Карбамид. Технология получения и основные стадии производства карбамида

Карбамид. Технология получения  и основные стадии производства карбамида.

План лекции:

1. Физико-химические свойства карбамида.

2. Физико-химические основы производства.

3.   Способы получения карбамида.

Карбамид (мочевина) применяют в качестве концентрированного  азотного удобрения (46,6% N) для многих сельскохозяйственных культур на любых почвах,  а также как заменитель естественного белка в кормах для жвачных животных. Карбамид является сырьем для производства карбамидных смол, меламина,  цианидов калия и натрия, гидразина, карбамидных лаков,  в бумажной промышленности, в фармацевтической промышленности для приготовления успокаивающих (адалин, бромурал), снотворных (веронал, люминал) и мочегонных средств,  составов для заживления ран, дезинфицирующих средств,  в качестве умягчителя в производстве косметических кремов. В нефтяной промышленности карбамид применяют для депарафинизации масел и моторных топлив с выделением мягкого парафина – сырья для  получения белково-витаминных препаратов, жирных  спиртов и кислот, моющих средств и т.д.

Карбамид (мочевина)- бесцветные кристаллы. Азот в амидной форме.

Согласно ГОСТ 2081- 75 гранулированный и кристаллический карбамид. Марки А применяемый в промышленности должен содержать не менее

 

Марка В используется в качестве удобрения 46,0% N, 0,25%Н₂О

Физико-химические основы производства.

Сырьем является аммиак и углекислый газ:

Т= 150- 220°С

Р= 7- 100 МПа

Процесс протекает в 2 стадии:

1ст. образование карбамата аммония.

2ст. Дегидратация карбамата аммония с образованием карбамида.

Процесс протекает с образованием двух фаз: газообразной (NH₃, CO₂, Н₂О) и жидкой, состоящей из расплавленных и раство­ренных компонентов (аммиака, карбамата аммония, карбамида, углеаммонийных солей) и воды. Карбамид образуется преимущественно в жидкой фазе, т. е. из расплавленного карбамата аммо­ния.

Твердый карбамат аммония при нагревании отщепляет воду очень медленно. Карбамат аммония при 150—220 °С разлагается на аммиак и диоксид углерода. Для подавления этого процесса синтез карба­мида ведут под высоким давлением.

Скорость образования карбамата аммония увеличивается при­близительно пропорционально квадрату давления. При атмосфер­ном давлении и невысокой температуре образование карбамата аммония идет очень медленно, а при 10 МПа и 150 °С проходит практически  мгновенно.  С повышением общего давления  в системе возрастает также степень  конверсии  карбамата   аммония в карбамид (рис.   2).   

  

Рис. 2. Влияние давления на степень конверсии кар­бамата аммония в карбамид

Максимальное влияние на увеличение выхода карбамида оказывает избыток аммиака в исходящие смеси против стехиометрического количества, определенного молярным отношением

      NH₃ : CO₂= 2.   

       Избыточный аммиак уменьшает тормозящее действие выделение в процессе воды - он связывает её и ускоряет реакцию перехода карбамата аммония в карбамид. По этой причине замедляется разложение карбамида аммония с образованием побочных продуктов, а также избыточный аммиак уменьшает коррозию аппарата.

Избыточное количество диоксида углерода почти не оказывает влияния на выход карбамида, поскольку СО₂ находится преиму­щественно в газовой фазе, но наличие в нем примесей имеет боль­шое значение — чем чище газ, тем больше степень конверсии. Обычно источником СО₂ служит отходящий газ производства аммиака. Содержащиеся в нем примеси (Н₂, СО, N₂, O₂ и другие) уменьшают парциальное давление аммиака и, следовательно, его растворимость в жидкой фазе. Так, при прочих равных условиях синтеза уменьшение содержания СО₂ в исходном газе с 98—99 до 85—86 % снижает степень конверсии с 65 до 45 %.

Наибольшее влияние на увеличение выхода карбамида ока­зывает избыток аммиака в исходной смеси против стехиометрического количества, определяемого молярным отношением NH₃ : СО₂ = 2 (рис. 5).

