Производство карбамида по стриппинг-процессу

Карбамид применяются в сельском хозяйстве в качестве азотного удобрения и как составляющая кормовых добавок в животноводстве, а также в промышленности.

В последние годы начал широко применяться стриппинг-процесс, который заключается в том, что разложение карбамата аммония в растворе после колонны синтеза ведут при давлении, близком к давлению на ступени синтеза, продувкой плава сжатым диоксидом углерода.

Этот процесс отличается использованием тепла образования карбамата и более низкими расходами энергии. В азотной промышленности стриппинг-процесс применяется в агрегатах большой единичной мощности - от 1500 до 2800 тонн в сутки.

Характеристика готового продукта – карбамида

Карбамид - диамид угольной кислоты, называемый так же мочевиной, в чистом виде представляет собой бесцветные, не имеющие запаха кристаллы. Технический продукт - белые и желтоватые кристаллы. Широко применяются в сельском хозяйстве в качестве азотного удобрения и как составляющая кормовых добавок в животноводстве, а так же в промышленности. Хорошо растворяется в воде, в спирте, жидком аммиаке. Взаимодействуют с кис- лотами, образует солеобразные соединения.

Химические свойства карбамида обуславливают широкое его применение в химической промышленности в синтезе карбамидо-альдегидных (в первую очередь карбамидо-формальдегидных) смол, широко использующихся в качестве адгезивов, в производстве древесно-волокничтых плит (ДВП) и мебельном производстве. Производные мочевины - эффективные гербициды

При нагревании до 150-160°C карбамид разлагается с образованием биуретана, аммиака, углекислого газа и др. продуктов. В водном растворе гидролизуется до CO 2 и NH 3 . Относительная молекулярная масса 60,05 а.е.м .Удельная теплота растворения в воде 242,2 Дж/д, температура плавления при атмосферном давлении 132,7°C, удельная температура плавления 242,2 Дж/г, температура самовоспламенения 715°C. Карбамид хорошо растворим в воде . С повышением температуры его растворимость увеличивается.

Анализ технологического производства

Синтез карбамида осуществляется в контуре высокого давления при температуре 453-463 К, мольном соотношении NH 3 : СО 2 = (2,7-3,4) : 1 и давления 13,3-

• 14,2 МПа. Аппаратурное оформление узла: конденсатор высокого давления, колонна синтеза, стриппинг-дистиллятор и скруббер [1].

Аммиак после цеха производства NH 3 проходит фильтр для очистки от посторонних примесей, подогреватель аммиака и с помощью эжектора сжимается и направляется в конденсатор. Оксид углерода (IV) поступает в цех производства карбамида и проходит очистку в сепараторе, а затем сжимается в трубокомпрессоре и поршневом компрессоре и подается в стриппинг-дистиллятор. Затем углекислый газ направляется в конденсатор, где смешивается с углеаммонийными солями (УАС), поступающими после скруббера, и с аммиаком. Полученная газо-жидкостная смесь направляется в колонну синтеза карбамида для его получения.

Реакционная масса из колонны синтеза (содержит не менее 30 мас. % карбамида, карбамата аммония, свободного аммиака и воду) подается в вертикальную часть стриппера, в которой протекает реакция разложения карбамата аммония на карбамид. Газы, образующиеся при разложении карбамата (NH 3 и СО 2 ), отводятся в конденсатор с помощью углекислым газом с температурой 363-408 К, затем направляются в колонну синтеза, где проявляют инертность по отношению к поступающим газам и направляются в скруббер. Раствор карбамида направляется в колонну ректификации для дальнейшей его обработки [2].

Поступившие инертные газы NH 3 и СО 2 в скруббер поглощаются раствором углеаммонийных солей. Не уловленный аммиак с оксидом углерода (IV) с сепарационной части аппарата дросселируются и направляются в абсорбер для улавливания аммиака. Полученный раствор углеаммонийных солей через эжектор поступает в конденсатор для дальнейшего его использования в синтезе.

Плав карбамида, содержащий целевой продукт (карбамид) и побочные продукты (карбамат аммония, избыточный аммиак и воду), из стриппинг-дистиллятора дросселируется до давления 0,25-0,35 МПа и подается в колонну ректификации, состоя- щую из подогревателя, сепаратора и массообменного аппарата.

Газожидкостная смесь после слоя насадки массообменного аппарата отходит в подогреватель, в котором происходит окончательное разложение карбамата. Выделение образованных NH 3 , СО 2 и паров воды осуществляется в сепараторе колонны ректификации (в средней части). Раствор карбамида с температурой 363-371 К и массовой долей карбамида не менее 64% отводится в сборник и затем направляется на выпарную установку.

Образующиеся газообразный аммиак, углекислый газ и вода из ректификационной колонны через верхнюю часть аппарата поступают в отделение улавливания УАС. Узел конденсирования и улавливания NH 3 и СО 2 состоит из конденсатора, скруббера, холодильника и сборника УАС. Газовая смесь после ректификации поступает в конденсатор низкого давления, где нагревается с помощью конденсата, поступающего выпарной установки. Полученная газо-жидкостная смесь направляется в сборник УАС. Не проконденсировав-шийся газ улавливается в скруббере с помощью охлаждённого раствора УАС, который поступает из холодильника. Для улучшения улавливания газовой фазы после ректификации, смесь проходит циркуляционную очистку в отделении улавливания УАС. Полученный раствор углеаммонийных солей возвращается в скруббер, для окончательного его улавливания.

