淺析尿素合成工藝及流程的選擇

張宇君

（沈陽師范大學，遼寧 沈陽 110034）

1 尿素合成的基本原理

用氨合成尿素的反應，通常認為是按以下兩個步驟，在合成塔內連續進行：

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

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

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反應量所多的氨，常以百分率表示，或氨比二氧化碳表示。過剩氨可以使反應的平衡趨向生成尿素的一方，使產率提高。過剩氨也可以合成速度加快，提高尿素產率，過剩氨的存在，可與系統中的水結合，從而降低了水的濃度，抑制了副反應的發生。

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

因此，在尿素水溶液全循環法中氨與二氧化碳比一般在3.5～4.1。

2.2 水份

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

2.3 溫度和壓力

溫度越高尿素達最大產率的時間越短，即反應速度越快，合成塔的生產強度也就提高，但溫度越高，尿素產率的提高逐漸減慢，同時反應溫度的提高也必須使合成系統的平衡壓力提高，腐蝕速度增加，為保證尿素在液相中生成和一定的反應速度，對設備制造和防腐問題，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，轉化率下降，但操作壓力過高，會使動力消耗增加，設備制造強度加大。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定性較差，在溶液加熱達到一定溫度以上就可能發生尿素水解反應和縮二脲的生成反應，其反應如下：兩個副反應由于受溫度、加熱時間、溶液面上氣氨分壓等因素的影響。因此，尿液蒸發過程的操作壓力越低，相應飽和尿液濃度就越高，如果達到相同濃度，蒸發壓力高，相應所需溫度也高。為減少副產物的生成，避免出現結晶困難的問題，通常采用兩段蒸發流程：一段蒸發的目的是在較低的壓力下首先蒸發掉大量的水，然后在更低的壓力下進行二段蒸發，已達到最后的濃度，兩端蒸發的分界線是根據傳熱溫差和冷卻水溫度而定的。

4 工藝流程介紹

其生產工藝流程特點是采用了二段分解、三段吸收、二段蒸發、自然通風的造粒流程，設計中未考慮解析系統，碳化氨水送碳氨母液槽。本流程分為壓縮、合成、分解系統、循環系統、蒸發造粒四個生產過程，整個生產為單系統生產。

其具體流程為：

由合成車間送來的液氨經預熱進入高壓氨泵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經冷卻后進入二氧化碳壓縮機，經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，進入合成塔E20201的底部。合成塔E20201是一個長的立式高壓反應器，反應混合物自下而上通過。在溫度為180～186℃和13.5～14.5MPa壓力下，將甲銨轉化為尿素，轉化率為61%左右，再從內部的溢流管離開。塔內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。反應混合物中的氣體從塔的頂部離開進入高壓洗滌器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，而將出氣經減壓閥送0.6MPa吸收塔C20208進一步吸收NH3和CO2，最后惰氣經PC3715由塔頂放空。因為高壓甲銨冷凝器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系統中去。

離開汽提塔C20202的尿液經控制閥減壓到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進入蒸發槽將尿液中的水分蒸發掉，之后從尿素熔融體經過大氣由尿素熔融泵送入造粒塔C20212頂的噴頭。當噴頭以合適的速度旋轉時，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，當它們下降時因冷卻而固化。