【正文】 98K 反應(yīng)熱效應(yīng) ： ΔrHm(① )=–++2= kJ/() ΔrHm(② )=–－ +=– kJ/() Q (298K)放熱 =∑ΔrHm=103(80%－ 20%) =106MJ Q 帶入 =(29400++4900)298 =105kJ =522MJ Q 帶入=(104+103+4900103++49006.75)(453298) =1224MJ Q 損失 =106MJ10%=105MJ Q 移出 = Q (298K)放熱 + Q 帶入 － Q 帶 出 － Q 損失 =106MJ+522MJ－ 1224MJ－ 105MJ =7397 MJ 化工與環(huán)境工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 (4)列熱量衡算表 見表 62。 (1)計算任務(wù) 輸入熱量和輸出熱量。 CO 2氨基甲酸銨液液氨 液氨氨基甲酸銨尿素CO 2H 2 O 圖 61 尿素物料衡算示意圖 (2) 反應(yīng)式為 總反應(yīng)方程式： 2NH3+CO2→CO(NH 2)2+H2O 分步反應(yīng)方程式： 2NH3+CO2→NH 2COONH4+ ① NH2COONH4→CO(NH 2)2+ ② (3) 計算任務(wù) 原料消耗量和產(chǎn)物生成量。 圖 58 低壓吸收第一氨基甲酸銨冷凝器 1上管箱； 2上管板； 3出水口； 4殼體； 5換熱； 6膨脹節(jié)； 7下管板； 8入水口； 9排氣口 低壓吸收第二氨基甲酸銨冷凝器 低壓吸收第二氨基甲酸銨冷凝器為立式不銹鋼 U 形管束換熱器，它的主要作用是將第一氨基甲酸銨冷凝器未冷凝的殘余氣氨在此冷凝吸收。冷凝器通冷卻水前必須將排氣閥 5 打開，保證冷卻水充滿列管，提高冷凝效果， 其結(jié) 構(gòu)圖如 圖 57。接管 7 進入液氨緩沖槽。該段有的填環(huán)狀填料，有的使用浮閥塔板，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 56。設(shè)置喇叭形排氣管的目的是使氣體中冷凝 液沿著椎體流向中間，防止冷凝液再被進口氣體帶走，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 55。 中壓分解加熱器為立式列管換熱器，殼體為碳鋼，列管及頂、底蓋為不銹鋼。底蓋與二氧化碳 氨 、氨基甲酸銨溶液進口相連，進口管分布為二氧化碳與氨互成 180176。外殼為整體鍛造或多層鋼板卷焊制成的高壓圓筒 ，頂蓋于筒體的密封結(jié)構(gòu)，也可以采用強制式的，目前都采用強制式的，其結(jié)構(gòu)圖如圖 53。尿素合成塔在較高的壓力下操作，因而應(yīng)符合高壓容器要求，工業(yè)生高壓筒體一般采用較大的高徑比。二氧化碳壓縮機中一、二、三段汽缸為雙作用夾套式汽缸，用優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵制成，夾套中流通冷 卻水，用以帶走部分熱量。含硫化氫的二氧化碳?xì)怏w，自上而下通過多層氫氧化鐵脫硫劑，發(fā)生脫硫反應(yīng)，從塔的底部流出。在 CO2氣體濃度 86%~100%范圍內(nèi)，惰性氣體含量每增加 1%，合成轉(zhuǎn)化率約降低 %。但是，反應(yīng)時間過長，設(shè)備容積要相應(yīng)增大，或生產(chǎn)能力下降，同時，甲銨的不穩(wěn)定性增加，尿素縮合反應(yīng)加?。壹卒@對設(shè)備的腐蝕也加劇，操作控制比較困難。對于 CO2氣提法操作壓力為 13~14MPa。從平衡移動原理可知：水量增加，不利于尿素的形成． 它將導(dǎo)致尿素平衡轉(zhuǎn)化率下降。所以，過量氨增 多， 平衡轉(zhuǎn)化率增大，故工業(yè)上都采用氨過量操作，即氨碳比必須大于 2?！鞍边^量率”是指原料中氨量超過化學(xué)反應(yīng)式的理論量的摩爾百分?jǐn)?shù)。 表 41 反應(yīng)溫度與二氧化碳轉(zhuǎn)化率的關(guān)系 反應(yīng)溫度 /℃ 170 180 190 轉(zhuǎn)化率∕％ 60 60 備注：氨碳比 NH3:CO2=4, 水碳比 H2O:CO2= 這 是因為高溫時甲銨在液相中分解成氨和二氧化碳所造成。 尿素合成的控制反應(yīng)是甲銨脫水，它是一個微吸熱反應(yīng)，故提高溫度甲銨脫水速度加快。