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第五章 尿素 2 知识目标 1. 掌握氨与二氧化碳合成尿素的基本原理和工艺条件的 选择及工艺流程； 2. 了解尿素的性质、用途和生产方法。 能力目标 1. 具有分析化工设备工艺条件控制的初步能力； 2. 具有分析选择工艺条件的初步能力； 3. 具有环境保护和技术经济的意识。 3 第一节 概述 一、尿素的性质 尿素，英文Urea，学名为碳酰二胺，分子式CO(NH2)2，分子 量60.06；含氮量46.67%。 常温常压下，纯净的尿素为无色、无臭的固体颗粒，粒径为1～2mm，工业中因含杂质而呈白色或浅黄色。 尿素的熔点为132.7℃，密度为1.33g/cm3； 尿素易溶于水和液氨。尿素有吸湿性，易潮解。 尿素在强酸溶液中呈弱碱性，能与酸作用生成盐。尿素与盐类作用可生成络合物 尿素在水中会水解生成NH3和CO2，常温下很慢。 4 尿素水溶液持续加热可生成缩二脲。降低压力、升高温度、 延长加热时间都会加剧上述反应。缩二脲会烧伤植物的叶和嫩 芽，所以尿素中的缩二脲含量不能太高。另外，还会进一步缩 合成缩三脲和三聚氰酸。 5 二、尿素的用途 含氮量比较高的中性速效肥料，长期使用 不会使土壤板结，分解释放的NH3和CO2能 被作物吸收增进磷、钾、镁及钙的有效性。 有机合成中，尿素可用来制取高聚合物合成 材料，如塑料、漆料、还可用于医药中生产 利尿剂、镇静剂，也用于石油纺织等行业 牛、羊等反刍动物的辅助饲料。 中毒：厌食、流涎、呼吸急促、肌肉震颤、 行动失调、强直性痉挛，甚至昏迷 治疗：食醋、生理盐水、利尿药等 8 四、尿素生产的原料 9 第二节 尿素的合成 一、尿素合成的基本原理 目前，工业合成尿素的方法都是液NH3和CO2反应 合成的，属于有气相存在的液相反应，如下图所示。 反应被认为分两步进行： 控制 反应 10 上述两个反应中，第一个反应为快速放热反应，反应程度很大，生成溶解态的氨基甲酸铵(简写AC，甲铵)；第二个脱水生成尿素(Urea，简写Ur)的反应为慢速吸热反应，且为显著可逆反应。 11 1. 尿素合成反应的化学平衡 在尿素合成反应中，转化率不高，为减少反应后NH3 和CO2处理量，一般是使物料在合成塔中停留较长时间， 使反应接近平衡状态。反应后产物分气液两相。 气相：NH3、CO2、H2O及惰性气体 液相：甲铵、尿素、水及游离氨和二氧化碳 12 （1）平衡转化率 工业生产中，通常以尿素的转化率作为衡量尿素合成反应进程的量度。 由于实际生产中都采用过量的氨和二氧化碳反应，因此通常是以二氧 化碳为基准来定义尿素的转化率： 13 （2）最高平衡转化率 研究表明：平衡常数随温度 的升高而增大，当温度升 高到一定值时，平衡转化 率出现最大平衡转化率， 若继续升高温度，其 平衡转化率反而下降。 14 尿素合成过程中，甲铵脱水时反应 的控制阶段，实验表明，甲铵脱水 生成尿素的反应在液相中进行较快， 故在液相中进行。 2. 尿素合成反应速率 15 二、尿素合成的工艺条件 温度 氨碳比 水碳比 操作压力 反应时间 16 1. 温度的影响 在一定的温度范围内，提高温度，不但可以加快反应速率且有利于 提高平衡转化率。但温度过高会带来不良影响。 目前，尿素合成塔上部大致为185-200℃；在合成塔的下部，操作温度只能等于或略低于操作压力下物系平衡的温度。 17 2. 氨碳比的影响 氨碳比是指原始反应物料中NH3/CO2的摩尔比。氨过量率是指原料中氨 量超过化学反应式的理论量的摩尔分数。 综合考虑，一般水溶液全循环法氨碳比选择4左右，若利用合成塔副产蒸汽，则氨碳比取3.5以下。 18 3. 水碳比的影响 水的来源：一是尿素生产的产物，二是随同未反应的NH3和CO2返回合 成塔中。 在工业生产中，总是力求控制水碳比降到最低限度，以提高转化率。 水溶液全循环法中，水碳比一般控制在0.6-0.7；CO2汽提法中，水碳比一般控制在0.3-0.4。 19 4. 操作压力的影响 理论上，提高压力对合成尿素有利，尿素转化率随压力增加而增大。 一般情况下，生产的操作压力要高于合成塔塔顶的物料组成和该温度下的平衡压力1-3MPa。 20 5. 反应时间的影响 尿素合成的反应时间主要是指甲铵脱水生成尿素的反应时间。 对于反应温度为180-190℃的装置，一般反应时间为40-60min，其转化率可达到平衡转化率的90%-95%。对于反应温度为200℃或更高一些的装置，反应时间一般为30min左右，其转化率也基本接近于平衡转化率。 21 三、工艺流程 22 四、尿素合成塔 第三节 未反应物的分离与回收 24 知识目标