Производство карбамида с двухступенчатой дистилляцией плава и жидкостным рециклом

Стекая по насадке, плав мочевины нагревается поднимающимися вверх парами воды, аммиака и двуокиси углерода. При этом происходит разложения карбамата амония и выделение из раствора NH3 и CO2. Подогретый плав подается в нижнюю часть колонны и по циркуляционной трубе 10 направляется в теплообменник. Нагреваясь в нем до 120°С, плав в виде парожидкостной смеси по циркуляционной трубе 12 снова поступает в нижнюю часть колонны. Здесь происходит отделение жидкости от продуктов разложения карбамата аммония (аммиака и двуокиси углерода) и паров воды. Газ поднимается вверх и уходит совместно с выделившимися свободным аммиаком через верхний штуцер в колонну фракционирования. Раствор мочевины выводится из колонны через нижний штуцер. Сама насадка осуществляется через люк 13.

Колонна дистилляции 2 ступени предназначена для полного разложения карбамата аммония и выделения аммиака и двуокиси углерода из раствора мочевины. Она представлена на рисунке 3.

 

 

 

Рисунок 3 ‒ Колонна дистилляции 2 ступени с теплообменником

а – верхняя часть колонны; б – нижняя часть колонны

1 – крышка; 2 – сепарирующее  устройство; 3 – корпус; 4, 5 – тарелки  туннельного типа; 6 – соединительная  труба; 7 – верхняя циркуляционная  труба; 8 – кожухотрубный теплообменник; 9 – нижняя циркуляционная труба; 10, 11 – штуцера для замера уровня жидкости; 12 – днище; 13 – опора;  
14, 18 – бобышки для термометров; 15 – указатель уровня; 16 – люк с распределительным устройством для раствора мочевины; 17 – штуцер для предохранительного клапана

 

Процесс проводится под избыточным давлением 0,5-1,4 атмосфер и при температуре 120°С. Колонна имеет цилиндрический корпус 3, внутри которого размещены 13 тарелок. Колонна разделена глухой тарелкой на верхнюю часть а и нижнюю часть б, сообщающиеся (по газовой фазе) через трубу 6. Вверху расположены 10 тарелок, внизу – 3 тарелки. Опыт работы показал, что можно снизить число тарелок, установив в нижней части 3-6 тарелок и наверху 3 тарелки.

В верхней части колонны имеются: штуцер для поступления плава из колонны дистилляции 1 ступени, штуцер для предохранительного клапана 17, штуцер для отвода газов дистилляции и сепарирующее устройство 2 с переливной трубой на первую верхнюю тарелку. Выше глухой тарелки расположен штуцер для перелива раствора мочевины в теплообменник 8 по трубе 9. Ниже глухой тарелки находится штуцер, предназначенный для входа парожидкостной смеси из теплообменника 8 по трубе 7 в нижнюю часть колонны. Здесь размещены штуцер для вывода раствора мочевины и штуцер для подвода под 3-ю нижнюю тарелку острого пара с целью полного выделения аммиака из раствора. В днище находится для слива раствора мочевины в случае остановки колонны на ремонт. Плав поступает в колонну дистилляции через закрепленное в люке распределительное устройство 16, что позволяет менять его без каких – либо затруднений.

В верхней части колонны происходят основное выделение свободного аммиака из плава мочевины, диссоциация карбамата аммония и отгонка продуктов разложения. Плав стекает по тарелкам, нагреваясь поднимающимися снизу парами воды, аммиака и двуокиси углерода. С глухой тарелки раствор мочевины перетекает в выносной кожухотрубный теплообменник 8 и проходит по его трубкам; в межтрубное пространство поступает пар, вследствие чего раствор нагревается до 110-120°С. Из теплообменника парожидкостная смесь поступает в нижнюю часть колонны, где газовая фаза отделяется от раствора.

