Синтез карбамида производительностью 100 тонн. Григорьева Р.Н._ХТбз-1702а_ХТНВ_КР (2). Гранулирование плава карбамида
 Скачать 0.54 Mb.
|
|
Растворимость CO(NH2)2 х     орошо растворяется в Н2О, и при повышении температуры его растворимость растёт, его водный раствор обладает слабощелочными свойствами. Также легко растворим в жидком NH3, он образует с ним соединение CO(NH2)2×NН3, в котором содержится 71,9 % CO(NH2)2 и 22,1 % NH3, которое существует только в виде раствора. С повышением температуры растворимость в NH3 значительно возрастает. Значительно хуже растворим в СН3ОН, С2Н5ОН и других спиртах, малорастворим в эфире и нерастворим в CHCl3.Разложение CO(NH2)2 Устойчивость раствора CO(NH2)2 сохраняется при температуре, не превышающей 80 ℃. Возгонка твёрдого CO(NH2)2 в интервале температур от 120 ℃ до 130 ℃ исключается процесс его разложения. Разложение его до цианата аммония (NH4OCN) при поднятии температуры до 190 ℃. Также при этой температуре в при атмосферном давлении при атмосферном давлении CO(NH2)2 может распадаться на биурет (С2H5N3О2) и другие побочные продукты. Дальнейшее повышение температуры ведёт к образованию таких побочных продуктов как аммиак (NH3) и циануровая кислота (C3H3N3O3). Так как при производстве CO(NH2)2 из NH3 и СО2 биурет образуется на всех стадиях в разной степени, при синтезе образуются различные побочные продукты и загрязнения скорость разложения CO(NH2)2 снижается. При этом известно, что биурет образуется со скоростью до 0,1% в час при температуре 100 ℃. Биурет (С2H5N3О2) является самым нежелательным побочным продуктом, так как оказывает токсичное действие, что сильно снижает качество карбамида как удобрения. В промышленности соблюдается предельное содержанием его в CO(NH2)2 не более 1 %. Для образования С2H5N3О2 нужны соответствующие условия, такие как длительное поддержание повышенных температур и снижение концентрации NH3 за счёт его удаления. На некоторых стадиях производства образование биурета увеличивается, как на стадии дистилляции, за счёт использования на этих стадиях пара, за счёт присутствия которого происходит перегрев смеси. При гранулировании раствора CO(NH2)2 также происходит значительный перегрев и образование С2H5N3О2. Однако образование биурета можно снизить путём подачи дополнительного объёма аммиака (NH3) при синтезе CO(NH2)2. Слёживаемость CO(NH2)2 Высокая гигроскопичность CO(NH2)2 приводит к его слёживанию, в особенности в условиях высоких температур и повышенной влажности (от 0,8 до 1 %). Вода образует с карбамидом насыщенный солевой раствор, но при остывании растворимость CO(NH2)2 падает и из раствора начинают выпадать кристаллы, постепенно срастающиеся в единую массу. В связи с этим при высокой слёживаемости карбамида возникают проблемы в его хранении, использовании и транспортировке, также это затрудняет его использование как удобрения для почвы. Добиться меньшей слёживаемости CO(NH2)2 можно путём удаления лишней влаги (выпаривания) и охлаждения его до температуры не более 50 ℃. Применение CO(NH2)2 CO(NH2)2 используется в сельском хозяйстве, в том числе в личных подсобных хозяйствах (ЛПХ) и фермерских хозяйствах в качестве минерального азотного удобрения. Использование CO(NH2)2 является намного более выгодным и целесообразным, так как процентное содержание в нём азота является наивысшим среди всех удобрений. Также другие удобрения уступают карбамиду и по некоторым своим характеристикам, нитрат аммония (NH4NO3) более взрывоопасен, сильнее поглощает в себя влагу и, как следствие, сильнее слёживается. Помимо этого, нитрат аммония может вызывать химических ожоги листьев растений, что не позволяет использовать его для подкормки вне корня, в отличие от CO(NH2)2. Фруктовые деревья при такой подкормке хоть и впитывают в себя азот сравнительно медленнее, но это происходит легче, особенно в аммиачной или нитратной формах, что приводит к достижению более высоких результатов в подкормке. Широко применяется CO(NH2)2 в сфере животноводства, так как зачастую жвачным животным, выращиваемым на фермах, не хватает белка протеина, который они обычно получают вместе с кормом. Для решения этой проблемы используются специальные добавки в корма, основанные