学文网【摘 要】尿素作为一种重要的化学肥料和工业原料，在世界范围内广泛使用。自从1922年尿素开始工业化生产以来，许多国家都致力于尿素生产系统的研究，在合成机理、热力学性质和工艺流程方面都有创新和进展。本文从尿素生产系统热力学模型的研究入手，对尿素生产工艺流程进行研究，在此基础上开发尿素生产工艺计算与优化软件，以帮助指导尿素工业生产。
【关键词】尿素；生产；工艺；优化
1 尿素合成的基本原理
用氨合成尿素的反应，通常认为是按以下两个步骤，在合成塔内连续进行：
第一步：氨作用生成氨基甲酸铵
2NH3+CO2=NH4COONH2+Q1
第二步：氨基甲酸铵脱水生成尿素
NH4COONH2=CO（NH2）2+H2O-Q2
这两个反应都是可逆反应，反应（1）是放热反应，在常温下实际上可以进行到底， 150℃时，反应进行的很快、很完全，为瞬时反应，而反应（2）是吸热反应，进行的比较缓慢，且不完全，这就使其成为合成尿素的控制反应。尿素的生产过程要求在液相中进行，即氨基甲酸铵必须呈液态存在。温度要高于熔点145-155℃，因此，决定了尿素的合成要在高温下进行。
2 尿素合成工艺条件的选择
2.1 过剩氨
过剩氨是比较氨与二氧化碳的比化学反应量所多的氨，常以百分率表示，或氨比二氧化碳表示。过剩氨可以使反应的平衡趋向生成尿素的一方，使产率提高。过剩氨也可以合成速度加快，提高尿素产率，过剩氨的存在，可与系统中的水结合，从而降低了水的浓度，抑制了副反应的发生。
NH4COONH2+H2O（NH4）2CO2
（NH4）2CONH4HCO3+NH2
NH4HCONH4+CO2+H2O
过剩氨的增加过大，二氧化碳转化率增加率也逐渐增加，并且提高了合成塔内反应系的平衡压力；过剩氨的增加，会破坏反应物的自然平衡，为维持合成塔内顶定温度，就必须提高浓氨预热温度；过剩氨的增加，会是反应混合物的比重下降，所需反应釜的容积加大，处理未生成尿素的反应物的设备也更大，动力消耗增加。
因此，在尿素水溶液全循环法中氨与二氧化碳比一般在3.5～4.1。
2.2 水份
从化学反应平衡考虑，过量水的存在阻止合成反应向着生成尿素的方向移动，促进氨基甲酸铵水解等付反应的进行。造成CO2转化率的下降，甚至引起合成与分解的操作条件恶性循环，水的存在也使合成塔腐蚀加剧。因此在水溶液全循环中，正常生产时避免向合成塔内送水，在过剩氨回收和液相循环中，也应力求减少水分进入合成塔，在工业生产中进行合成塔物料。
2.3 温度和压力
温度越高尿素达最大产率的时间越短，即反应速度越快，合成塔的生产强度也就提高，但温度越高，尿素产率的提高逐渐减慢，同时反应温度的提高也必须使合成系统的平衡压力提高，腐蚀速度增加，为保证尿素在液相中生成和一定的反应速度，对设备制造和防腐问题，合成塔的操作温度控制在185-190℃为宜。
合成塔的操作压力，必须大于操作条件下的平衡压力，否则会使氨基甲酸铵离解，溶液中氨气化，转化率下降，但操作压力过高，会使动力消耗增加，设备制造强度加大。因此合成塔的操作压力高于其操作条件下平衡压力10-30气压较好。
3 尿素的加工
尿素水溶液在加热过程中其热稳定性较差，在溶液加热达到一定温度以上就可能发生尿素水解反应和缩二脲的生成反应，其反应如下：
2NH2CONH2=NH2CONHCONH2+NH3
NH2CONH2+2H2O=（NH4）2CO3=2NH3+ CO2+H2O