Далее газовая фаза через паровой патрубок в глухой тарелке поступает в верхнюю часть колонны и отдает часть тепла стекающему вниз плаву.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Дистилляция плава мочевины

 

Вследствие невозможности достигнуть 100%-ного выхода мочевины конечные продукты процесса ее синтеза, в дальнейшем для краткости называемые плавом, представляют собой не раствор мочевины в воде, а смесь мочевины, воды, избыточного аммиака и непрореагировавших карбамата и карбонатов аммония. Это важное обстоятельство предопределяет характер последующих технологических стадий процесса и их аппаратурное оформление. Для того чтобы из такой смеси получить водный раствор мочевины, а непрореагировавшие аммиак и двуокись углерода возвратить в цикл, необходимо прежде всего отделить раствор мочевины от остальных соединений. Этот процесс обычно осуществляется путем термического разложения содержащихся в реакционной смеси карбамата и карбонатов аммония и отгонки аммиака и двуокиси углерода из водных растворов мочевины. В зависимости от количества избыточного аммиака, применяемого в процессе синтеза, и условий дальнейшего использования непревращенных в мочевину аммиака и двуокиси углерода дистилляция плава может быть осуществлена в одну или две ступени.

 

4.1 Дистилляция 1 ступени

 

Плав мочевины из колонны синтеза дросселируется до давления 16-18 атмосфер и подается на верхнюю тарелку колонны дистилляции 1 ступени. При дросселировании происходит охлаждения плава вследствие расхода тепла на выделение свободного аммиака из плава и частичного разложения карбамата. Чтобы увеличить степень его разложения и выделить большее количество аммиака из жидкой фазы в газообразную, в колонну дистилляции подводят дополнительное тепло в виде глухого пара. Последний поступает в выносной теплообменник, в котором циркулирует раствор мочевины.

Давление в колонне дистилляции должно быть постоянным и находиться в пределах 16-18 атмосфер. Температура в верхней части колонны не выше 
115-110°С, в нижней части – не выше 120°С.

Жидкая фаза из колонны дистилляции 1 ступени дросселируется до давления 1,5 атмосфер и направляется в колонну дистилляции 2 ступени. Состав жидкой фазы, выходящей из колонны, указан в таблице 8.

Таблица 8  ‒  Состав жидкой фазы, выходящей из колонны.

Мочевина, %	50
Карбамат аммония, %	24
Аммиак, %	12
Вода, %	14

 

Содержание аммиака в жидкой фазе, вытекающей из колонны, не должно превышать 20-23%: присутствие аммиака NH3 в этой фазе указывает на недостаточное разложение карбамата аммония и недостаточное выделение свободного аммиака в газовую фазу. Степень диссоциации карбамата аммония в колонне дистилляции 1 ступени без подогрева должна составлять не менее 15%. При недостаточном разложении карбамата возрастет нагрузка на колонну дистилляции 2 ступени и на отделение разделения газа. В случае использования газов дистилляции 2 ступени в производстве нитрата аммония NH4NO3 количество вырабатываемой аммиачной селитры, приходящееся на 1 тонну мочевины, увеличивается.

Газообразная фаза, выходящая из колонны дистилляции 1 ступени, поступает в колонну фракционирования для очистки аммиака (88%) от примесей диоксида углерода CO2 (5%), инертных газов (3%) и паров воды (4%). Следует отметить, что в зависимости от степени разложения карбамата аммония в колонне дистилляции 1 ступени состав газа, поступающего в колонну фракционирования, может меняться; при этом содержание водяных паров не должно превышать 4%.

В колонне фракционирования происходит абсорбция двуокиси углерода аммиаком (поступающим снизу) с образованием раствора аммонийных солей (35-40% NH3, 11-15% CO2 и 49-50% H2O). Поскольку образовавшиеся соли нерастворимы в аммиаке, для их растворения в верхнюю часть колонны подают 60%-ную аммиачную воду (расход обычной воды составляет примерно  
100-150 кг на 1 т мочевины). Полученный раствор аммонийных солей направляется в отделение разделения газов дистилляции или в колонну дистилляции 2 ступени; здесь в результате нагревания раствора аммонийные соли снова разлагаются на аммиак NH3 и диоксид углерода CO2.

