尿素合成的副反应课件.ppt
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- 尿素 合成 副反应 课件
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1、1 目录目录n第一章第一章 绪论绪论n第二章第二章 尿素生产方法原理尿素生产方法原理n第三章第三章尿素生产尿素生产技术技术n第四章尿素的用途及产品规格第四章尿素的用途及产品规格2第一章第一章 绪论绪论n一、一、尿素的性质尿素的性质n二、尿二、尿素生产技术发展素生产技术发展n三、尿素生产原则流程三、尿素生产原则流程3一、一、尿素的性质尿素的性质n1、结构:、结构:NH2CO NH24n2、物理化学性质、物理化学性质n室温下,无色、无味、无嗅的针状结晶体室温下,无色、无味、无嗅的针状结晶体 一定条件下,斜方棱柱结晶;真空下加热升华。一定条件下,斜方棱柱结晶;真空下加热升华。易溶于水和液氨,且其溶解
2、度随温度升高而升高易溶于水和液氨,且其溶解度随温度升高而升高5n2、物理化学性质、物理化学性质n尿素同分异构化并分解尿素同分异构化并分解nNH2CONH2=NH4CNO=NH3+HNCOn尿素缩合尿素缩合nNH2-CO-NH2+NH2-CO-NH2=H2N-CO-NH-CO-NH2+NH36n缩合产物缩合产物7n尿素水解尿素水解NH2CONH2+H2O=NH4COONH2NH4COONH2+H2O=(NH4)2CO3(NH4)2CO3=2NH3+CO2+H2O8n尿素与有机化合物反应尿素与有机化合物反应尿素与甲醛反应尿素与甲醛反应酸性酸性碱性碱性9二二 尿素生产技术发展尿素生产技术发展1773
3、年年Rouelle首次制得尿素结晶首次制得尿素结晶1828年德国维勒人工合成尿素年德国维勒人工合成尿素1868年巴札罗夫年巴札罗夫NH4COONH2=NH2CONH2+H2O 1922年,第一座合成尿素厂年,第一座合成尿素厂101950年代,开发半循环法、高效半循环法和全循环法年代,开发半循环法、高效半循环法和全循环法1960年代,水溶液全循环法年代,水溶液全循环法1970年代,气提技术年代,气提技术n中国尿素工业的发展中国尿素工业的发展1950年代,实验研究年代,实验研究1960年代,年代,11万万t尿素全循环法工业装置尿素全循环法工业装置1970年代,年代,11三三 尿素生产原则流程尿素生
4、产原则流程尿素化学反应:尿素化学反应:NH3+CO2=NH2CONH2+H2O A.较高温度且液相中较高温度且液相中B.反应可逆且不完全,转化率低反应可逆且不完全,转化率低12尿素生产原则流程尿素生产原则流程13气提技术气提技术实质:在与合成压力相等的压力条件下,用一种气实质:在与合成压力相等的压力条件下,用一种气体介质通过反应物系,伴有加热,只要气相中体介质通过反应物系,伴有加热,只要气相中NH3或或CO2分压低于液相中相应的平衡分压,就分压低于液相中相应的平衡分压,就可使该组分从液相转入气相,从而可把未反应物可使该组分从液相转入气相,从而可把未反应物进行分离。进行分离。14气提法流程气提法
5、流程15尿素生产流程尿素生产流程16第二章第二章 尿素生产方法原理尿素生产方法原理n第一节第一节 尿素的合成尿素的合成n第二节第二节 合成液未反应物的分离与回收合成液未反应物的分离与回收n第第三三节节 尿素溶液的蒸发尿素溶液的蒸发n第第四四节节 尿素的结晶和造粒尿素的结晶和造粒n第第五五节节 尿素生产过程中副反应的防止尿素生产过程中副反应的防止n第第六六节节 尿素生产过程中副反应的三废处理尿素生产过程中副反应的三废处理17第一节第一节 尿素的合成尿素的合成n一、化学平衡一、化学平衡n二、相平衡二、相平衡n三、合成工艺条件的确定三、合成工艺条件的确定n四、尿素合成塔结构的研讨四、尿素合成塔结构的
