Описание продукции и сырьевой базы производства, характеристика способов производства мочевины. Жизненный цикл продукции и основные виды воздействия карбамида на окружающую среду. Использование воды и энергии, особенности основного оборудования.
Аннотация к работе
4.3 Анализ использования сырья и материаловПри синтезе карбамида последовательно протекают две обратимых реакции: образование карбамата аммония: 2NH3 CO2 U CO(NH2)(ONH4) - 121,6 КДЖ (1) и дегидратации карбамата аммония до карбамида: CO(NH2)(ONH4)UCO(NH2)2 H2O-11,1 КДЖ (2) Он протекает в гетерогенной системе, состоящей из газообразной фазы (аммиак, диоксид углерода, пары воды) и жидкой фазы, включающей расплавленные и растворенные компоненты (аммиак, карбамат аммония, карбонаты аммония, карбамид) и воду. Реакция 1 протекает значительно быстрее реакции 2, поэтому лимитирующей процесс синтеза стадией, от которой и зависит выход продукта, является стадия дегидратации карбамата аммония 2. Повышение температуры быстро смещает равновесие реакции 1 влево, что приводит к уменьшению концентрации карбамата и, следовательно, к падению скорости реакции 2 конверсии карбамата в карбамид. Причина этого заключается в том, что избыточный аммиак, растворяясь в плаве, частично связывает воду, выделяющуюся при дегидратации карбамата аммония, благодаря чему равновесие этой реакции сдвигается в сторону более полного превращения карбамата аммония в карбамид.Диоксид углерода, предварительно очищенный от соединений серы и механических примесей, сжимается компрессором 1 до 18-20 МПА и при температуре ?40 ?С непрерывно подается через смеситель 4 в колонну синтеза 5. Скорость подачи реагентов рассчитана так, чтобы продолжительность реакционной смеси в колонне синтеза 5 находилась в пределах 30 - 40 мин. За счет подогретого аммиака и тепла реакции в колонне поддерживается температура 185 - 195 ?С, а степень конверсии CO2 составляет 60 - 70 %. Реактор работает в режиме вытеснения; реакционная масса продвигается снизу вверх; из верхней его части выводится плав, состоящий из карбамида, непревратившегося карбамата, избыточного аммиака и воды. После снижения давления дросселированием до 1,6 - 2 МПА плав поступает в ректификационную колонну 8 и затем через систему подогревателей и сепарации подается на вакуум-выпарку (обычно двухкорпусную).Прием аммиака идет под давлением не менее 11 кг/см2 максимальный объем хранения аммиака 12 м3 , оборудование расположено на наружной территории установки, категория пожарной опасности процесса Б, класс В-16. Узел синтеза предназначен для получения сплава карбамида из газообразного углекислого газа и аммиака под давлением 195 ; - 5 кг/см2 и температуре 178-1950С. Узел дистилляции предназначен для концентрации раствора карбамида до 70% для выделения не вступивших в реакции аммиака, углекислоты и возвращения их в цикл виде углеаммонийных солей процесс идет при давлении 15-18 кг/см2 и температуре 150 - 1620С. Узел выпаривания - предназначен для дальнейшего концентрирования раствора карбамида за счет выпаривания раствора под вакуумом и подаче раствора на гранбашню об. G-601/2 и далее поток распределяется: - на транспортер Р-201, проходит весы Р-401, на транспортер Р-701А и через сбрасывающую тележку Р-801 в буферный склад карбамида или с транспортера Р-701В, которым подается на расфасовочные машины Р-1703В, Р-1705В или при переключении транспортера в обратную сторону, на отгрузку карбамида насыпью.Карбамид (мочевина) (NH2)2CO - наиболее ценное азотное удобрение, легко усваиваемое растениями, содержащее до 46% азота. Карбамид применяют так же, как азотистую добавку, непосредственно в корм скоту. Карбамид используется не только в сельском хозяйстве, но и в промышленности. Карбамид применяется в фармацевтической промышленности, при очистке нефтепродуктов, для приготовления синтетического волокна урилона и т.п. Первая фракция должна содержать н/м 90% гранул размером от 0.2 до 1.0 мм, вторая фракция - н/м 90% гранул размером от 1.0 до 2.5 мм включительно.
План
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. Характеристика продукции и сырьевой базы производства
2. Характеристика способов производства мочевины (карбамида)
3. Физико-химические основы рассматриваемого процесса
4. Технологическая схема производства мочевины
4.1 Технологическая схема процесса
Вывод
Карбамид (мочевина) (NH2)2CO - наиболее ценное азотное удобрение, легко усваиваемое растениями, содержащее до 46% азота. Карбамид применяют так же, как азотистую добавку, непосредственно в корм скоту.
Карбамид используется не только в сельском хозяйстве, но и в промышленности. Из него готовят карбамидные смолы, идущие на приготовление ценных пластмасс, древесностружечных плит, синтетических клеев, составов для пропитки тканей. Карбамид применяется в фармацевтической промышленности, при очистке нефтепродуктов, для приготовления синтетического волокна урилона и т.п.
Для сельского хозяйства выпускаются две фракции карбамида. Первая фракция должна содержать н/м 90% гранул размером от 0.2 до 1.0 мм, вторая фракция - н/м 90% гранул размером от 1.0 до 2.5 мм включительно. Гранулы карбамида для снижения его слеживаемости покрываются различными кондиционирующими добавками: маслами, диспергаторами и т.п.
Важным показателем качества карбамида является гигроскопическая точка. Ее выражают через парциальное давление водяного пара над насыщенным раствором соли или через относительную влажность воздуха, при которой насыщаемый раствор не теряет влаги и не поглощает ее.
Важный показатель - слеживаемость. Она зависит от гигроскопичности соли, формы и размера частиц, давления на продукт, растворимости соли и т.д. Карбамид сильно слеживается при длительном хранении и упаковке в горячем и влажном (свыше 0.5-1% влаги) состоянии. Уменьшения слеживаемости карбмида можно достичь снижением влаги в готовом продукте до 0.2-0.3%. Охлаждение кристаллического карбамида перед упаковкой также снижает его слеживаемость.
В промышленности карбамид применяют для приготовления лаков, искусственных смол, пластических масс, клеев, фармацевтических препаратов.
Большие количества карбамида используют в производстве карбамидоформальдегидных полимеров, из него получают меламин, применяемый для производства меламиноформальдегидных смол.
В соответствии с заданием выбрана наиболее рациональная технологическая оценка, рассчитан материальный баланс и определены основные критерии технологического процесса. Графическим и расчетным способом определен уровень технологического процесса в соответствии с результатами, полученными при выполнении семестрового задания.
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
Удобрения должны обладать и хорошими физическими свойствами, т. е. водорастворимые соли не должны быть сильно гигроскопичными и не должны слеживаться при хранении, быть сыпучими, не сдуваться ветром и не слишком быстро смываться дождевой водой. Таким требованиям в наибольшей степени отвечают гранулированные удобрения. Водонерастворимые удобрения усваиваются растениями медленно, поэтому их производят и применяют в порошкообразном виде.
Многообразие минеральных удобрений обусловливает и необходимость использования самых разнообразных сырьевых материалов. Так, для производства фосфорных удобрений применяют апатит и фосфориты, хлорид калия KCL получают из сильвинита KACL•KCL,; азотные удобрения вырабатывают из синтетического аммиака, а также из аммиака, содержащегося в коксовом газе, и т.д.
Кроме природного сырья, для производства минеральных удобрений используют полупродукты и продукты химической и других отраслей промышленности. К таким видам сырья, прежде всего, относятся минеральные кислоты: серная, фосфорная, азотная, соляная, угольная, а также щелочи - главным образом аммиак, перерабатываемый в разные азотные удобрения.
