合成氨與尿素生產(chǎn)工藝的風險評估與優(yōu)化

董正遠，靳職武，張 磊，解學仕，王軍偉

（1.史丹利農(nóng)業(yè)集團股份有限公司，山東臨沭 276700；2.山東省綠色肥料技術(shù)創(chuàng)新中心，山東臨沭 276700）

在當今的工業(yè)生產(chǎn)中，合成氨和尿素的生產(chǎn)工藝扮演著重要的角色。這些產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、化工、醫(yī)藥等多個領(lǐng)域，對社會經(jīng)濟發(fā)展起著舉足輕重的作用。然而，這些物質(zhì)生產(chǎn)工藝也存在一定的風險，可能對人員安全、生產(chǎn)效率和環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生負面影響。因此，對合成氨和尿素生產(chǎn)工藝的風險進行評估并實施優(yōu)化策略是十分必要的。

1 合成氨與尿素生產(chǎn)工藝

1.1 合成氨

合成氨，也稱為氨合成，是一種重要的化工原料，廣泛用于農(nóng)業(yè)肥料、化肥、塑料制造等領(lǐng)域。合成氨的初始原料種類較多，主要為固體、液體以及氣體。比如天然氣、石腦油、焦炭等。合成氨生產(chǎn)工藝主要分為以下環(huán)節(jié)：

（1）制備原料氣。對于原料氣的制備，通常將天然氣等初始原料制備成含有H2和N2的粗原料氣。比如初始原料為煤或焦炭等固體，一般會使用氣化法來制備合成氣。而如果初始原料為渣油，則會利用非催化部分氧化法來制備合成氣。當初始原料為氣態(tài)烴類或者石腦油等物質(zhì)，通過二段蒸汽轉(zhuǎn)化法制備合成氣更適合一些。

（2）凈化原料氣。當完成粗原料氣的制備后，需要對其進行凈化處理，把原料氣中不包括H2和N2的其他成分全部清除干凈。這一環(huán)節(jié)主要有3個部分構(gòu)成，即變化過程和脫硫脫碳過程及精制過程。詳細如下：

①在合成氨的生產(chǎn)過程中，CO的變換過程是必不可少的，無論應(yīng)用哪一種方法來制備原料氣，在所制備的原料氣中都會含有CO這種成分。由于合成氨的生產(chǎn)所需的成分是H2與N2，所以CO便成為了雜質(zhì)物質(zhì)，需要將其去除。這一除去過程的變換反應(yīng)為CO + H2O → H2+ CO2。整個CO變換過程處于放熱狀態(tài)，所以為了更好地回收反應(yīng)熱，要采取分段工藝。第一階段為高溫變換，通過相應(yīng)的技術(shù)將CO轉(zhuǎn)化為CO2與H2。第二階段為低溫變換，利用相關(guān)技術(shù)降低CO含量，使該物質(zhì)含量不超過0.3。

②不管利用什么初始原料制取原料氣，都會有硫和碳的氧化物存在，這些物質(zhì)有很大概率導致催化劑中毒問題出現(xiàn)。所以，在合成氨前一定要進行脫硫脫碳。比如，如果初始原料為天然氣，就需要使用蒸汽轉(zhuǎn)化法，而使用該方法的第一個環(huán)節(jié)便是脫硫，進而有效實現(xiàn)對催化劑的保護與轉(zhuǎn)化。工業(yè)脫硫的方法具有很多種類，其中物理吸收方法與化學吸收方法被廣泛應(yīng)用，比如低溫甲醇洗法、聚乙二醇二甲醚法等。當制備的粗原料氣經(jīng)過CO的變換后，全新的變換氣中不僅具有H2，還有CO、CO2、CH4等成分。在眾多成分中，CO2的含量最高，其不僅是氨合成催化劑的毒物，同時亦是制造尿素等氮肥的重要構(gòu)成，因此對于變換氣中CO2的脫除要對這兩方面進行充分考量?；诖?，通常會利用溶液吸收法來脫除CO2。

③當粗原料氣經(jīng)過CO地變換和脫硫脫碳以后，還是會有少量的CO和CO2等成分的殘留?；诖耍瑸榱俗畲笙薅确乐勾呋瘎┲卸?，一定要對這些物質(zhì)的含量進行嚴格控制。針對于此，利用原料氣生產(chǎn)合成氨前，還需要進行最后的凈化，這便是精制過程。被廣泛應(yīng)用在精制過程中的方法主要為深冷分離法和甲烷化法。對于深冷分離法的應(yīng)用，通常會利用液氮洗法，即在小于-100 ℃的環(huán)境下，通過液氮吸收分離原料氣中的CO。與此同時，該方法也能把其中的甲烷和氬氣等物質(zhì)去除，從而得到純度較高的氫氮合成氣。一般情況下，這種方法會與空分及低溫甲醇洗法結(jié)合使用。而對于甲烷化法而言，是建立在存在催化劑的基礎(chǔ)上進行應(yīng)用，通過該方法可促使CO、CO2與H2發(fā)生化學反應(yīng)，從而生成甲烷和水。通過對甲烷化法的有效利用，可以將合成氣中碳氧化物含量脫除較低水平，但是運用該方法進行凈化處理會導致合成氣中H2的消耗，增加甲烷的含量。該方法的化學反應(yīng)式如下：