前者設(shè)備較少，即 投資較少，后者投資稍有增加。尿素濃縮可以采用蒸發(fā)法，也可以采用結(jié)晶法。高壓液氨進入合成塔之前，先經(jīng)過預(yù)熱器預(yù)熱到 45~55℃ ，高壓液氨經(jīng)預(yù)熱后送入高壓混合器，然后進入尿素合成塔。 過濾后的液氨送入液氨緩沖槽的原料室中。加氧是為了防止合成、循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)備腐蝕。為了減少硫化氫對尿素設(shè)備及管道的腐蝕，首先必須對其進行脫硫。 原料的準(zhǔn)備 合 成尿素的主要原料是液氨和氣體二氧化碳，二者分別是合成氨廠的主副產(chǎn)品，所以合成氨和尿素生產(chǎn)裝置設(shè)在一起，聯(lián)合生產(chǎn)。尿素合成塔內(nèi)溫度為186~190℃ ，壓力為 200kg 左右 ,NH 3/ CO2的摩爾比和 H2O/CO2的摩爾比控制在一定的范圍內(nèi)?；厥盏陌迸c二氧化碳以液氨或氨基甲酸銨的形式返回合成系統(tǒng)循環(huán)使用。分離出來的尿液經(jīng)減壓至常壓后，進入閃蒸槽，經(jīng)減壓后尿液中的氨基甲酸銨和氨幾乎全部清除。在預(yù)反應(yīng)器內(nèi)氨與二氧化碳反應(yīng)生成氨基甲酸銨，在進入尿素合成塔，在塔內(nèi)氨基甲酸銨脫水生成尿素。 然后是液態(tài)甲銨脫水生成尿素，稱為甲銨脫水反應(yīng)； NH2COONH4→CO(NH 2)2+ 此步反應(yīng)是一個可逆的微吸熱反應(yīng)，平衡轉(zhuǎn)化率一般為 50%~70%，并且 反應(yīng)的速率也較緩慢，是尿素合成中的控制速率的反應(yīng)。平衡轉(zhuǎn)化率一般為 50%~70%， 此步反應(yīng)的速率也較緩慢，是尿素合成中的控制速率的反應(yīng)。首先液氨和二氧化碳反應(yīng)生成甲銨，故稱其為甲銨生成反應(yīng)： 2NH3+CO2→NH 2COONH4。 增加反應(yīng)物料的停留時間能提高轉(zhuǎn)化率 ， 但并不經(jīng)濟。當(dāng)溫度不變時，轉(zhuǎn)化率隨壓力的升高而增大，轉(zhuǎn)化率達到一定值后，繼續(xù)提高壓力，不再有明顯增大，此時，幾乎全部反應(yīng)混合物都以液態(tài)存在。 生 產(chǎn)尿素的原料是氨和二氧化碳，后者是合成氨廠的副產(chǎn)品。 國內(nèi)情況是我國尿素的年消耗量約在 3000 萬噸，即使預(yù)計今后幾年有所增長，大概也不會超過 3500 萬噸。氣提法是針對水溶液全循環(huán)法的缺點而開發(fā)的一種工藝，其實質(zhì)是在與合成反應(yīng)相等壓力條件下，利用一種氣體通過反應(yīng)物系（同時伴有加熱）是未反應(yīng)的氨或二氧化碳被帶出。其工藝包括氣液分離、液體吸收、氣體冷凝幾個步驟。 1773 年 Rouelle 在蒸發(fā)人尿時第一次發(fā)現(xiàn)尿素； 1824 年， Prout 通 過分析得出尿素的實驗式； 1828 年德國化學(xué)家 Wohler 在實驗室以氰酸和氨制的尿素； 1932 年美國杜邦公司用直接合成法制取尿素氨水，在 1935 年開始制造固體尿素， 之后又出現(xiàn)了制備尿素的其他方法，包括光氣與氨反應(yīng)、 CO2與氨反應(yīng)、氰胺化鈣水解等，由于種種原因，最終都未能實現(xiàn)化工與環(huán)境工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 工業(yè)化；唯一成為當(dāng)代尿素工業(yè)化基礎(chǔ)的是由氨和二氧化塔合成尿素的反應(yīng)。與 傳統(tǒng)高壓甲銨冷凝器不同的是，池式冷凝器可提供一定的停留時間，使甲銨 生成尿素的反應(yīng)在此可達到反應(yīng)平衡的 60%~80%， 使生產(chǎn)裝置產(chǎn)能在原設(shè)計能力的基礎(chǔ)上翻一番，并且尿素主框架高度降到 40m 以下，使操作更加方便、動力消耗又有所降 低。 