1、编辑课件1第六章第六章 化肥工业化肥工业编辑课件2主要内容 概述 尿素的性质 尿素的生产方法 尿素生产的工艺编辑课件3第一章 概述 化肥工业是化学工业中一个非常重要的部分，是提高农业产量的主要途径之一。土壤的成分是由SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、MnO2、CaO、MgO、K2O、Na2O等成分所组成。植物在土壤中生长所需要的成分除水和空气外，还需要有11种元素，即碳、氢、氧、氮、磷、钾、钙、镁、硫、硅、铁及微量元素锰、硼、锌、钼、钴、铜、氯等。其中最重要的是氮、磷、钾，习惯上称为肥料三要素。编辑课件4第一章 概述 氮作为蛋白质有组成成分，在植物生长发育中是必不可少的。也是植物进行
2、光合作用起决定作用的叶绿素的组成部分。氮还能帮助作物分殖。一旦植物缺氮，具体表现就是叶片退绿，颜色越来越淡，植物生长弱小，抗病虫力差。氮肥的主要作用是：(1)提高生物总量和经济产量；(2)改善农作物的营养价值，特别能增加种子中蛋白质含量，提高食品的营养价值。磷不仅参与许多重要的物质代谢过程，也是许多器官的组成成分，在植物的生长发育中起着极为重要的作用。磷是组成细胞核、原生质的重要元素，是核酸及核苷酸的组成部分。作物体内磷脂、酶类和植素中均含有磷，磷参与构成生物膜及碳水化合物，含氮物质和脂肪的合成、分解和运转等代谢过程，是作物生长发育必不可少的养分。编辑课件5 磷可明显提高蔬菜作物的抗旱、抗寒和
3、抗盐能力，并有提早成熟、增加产量和改善品质的作用。蔬菜作物缺磷植株矮小，叶片直立，暗绿色。缺磷较严重时，因糖类运输受阻，在叶片中积累，形成花青素，植株基部叶片或茎出现紫红色的条纹或斑点。钾能促进碳水化合物和蛋白质的合成，增强抗病能力，提高作物质量。钾呈离子状态溶于植物汁液之中，其主要功能与植物的新陈代谢有关。钾能够促进光合作用，缺钾使光合作用减弱。钾能明显地提高植物对氮的吸收和利用，并很快转化为蛋白质。钾还能促进植物经济用水。由于钾离子能较多地累积在作物细胞之中，因此使细胞渗透压增加并使水分从低浓度的土壤溶液中向高浓度的根细胞中移动。在钾供应充足时，作物能有效地利用水分，并保持在体内，减少水分
4、的蒸腾作用。编辑课件6 钾的另一特点是有助于作物的抗逆性。钾的重要生理作用之一是增强细胞对环境条件的调节作用。钾能增强植物对各种不良状况的忍受能力，如干旱、低温、含盐量、病虫危害、倒伏等。植物最常见的缺钾症状是沿叶缘的灼伤状，首先从下部的老叶片开始，逐步向上部叶片扩展。缺钾植物生长缓慢，根系发育差。茎杆脆弱，常出现倒伏。种子和果实小且干皱。植株对病害的抗性低。所以氮、磷、钾是作物所需最多的三大营养元素肥料。编辑课件7 我国有化肥还远远满足不了农业生产的需求。人均化肥的消费水平仍很低，化肥的品种单一，氮、磷、钾比例失调，还不能满足农业的需求。所以我国化肥工业还需要发展高浓度化肥，加强磷、钾资源的
5、开发。中国5060年代，化肥仅占农用肥料的20%，为发展农业，提高农业产量，化肥工业又了较大的发展。80年代，化肥已高于农家肥，同时生产规模也大型化，如氮肥生产规模已可与1ktd-1合成氨相配套，磷肥生产规模已达1ktd-1P2O5。但化肥成本高利润薄。1988年，中国化肥产量为17.27Mt，其中磷肥为3.618Mt。编辑课件8化肥及其有效成分肥料NP2O5K2O氮肥硫酸铵尿素硝酸铵氯化铵硝酸钾碳酸氢铵21.046.035.026.013.816.817.049.0磷肥过磷酸钙重过磷酸钙热法磷肥磷酸铵12.018.017.139.5154046.052.0钾肥硫酸钾49.854.4氯化钾多元
