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第一章尿素生产的基本原理及工艺条件的选择 1

第一节尿素合成反应的化学平衡与反应速度 1

一、氨基甲酸铵生成反应的化学平衡 1

目录 1

图1-1固体氨基甲酸铵的离解压力 2

表1-1 积分不同温度下的平衡常数 2

表1-9 P=20公斤／厘米2下，尿素—NH 3

图1-2氨基甲酸铵合成的平衡常数 3

图1-3以温度为函数的CO2亨利系数 5

表1-2二氧化碳亨利系数Hco2 5

二、氨基甲酸铵脱水反应的化学平衡 6

三、尿素合成反应的平衡常数及转化率 6

表1-3不同温度下的Kc值 7

图1-4二氧化碳转化为尿素的转化率 8

图1-5尿素生产的平衡常数 9

图1-6 1nK与1/RT的关系 10

表1-4几种尿素生产装置的设计转化率 11

四、影响尿素合成反应化学平衡的因素 11

图1-7 温度与KC(1)、Kc(2)、Kc的关系 11

图1-8温度对平衡转化率的影响 12

图1-9在NH3/CO2=4条件下，温度对平衡转化率的影响 12

图1-10平衡转化率与NH3/CO2比的关系 12

表1-5 NH3/CO2与CO2转化率的关系 12

五、尿素合成反应平衡压力的影响 13

表1-6 CO2纯度对合成率的影响 13

图1-12在180℃时过量水对转化率的影响 13

图1-13 CO2纯度与总合成率的关系 13

图1-11 平衡转化率与H2O/CO2比的关系 13

表1-7不同氨过量率时的温度与平衡压力 14

图1-14温度与平衡压力的关系 14

图1-15不同H2O/CO2时平衡压力与温度的关系 14

图1-16平衡压力与温度的关系 15

图1-17 CO2—NH3系平衡压力 15

图1-18平衡压力与NH3/CO2的关系 15

图1-19平衡压力与H2O/CO2的关系 15

尿素合成的气—液平衡 16

图1-20气—液系统气液两相界面示意图 16

七、尿素合成的反应速度 17

表1-8甲铵脱水反应的正反应速度常数 17

图1-24尿素生产强度与反应时间的关系 18

八、尿素合成反应工艺条件的选择 18

图1-21 氨基甲酸铵的转化率与加热时间的关系 18

图1-23过量氨存在时，氨基甲酸铵转化为尿素的时间 18

图1-22氨基甲酸铵的转化率与时间的关系 18

第二节未反应物的分离与回收 19

一、未反应物的减压、加热分离 19

图1-25甲铵分解率、氨蒸出率与温度的关系 20

图1-26 甲铵分解率、氨蒸出率与压力的关系 20

—CO2—H2O气液平衡数据 21

二、氨和二氧化碳的回收 23

图1-27 NH3—CO2—H2O系统饱和线的相图 24

图1-28 NH3—CO2—H2O系统氨基甲酸铵相区等温线、等压线和等组分曲线图（饱和溶液） 25

图1-29 NH3—CO2—H2O系甲铵相区溶液等温线、等压线和等组分曲线图（不饱和溶液高于熔点10℃） 27

图1-30 NH3—CO2—H2O系甲铵相区溶液等温线、等压线和等组分曲线图（不饱和溶液高于熔点20℃） 28

图1-31NH3—CO2—H2O系统在40℃下不饱和溶液的相图 29

图1-32 NH3—CO2—H2O系统在60℃下不饱和溶液的相图 30

图1-33 NH3—CO2—H2O系统在80℃下不饱和溶液的相图 31

图1-34 NH3—CO2—H2O系统在100℃下不饱和溶液的相图 32

图1-35 NH3—CO2—H2O系统在120℃下不饱和溶液的相图 33

表1-10式（1-50）～（1-56）中的参数 34