Производство многих удобрений часто комбинируют с другими химическими производствами, а иногда и с производствами даже других отраслей промышленности. Например, цехи, перерабатывающие синтетический аммиак и азотную кислоту в азотные удобрения, объединяют с цехами синтеза аммиака и азотной кислоты в пределах единого азотнотукового предприятия. Цехи сульфата и фосфата аммония, для которых сырьем служит аммиак, содержащийся в коксовом газе, строятся при коксогазовых заводах. Во всех случаях необходимость комбинирования производства возникает из условий наиболее целесообразного и дешевого способа обеспечения их сырьем.
Азотные удобрения могут содержать азот в форме свободного аммиака и аминов (аммиакаты), ионов NH4 и NO3-, аминогруппы NH2, а также в их сочетании. В соответствии с этим различают следующие виды азотных удобрений: аммиачные, аммонийные, нитратные, амидные и аммонийно-нитратные. сырьевой мочевина карбамид вода
Все азотные удобрения водорастворимы, азот из них хорошо усваивается растенимями, особенно из аниона NO3-, который отличается высокой подвижностью в почве. По агрегатному состоянию азотные удобрения делятся на твердые (соли и карбамид) и жидкие (аммиак, аммиачная вода и аммиакаты, представляющие собой растворы твердых удобрений).
1. Сырьевая база производства карбамида (мочевины)
Карбамид (мочевина) - диамид угольной, или амид карбаминовой кислот CO(NH2)2. Генетическая связь производных угольной кислоты может быть выражена следующей схемой:
Карбамид представляет собой твердое кристаллическое вещество с температурой плавления 132,7?С. Хорошо растворим в воде, этаноле и жидком аммиаке, что используется для получения аммиакатов. При нагревании выше 130 ?С подвергается термической диссоциации с образованием биурета и выделением аммиака: 2CO(NH2)2 = H2N - CO - NH - СО - H2N NH3.
Водные растворы карбамида устойчивы до 80 ?С, при более высокой температуре разлагаются через образование карбоната аммония на аммиак и оксид углерода (IV): CO(NH2)2 2H2O U (NH4)2CO3 U (NH4)2HCO3 U
U CO2 H2O 2NH3.
Это исключает возможность длительного нагревания растворов карбамида при атмосферном давлении, например, в процессе выпаривания.
Карбамид - безбалластное высококонцентрированное МУ. Он легко усваивается растениями. Содержание азота в нем в амидной форме составляет 46,6%. По сравнению с нитратом аммония карбамид более богат азотом, меньше слеживается, не взрывоопасен в смесях с органическими веществами и медленнее вымывается из почвы.
Неисчерпаемым сырьевым источником для производства азотных удобрений служит атмосфера - воздух, содержащий 78% (об) свободного азота. Атмосферный азот превращают в связанный азот, т.е. в азотные соединения, различными путями, и практически, это почти единственный источник азота для промышленного производства, так как природные минералы, содержащие азот, например, соли азотной кислоты, встречаются сравнительно редко.
Сырьем для промышленного производства карбамида являются жидкий аммиак и диоксид углерода.
Аммиак ?Н3. В обычных условиях он представляет собой бесцветный газ с резким удушающим запахом; жидкий аммиак - бесцветная жидкость.
Под давлением аммиак сравнительно легко сжижается. Так, при 10 атм аммиак начинает конденсироваться уже при 250 °С, при 18атм - конденсация начинается при температуре около 450 °С. Под атмосферным давлением аммиак сжижается при охлаждении его до -33.50 °С.
Аммиак очень хорошо растворяется в воде, образуя аммиачную воду различной концентрации. Эти растворы обладают щелочными свойствами.