6、研讨18一、化学平衡一、化学平衡1、尿素化学反应:、尿素化学反应:NH3(g)+CO2(g)=NH4COONH2(l)H=-100.5KJ/mol NH4COONH2(l)=NH2CONH2(l)+H2O(l)H=27.6KJ/mol总的化学反应式:总的化学反应式:NH3+CO2=NH2CONH2+H2O 192、尿素的合成条件、尿素的合成条件高温(高温(180210)高压()高压(1324MPa)液相中)液相中3、相律分析、相律分析组分数组分数=物种数物种数-独立反应数独立反应数自由度数自由度数=组分数组分数 2+相数相数独立变量:氨碳比、水碳比和温度独立变量:氨碳比、水碳比和温度20平衡转
7、化率平衡转化率 x=f(t,A,B,d)x=f(t,a,b)平衡转化率算图平衡转化率算图Frejacques算图算图Mavrovic算图算图21平衡常数平衡常数:K1=(1-x-c)(a+b+x+2c-1)2/c(a-2+2c)2 K2=x(b+x)/(1-x-c)(a+b+x+2c-1)尿素合成系统的热力学模型尿素合成系统的热力学模型22CO2平衡转化率经验公式:平衡转化率经验公式:234、尿素合成的副反应:、尿素合成的副反应:尿素的水解:尿素的水解:NH2CONH2+H2O=NH3+CO2尿素的缩合:尿素的缩合:2NH2CONH2=NH3+NH2CONHCONH2尿素的异构:尿素的异构:N
8、H2CONH2=NH4 N=C=O=NH3+HNCO2425二、相平衡二、相平衡尿素合成过程中相平衡关系对于合成和回收未转化物尿素合成过程中相平衡关系对于合成和回收未转化物的工艺条件的确定是十分重要的的工艺条件的确定是十分重要的1、二元体系:、二元体系:262、三元体系:、三元体系:273、共沸点和顶脊点、共沸点和顶脊点共沸点的特征:温度一定,饱和蒸汽压最低;共沸点的特征:温度一定,饱和蒸汽压最低;压力一定,沸点最高;压力一定,沸点最高;气液平衡组成相同。气液平衡组成相同。顶脊点的特征:压力和溶剂量一定,温度最高;顶脊点的特征:压力和溶剂量一定,温度最高;温度和溶剂量一定,压力最低;温度和溶剂
9、量一定,压力最低;不是三元系统的共沸点。不是三元系统的共沸点。284、四元体系、四元体系29三、合成工艺条件的确定三、合成工艺条件的确定1、温度、温度30极值温度极值温度topt反应物的腐蚀性反应物的腐蚀性尿素合成的技术路线:尿素合成的技术路线:高温、高压、高转化率的路线高温、高压、高转化率的路线低温、低压、低转化率的路线低温、低压、低转化率的路线312、氨碳比、氨碳比提高进料的氨碳比提高进料的氨碳比有利方面:有利方面:CO2平衡转化率增大平衡转化率增大 抑制生成缩二脲的副反应抑制生成缩二脲的副反应 降低物系介质的腐蚀性降低物系介质的腐蚀性 有利于调节操作的热平衡有利于调节操作的热平衡3233
10、不利方面:加重机、泵的复合不利方面:加重机、泵的复合 转化率下降转化率下降343、水碳比、水碳比提高进料的水碳比提高进料的水碳比 CO2平衡转化率降低平衡转化率降低 降低平衡压力降低平衡压力 降低物系介质的腐蚀性降低物系介质的腐蚀性 有利于回收热能的利用有利于回收热能的利用354、压力、压力365、反应时间、反应时间确定反应时间应兼顾转化率和生产能力确定反应时间应兼顾转化率和生产能力反应时间太短,出口转化率明显降低;反应时间太短,出口转化率明显降低;反应时间过长,转化率无大的提高。反应时间过长,转化率无大的提高。376、原料纯度、原料纯度原料液氨的纯度(质量分数)原料液氨的纯度(质量分数)99
11、.5%原料原料CO2的纯度(体积分数)的纯度(体积分数)98.5%3839四、尿素合成塔结构的研讨四、尿素合成塔结构的研讨1、中小型厂的合成塔为空筒,不设置内件,高径比、中小型厂的合成塔为空筒,不设置内件,高径比20,溶液呈平推流。,溶液呈平推流。2、大型厂装有多孔塔板、大型厂装有多孔塔板设置塔板的目的:防止物料反混设置塔板的目的:防止物料反混 加强两相的接触加强两相的接触40413、合成塔中,尿素生成过程、合成塔中,尿素生成过程气相中的气相中的CO2和和NH3通过传质过程进入液相通过传质过程进入液相液相中的液相中的CO2和和NH3化合生成甲胺化合生成甲胺液相中的甲胺转化为尿素和液相中的甲胺转
