化工工藝學(xué)第2章氮肥(已修改)
2025-01-07 01:59 本頁面
【正文】 化工工藝學(xué)第 2章 化工工藝專業(yè) 第 2章目錄 ? 氮肥 ? 尿素 ? 硝酸銨 ? 磷酸和磷肥 ? 鉀肥 ? 復(fù)合肥 氮肥 ? 尿素是最主要的化學(xué)肥料，農(nóng)業(yè)需求大，產(chǎn)量大，工業(yè)規(guī)模大，生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)。 ? 尿素的主要性質(zhì)和用途 ? 尿素 Urea，分子式為 CO(NH2)2，分子量 。 ? 尿素易溶于水和液氨。尿素有吸濕性，易潮解。 ? 尿素在強(qiáng)酸溶液中呈弱堿性，能與酸作用生成鹽。尿素與鹽類作用可生成絡(luò)合物。 ? Ca(H2PO4)2?H2O+CO(NH2)2= CO(NH2)2?H3PO4+CaHPO4+H2O 尿素 ? 尿素在水中會(huì)水解，生成氨和二氧化碳，但常溫下很慢。 ? 尿素水溶液持續(xù)加熱可生成縮二脲 ? 2NH2CONH2 = NH2CONHCONH2 + NH3 ? 降低壓力、升高溫度和延長加熱時(shí)間都會(huì)加劇上述反應(yīng)。但當(dāng)有氨時(shí)，壓力為 ~脲和氨可逆向生成尿素。這一點(diǎn)在尿素生產(chǎn)過程中很重要。 ? 尿素最重要的用途是作肥料，含氮量 46%以上。尿素實(shí)際上是在土壤中轉(zhuǎn)變成碳酸銨后水解及硝化被植物吸收的。 尿素生產(chǎn)基本原理 ? 1. 尿素合成反應(yīng)的化學(xué)平衡 ? 工業(yè)合成尿素的反應(yīng)通常認(rèn)為分兩步 ? 2NH3(aq)+CO2(aq)=NH4COONH2(aq) 快 ? NH4COONH2(aq)=CO(NH2)2(aq)+H2O 慢 ? 第一反應(yīng)放熱很多， ?H1=。 第二反應(yīng)吸熱， ?H1=。 ? 反應(yīng)體系為 5組分多相平衡體系，除化學(xué)平衡外，還有氣液平衡： ? NH3(g)=NH3(aq) ? CO2(g)=CO2(aq) ? H2O(g)=H2O(aq) ? 尿素生產(chǎn)是在高壓下進(jìn)行的，所以體系偏離理想溶液很遠(yuǎn)。幾個(gè)平衡計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式如下。 ? 二氧化碳平衡轉(zhuǎn)化率 ? x=++106t3+ () ? 式中 a,b分別為初始反應(yīng)物中氨碳、水碳摩爾比； t 為反應(yīng)溫度， 176。C； P為體系絕對壓力， 。 上?；ぱ芯吭涸诎碧急?~,水碳比 ~，溫度75~195176。C條件得出的公式為 ? x=+++ () ? 注意上式平衡轉(zhuǎn)化率以百分?jǐn)?shù)表示。 ? 上述公式間相互有誤差，一個(gè)重要原因是忽略了惰性氣體影響。一個(gè)較好模型為： 23222CONHOHuxxxxK ?COHuxxxK 23 ?2324CONHCxxxK ?333* NHNHNH xpp ? OHOHOH xpp222*?222 COCOCO xHp ?氨基甲酸銨液相濃度 ? K2， K4和虛擬純氨飽和蒸汽壓可從圖 41查到。 ? 模型雖比經(jīng)驗(yàn)公式大有改進(jìn)，但未計(jì)算活度系數(shù)，所以某些點(diǎn)仍有較大偏差。 ? 用上述公式計(jì)算時(shí)先計(jì)算在氣相中的量，再計(jì)算液相中實(shí)際氨碳比和水碳比，然后代入轉(zhuǎn)化率公式求解。 K2 K4 1000/T logK 1000/T logpNH3* ? 尿素合成總反應(yīng)． ? 2NH3(l) + CO2(l) = CO(NH2)2(l) +H2O(l) ? 化學(xué)平衡常數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為： ? () ? 或 () ? K取決于 K3和甲銨離解常數(shù) K1。溫度 190~200 176。C時(shí)， K3隨 T升高而增大，轉(zhuǎn)化率增加。但溫度很高， K1為主，溫度升高使甲銨濃度下降，所以總平衡常數(shù)有一個(gè)最大值，此時(shí)的平衡轉(zhuǎn)化率最高。 ?? RTK ?? RTK 圖 Mavrovic 平衡轉(zhuǎn)化率算圖 2. 影響尿素合成反應(yīng)化學(xué)平衡的因素 ? (1)溫度的影響 ? 溫度較低時(shí)平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而增加 ，在 195~200176。C時(shí)達(dá)最大 ，溫度再高 ， 平衡轉(zhuǎn)化率反而下降 。 尿素平衡轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系如圖 。 ? 工業(yè)生產(chǎn)中 ， 除考慮平衡轉(zhuǎn)化率外 ， 還要考慮腐蝕等 ， 一般為180 ~200176。C. 170 180 190 200 210 ? (2)組成的影響 ? CO2過量影響小，氨過量提高轉(zhuǎn)化率明顯。 ? 氨碳比的影響如圖 . 全循環(huán)法 ，汽提法~。 水碳比增加 ,轉(zhuǎn)化率可下降約 1％。全循環(huán)法 ~ ，汽提法 ~。 圖 ? (3)壓力的影響 ? 對液相反應(yīng)壓力影響很小。但由于體系存在氣液平衡，操作壓力不能小于平衡壓力。平衡壓力與溫度的關(guān)系如圖 。 ? 平衡壓力與組成的關(guān)系很復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)得出的關(guān)系如圖 。 圖 圖 ? 最低平衡壓力下的氨碳比經(jīng)驗(yàn)式： ? amin=+103 () ? 全循環(huán)法，合成塔頂壓力約 ；汽提法，合成塔頂壓力約 。 ? 相平衡計(jì)算很復(fù)雜 ,綜合諸因素有下列經(jīng)驗(yàn)公式 ? P=+104 b/t+102t2 () ? 式中 P為表壓， ；溫度 175~195176。C，水碳比~，氨碳比較高 。 3. 尿素合成過程的相平衡 ? 另一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式為： ? ? 氣相氨碳比 ? 氣相中可忽略尿素和水，液相中將尿素和水看成一個(gè)組分，可將體系簡化為三組分。壓力固定時(shí)， NH3和 CO2體系的相圖如圖 。 )1 ()8 016
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