Раствор карбамида из сборника поступает на процесс выпаривания в установку, содержащую две ступени. На I степени выпаривания раствор выпаривается при температуре 398-403 К и давлении 2545 кПа, на второй - при температуре 408413 К и давлении 3,5 кПа. Образующийся конденсат после выпарной установки направляется к конденсатору. Плав с массовой долей карбамида 99,7% подается в грануляционную башню.

С обогревательного напорного бака через фильтры плав идет на статические грануляторы и разбрызгивается внутри ствола башни. Снизу башни подается охлаждённый воздух для охлаждения плава карбамида. За время полета с высоты 90-93 м к аппарату охлаждения с «кипящим слоем» капли плава карбамида застывают в гранулы при взаимодействии с воздухом, охлаждаются до температуры не более 323 К и системой конвейеров подаются на склад.

Материальный и тепловой баланс производства карбамида

Произведен практический расчет материальных балансов синтеза карбамида, стриппинг-дистиллятора и второй ступени дистилляции (ректификационной колонны). Исходными данными послужили следующие значения: производительность 112,5 т/ч (112500 кг/ч); состав жидкого аммиака: NH3 – 143087,625 кг/ч, H2O – 1154,25 кг/ч; состав экспанзерного газа: CO2 – 83768,625 кг/ч, другие газы – 1229,625 кг/ч; состав раствора УАС: NH3 – 45715,375 кг/ч, CO2 – 73812,65 кг/ч, H2O – 27856,125 кг/ч.

Таблица 1. Материальный баланс колонны синтеза

Приход		Расход
Компоненты	кг/ч	Компоненты	кг/ч
1.    Жидкий аммиак В том числе: NH 3 H 2 O 2.    Экспанзерный газ В том числе: CO 2 другие газы 3.    Раствор УАС В том числе: NH 3 CO 2 H 2 O	143087,625 1154,25 83768,625 1229,625 45715,375 73812,65 27856,125	1.Раствор карбамида В том числе: карбамид карбамат аммония NH 4 OH свободный NH 3 другие газы	120375 122984,625 125634,5 5485,5 1229,625
Итого	376624,275	Итого	375709,25

Таблица 2. Материальный баланс стриппинг-дистиллятора

Приход		Расход
Компоненты	кг/ч	Компоненты	кг/ч
1.Раствор карбамида В том числе: карбамид карбамат аммония NH 4 OH свободный NH 3 другие газы 2.Экспанзерный газ В том числе: CO 2 др.	120375 122984,625 125634,5 5485,5 1229,625 83768,625 1229,625	1 .Плав карбамида В том числе: карбамид карбамат аммония избыточный NH 3 H 2 O 2 .Газовая фаза В том числе: NH 3 CO 2 пар H 2 O другие газы	120375 8607,375 3349,125 60617,25 110137,5 148272,75 4509 2459,25
Итого	460707,5	Итого	458327,25

Таблица 3. Максимальный баланс ректификационной колонны

Приход		Расход
Компоненты	кг/ч	Компоненты	кг/ч
1.Плав карбамида В том числе: карбамид карбамат аммония изб. NH 3 H 2 O	120375 8607,375 3349,125 60617,25	1.    Раствор карбамида В том числе: карбамид H 2 O 2.    Газы дистилляции В том числе: NH 3 СО 2 пар H 2 O	115875 49952,25 9651,375 8155,125 9045
Итого	192948,75	Итого	192678,75

Математическое моделирование колонны синтеза карбамида

Математическая модель колоны синтеза карбамида [3] представляет собой систему уравнений: уравнение расхода аммиака и углекислого газа, уравнение получения карбамата аммония (промежуточного продукта) и уравнение получения карбамида (целевого продукта).

( dC^ =

dt dCB dt

—S • Ca

• CB2 + (—k1 • CA • CB^)

L(t,C) = <

= —s • CA

dCQ

~^~ = s dt dCw

—T~ = S dt

dCE

—— = s •

dt

• Cb2 + (—k2 • Ca • Cb2)

• (Ca • CB2

• (C a • C b²

—

—

Cq)

Cw)

Cq + кз • Ca • Cb2

,

dCv

-= = s^Cw + kA^CA^CB2

По системе уравнений строится модель колонны синтеза карбамида [4].

Рисунок

По полученному рисунку можно сделать вывод, что образование целевого продукта (карбамида) происходит примерно в районе 50-59%, а побочного продукта (во- ды) в районе 40-50%. Для более точного нахождения полученных значений выведем конечные точки образовавшихся веществ на экран.

CO(NH2)21(Ю = 0 J54

№0100 = 0.469

Полученные значения удовлетворяют нашим условиям.

Заключение

Производство карбамида по стриппинг-процессу, является важным аспектом отрасли минеральных удобрений. Рассчи- танные материальные балансы и моделирование колонны синтеза позволяют оценить материальные затраты и работу основного аппарата, используемых для обеспечения заданной производительности и эффективности производства.