Очищенный от двуокиси углерода аммиак (с небольшой примесью инертных газов) при температуре 50-60°С выходит из колонны фракционирования и поступает в конденсатор. Давление в конденсаторе должно соответствовать давлению в колонне дистилляции (16-18 атмосфер), определяет давление в колонне фракционирования (16-18 атмосфер) и в свою очередь зависит от содержания инертных примесей в исходной CO2 и от температуры охлаждающей воды. Если вода имеет низкую температуру, давление в системе дистилляции 1 ступени может быть уменьшено до  
16 атмосфер. Благодаря снижению давления удается достигнуть той же степени отгона аммиака в колонне дистилляции, но при более умеренной температуре.

В нижней части колонны фракционирования температура поддерживается на уровне 100°С и определяется температурой верхней части колонны дистилляции и количеством аммиака, подаваемого на орошение. Температура в верхней части колонны фракционирования должна быть не выше 55°С и не ниже температуры конденсации аммиака, содержащего не более 1% H2O, колонна фракционирования сверху орошается предварительно охлажденной до 40°С аммиачной водой концентрацией не ниже 60%. Температура воды на входе в конденсатор в зависимости от времени года может колебаться, но не должна превышать 28°С. Температура отходящей воды должна быть не выше 35°С, давление воды – не ниже 3 атмосфер.

Из конденсатора жидкий аммиак через буфер и холодильник поступает в плунжерный насос и под давлением 200 атмосфер снова подается в колонну синтеза. Возвращается в цикл синтеза на 1 т мочевины примерно 800 кг аммиака.

Инертные газы, содержащие около 50% аммиака NH3, направляются из конденсатора в абсорционную установку для получения 24-27%-ной аммиачной воды, которая далее насыщается жидким аммиаком в смесителе до концентрации 60% и поступает на орошение колонны фракционирования.

 

4.2 Дистилляция 2 ступени

 

Процесс дистилляции во 2 ступени проводят при избыточном давлении всего 0,5-1,4 атмосфер, благодаря чему удается полнее отогнать аммиак из раствора мочевины. Температуру раствора в нижней части колонны дистилляции поддерживают в пределах 120°С путем нагревания раствора в подогревателе глухим паром (избыточное давление 3,5 атмосфер). Кроме того, под нижнюю тарелку колонны вводят острый пар, что улучшает процесс отгонки аммиака NH3 и диоксида углерода CO2 из раствора. Концентрация раствора мочевины, выходящего из колонны дистилляции 2 ступени, в зависимости от количества подаваемого острого пара изменяется в пределах  
60-80%. Содержание аммиака в этом же растворе должно составлять около  
3 г/л. При более полной отгонке аммиак NH3 возрастает содержание биурета в мочевине. Температура раствора в сборнике мочевины, установленном за колонной дистилляции, должна быть не более чем на 5-10°С выше температуры кристаллизации (при низкой температуре не образуется биурет и мочевина быстрее отстаивается от масла).

Газы дистилляции, выходящие из колонны, направляются на разделение с возвратом их в цикл или на переработку в аммиачную селитру (аммиачную воду).

 

 

 

5 Жидкостный рецикл

 

Со времени создания первых промышленных установок основным направлением в развитии технологии производства карбамида было совершенствование системы рециркуляции аммиака NH3 и диоксида углерода СО2, поскольку обычно степень превращения диоксида углерода СО2 не превышает 70%, а степень превращения аммиака NH3 не достигает даже 50%. Уже в пятидесятых годах, с момента превращения мирового производства карбамида в многотоннажную отрасль азотной промышленности, все чаще стали применять схемы с полным рециклом непревращенных NH3 и СО2. В отличие от схемы с газовым рециклом при жидкостном рецикле аммиак, двуокись углерода и раствор аммонийных солей вначале поступают в смеситель, где одновременно с их смешением протекает процесс образования карбамата аммония. Мольное соотношение аммиака NH3, дикосида углерода CO2 и воды H2O в исходной смеси на входе в аппарат необходимо поддерживать постоянным и равным 4,5:1:0,5. Температура аммиака, подаваемого в смеситель, должна быть в пределах 90°С, концентрация двуокиси углерода не ниже 97% (содержание в ней сероводорода H2S не выше 3-5 мг/м³). Процесс в смесителе проводится под давлением 190-200 атмосфер и при температуре 175°С.

Плав из смесителя входит в нижнюю часть колонны, в которой при температуре 185°С и давлении 200 атмосфер происходит дегидратация карбамата аммония с образованием мочевины. За 30-40 минут, в течение которых плав находится в колонне, степень превращения CO2 в мочевину составляет около 62%. Примерный состав плава, образующегося в колонне: 28% CO(NH2)2, 42% NH3, 13% CO2, 16% H2O 0,5-1% инертных газов (двуокись углерода находится в соединении с аммиаком в виде карбамата аммония). Из колонны синтеза плав, дросселируясь до давления 18-20 атмосфер, направляется в ректификационную колонну 1 ступени.

 

 

5.1 Дистилляция 1 ступени

На рисунке 4 представлена схема агрегата дистилляции 1 ступени.

 

Рисунок 4 – Схема агрегата дистилляции 1 ступени

1 – ректификационная колонна, 2 – дроссельный вентиль, 3 – подогреватель,  
4 – сепаратор

 

Агрегат дистилляции 1 ступени состоит из трех аппаратов: ректификационной колонны 1, подогревателя 3 и сепаратора 4. Давление в агрегате поддерживается в пределах 18-20 атмосфер. При сжижении давления с 200 атмосфер в колонне синтеза до указанной величины в агрегате температура также уменьшается (со 185 до 110-120°С) вследствие отгонки части свободного аммиака и частичного разложения карбамата аммония на аммиак NH3 и диоксид углерода CO2.

В ректификационной колонне температура должна поддерживаться в интервале 140-145°С. Снижение температуры указывает на недостаточный теплообмен в колонне. Подогрев плава в аппарате 1 до 140-145°С осуществляется газами, поступающими из сепаратора с температурой  
160-165°С. В процессе теплообмена газы охлаждаются до 110-120°С. При нагревании из плава выделяется часть избыточного аммиака.

Жидкая фаза из ректификационной колонны направляется в теплообменник 3, в котором плав нагревается до 160-165°С теплом конденсации пара. При этом почти полностью выделяется избыточный аммиак (степень отгонки NH3 составляет 89-90%) и разлагается большая часть карбамата аммония (степень разложения 90-91%).

Температурный режим в колонне следует поддерживать в указанных пределах. При более низкой температуре уменьшается степень разложения карбамата аммония и снижается степень отгонки аммиака и двуокиси углерода из плава; при чрезмерно высокой температуре образуется биурет.

Парожидкостная смесь из подогревателя 3 поступает в сепаратор 4, где происходит разделение газовой и жидкой фаз. Из сепаратора газовая фаза вводится снизу в ректификационную колонну и совместно с выделившимися при дросселировании газами направляется затем в нижнюю часть промывной колонны. Состав газа, подаваемого в эту колонну: 73% аммиака NH3,  
21% диоксида углерода CO2, 5% воды H2O и 1% инертных газов. Температура газовой фазы по выходе из колонны фракционирования должна равняться  
110-120°С. Жидкая фаза после сепаратора (состав: 61% мочевины CO(NH2)2;  
7,5% аммиака NH3; 2,5% диоксида углерода CO2 и 29% воды H2O) дросселируется до давления 3 атмосферы и направляется в агрегат дистилляции 2 ступени.