2.1尿素生产工艺条件分析在线视频

各位同学好

本知识点

开始讲述我们的化学肥料

化学肥料的包括氮肥

磷肥

钾肥复合肥

那么

这次我们重点介绍

氮肥里面

很重要的一种肥料

叫作尿素

大家首先看一下

尿素的生产工艺

尿素呢

它是我们所有肥料里面

氮含量是最高的

它的分子量是六十

含碳量是达到了46.67%

在我们工业尿中是含有水分

缩二脲等杂质的

含碳量

所以降到46%以上

是最主要的化学肥料

特别是氮肥里面

尿素的农业需求是很大的

我国约两千万吨每年

工业装置规模大

一般每套装置大于五十万吨

生产工艺和设备已经非常成熟

其反应方式是由我们的氨气

和二氧化碳

直接合成生成尿素

生成水的

那么大家可以联想一下

第一章我们所讲的

合成氨

在合成氨最后的产品就是我们的氨气

同时能够副产大量的二氧化碳

很多企业前面有合成氨

后面一般都会

配套尿素的生产装置

我们聊一下尿素的主要性质和用途

在常温常压条件下

尿素是一种固体的晶体

它是白色无臭的固体颗粒

粒径约在一到两毫米

尿素的熔点为132.7摄氏度

密度为1.33克每立方厘米

尿素易溶于水和液氨

它具有吸湿性

易潮解

所以我们在包装的时候

一定要双袋包装

尿素在是强酸溶液中

呈弱碱性

能与酸作用成盐

比如说我们的磷酸脲

硫酸脲等等

尿素在水中会发生水解反应

重新分解成为我们的

氨和二氧化碳

在常温条件下该反应

的速度是很慢的

所以可以重做我们的肥料使用

释放出的氨和二氧化碳

都可以为植物所吸收

因水解速度缓慢

所以在实际使用过程中

把它作为长效肥料来使用

尿素水溶液持续加热

可以生成缩二脲

降低压力

升高温度

延长加热时间

都会加剧上述反应

缩二脲这种物质

它会灼烧植物的芽和叶

所以在化肥尿素中

我们对缩二脲有明确的指标控制

不能太高

我们看一看尿素合成的化学反应

目前工业合成尿素的方法

都是在液相中

有我们的氨气

和二氧化碳反应合成的

属于有气相存在的液相反应

整个反应过程如下图所示

进来的原料

氨气和二氧化碳首先是在气象的

通过气液平衡关系

它会传至到我们的液相

经过两步反应

第一步是氨气

和二氧化碳反应生成

我们的中间产物

这种产物叫做甲铵

那么甲铵进一步反应

生成我们的尿素

同时反应释放水

在这两步反应过程中

第一个反应是一个快速的放热反应

反应程度很大

生成溶解态的甲铵

第二个反应脱水生成尿素

它是一个慢速的吸热反应

且是一个显著的可逆反应

根据这样一个特性

所以尿素生成反应

为液相可逆反应

应该具备一定的压力

液化我们的氨气和二氧化碳

还要具备一定的温度

来保证我们的反应速度

那未反应的原料

必须循环利用

循环的氨气

和二氧化碳水溶液

也必然携带一定量水

合成尿素的原料中

主要有氨气

二氧化碳和水

物料配比中采用

氨过量的方式

来进行反应

后续有我们来讲

为什么氨过量是有好处的

第二

从合成反应开始的时候

溶液中的二氧化碳

是以甲铵的形式存在的

这是由于我们第一步反应速度很快

进来的氨气二氧化碳

很快的速度就会变成甲铵

溶液中同时存在着氨气

甲胺和水三种组分

在合成反应过程中

溶液中存在氨 甲铵 水

同时增加了我们的产物尿素

尽管反应物料中

存在着甲铵这种物质

但我们为了方便计算

在组分计量过程中

均采用氨二氧化碳和水

和我们的尿素的分率来表示

物料配比

以及反应平衡转化率的表示

都是以二氧化碳为基准的

因为再加入原料的时候

氨气是过量的

二氧化碳是不过量的

那么转化率

才以二氧化碳为基准的

如果反过来的时候

我们就会以氨气

的转化率作为基准

那么首先

是一个比值是氨碳比

把原料气中的氨气与二氧化碳的摩尔比

就是我们所谓的氨碳比

另外重要一个指标

是我们的水碳比

比如说反应原料中

水和二氧化碳的摩尔比

我们称之为水碳比

平衡转化率什么呢

是反应生成尿素的摩尔数

与总的二氧化碳进料的摩尔数

之百分比

我们称之为平衡转化率

工业合成尿素的反应条件

一般情况下是

反应温度控制在

165到195摄氏度

压力控制在12到14兆帕

氨碳比控制在2.5到4.5

水碳比控制在0.2到1

转发率一般在50%到75%

请大家注意

这个地方转化率

我们是单次转化率

那么未反应原料

像刚才所述的

需要进行循环使用的

我们下面分析下

尿素合成反应平衡转化率

已知进料组成

我们的A和B也就是我们的

氨碳比和水碳比

在一定的温度和压力条件下

可以算出我们的二氧化碳的转化率S

以一摩尔的进料为计算

溶液中各物质的摩尔分数

分别为

氨的摩尔水为

氨碳比 减去两倍的转化率

二氧化碳的摩尔数为

基准的1减去转化率

水的摩尔数为

水碳比加上转化率

我们最终生成的尿素的摩尔数

就为转化率

我们所有的气相的摩尔数为

A加B减去转化率

那么溶液中

各组分的摩尔分率和质量分率

可以由此得到

对于尿素合成反应

平衡转化率的研究

和对未反应

原料的循环利用的研究

是我们本知识点

尿素生产工艺的主要内容

尿素合成反应体系

远离理想溶液

对平转啊率的计算

至今我们采用经验式为主

根据我们的相律进行分析

反应体系的独立组分数为三

汽相液相为两项

那么自由度视为三

通常将独立因素选择为

温度 氨碳比和水碳比

将转化率表示为它们的函数

有些经验式存在压力

是因为反应体系

经常有惰性气体存在

那我们看一下

转化率的计算方法通常有两种

还有一种作图法

一个是前苏联有专家提出的

另外一个是我国的一个专家所提出的

那么后面还有一个算图法

这个算斗法呢

我们可以通过温度

通过我们的水碳比

氨碳比

进行相关联线

就会得到反应的平衡常数

以及我们的转化率

比较方便

接下来

我们看一看

不同的水碳比

氨碳比和不同温度条件下

三个自由变量确定时候

我们有两个计算式

和一个算图的方法

所得到的转化率

最终结果

由这个表可以看出

这三种方式

所计算或者查图

所得到的转换率结果

是近似相等的

接下来

我们看看

影响尿素合成反应

化学平衡的因素

第一个因素

我们来看看是温度的影响

什么样子的

由图所示

温度较低的时候

平衡转化率随着温度的升高

是增加的

在190度的时候达到最大

当温度进一步升高

平转换率反而下降

尿素

平衡转化率与温度关系

是图中所示的

那么随着温度进一步升高

为什么转化率下降

因为大家可以记住

在整个反应过程中

温度是有利于

整个反应的速率的

但是温度升高是不利于

汽相中的氨气和二氧化碳

进入到我们液相中来的

所以在这个地方

有一个最优点

在工业生产过程中

除了考虑平衡转化率之外

还要考虑我们的设备腐蚀

等等的一些因素

所以在这里

我们工业上一般选择

尿素合成的温度180到190度为宜

第二个工艺条件是我们组成的影响

对于二氧化碳这个含量来看

如图所示

随着二氧化碳过量的时候

对整个反应的转化率

影响非常小

但当我们选择氨过量的时候

明显可以有效的提高转化率

在氨和二氧化碳进行反应

生成尿素过程中

我们选择了氨过量

而并没有选择二氧化碳过量

水碳比方面

随着这个水碳比每增加百分之零点一

那么转化率会下降约1%

所以不同工艺选择的合成过程

物料比是不同的

比如说

水溶液全循环法

氨碳比一般控制在4

水碳比控制在0.65到0.7

而我们后续要讲砌体法

这种工艺氨碳比

可以控制在2.9到3.1

水碳比在0.3到0.4

比全水溶液法

这样的整个物料配比要降低一些

下面我们看看抗压力影响

压力对于液相反应的

影响其实是很小的

但是由于该体系

存在这样一个惰性气体

和气液平衡关系

所以我们在实际生产过程中

应该是操作压力大于平衡压力

如图所示

随着温度的升高的时候

我们液相中

所对应的气象的平衡压力

是一个升高的这样一个关系

另外一张图

是我们氨碳比对平衡分压的影响

大家也可以看到

随着氨碳比的增加

一开始平衡分压是降低的

当达到三左右的时候

平衡分压

随着氨碳比的增加

反而有上升的趋势

接下来将图

是我们尿素

合成塔结构和流程

尿素合成塔

