Производство карбамида

Карбамид (мочевина) среди азотных удобрений занимает второе место по объему производства после аммиачной селитры. Это обусловлено широкой сферой его применения в сельском хозяйстве. Он обладает большей устойчивостью к выщелачиванию по сравнению с другими азотными удобрениями, т. е. менее подвержен вымыванию из почвы, менее гигроскопичен, может применяться не только как удобрение, но и в качестве добавки к корму скота. Карбамид, кроме того, широко используется для получения сложных удобрений, удобрений с регулируемым сроком действия, а также для получения пластмасс, клеев, лаков и покрытий.

Карбамид СО(NH) --белое кристаллическое вещество, содержащее 46,6% азота. Его получение основано на реакции взаимодействия аммиака с диоксидом углерода:

2NH₃ + CO₂ «CO(NH₂)₂ +H₂O

Таким образом, сырьем для производства карбамида служат аммиак и диоксид углерода, получаемый в качестве побочного продукта при производстве технологического газа для синтеза аммиака. Поэтому производство карбамида на химических заводах обычно комбинируют с производством аммиака.

Данная реакция — суммарная; она протекает в две стадии. На первой стадии происходит синтез карбамата

2NH₃ +CO₂ «NH₂COONH₄

На второй стадии протекает эндотермический процесс отщепления воды от молекул карбамата, в результате которого и происходит образование карбамида:

NH₂COONH₄ «CO(NH₂)₂ +H₂O

Реакция образования карбамата аммония – обратимая экзотермическая, протекающая с уменьшением объема. Для смещения равновесия в сторону продукта ее необходимо проводить при повышенном давлении. Для того чтобы процесс протекал с высокой скоростью, необходима повышенная температура. На практике синтез карбамида проводят при температурах 150 -- 190°С и давлении 15 – 20 МПа.

Реакция разложения карбамата аммония – обратимая эндотермическая реакция, интенсивно протекающая в жидкой фазе. Чтобы в реакторе не происходило кристаллизации твердых продуктов, процесс необходимо вести при температуре не ниже 98°С (эвтектическая точка для системы CO(NH₂)₂ -- NH₂COONH₄).

Максимальная степень превращения карбамата в карбамид достигается при 220°С. Для смещения равновесия этой реакции вводят также избыток аммиака, который, связывая реакционную воду, удаляет ее из сферы реакции. Однако добиться полного превращения карбамата в карбамид не удастся. Реакционная смесь помимо продуктов реакции (карбамида и воды) содержит также карбамат аммония и продукты его разложения – аммиак и СО₂ .

Для полного использования исходного сырья необходимо либо предусмотреть возвращение непрореагировавших аммиака и диоксида углерода, а также углеаммонийных солей (промежуточных продуктов реакции) в колонну синтеза, т. е. создание рецикла; либо отделение карбамида от реакционной смеси и направление оставшихся реагентов на другие производства, например, на производство аммиачной селитры, т. е. проведение процесса по открытой схеме.

В последнем случае плав, выходящий из колонны синтеза, дросселируют до атмосферного давления; равновесие реакции первой стадии практически полностью смещается влево и весь оставшийся карбамат разлагается. В жидкой фазе остается водный раствор карбамида, который упаривают и направляют на грануляцию.

Рецикл образовавшихся газообразных аммиака и диоксида углерода в колонну синтеза потребовал бы их сжатия в компрессоре до давления синтеза карбамида. Это сопряжено с техническими трудностями, связанными с возможностью образования карбамата при низких температурах и высоком давлении уже в компрессоре и забивки машин и трубопроводов твердыми частицами.

Поэтому в закрытых схемах (с рециркуляцией) применяют только жидкостный рецикл. Существует ряд технологических схем с жидкостным рециклом. К числу наиболее прогрессивных относятся схемы с полным жидкостным рециклом и с применением стриппинг-процесса. Стриппинг (отдувка) заключается в том, что разложение карбомата аммония в плаве после коллоны синтеза ведут при давлении, близком к давлению на стадии синтеза, продувкой плава сжатым СО₂ или сжатым аммиаком. В этих условиях диссоциация карбомата аммония происходит за счет того, что при продувке плава резко снижается парциальное давление аммиака и происходит смещение равновесия реакции первой стадии влево. Такой процесс отличается использованием теплоты реакции образования карбомата и более низким расходом энергии.

В технологической схеме крупнотоннажного синтеза карбамида с жидкостным рециклом и применением стриппинг-процесса можно выделить узел высокого давления, узел низкого давления и систему грануляции. Аммиак и диаксид углерода, а также водный раствор карбомата аммония и углеаммониных солей поступают в нижнюю часть колонны синтеза 1 из конденсатора высокого давления 4. В колонке синтеза при температуре 170 -- 190°С и давлении 13 - 15 МПа заканчивается образование карбомата и протекает реакция синтеза карбомида. Жидкая реакционная смесь (плав) из коллоны синтеза карбомида поступает в отдувочную колонну 5, где стекает по трубкам вниз. Противотоком к плаву подают сжатый в компрессоре до давления 13 – 15 МПа диоксид углерода, к которому добавлен воздух в количестве, обеспечивающем в смеси концентрацию кислорода 0,5¸0,8%. Обдувочная колонна обогревается водяным паром. Парогазовая смесь из колонны 5, содержащая свежий диоксид углерода, поступает в конденсатор высокого давления 4. В него же вводят жидкий аммиак. Он одновременно служит рабочим потоком в инжекторе 3, подающем в конденсатор раствор углеаммонийных солей из скрубера 2 и при необходимости часть плава из колонны синтеза. В конденсаторе образуется карбамат. Выделяющуюся при реакции теплоту используют для получения водяного пара.

Из верхней части колонны синтеза непрерывно выходят непрореагировавшие газы, поступающие в срубер высокого давления 2, в котором большая часть их конденсируется за счет водного охлаждения, образуя водный раствор карбамата и углеаммонийных солей.

Водный раствор карбамида, выходящий из отдувочной колонны 5, содержит 4 – 5% карбамата. Для окончательного его разложения раствор дросселируют до давления 0,3 — 0,6 МПа и затем направляют в верхнюю часть ректификационной колонны 8. Жидкая фаза стекает в колонне вниз по насадке противотоком к парогазовой смеси, поднимающейся вверх; из верхней части колонны выходят NH₃, СО₂ и водяные пары. Водяные пары конденсируются в конденсаторе низкого давления 7, при этом растворяется основная часть аммиака и диоксида углерода. Полученный раствор направляют в скрубер 2. Окончательная очистка газов, выбрасываемых в атмосферу, производится абсорбционными методами (на схеме не показана).

70%-ый водный раствор карбамида, выходящий из нижней части ректификационной колонны 8, отделяют от парогазовой смеси и направляют после снижения давления до атмосферного сначала на выпарку, а затем на грануляцию. Перед распылением плава в грануляционной башне 12 к нему добавляют кондиционирующие добавки, например, мочевиноформальдегидную смолу, чтобы получить неслеживающее удобрение, не портящееся при хранении.

Поиск по сайту: