化工工艺学-第六章氮肥的生产优秀PPT.ppt
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1、化工工艺学化工工艺学Chemical Technology 课程类型:专业课(必修)课程类型:专业课(必修)1 第六章第六章 氮肥的生产氮肥的生产6.1概述概述6.2尿素的生产工艺尿素的生产工艺6.3硝铵的生产硝铵的生产2(NH4)2SO4NH4NO3NH4HCO3NH4ClCO(NH2)2 6.1概述概述常见的氮肥:常见的氮肥:(NH4)2SO4NH4NO3NH4HCO3(NH4)2SO4NH4NO3NH4ClNH4HCO3(NH4)2SO4NH4NO3CO(NH2)2 NH4ClNH4HCO3(NH4)2SO4NH4NO33n常见氮肥的特点:常见氮肥的特点:n尿素:含氮量尿素:含氮量454
2、6,有吸湿性,易溶于水,中性肥料,肥效,有吸湿性,易溶于水,中性肥料,肥效较其他氮肥长;较其他氮肥长;n硝酸氨:含氮量硝酸氨:含氮量3235,吸湿性强,易结块,酸性肥料,肥效,吸湿性强,易结块,酸性肥料,肥效快,易被植物吸取利用;快,易被植物吸取利用;n碳酸氢氨:含氮量碳酸氢氨:含氮量1618,有吸湿性,易溶于水,中性肥料,有吸湿性,易溶于水,中性肥料,含氮量低,易结块;含氮量低,易结块;n硫酸氨:含氮量为硫酸氨:含氮量为2021,吸湿性小,易溶于水,肥效快,是,吸湿性小,易溶于水,肥效快,是酸性肥料,不能与碱性肥料混用。酸性肥料,不能与碱性肥料混用。46.2 尿素的生产工艺尿素的生产工艺n一
3、一.尿素的性质尿素的性质n二二.尿素的生产方法尿素的生产方法n三三.尿素的合成原理尿素的合成原理n四四.尿素合成的工艺流程尿素合成的工艺流程n五五.尿素溶液的蒸发和造粒尿素溶液的蒸发和造粒5一一.尿素的性质尿素的性质n1.尿素尿素(Urea),碳酰二氨,碳酰二氨,CO(NH2)2.n2.易水解,易水解,60 以上。以上。n3.弱碱性,与酸性肥料制成复合肥料。弱碱性,与酸性肥料制成复合肥料。n4.加热异构化,高温缩合,用在有机合成工业中。加热异构化,高温缩合,用在有机合成工业中。n尿素最重要的用途是作肥料,含氮量尿素最重要的用途是作肥料,含氮量46%以上。尿素事实上是在以上。尿素事实上是在土壤中
4、转变成碳酸铵后水解及硝化被植物吸取的。土壤中转变成碳酸铵后水解及硝化被植物吸取的。n 6二二.尿素的生产方法尿素的生产方法n1.生产历史生产历史n1773年鲁爱尔,尿液蒸发;年鲁爱尔,尿液蒸发;n1828年佛勒,试验室氨和氰酸合成;年佛勒,试验室氨和氰酸合成;n1868年巴扎罗夫,氨和二氧化碳干脆合成;年巴扎罗夫,氨和二氧化碳干脆合成;n尿素的生产方法有尿素的生产方法有50余种,但实现工业化的只有氰氨化钙(石灰余种,但实现工业化的只有氰氨化钙(石灰氮)法和氨与氮)法和氨与CO2干脆合成法两种。干脆合成法两种。n氨与氨与CO2干脆合成尿素:干脆合成尿素:2NH3+CO2=CO(NH2)+H2On
5、可逆放热方应,转化率为可逆放热方应,转化率为5070%,按循环程度分为不循环,半循,按循环程度分为不循环,半循环,全循环三种。环,全循环三种。7n3.全循环法的分类全循环法的分类n水溶液全循环法水溶液全循环法:水吸取未反应物;水吸取未反应物;n气提法:用气体分解甲铵,将分解物带回系统;气提法:用气体分解甲铵,将分解物带回系统;n热气循环法热气循环法:减压热气状态下将未反应物返回;减压热气状态下将未反应物返回;n气体分别循环法:将未反应物先分别后选择吸取后返回;气体分别循环法:将未反应物先分别后选择吸取后返回;n浆液循环法:将分解的氨与浆液循环法:将分解的氨与CO2 用无水介质返回;用无水介质返
6、回;n等压循环法:接受氨与等压循环法:接受氨与CO2 的两次气提。的两次气提。8三三.尿素的合成原理尿素的合成原理n(一)合成反应(一)合成反应n1.甲铵生成反应甲铵生成反应 2NH3(l)+CO2(g)=NH4COONH2(l)H1=-86.93kJ/moln强放热可逆反应;强放热可逆反应;n低温液相中转化率很大,反应很快;低温液相中转化率很大,反应很快;n加压,反应很快。加压,反应很快。9n2.甲铵脱水反应甲铵脱水反应nNH4COONH2(l)=CO(NH2)(l)+H2O(l)H1=28.45kJ/mol n微吸热可逆反应;微吸热可逆反应;n速度较慢,为控速步鄹;速度较慢,为控速步鄹;n
7、转化率转化率5070。n n反应体系为反应体系为反应体系为反应体系为5 5组分多相平衡体系,除化学平衡外,还有气液平衡:组分多相平衡体系,除化学平衡外,还有气液平衡:组分多相平衡体系,除化学平衡外,还有气液平衡:组分多相平衡体系,除化学平衡外,还有气液平衡:NHNH3 3(g)=NH(g)=NH3 3(aq)(aq)COCO2 2(g)=CO(g)=CO2 2(aq)(aq)H H2 2O(g)=HO(g)=H2 2O(aq)O(aq)n反应所需设备:反应所需设备:n水溶液全循环法:在一个合成塔中完成;水溶液全循环法:在一个合成塔中完成;n气提法:分别在甲氨冷凝器和尿素合成塔中进行。气提法:分
8、别在甲氨冷凝器和尿素合成塔中进行。103.尿素合成副反应尿素合成副反应n n在尿素生产过程中,主要有两类副反应:尿素缩合反应和水解反在尿素生产过程中,主要有两类副反应:尿素缩合反应和水解反在尿素生产过程中,主要有两类副反应:尿素缩合反应和水解反在尿素生产过程中,主要有两类副反应:尿素缩合反应和水解反应。应。应。应。n n(1 1)尿素缩合成缩二脲反应)尿素缩合成缩二脲反应)尿素缩合成缩二脲反应)尿素缩合成缩二脲反应n n 2CO(NH2)2=NH2CONHCONH2+NH3 2CO(NH2)2=NH2CONHCONH2+NH3n n用结晶法加工尿液时,可利用缩二脲在尿素溶液中具有确定溶解用结晶
9、法加工尿液时,可利用缩二脲在尿素溶液中具有确定溶解用结晶法加工尿液时,可利用缩二脲在尿素溶液中具有确定溶解用结晶法加工尿液时,可利用缩二脲在尿素溶液中具有确定溶解度来限制适宜的结晶温度和尿液浓度,尽可能使缩二脲保留在溶度来限制适宜的结晶温度和尿液浓度,尽可能使缩二脲保留在溶度来限制适宜的结晶温度和尿液浓度,尽可能使缩二脲保留在溶度来限制适宜的结晶温度和尿液浓度,尽可能使缩二脲保留在溶液中,获得含缩二脲很低的结晶尿素。含缩二脲的母液送合成塔液中,获得含缩二脲很低的结晶尿素。含缩二脲的母液送合成塔液中,获得含缩二脲很低的结晶尿素。含缩二脲的母液送合成塔液中,获得含缩二脲很低的结晶尿素。含缩二脲的母
10、液送合成塔使其中缩二脲部分分解,缩二脲不致在体系中积累。使其中缩二脲部分分解,缩二脲不致在体系中积累。使其中缩二脲部分分解,缩二脲不致在体系中积累。使其中缩二脲部分分解,缩二脲不致在体系中积累。11n n(2 2)另一副反应水解反应)另一副反应水解反应)另一副反应水解反应)另一副反应水解反应 CO(NHCO(NH2 2)2 2+H+H2 2O=NHO=NH4 4COONHCOONH2 2 NH NH4 4COONHCOONH2 2+H+H2 2O=(NHO=(NH4 4)2 2COCO3 3 (NH (NH4 4)2 2COCO3 3=2NH=2NH3 3+CO+CO2 2+H+H2 2OOn
11、 n总反应式:总反应式:总反应式:总反应式:CO(NHCO(NH2 2)2 2+H+H2 2O=2NHO=2NH3 3+CO+CO2 2n n当温度在当温度在当温度在当温度在6060CC以下以下以下以下时时时时,尿素水解,尿素水解,尿素水解,尿素水解缓缓缓缓慢;温度到慢;温度到慢;温度到慢;温度到100 C100 C时时时时尿素水解尿素水解尿素水解尿素水解速度明速度明速度明速度明显显显显加快;温度在加快;温度在加快;温度在加快;温度在145 C145 C以上以上以上以上时时时时,水解速度,水解速度,水解速度,水解速度剧剧剧剧增。增。增。增。n n尿素尿素尿素尿素浓浓浓浓度低度低度低度低时时时时