на CO(NH2)2. Также CO(NH2)2 используется как сырьё для мочевино-формальдегидных полимеров, которые в свою очередь, используются как сырьё для получения пластика, клеев и влагостойких искусственных волокон. Карбамид может применяться и в фармацевтике при изготовлении ряда лекарств. Для этого выпускается CO(NH2)2 в виде мелких кристаллов или таблеток, при этом содержание в нём азота должно быть не менее 46,3%. Как правило его используют при изготовлении болеутоляющих или снотворных препаратов. Технологическая часть Описание технологической схемы Получение CO(NH2)2 является непрерывным процессом, в котором задействованы два агрегата, и включает в себя несколько этапов: Синтез CO(NH2)2; Дистилляция CO(NH2)2; Выпаривание CO(NH2)2; Гранулирование и отгрузка CO(NH2)2. Синтез CO(NH2)2 Перед подачей сырья непосредственно для получения CO(NH2)2 оно проходит предварительные стадии подготовки. Жидкий аммиак проходит холодильник и доводится до температуры 25 ℃, а затем подаётся на два аммиачных насоса (один запасной) под давлением от 190 до 210 кгс/см2. Давление поддерживается регулирующим клапаном, и при возможной неисправности работы клапана на центральный аппарат управления (ЦПУ) подаётся светозвуковой сигнал. Диоксид углерода проходит влагоочистку и влагоотделение в сепараторе и влагоотделителях, далее поступает на всасы (места всасывания) четырёх газовых компрессоров (по два на каждый агрегат), которые сжимают СО2 до давления от 190 до 210 кгс/см2. Если после прохождения диоксидом углерода сепаратора и влагоотделителей его давление снижается, на ЦПУ подаётся светозвуковой сигнал. Содержание кислорода в CO2 автоматически регулируется в пределах от 0,5 % до 0,7 % количеством подаваемого O2 или воздуха. При изменении нижнего и верхнего предела концентрации O2 срабатывает светозвуковой сигнал на ЦПУ [12]. Воздух в цех поступает из общезаводской сети с давлением не менее 0,2 МПа (2,0 кгс/см²) и через регулирующие клапаны подается в оба ввода CO2 перед влагоотделителями [12]. Углеаммонийные соли с помощью насосов тоже подаются под давлением от 190 до 210 кгс/см2 и с температурой в интервале от 90 ℃ до 95 ℃. В двух колоннах синтеза (позиция 1) (также есть третья, запасная колонна), в нижних их частях, при высокой температуре в интервале от 150 ℃ до 182 ℃ и под высоким давлением от 190 до 210 кгс/см2 образуется карбамат аммония (NН4СО2NН2) согласно следующему уравнению:
Реакция является экзотермической и сопровождается большим количеством выделяемого тепла, из-за чего жидкий NН3 подаётся в избытке для погашения высоких температур. При этом образуется плав, в состав которого входит полученный NН4СО2NН2, а также избыточные H2O и NH3. Этот плав продолжает подниматься вверх по колонне синтеза и нагревается до температуры от 185 ℃ до 195 ℃, при этом в системе продолжает поддерживаться высокое давление. По мере поднятия плава происходит разложение NН4СО2NН2 до CO(NH2)2 согласно следующему уравнению:
Реакция является эндотермической и сопровождается поглощением тепла. Степень превращения NН4СО2NН2 в CO(NH2)2 зависит от нескольких факторов: поддержания температуры и давления, времени пребывания смеси в колонне, избытка NH3, и наличия примесей инертных газов в исходной смеси. Увеличение температуры может увеличить степень разложения, но только до определённого уровня, кроме того повышение температуры может приводить к образованию нежелательного побочного продукта – биурета. Помимо основных реакций, в колонне протекает целый ряд побочных реакций с образованием различных продуктов, которые в дальнейшем будут отделены от основной смеси:
Суммарная реакция получения CO(NH2)2 также является экзотермической и проходит согласно следующему уравнению:
Благодаря условиям протеканиях всех этих реакций в колонне синтеза, продукты, получаемые в ходе синтеза, могут выходить из колонны в виде газожидкостной смеси. При этом в состав жидкости (плава) будет входить карбамид (CO(NH2)2), неразложившийся карбамат аммония (NН4СО2NН2), а также избыточные H2O и жидкий NH3. В состав газа – диоксид углерода, NH3 в виде пара, смесь инертных газов и пары H2O. Далее полученные продукты с содержанием CO(NH2)2 не менее 28 % через верх колонны подаются в отделение дистилляции, проходя через три клапана Гюльде (по одному на каждую колонну), регулирующих давление смеси. Клапаны дросселируют (снижают) давление до 18 кгс/см2. Дистилляция CO(NH2)2 Плав, прошедший клапан Гюльде далее с помощью насосов перекачивается в ректификационную колонну (позиция 2) на первую ступень дистилляции. В производстве есть две ректификационные колонны, по одной на каждый агрегат. Проходя из верхней части колонны вниз, карбамат аммония (NН4СО2NН2) вновь подвергается частичному разложению, а избыточный NН3 выделяется из смеси. После этого плав переходит в стриппер-дистиллятор (позиция 3), представляющим собой теплоообменник с трубками, в котором он стекает по трубкам сверху вниз, а снизу под давлением подаётся диоксид углерода из компрессоров. CO2 выступает в качестве стриппер-агента и уносит с собой из смеси оставшийся NН3, инертные газы, остатки раствора NН4СО2NН2 и другие побочные продукты. Данная процедура позволяет укрепить раствор CO(NH2)2. После этого плав проходит регулирующий клапан, где давление вновь дросселируется до 2,5 кгс/см2, и подаётся на вторую ступень дистилляции. Сам стриппер-дистиллятор подогревается паром, что улучшает течение реакции, а уносимые с СО2 подогретые газы подаются на подогрев ректификационной колонны первой ступени дистилляции (позиции 2). На второй ступени дистилляции на двух агрегатах стоят различные установки, так на первом агрегате стоит дистиллятор низкого давления (позиция 4). Он представляет собой модернизированный аппарат, заменяющий сразу три установки, стоящие на втором агрегате. На втором агрегате стоят соединенные между собой ректификационная колонна второй ступени дистилляции (позиция 5), подогреватель (позиция 6) и сепаратор (позиция 7). На первом агрегате, пройдя регулирующий клапан, плав подаётся в дистиллятор низкого давления (позиция 4), имеющим внутри трубки, по которым и стекает плав. В межтрубное пространство дистиллятора подаются подогретые газы, прошедшие позицию 2 и позицию 3. Далее плав переходит в отделение форвыпарки, а газовая смесь (NH3, CO2 и другие) подается в конденсатор (позиция 8), где он охлаждается, и образуется жидкость, которая переходит в сборник (позиция 9). Из этого сборника жидкость насосами перекачивается в промывную колонну (позиция 10). На втором агрегате, пройдя регулирующий клапан, плав подаётся в ректификационную колонну (позиция 5). Из ректификационной колонны газовая смесь переходит в конденсатор второй ступени (позиция 8), а плав – в подогреватель (позиция 6). Из конденсатор отделившийся газ подаётся в сепаратор (позиция 7), где снова происходит разделение на газ и жидкость. Газ подаётся в ректификационную колонну второй ступени дистилляции (позиция 5), а жидкость (плав) – в отделение форвыпарки. Газовая смесь со второй ступени дистилляции (позиция 4 или позиция 6) переходит в межтрубное пространство рекуператора (позиция 11), а из межтрубного пространства – барботёр (позиция 14). В трубы барботёра подаётся оборотная вода, а межтрубное пространство – газ, часть которого конденсируется в жидкость. Уровень жидкости в барботёре совпадает с уровнем жидкости в промывной колонне (позиция 10), соединённой с ним. Не сконденсировавшийся газ подаётся снизу в промывную колонну (позиция 10), для дальнейшего улавливания в его составе непрореагировавшего диоксида углерода. Это делается во избежание возможной кристаллизации аммиачных конденсаторов, при попадании в них СО2. Сверху поступающий снизу газ орошается NH3, конденсатом сухого пара и углеаммонийными солями, которые и улавливают СО2. Полученная жидкость спускается вниз колонны, далее переходит в барботёр (позиция 14), а из него насосами под давлением от 190 до 210 кгс/см2 в колонну синтеза (позиция 1). В составе данной жидкости присутствуют углеаммонийные соли от 33 % до 38 %, жидкий NH3 не менее 32 %, СО2 от 20 % до 25 % и карбамид CO(NH2)2 не более 10 %. Газ из промывной колонны (позиция 10) подаётся в конденсатор (позиция 16), там разделяется на газ и жидкость, жидкость переходит в сборник возвратного NH3 (позиция 17). Из сборника возвратного NH3 (позиция 17) жидкость подаётся на орошение промывной колонны (позиция 10). |