Основные физико-химические свойства приведены ниже: Критические константы давление, атм ………………………………………111.5 температура, 0С……………………………………132.4
Плотность газообразного (при 0 °С и 760 мм рт ст), г/л…….0.77 жидкого ( при -33 °С и 760 мм рт ст), г/см3……..0.6814
Теплоемкость газа (приведенного к идеальному состоянию), кал/(г*град) при 0 °С……………………………………………..0.491 при 25 °С……………………………………………..0.500 при 100 °С………………………………………….0.527
Средняя теплоемкость жидкого аммиака
(при 15 -30 °С), кал/г*град………………………..1.116
Теплота образования из простых веществ, ккал/моль газообразного……………………………………..10.94 жидкого…………………………………………..15.84
Жидкий аммиак синтетический выпускается двух сортов и должен удовлетворять следующим требованиям: содержание 1-й сорт 2-й сорт
Аммиак, %, не менее 99.9 99.6
Влага, %, не более 0.1 0.4
Масло, мг/л, не более 10.0 35.0
Железо, мг/л, не более 2.0 Не нормируется
Диоксид углерода СО2
При обычных условиях диоксид углерода - бесцветный газ с кисловатым вкусом. Под давлением 35.5 ат и температуре 0 °С диоксид углерода конденсируется в бесцветную жидкость, не смешивающуюся с водой, но растворимую в спирте, маслах и эфире.
Жидкая двуокись углерода при сильном охлаждении превращается в белую снегообразную массу (так называемый сухой лед), которая при нагревании испаряется, не плавясь.
Газообразная двуокись углерода в обычных условиях сравнительно мало растворима в воде: 1 объем воды растворяет около 1 объема СО2. Двуокись углерода обладает кислотными свойствами, которые проявляются при взаимодействии ее со щелочами (при этом образуются соли).
В производстве карбамида применяется двуокись углерода, являющаяся отходом процесса очистки азото-водородной смеси, направляемой на синтез аммиака.
Некоторые физико-химические свойства диоксида углерода: Критические константы давление, атм……………………………………….72.9 температура, °С……………………………………31.0
Плотность газообразной, г/л…………………………………1.997 жидкой, кг/л………………………………………0.9248
Теплоемкость газа молекулярная, кал/(моль* град)……………..8.874 удельная ( при 50 °С и 1 атм), кал/(г*град)….0.2
Качество диоксида углерода, используемого для синтеза карбамида, должно удовлетворять следующим требованиям: Содержание СО2, %, не менее……………………99
Инертные примеси (Н2, ?2, СО, СН4), %, н/б… 1 в том числе водород, %, н/б……………… ..0.01
Соединения серы, мг/м3, н/б…………………. 13
Влажность, г/м ……………………………….. 12 -25
Такие жесткие требования по содержанию сернистых соединений в углекислом газе обусловлены тем, что присутствие этих примесей вызывает коррозию аппаратуры и ухудшение качества карбамида.
2. Характеристика способов производства мочевины
В результате взаимодействия аммиака и оксида углерода (IV) образуется сложная система, состоящая из целевого продукта карбамида, полупродукта карбамата аммония, воды, карбонатов аммония и избытка аммиака. Для выделения из нее твердого карбамида и утилизации не вступивших в реакцию остальных компонентов и карбамата полученный раствор подвергают дистилляции. В процессе дистилляции отгоняется избыток аммиака и воды и происходит разложение карбонатов аммония (аммонийных солей).
В зависимости от того, возвращаются эти продукты в процесс или после отделения карбамида используются в других производствах (например, для получения нитрата аммония), технологические схемы производства карбамида делятся на две группы: - без возвращения продуктов дистилляции в цикл (разомкнутая схема, без рецикла);
- с возвращением продуктов дистилляции в цикл (замкнутая схема, с рециклом).
В первом случае весь выделившийся при дистилляции аммиак поглощают азотной кислотой для получения нитрата аммония, при этом производство карбамида комбинируется с производством нитрата аммония.
Во втором случае продукты дистилляции частично (частичный рецикл) или полностью (полный рецикл) возвращаются в цикл на синтез карбамида. Существуют для варианта полного рецикла: газовый рецикл, при котором продукты дистилляции возвращаются в газообразном виде, и жидкостный рецикл, при котором они возвращаются в виде раствора аммонийных солей.
На рисунке 1.1. представлена принципиальная схема производства карбамида с полным жидкостным рециклом.
Рисунок 1.1 - Принципиальная схема с полным рециклом
Наиболее экономична технологическая схема с полным жидкостным рециклом, так как в ней не требуется сжатия возвращаемых в цикл горячих газов (аммиака и диоксида углерода), что может вызвать засорение трубопроводов образующимся твердым карбамидом и их коррозию.
На рис. 1.2 приведена технологическая схема производства карбамида с полным жидкостным рециклом и двухступенчатой дистилляцией плава мощностью 90 тыс. тонн в год.
Рисунок 1.2 - Технологическая схема производства карбамида: 1 - смеситель аммиака, диоксида углерода и раствора аммонийных солей, 2 - промывная колонна; 3 - колонна синтеза; 4, 11 - редукторы; 1 - ректификационная колонна I ступени; 6 - сепаратор; 7, 13 - подогреватели; 8 - выпарные аппараты I и II ступеней; 9, 10, 11 - холодильники-конденсаторы; 12 - ректификационная колонна II ступени; 14 - сепаратор II ступени; сборник раствора карбамида; 17 - сборник плава; 18 - грануляционная башня; 19 - транспортер
Оксид углерода (IV), очищенный от примесей и сернистых соединений, сжатый до 20 МПА, и жидкий аммиак под давлением 11 МПА поступают в смеситель 1 при температуре 80 - 100?С. Сюда же подается раствор аммонийных солей из промывной колонны 2. В смесителе обеспечивается мольное отношение NH3:CO2:H2O=4,1:1:0,1. Из смесителя смесь, разогревшаяся за сет частичного образования карбамата до 171?С, направляется в нижнюю часть колонны синтеза 3, где заканчивается образование карбамата аммония, и он превращается на 61% в карбамид. Для обеспечения оптимального теплового режима в колонну дополнительно вводят жидкий аммиак. Из верхней части колонны плав после дросселирования в редукторе 4 подается на двухступенчатую дистилляцию. Агрегат дистилляции каждой ступени состоит из трех аппаратов: ректификационной колонны, подогревателя и сепаратора. Сначала плав поступает в ректификационную колонну 1 первой ступени 1, где давление снижается до 2 МПА. В колонну 1 из сепаратора первой ступени 6 подается противотоком газ. В колонне первой ступени проходит выделение карбамида из реакционной смеси, разложение карбамата аммония и образование из аммиака диоксида углерода и воды водного раствора аммонийных солей. Плав из колонны 1, пройдя подогреватель 7, поступает при температуре 160 ?С в сепаратор первой ступени 6, в котором разделяются жидкая и газообразная фазы. Газы возвращаются в колонну 1 и оттуда в нижнюю часть промывной колонны 2. Верхняя часть промывной колонны орошается жидким аммиаком и аммиачной водой, поступающей в виде конденсата из выпарного аппарата 8 через холодильник-конденсатор 9. В промывной колонне из газа вымывается диоксид углерода и образуется водный раствор аммонийных солей, а газообразный аммиак отводят из верхней части колонны и после сжижения в холодильнике-конденсаторе 10 возвращают в процесс. Водный раствор аммонийных солей перекачивается в смеситель 1 и оттуда в колонну синтеза 3. Раствор карбамида из сепаратора первой ступени 6 дросселируется до давления 0,3 МПА в редукторе II и подается в ректификационную колонну второй ступени 12, откуда поступает в подогреватель 13 и сепаратор 14. В колонне второй ступени происходят дальнейшее разложение карбамата до аммиака и диоксида углерода и образование водного раствора карбоната и бикарбоната аммония. Из нижней части сепаратора 14 выходит 70% раствор карбамида, а из верхней - парогазовая смесь, содержащая аммиак, диоксид углерода и пары воды, которая поступает в нижнюю часть ректификационной колонны 12. Газовая смесь из колонны 12 охлаждается в холодильнике-конденсаторе 11 и в виде раствора аммонийных солей подается в нижнюю часть промывной колонны 2. Раствор карбамида из сепаратора второй ступени 14 собирается в сборнике 16 и подается на упаривание последовательно в вакуум-аппараты первой и второй ступеней при температуре 140?С и давлении 0,003 МПА. Полученный плав карбамида концентрацией около 0,998 мас. дол. поступает через сборник плава 17 в грануляционную башню 18 и распыляется в ней. Образовавшиеся гранулы при температуре около 70?С транспортером 19 подают на операции классификации, охлаждения и упаковки. Выход карбамида в расчете на диоксид углерода составляет около 91%.
В последние годы в производстве карбамида был внедрен стриппинг-процесс, в котором разложение карбамата аммония в плаве ведут при давлении, близком к давлению синтеза, путем продувки плава сжатым диоксидом углерода. В этих условиях карбамат аммония диссоциирует за счет снижения парциального давления аммиака и сдвига равновесия реакции 1 влево. На принципе стриппинг-процесса в настоящее время работают установки большой единичной мощности 1000 - 1100 т/сут. Технологическая схема подобного процесса представлена на рисунке 1.3.
Из конденсатора высокого давления 1 в нижнюю часть колонны синтеза 2 поступают водный раствор карбамата аммония, аммонийных солей, аммиак и диоксид углерода. Образовавшийся плав направляется в отдувочную колонну 3, обогреваемую паром, в которую противотоком поступает под давлением 11 МПА диоксид углерода. Из колонны 3 парогазовая смесь, содержащая свежий диоксид углерода, поступает в конденсатор высокого давления 1, куда через инжектор 4 вводится жидкий аммиак. Он одновременно служит рабочим телом в инжекторе, подающем в конденсатор раствор аммонийных солей из скруббера 1 и часть плава из колонны синтеза. В конденсаторе образуется карбамат, а тепловой эффект реакции используют для выработки пара. Непрореагировавшие в колонне синтеза газы и пары воды поступают в скруббер высокого давления 1, в котором конденсируются и через инжектор 4 направляются в конденсатор высокого давления 1. Водный раствор карбамида, выходящий из отдувочной колонны 3, содержит до 1% карбамата аммония. Для его разложения раствор дросселируют в редукторе 6 до давления 0,3 - 0,6 МПА и направляют в верхнюю часть ректификационной колонны 7. В ней жидкая фаза в виде 70% раствора карбамида стекает вниз и после снижения давления до 0,1 МПА в редукторе 8 собирается в сборнике раствора 9. Водяные пары, выходящие из ректификационной колонны 7, конденсируются в холодильнике-конденсаторе 10, растворяя содержащиеся в них аммиак и диоксид углерода, и полученный раствор аммонийных солей направляется в скруббер 2. Раствор карбамида из сборника 9 поступает в выпарной аппарат 11 и после упаривания в грануляционную башню 12, откуда в виде гранул направляется транспортером 13 на склад.
Стриппинг-процесс производства карбамида позволяет использовать тепловой эффект реакции образования карбамида, упростить технологическую схему, сократить количество оборотной воды и, в целом, является поэтому более экономичным, чем обычный.
Дальнейшее совершенствование производства карбамида заключается в создании интегральных схем, объединяющих производство карбамида, аммиака и нитрата аммония, повышении единичной мощности установок, внедрении технологических схем со стриппинг-процессом.1. Миронович И. М. Основы технологии производства продукции химического комплекса. Мн.: ОДО Равноденствие, 2005
2. Кутепов А.М., Бондарева Т. И, Беренгартен М.Г. Общая химическая технология, М., Высшая школа, 1990.
3. Основы химической технологии / Под ред. И. П. Мухленова. М.: Высшая школа, 1991.
4. Технология важнейших отраслей промышленности / Под ред. А. М. Гинберга. М.: Высшая школа, 1985.