（3）合成氨。通過對所獲得高純度的氫氮混合氣進行高壓壓縮，同時在催化劑的輔助下，便會生成合成氨。該環(huán)節(jié)是合成氨生產(chǎn)的重中之重，所以進行的每一項操作都要嚴格按照相應(yīng)的工序和標準來實施。其反應(yīng)式為N2+3H2→2NH3。

在生產(chǎn)過程中，要注意嚴格按照相關(guān)要求進行，如果嚴格按照上述生產(chǎn)工藝進行操作，便會獲得純度較高的合成氨。

1.2 尿素

尿素（NH2CONH2）是一種化學產(chǎn)品，是最簡單的有機化合物的一種，通常情況下，制作尿素的原料為氨氣、CO2、天然氣、石油、煤等。其中，氨氣和CO2是主要原料，被廣泛應(yīng)用尿素的生產(chǎn)中。尿素在社會諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其用途見表1。

目前，尿素的生產(chǎn)工藝主要為高壓合成，具體環(huán)節(jié)如下所示。

（1）合成反應(yīng)。尿素的合成反應(yīng)屬于氨與CO2的縮合反應(yīng)，這兩種物質(zhì)經(jīng)過反應(yīng)后會生成尿素與水，其化學式為：2NH3+ CO2→NH2CONH2+ H2O。合成反應(yīng)需要經(jīng)過下述三步。

①氨合成反應(yīng)。在高溫與高壓下將氮與氫進行反應(yīng)，會生成氨氣。在這一過程中需要加入催化劑，其反應(yīng)化學式為N2+ 3H2→2NH3。

②氨和CO2的反應(yīng)縮合。通過運用高壓反應(yīng)器，使氨氣與CO2共同反應(yīng)，進而生成尿素與水。在這一過程中也需要加入催化劑，替班情況下反應(yīng)的壓力要保證在140～200 MPa。其反應(yīng)化學式為2NH3+CO2→NH2CONH2+ H2O。

③溶液蒸發(fā)。經(jīng)過化學反應(yīng)得到尿素溶液后，利用蒸發(fā)器對其實施蒸發(fā)處理，將其中的水分去除。經(jīng)過蒸發(fā)處理后可得到尿素的濃縮液，其濃度最低可達到70%，最高可達到85%。

（2）分離純化。當通過合成反應(yīng)得到尿素濃縮液后，還需要對其進行分離純化處理，以此將其中的雜質(zhì)物質(zhì)去除，使得尿素變得更加精純。分離純化需要經(jīng)下述四步。

①結(jié)晶。利用結(jié)晶器對尿素溶液進行結(jié)晶處理，將其中的雜質(zhì)物質(zhì)去除。在這一過程中要嚴格把控溫度、壓力及攪拌速度等條件，如此才能保證結(jié)晶的效果和純度。通過該步驟，可使尿素的純度達到99%以上。

②洗滌。當尿素結(jié)晶以后，需要使用洗滌器對其進行清洗，將其中的雜質(zhì)與溶液尿素清洗掉，以此來更好保證尿素純度和質(zhì)量。

③過濾。當尿素晶體被洗滌后，還要通過過濾器對其進行過濾處理，再次去除其中的雜質(zhì)物質(zhì)，提升純度。

④干燥。通過對過濾后的尿素晶體進行干燥處理，會使其中的水分被進一步去除。經(jīng)過干燥處理后，尿素的質(zhì)量會更加穩(wěn)定，純度也會更高。此時，可以將尿素直接銷售或是根據(jù)用途進行相應(yīng)的加工處理。

在尿素的生產(chǎn)過程中，要嚴格按照生產(chǎn)工藝各環(huán)節(jié)與各步驟的要求和標準進行，如此才能得到高質(zhì)量高純度的尿素。

2 合成氨與尿素生產(chǎn)工藝的風險評估

2.1 合成氨

由于初始原料和環(huán)境的不同，合成氨的生產(chǎn)工藝可能生成以下雜質(zhì)產(chǎn)物。

（1）乙炔。乙炔是一種不穩(wěn)定的化合物，會導致合成氨反應(yīng)過程中出現(xiàn)安全問題。通常情況下，造成乙炔產(chǎn)生的主要原因為催化劑中毒。此外，如果合成氨反應(yīng)條件不當，也可能促進乙炔的生成；

（2）硫化氫。硫化氫是一種有毒氣體，可能對人體健康和設(shè)備都造成危害。而造成硫化氫產(chǎn)生的主要原因為合成氨原料氣中可能含有硫化氫，這可能是由于原料或氣體處理過程中引入的。此外，催化劑中毒也可能導致硫化氫的生成；