表1-11 P=20公斤／厘米2下，NH3—CO2—H2O系的气液平衡数据 34

表1-12 P=20公斤／厘米2下，NH2—CO2—H2O系的气液平衡数据 35

三、未反应物的汽提分离与回收 35

图1-36 CO2—NH3—Ur·1H2O似三元系气液平衡相图 37

图1-37在130标准大气压下NH3—CO2—Ur·1H2O似三元系统相图 38

图1-38尿液用CO2汽提过程 39

图1-39汽提过程在相图上的表示 40

图1-40汽提压力和温度对汽提效率的影响 41

图1-41NH3—CO2系统的P－T及T－X投影 43

图1-42 NH3—CO2系统 44

表1-13 水对NH3—CO2二元物系冷凝温度的影响 44

四、尾气的爆炸性及预防 45

图1-43 NH3—N2—O2和H2—N2—O2气体混合物的爆炸范围 45

图1-44 H2—NH3—空气混合物的爆炸范围 46

图1-45空气—NH3－（H2+N2）混合气体爆炸范围 46

图1-46 NH3－H2—N2－空气在150℃和175巴条件下爆炸范围 47

图1-47NH3－H2—N2—空气在150℃和40巴条件下爆炸范围 48

图1-48 NH3－CO2－H2O三元系统顶脊线温度－压力－组分图 49

图1－49脱H2反应器出口气体温度与H2含量的关系 51

图1-51 尿素的水解速率和停留时间的关系 52

图1-50尿素的水解速率和温度的关系 52

第三节 尿素溶液的加工 52

一、尿素生产过程中的副反应 52

图1-52 120℃时尿素的水解率 53

图1-53 130℃时尿素的水解率 53

图1-54 140℃时尿素的水解率 53

图1-55 150℃时尿素的水解率 53

图1-56 160℃时尿素的水解率 54

图1-57 170℃时尿素的水解率 54

图1-58 化学平衡时尿素合成溶液中缩二脲的含量 55

表1-14缩二脲实际平衡常数 55

图1-60 NH3—Ur—Bi系统的化学平衡 56

图1-61 NH3—Ur—Bi系统 56

图1-59 NH3—Ur—Bi系统的化学平衡 56

图1-62尿素溶液中缩二脲生成的列线图 57

图1-63尿液中缩二脲生成率 57

图1-64熔融尿素生成缩二脲量与温度、时间的关系 58

图1-65熔融尿素中缩二脲生成速率与温度、时间的关系 58

图1-66 120℃下缩二脲生成率与尿液浓度和时间的关系 58

图1-67 130℃下缩二脲生成率与尿液浓度和时间的关系 59

图1-68 140℃下缩二脲生成率与尿液浓度和时间的关系 59

图1-69150℃下缩二脲生成率与尿液浓度和时间的关系 59

图1-70 160℃下缩二脲生成率与尿液浓度和时间的关系 59

图1-71 170℃下缩二脲生成率与尿液浓度和时间的关系 60

表1-15在尿素和缩二脲的熔融物中、酸、碱对缩二脲生成速度的影响 60

二、蒸发过程工艺条件的选择 60

表1-16尿液第一沸点和第二沸点的温度与压力的关系 61

图1-72尿素溶液密度、蒸汽压力和温度的关系 61

三、结晶过程工艺条件的选择 62

图1-73尿素在水中的溶解度 62

图1-74饱和尿素水溶液的蒸汽压力 63

表1-17尿素在水中的溶解度 64

表1-18缩二脲在水中的溶解度 64

图1-75尿素和缩二脲在水中的溶解度 64

图1-76尿素一缩二脲一水系统 65

第四节尿素生产中有关介质的物化数据 66

一、尿素和尿素溶液 66

表1-19尿素在水中的溶解度 67

图1-77尿素在液氨中的溶解度 67

表1-22尿素在某些溶剂中的溶解度 68

表1-20尿素在液氨中的溶解度 68

表1-21尿素在醇类中的溶解度 68

