尿素生产工艺摘要：讨论了尿素的性质、尿素的生产方法、工艺、尿液的加工方法、尿素的贮存方法、尿液的设备合成塔和合成塔的操作控制分析以及尿素在各个领域的应用.本文着重介绍了用水溶液全循环法生产尿素,以及它的发展前景.关键词：尿素尿素生产工艺前言目前，中国是世界上最大的化肥生产和消费大国，合成氨年生产能力已达4222万吨。
但合成氨一直是化工产业的耗能大户。
6月7日～8日，全国合成氨节能改造项目技术交流会在北京召开，明确了“十一五”期间合成氨节能工程在降耗、环保等方面要达到的具体目标。
据了解，十多年来，我国合成氨装置先后经过油改煤、煤改油、油改气和无烟煤改粉煤等多次反复的原料路线改造和节能改造，先后在烃类蒸汽转化工段、变换工段、脱碳工段、控制系统等进行了数十项大型改造。
其中造气炉、炉况监测与系统优化、脱硫系统等技改始终是重点。
但是，由于装置原料路线、资源供应、运输、资金与技术成熟度等诸多方面原因，合成氨节能技术改造的效果始终未能达到预期目标。
到2004年底，合成氨单位能耗平均为1700千克标煤／吨，吨氨平均水平与国际先进水平相差600～700千克标煤。
据了解，合成氨节能改造项目的具体实施由中国化工节能技术协会负责。
1. 概述1.1 尿素性质尿素：学名为碳酰二胺，分子式为CO（NH2）2，相对分子量为60.06。
因最早由人类及哺乳动物的尿液中发现，故称为尿素。
纯净的尿素为无色、无味、无臭的针状或棱柱状的晶体，含氮量46.6%，工业尿素因含有杂质而呈白色或浅黄色。
尿素的熔点在常压下为132.6℃，超过熔点则分解。
尿素较易吸湿，其吸湿性次于硝酸铵而大于硫酸铵，故包装、贮存要注意防潮。
尿素易容于水和液氨，其溶解度随温度升高而增大，尿素还能容于一些有机溶剂，如甲醇、苯等。
常温时，尿素在水中缓慢地进行水解，最初转化为氨基甲酸铵，然后形成碳酸铵，最后分解为厂氨和二氧化碳。
随着温度的升高，水解加快，水解程度也增大，在145℃以上尿素的水解速度剧增。
这一点对尿素的生产有实际的影响，故在循环和蒸发工序应于注意。
但在60℃以下，尿素在酸性、碱性或中性溶液中不会发生水解作用。
尿素在高温下进行缩合反应，生成缩二脲缩三脲和三聚氰酸。
缩二脲会烧伤作物的叶和嫩枝，故应控制产品中缩二脲的含量。
往尿液中加入销铵，对尿素能起到稳定作用。
1.2 尿素目前市场分析今年上半年，尿素市场仍然呈现比较明显的强势特征，产量增加，需求旺盛，市场交投活跃，价格在相对高位运行，基本上是近几年来上半年尿素市场良好走势的一种延续。
具体说来，今年上半年尿素市场主要呈现以下几方面的特点：一是价格先低后高，平均价位居于相对高位。
今年1月份的时候，尿素价格还处于比较低的位置，但在春节过后，尿素价格出现了明显的上涨走势，普遍上涨了150～200元（吨价，下同），高的超过了250元。
3、4月份的时候尿素价格高位盘整，变化不大，5月份后出现了第二波大幅上涨行情，到6月上中旬时，尿素出厂价普遍达到了1820～1900元的高位。
二是尿素产量增加速度较快。
今年上半年我国的尿素产量增加速度较快。
据统计，5月份全国共生产尿素183万吨（折纯，下同），比去年同期的166万吨相比增长了10.1%，1～5月全国共生产尿素877.4万吨，比去年同期的790.4万吨增长了11%。
三是需求量稳步增加。
需求出现了两个新的增长点，替代碳铵和生产高氮复合肥。
四是出口量明显下降。
由于国家严厉的限制政策（特别是上半年），导致上半年我国的尿素出口量明显下降。
据海关统计，5月份我国共出口尿素5.7万吨，比去年同期的26.9万吨下降了78.8%；1～5月我国共出口尿素52.7万吨，比去年同期的85.1万吨下降了37.96%。
五是政策因素对今年尿素市场的影响总体而言不是太大。
上半年的尿素市场总体来说走势相当不错，但下半年的尿素市场则远没有上半年乐观，下半年尿素市场面临的压力比较大，特别是产销矛盾将较为突出，具体来说，主要是以下四大压力。
一是产量增加的压力。
