生产管理知识_尿素生产知识讲座

尿素生产知识讲座 内容 1 尿素的用途和性质2 尿素生产技术的发展3 尿素生产原理及原则流程介绍 第一节尿素的用途和性质 1 农业用途尿素在农业中作为化肥具有很多的优点 尿素的氮含量在46 质量 以上 超过其他任何固体氮肥 尿素是一种中性速效肥料 施于土壤中不残留使土壤恶化的酸根 而且分解出来的二氧化碳也可以为植物所吸收 尿素施用和贮藏性能好 不分解 不吸潮 不结块 流动性好 无爆炸性 尿素还可以配成多种复合肥料以满足不同土质及作物的要求 2 尿素的工业用途 尿素的工业用途也很广泛 尿素产量的10 用作工业原料 其工业用途是作为高分子聚合物材料 工业尿素的总消耗量的一半是作为化工原料 生产塑料 喷漆 黏合剂 此外尿素还可以作为多种用途的添加剂 用于 炸药 印染 纺织 炼油和医药等 3 尿素的性质 1 尿素的化学名称为脲或碳酰二胺 结构式为CO NH2 2 在尿素工业生产中 常用 Ur 来表示尿素 物理性质 纯尿素为无色 无味 无臭 的针状结晶 工业尿素因含有杂质我们看到的颜色常为白色 淡黄色或淡红色 尿素在常压下的熔点温度是132 7 尿素易溶于水和液氨 在水或液氨中的溶解度随温度的升高而增加 2 化学性质 尿素在水溶液中会发生水解反应 变为甲氨 再成为碳酸铵 最终成为氨和二氧化碳 熔融尿素在高温下 容易发生缩合反应 可以缩合多种化合物 主要的是缩二脲 高浓度的尿素水溶液受热也可以生成缩二脲及其他缩合物 缩二脲施于农作物会烧伤植物的嫩枝 所以作为肥料的尿素产品其缩二脲含量不得过高 实际生产中尿素中缩二脲的含量也是作为评定尿素产品是否合格或为优级品的一个重要指标 此外尿素还能与多种有机化合物进行化学反应等 第二节 尿素生产技术的发展 1 1828年 德国化学家 维勒将氰酸与氨的水溶反应 生成白色结晶的尿素 这是人类第一次用人工的方法制得有机化合物尿素 在次以前人类只是将人和动物的尿蒸发干获得尿素结晶 在维勒之后 又出现了制备尿素的其他方法 但都由于原料难得 或有毒 或反应难于控制 或经济上不合算 而未能工业化 到20世纪初 开始出现工业规模的合成氨生产 尿素生产才开始工业规模的生产 2 第一座以氨和二氧化碳为原料生产尿素工业装置于1922年建成于德国法本工业公司 由于在尿素生产过程中 尿素合成反应达到平衡后时 在尿素合成塔中不能将原料一次全部转化为尿素 每次反应只有55 72 的原料转化为尿素 以CO2计 从尿素合成塔出来的物料中还有一部分为反应的氨和二氧化碳 早期的尿素装置它只能将这部分未反应物加工成其他产品 所以尿素生产一定要与其他生产联合 其工艺是连续不循环的 也称一次通过法 不循环法将未反应的氨回收为铵盐 每生产1吨尿素要副产7吨的硫铵或相当量的其他产品 尿素工厂必须附设庞大的副产品车间 生产很不方便 3 围绕着如何将合成塔出液中未反应的氨和二氧化碳分离 并加以回收 使其继续作为原料返回尿素合成系统 进行尿素合成反应 生成尿素 这一技术问题 尿素工业不断的发展 形成了各种尿素生产方法 4 到了20世纪50 60年代相继出现了半循环法 水溶液全循环法等 水溶液全循环法的出现 是尿素生产中 原料获得回收利用的飞跃 它是将未反应的氨和二氧化碳用水吸收 并以水溶液的形式返回尿素合成系统 继续参加反应 生成尿素 随后出现了工艺更先进的汽提全循环法 汽提法主要是以荷兰的斯塔米卡邦的CO2汽提技术与意大利的斯那姆的NH3汽提技术为代表 此外还有日本三井东亚公司的ACES法及意大利的IDR等压双气提法等 汽提工艺的出现使其得到广泛的应用 汽提工艺使得尿素生产的原料CO2和NH3得到充分的利用 电能 热能及水消耗降低 操作方便 投资少 产品质量好 未来尿素工艺总的方向是 能量综合利用 生产规模大型化 不断降低成本 提高质量 减少污染 第三节尿素生产方法原理 尿素的生产过程可分为三个部分一 是尿素合成部分二 未反应物分离和回收部分三 蒸发造粒部分 NH3和CO2在高压合成塔中进行反应 部分地转化为尿素 接着进入分离 循环回收系统 一般 分离 回收系统按压力分为几个等级 各自形成循环 每一循环包括液相反应物的分解和分离 