《化工工艺学》PPT课件.ppt
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1、第七章第七章 尿尿 素素10/26/20221第七章第七章 尿尿 素素第一节:概述第一节:概述第二节:生产原理第二节:生产原理第三节:水溶液全循环法尿素工艺流程和设备第三节:水溶液全循环法尿素工艺流程和设备第四节:气提法尿素生产工艺第四节:气提法尿素生产工艺第五节:生产中的腐蚀爆炸与发展动态第五节:生产中的腐蚀爆炸与发展动态本章要点:本章要点:A.尿素合成尿素合成分解分解回收循环回收循环蒸浓蒸浓 造粒造粒气气提原理提原理B.水溶液全循环法水溶液全循环法气提法工艺流程气提法工艺流程C.腐蚀腐蚀爆炸的产生与防止爆炸的产生与防止10/26/20222第一节:概第一节:概 述述一一物理化学性质物理化学
2、性质q 常压熔点常压熔点132.6.q 易吸湿:硝铵尿素硫铵易吸湿:硝铵尿素硫铵q 化学性质:化学性质:2与盐生成络合物与盐生成络合物 3水解水解 4缩合缩合 2尿素尿素缩二脲缩二脲+氨气氨气 5与甲醛缩合生成脲醛塑料与甲醛缩合生成脲醛塑料10/26/20223 二二用用 途途 11肥料肥料 2 2工业上用工业上用 3 3作动物饲料作动物饲料10/26/20224三三生产方法生产方法 1不循环法不循环法 2半循环法半循环法 3全循环法:全循环法:水溶液全循环法水溶液全循环法 气提法气提法 气提法气提法 变换气气提法变换气气提法 等压循环法等压循环法H H2 2O ONH3CO2H H2 2O
3、O合成合成 分离分离浓缩浓缩造粒造粒尿素成品尿素成品图图1 尿素生产工艺框图尿素生产工艺框图 回收回收10/26/20225第二节:生产原理第二节:生产原理v一一尿素的合成尿素的合成v二二合成反应液的分解与分解气的冷凝回收合成反应液的分解与分解气的冷凝回收v三三尿素溶液蒸浓尿素溶液蒸浓v四四尿素的结晶与造粒尿素的结晶与造粒v五五缩二脲的生成与防止缩二脲的生成与防止v六六气提法分解甲铵原理气提法分解甲铵原理10/26/20226 一一尿素的合成尿素的合成(一)反应机理(一)反应机理(二)化学平衡(二)化学平衡(三)动力学(三)动力学(四)尿素合成工艺条件选择(四)尿素合成工艺条件选择10/26/
4、20227v (一)反应机理(一)反应机理 )甲铵的生成甲铵的生成 2NH3(l)+CO2(g)NH4COONH2(l)甲铵脱水生成尿素甲铵脱水生成尿素 NH4COONH2(l)CO(NH2)2(l)+H2O(l)10/26/20228(二)化学平衡二)化学平衡v 反应达到平衡时共有五个平衡存在反应达到平衡时共有五个平衡存在:NH3(g)NH3(l)CO(g)CO2(l)H2O(g)H2O(l)2NH3(l)+CO2 NH4COONH2(l)NH4COONH2(l)CO(NH2)2(l)+H2O(l)v 尿素尿素平衡平衡转化率转化率 尿尿=(转化成尿素的转化成尿素的CO2的物质的量的物质的量/
5、原料原料CO2的物质的量的物质的量)100%10/26/20229(三)动力学(三)动力学v从反应机理知,从反应机理知,甲铵脱水甲铵脱水()是合成尿素是合成尿素总过程的控制步骤。总过程的控制步骤。v 通过通过控制反应温度和水碳比控制反应温度和水碳比,可以减少,可以减少甲铵脱水时间,从而使总反应速度提高。甲铵脱水时间,从而使总反应速度提高。10/26/202210(四)尿素合成工艺条件选择四)尿素合成工艺条件选择1、温度、温度2、氨碳比、氨碳比3、水碳比、水碳比4、压力、压力5、惰气含量、填充度、惰气含量、填充度6、反应时间、生产强度、反应时间、生产强度10/26/2022111 1温度温度由左
