UTI工艺的热力学分析 逆流等温尿素合成的热力学分析（1）
作者/来源：沈华民（中国化工学会化肥专业委员会，上海 200062） 日期： 2015-02-11 点击率：5681
中图分类号：TQ441.41 文献标志码：B 文章编号：1003-6490（2014）05-0001-08
1 研究本课题的目的和意义
逆流等温尿素合成塔是UTI热循环工艺开发出的众多创新成果中最引人注目的科研成果。
该成果使尿素合成转化率从传统法的65%提高到75%，经济效益不言而喻。
因为逆流等温合成塔是从传统合成塔发展创新而来的，合成塔的工艺条件——压力、温度、NH3/CO2、H2O/CO2，与传统法相近，因而特别受我国目前运行着的众多传统法尿素装置青睐。仅此一项成果（尿素合成转化率提高），即能使传统法尿素装置吨尿蒸汽消耗降至1.2～1.1 t。同时该项成果还是节能与增产兼顾的先进技术，故而也是扩产改造的首选技术，增产能力在40%～50%（即130 kt/a扩产到190 kt/a）时，合成转化率仍能保持在70%以上。
本课题首先考察传统工业尿素合成存在哪些问题，指出传统尿素合成运行效率低的原因，哪些因素影响转化率的提高。嗣后，对UTI新颖的逆流等温合成法所采取的技改措施开展热力学分析，揭示其高效运行的成功之道及技术关键。
2 传统工业尿素合成存在的的问题
2.1 传统工业尿素合成过程分析［1，2］
通常，工业上传统尿素合成的运行方式如下：三股物流（原料CO2、预热的液氨、以及返回的循环甲铵液）全部从底部进入尿塔，如图1所示。经过理想混合后，原料CO2全部生成甲铵。由于进入的NH3与CO2生成液态甲铵的反应是快速强放热反应，放出的大量反应热会加热混合物料，使物料温度急剧升高，导致底部过热，其结果是使液相物系平衡压迅速升高。若平衡压超过外压时，甲铵反应热还有多余，则生成的液态甲铵将分解为NH3与CO2气体，直到多余的热量全部用完，达到新的气液相平衡。
图1 传统尿塔示意图
底部进料尿塔的过热现象是工业尿素合成物系甲铵生成反应化学平衡与相平衡、焓平衡三者综合的结果。如果甲铵生成热不移走，即在绝热条件下，此现象是不可避免的。其结果是，使底部物料形成气液两相流。
底部进料的尿塔出现气液两相流是普遍的。除了传统法之外，日本改良C法，CO2汽提法，NH3汽提法，以及ACES等塔底都是呈相平衡的气液两股物流。
对于传统法尿塔，当合成工艺条件为p 20 MPa，t 188～190 ℃，NH3/CO2 4.0～4.1，H2O/CO2 0.65时，由计算可知，占20%～25%的原料CO2在塔底尚未生成液态甲铵，或液态甲铵重又分解为NH3与CO2气体，在塔底混合区输出达气液平衡的两股物流，温度为178～180 ℃。之后，进入反应区，进行复合的尿素合成反应。由热力学分析可知，此过程也是在化学平衡（这里是气液相甲铵生成反应和液相中甲铵脱水生成尿素的两个反应）、相平衡和焓平衡条件下进行的。....