上半年我国尿素产量以10%以上的速度增长，下半年的尿素产量也同样会比较快，主要原因是一些新的尿素装置将建成投产，另外老装置的开工率也将比较高。
按照目前的尿素价格，绝大多数尿素企业都是盈利的，并且不少企业的盈利幅度还相当可观，除非尿素价格再下降200～300元，有些企业才可能因为亏损而减少负荷，从而降低增长速度，否则下半年尿素产量仍将保持比较快的增长速度。
二是需求减少的压力。
我国90%以上的尿素都是用于农业，同时我国70%的农业尿素用量都集中在1～7月份。
相比上半年而言，下半年的旺季时间明显减少。
进入8月份后，全国尿素市场就开始逐渐进入用肥淡季，只有局部地区还有些用肥小旺季及一些工业尿素用量。
总体而言，下半年的尿素需求量明显比上半年要小。
三是出口减少的压力。
下半年国内尿素市场明显产大于销，许多人对尿素出口寄予了希望，但这只不过是一厢情愿。
因为下半年的前几个月尿素出口还是按30%征收关税，即使到了10、11、12月份，尿素出口关税税率下调到15%，实际每吨尿素出口关税仍在200元以上。
届时尿素出口量是否会大幅度增加，还取决于国际尿素市场的价格到底怎么样、与国内尿素价格的价差到底有多大、出口是否合算等。
而从目前国际尿素价格的走势看，出口形势不容乐观。
自4月底后，国际尿素价格一直呈下跌之势，目前波罗的海、美国海湾等部分地区的尿素价格已跌破了200美元大关，这对尿素出口明显不利。
四是冬储的压力。
今年下半年对尿素市场影响比较大的另一个因素是冬储。
生产厂家的冬储心态怎样、经销商的冬储心态怎样以及政府部门对尿素冬储的扶持力度到底有多大，都将对今冬明春的尿素冬储产生比较大的影响，进而对今年下半年特别是临近年底的后几个月的尿素市场产生明显的影响。
从今年下半年尿素市场的具体走势看，7月份及8月中上旬仍会保持比较高的价位，因为这个时候还处在用肥旺季，8月下旬后，随着用肥量的减少，尿素价格会有一个明显的下跌过程，至于尿素价格究竟会下跌到什么位置及何时止跌则主要取决于届时尿素出口状况、冬储情况及尿素生产厂家的产量情况等三个因素。
1.3 尿素的生产方法尿素最先由鲁爱尔于1773年在蒸发人尿时发现的。
1828年佛勒在实验室首先用氨和氰酸合成了尿素：HCON +NH3 =CO（NH2）2此后,出现了以氨基甲酸铵、碳酸铵及氰氨基钙等作为原料的50余种合成尿素的方法.但是因原料难得或因有毒性或因反应条件难以控制或因经济上不合理,在工业上均未得到实现.1868年巴扎罗夫提出高压下加热氨基甲酸铵脱水生成尿素的方法.1922年首先在德国发本公司奥包工厂实现了以NH3和CO2直接合成尿素的工业化生产,从而奠定了现代工业生产尿素的基础.合成氨生产为NH3和CO2直接合成尿素提供了原料.由NH3和CO2合成尿素反应为: 2NH3+CO2＝CO(NH2)2+H2O该反应是放热的可逆反应,其产率受到化学平衡的限制,只能部分的转化为尿素,一般转化率为50～70%.因而,按转化物的循环利用程度,尿素的生产方法可分为不循环法、半循环法和全循环法三种.20世纪60年代以来,全循环法在工业上得到普遍的使用.全循环法是将未转化成尿素氨和二氧化碳经多段蒸馏和分离后,全部返回合成系统循环利用,原料氨利用率达到97%以上.全循环法尿素主要包括四个基本过程:(1)氨和二氧化碳的供应及净化;(2)氨和二氧化碳合成尿素;(3)未反应物的分离与回收;(4)尿素溶液的加工.全循环法依照分离回收方法的不同又可分为热气循环法、气体分离循环法、浆液循环法、水溶液循环法、气提法和等压循环法.其中水溶液循环法和气提法发展最快.水溶液循环法是将未反应的氨和二氧化碳用水吸收生成甲铵或碳酸铵水溶液在循环返回合成系统.根据添加水量的不同水溶液全循环法分为两类.一类是添加水量较多,即H2O/CO2摩尔比近于1者,称为碳酸铵盐水溶液全循环法;另一类是添加水量较少的基本上以甲铵溶液返回系统的,称为甲铵溶液全循环法.后者是前者的改进.水溶液全循环法在尿素生产中一直占有重要的位置,且在不断的改进和发展中.主要有我国的碳酸铵盐水溶液全循环法荷兰的斯塔弭谤水溶液全循环法日本的三井东亚水溶液全循环法等.