化工工艺学课件薛荣书、谭世语主编第2章化学肥料

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1、化工工艺学第2章化工工艺专业第2章目录2.1氮肥2.1.1尿素2.1.2硝酸铵4.2磷酸和磷肥4.3钾肥4.4复合肥2.1氮肥尿素是最主要的化学肥料，农业需求大，产量大，工业规模大，生产技术先进。2.1.1.1尿素的主要性质和用途尿素Urea，分子式为CO(NH2)2，分子量60.06。尿素易溶于水和液氨。尿素有吸湿性，易潮解。尿素在强酸溶液中呈弱碱性，能与酸作用生成盐。尿素与盐类作用可生成络合物。Ca(H2PO4)2•H2O+CO(NH2)2=CO(NH2)2•H3PO4+CaHPO4+H2O2.1.1尿素尿素在水中会水解，生成氨和二氧化碳，但常温下很慢。尿素水溶液持续加热可生成缩二脲2

2、NH2CONH2=NH2CONHCONH2+NH3降低压力、升高温度和延长加热时间都会加剧上述反应。但当有氨时，压力为10.1~20.2MPa缩二脲和氨可逆向生成尿素。这一点在尿素生产过程中很重要。尿素最重要的用途是作肥料，含氮量46%以上。尿素实际上是在土壤中转变成碳酸铵后水解及硝化被植物吸收的。2.1.1.2尿素生产基本原理1.尿素合成反应的化学平衡工业合成尿素的反应通常认为分两步2NH3(aq)+CO2(aq)=NH4COONH2(aq)快NH4COONH2(aq)=CO(NH2)2(aq)+H2O慢第一反应放热很多，H1=-86.93kJ/mol;第二反应吸热，H1=28.45

3、kJ/mol。反应体系为5组分多相平衡体系，除化学平衡外，还有气液平衡：NH3(g)=NH3(aq)CO2(g)=CO2(aq)H2O(g)=H2O(aq)尿素生产是在高压下进行的，所以体系偏离理想溶液很远。几个平衡计算的经验公式如下。二氧化碳平衡转化率x=34.28a-1.77a2-29.30b+3.699ab+0.09129t-0.07482at-5.395×10-6t3+0.002293P-112.1(2.1.1)式中a,b分别为初始反应物中氨碳、水碳摩尔比；t为反应温度，°C；P为体系绝对压力，0.1MPa。上海化工研究院在氨碳比2.5~4.5,水碳比0.2~1.0，温度75~19

4、5°C条件得出的公式为x=14.87a-1.322a2+20.7ab-1.83a2b+167.6b-1.217bt+5.908t-0.01375t2-591.1(2.1.2)注意上式平衡转化率以百分数表示。上述公式间相互有误差，一个重要原因是忽略了惰性气体影响。一个较好模型为：氨基甲酸铵液相浓度K2，K4和虚拟纯氨饱和蒸汽压可从图4-1查到。模型虽比经验公式大有改进，但未计算活度系数，所以某些点仍有较大偏差。用上述公式计算时先计算在气相中的量，再计算液相中实际氨碳比和水碳比，然后代入转化率公式求解。K2K41000/TlogK1000/TlogpNH3*尿素合成总反应．2NH3(l)+CO

5、2(l)=CO(NH2)2(l)+H2O(l)化学平衡常数的经验关系为：(4.1-4)或(4.1-6)K取决于K3和甲铵离解常数K1。温度190~200°C时，K3随T升高而增大，转化率增加。但温度很高，K1为主，温度升高使甲铵浓度下降，所以总平衡常数有一个最大值，此时的平衡转化率最高。图2.1Mavrovic平衡转化率算图2.影响尿素合成反应化学平衡的因素(1)温度的影响温度较低时平衡转化率随温度升高而增加，在195~200°C时达最大，温度再高，平衡转化率反而下降。尿素平衡转化率与温度的关系如图2.2。工业生产中，除考虑平衡转化率外，还要考虑腐蚀等，一般为180~200°C.17018

6、0190200210(2)组成的影响CO2过量影响小，氨过量提高转化率明显。氨碳比的影响如图2.3.全循环法4.0，汽提法2.8~2.9。水碳比增加0.1,转化率可下降约1％。全循环法0.65~0.7，汽提法0.3~0.4。图2.3(3)压力的影响对液相反应压力影响很小。但由于体系存在气液平衡，操作压力不能小于平衡压力。平衡压力与温度的关系如图2.4。平衡压力与组成的关系很复杂，实验得出的关系如图2.5。图2.4图2.5最低平衡压力下的氨碳比经验式：amin=0.01519t+0.005626tb-0.7287b-1.78×10-3(2.1.3)全循环法，合成塔顶压力约16.7MPa；汽提

7、法，合成塔顶压力约11.8MPa。相平衡计算很复杂,综合诸因素有下列经验公式P=54.75a-10.1ab-90.25b-0.1502at+2.059×104b/t-3.581t+2.099×10-2t2(2.1.4)式中P为表压，0.1MPa；温度175~195°C，水碳比0.2~1.0，氨碳比较高。3.尿素合成过程的相平衡另一个经验公式为：气相氨碳比气相中可忽略尿素和水，液相中将尿素和水看成一个组分，可将体系简化为三