6、图可知由左图可知:当当,X平平.在在 时,时,又每升又每升,反反增加一倍增加一倍.综合考虑上述因综合考虑上述因 素,素,反反常常用用-,即略高于,即略高于Xmax。10/26/20221222氨碳比氨碳比 研究表明研究表明:CO2过量对过量对X转转无无 影响;影响;NH3 过量可提高过量可提高X转转.氨碳比:氨碳比:水溶水溶 CO2 过量氨的作用:过量氨的作用:工业上氨过量工业上氨过量50-150%。、促进二氧化碳转化,减小腐蚀;、促进二氧化碳转化,减小腐蚀;、与水生成氨水,使水排除在反应之外,与水生成氨水,使水排除在反应之外,从而使反应加快。从而使反应加快。、可抑制尿素缩合,甲铵水解等副反应
7、,可抑制尿素缩合,甲铵水解等副反应,从而使转化率提高;从而使转化率提高;、控制自热平衡,维持最适宜反应温度。、控制自热平衡,维持最适宜反应温度。10/26/202213水碳比水碳比 1)水的来源:)水的来源:q 反应产生;反应产生;q 水溶液循环时二氧化碳氨气返回合成塔带入水溶液循环时二氧化碳氨气返回合成塔带入。2)水碳比提高对反应不利:)水碳比提高对反应不利:水增加,降低甲铵浓度;水增加,降低甲铵浓度;水增加,对尿素水解有利,甲铵脱水不利;水增加,对尿素水解有利,甲铵脱水不利;水碳比提高,转化率降低,未反应量增加,需水碳比提高,转化率降低,未反应量增加,需更多水吸收,造成恶性循环。更多水吸收
8、,造成恶性循环。故:)水循环法故:)水循环法 L4 )二氧化碳气法)二氧化碳气法 L4 10/26/202214压力压力 从反应式知,压力增加对反应有利从反应式知,压力增加对反应有利!P 有利有利 )一定,一定,尿尿随压力增加而剧增。随压力增加而剧增。)高温下,甲铵易分解为)高温下,甲铵易分解为CO2、NH3 进入气相,进入气相,使使平平 下降,故:下降,故:操操甲铵平衡。甲铵平衡。不利不利 当当P增至一定程度,增至一定程度,平平趋于定值。趋于定值。若若P剧增,剧增,平平不增加或很少。但:不增加或很少。但:)因动力消耗增加,故成本增加;)因动力消耗增加,故成本增加;)高压下,甲铵对设备腐蚀加剧
9、。高压下,甲铵对设备腐蚀加剧。故:故:)水法:)水法:(18-20MPa)CO2法:法:(13-14MPa)10/26/202215 惰气含量、填充度惰气含量、填充度 中含有中含有、等,量等,量 多,使多,使X X平平减小。要求:减小。要求:98.5%98.5%液体占合成塔之高度即填充度。液体占合成塔之高度即填充度。保持保持适当,可保持适当,可保持X X平平一定。一定。10/26/2022166反应时间反应时间、生产强度、生产强度 ,使,使转转,;,而转转,。工业上取工业上取 :10-12t/dm10-12t/dm3 3 t:即可。:即可。10/26/202217二二合成反应液的分解与合成反应
10、液的分解与 分解气的冷凝回收分解气的冷凝回收 合成反应液除产品尿素外,还含有氨气、合成反应液除产品尿素外,还含有氨气、二氧化碳、甲铵、水,将合成反应液减压、加二氧化碳、甲铵、水,将合成反应液减压、加热,即可实现热,即可实现、与尿素水溶液的分与尿素水溶液的分离。离。v 11减压分解减压分解v 2 2多段冷凝回收(分解气)多段冷凝回收(分解气)10/26/202218 1 1减压分解减压分解 时,反应还是朝生成甲铵进行时,反应还是朝生成甲铵进行 时,甲铵方可分解,但副反应加快,腐蚀加剧时,甲铵方可分解,但副反应加快,腐蚀加剧 故需在低于合成压力下操作。故需在低于合成压力下操作。工业上采用工业上采用
11、多段减压加热与多段冷凝吸收多段减压加热与多段冷凝吸收 原因原因当当分分(时时,收收不不到到.溶溶液液,且且尿尿素素水水解解、缩缩合合等等副副反应增加。反应增加。10/26/2022222.2.两段真空蒸发两段真空蒸发 由由图图知,在残压知,在残压20mmHg,把尿液从把尿液从75一次蒸至一次蒸至99.7不可行。因高浓溶液沸点高,需较大传热面积;且当不可行。因高浓溶液沸点高,需较大传热面积;且当尿液蒸至尿液蒸至60%,出现尿素结晶。,出现尿素结晶。工业上采用工业上采用两段真空蒸发法:两段真空蒸发法:在在绝压绝压200mmHg下下,在第一蒸发器,在第一蒸发器 中使尿液中使尿液从从 75蒸至蒸至95