6、混配肥料粒状肥料粉状肥料液体肥料12.49.39.013.69.05.012.09.25.0编辑课件91.化肥在农业生产中的作用和地位 不可替代密切相关1.1 贡献率贡献率 地球上三大食物生产系统-海洋、草场、土地 在土地生产系统中，过去40年时间里，世界粮食产量增长的源动力是化肥化肥使用量的增加 对粮食增长量的贡献率 肥料 50%遗传改良 35%其它 15%编辑课件101.2 保证粮食安全 人多地少的矛盾日益尖锐，在中国尤甚。20世纪初至中叶-少量化肥-粮食难以保证 1980年代 -化肥为主 -产量大幅度上升 1990年代 -大量化肥 -丰衣足食据预测，至2030年 人口 13-16亿 粮食
7、 400Kg/人-增加1400亿Kg 化肥 增加140亿Kg 编辑课件1119751996年世界化肥消费量走势年世界化肥消费量走势 (来源：FAO单位：100万吨)1.3 化肥消费化肥消费编辑课件12数据来源：中国农业年鉴单位：万吨数据来源：中国农业年鉴单位：万吨编辑课件13肥料施用量肥料施用量(万吨）万吨）1975年以来我国肥料施用量与粮食总产量的变化年以来我国肥料施用量与粮食总产量的变化粮食总产（万吨）、单产（kg/10hm2）编辑课件14第二章 尿素的性质 尿素，又称脲，或碳酰二胺，分子式CO(NH2)2，化学结构式为 ，相对分子质量60.056。1773年，鲁爱尔（Rouelle）在蒸
8、发人尿时，得到固体残渣，再用酒精抽提并蒸干，制得白色尿素结晶。在人类及哺乳动物的尿液中含有这种物质而得名。1828年化学家维勒在实验室里制得尿素，证明了尿素的化学结构。也打破了无机物和有机物的传统界限，成为现代有机化学兴起的标志。编辑课件152.1物理性质 纯尿素在室温下是无色、无味、无臭的针状或棱柱状的结晶体，熔点是132.7,常压下温度超过熔点即分解，含氮量为46.6%，当含有杂质时，略带红色。尿素易溶于水和液氨，也能溶于醇类，不溶于乙醚和氯仿，溶解度随温度升高而增加。温度在30以上时，尿素在液氨中的溶解度较水中溶解度大。尿素的吸湿性低于硝酸铵而大于硫酸铵。编辑课件16编辑课件172.2化
9、学性质1）在水中缓慢水解2）在强酸的溶液中呈现弱碱性，能与酸作用生成盐CO(NH2)2+HNO3H3PO4H2SO4CO(NH2)2HNO3CO(NH2)2H3PO4CO(NH2)2H2SO4编辑课件183）尿素与盐作用生成络合物 CO(NH2)2+Ca(H2PO4)2H2O CO(NH2)2H3PO4+CaHPO4+H2O 其他的尿素的络合物有：Ca(NO3)2CO(NH2)2，NH4ClCO(NH2)2等 尿素与无机酸或盐相互作用的性质，在复合肥料的生产中具有重要的意义。编辑课件194）尿素在高温下可以进行缩合反应 2CO(NH2)2 NH2-CONHCONH2+NH3 NH2-CONHC
10、ONH2+CO(NH2)2 NH2-CONHCONHCONH2+NH3 与甲醛缩合，得到脲醛树脂的合成原料。尿素在常温常压下是稳定的，受热升华的尿素可转变为同分异构物氰酸铵NH4CNO，并分解为氨和氰酸：编辑课件202.3尿素的用途1）肥料尿素是高养分和高效固体氮肥，属中性速效肥料，长期使用不会使土壤发生板结。其分解释放出的CO2也可被作物吸收，促进植物光合作用。在土壤中，尿素能增进磷、钾、镁和钙的有效性，且施入土壤后不存在残存废物。利用尿素可制得掺混肥料、复合肥料。2）工业原料在有机合成工业中，尿素可用来制取高聚物合成材料，尿素甲醛树脂可用于塑料生产、漆料和胶合剂等；在医药工业中，可作为利尿