表1-23常压下尿素溶液和熔融尿素的密度 69

表1-24固体尿素的热容及外推值 69

图1-78固体尿素的热容 70

表1-25尿素水溶液的比热 70

图1-79尿素水溶液的比热 71

表1-26从饱和溶液中结晶尿素的结晶热 71

图1-80尿素晶体在水中的溶解热 72

图1-81 1克分子尿素在X克分子水中的溶解热 72

图1-82尿素的结晶热 73

表1-27尿素溶液的导热系数 73

图1-83尿素水溶液的粘度算图 74

表1-28尿素水溶液的粘度 74

图1-84尿素水溶液的蒸汽压 75

图1-85尿素－氨饱和溶液的蒸汽压 76

图1-86尿素水溶液的表面张力 76

表1-29氨基甲酸铵脱水生成尿素的焓增值△HU 77

图1-87 △HU与温度的关系 77

二、氨基甲酸铵（简称甲铵） 77

图1-88甲铵水溶液的比重 78

表1-30氨基甲酸铵的熔融热△HM 78

表1-31 氨基甲酸铵在水中的溶解度 79

图1-89氨基甲酸铵在水中的溶解度 79

图1-90氨-氨基甲酸铵系统 80

图1-91 NH2COONH4的热容 80

图1-93氨基甲酸铵溶液的比热（二） 81

表1-32固体氨基甲酸铵延伸分子热容 81

图1-92氨基甲酸铵溶液的比热（一） 81

图1-94氨基甲酸铵溶液的分解热 82

三、缩二脲 82

四、氨 83

表1-33液氨（及蒸汽）的密度 84

图1-95液氨的密度 84

表1-34氨的压缩系数A（一） 85

表1-35氨的压缩系数A（二） 85

表1-36氨的热容（一） 85

表1-37氨的热容（二） 86

表1-38氨的热容（三） 86

图1-96氨的热容 87

图1-97液氨的比热 88

图1-98高温高压下氨的比热 89

表1-39饱和状态下氨的热力学性质 90

图1-99氨的压-焓图（一） 92

图1-100氨的压-焓图（二） 93

图1-101氨的温-熵图 94

表1-40氨的导热系数 95

图1-102氨的导热系数 96

表1-41液氨导热系数 97

表1-42氨的粘度 97

图1-103氨的粘度（一） 98

图1-104氨的粘度（二） 99

表1-43液氨的粘度 99

表1-44液氨的表面张力 99

图1-106氨在水中的溶解度（0～100℃，2000毫米汞柱） 100

图1-105液氨的粘度算图 100

五、氨的水溶液 100

图1-107氨在水中的溶解度（10～70℃，0.5～4大气压） 101

表1-45氨水溶液的密度 101

图1-108氨水溶液的密度 102

表1-46氨水的比热 103

图1-109氨水溶液的比热 103

图1-110氨水的比热 104

表1-47氨在水中的积分溶解热 104

图1-111气氨在水中的积分溶解热（18℃时） 105

图1-112氨在水中的积分溶解热（25℃时） 105

图1-113氨溶解热的温度、压力校正值 105

表1-48液氨在水中的微分和积分溶解热 105

表1-49不同碳化度的氨水溶液中氨的积分和微分溶解热 106

图1-114液氨和水的混合热 107

表1-50氨水在20℃下的压缩系数 107

图1-115氨水的粘度 108

图1-116氨水导热系数 108

图1-117氨水溶液的焓－浓图 108

表1-51氨水溶液的蒸汽总压 109

图1-118氨水溶液的蒸汽总压（一） 110

图1-119氨水溶液的蒸汽总压（二） 111

图1-120氨水溶液的蒸汽总压（三） 112

图1-121氨水溶液上氨的分压（一） 113

图1-122氨水溶液上氨的分压（二） 114

图1-123氨水溶液上氨的分压（三） 115

