本发明涉及一种尿素催化水解反应方法，属于化工材料制备技术领域。
背景技术：
已有的尿素催化水解工艺，如中国专利文献(CN101450807A、CN202490568U)等均采用的是磷酸二氢铵和磷酸氢铵作为催化剂，此催化剂的酸性较弱，催化速度较缓慢；另外，尿素催化水解反应中的催化剂在反应过程中会随着系统的在线排污被排掉一部分，造成催化剂的流失，催化剂的减少会造成反应速率降低，无法满足负荷变化要求。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种在线补加催化剂的尿素催化水解方法，可及时补充流失的催化剂，已满足系统负荷变化的要求，保证其进一步反应速度加快。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种在线补加催化剂的尿素催化水解方法，包括以下步骤：
1)用去离子水将催化剂溶解，所用催化剂为磷酸、碳酸、MgO/η-Al2O3、镍和铁混合物、二氧化钛和粉煤灰六种中任一种，其中磷酸或碳酸占水解反应器体积6-12％，MgO/η-Al2O3、镍和铁混合物、二氧化钛和粉煤灰装填量浓度为10-50g/L；
2)将35-55％质量浓度的尿素溶液从尿素储罐送至水解反应器，控制尿素水解反应器的温度在135-180℃，压力在0.4-1.0MPa；使尿素-催化剂溶液达到水解反应器体积的40-60％；
尿素填入量和催化剂填入量按如下公式计算：
m1/w＝V×c×ρ1(1)
m2＝V×a×ρ2(2)
m3＝V×50％×b(3)
式中：m1为干尿素质量，单位为kg；m2为磷酸或碳酸催化剂质量，单位为kg；m3为MgO/η-Al2O3、镍和铁混合物、二氧化钛或粉煤灰催化剂质量，单位为kg；w为尿素溶液质量百分含量；V为水解反应器体积，单位为m3；ρ1为尿素溶液密度，单位为kg/m3；a为催化剂占水解反应器体积百分含量；ρ2为磷酸或碳酸催化剂密度，单位为kg/m3；b为MgO/η-Al2O3、镍和铁混合物、二氧化钛或粉煤灰催化剂填充量浓度，g/L；c为尿素溶液占水解反应器体积的百分数；
3)补加催化剂:
将35-55％质量浓度的尿素溶液送至催化剂箱溶解催化剂，输送的尿素溶液体积为V1,催化剂占有的体积为2aV1，则需要在催化剂箱注入磷酸或碳酸催化剂质量为m4；MgO/η-Al2O3、镍和铁混合物、二氧化钛或粉煤灰催化剂质量为m5
m4＝2aV1ρ2(4)
m5＝2aV1b(5)
水解反应器内的溶液反应1-2周后开始在线排污，打开第六阀门，将水解反应器中的溶液从底部排入到废水池，通过第一体积流量计计算排出溶液的具体体积量，排污量范围在70-100L之间，然后从催化剂供给箱通过催化剂供给泵和第二体积流量计在线补加相同体积的尿素-催化剂溶液。
上述技术方案中，所述的磷酸或碳酸为分析纯试剂；MgO/η-Al2O3、镍和铁混合物、二氧化钛和粉煤灰颗粒尺度分布为1～10mm，平均粒度为4mm；堆积密度约1200-1300kg/m3；比表面积1.3×105m2/kg～2.5×105m2/kg。催化剂供给箱材质为316L，外部设有保温层，工作温度为50-80℃。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：本发明可在线及时补充水解反应器内流失的催化剂，从而克服了因催化剂的减少造成的反应速率降低的缺陷，因此本发明提供的尿素催化水解方法具有反应速度较快、运行费用低较的优点。
附图说明
图1是本发明提供的一种尿素催化水解方法实施例的结构示意图。
图中：1-催化剂供给箱；2-搅拌器；3-催化剂供给泵；4-尿素储罐；5-水解反应器；6-去离子水供给箱；7-就地液位计；8-全隔膜液位计；9-第一体积流量计；10-第二体积流量计、12-第三体积流量计；11-第七阀门；13-第一阀门；14-第二阀门；15-第三阀门；16-第四阀门；17-第五阀门；18-第六阀门；19-废水池。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构、原理和工作过程作进一步的说明。
本发明提供的一种在线补加催化剂的尿素催化水解方法，其包括如下步骤：
1)用去离子水将催化剂溶解，所用催化剂为磷酸、碳酸、MgO/η-Al2O3、镍和铁混合物、二氧化钛和粉煤灰六种中任一种，其中磷酸或碳酸占水解反应器体积6-12％，MgO/η-Al2O3、镍和铁混合物、二氧化钛和粉煤灰装填量浓度为10-50g/L；
2)将35-55％质量浓度的尿素溶液从尿素储罐送至水解反应器，控制尿素水解反应器的温度在135-180℃，压力在0.4-1.0MPa；使尿素-催化剂溶液达到水解反应器体积的40-60％；
尿素填入量和催化剂填入量按如下公式计算：
m1/w＝V×c×ρ1(1)
m2＝V×a×ρ2(2)
m3＝V×50％×b(3)
