淺析尿素合成工藝及流程的選擇

張宇君

（沈陽師范大學(xué)，遼寧 沈陽 110034）

1 尿素合成的基本原理

用氨合成尿素的反應(yīng)，通常認(rèn)為是按以下兩個步驟，在合成塔內(nèi)連續(xù)進(jìn)行：

第一步：氨作用生成氨基甲酸銨

第二步：氨基甲酸銨脫水生成尿素

這兩個反應(yīng)都是可逆反應(yīng)，反應(yīng)（1）是放熱反應(yīng)，在常溫下實(shí)際上可以進(jìn)行到底，150℃時，反應(yīng)進(jìn)行的很快、很完全，為瞬時反應(yīng)，而反應(yīng)（2）是吸熱反應(yīng)，進(jìn)行的比較緩慢，且不完全，這就使其成為合成尿素的控制反應(yīng)。尿素的生產(chǎn)過程要求在液相中進(jìn)行，即氨基甲酸銨必須呈液態(tài)存在。溫度要高于熔點(diǎn)145-155℃，因此，決定了尿素的合成要在高溫下進(jìn)行。

2 尿素合成工藝條件的選擇

2.1 過剩氨

過剩氨是比較氨與二氧化碳的比化學(xué)反應(yīng)量所多的氨，常以百分率表示，或氨比二氧化碳表示。過剩氨可以使反應(yīng)的平衡趨向生成尿素的一方，使產(chǎn)率提高。過剩氨也可以合成速度加快，提高尿素產(chǎn)率，過剩氨的存在，可與系統(tǒng)中的水結(jié)合，從而降低了水的濃度，抑制了副反應(yīng)的發(fā)生。

過剩氨的增加過大，二氧化碳轉(zhuǎn)化率增加率也逐漸增加，并且提高了合成塔內(nèi)反應(yīng)系的平衡壓力；過剩氨的增加，會破壞反應(yīng)物的自然平衡，為維持合成塔內(nèi)頂定溫度，就必須提高濃氨預(yù)熱溫度；過剩氨的增加，會是反應(yīng)混合物的比重下降，所需反應(yīng)釜的容積加大，處理未生成尿素的反應(yīng)物的設(shè)備也更大，動力消耗增加。

因此，在尿素水溶液全循環(huán)法中氨與二氧化碳比一般在3.5～4.1。

2.2 水份

從化學(xué)反應(yīng)平衡考慮，過量水的存在阻止合成反應(yīng)向著生成尿素的方向移動，促進(jìn)氨基甲酸銨水解等付反應(yīng)的進(jìn)行。造成CO2轉(zhuǎn)化率的下降，甚至引起合成與分解的操作條件惡性循環(huán)，水的存在也使合成塔腐蝕加劇。因此在水溶液全循環(huán)中，正常生產(chǎn)時避免向合成塔內(nèi)送水，在過剩氨回收和液相循環(huán)中，也應(yīng)力求減少水分進(jìn)入合成塔，在工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行合成塔物料。

2.3 溫度和壓力

溫度越高尿素達(dá)最大產(chǎn)率的時間越短，即反應(yīng)速度越快，合成塔的生產(chǎn)強(qiáng)度也就提高，但溫度越高，尿素產(chǎn)率的提高逐漸減慢，同時反應(yīng)溫度的提高也必須使合成系統(tǒng)的平衡壓力提高，腐蝕速度增加，為保證尿素在液相中生成和一定的反應(yīng)速度，對設(shè)備制造和防腐問題，合成塔的操作溫度控制在185-190℃為宜。

合成塔的操作壓力，必須大于操作條件下的平衡壓力，否則會使氨基甲酸銨離解，溶液中氨氣化，轉(zhuǎn)化率下降，但操作壓力過高，會使動力消耗增加，設(shè)備制造強(qiáng)度加大。因此合成塔的操作壓力高于其操作條件下平衡壓力10-30氣壓較好。

3 尿素的加工

尿素水溶液在加熱過程中其熱穩(wěn)定性較差，在溶液加熱達(dá)到一定溫度以上就可能發(fā)生尿素水解反應(yīng)和縮二脲的生成反應(yīng)，其反應(yīng)如下：兩個副反應(yīng)由于受溫度、加熱時間、溶液面上氣氨分壓等因素的影響。因此，尿液蒸發(fā)過程的操作壓力越低，相應(yīng)飽和尿液濃度就越高，如果達(dá)到相同濃度，蒸發(fā)壓力高，相應(yīng)所需溫度也高。為減少副產(chǎn)物的生成，避免出現(xiàn)結(jié)晶困難的問題，通常采用兩段蒸發(fā)流程：一段蒸發(fā)的目的是在較低的壓力下首先蒸發(fā)掉大量的水，然后在更低的壓力下進(jìn)行二段蒸發(fā)，已達(dá)到最后的濃度，兩端蒸發(fā)的分界線是根據(jù)傳熱溫差和冷卻水溫度而定的。