六、二氧化碳 116

表1-52氨水溶液的表面张力 116

表1-53 液态二氧化碳的密度 117

表1-54二氧化碳的压缩系数 117

图1-12二氧化碳的压缩系数 118

表1-55二氧化碳的热容 118

表1-56二氧化碳的定压比热 119

图1-125 CO2的压－焓图 120

图1-126CO2的温－熵图（一） 121

图1-127 CO2的温-熵图（二） 122

图1-128CO2的温－熵图（三） 123

图1-129 CO2的温-熵图（四） 124

表1-57氧化碳的导热系数 125

图1-130二氧化碳的粘度 130

表1-60液态及固态二氧化碳的体膨胀系数 131

表1-58二氯化碳的粘度 131

表1-59液态CO2的表面张力 131

表1-61二氧化碳在水中的溶解度 132

图1-131二氧化碳在水中的溶解度（1～700大气压） 132

图1-132二氧化碳在水中的溶解度（100～700毫米汞柱） 133

表1-62不同碳化度的氨水溶液中二氧化碳的积分与微分溶解热 133

表1-63液态二氧化碳的蒸汽压 134

表1-64二氧化碳的气化热 135

第五节主要工艺条件 135

一、水溶液全循环法流程主要工艺条件 135

二、二氧化碳汽提法流程主要工艺条件 136

三、改良C法流程主要工艺条件 139

参考文献 141

第一节水溶液全循环法流程物料衡算计算条件的确定 143

第二章物科衡算 143

第二节 水溶液全循环法流程物料衡算 145

一、压缩系统 145

二、合成系统 148

三、一段分解系统 150

四、二段分解系统 153

五、一段蒸发系统 154

六、二段蒸发系统 158

七、吸收—解吸系统 160

八、二段吸收系统 163

九、一段吸收系统 165

第三节 尿素生产工艺流程及物料数据 167

图2-1 水溶液全循环法生产尿素的工艺流程 168

一、水溶液全循环法生产尿素的工艺流程及物料数据表 169

表2-1 图2-1的工艺物料数据表 169

二、二氧化碳汽提法生产尿素的工艺流程及物料数据 174

图2-2二氧化碳汽提法生产尿素的工艺流程 174

表2-2 图2-2的工艺物料数据表 176

三、改良C法生产尿素的工艺流程及物料数据 184

图2-3改良C法生产尿素的工艺流程 184

表2-3图2-3的工艺物料数据表 186

表2-4尿素生产方法的消耗定额比较 193

参考文献 193

第三热量衡算 194

第一节水溶液全循环法流程热量衡算 194

一、合成塔 194

二、预分离器 198

三、一段分解塔 202

四、二段分解塔 205

五、闪蒸槽 207

六、一段吸收塔 209

七、氨冷凝器 214

八、惰性气体洗涤器 215

九、二段循环第一冷凝器 217

十、二段循环第二冷凝器 219

十一、一段蒸发器 220

十二、二段蒸发器 224

十三、一段蒸发表面冷凝器 225

十四、二段蒸发表面冷凝器 227

十五、尾气吸收塔 229

十六、解吸塔 231

十七、解吸塔换热器 233

十八、冷却设备耗水量 235

十九、设备用汽量 235

第二节 二氧化碳汽提法工艺流程及热量衡算数据 235

一、蒸汽和冷凝液平衡数据 235

图3-1 二氧化碳汽提法流程蒸汽和冷凝液平衡图 236

表3-1 图3-1的蒸汽和冷凝液数据表 237

二、冷却水平衡数据 239

图3-2二氧化碳汽提法流程冷却水平衡图 239

第三节改良C法流程蒸气、冷凝液、冷却水平衡数据 240

一、蒸汽和冷凝液平衡数据 240

图3-3改良C法流程蒸汽和冷凝液平衡图 240

