汽提工艺的知识

Ⅰ、CO 2汽提工艺的一般知识

一、 尿素生产的基本化学反应及影响因素 1、

尿素生产的化学反应主要是两个反应：

2NH 3（液）+CO 2（气）=NH 4COONH 2（液）+Q 1...（1） NH 4COONH 2（液）= （NH 2）2CO （液）+H 2O- Q 2 (2)

反应（1）是放热反应速度很快，瞬间即可达到平衡，而反应（2）是吸热反应，需很长时间才能达到平衡，而且反应（2）中的甲铵必须在液相下才能进行脱水生成尿素。 2、

甲铵生成和温度压力的关系。

既然反应（2）要求甲铵呈液相存在，那么生成液态，甲铵要求什么条件呢？这合温度压力有关，甲铵的离解压力随温度的升高而增加，它的液相的离解压力和温度的关系，因有不可避免的尿素生成而难以测定，而固体甲铵的温度和压力关系可以用图一表示之。经试验测定，纯甲铵在154℃才能熔化，随着熔融物中的水和尿素的增多，熔融温度会有所降低，如当含有20%的水时，可以降到120℃，测定指出，118℃以下时，甲铵几乎不溶液氨，只有当118.5℃以上甲铵才能生成并大量溶解于液氨中，这些条件就决定了操作中的工艺选择和合成塔预热和封塔时最低温度的要求。 3、

尿素的生成

工业生产中的尿素生成，受到许多条件的影响，而表示其效果则以CO 2转化率表示之（αCO 2）它的含意是

αCO 2=

%100CO CO 22 总量

量

转化为尿素的

①温度对转化率的影响。

一般地说，温度升高，转化率上升，但是也有一个极限，那是因为温度升高对设备的腐蚀将加剧，同时由于其他原因，实验测定，平衡转化率对温度也有个极大值如图2所示，对常用的316L尿素及不锈钢来说，一般温度不超过190℃。

②NH3/CO2的影响。

从反应（1）可知，过量NH3对甲铵的生成向正方向反应是有利的，同时在反应（2）中NH3可以降低水的活度，可以调节合成塔内的自热平衡，对防止物料对合成塔的腐蚀起到一定的限制作用，NH3/CO2根据工艺技术的不同而变化，水溶液全循环法工艺和氨汽提工艺均选择NH3/CO2（分子比）=4，CO2汽提法工艺选择2.9。

③H2O/CO2的影响。

从反应（2）看出，H2O的存在使反应向逆方向进行，对生成不利，而H2O的存在又是不可避免的，这是因为在尿素合成中αCO2不可能达到100%，最高只有74%，未反应物以NH3和CO2水溶液返回合成系统，因此随着工艺的不同，返回水也不一样，根据αCO2和循环工艺的选择，一般的说H2O/CO2是可以计算出来的。

④压力的影响。

合成压力不是一个独立的因素，它随着温度（T），组份（NH3/CO2，H2O/CO2）和惰性气体量等因素而变化的，从节省能量的角度来考虑，希望压力越低，越节省CO2气体压缩和液氨输送的能耗，也越能节省高压设备的投资，经济效益自然越好。温度对压力的影响见图3所示，

NH 3/CO 2对压力的影响见图4所示，H 2O/CO 2对压力的影响如图5（a 、b ）所示，惰性气体来自CO 2中的不纯物如H 2、N 2等，这些惰性气体直接增加了合成压力，而且降低了αCO 2，从有关报告中指出CO 2中惰性气体增加1%，αCO 2将下降0.3～0.6%，因为合成压力是根据以上诸多因素综合决定的。

⑤ 综合转化率αCO 2估算。

不少研究人员按照上述影响因素，进行了测定，他们求得各种半经验计算公式和算图可供参考的有图6及图7以及公式：

αCO 2=C 1a+ C 2a 2+ C 3ab+ C 4b+ C 5a(100

t )+C 6b(100t )+C 7100t + C 8

(

100

t )3

+C 9

其中t 的温度。C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 C 8 C 9分别为0.2616，0.01945，0.0382，0.1160，0.02732，0.1030，1.64，0.1394，1.869，a 为NH 3/CO 2，b 为H 2O/CO 2。

图6所得值与实际偏低，图7与公式所取得结果与实际相近。

⑥ 物料在合成塔内停留时间的影响。

以上所述（从①到④）的αCO 2均指的是在物料在反应（1）和反应（2）均达到平衡时的转化率，而实际生产过程中，上述反应在合成塔内只停留一个多小时，远未达到平衡，根据研究人员的测定，不同温度下，停留时间与αCO 2的关系如图8所示，要想达到平衡转化率，则需要增长停留时间，即加大合成塔容积，从经济上考虑予以全盘研究，以求得最佳停留时间。

二、CO2汽提法合成尿素工艺的基本概念。

CO2汽提法合成尿素比水溶液全循环的优越之处，在于能耗的降低。所以能降低能耗在于采用了以下工艺技术：第一，在较高的合成温度下把合成压力降下来，以减少CO2气体压缩和液氨甲铵输送的动力能耗。第二，采用汽提原理，把尿素合成液中未反应的NH3和CO2在合成压力下大部分分解出来，减少循环系统物料降低合成物料的H2O/CO2，以提高合成αCO2。第三，汽提出的气体，绝大部分冷凝以回收生成热副产蒸汽，部份未冷凝的气体导入合成塔以维持其自热平衡。

1、合成工艺条件的选择。

荷兰斯太米卡邦的研究人员，做了不同压力下的似三元系的气-液平衡图，

和某压力下化学平衡（甲铵脱水生成尿素的平衡）如130×105Pa压力下的平衡见图9。这些似三元系沸点图，是在没有返回水的条件制作的，因此三角坐标的三角分别代表NH3，CO2和Ur+1H2O的重量百分数。图中有该压力的各个温度的等温线和该压力下的气-液平衡的顶脊线，另外把该压力下的化学平衡在同样坐标下也投影到该图上以便分析对比。从图上就可以看到：

①Y点在化学平衡线上且在气-液平衡的顶脊线上，这是反应的终点，从而决定其反应温度为187℃，NH3/CO2为2.89。

②Y点是在130×105Pa压力下最高温度点，尿素十水的组分也最