式中：m1为干尿素质量，单位为kg；m2为磷酸或碳酸催化剂质量，单位为kg；m3为MgO/η-Al2O3、镍和铁混合物、二氧化钛或粉煤灰催化剂质量，单位为kg；w为尿素溶液质量百分含量；V为水解反应器体积，单位为m3；ρ1为尿素溶液密度，单位为kg/m3；a为催化剂占水解反应器体积百分含量；ρ2为磷酸或碳酸催化剂密度，单位为kg/m3；b为MgO/η-Al2O3、镍和铁混合物、二氧化钛或粉煤灰催化剂填充量浓度，g/L；c为尿素溶液占水解反应器体积的百分数；
3)补加催化剂：
将35-55％质量浓度的尿素溶液送至催化剂箱溶解催化剂，输送的尿素溶液体积为V1,催化剂占有的体积为2aV1，则需要在催化剂箱注入磷酸或碳酸催化剂质量为m4；MgO/η-Al2O3、镍和铁混合物、二氧化钛或粉煤灰催化剂质量为m5
m4＝2aV1ρ2(4)
m5＝2aV1b(5)
下面结合附图对本发明的具体实施做进一步的说明：
图1为本发明提供的一种在线补加尿素催化水解方法所用装置的实施例的结构示意图，该装置含有催化剂供给箱1、尿素储罐4、水解反应器5和去离子水供给箱6；所述的尿素储罐4分别通过管路与水解反应器5和催化剂供给箱1连接，在尿素储罐4与水解反应器5的连接管路上设有第二阀门14，在尿素储罐4与催化剂供给箱1之间的连接管路上依次设有第三阀门15和第三体积流量计12；所述的去离子水供给箱6分别通过管路和阀门与水解反应器5和催化剂供给箱1连接；所述的催化剂供给箱1的底部通过管路和催化剂供给泵3与水解反应器5连接，并在管路上设有第五阀门17和第二体积流量计10；在水解反应器5的底部通过管道与废水池相连19连接，在该管路上设有第六阀门18和第一体积流量计9。
启动水解反应器5前，将一定量的催化剂倒入催化剂供给箱1，打开第四阀门16，将去离子水供给箱6里的去离子水注入到催化剂供给箱1，配置的就地液位计7和全隔膜液位计8用于测量催化剂箱液位，液位高于催化剂供给箱高度的4/5‐5/6报警，低于催化剂供给箱高度的1/6‐1/5报警，当液位达到目标液位范围内，关闭第四阀门16，打开搅拌器2溶解催化剂，溶解完成后，打开第五阀门17和催化剂供给泵3，将催化剂溶液全部注入水解反应器5，关闭第五阀门17和催化剂供给泵3，打开第一阀门13，将去离子水供给箱6里的去离子注入水解反应器5，使液位达到水解反应器5的25％，关闭第一阀门13，同时打开第四阀门16，用去离子水供给箱里的去离子水清洗催化剂供给箱1，清洗完毕后，关闭第四阀门16，打开第七阀门11将废水放空，也同时打开第二阀门14，将尿素储罐4的尿素溶液注入水解反应器5，达到解反应器5液位的50％，控制尿素水解反应器的温度在135‐180℃，压力在0.4‐1.0MPa，实现尿素的催化水解。
水解反应器内的溶液反应1-2周后开始在线排污，打开第六阀门18，将水解反应器中的溶液从底部排入到废水池19，通过第一体积流量计9计算排出溶液的具体体积量，排污量范围在70-100L之间，然后从催化剂供给箱通过催化剂供给泵和第二体积流量计在线补加相同体积的尿素-催化剂溶液。
将催化剂供给箱内的溶液从放净口11放空，将去离子水供给箱6中的去离子注入催化剂供给箱1，对装置进行清洗。
实施例
启动空的水解反应器前，将催化剂倒入催化剂供给箱，将去离子水供给箱里的去离子水溶解催化剂，催化剂箱上配置全隔膜液位计和就地液位计，用于测量催化剂箱液位，催化剂箱高1.8米，液位高于1.5米报警，低于0.3米报警。打开催化剂箱顶部的搅拌器2，用于促进催化剂溶解，形成均一溶液；催化剂为磷酸占水解反应器体积6％的量；
将去离子水供给箱6里的去离子注入水解反应器5达到去离子目标设定液位，将催化剂溶液由高压泵3打入水解反应器5，达到催化剂目标设定液位。之后将35％质量浓度的尿素溶液从尿素储罐送至水解反应器，达到尿素溶液目标设定液位，所有溶液占水解反应器体积的50％；控制尿素水解反应器的温度在135℃，压力在0.4MPa，实现尿素的催化水解。
根据上述公式(1)-(3)计算尿素填入量：
尿素溶液质量百分含量w＝35％,其密度ρ1＝1.1×103kg/m3；水解反应器体积V＝5.2m3；催化剂占水解反应器体积百分含量a＝6％；磷酸密度ρ2＝1.69×103kg/m3；干尿素质量m1＝1001kg；磷酸质量m2＝527.3kg。所以应在尿素储罐中加入1001kg的干尿素，溶解成质量百分含量为35％的尿素溶液，然后全部注入水解反应器。催化剂供给箱中应加入527.3kg的催化剂用去离子水溶解后全部注入水解反应器。
根据上述公式(4)-(5)计算催化剂补加量：
1)将35％质量浓度的尿素溶液送至催化剂箱溶解催化剂，尿素溶液体积为V1＝0.5m3,催化剂占有的体积为2aV1＝2×6％×0.5＝0.06m3；催化剂质量为m4＝0.06×1.69×103＝101.4kg。需要将101.4kg的磷酸倒入催化剂供给箱用0.5m3的35％的尿素溶液进行溶解。
2)利用水解反应器排污管道上的体积流量计计算排出的排污量体积为V2，则需要从催化剂箱注入同样体积V2的尿素-催化剂溶液。
3)将催化剂供给箱内的溶液从放净口11放空，将去离子水供给箱6中的去离子注入催化剂供给箱1，对装置进行清洗。