[发明专利]一种氮气和二氧化碳气体同步电化学还原合成尿素的方法

说明书

本发明提供了一种尿素的合成方法，包括以下步骤，由氮气和二氧化碳气体混合后，经电化学反应后，得到尿素。本发明采用了二氧化碳和氮气为原料，同步进行电催化合成尿素，该方法综合考虑了二氧化碳温室气体和占空气体积78％的氮气的综合利用，通过同步电催化反应，在催化剂表面合成尿素，该方法有助于缓解温室气体的排放，环保，设备小型化。在国内去产能的大背景下，该方案的实施具有极大的商业价值和市场前景。本发明提供的电化学合成方法工艺简单，条件温和，设备要求低，效率更高，装置模块化，距离使用地点更近，减少运输费用，更适用于工业生产过程。

技术领域

本发明属于尿素制备技术领域，涉及一种尿素的合成方法，尤其涉及一种N₂和CO₂同步电化学还原合成尿素的方法。

背景技术

尿素，又称碳酰胺(carbamide)，化学式为CO(NH₂)₂，是由碳、氮、氧、氢组成的最简单的有机化合物之一，性状为无色或白色针状或棒状结晶体，虽然结构简单，却是哺乳动物和某些鱼类体内蛋白质代谢分解的主要含氮终产物，而且是一种重要的化工原材料，被广泛应用于农业、医学、化妆品、商业、纺织等领域，更是目前含氮量最高的氮肥。我国尿素年消费量约5600万吨，约为全球总消费量的三分之一。其中农业应用占比约75％，每年农业消费量约为4200万吨，其余为工业应用，总体来看国内消费量将维持低速增长。

工业合成尿素通常是利用液氨和二氧化碳为原料直接合成，常规的生产方式就是在高温高压条件下，在尿素合成塔中反应生成铵基甲酸铵(甲铵)，其中一部分脱水生成尿素，其化学反应式为：

2NH₃+CO₂→NH₂COONH₄→CO(NH₂)₂+H₂O；

虽然，尿素的生产经过较长时间的发展和改进，可以采用不同的压力、温度、氨碳比，形成各种生产工艺，最常用的包括，斯塔米卡邦公司的二氧化碳汽提工艺、斯塔米卡邦公司的改进二氧化碳气提工艺、氨汽提工艺、东洋工程公司(TEC)ACES工艺以及东洋工程公司(TEC)全循环改良C法工艺。但是其整体反应路线和反应核心还是依据的上述反应式，因而，该反应过程依然存在耗能大，有大量废气被排放，环境污染严重；还需要大型的工业设备，既不利于生产效益的提高，也不符合绿色化学的要求；相关的原料液氨的保存需要特殊的设备，万一泄露会对生物、环境产生不可逆的伤害；同时，尿素生产属于资本密集型生产技术，设备大型化，生产地点集中化，远离农田，间接增加运输成本。在实际生产和应用过程中，由于尿素具有吸湿性、特别是夏季高温存储水解挥发的问题，使得大规模制备的尿素存在不易储存等问题，都直接影响的尿素生产企业和下游使用企业。

更主要的是作为合成尿素的原材料之一，氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位，其中约有80％氨用来生产化学肥料，20％为其它化工产品的原料。而氨的制备，则是由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨，属于资本密集型，高污染型操作。为维持该反应条件，每年消耗全球2％的能量，造成全球1.6％的温室气体的排放，引起严重的大气污染和气候变化。

因此，如何找到一种新型的反应方式解决上述问题，减少尿素生产和使用过程中存在的对环境的污染和对人群的危害，使其生产过程更加环保，使用过程更加便利，已逐渐成为领域内诸多研究人员广泛关注的焦点之一。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种尿素的合成方法，特别是一种N₂和CO₂同步电化学还原合成尿素的方法，本发明采用同步电催化反应，在催化剂表面直接合成尿素，有助于缓解温室气体的排放，环保，设备小型化，使用便利化，在国内去产能的大背景下，该方案的实施具有极大的商业价值和市场前景。

本发明提供了一种尿素的合成方法，包括以下步骤：