气提法是利用某一介质在与合成等压的条件下分解甲铵并将分解物返回系统使用的一种方法.按气提介质的不同又可分为二氧化碳气提法、氨气提法、变换气提法气提法是全循环法的发展,具有热量回收完全,低压氨和二氧化碳处理量较少的优点.此外,在简化流程、热能回收、延长运转周期和减少生产费用等方面也都优于水溶液全循环法,是尿素发展的一种方向.具有代表的气提法的流程是荷兰的斯塔米卡帮二氧化碳的气提流程 .1.4 尿素生产的原料对原料的要求,其质量分数为:氨>99.5%,水<0.5%,油<10mg/kg.对原料二氧化碳的要求为:CO2含量>98.5%,H2S含量<15mg/m31.5 尿素的用途尿素的用途非常的广泛，它不仅可以用作肥料，而且还可以用作工业原料以及哺乳动物的饲料。
1.5.1 用作肥料尿素是目前使用的固体氮肥含氮量最高的化肥，其含氮量为硝酸铵的 1.3倍，氯化铵的1.8倍，硫酸铵的2.2倍，碳酸氢铵的2.6倍。
尿素属中性速效肥料，长期使用不会使土壤发生板结。
其分解释放的CO2也可以被农作物吸收，促进植物的光合作用。
在土壤中，尿素能增进磷钾镁和钙的有效性，且施入土壤后无残存废物。
利用尿素可制得掺混肥料及复混肥料。
1.5.2 用作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生产塑料漆料和胶合剂等；在医药工业中，尿素可作为生产利尿剂、镇静剂、止痛剂等的原料。
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要尿素。
1.5.3 用作饲料尿素可用作牛、羊等动物的辅助饲料，哺乳动物胃中的微生物将尿素的胺态氮转变为蛋白质，使肉、奶增产。
但作为饲料的尿素规格和用法有特殊的要求，不能乱用。
2尿素的合成2.1 尿素合成的基本原理液氨和二氧化碳直接合成尿素的总反应式为:2NH3(l)+CO2=CO(NH2)2+H2O这是一个放热体积减小的反应,其反应机理目前有很多的解释,但一般认为,反应在液相中是分两步进行的.首先液氨和二氧化碳反应生成甲铵,故称其为甲铵生成反应:2NH3 (l)+CO2(g) =NH4COONH2(l)该反应是一个体积缩小的强放热反应.在一定的条件下,此反应速率很快,容易达到平衡.且此反应二氧化碳的转化率很高.然后是液态甲铵脱水生成尿素,称为甲铵脱水反应:NH4COONH2(l) =CO(NH2)2(l)+H2O该反应是微吸热反应,平衡转化率不是很高,一般为50%-70%.此步反应的速率很慢是尿素合成中的控制反应.2.2 尿素合成的工艺条件根据前述尿素合成的基本原理可知,影响尿素合成的主要因素有温度、原料的配方压力、反映时间等.2.2.1 温度尿素合成的控制反应是甲铵脱水,它是一个微吸热反应,故提高温度、甲铵脱水速度加快.温度每升10℃,反应速度约增加一倍,因此,从反应速率角度考虑,高温是有利的.目前应选择略高于最高平衡转化率时的温度,故尿素合成塔上部大致为185～200℃;在合成塔的下部,气液两相间的平衡对温度起者决定性的作用.操作温度要低于物系平衡的温度.2.2.2 氨碳比工业生产上,通过综合考虑,一般水溶液全循环法氨碳比应选择在4左右,若利用合成塔副产蒸汽,则氨碳比取3.5以下.2.2.3 水碳比水溶液全循环法中,水碳比一般控制在0.6～0.7;（1）操作压力一般情况下,生产的操作压力要高于合成塔顶物料和该温度下的平衡压力1～3Mpa.对于水溶液全循环法,当温度为190℃和NH3/CO2等于4时,相应的平衡压力是18Mpa左右,故其操作压力是一般为20Mpa左右.（2）反应时间对于反应温度为180～190℃的装置,一般反应时间是40～60min,其转化率可达平衡转化率的90～95%.对于反应温度为200℃个装置,反应时间一般为30min左右,其转化率也接近于平衡转化率.2.3 尿素的生产工艺流程由于目前普遍采用水溶液全循环法生产尿素下面就简述水溶液循环法生产尿素的流程.图3-19是目前在我国得到广泛应用的中压、低压两段分解水溶液全循环法直接造粒尿素工艺流程图。