（3）CO。CO對人體健康和環(huán)境都有危害。造成CO產(chǎn)生的原因為合成氨原料氣中可能含有少量CO。這可能是由于原料氣制備過程中不完全燃燒或催化劑中毒引起的。

2.2 尿素

基于環(huán)境的不同，尿素在生產(chǎn)過程中也有可能生成一些雜質(zhì)物質(zhì)，比如：

（1）氨氣。氨氣的生成會影響尿素的純度和質(zhì)量。在尿素的生產(chǎn)過程中，雖然尿素是在高壓下合成的，但是在尿素冷凝后，由于部分尿素沒有被完全轉(zhuǎn)化，所以氨氣就會成為工業(yè)尿素的雜質(zhì)之一。

（2）縮二脲?？s二脲是一種有害物質(zhì)，會影響尿素的純度和使用效果。在尿素的生產(chǎn)過程中，如果反應(yīng)溫度過高或者反應(yīng)時間過長，就可能會產(chǎn)生縮二脲。

（3）甲酰胺。甲酰胺的存在會影響尿素的純度和使用效果。甲酰胺是在尿素生產(chǎn)過程中由于尿素分解而產(chǎn)生的雜質(zhì)。它的產(chǎn)生可能與反應(yīng)條件、原料純度等因素有關(guān)。

3 合成氨與尿素生產(chǎn)工藝的優(yōu)化

3.1 合成氨

（1）在制備合成氨的原料氣時，應(yīng)使用高質(zhì)量的煤、天然氣或重油等原料，并采用先進的凈化技術(shù)，如脫硫、脫碳等，以去除雜質(zhì)成分，特別是乙炔和CO。

（2）在氣體進入合成氨裝置之前，應(yīng)進行進一步的處理，如深度的脫硫和脫碳，以減少硫化氫和其他有機硫化物的含量。這可以防止催化劑中毒，并減少硫化氫和有機雜質(zhì)的生成。

（3）催化劑的選擇對合成氨的生產(chǎn)過程具有重要影響。應(yīng)選擇具有高活性和選擇性的催化劑以促進氮氫反應(yīng)，并減少副反應(yīng)的發(fā)生。

（4）通過調(diào)整反應(yīng)溫度、壓力、氣體組成和流速等條件，可以影響合成氨的反應(yīng)過程。優(yōu)化這些條件可以促進主反應(yīng)的進行，減少乙炔、硫化氫和CO等雜質(zhì)物質(zhì)的生成。

（5）在合成氨生產(chǎn)過程中，尾氣處理也是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。應(yīng)采用有效的尾氣處理技術(shù)，如化學吸收、物理吸收或催化轉(zhuǎn)化等，以去除尾氣中的雜質(zhì)物質(zhì)，特別是乙炔和硫化氫。

（6）定期檢查合成氨設(shè)備和管道系統(tǒng)，確保其正常運行和密封性。對催化劑進行定期更換或再生，以維持其活性和選擇性。

3.2 尿素

除嚴格控制原料質(zhì)量、優(yōu)化反應(yīng)條件、使用合適添加劑以外，還需要從以下幾點著手進行優(yōu)化。

（1）加強設(shè)備維護和管理。定期檢查和維護生產(chǎn)設(shè)備，確保設(shè)備的正常運行和密封性能。避免設(shè)備泄漏和損壞，以減少氨氣等雜質(zhì)的產(chǎn)生。

（2）控制氨氣和甲酰胺的排放。在尿素生產(chǎn)過程中，要合理設(shè)計排放系統(tǒng)，控制氨氣和甲酰胺的排放量。通過有效的洗滌、吸收和回收等技術(shù)手段，減少氨氣和甲酰胺的排放，降低對環(huán)境的影響。

（3）加強產(chǎn)品檢測和質(zhì)量控制。對生產(chǎn)出的尿素進行定期的質(zhì)量檢測和純度分析，確保產(chǎn)品符合要求。及時發(fā)現(xiàn)和處理雜質(zhì)問題，避免不合格產(chǎn)品進入市場。

（4）培訓和提升員工技能。加強員工培訓，提升員工對尿素生產(chǎn)工藝和雜質(zhì)控制的認知和技能水平。讓員工能夠熟練掌握操作規(guī)程和質(zhì)量控制要求，確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。

4 結(jié)語

總而言之，合成氨與尿素是人們生產(chǎn)生活中不可或缺的，可以有效提高人們的生產(chǎn)生活質(zhì)量，推動社會的發(fā)展。所以，應(yīng)提升對合成氨與尿素生產(chǎn)的重視，積極優(yōu)化生產(chǎn)工藝，以此來提升合成氨與尿素的生產(chǎn)效率，保證生產(chǎn)質(zhì)量，規(guī)避各種風險，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。