图3-4改良C法流程冷却水平衡图 242

二、冷却水平衡数据 242

参考文献 243

第四章 主要工艺设备计算 244

一、尿素合成塔有效容积 244

图4-1 尿素合成塔生产强度与转化率的关系 244

二、一段分解加热器 244

三、一段分解塔分离器 249

表4-1 NH3、CO2、H2O的临界温度、临界压力值 250

四、一段吸收塔 250

表4-2不同塔径时的塔板间距 251

图4-2 不同分离空间下动能参数与负荷系数之间的关系 252

图4-3不同气体重度和塔板间距下的CAFO 255

表4-3不同物系的系统因数 255

五、氨冷凝器 263

图4-4平均温差校正系数 265

表4-4系数α与tm的关系 266

表4-5系数α值 266

表4-6系数b值 267

六、二段蒸发加热器 272

图4-5管内流动状态判断图 274

七、气体引射器 277

图4-6引射器 277

图4-7 超音速引射器的设计尺寸图 285

八、水溶液全循环法工艺流程主要设备参数 288

表4-7主要设备的规格与参数 288

九、二氧化碳汽提法工艺流程主要设备参数 294

表4-8主要设备规格与参数 294

表4-9主要设备规格与参数 302

十、改良C法工艺流程主要设备参数 302

参考文献 308

第五章尿素造粒塔 309

第一节 自然通风造粒塔 309

一、自然通风造粒塔 309

图5-1（尿№1～尿№8）尿素造粒塔塔高、塔径的选择及其主要性能系列图 310

二、自然通风造粒塔性能方程组 330

图5-2造粒塔上各符号所表示的位置 331

表5-1颗粒降落垂直方向阻力系数 339

C值 339

图5-3造粒塔进风口 340

图5-4造粒塔排风口 340

表5-3相对湿度的选用 342

表5-2温度系数？1与？2值 342

图5-5（一～五）某些地区气温变化状况图 343

三、颗粒降落运动的轨迹方程 347

表5-4颗粒水平方向运动的阻力系数B值 348

四、造粒塔结构型式的设计要点 348

图5-6多级锥斗示意图 349

第二节机械通风造粒塔 349

一、工艺性能计算 349

二、通风机设备的选择 352

图5-7 65KZ-12型NO15.5轴流化工专用通风机 353

图5-8 CD30KZ-12型轴流通风机 353

第三节造粒塔的热工计算 353

表5-5αt及ααt与风速的关系 354

一、单向热流塔壁温度计算 354

图5-9 三个地区纬度（炎热季）各方位立面上太阳总辐射强度 356

二、平面热流的塔壁内部的温度场计算 358

图5-10计算网格图 359

图5-11 造粒塔塔壁上物料粉尘的吸湿高度检查图 360

三、粘附于塔内壁上的尿素粉尘与空气之间的湿转移平衡界面的检验 362

第四节旋转造粒喷头计算 362

一、等重量密度分布的计算方法 362

图5-12旋转造粒喷头示意图 363

表5-6喷头转数的选择 363

图5-13塔内环带分布图 364

图5-14喷头孔口速度分解合成图 365

表5-7β及ηc值（α=10？，壁厚σ=2毫米） 366

表5-8式（5-80）中采用的K、P、Q、U值 366

表5-9孔口有效面积fe 367

图5-15旋转液层抛物面母线及其在锥形喷头内的状态示例 368

表5-10旋转液层抛物面母线的计算绪果 369

二、等轨迹密度的设计计算方法 369

三、预先布置喷孔的设计计算方法 370

四、性能计算 371

第五节固定造粒喷头的计算 372

图5-16固定喷头及装置 372

一、固定喷头的设计计算 373

图5-17固定喷头打孔位置图 373