气相未反应物的吸收和冷凝 含有尿素合成液物流从较高压力流入下一压力等级进行分解分离 直至成为基本不含NH3和CO2的尿素溶液 从各压力等级循环中分出的气态未反应物则通过吸收 冷凝等方式转变为液相 再逐级逆向地从低压送往高压 最后返回合成塔参与反应而利用 以下做具体介绍 一 尿素合成部分 1 尿素的工业生产以NH3和CO2为原料 反应在高温高压下进行 反应分两步 首先是NH3和CO2在合成塔中混合形成液相 生成氨基甲酸铵 甲铵 其次是甲铵在液相中进行脱水反应生产尿素 反应式如下 2NH3 l CO2 g NH4COONH2 l 97 8kJ mol 1 NH4COONH2 l NH2CONH2 1 H2O l 20kJ mol 2 2 在尿素合成的反应中 第一步反应 氨和二氧化碳生成甲铵的反应很快而且是完全进行的 并放出大量的热 但第二步反应 甲氨脱水生产尿素的反应较慢 需要一定的反应时间 且反应是不完全的 投入的原料NH3和CO2 生成甲铵后 仅部甲铵分转化尿素和水 以二氧化碳计的转化率为50 72 因此合成塔排出液是尿素 氨 二氧化碳和水的混合液溶液 然后进入分离 循环回收系统 3 尿素合成采用高温高压的原因 尿素合成反应只有在140 以上 反应速度才较快而具有工业生产意义 而获得较高的CO2转化率 另外NH3和CO2生成的甲铵 第二步反应 甲铵脱水反应只有在液相中能进行 甲氨的熔点温度为156 为使之保持液相 就必须使尿素合成温度高于甲铵的熔点 即尿素合成采用高温160 210 高温下甲铵易分解 为防止甲铵分解 保持物系处于液相 尿素合成反应压力必须大于甲铵分解压力 在高压 高温下的甲铵分解压力亦高 下进行反应 故尿素合成过程采用较高的压力13 24MPa 二 未反应物的分离和回收1 分离 1 如前所述从尿素合成塔排出的合成反应液除了生成的尿素和水外 还含有大量未反应的原料NH3和CO2 主要以甲铵Am和游离氨NH3形式存在 未反应的原料NH3和CO2则人溶解于尿液中 因此将未反应的NH3和CO2从反应液中分离并回收返回尿素合成系统 继续参加尿素合成反应 对提高原料利用率和经济效益起着关键作用 分离的过程也是对尿素反应液逐步提浓的过程 2 合成液分离未反应物是依据NH3和CO2相对于尿素和水的易挥发性 和氨基甲酸铵及各种碳酸铵盐类的易分解性来考虑的 合成反应液中未转化为尿素的NH3和CO2虽有可能结合为碳酸铵 碳酸氢铵 氨基甲酸铵等化合物 但它们均不稳定而极易分解 对于未反应物的分离 通常采用汽提或逐级减压 加热的方法 将合成液中的未反应的甲铵逐级减压分解为NH3和CO2并转入气相 这个过程成为分解 再用水进行逐级吸收 以液相的形式返回尿素合成系统 3 尿素合成液的分解同时采用减压和加热两个手段 尽可能的将液相中的NH3和CO2转入液相 其理由是 单独加热而不减压 或单独减压而不加热 仍会有相当多的NH3和CO2保留在液相中 NH3本身在溶液中的溶解度很高 CO2单独在溶液中的溶解度不大 但当有NH3同时存在二则互相增大了对方的溶解度 所以 应当选择适当的温度和压力条件 以使最大限度地将未反应的NH3和CO2从液相中逐出 在此 还需注意尽量减少水蒸气也同时逐出 合成塔反应液的逐级减压 分解 2 回收 1 合成液中的未反应物 经过逐级减压分解后 分离出来的NH3和CO2体气 继续作为原料返回合成塔参加尿素合成反应 如果将NH3和CO2以气态形式返回是不可取的 因为气体压缩功将很高 而且还会在压缩气体中出现晶 氨基甲酸铵或碳酸盐类 等技术困难 目前均是将分离出来的NH3和CO2混合气冷凝 再用水或浓度较低的甲铵液将其吸收成为浓度较高的甲铵液 再用泵把甲铵液逐级返回 最终送入合成塔 构成回收循环 2 多级原则 出于技术和经济上的考虑 分解回收循环采取多级原则 反应液依次减压和受热将NH3和CO2分离出去 最后得到基本不含NH3和CO2的尿素水溶液 送往蒸发浓缩 每级的分解气通过冷凝或吸收成为液体 再逐级用泵送到更高压力的一级 最后得到高浓度的甲铵液返回合成塔 采用多级的理由是 若希望一次降压而把未反应物全部逐出 而降压后的压力仍很高 那么就需加热到很高的温度 