Рис. 3- Влияние избытка аммиака на равно­весный выход карбамида (по средним данным для 185 — 195 °С, 18,5 — 32 МПа и плотности загрузки 0,7г/см³)

Избыточный аммиак уменьшает вредное действие выделившейся в процессе воды — он связывает воду и тем самым сдвигает равновесие реакции превращения карбамата аммония в карбамид в сторону последнего. По этой же причине замедляется разложение карбамата аммония с образованием побочных продуктов. Кроме того, избыточный аммиак уменьшает коррозию аппаратуры. Однако при выборе соотношения NH₃ : СО₂ в исходной смеси следует учитывать, что избыточный аммиак или должен быть возвращен в цикл, или переработан в другие продукты,  например в нитрат аммония.  Рециркуляция аммиака связана с усложнением производства и возрастанием капиталь­ных затрат и эксплуатационных расходов. При переработке же избыточного аммиака в аммонийную селитру количество ее на­много превышает количество вырабатываемого карбамида — на 1 т карбамида получается 5—8 т и больше селитры. Практически в этом случае производство карбамида становится небольшим придатком  к  производству селитры.

          Способы получения карбамида.

Полученный в виде плава карбамид содержит в своём составе: карбамид, аммиак, карбонаты аммония и воду, подвергают дистилляции.

       При термообработки плава разлагают содержащийся в нем карбамат и карбонаты и извлекают  NH₃ и СО₂ , после чего водный раствор карбамида перерабатывают в твердый продукт.

       Существующие способы получения карбамида различны в основном методами улавливания и использования газов  дистилляцией плава, степень аммиака, диоксида углерода, степень превращения которых в карбамид не превышает 50- 70%.

Рециркуляцию газов дистилляцией осуществляют двумя способами:

1. С газовым рециклом – продукты дистилляции полностью возвращаются в газообразной форме.

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 18 Бэкон.

2. С частичным или полным жидкостным рециклом – в цикл возвращается NH_3(ж) или растворы (суспензии) углеаммонийных солей.

Синтез карбамида   с    полным    жидкостным    рециклом

На рис. 4 изображен один из вариантов схемы синтеза карбамида с двухступенчатой дистилляцией плава и жидкостным рециклом. Газообразный диоксид углерода, предварительно осу­шенный и очищенный от механических загрязнений, от сероводо­рода и органических серусодержащих соединений, сжимается в четырехступенчатом компрессоре до ~20 МПа и при 95—100 °С направляется в смеситель 6. (При необходимости на одной из ступеней компримирования осуществляется каталитическая очи­стка СО₂ от примеси водорода во избежание его накопления в про­изводственном цикле). Сюда же под давлением 20 МПа плунжер­ным насосом 3 подается жидкий аммиак (t ≈ 90 °С), а плунжер­ным насосом 7 — раствор углеаммонииных солей (t ≈ 95°C), в виде которого возвращаются в цикл NH₃ и СО₃. В результате  перемешивания компонентов в смесителе при 175°С начинается образование карбамата аммония. Затем реакционная смесь [молярное отношение NH₃:СО₂:Н₂О=(3,84~4,5) : 1 : (0,54~4~0,8)] поступает в колонну синтеза 5, в ко­торой при 185 °С и 20 МПа завершается об­разование карбамата аммония и его разло­жение до карбамида.

Рис.  4-   Схема  производства карбамида с жидкостным рециклом (синтез  и дистилляция  плава):

1 — четырехступенчатый компрессор для СО₂.; 2 — танк жидкого NH₃; 3 — плунжерный насос для NH₃; 4 — конденсатор I ступени; 5 — колонна синтеза; 6 — смеситель; 7 — плунжерный насос; 8— промывная колонна; 9— ректификационная колонна I ступени; 10 — подогреватель I ступени; // — сепаратор I ступени; 12 -— ректификационная колонна II ступени; 13 — подогреватель II ступени; 14 — сепаратор II ступени; 15 — вакуум-испаритель; 16 — сборник раствора карбамида; 17 — маслоотделитель; 18 — центробежный насос; 19 — конденсатор; 20 — вакуум-насос; 21 — конденсатор II ступени; 22 — резервуар; 23 — центробежный насос; 24 — абсорбер; 25 — сборник  раствора   углеаммонийных  солей;   26 — десорбер;   27 — холодильник;   28 — теплообменник;   29 — центробежные  насосы