两个副反应由于受温度、加热时间、溶液面上气氨分压等因素的影响。因此，尿液蒸发过程的操作压力越低，相应饱和尿液浓度就越高，如果达到相同浓度，蒸发压力高，相应所需温度也高。为减少副产物的生成，避免出现结晶困难的问题，通常采用两段蒸发流程：一段蒸发的目的是在较低的压力下首先蒸发掉大量的水，然后在更低的压力下进行二段蒸发，已达到最后的浓度，两端蒸发的分界线是根据传热温差和冷却水温度而定的。
4 工艺流程介绍
其生产工艺流程特点是采用了二段分解、三段吸收、二段蒸发、自然通风的造粒流程，设计中未考虑解析系统，碳化氨水送碳氨母液槽。本流程分为压缩、合成、分解系统、循环系统、蒸发造粒四个生产过程，整个生产为单系统生产。
其具体流程为：
由合成车间送来的液氨经预热进入高压氨泵P06401，为了避免高压氨泵P06401的气塞，液氨的温度比上述压力下的沸点最少低10℃，通过高压氨泵将压力提高到16.0MPa .出高压氨泵P06401的液氨送入高压喷射器J20203，将高压洗涤器E20205出来的甲铵液增压，一并送入高压甲铵冷凝器E20204的顶部。
由合成车间送来的CO2经冷却后进入二氧化碳压缩机，经四段压缩后送入汽提塔C20202底部。将溶液中的NH3和CO2赶出，汽提塔顶部出气要送入高压甲铵冷凝器E202044的顶部，所以汽提塔C20202的压力应比高压甲铵冷凝器E20204略高一些。汽提塔所用的饱和蒸汽压力为2.0MPa。
在高压甲铵冷凝器E20204中，将液氨和气体CO2大部分冷凝成为甲铵液体。高压甲铵冷凝器E20204是立式管壳式热交换器，从底部各自的管子离开高压甲铵冷凝器E20204，进入合成塔E20201的底部。合成塔E20201是一个长的立式高压反应器，反应混合物自下而上通过。在温度为180～186℃和13.5～14.5MPa压力下，将甲铵转化为尿素，转化率为61%左右，再从内部的溢流管离开。塔内的液面必须保持比溢流管口稍稍高一些，并用合成塔E20201出口处的控制阀控制。反应混合物中的气体从塔的顶部离开进入高压洗涤器E20205。在高压洗涤器E20205中，对合成塔顶部出气中的NH3和C02加以回收，高压洗涤器出气由于其中含有少量H2和O2，当操作不正常时（浓度波动）有可能形成爆炸性混合物，为了避免爆炸，要求NH3和CO2在此不完全吸收，而将出气经减压阀送0.6MPa吸收塔C20208进一步吸收NH3和CO2，最后惰气经PC3715由塔顶放空。因为高压甲铵冷凝器E20204中的压力要比高压洗涤器E20205约高0.3MPa，因此，甲铵液必须在高压喷射器中用16.0MPa的液NH3喷射才能返回到反应系统中去。
离开汽提塔C20202的尿液经控制阀减压到0.15～0.25MPa，喷洒在精馏塔C20206的填料床上，由于减压的结果，尿液中的甲铵分解，所需的热由溶液本身供给，从而使溶液的温度下降到105～110℃。离开精馏塔C20206底部的尿液经过控制阀流入闪蒸槽S20207；精馏塔C20206底出来的溶液减压后流入闪蒸槽S20207，闪蒸槽中保持低度真空，约0.045MPa.在溶液减压时，少量的NH3同较大量的蒸汽从溶液中逸出，使溶液的温度从130℃左右降到90～95℃，得到的尿素溶液的浓度约为73%.流入尿液贮槽T20209。从尿液储存槽T20209进入蒸发槽将尿液中的水分蒸发掉，之后从尿素熔融体经过大气由尿素熔融泵送入造粒塔C20212顶的喷头。当喷头以合适的速度旋转时，尿素熔体被洒成大小合适的小液滴分布在造粒塔的整个截面上，当它们下降时因冷却而固化。
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