12、%,大量水产生,无结晶;,大量水产生,无结晶;在在绝压小于绝压小于40mmHg下,将尿液下,将尿液蒸至蒸至99.7,采用温采用温度度137-140(熔点(熔点132.6)。注:在此温度下应尽量使时间注:在此温度下应尽量使时间t 降低,减少尿素水解及降低,减少尿素水解及缩二脲的生成。缩二脲的生成。10/26/202223 尿液蒸发时尿液蒸发时 A残余残余、会蒸出,同时带有少量会蒸出,同时带有少量 尿素。尿素。B因尿素在较高温度下易异构化生成因尿素在较高温度下易异构化生成,蒸发时以蒸发时以、进气相,气相冷凝时、进气相,气相冷凝时 、又转化为尿素。、又转化为尿素。故故回收蒸发气中尿素、回收蒸发气中尿
13、素、有必要!有必要!v工厂实验知:工厂实验知:一段蒸发冷凝液中尿素一段蒸发冷凝液中尿素 8-14g/l ;二;二段蒸发段蒸发40-60g/l,且,且、可返回合成工段。可返回合成工段。通过回收,国内冷凝废水中尿素降至通过回收,国内冷凝废水中尿素降至2000ppm,国,国外最好达外最好达1-10ppm。10/26/202224四四尿素的结晶与造粒尿素的结晶与造粒1三种方法:三种方法:)蒸发造粒法蒸发造粒法 .将将99.7溶液造粒成型,缩二溶液造粒成型,缩二 脲脲0.8-0.9%;)结晶造粒法结晶造粒法 将尿液蒸至将尿液蒸至80送结晶器送结晶器 快速熔融成型,缩二脲快速熔融成型,缩二脲0.3%;)结
14、晶法结晶法 将尿液蒸至将尿液蒸至80%送结晶机在小于送结晶机在小于 40下结晶。下结晶。2两种尿素:两种尿素:)造粒尿素造粒尿素 球状均匀颗粒,强度、耐湿性好;球状均匀颗粒,强度、耐湿性好;)结晶尿素结晶尿素 纯度高,缩二脲低,用于工及纯度高,缩二脲低,用于工及 制复肥。制复肥。3熔融液造粒:熔融液造粒:将将140尿溶液滴与冷空气逆流接触,降至尿溶液滴与冷空气逆流接触,降至60-70,经凝固冷却成颗粒落于料斗。,经凝固冷却成颗粒落于料斗。10/26/202225五缩二脲的生成与防止五缩二脲的生成与防止1危害:危害:缩二脲对作物种子发芽不利,使桔柑变色;缩二脲对作物种子发芽不利,使桔柑变色;生产
15、脲醛塑料时缩二脲生产脲醛塑料时缩二脲 0.3%,易使塑料变,易使塑料变黄。黄。2来源:来源:尿素缩合尿素缩合 尿素异构化尿素异构化3减少其生成的措施:减少其生成的措施:1)合成:因游离)合成:因游离较多,故缩二脲较少,且提高缩二脲降低较多,故缩二脲较少,且提高缩二脲降低 2)分解:游离)分解:游离较少,中压较高,故生成缩二脲增加。所以较少,中压较高,故生成缩二脲增加。所以 应确定合适应确定合适分分;提高传热效率,使;提高传热效率,使t降低;降低;3)蒸发:游离)蒸发:游离很少,很少,蒸蒸高,生成缩二脲较多。高,生成缩二脲较多。4)造粒:尿熔液)造粒:尿熔液140,于管线中易生成缩二脲,故应尽量
16、缩短,于管线中易生成缩二脲,故应尽量缩短 管之长度。管之长度。4回收利用:回收利用:1)分离出来作为化工产品)分离出来作为化工产品.2)将高浓度缩二脲母液送回合成塔,抑制其生成)将高浓度缩二脲母液送回合成塔,抑制其生成.10/26/202226六气提法分解甲胺原理六气提法分解甲胺原理气提法气提法 定义:定义:是在保持气体分解压力与合成压力相同是在保持气体分解压力与合成压力相同 的条件下,在的条件下,在供给热量的同时,向尿液中通入大量供给热量的同时,向尿液中通入大量气,以降低气相气,以降低气相中氨的分压,促使甲胺分解。中氨的分压,促使甲胺分解。气提气提是在高压下操作的伴有化学反应之解吸过程。是在
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