态）。