合成氨与尿素生产工艺的风险评估与优化

董正远，靳职武，张 磊，解学仕，王军伟

（1.史丹利农业集团股份有限公司，山东临沭 276700；2.山东省绿色肥料技术创新中心，山东临沭 276700）

在当今的工业生产中，合成氨和尿素的生产工艺扮演着重要的角色。这些产品广泛应用于农业、化工、医药等多个领域，对社会经济发展起着举足轻重的作用。然而，这些物质生产工艺也存在一定的风险，可能对人员安全、生产效率和环境质量产生负面影响。因此，对合成氨和尿素生产工艺的风险进行评估并实施优化策略是十分必要的。

1 合成氨与尿素生产工艺

1.1 合成氨

合成氨，也称为氨合成，是一种重要的化工原料，广泛用于农业肥料、化肥、塑料制造等领域。合成氨的初始原料种类较多，主要为固体、液体以及气体。比如天然气、石脑油、焦炭等。合成氨生产工艺主要分为以下环节：

（1）制备原料气。对于原料气的制备，通常将天然气等初始原料制备成含有H2和N2的粗原料气。比如初始原料为煤或焦炭等固体，一般会使用气化法来制备合成气。而如果初始原料为渣油，则会利用非催化部分氧化法来制备合成气。当初始原料为气态烃类或者石脑油等物质，通过二段蒸汽转化法制备合成气更适合一些。

（2）净化原料气。当完成粗原料气的制备后，需要对其进行净化处理，把原料气中不包括H2和N2的其他成分全部清除干净。这一环节主要有3个部分构成，即变化过程和脱硫脱碳过程及精制过程。详细如下：

①在合成氨的生产过程中，CO的变换过程是必不可少的，无论应用哪一种方法来制备原料气，在所制备的原料气中都会含有CO这种成分。由于合成氨的生产所需的成分是H2与N2，所以CO便成为了杂质物质，需要将其去除。这一除去过程的变换反应为CO + H2O → H2+ CO2。整个CO变换过程处于放热状态，所以为了更好地回收反应热，要采取分段工艺。第一阶段为高温变换，通过相应的技术将CO转化为CO2与H2。第二阶段为低温变换，利用相关技术降低CO含量，使该物质含量不超过0.3。

②不管利用什么初始原料制取原料气，都会有硫和碳的氧化物存在，这些物质有很大概率导致催化剂中毒问题出现。所以，在合成氨前一定要进行脱硫脱碳。比如，如果初始原料为天然气，就需要使用蒸汽转化法，而使用该方法的第一个环节便是脱硫，进而有效实现对催化剂的保护与转化。工业脱硫的方法具有很多种类，其中物理吸收方法与化学吸收方法被广泛应用，比如低温甲醇洗法、聚乙二醇二甲醚法等。当制备的粗原料气经过CO的变换后，全新的变换气中不仅具有H2，还有CO、CO2、CH4等成分。在众多成分中，CO2的含量最高，其不仅是氨合成催化剂的毒物，同时亦是制造尿素等氮肥的重要构成，因此对于变换气中CO2的脱除要对这两方面进行充分考量。基于此，通常会利用溶液吸收法来脱除CO2。

③当粗原料气经过CO地变换和脱硫脱碳以后，还是会有少量的CO和CO2等成分的残留。基于此，为了最大限度防止催化剂中毒，一定要对这些物质的含量进行严格控制。针对于此，利用原料气生产合成氨前，还需要进行最后的净化，这便是精制过程。被广泛应用在精制过程中的方法主要为深冷分离法和甲烷化法。对于深冷分离法的应用，通常会利用液氮洗法，即在小于-100 ℃的环境下，通过液氮吸收分离原料气中的CO。与此同时，该方法也能把其中的甲烷和氩气等物质去除，从而得到纯度较高的氢氮合成气。一般情况下，这种方法会与空分及低温甲醇洗法结合使用。而对于甲烷化法而言，是建立在存在催化剂的基础上进行应用，通过该方法可促使CO、CO2与H2发生化学反应，从而生成甲烷和水。通过对甲烷化法的有效利用，可以将合成气中碳氧化物含量脱除较低水平，但是运用该方法进行净化处理会导致合成气中H2的消耗，增加甲烷的含量。该方法的化学反应式如下：

（3）合成氨。通过对所获得高纯度的氢氮混合气进行高压压缩，同时在催化剂的辅助下，便会生成合成氨。该环节是合成氨生产的重中之重，所以进行的每一项操作都要严格按照相应的工序和标准来实施。其反应式为N2+3H2→2NH3。

在生产过程中，要注意严格按照相关要求进行，如果严格按照上述生产工艺进行操作，便会获得纯度较高的合成氨。

1.2 尿素

尿素（NH2CONH2）是一种化学产品，是最简单的有机化合物的一种，通常情况下，制作尿素的原料为氨气、CO2、天然气、石油、煤等。其中，氨气和CO2是主要原料，被广泛应用尿素的生产中。尿素在社会诸多领域得到了广泛应用，其用途见表1。

目前，尿素的生产工艺主要为高压合成，具体环节如下所示。

（1）合成反应。尿素的合成反应属于氨与CO2的缩合反应，这两种物质经过反应后会生成尿素与水，其化学式为：2NH3+ CO2→NH2CONH2+ H2O。合成反应需要经过下述三步。

①氨合成反应。在高温与高压下将氮与氢进行反应，会生成氨气。在这一过程中需要加入催化剂，其反应化学式为N2+ 3H2→2NH3。

②氨和CO2的反应缩合。通过运用高压反应器，使氨气与CO2共同反应，进而生成尿素与水。在这一过程中也需要加入催化剂，替班情况下反应的压力要保证在140～200 MPa。其反应化学式为2NH3+CO2→NH2CONH2+ H2O。