該工藝的特點是采用共沸物下的 CO(NH2)2摩爾比為 作為操作控制最佳指標(biāo)進行操作，大部分未反應(yīng)生成尿素的氨和二氧化碳在高壓系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)繼續(xù)反應(yīng)生成尿素，只有較少部分的氨和二氧化碳需要在低壓部分 進行回收，液氨泵和甲銨泵的輸送量比較少，所以該裝置中液氨泵和甲銨 泵的臺數(shù)較少，動力消耗較少，并且該工藝高壓系統(tǒng)的操作壓力較低，為 ~，使液氨泵和甲銨 泵的運行周期較長，維修費用較少。氣提法是全循環(huán)法的發(fā)展，具有熱量回收完全，氨和二氧化碳處理量較少的優(yōu)點。由于該工藝高壓系統(tǒng)的操作壓力高達 MPa，并且一段甲銨 液的工藝要求溫度高達 90℃ 左右，所以一段甲銨 泵和液氨泵的運行周期較短、檢修維護時間較多、維修費用較高。由于氨碳比控制的較高，中低壓分解系統(tǒng)溫度控制適當(dāng)，尿素產(chǎn)品質(zhì)量較容易控制，一般可以 控制在優(yōu)級品范圍內(nèi)。我國尿素廠多數(shù)采用水溶液全循環(huán)法。全部返回合成系統(tǒng)循環(huán)利用，原料氨利用率達 97%以上。 依照分離回收方法的不同主要分為水溶液全循環(huán)法、氣提法等。 該反應(yīng)是放熱的可逆反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率一般為 50~70%。在土壤中，尿素能增進磷、鉀、鎂和鈣的有效性，且施入土壤后無殘存廢物。因此，尿素要在作物的需肥期前 4~8 天施用。在土壤中不殘留任何有害物質(zhì)，長期施用沒有不良影響 ， 但在造粒中溫度過高會產(chǎn)生少量縮二脲，又稱雙縮脲，對作物有抑制作用。 與水合肼生 成 氨 基脲2NH3+CO2→NH 2COONH4→CO(NH 2)2+H2O 粒狀尿素為粒徑 1~2 毫米的半透明粒子，外觀光潔，吸濕性有明顯改善。對熱不穩(wěn)定， 加熱至 150~160℃ 將脫氨成縮二脲。加熱至 160℃ 分解，產(chǎn)生氨氣同時變?yōu)榍杷帷３饰A性。 超過熔點則分解。 關(guān)鍵詞 ： 尿素；全循環(huán)；發(fā)展；工藝流程 化工與環(huán)境工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 第一章 概述 尿素的物理性質(zhì) 分子式： CO(NH2)2，分子量 ， 因最早由人類及哺乳動物的尿液中發(fā)現(xiàn)，故稱尿素。 焦作大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） (化工與環(huán)境工程學(xué)院 ) 題 目 年產(chǎn) 5 萬噸水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素 工藝設(shè)計 專 業(yè) 應(yīng)用化工技術(shù) 班 級 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 完成日期 — 化工與環(huán)境工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） I 目錄 摘 要 ............................................................................................................................. 1 第一章 概述 ............................................................................................................... 2 尿素的物理化學(xué)性質(zhì)和用途 ......................................................................... 2 尿素的物理性質(zhì) .................................................................................. 2 尿素的化學(xué)性質(zhì) .................................................................................. 2 尿