图5-18各排孔在平面展开图上的位置 374

二、固定喷头的性能计算 374

图5-19最大喷洒区状况 375

图6-1 00Cr17Ni14Mo2不锈钢衬里的均匀腐蚀 376

第六章 尿素生产中的腐蚀和耐腐蚀材料第一节腐蚀概况 376

图6-2 00Cr17Ni14Mo2不锈钢衬里的晶间腐蚀 377

图6-3 00Cr17Ni14Mo2不锈钢焊缝金属产生铁素体的选择性腐蚀 377

图6-4 00Cr17Ni14Mo2不锈钢堆焊层产生的枝晶间腐蚀 377

图6-5 Cr17Mn14Mo2N不锈钢端产生端晶腐蚀处的组织（650 x奥氏体＋铁素体＋σ相或x相） 378

图5-6螺栓腐蚀后的表面 378

图6-7 00Cr17Ni14Mo2不锈钢衬里板上产生的点蚀坑 378

图6-8 00Cr17Ni14Mo2不锈钢衬里产生应力腐蚀破裂 379

第二节腐蚀原因及其影响因素 380

图6-9不锈钢在尿素－甲铵溶液中的活化和钝化状态 381

表6-1 NH3/CO2比与金属的腐蚀率 382

图6-10 H2S对0X17H16M3T不锈钢在尿素－甲铵溶液中的腐蚀率 382

图6-11尿素－甲铵溶液中的O2含量对金属的腐蚀率 383

表6-2尿素－甲铵溶液中不同的硫化物和氧含量对钛及其合金的腐蚀率 383

表6-3 OX17H16M3T不锈钢在不同温度和不同NH2/CO2比时的腐蚀率 384

图6-12在尿素－甲铵溶液中活化的00Cr17Ni14Mo2不锈钢的腐蚀率与温度的关系 384

表6-4不锈钢中铬含量在尿素－甲铵溶液中的电位和腐蚀率 385

表6-5不同铬含量的不锈钢在活化态／钝化态下需要的氧含量 385

表6-6不锈钢中铬含量与由钝化态转为活化态时所需的时间 385

图6-13尿素－甲铵溶液中铬镍钼不锈钢的镍含量对其在氨基甲酸铵溶液中腐蚀率的影响 386

表6-7 铁素体、α相、x相和奥氏体基体的化学成分 387

表6-8不锈钢焊接接头腐蚀型式与铁素体或σ相的关系 387

第三节尿素用材的选择 387

表6-9 金属材料耐腐蚀性能 388

表6-10第一类材料在尿素－甲铵溶液中的腐蚀率 389

表6-11 铬镍钼奥氏体不锈钢常用焊条 392

表6-14工业纯锆的机械性能 393

表6-12 钛及钛合金的机械性能 393

表6-13工业纯锆所含杂质的化学成份 393

表6-15第二类材料在尿素－甲铵溶液中的腐蚀率 395

表6-16第三类材料在尿素－甲铵溶液中的腐蚀率 397

表6-17第四类材料在尿素－甲铵溶液中的腐蚀率 398

表6-18 第五类材料制造往复式高压甲铵泵缸体的使用寿命 399

表6-19第六类材料制造减压阀阀芯、阀座的使用寿命 399

参考文献 400

附 录 401

附表1中华人民共和国尿素标准 401

附表2几种生产尿素方法产品质量指标 401

附表3苏联尿素质量标准 402

附表4尿素常用不锈钢国内外牌号对照表 403

1．长度 405

2．质量 405

3．时间 405

4．温度 405

附表5常用单位换算表 405

5．物质的量 408

6．面积 408

7．体积 408

8．速度 408

9．密度 409

10．比容 409

11．扩散系数 409

14．力 410

12．体积流量 410

13．质量流量 410

15．压力、应力 411

16．能、功、热量 411

17．功率 412

18．动力粘度 412

19．力矩 412

20．表面张力 413

21．热容、熵 413

22．比热容、比熵 413

23．比能 413

24．导热系数 414

25．传热系数 414