Производство азотных и калийных удобрений

реакции. В этом случае отпадает необходимость в теплообменных устройствах, и процесс протекает автотермично.

   Однако увеличение избытка аммиака целесообразно лишь до определенного предела. Чем больше избыточного аммиака введено на стадии синтеза, тем большее его количество должно быть выделено из реакционной массы на последующих стадиях процесса и возвращено в цикл. Как показали расчеты, наиболее экономичен в этом отношении избыток аммиака, равный 80 – 100%. Такому соотношению между исходным аммиаком и двуокисью углерода соответствуют минимальные энергетические затраты на единицу продукции.

   Существенное влияние на протекание процесса синтеза карбамида оказывает примесь воды в исходных реагентах. В ее присутствии снижается степень превращения карбамата аммония в карбамид, т.к. равновесие реакции (7) сдвигается влево (в обратную сторону). Поэтому наличие воды в исходных реагентах нежелательно. Тем не менее, во многих случаях в колонну синтеза карбамида вводят воду в составе раствора углеаммонийных солей.

   Неблагоприятное влияние на процесс синтеза оказывают инерты, содержащиеся в сырье, т.к. они нерастворимы в плаве  карбамида и находятся в реакторе в газообразном состоянии. Это приводит, во-первых, к уменьшению фактического времени пребывания жидкой фазы в колонне, во-вторых, к переходу части избыточного аммиака из жидкой в газовую фазу, в связи с чем степень превращения двуокиси углерода в карбамид снижается.  Кроме того, с увеличением содержания

инертных примесей в углекислом газе возрастает расход энергии на его сжатие и требуется повышение мощности компрессора. 

   В связи с невозможностью полного превращения СО₂ и аммиака в карбамид  за один цикл производство карбамида осуществляют по циклическим схемам. Плав, выходящий из колонны синтеза, содержит, кроме карбамида и воды, карбамат аммония, не превратившийся в карбамид, и избыточный аммиак. Во избежание потерь сырья эти компоненты плава необходимо отделить от водного раствора и возвратить в цикл синтеза.

   Все промышленные способы разделения плава основаны на способности карбамата аммония при нагревании разлагаться с образованием газообразных аммиака и двуокиси углерода. В таких же условиях, при которых происходит разложение карбамата аммония и выделение из плава газообразных продуктов разложения карбомата, отгоняется и избыточный аммиак. Таким образом, отделение карбамида, полученного при синтезе, от непрореагировавших аммиака и двуокиси

углерода производят путем дистилляции плава при  понижении его давления путем  дросселирования  и, выделяющийся в  процессе дистилляции реакционной смеси газ, содержит аммиак, двуокись углерода и некоторое количество паров воды. Обычно дистилляцию проводят в две ступени: первую ступень – при избыточном давлении 15–18 атм, вторую ступень – при давлении, близком к атмосферному. Такие условия ведения процесса дистилляции установлены на основании следующего. При давлении 15–18 атм большую часть газов, отгоняемых в процессе дистилляции, составляет аммиак, который можно отмыть от двуокиси углерода, затем

сконденсировать при охлаждении водой и при помощи плунжерного насоса возвратить в колонну синтеза. Благодаря тому, что температура конденсации аммиака при 15–18 атм достаточна высока (37–45⁰С), по такой схеме дистилляции для возврата в цикл синтеза части избыточного аммиака не требуется сжатие его компрессором, связанное с расходом большого количества энергии.

   В зависимости от давления, применяемого в системе дистилляции, температура составляет 115-160⁰С и из плава отгоняется до 90% избыточного аммиака и разлагается 90% карбамата аммония. Во второй ступени при Т=100 – 140⁰С и давлении, близком к атмосферному, происходит полное разложение карбамата аммония. Выделяющиеся газы могут быть сконденсированы с образованием

углеаммонийных  солей и возвращены в цикл.

   Аммиак  можно отмывать от двуокиси углерода высококонцентрированной аммиачной водой (80 –90%). При отмывке образуется концентрированный водный раствор углеаммонийных солей, который возвращается в цикл.

   В последнее время применяют так называемые «стриппинг-процессы», основой которых является дистилляция непревращенного в карбамид карбамата аммония при давлении синтеза из-за снижения парциального давления одного из продуктов разложения. Это достигается продувкой реакционного плава при подогреве оксидом углерода или аммиаком.

   Раствор карбамида, полученный после дистилляции плава, далее подвергают выпариванию с последующей  кристаллизацией и грануляцией продукта и его сушкой. При выпарке раствора карбамида происходят существенные его потери. Они определяются гидролизом карбамида и превращением его в биурет. Часть карбамида попадает в соковый пар и не только за счет брызгоуноса, но и за счет наличия паров карбамида над его водными растворами. Потери карбамида уменьшаются с увеличением интенсивности нагрева. При остаточном давлении <500

мм рт ст потери при выпаривании в две стадии ниже, чем при выпаривании в  одну стадию, при этом  разница  в абсолютных значениях потерь увеличивается  с понижением вакуума. В последней  ступени выпарки расплав карбамида  почти полностью освобождается  от воды, подогревается с целью предотвращения кристаллизации и подается на гранулирование.

   Карбамид гранулируют в гранбашнях, в которые подают воздух для охлаждения образовавшихся при распылении расплава свободно падающих капель. Важно правильно выбрать высоту гранбашни.

   Процесс образования гранул можно разделить на три этапа:

   1) охлаждение жидких капель от начальной температуры плава до температуры затвердевания;

   2) затвердевание жидких капель при постоянной температуре;

   3) охлаждение твердых гранул от температуры затвердевания до температуры продукта на выходе из гранбашни.

   Принцип расчета высоты башни состоит в установлении связи между временем полета частиц  под влиянием силы тяжести и высотой полета.

   В процессе гранулирования важно получить гранулят с определенным грансоставом, который определяется, прежде всего, свойствами расплава и конструкцией распыляющего устройства, температурой расплава (понижение температуры заметно уменьшает долю основной фракции –1.3 –1.5 мм).

 

1.1.4.Промышленные способы синтеза карбамида

   Процесс синтеза карбамида состоит из стадий синтеза и дегидратации образующегося карбамата аммония. Образование карбамата аммония происходит с выделением теплоты,  а дегидратация – с поглощением; суммарный процесс – экзотермический. В оптимальных условиях аммиак и оксид углерода (4) взаимодействуют почти мгновенно, дегидратация протекает медленно, так как этот

процесс равновесный. Поэтому в продуктах реакции  всегда содержатся карбамид, карбамат аммония, избыточный аммиак и вода. 

   Отделение карбамида осуществляется дросселированием и подогревом плава. При этом карбамат аммония разлагается на исходные вещества, которые с избыточным аммиаком и парами воды отгоняются в газовую фазу.

   При относительно небольших масштабах производства карбамида весь не прореагировавший аммиак перерабатывается в побочные соединения – соли аммония и аммиачную воду. Такие комбинации производств карбамида и нитрата (сульфата) аммония действовали на первом этапе создания цехов карбамида. Эти системы отличались простотой технологической схемы и аппаратурного оформления. Затем появились другие схемы.

   Современные процессы получения карбамида различаются, в основном, по методам использования непрореагировавших аммиака и двуокиси углерода.

   Все известные в настоящее время схемы производства карбамида могут быть разделены на

пять основных групп:

   1) процессы без рецикла (с переработкой аммиака в соли аммония);

   2) процессы с частичным рециклом аммиака;

   3) процессы с рециркуляцией горячих газов;

   4) процессы с рециркуляцией углеаммонийных солей в растворе или в виде суспензии (жидкостной рецикл);

   5) процессы, основанные на селективном извлечении из газовой фазы одного из компонентов и раздельном возврате аммиака и двуокиси углерода в цикл (газовый рецикл).

    Конкуренция между фирмами разных стран привела к созданию различных вариантов процесса. Наибольшее применение получили методы с частичным рециклом газов и с полным жидкостным рециклом.

