尿素urea
沿革 1828年，F(xiàn).維勒在實(shí)驗(yàn)室里用氨和氰酸制得尿素，成為第一個(gè)人工合成的有機(jī)化合物，在化學(xué)發(fā)展史上具有重要意義。1868年，俄國(guó)人Α.И.巴扎羅夫提出用氨基甲酸銨脫水法生成尿素。1922年，在德國(guó)實(shí)現(xiàn)了用氨和二氧化碳合成尿素的工業(yè)化生產(chǎn)。
尿素應(yīng)用在肥料方面發(fā)展較慢。其原因較多：①早期的生產(chǎn)技術(shù)不完善，生產(chǎn)費(fèi)用較高；尿素合成塔存在著嚴(yán)重的設(shè)備腐蝕問題，影響生產(chǎn)正常進(jìn)行，直至1953年荷蘭斯塔米卡本公司提出在CO2原料氣中加少量氧氣，才基本上得到解決。②人們對(duì)它的肥效曾發(fā)生過懷疑。近20多年，由于尿素生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，尿素合成已逐漸成為最經(jīng)濟(jì)的氨加工生產(chǎn)氮肥的方法之一。只要施肥方法正確，尿素的肥效與其他氮肥相同（見彩圖），在水田作物中，它比硝態(tài)氮肥的效果好。在亞洲，尿素生產(chǎn)發(fā)展很快。1980年，亞洲國(guó)家氮肥生產(chǎn)能力中尿素約占85％。
2NH3+CO2
NH2CO2NH4
當(dāng)溫度為170～190℃，氨與二氧化碳的摩爾比為2.0，壓力高到足以使反應(yīng)物得以保持液態(tài)時(shí)，甲銨轉(zhuǎn)化成尿素的轉(zhuǎn)化率(以CO2計(jì))為 50％；其反應(yīng)速率隨溫度的提高而增大。當(dāng)溫度不變時(shí)，轉(zhuǎn)化率隨壓力的升高而增大，轉(zhuǎn)化率達(dá)到一定值后，繼續(xù)提高壓力，不再有明顯增大，此時(shí)，幾乎全部反應(yīng)混合物都以液態(tài)存在。
提高氨與二氧化碳的摩爾比，可增大二氧化碳的轉(zhuǎn)化率，降低氨的轉(zhuǎn)化率。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于氨的回收比二氧化碳容易，因此都采用氨過量，一般氨與二氧化碳的摩爾比≥3。反應(yīng)物料中，水的存在將降低轉(zhuǎn)化率，在工業(yè)設(shè)計(jì)中要把循環(huán)物料中的水量降低到最小限度。少量氧（空氣）的存在能阻緩材料的腐蝕。增加反應(yīng)物料的停留時(shí)間能提高轉(zhuǎn)化率，但并不經(jīng)濟(jì)，工藝設(shè)計(jì)中最佳條件的選擇是在經(jīng)濟(jì)合理的情況下，追求單位時(shí)間的最大產(chǎn)量。典型的工藝操作條件是溫度180～200℃、壓力13.8～24.6MPa、氨與二氧化碳摩爾比2.8~4.5、 反應(yīng)物料停留時(shí)間25~40min。
生產(chǎn)工藝 氨和二氧化碳在合成塔內(nèi)，一次反應(yīng)只有55％～72％轉(zhuǎn)化為尿素(以CO2計(jì))，從合成塔出來的物料是含有氨和甲銨的尿素溶液（簡(jiǎn)稱尿液）。在進(jìn)行尿液后加工之前，必須將氨和甲銨分離出去。甲銨分解成氨和二氧化碳是尿素合成反應(yīng)中式(1)的逆反應(yīng)，是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，用加熱、減壓和氣提等手段能促進(jìn)這個(gè)反應(yīng)的進(jìn)行。圍繞著如何回收處理從合成塔里出來的反應(yīng)混合物料，曾發(fā)展了尿素的多種生產(chǎn)工藝。①不循環(huán)工藝和部分循環(huán)工藝:不循環(huán)工藝是指從合成塔出來的物料，經(jīng)減壓至常壓并用蒸汽加熱，將氨和二氧化碳分離出來，尿液送去后加工系統(tǒng)，氨用于生產(chǎn)其他的銨鹽。部分循環(huán)工藝是把從甲銨分解器內(nèi)分解出來的部分氨和二氧化碳，以甲銨水溶液的形式循環(huán)回合成塔。不循環(huán)和部分循環(huán)工藝較簡(jiǎn)單，投資較省、操作費(fèi)用也較低，缺點(diǎn)是要附設(shè)龐大的銨鹽加工系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)上不合理，新的尿素廠則采用全循環(huán)工藝。②全循環(huán)工藝：是把未轉(zhuǎn)化成尿素的氨和二氧化碳，經(jīng)分離后全部循環(huán)返回尿素合成系統(tǒng)。這類工藝因分解、循環(huán)的方法不同而有不同，但主要是水溶液循環(huán)法和氣提法（即解吸法）。