11、剂、镇静剂、止痛剂等原料。此外在石油、纺织、纤维素、造纸、炸药、制革、染料和选矿等生产中也都需要尿素。3）饲料尿素可用作牛、羊等反刍动物的辅助饲料，反刍动物胃中的微生物将尿素的胺态氮转变为蛋白质，使动物的肉、奶增产。但在饲料中的最高掺入量不得超过反刍动物所需蛋白质量的三分之一。编辑课件21第三章 尿素的生产方法 前叙的1773年鲁爱尔在蒸发尿液获得这种结晶。1828年维勒在实验室首先用氨和HCNO制得尿素。1868年俄国的巴札罗夫提出高压下加热氨基甲酸铵得到尿素：氨和CO2相遇即成为氨基甲酸铵，成为当代尿素工业基础的反应。直到1922年德国法本公司奥堡工厂实现了以氨和二氧化碳为原料生产尿素的工
12、业装置。一直至今。编辑课件221.尿素合成反应的基本原理 由液氨和CO2直接合成尿素的总反应式：这是一个可逆放热反应，受到化学平衡的影响，只能部分转化为尿素。关于合成尿素的反应机理有多种说法。但在工业生产条件下，氨和二氧化碳合成尿素的反应，一般认为是在分二步进行的。molkJHlOHlNHCOgCOlNH/7.103),()()()()(229822223编辑课件23 第一步：甲铵生成反应。氨与二氧化碳作用生成液态中间产物氨基甲酸铵。2NH3（g）+CO2（g）NH2COONH4（l），H=-100.5 kJmol-1 这是一个快速、强放热的可逆反应。若不断把热量取走，足以使甲铵成为液态，则反
13、应易达到平衡，加压则很快。第二步：甲氨脱水反应，生成尿素。NH2COONH4（l）CO(NH2)2(l)+H2O（l），H=27.6kJmol-1编辑课件24 这是一个吸热可逆反应，反应速度缓慢很长时间达到平衡，平衡时转化率一般为5075%。第二步是合成尿素过程的控制反应。此外，反应必须在液相进行（Why，氨基甲酸铵结晶不能直接脱水变成尿素，此反应只有在液相中才能进行，为保持物系处于液态，必须在高压下进行）。大体上说来，合成尿素的过程仍必须在高温高压下于液相中进行反应。在工业装置中实现这两步反应有两种方法：一种是在合成塔中，相继完成两个反应，如水溶液全循环法；另一种是将这两个反应分别在高压甲铵
14、冷凝器和尿素合成塔中进行，如CO2气提法等。编辑课件252.尿素合成反应的化学平衡 在尿素合成反应中，由于转化率的限制，必须使未转化的氨和CO2从液相中释放出来，回收并返回合成系统再循环使用。这存在一个物料在系统中的平衡问题。尿素的合成是一个复杂的气液两相过程，在液相中进行反应反应，气液间又有传质过程。物料分为两相。气相：NH3、CO2、H2O(g)、惰性气体；液相：甲铵、尿素、水、游离氨等构成的熔融液。编辑课件26 当反应达到平衡时有：NH3(g)NH3(l)CO2(g)CO2(l)H2O(g)H2O(l)2NH3(l)+CO2(l)NH2COONH4(l)NH2COONH4(l)CO(NH
15、2)2(l)+H2O(l)气液相传质平衡气液相传质平衡液相化学反应平衡液相化学反应平衡编辑课件272.1 平衡转化率 在工业生产中，通常以尿素的转化率作为衡量尿素合成反应进程的一种量度。由于实际生产中都采用过量氨与CO2反应，所以通常是以CO2为基准来定义尿素的转化率，即：%100COCO%22的物质的量原料中物质的量转化为尿素的）尿素转化率（%100%CO365.1%2）质量（）尿素质量（）尿素质量（式中：式中：1.365尿素摩尔质量与尿素摩尔质量与CO2摩尔质量的比值。摩尔质量的比值。编辑课件28 尿素的平衡转化率是指在一定条件下，合成反应达到化学平衡的转化率。因尿素合成反应体系为多相多组