是氨和二氧化碳

反应生成尿素的场所

是整个尿素装置的核心设备

尿素合成塔的结构

它采用的是圆柱形的塔体

在里面内设了

若干个阻止物料

反混的塔板

可以看成是由若干个串联的

混合的小室组成

虽然每一个小的空间

接近理想混合型

但是就整个合成塔而言

其流动状态

却接近理想的置换型

接下来我们比较一下

它相对应的传质过程

在反应初期

气相二氧化碳和氨气

评分是很高的

向液相传质的推动力

这个差距是不大的

随着反应的进行

液相中生成尿素逐渐变多

液相中的二氧化氮

和氨气

对应的液相浓度

有所降下

所以其平衡分压小点

推动力就会变大

像中二氧化碳和氨气

就会不断的转移到我们的液相

我们可以对比下置换型

和混合型合成塔

转化率的对比

通过这个第一个表

大家可以看到

明显我们的置换型

这样的一个合成塔的结构

其转化率要高于我们的混合型的

那么对于同一个塔中

增加的这个筛板的数量

和停留时间

这个表可以看出

当筛板数量增加的时候

我们物料在整个塔内的停留时间

是可以有效缩短了

再看一下筛板的数量与转化率

随着筛板数量增加

尿素的平衡转化率

是有所增加的

另外一个非常重要的知识点

就在于未反应物的回收

为了有效利用我们的原料

必须将未反应的甲铵

从产物尿素中分离出来

并且循环利用

一般我们采用这种甲铵

和尿素氮分离的方法

采用的是一个分解分离的方法

比如说把甲铵

在含有尿素溶液中

进行分解

从而分离出来

如果反应方程式所示

甲铵可以逆向反应

生成我们的氨气和二氧化碳气体

该反应是一个吸热

和分子摩尔数增加的一个反应

对于这样一个反应

我们减压和加热

是有利于甲铵的分解

纯的固体甲铵

的理解压力与温度的关系式

由下式表示

但是分解压力过低的时候

氨气和二氧化碳

的吸收液中的水含量会增加

返回合成系统时

水分增多的时候

是不利于合成反应的

所以在工业上

我们多用多段减压的方式

来进行分步分解

合成压力条件下

氨气或者二氧化碳

我们采用气提分解

中压在1.8兆帕分解

和低压0.29兆帕进行分解

依据甲铵分解的条件不同

便出现了水溶液全循环法

二氧化碳气提法

氨气气提法等相关工艺

我们接下来讲一下

气提的原理

根据甲铵分解的反应方程式

溶液中甲铵

和气相中氨气

二氧化碳之间

存在一个平衡关系

平衡常数

你可以来进行表示

和溶液甲铵浓度

由C甲铵进行表示

从这个反应平衡平常数

图中大家可以看出

如果温度和压力不变

则我们的反应平衡常数

和我们的

饱和分压是不变

溶液中甲铵的浓度将取决于

氨气的摩尔分率和

二氧化碳的摩尔分率的乘积

这样则可以通过改变

气相中的氨气和

二氧化碳的分率

来减小我们溶液中甲铵的浓度

促进甲铵的分解

二氧化碳气提

就是在列管立式换热器中

不改变我们

尿素溶液的温度和压力

和二氧化碳气体逆向接触

减小气象中铵的分率

促使液相甲氨分解的

分解热由列管外的水蒸气所提供

那么换言之

氨气的气提

就是通过通入氨气

减少气相中二氧化碳的分压

的方式

来促进甲铵分解的

这两种气提方式都是可以的

下面我们聊一下

尿素生产过程

所存在的副反应

在尿素生产过程中

副反应主要

有尿素的缩合反应

和水解反应

它们存在于整个尿素的

分离纯化过程中

温度越高

副反应速率越快

那么时间越长

被消耗的尿素也就越多

下面是两个尿素的副反应

第一个反应是一个聚合反应

它是可以生成缩二脲

第二反应是我们的

尿素的一个水解反应

我们来看看

当温度在六十度以下的时候

尿素水解反应是比较缓慢的

当温度达到100摄氏度时

尿素水解速度明显加快

温度在145度以上时

水解速度剧增

所以我们在使用过程中

通常尿素

在溶液中进行反应的时候

不会超过六十度

以减少尿素中

氨的这个损失

尿素浓度低的时候

水解率会变大的

氨也有抑制尿素水解的作用

氨含量高的尿素

水溶液的水解率比较低一些

好各位同学

本次课的相关知识点

关于尿素的性质

尿素合成的一些机理

就介绍到这里

谢谢大家