对设备材质提出过高的要求 并可能引起尿素的水解或其他不利的副反应 3 反之 如一次降压到很低的压力 虽然可以达到分离效果 但得到的低压NH3和CO2气体转入液相又十分困难 或需冷却到很低温度 或需加入大量的水来吸收 导致回收液浓度太低 采用多级回收 合成塔出液逐级减压分离 较多数量的NH3和CO2是在中间压力下回收的 只有少量在低压下回收 这样可使吸收用水量不致太多 而如此得到的溶液可以以逆流方式用泵送到更高一级压力作为吸收液 最后返回高压合成系统的是高浓度的甲铵液 液体吸收气体的温度不可太低 以防出现固体结晶 返回系统的水量必须控制最少 否则进入合成塔的原料中水分会降低尿素合成率 造成大量溶液循环 增大了能耗 分离回收又是尿素生产中消耗能量最多的工序 必须最大限度地提高能量的利用效率 才能取得生产的经济效益 NH3和CO2吸收后逐级返回高压 3 汽提 气提是一种分离液相混合物的方法 与减压和加热使未反应物分离不同 它是用一种气体通过待分离的液体混合物 把易分解的组分携带出来将气提技术引入尿素的分离过程 使部分未反应物在不减压 回收亦不加水 的条件下自行返回系统 使得尿素生产的技术经济指标有了进一步改善 尿素装置采用气提是在与尿素合成压力相同的压力下合成塔的出液流入汽提塔 伴随加热 向汽提塔中的合成液中通入NH3或CO2气体 将合成液中的一部分未反应NH3和CO2气提出来 再进行冷凝吸收为液体 然后返回合成塔进行尿素合成反应 CO2汽提法采用原料气CO2作为汽提气 NH3汽提法则是是属于自汽提 即只需将汽提塔中的合成液加热 NH3从液相转入气相就作为汽提气了 将未反应的NH3和CO2气体出来 CO2汽提法 NH3汽提法 气提法分离 回收的主要优点1 在不减压的条件下将未反应物分离回收 2 气提出来的NH3和CO2混合气体所含有的水蒸气较之减压循环返回的甲铵液中的水含量少 因而有利于提高合成反应转化率 3 气提出来的NH3和CO2混合气在高压下冷凝 冷凝温度较高 放出热量可以回收利用 三 蒸发造粒部分 1 蒸发 1 尿素合成反应液经过气提 减压加热分解循环 与未反应物分离之后 得到较纯的尿素水溶液 尿素的含量70 75 质量数 NH3和CO2含量之和在1 左右 尿液中还含有大量的水 和少量的氨和二氧化碳 因此须经蒸发工序进一步浓缩成含水量极少的熔融态尿素 使其浓度达到96 以上纯净的尿液 然后送往造粒系统进行造粒 蒸发如果采用较高的温度会使尿素中的缩二脲含量增加 所以采用真空 以降低溶液的沸点 在相对低的温度蒸发 同时降低蒸汽耗量 高能量的利用率 2 对于采用的造粒塔造粒 须采用两段蒸发 在真空条件下将尿液浓缩到99 7 两段蒸发的真空是借助蒸发冷凝器和多级蒸汽喷射器来完成的 通常造出的尿素颗粒的粒径为1 2mm的小颗粒尿素 典型的两段蒸发条件是 一段压力33KPa 温度130 溶液浓缩到95 二段压力3 3 6 7KPa 温度140 溶液浓缩到99 7 造粒塔造粒 是将温度约140 的尿素浓度达99 7 的高浓溶液 称尿素融体 送往几十米的高空 通过旋转的喷头的小孔喷洒出来 形成液滴自高空滴落 在下降过程中与自下而上的空气逆流直接接触 受到空气的冷却 融熔体得到凝固并冷却且将少量水分蒸发 待落到地面即成为温度60 70 粒度均匀的颗粒尿素产品 造粒塔造粒的特点是 造粒塔生产能力大 操作简单 生产费用低 但有其缺点 造粒塔顶排出的气体不可避免地带有一些尿素粉尘和氨气 由于排出空气量大 而且气体携带的粉尘十分纤细 NH3含量极低 难于处理 污染环境 另外 尿素颗粒强度不高 不适于长途散装运输 造粒塔不能制出大于2 5mm又有足够强度的颗粒 采用造粒机造粒时又有所不同 通常采用一也可以采用两段蒸发 造粒机采用的一段蒸发是在其前设置一台预蒸发器 也在真空下操作 利用溶液本身闪蒸 或者同时加热 将来自低压分解循环的尿液预先浓缩 然后再进入一段蒸发 这种设置预蒸发器 也称闪蒸器或预浓缩器 的蒸发流程可减少加热蒸汽的耗量 一段蒸发尿液浓度96 98 经造粒机造出尿素颗粒可以调节 可生1 2mm的小颗粒 也可以生产2 8mm的大颗粒尿素 造粒机造粒的