   По схеме без рецикла газов аммиак и СО₂, непревращенные в карбамид, перерабатываются в аммиачную селитру, реже в сульфат аммония. Схемы, по которым часть непрореагировавшего аммиака снова возвращается в колонну синтеза, а остальной аммиак вместе с СО₂ направляется в производство азотных удобрений, называются системами с частичным рециклом. Схемы, в которых избыточный аммиак и СО₂, не превращенные в карбамид, возвращаются в цикл

синтеза карбамида, называются системами с полным рециклом. В РФ карбамид производится по схемам с полным или частичным рециклом. 

   Синтез карбамида из аммиака и двуокиси углерода осуществляется под давлением 180–200 атм  при температуре 185–195⁰С.

   Процесс производства карбамида состоит из следующих стадий:

   - прием аммиака и двуокиси углерода в цех;

  - синтез карбамида и дистилляция плава;

   - упаривание растворов карбамида;

   - гранулирование или кристаллизация карбамида;

   - упаковка и складирование готового продукта;

   - абсорбция отходящих газов и десорбция аммиака из сточных вод.

   Рассмотрим описание схемы установки с мощностью 90 тыс. т карбамида в год по методу фирмы «Стамикарбон» (рис.1.) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  
 

   Рис. 1. Схема узлов синтеза, дистилляции и выпарки в производстве карбамида по способу фирмы «Стамикарбон»:

1— центробежный аммиачный насос; 2 — фильтр; 3 — хранилище жидкого аммиака; 4 — холодильник жидкого аммиака; 5 — пятиплунжерный насос для подачи жидкого аммиака; 6 — подогреватель аммиака; 7 —реактор-смеситель; 8 — колонна синтеза карбамида; 9, 10. 12 — конденсаторы; 11— промежуточный сборник; 13 — скруббер для поглощения аммиака под давлением дистилляции; 14 — 16 — ректификатор, подогреватель и сепаратор узла дистилляции 1 ступени; 17 —19 — ректификатор, сепаратор и подогреватель II ступени; 20 — промывная колонна; 21 — конденсатор II ступени; 22 — уравнительный бак; 23 — вакуум-испаритель; 24 — абсорбер; 25 — холодильник; 26 — десорбер; 27 — теплообменник; 28 — напорный бак-питатель выпарки; 29 и 31 — подогреватель и сепаратор I ступени выпарки; 30, 32 — подогреватель и сепаратор II ступени цыпарки; 33 — форэжектор; 34—39 — конденсаторы соковых паров и эжекторы узла выпарки; 40 — насос для плава карбамида; 41 — центробежный насос; 42— гидрозатвор-сборник сокового конденсата; 43— холодильник; 44 — насос для подачи раствора на десорбцию; 45 — циркуляционный насос; 46 — сборник аммиачной воды; 47 — насос для подачи раствора карбамида па выпарку; 48 — сборник (хранилище) раствора карбамида; 49 — трехллунжерный насос низкого давлении для раствора углеаммонппных солей; 50 —трехплунжерный насос высокого давления для раствора углеаммоннпных солей карбаматный насос); 51 — компрессор для сжатия двуокиси углерода; 52 — холодильник аммиака.

 

   В процессе используется газообразная двуокись углерода, насыщенная водяными парами при

35⁰ С и жидкий аммиак. Чтобы компрессор не корродировал, углекислый газ должен быть предварительно осушен в двух периодического действия адсорберах, загруженных силикагелем или другим способом. Осушенная углекислота, содержащая н/б 1 г/м³ воды, направляется на  пятиступенчатый компрессор, где происходит сжатие до 200 атм.

   Свежий аммиак, поступающий из производства аммиака под давлением 16 атм, центробежными насосами сжимается до 18 –20 атм и через систему фильтров 2 поступает в промежуточный сборник 3, откуда насосами через подогреватели 6 подается в узел синтеза. Аммиак, поступающий в плунжерные насосы, во избежание вскипания должен иметь температуру на 10–15⁰С ниже температуры насыщения при данном давлении, что обеспечивается с помощью холодильника, охлаждаемого водой, которая поступает из узла осушки СО₂. В промежуточный сборник 3 также