甲銨水溶液循環(huán)法 60年代起被廣泛采用的一類全循環(huán)工藝，是1932年美國(guó)杜邦公司發(fā)明的水溶液全循環(huán)法的進(jìn)一步改進(jìn)。荷蘭、日本、意大利、美國(guó)、瑞士和法國(guó)的幾家公司都有各自的專利，它們的基本工藝相同，但在操作條件選擇、熱量回收方法和節(jié)能手段方面各有特點(diǎn)。典型流程（圖1）
氣提全循環(huán)工藝 這類工藝出現(xiàn)在60年代中期，與其他全循環(huán)工藝的不同點(diǎn)在于用氨、二氧化碳或其他氣體作為氣提劑，在高壓下（或與合成等壓）促使甲銨分解。具有代表性的二氧化碳?xì)馓峁に嚵鞒蹋▓D2）是：
合成塔操作條件;壓力約13.8MPa、溫度180～185℃、氨與二氧化碳的摩爾比約 2.8。設(shè)備采用含鉬的低碳不銹鋼（氣提塔用高鎳鉻不銹鋼）。
氣提法工藝還有多種類型，如意大利斯納姆公司的氨氣氣提工藝、意大利蒙特愛迪生集團(tuán)公司的氨與二氧化碳雙氣提工藝、日本東洋工程公司的節(jié)能型二氧化碳?xì)馓峁に?、中?guó)上?；?/font>研究院等開發(fā)的變換氣氣提與合成氨脫除二氧化碳聯(lián)合生產(chǎn)的工藝等。
氣提技術(shù)的采用，使甲銨的分解與回收可以在較高壓力下進(jìn)行，相應(yīng)地可以回收壓力0.4～0.5MPa的蒸汽供本系統(tǒng)自用，使每噸尿素蒸汽耗量降至1t以下。
由于二氧化碳原料氣中約含有低于 1％的氫氣等可燃?xì)怏w，它與為防腐蝕而加入的氧氣混合在一起，在一定條件下有可能產(chǎn)生爆炸。特別是作為尿素生產(chǎn)尾氣排放時(shí)，正處于爆炸極限內(nèi)(可加入蒸汽縮小其爆炸極限)。為此，斯塔米卡本公司提出采用鉑（鈀）催化劑（見金屬催化劑），在高溫下脫除二氧化碳中的氫氣，這樣可保證尿素安全生產(chǎn)，但增加了投資費(fèi)用及生產(chǎn)成本。
使合成氨－尿素聯(lián)合生產(chǎn)（見彩圖）的變換氣氣提聯(lián)尿法，乃是利用氨生產(chǎn)過程中約含18％二氧化碳的變換氣作為氣提劑，通過氣提和吸收等裝置得到含有二氧化碳的濃甲銨液作為原料生產(chǎn)尿素，脫除二氧化碳后的變換氣則送回氨生產(chǎn)裝置。這種聯(lián)合生產(chǎn)裝置省去了合成氨生產(chǎn)過程中的脫碳工序以及尿素生產(chǎn)需要的整套二氧化碳?jí)嚎s裝置，因而具有流程短、投資省及不存在尾氣爆炸危險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
尿素溶液加工 尿液經(jīng)過兩段蒸發(fā)，即首先在30kPa下把尿液加熱至 130℃以上， 使其蒸濃到 95％；再在3.3kPa下將尿液加熱至約140℃，使其濃度達(dá)到99.5％以上。采用兩段蒸發(fā)的目的，是保證在較低溫度下蒸發(fā)大部分水分，借以減少縮二脲的生成。蒸發(fā)器大多采用升膜式蒸發(fā)器。
?、俳Y(jié)晶法 將尿液蒸濃到約85％，再通過冷卻、結(jié)晶、分離、干燥而得到產(chǎn)品。在結(jié)晶過程中，通入約95℃的熱空氣，使結(jié)晶與干燥同時(shí)進(jìn)行的方法稱為無母液結(jié)晶法。也有采用真空結(jié)晶法，借以充分利用系統(tǒng)的反應(yīng)熱（如三井東壓法）。結(jié)晶法的特點(diǎn)是成品中縮二脲含量＜0.3％，但成品易吸濕、結(jié)塊，一般作工業(yè)尿素用。
?、谒絿娏芊ㄔ炝！∈悄壳笆褂米顝V泛的方法。將99.5％的尿液在造粒塔頂通過噴頭(大多用旋轉(zhuǎn)噴頭)噴成液滴下落，與塔底通入的空氣逆流接觸凝結(jié)、冷卻而成為粒徑0.8～2.5mm的顆粒產(chǎn)品。此法優(yōu)點(diǎn)是消耗動(dòng)力很少，但產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度不高，易破碎；且塔頂排出的空氣含尿素大于100mg/m3，污染大氣，需在造粒塔頂加設(shè)龐大的凈化裝置（見尿素造粒塔）。
?、垲w粒成型法造?！∷絿娏茉炝７óa(chǎn)品強(qiáng)度較低，粒徑較小，抗碎、抗磨強(qiáng)度較差，不能滿足摻混肥料及機(jī)械施肥的需要。60年代起，發(fā)展了顆粒成型法造粒新技術(shù)，即把96％以上的尿液，逐層凝結(jié)在晶種粒子表面而形成顆粒尿素。產(chǎn)品粒度為2～4mm(根據(jù)需要可達(dá)7～11mm)，不但強(qiáng)度高，且不易吸濕結(jié)塊，可以散裝貯存，此法造粒裝置可分盤式造粒、轉(zhuǎn)鼓造粒和流動(dòng)床造粒等。
產(chǎn)品規(guī)格 一般規(guī)定如表中所列指標(biāo)。
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