12、,水解率大。氨也有抑制尿素水解的作用,氨含量,水解率大。氨也有抑制尿素水解的作用,氨含量,水解率大。氨也有抑制尿素水解的作用,氨含量,水解率大。氨也有抑制尿素水解的作用,氨含量高的尿素溶液的水解率低。高的尿素溶液的水解率低。高的尿素溶液的水解率低。高的尿素溶液的水解率低。12(二)化学平衡(二)化学平衡n气液相的多组分混合平衡体系。气液相的多组分混合平衡体系。n1.平衡转化率平衡转化率13n2.平衡转化率的计算平衡转化率的计算n多组分多相的混合体系,偏离志向溶液;多组分多相的混合体系,偏离志向溶液;n无法用平衡常数及方程计算;无法用平衡常数及方程计算;n简化法:简化法:n佛里扎克法,马罗维克法
13、。佛里扎克法,马罗维克法。n阅历公式:阅历公式:n井上繁阅历公式;井上繁阅历公式;n上海化工探讨院半阅历公式:上海化工探讨院半阅历公式:n 氨碳比氨碳比2.54.5,水碳比水碳比0.21.0,温度,温度75195C条件得出的公式为:条件得出的公式为:14马罗维克法马罗维克法153.最高平衡转化率最高平衡转化率(1)转化率随温度的)转化率随温度的 上升而增加,极值后减上升而增加,极值后减 小;小;(2)极值温度与氨碳)极值温度与氨碳 比比L,水碳比,水碳比W成反比;成反比;(3)与简化法冲突,阅历公式求导可得极值温度;)与简化法冲突,阅历公式求导可得极值温度;(4)极值出现缘由:温度上升,甲铵生
14、成转化率降低;甲铵脱)极值出现缘由:温度上升,甲铵生成转化率降低;甲铵脱 水水转化率上升。转化率上升。16(三)工艺条件的选择(三)工艺条件的选择n1.温度温度n对于转化率,有极值温度,对于转化率,有极值温度,190200;n设备腐蚀极限温度,设备腐蚀极限温度,185200;n不高于气液平衡温度;不高于气液平衡温度;n综上考虑,略高于转化率极值温度。综上考虑,略高于转化率极值温度。17L3.74.224.51X(CO2),%64.467.268.6n2.氨碳比氨碳比Ln(1)氨过量有利与转化率,氨过量有利与转化率,CO2过量对转化率无影响;过量对转化率无影响;n(2)提高氨含量的有利之处:提高
15、氨含量的有利之处:nA.提高转化率;提高转化率;nB.加快反应速度,减小设备腐蚀;加快反应速度,减小设备腐蚀;nC.抑制有害副反应;抑制有害副反应;nD.维持合成塔自热平衡,防止超温;维持合成塔自热平衡,防止超温;n(3)氨氮比氨氮比L的一般取值:的一般取值:n水溶液全循环法:水溶液全循环法:L在在4左右;左右;n气提法:。气提法:。18n3.水碳比水碳比Wu(1)水的来源:反应生成水,循环水;)水的来源:反应生成水,循环水;u(2)水碳比)水碳比W增大,降低转化率;增大,降低转化率;n(3)W对转化率的影响与对转化率的影响与L有关有关 L5.65,不利影响较小;不利影响较小;L5.65,危害
16、较大。,危害较大。n(4)W增大可增大反应速度,但利小弊多。增大可增大反应速度,但利小弊多。w0.30.50.70.91.1X%69.068.667.465.864.019n4.压力压力n压力高于塔顶组成和温度对应的气液平衡压力,保持液相,有利压力高于塔顶组成和温度对应的气液平衡压力,保持液相,有利于转化率提高;于转化率提高;n有惰性气体时,压力略高于平衡压力有惰性气体时,压力略高于平衡压力;n气提法,气提法,14MPa左右;左右;n水溶液法,水溶液法,20MPa.20n5.停留(反应)时间停留(反应)时间n(1)停留(反应)时间影响转化率和生产强度两方面。)停留(反应)时间影响转化率和生产强
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