Производство карбамида с двухступенчатой дистилляцией плава и жидкостным рециклом

По физико-химическим показателям карбамид марки Б для 
растениеводства и розничной продажи должен соответствовать требованиям и нормам, указанным в таблице 4.

Таблица 4 – Физико-химические свойства карбамида марки Б

Наименование показателя	Норма для марки Б
	Б (1)			Б (2)
	Высший	Первый	Второй
Внешний вид	Гранулы или кристаллы белого цвета или слегка окрашенные
Продолжение таблицы 4
Массовая доля азота в пересчете на сухое вещество, %, не менее	46,2	46,2	46,2	46,2
Массовая доля биурета, %, не более:	1,4	1,4	1,4	1,5
Массовая доля воды, %, не более:
гигроскопическая	0,3	0,3	0,3	0,3
общая	0,5	0,5	0,6	-
Рассыпчатость, %	100	100	100	-
Гранулометрический состав, %: массовая доля гранул размером, мм:
от 1 до 4, не менее	94	94	94	-
от 2 до 4, не менее	70	50	-	-
менее 1, не более	3	5	5	-
остаток на сите 6 мм	отсутствие	отсутствие	отсутствие	-
Статическая прочность гранул, Мпа (кг/см²), не менее или	1,4 (14)	1,2 (12)	1,2  (12)	-
В пересчете на 1 гранулу, H, (кгс), не менее	7 (0,7)	5 (0,5)	3 (0,3)	-

Б (1) – для растениеводства;

Б (2) – для розничной продажи

По физико-химическим показателям карбамид марки Б для  
животноводства должен соответствовать требованиям и нормам, указанным в таблице 5.

Таблица 5 – Физико-химические свойства карбамида марки Б для  
животноводства

Наименование показателя	Норма
Массовая доля азота в пересчете на сухое вещество, %, не менее	46,0
Массовая доля биурета, %, не более	3,0
Массовая доля свободного аммиака, %, не более	0,03
Массовая доля гигроскопической воды, %, не более	0,3

 

Допускается внесение в карбамид стабилизирующих  
(кондиционирующих) добавок (карбамидо-формальдегидной смолы, сульфата аммония или других веществ, разрешенных государственными санитарными органами), обеспечивающими сохранность товарных свойств продукта при транспортировании и хранении. При использовании стабилизирующих (кондиционирующих) добавок допускается массовая доля азота в пересчете на сухое вещество не менее 45,5 %.

Важный показатель качества – слеживаемость. Она зависит от гигроскопичности соли, формы и размера частиц, давления на продукт, растворимости соли. Карбамид сильно слеживается при длительном хранении и упаковке в горячем  и влажном (свыше 0,5-1% влаги) состоянии. Уменьшения слеживаемости карбамида можно достичь снижением влаги в готовом продукте до 0,2-0,3%.

 

1.3 Сырье для получения мочевины

 

Сырьем для промышленного производства карбамида являются жидкий аммиак и диоксид углерода.

В обычных условиях аммиак представляет собой бесцветный газ с резким удушающим запахом; жидкий аммиак – бесцветная жидкость.

Жидкий аммиак синтетический выпускается двух сортов и должен удовлетворять следующим требованиям, указанным в таблице 6.

Таблица 6 – Требования к аммиаку, пригодному для производства карбамида

Содержание	1-ый сорт	2-й сорт
Аммиак, %, не менее	99,9	99,6
Влага, %, не более	0,1	0,4
Масло, мг/л, не более	10,0	35,0
Железо, мг/л, не более	2,0	Не нормируется

 

При обычных условиях диоксид углерода – бесцветный газ с кисловатым вкусом. Качество диоксида углерода, используемого для синтеза карбамида, должно удовлетворять следующим требованиям, указанным в таблице 7.

Таблица 7 – Требования к диоксиду углерода, пригодному для производства карбамида

Содержание CO2, %, не менее	99
Инертные примеси (H2, N2, CO, CH4), %, не более	1
В том числе водород, %, не более	0,01
Соединения серы, мг/м³, не более	1
Влажность, г/м³	12-25

 

 

2 Физико-химические основы синтеза мочевины

 

Синтез мочевины из аммиака и двуокиси углерода протекает в две стадии. Вначале в результате взаимодействия аммиака NH3 и диоксида углерода CO2 образуется карбамат аммония:

 

CO2 +2NH3 ↔ NH2-CO-ONH4 + q

(1)

 

Во второй стадии карбамат аммония отщепляет воду и превращается в мочевину:

 

NH2-CO-ONH4↔ CO(NH2)2 + H2O – q

(2)

Обе реакции обратимы, поэтому состояние равновесия их и, следовательно, выход мочевины зависит от условий синтеза – температуры, давления, соотношения аммиака и двуокиси углерода и ряда других факторов. В настоящее время влияние различных факторов на процесс синтеза мочевины изучено довольно хорошо, благодаря чему достигаются высокие  
технико-экономические показатели производства.

Реакция (1) протекает, если через водный раствор двуокиси углерода при температуре выше 60°С пропускать аммиак. Карбамат аммония образуется даже при простом соединении аммиака и диоксида углерода. В отсутствие воды образуется только карбамат аммония, в присутствии ее – также и карбонаты аммония (собственно карбонат аммония (NH4)2CO3, бикарбонат аммония NH4HCO3 и сесквикарбонат аммония (NH4)2CO3 ∙ 2NH4HCO3)).

