尿素-科普123

尿素

生物科学2023-02-02 21:28:59百科

[拼音]：niaosu

[外文]：urea

H₂NCONH₂　学名碳酰二胺，以氨和二氧化碳合成的一种主要的氮肥。因人及哺乳动物的尿液中含有这种物质而得名，白色针状或柱状结晶，熔点132.7℃，常压下温度超过熔点即分解。肥料用尿素制成颗粒，易溶于水。将尿素制成亚异丁基二脲可降低溶解度，变成缓释肥料也作为饲料添加剂。工业上还用作制造脲醛树脂、三聚氰胺－甲醛树脂、聚氨酯的原料，在医药、炸药、制革、浮选剂、颜料和石油产品精制（脱蜡）等方面也有广泛的用途。

沿革

1828年，F.维勒在实验室里用氨和氰酸制得尿素，成为第一个人工合成的有机化合物，在化学发展史上具有重要意义。1868年，俄国人Α.И.巴扎罗夫提出用氨基甲酸铵脱水法生成尿素。1922年，在德国实现了用氨和二氧化碳合成尿素的工业化生产。

尿素应用在肥料方面发展较慢。其原因较多：

（1）早期的生产技术不完善，生产费用较高；尿素合成塔存在着严重的设备腐蚀问题，影响生产正常进行，直至1953年荷兰斯塔米卡本公司提出在CO₂原料气中加少量氧气，才基本上得到解决。

（2）人们对它的肥效曾发生过怀疑。近20多年，由于尿素生产技术的不断发展，尿素合成已逐渐成为最经济的氨加工生产氮肥的方法之一。只要施肥方法正确，尿素的肥效与其他氮肥相同（见彩图），在水田作物中，它比硝态氮肥的效果好。在亚洲，尿素生产发展很快。1980年，亚洲国家氮肥生产能力中尿素约占85％。

合成原理和工艺条件

生产尿素的原料是氨和二氧化碳，后者是合成氨厂的副产品。尿素合成反应分两步进行：

（1）氨与二氧化碳作用生成氨基甲酸铵(简称甲铵)；

（2）甲铵脱水生成尿素，其反应式为：

2NH₃+CO₂ 公式符号 NH₂CO₂NH₄+159.47kJ　　　 (1)

NH₂CO₂NH₄ 公式符号 NH₂CONH₂+H₂O-28.49kJ　　(2)

式(1)是强放热反应，在常压下反应速度很慢，加压下则很快。式(2)是温和的吸热反应。

当温度为170～190℃，氨与二氧化碳的摩尔比为2.0，压力高到足以使反应物得以保持液态时，甲铵转化成尿素的转化率(以CO₂计)为 50％；其反应速率随温度的提高而增大。当温度不变时，转化率随压力的升高而增大，转化率达到一定值后，继续提高压力，不再有明显增大，此时，几乎全部反应混合物都以液态存在。

提高氨与二氧化碳的摩尔比，可增大二氧化碳的转化率，降低氨的转化率。在实际生产过程中，由于氨的回收比二氧化碳容易，因此都采用氨过量，一般氨与二氧化碳的摩尔比≥3。反应物料中，水的存在将降低转化率，在工业设计中要把循环物料中的水量降低到最小限度。少量氧（空气）的存在能阻缓材料的腐蚀。增加反应物料的停留时间能提高转化率，但并不经济，工艺设计中最佳条件的选择是在经济合理的情况下，追求单位时间的最大产量。典型的工艺操作条件是温度180～200℃、压力13.8～24.6MPa、氨与二氧化碳摩尔比2.8~4.5、反应物料停留时间25~40min。

生产工艺

氨和二氧化碳在合成塔内，一次反应只有55％～72％转化为尿素(以CO₂计)，从合成塔出来的物料是含有氨和甲铵的尿素溶液（简称尿液）。在进行尿液后加工之前，必须将氨和甲铵分离出去。甲铵分解成氨和二氧化碳是尿素合成反应中式(1)的逆反应，是强吸热反应，用加热、减压和气提等手段能促进这个反应的进行。围绕着如何回收处理从合成塔里出来的反应混合物料，曾发展了尿素的多种生产工艺。

（1）不循环工艺和部分循环工艺:不循环工艺是指从合成塔出来的物料，经减压至常压并用蒸汽加热，将氨和二氧化碳分离出来，尿液送去后加工系统，氨用于生产其他的铵盐。部分循环工艺是把从甲铵分解器内分解出来的部分氨和二氧化碳，以甲铵水溶液的形式循环回合成塔。不循环和部分循环工艺较简单，投资较省、操作费用也较低，缺点是要附设庞大的铵盐加工系统，经济上不合理，新的尿素厂则采用全循环工艺。

（2）全循环工艺：是把未转化成尿素的氨和二氧化碳，经分离后全部循环返回尿素合成系统。这类工艺因分解、循环的方法不同而有不同，但主要是水溶液循环法和气提法（即解吸法）。

甲铵水溶液循环法

60年代起被广泛采用的一类全循环工艺，是1932年美国杜邦公司发明的水溶液全循环法的进一步改进。荷兰、日本、意大利、美国、瑞士和法国的几家公司都有各自的专利，它们的基本工艺相同，但在操作条件选择、热量回收方法和节能手段方面各有特点。典型流程（图1）