16、分复杂的混合体系，且偏离理想溶液很大，很难用平衡方程式和平衡常数准确计算。通常采用简化法或经验公式来计算。（1）弗里扎克法（Frejacques）1948年，弗里扎克对尿素反应平衡应用化学热力学理论进行分析，并将结果整理成算图，很方便地由给定T（温度）、a（氨碳比）、b（水碳比）查得x(转化率）。图如下。编辑课件29弗里扎克法编辑课件30 此图的用法是，由已知原料的氨碳比和水碳比，在图上找到进料点的位置，将该点与温度纵坐标上的温度点连一直线，延长并与图中的等温线相交，此交点的平衡转化率即为所求。图内右上角有一个小图，表示反应式CO2+2NH3=CO(NH2)2+H2O的化学平衡常数与温度的关系
17、。作者以纯氨基甲酸铵的转化率实验结果为依据，算出平衡常数，再推广到任意氨碳比和水碳比的一般情况。编辑课件31（2）马罗维克法（Mavrovic）Marvrovic根据大型尿素合成塔连续操作测得的数据发表了经过修改的平衡常数计算平衡转化率的算图。ab编辑课件32 该算图中有五条标线，其具体用法是：当欲确定一个反应的平衡转化率时，首先在标线1上找到点（1），将点（1）与参考点P相连，延长后与平衡常数K线交于点（2），此点为该温度下的平衡常数。再在a及b标线上分别根据进料物的NH3/CO2与H2O/CO2值找出相应的点（4）、（3），连接这两点成一直线，找出与相同b值的参考线的交点（5），将交点（5
18、）与K线上求出的交点（2）相连，并延长与标线4相交于点（6），此点即为所求转化率。用此法得到的尿素转化率与现在高效工业尿素合成塔的运行情况比较接近，比弗里扎克法更准确些。以上两种方法忽视了气液两相并存。甲铵的存在及其浓度的变化影响，都是近似值，其结果最多只可作为定性估计之用。由于此二算图使用方便曾被广泛使用。编辑课件33（3）Kucheryavya经验公式 Kucheryavya于1969年提出了如下尿素平衡转化率的经验公式：适用范围：a=26，b=00.16，t=160230，p=10100。（4）大冢英二经验公式 大冢英二、井上繁于1972年提出下列经验公式。编辑课件34 它适用范围a=3
19、5，b=01，t=170220。（5）上海化工研究院半经验公式 适用范围a=2.54.5，b=0.21.0，t=175195。（6）Gorlovski经验公式 Gorlovski重新回归经验式（3）、（4）的数据得以下经验公式：编辑课件353.尿素合成工艺条件的选择 尿素的合成反应是可逆反应，在确定工艺条件时力求提高反应转化率，使物料每一次通过反应器得到更多的产品，减少未反应的循环量。合成工艺条件决定着整个尿素生产过程的技术路线。影响尿素合成平衡转化率的因素，也即是尿素合成塔正常运行的工艺参数。包括反应温度、氨碳比、水碳比、操作压力、反应物停留时间和惰性气体含量等。下述对影响反应转化率的各个条
20、件分别地进行研究。编辑课件36（1）温度 当氨碳比和水碳比一定时，CO2平衡转化率只决定于温度。图2-2-8按前述Gorlovski平衡经验式作出的。编辑课件37 目前，不同的尿素流程中采用的合成温度为180220,基本上存在两条技术路线。一种是高温、高压、高转化率的路线，优点是一次通过的转化率高，所以分离循环的负荷较小，因而能耗较低，但设备费用高。另一条路线是适当的低温、低压、低转化率，这样可以减少动力消耗和设备投资，但同时必须在降低分离循环的能量方面采取措施。编辑课件38（2）氨碳比及其影响当其他条件相同，提高进料的氨碳比，则CO2平衡转化率增大。图据Gorlovski经验式给出的。（CO