Следует отметить, что вода и карбамат аммония образуют метастабильную систему, т.е. систему, характеризуемую небольшой относительной устойчивостью. Эта система медленно превращается в смесь различных соединений, состав которой зависит от температуры и концентрации карбамата.

Реакция образования карбамата аммония экзотермична, т.е. протекает с выделением тепла. Вследствие расхождения результатов, полученных различными исследователями при определении теплоты образования карбамата аммония, можно принять ее равной 152 Дж/моль при постоянном объеме и  
158 Дж/моль при постоянном давлении. Реакция дегидратации карбамата аммония с образованием мочевины эндотермична, т.е. протекает с поглощением тепла (32,3 Дж/моль). Теплота образования мочевины из аммиака может быть вычислена на основе реакций (1) и (2) и составляет 125,7 Дж/моль.

Таким образом, суммарно процесс образования мочевины идет с выделением тепла. Количество его находится в прямой зависимости от чистоты исходного сырья, степени превращения в мочевину, от избытка аммиака, подаваемого в колонну синтеза и других факторов.

Современные процессы получения карбамида различаются, в основном, по методам использования непрореагировавших аммиака и двуокиси углерода.

Все известные в настоящее время схемы производства карбамида могут быть разделены на 5 основных групп:

1) процессы без рецикла (с переработкой  аммиака в соли аммония);

2) процессы с частичным рециклом  аммиака;

3) процессы с рециркуляциеей  горячих газов;

4) процессы с рециркуляцией углеаммонийных солей в растворе или в виде суспенизии (жидкостный рецикл)

5) процессы, основанные на селективном  извлечении из газовой фазы  одного из компонентов и раздельном  возврате аммиака и двуокиси  углерода в цикл (газовый рецикл).

Процессы производства карбамида с частичным или полным рециклом углеаммонийных солей нашли наиболее широкое применение в промышленности.

 

 

 

3 Основные аппараты по схеме  с частичным рециклом

 

Колонна синтеза предназначена для получения мочевины из аммиака и двуокиси углерода под давлением до 200 атмосфер и при температуре  
180-190°С. Колонна синтеза представлена на рисунке 1.

Рисунок 1  ‒ Колонна синтеза (с защитным стаканом)

1 – корпус высокого давления; 2 – наружный стакан; 3 – внутренний стакан;  
4 – перегородка с прорезями; 5 – внутренне сферическое днище;  
6,10 – уплотнительные кольца; 7 – днище колонны; 8, 12 – фланцы;  
9 – термопара; 11 – крышка колонны

 

Колонна состоит из корпуса 1 высокого давления, крышки 11 и днища 7. Внутри корпуса помещены два вертикальных стакана 2 и 3, вставленные один в другой в перевернутом виде. Благодаря этому между корпусом и стаканами образуются кольцевые сечения, служащие для направления потока жидкого аммиака.

Свежий жидкий NH3 поступает через нижний штуцер в кольцевое пространство между корпусом 1 и наружным стаканом 2 и внутренним стаканом 3 и стекает вниз, смешиваясь с возвратным аммиаком. Далее через отверстие во внутреннем сферическом днище 5 смесь поступает в реакционную зону, ограниченную внутренним стаканом 3; в эту зону через нижний штуцер непосредственно подается двуокись углерода. При таком прохождении свежего жидкого аммиака корпус колонны защищен от воздействия агрессивной реакционной смеси и высокой температуры.

Для лучшего перемешивания смеси в нижней части колонны установлена насадка, состоящая из нескольких перегородок с прорезями 4. Реакционная масса медленно, поднимаясь вверх, проходит через прорези в перегородках; при этом направление движения жидкости непрерывно изменяется, создается турбулентный поток и, как следствие, достигается хорошее перемешивание и увеличивается продолжительность соприкосновения реагентов.

В результате противоточного движения аммиака и плава обеспечивается достаточно хороший теплообмен, что благоприятно сказывается на процессе превращения CO2 в мочевину. Плав мочевины выводится из колонны через верхний штуцер. В верхней части колонны имеется также штуцер для замера температуры с помощью термопары 9.

Колонна дистилляции 1 ступени предназначена для частичного разложения карбамата аммония и выделения из плава в газовую фазу свободного аммиака и продуктов разложения. Она представлена на рисунке 2.

 

Рисунок 2 ‒ Колонна дистилляции 1 ступени с теплообменником

1 – крышка; 2 – сепарирующее  устройство; 3 – карман для термопары;  
4 – распределительное устройство для плава; 5 – корпус; 6 – насадка;  
7 – решетка; 8 – штуцер для регулятора уровня; 9 – днище; 10 – нижняя циркуляционная труба; 11 – кожухотрубный теплообменник; 12 – верхняя циркуляционная труба; 13 – люк; 14 – штуцер для предохранительного клапана; 15 – штуцер для манометра; 16 – указатель уровня; 17 – воздушник

 

Процесс проводится под давлением 16-18 атмосфер и при температуре 110-120°С. В цилиндрическом корпусе 5 колонны помещена насадка 6 из керамических колец (размерами 50×50×5 мм), уложенных правильными рядами. В верхней части колонны расположено сепарирующее устройство 2, которое предназначено для отделения брызг плава мочевины от газовой фазы, направляемой в колонну фракционирования. Ввод плава осуществляется через устройство 4, служащее для равномерного распределения плава по насадке. В нижней части колонны имеются два штуцера, через которые она с помощью циркуляционных труб 10 и 12 соединяется с кожухотрубным теплообменником 11. Пар подается в межтрубное пространство теплообменника, а по его трубкам циркулирует плав мочевины.