4 工藝流程介紹

其生產(chǎn)工藝流程特點(diǎn)是采用了二段分解、三段吸收、二段蒸發(fā)、自然通風(fēng)的造粒流程，設(shè)計(jì)中未考慮解析系統(tǒng)，碳化氨水送碳氨母液槽。本流程分為壓縮、合成、分解系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、蒸發(fā)造粒四個生產(chǎn)過程，整個生產(chǎn)為單系統(tǒng)生產(chǎn)。

其具體流程為：

由合成車間送來的液氨經(jīng)預(yù)熱進(jìn)入高壓氨泵P06401，為了避免高壓氨泵P06401的氣塞，液氨的溫度比上述壓力下的沸點(diǎn)最少低10℃，通過高壓氨泵將壓力提高到16.0MPa.出高壓氨泵P06401的液氨送入高壓噴射器J20203，將高壓洗滌器E20205出來的甲銨液增壓，一并送入高壓甲銨冷凝器E20204的頂部。

由合成車間送來的CO2經(jīng)冷卻后進(jìn)入二氧化碳壓縮機(jī)，經(jīng)四段壓縮后送入汽提塔C20202底部。將溶液中的NH3和CO2趕出，汽提塔頂部出氣要送入高壓甲銨冷凝器E202044的頂部，所以汽提塔C20202的壓力應(yīng)比高壓甲銨冷凝器E20204略高一些。汽提塔所用的飽和蒸汽壓力為2.0MPa。

在高壓甲銨冷凝器E20204中，將液氨和氣體CO2大部分冷凝成為甲銨液體。高壓甲銨冷凝器E20204是立式管殼式熱交換器，從底部各自的管子離開高壓甲銨冷凝器E20204，進(jìn)入合成塔E20201的底部。合成塔E20201是一個長的立式高壓反應(yīng)器，反應(yīng)混合物自下而上通過。在溫度為180～186℃和13.5～14.5MPa壓力下，將甲銨轉(zhuǎn)化為尿素，轉(zhuǎn)化率為61%左右，再從內(nèi)部的溢流管離開。塔內(nèi)的液面必須保持比溢流管口稍稍高一些，并用合成塔E20201出口處的控制閥控制。反應(yīng)混合物中的氣體從塔的頂部離開進(jìn)入高壓洗滌器E20205。在高壓洗滌器E20205中，對合成塔頂部出氣中的NH3和C02加以回收，高壓洗滌器出氣由于其中含有少量H2和O2，當(dāng)操作不正常時(濃度波動)有可能形成爆炸性混合物，為了避免爆炸，要求NH3和CO2在此不完全吸收，而將出氣經(jīng)減壓閥送0.6MPa吸收塔C20208進(jìn)一步吸收NH3和CO2，最后惰氣經(jīng)PC3715由塔頂放空。因?yàn)楦邏杭卒@冷凝器E20204中的壓力要比高壓洗滌器E20205約高0.3MPa，因此，甲銨液必須在高壓噴射器中用16.0MPa的液NH3噴射才能返回到反應(yīng)系統(tǒng)中去。

離開汽提塔C20202的尿液經(jīng)控制閥減壓到0.15～0.25MPa，噴灑在精餾塔C20206的填料床上，由于減壓的結(jié)果，尿液中的甲銨分解，所需的熱由溶液本身供給，從而使溶液的溫度下降到105～110℃。離開精餾塔C20206底部的尿液經(jīng)過控制閥流入閃蒸槽S20207；精餾塔C20206底出來的溶液減壓后流入閃蒸槽S20207，閃蒸槽中保持低度真空，約0.045MPa.在溶液減壓時，少量的NH3同較大量的蒸汽從溶液中逸出，使溶液的溫度從130℃左右降到90～95℃，得到的尿素溶液的濃度約為73%.流入尿液貯槽T20209。從尿液儲存槽T20209進(jìn)入蒸發(fā)槽將尿液中的水分蒸發(fā)掉，之后從尿素熔融體經(jīng)過大氣由尿素熔融泵送入造粒塔C20212頂?shù)膰婎^。當(dāng)噴頭以合適的速度旋轉(zhuǎn)時，尿素熔體被灑成大小合適的小液滴分布在造粒塔的整個截面上，當(dāng)它們下降時因冷卻而固化。