21、2平衡转化率与氨碳比和水碳比的关系）编辑课件39 特点：当氨碳比增加到一定程度，随氨碳比继续增高，或温度的升高，或水碳比的下降，其效果将逐渐降低。过剩氨可抵制缩二脲副反应。提高氨碳比可降低物系的腐蚀性。高温下尿素溶液有强烈腐蚀性，原因之一是尿素异构化生成氰酸铵，后者水解成游离的酸，破坏不锈钢表面的氧化膜，过量氨的存在减少氰酸的生成，减轻腐蚀。提高氨碳比有利于调节操作的热平衡。除了控制进料温度外，加入过量氨以带走反应热，调节和控制合成塔正常温度有效方法。编辑课件40提高氨碳比不利一面：当其他条件相同，物系的饱和蒸气压随氨碳比升高的升高而升高，因此需要提高合成的操作压力才能保持物系处于液态，加重了
22、机、泵的负荷。增高氨碳比虽然提高了CO2转化率，对NH3来说，转化率下降了（如图示）。编辑课件41（3）水碳比 水是尿素合成反应的产物之一。其来源有两方面：一是尿素合成反应的产物，二是现有各种水溶液全循环法中，一定量的随同回收未反应的NH3和CO2带入合成塔中的。从平衡移动原理知，水量增加，不利于尿素的生成。水碳比的增加，返回合成塔的水量也增加，将使尿素的平衡转化率下降，并造成恶性循环。对于全循环法尿素生产，在同样温度和氨碳比条件下，加大水碳比可降低平衡压力，可在较低压力下操作。当压力一定，水的存在提高了液相物系的沸点，也提高了气相物系的冷凝温度，有利于热能回收利用。编辑课件42（4）压力 当
23、原料配比和温度一定，则平衡压力即为定值，所以压力不是独立变量。由于“惰性”气体的存在，实际压力要控制的更高一些，合成压力的高低直接影响压缩动力消耗和有关设备的结构，合成压力的选择是尿素生产经济性的重要决定因素之一。平衡压力与上述三个独立变量的关系：温度升高时，平衡压力也升高。在每一温度下，平衡压力又随着氨碳比而有变化，并存在一最低平衡压力。图2-2-11示出几条等温线是b=0的系统平衡压力与氨碳比的关系。编辑课件43编辑课件44 尿素合成均采用过量NH3，氨碳比大于amin。但不同的工艺路线有着不同的考虑。一种见解是，氨碳比不可过高，保持在amin附近，此时压力接近最低点，动力消耗少，且设备的
24、机械强度要求也低。在较低的氨碳比下，二氧化碳转化率也低，未反应物的循环量大。另一种考虑是采用高氨碳比，此时虽合成压力高，但转化率高了，又带来一系列优点。大体上斯太米卡朋（Stamicarbon）CO2气提法采用前者，而斯那姆（Snamprogetti）NH3气提法和其他非汽提流程则属后者。编辑课件45（5）反应时间 反应时间就是反应物料在合成塔内的停留时间。延长反应时间有利于反应趋近平衡，停留时间越长，出口物料的转化率越接近平衡转化率。但是，单位时间通过合成塔的物料相应减少，而设备的生产能力是进入合成塔的二氧化碳的量与实际转化率的乘积，反应速度随着趋向于平衡转化率越来越慢。缩短反应时间，虽然转
25、化率降低，但生产能力可以提高。选择物料的反应时间应兼顾尿素的转化率和合成塔的生产强度这两个因素。编辑课件46（6）原料纯度（惰性气体含量）原料二氧化碳是合成氨装置中脱除CO2工序的再生气体，通常含有不同量的N2、H2、CH4、Ar、CO等不参与反应的“惰性”气体。这些气体的存在将增加二氧化碳压缩机的负荷。使CO2的浓度降低，使合成反应物系中存在气相，从而为一些NH3、CO2、H2O逸入气相创造了条件，这些气体量越大，气相带走的NH3和CO2越多，不利于液相反应，降低转化率。另一方面，由于惰性气体占据了合成塔内部部分有效容积，使物料停留时间减少，导致转化率降低。一般惰性气体含量每增加1%，转化率约降低0.6%。通常要求二氧化碳原料气的纯度大于98.5%（干基）。编辑课件47 此外，为防止设备腐蚀，在二氧化碳压缩机入口加入一定数量的空气或氧气。这样有可能成为爆炸性气体的危险。原料二氧化碳气体中的硫化物应尽量少，否则会破坏金属表面化膜，一般不允许超过15mg/m3。现代主要生产尿素的工业公司的尿素合成过程工艺条件如下表。编辑课件48