12、化为尿素和H2O,反应产物,反应产物H2O部分部分转入气相。转入气相。42第二节第二节 合成液未反应物的分离和回收合成液未反应物的分离和回收n一、概述一、概述n二、高压气提分离和高压圈循环二、高压气提分离和高压圈循环n三、中低压分离回收循环三、中低压分离回收循环43一、概述一、概述合成液中分离未反应物的根据合成液中分离未反应物的根据NHNH3 3和和COCO2 2相对于尿素和水的易挥发性;氨基甲酸铵相对于尿素和水的易挥发性;氨基甲酸铵及各种碳酸铵盐的易分解性。及各种碳酸铵盐的易分解性。分解:通过减压、升温、解吸、气提等手段使分解:通过减压、升温、解吸、气提等手段使未反未反应物应物从液相转入气相
13、的过程。从液相转入气相的过程。44合成液未反应物的特点:合成液未反应物的特点:气液气液分离的温度不可太高分离的温度不可太高液体吸收气体的温度不可太低液体吸收气体的温度不可太低返回系统的水量必须控制最少返回系统的水量必须控制最少45二、高压气提分离和高压圈循环二、高压气提分离和高压圈循环1 1、气体法的优点:、气体法的优点:NHNH3 3和和COCO2 2气提出来经冷凝后,气提出来经冷凝后,不用泵可直接返回合成塔。不用泵可直接返回合成塔。NHNH3 3和和COCO2 2混合气体混合气体含有的水蒸气较少。含有的水蒸气较少。NHNH3 3和和COCO2 2混合气体高压下混合气体高压下冷凝,冷凝温度高
14、,放出热量可回收利用。冷凝,冷凝温度高,放出热量可回收利用。462 2、气提过程相图、气提过程相图473 3、高压圈、高压圈合成合成塔塔 气提塔气提塔高压甲铵冷凝器高压甲铵冷凝器484 4、高压甲铵冷凝器高压甲铵冷凝器495 5、高压圈工艺条件高压圈工艺条件5051三、中低压分离回收循环三、中低压分离回收循环1、中低压循环循环系统的总要求、中低压循环循环系统的总要求 将未转化的将未转化的NH3和和CO2完全回收,并尽量完全回收,并尽量减少回收物料中的水含量,且避免尿素的分解和减少回收物料中的水含量,且避免尿素的分解和有害副反应的发生。有害副反应的发生。522、中压级三元相图、中压级三元相图 5
15、33、为什么尿素生产工艺流程的循环工序都有、为什么尿素生产工艺流程的循环工序都有中压级?中压级?回收物的返回方式:纯氨和甲铵液两流股回收物的返回方式:纯氨和甲铵液两流股544、低压级三元相图、低压级三元相图 555、中低压循环的组成部分、中低压循环的组成部分尿素尿素溶液的减压加热分解溶液的减压加热分解 分解气的冷凝吸收分解气的冷凝吸收 56第三节第三节 尿素溶液的蒸发尿素溶液的蒸发1、尿素和水的二元体系相图、尿素和水的二元体系相图572、典型的两段蒸发的条件、典型的两段蒸发的条件真空减压蒸发真空减压蒸发一段:压力一段:压力0.033MPa,温度,温度130,浓缩到,浓缩到95%;蒸出大量水分。
16、;蒸出大量水分。二段:压力二段:压力0.00330.0067MPa,温度,温度140(防结晶),浓缩到(防结晶),浓缩到97%。583、蒸发设备、蒸发设备长管升膜式蒸发器长管升膜式蒸发器预蒸发器预蒸发器蒸汽喷射器蒸汽喷射器 59第四节第四节 尿素的结晶和造粒尿素的结晶和造粒n一、尿素的结晶一、尿素的结晶n二、尿素的造粒二、尿素的造粒60一、尿素的结晶一、尿素的结晶1、结晶:利用尿素的溶解度随温度的降低而、结晶:利用尿素的溶解度随温度的降低而降低的关系,将较高温度下的尿素溶液冷降低的关系,将较高温度下的尿素溶液冷却而析出。却而析出。612、结晶尿素的生产方法、结晶尿素的生产方法常压法:结晶热未得
17、利用,蒸汽和冷却水消耗大。常压法:结晶热未得利用,蒸汽和冷却水消耗大。真空法:有效利用结晶热,防止缩二脲积累。真空法:有效利用结晶热,防止缩二脲积累。62二、尿素的造粒二、尿素的造粒1、粒度尿素产品的优点、粒度尿素产品的优点流动性能好,不易吸潮和结块,便于储存和流动性能好,不易吸潮和结块,便于储存和运输。运输。632、造粒塔造粒、造粒塔造粒原理:将温度约原理:将温度约140的尿素质量分数达的尿素质量分数达99.7%的高浓的高浓度溶液送往几十米的高空,通过喷头的小孔喷洒出来,形度溶液送往几十米的高空,通过喷头的小孔喷洒出来,形成液滴自高空滴落,与自下而上的空气逆流接触而凝固冷成液滴自高空滴落,与
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