③溶液蒸发。经过化学反应得到尿素溶液后，利用蒸发器对其实施蒸发处理，将其中的水分去除。经过蒸发处理后可得到尿素的浓缩液，其浓度最低可达到70%，最高可达到85%。

（2）分离纯化。当通过合成反应得到尿素浓缩液后，还需要对其进行分离纯化处理，以此将其中的杂质物质去除，使得尿素变得更加精纯。分离纯化需要经下述四步。

①结晶。利用结晶器对尿素溶液进行结晶处理，将其中的杂质物质去除。在这一过程中要严格把控温度、压力及搅拌速度等条件，如此才能保证结晶的效果和纯度。通过该步骤，可使尿素的纯度达到99%以上。

②洗涤。当尿素结晶以后，需要使用洗涤器对其进行清洗，将其中的杂质与溶液尿素清洗掉，以此来更好保证尿素纯度和质量。

③过滤。当尿素晶体被洗涤后，还要通过过滤器对其进行过滤处理，再次去除其中的杂质物质，提升纯度。

④干燥。通过对过滤后的尿素晶体进行干燥处理，会使其中的水分被进一步去除。经过干燥处理后，尿素的质量会更加稳定，纯度也会更高。此时，可以将尿素直接销售或是根据用途进行相应的加工处理。

在尿素的生产过程中，要严格按照生产工艺各环节与各步骤的要求和标准进行，如此才能得到高质量高纯度的尿素。

2 合成氨与尿素生产工艺的风险评估

2.1 合成氨

由于初始原料和环境的不同，合成氨的生产工艺可能生成以下杂质产物。

（1）乙炔。乙炔是一种不稳定的化合物，会导致合成氨反应过程中出现安全问题。通常情况下，造成乙炔产生的主要原因为催化剂中毒。此外，如果合成氨反应条件不当，也可能促进乙炔的生成；

（2）硫化氢。硫化氢是一种有毒气体，可能对人体健康和设备都造成危害。而造成硫化氢产生的主要原因为合成氨原料气中可能含有硫化氢，这可能是由于原料或气体处理过程中引入的。此外，催化剂中毒也可能导致硫化氢的生成；

（3）CO。CO对人体健康和环境都有危害。造成CO产生的原因为合成氨原料气中可能含有少量CO。这可能是由于原料气制备过程中不完全燃烧或催化剂中毒引起的。

2.2 尿素

基于环境的不同，尿素在生产过程中也有可能生成一些杂质物质，比如：

（1）氨气。氨气的生成会影响尿素的纯度和质量。在尿素的生产过程中，虽然尿素是在高压下合成的，但是在尿素冷凝后，由于部分尿素没有被完全转化，所以氨气就会成为工业尿素的杂质之一。

（2）缩二脲。缩二脲是一种有害物质，会影响尿素的纯度和使用效果。在尿素的生产过程中，如果反应温度过高或者反应时间过长，就可能会产生缩二脲。

（3）甲酰胺。甲酰胺的存在会影响尿素的纯度和使用效果。甲酰胺是在尿素生产过程中由于尿素分解而产生的杂质。它的产生可能与反应条件、原料纯度等因素有关。

3 合成氨与尿素生产工艺的优化

3.1 合成氨

（1）在制备合成氨的原料气时，应使用高质量的煤、天然气或重油等原料，并采用先进的净化技术，如脱硫、脱碳等，以去除杂质成分，特别是乙炔和CO。

（2）在气体进入合成氨装置之前，应进行进一步的处理，如深度的脱硫和脱碳，以减少硫化氢和其他有机硫化物的含量。这可以防止催化剂中毒，并减少硫化氢和有机杂质的生成。

（3）催化剂的选择对合成氨的生产过程具有重要影响。应选择具有高活性和选择性的催化剂以促进氮氢反应，并减少副反应的发生。

（4）通过调整反应温度、压力、气体组成和流速等条件，可以影响合成氨的反应过程。优化这些条件可以促进主反应的进行，减少乙炔、硫化氢和CO等杂质物质的生成。

（5）在合成氨生产过程中，尾气处理也是关键环节。应采用有效的尾气处理技术，如化学吸收、物理吸收或催化转化等，以去除尾气中的杂质物质，特别是乙炔和硫化氢。

（6）定期检查合成氨设备和管道系统，确保其正常运行和密封性。对催化剂进行定期更换或再生，以维持其活性和选择性。

3.2 尿素

除严格控制原料质量、优化反应条件、使用合适添加剂以外，还需要从以下几点着手进行优化。

（1）加强设备维护和管理。定期检查和维护生产设备，确保设备的正常运行和密封性能。避免设备泄漏和损坏，以减少氨气等杂质的产生。

（2）控制氨气和甲酰胺的排放。在尿素生产过程中，要合理设计排放系统，控制氨气和甲酰胺的排放量。通过有效的洗涤、吸收和回收等技术手段，减少氨气和甲酰胺的排放，降低对环境的影响。

（3）加强产品检测和质量控制。对生产出的尿素进行定期的质量检测和纯度分析，确保产品符合要求。及时发现和处理杂质问题，避免不合格产品进入市场。

（4）培训和提升员工技能。加强员工培训，提升员工对尿素生产工艺和杂质控制的认知和技能水平。让员工能够熟练掌握操作规程和质量控制要求，确保生产过程的稳定性和产品质量。

4 结语

总而言之，合成氨与尿素是人们生产生活中不可或缺的，可以有效提高人们的生产生活质量，推动社会的发展。所以，应提升对合成氨与尿素生产的重视，积极优化生产工艺，以此来提升合成氨与尿素的生产效率，保证生产质量，规避各种风险，实现安全生产。