的工艺要点是：二氧化碳和氨被水吸收生成甲铵的水溶液，返回尿素合成系统。水的返回降低了转化率，并增加了水的蒸发量，因此，用水量必须降到最低限度。合成系统的条件是温度190～200℃、压力 19.7～24.6MPa，氨与二氧化碳的摩尔比3.5～4.5，合成塔内二氧化碳的一次转化率为62％～72％。氨总回收率大于99％。甲铵分解采用逐级降压多级分解器法，每级中分解出来的气体用下一级生成稀甲铵水溶液吸收，最后返回合成系统。此法工艺流程较多，但其设计都要求：

（1）最大限度地回收热量；

（2）甲铵水溶液的循环量和水量降低到最低水平；

（3）最大限度地降低动力消耗；

（4）氨回收达到最佳值。

气提全循环工艺

这类工艺出现在60年代中期，与其他全循环工艺的不同点在于用氨、二氧化碳或其他气体作为气提剂，在高压下（或与合成等压）促使甲铵分解。具有代表性的二氧化碳气提工艺流程（图2）是：

从合成塔出来的溶液依靠重力流入气提塔。气提塔的结构为列管式的降膜塔，温度保持在180～190℃，溶液在列管内壁成膜从塔顶流向塔底；二氧化碳原料气从塔底进入，向上流动。从气提塔出来的氨和二氧化碳流入高压甲铵冷凝器的顶部，同时还送入稀甲铵循环溶液和一部分由合成塔引出的溶液，保证有足够的溶剂，使甲铵不致析出。从高压甲铵冷凝器底部流出的溶液再返回合成塔，形成循环。从气提塔出来的溶液通过阀降压，然后进入低压分解系统（包括精馏塔、加热器和闪蒸罐）。分离出来的氨和二氧化碳再凝缩成稀甲铵溶液，返回高压系统。

合成塔操作条件;压力约13.8MPa、温度180～185℃、氨与二氧化碳的摩尔比约 2.8。设备采用含钼的低碳不锈钢（气提塔用高镍铬不锈钢）。

气提法工艺还有多种类型，如意大利斯纳姆公司的氨气气提工艺、意大利蒙特爱迪生集团公司的氨与二氧化碳双气提工艺、日本东洋工程公司的节能型二氧化碳气提工艺、中国上海化工研究院等开发的变换气气提与合成氨脱除二氧化碳联合生产的工艺等。

气提技术的采用，使甲铵的分解与回收可以在较高压力下进行，相应地可以回收压力0.4～0.5MPa的蒸汽供本系统自用，使每吨尿素蒸汽耗量降至1t以下。

由于二氧化碳原料气中约含有低于 1％的氢气等可燃气体，它与为防腐蚀而加入的氧气混合在一起，在一定条件下有可能产生爆炸。特别是作为尿素生产尾气排放时，正处于爆炸极限内(可加入蒸汽缩小其爆炸极限)。为此，斯塔米卡本公司提出采用铂（钯）催化剂（见金属催化剂），在高温下脱除二氧化碳中的氢气，这样可保证尿素安全生产，但增加了投资费用及生产成本。

使合成氨－尿素联合生产（见彩图）的变换气气提联尿法，乃是利用氨生产过程中约含18％二氧化碳的变换气作为气提剂，通过气提和吸收等装置得到含有二氧化碳的浓甲铵液作为原料生产尿素，脱除二氧化碳后的变换气则送回氨生产装置。这种联合生产装置省去了合成氨生产过程中的脱碳工序以及尿素生产需要的整套二氧化碳压缩装置，因而具有流程短、投资省及不存在尾气爆炸危险等优点。

尿素溶液加工

尿液经过两段蒸发，即首先在30kPa下把尿液加热至 130℃以上，使其蒸浓到 95％；再在3.3kPa下将尿液加热至约140℃，使其浓度达到99.5％以上。采用两段蒸发的目的，是保证在较低温度下蒸发大部分水分，借以减少缩二脲的生成。蒸发器大多采用升膜式蒸发器。

根据不同要求，可以采用三种方法生产固体尿素。

（1）结晶法　将尿液蒸浓到约85％，再通过冷却、结晶、分离、干燥而得到产品。在结晶过程中，通入约95℃的热空气，使结晶与干燥同时进行的方法称为无母液结晶法。也有采用真空结晶法，借以充分利用系统的反应热（如三井东压法）。结晶法的特点是成品中缩二脲含量＜0.3％，但成品易吸湿、结块，一般作工业尿素用。

（2）塔式喷淋法造粒　是目前使用最广泛的方法。将99.5％的尿液在造粒塔顶通过喷头(大多用旋转喷头)喷成液滴下落，与塔底通入的空气逆流接触凝结、冷却而成为粒径0.8～2.5mm的颗粒产品。此法优点是消耗动力很少，但产品机械强度不高，易破碎；且塔顶排出的空气含尿素大于100mg/m³，污染大气，需在造粒塔顶加设庞大的净化装置（见尿素造粒塔）。

（3）颗粒成型法造粒　塔式喷淋造粒法产品强度较低，粒径较小，抗碎、抗磨强度较差，不能满足掺混肥料及机械施肥的需要。60年代起，发展了颗粒成型法造粒新技术，即把96％以上的尿液，逐层凝结在晶种粒子表面而形成颗粒尿素。产品粒度为2～4mm(根据需要可达7～11mm)，不但强度高，且不易吸湿结块，可以散装贮存，此法造粒装置可分盘式造粒、转鼓造粒和流动床造粒等。