CC BY
7
ПРОИЗВОДСТВО КАРБАМИДА ПО СТРИППИНГ-ПРОЦЕССУ
В.А. Ермолаева, канд. хим. наук, доцент А.Р. Лукмазова, студент
Муромский институт Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (Россия, г. Муром)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-3-4-206-210
Аннотация. В представленной статье рассматривается производство карбамида по стриппинг-процессу. Дана характеристика готового продукта - карбамида. Рассмотрен технологический процесс производства карбамида по стриппинг-процессу. Произведен расчет материального баланса основных стадий производства: колонны синтеза, стрип-пинг-дистиллятора и ректификационной колонны. Рассчитано количество образующегося карбамида до момента выпаривания раствора. Результаты расчета представлены в сводных таблицах. Так же было произведено моделирование основного аппарата данного производства.
Ключевые слова: карбамид, синтез, стриппинг-процесс, производство карбамида, моделирование колонны синтеза.
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 карбама-та 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 адгези-вов, в производстве древесно-волокничтых плит (ДВП) и мебельном производстве. Производные мочевины - эффективные гербициды
При нагревании до 150-160°С карбамид разлагается с образованием биуретана, аммиака, углекислого газа и др. продуктов. В водном растворе гидролизуется до СО2 и КНз. Относительная молекулярная масса 60,05 а.е.м .Удельная теплота растворения в воде 242,2 Дж/д, температура плавления при атмосферном давлении 132,7°С, удельная температура плавления 242,2 Дж/г, температура самовоспламенения 715°С. 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 № : СО2 = (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 КНз 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 (КНз и СО2), 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 КНз и СО2 в скруббер поглощаются раствором угле-аммонийных солей. Не уловленный аммиак с оксидом углерода (IV) с сепарацион-ной части аппарата дросселируются и направляются в абсорбер для улавливания аммиака. Полученный раствор углеаммо-нийных 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 мас-сообменного аппарата.
Газожидкостная смесь после слоя насадки массообменного аппарата отходит в подогреватель, в котором происходит окончательное разложение карбамата. Выделение образованных КНз, СО2 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 КНз и СО2 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 углеам-монийных 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 гра-нуляторы 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: КН - 143087,625 кг/ч, Н2О -1154,25 кг/ч; состав экспанзерного газа: СО2 - 83768,625 кг/ч, другие газы -1229,625 кг/ч; состав раствора УАС: КН3 -45715,375 кг/ч, СО2 - 73812,65 кг/ч, Н2О -27856,125 кг/ч.
Таблица 1. Материальный баланс колонны синтеза
Приход Расход
Компоненты кг/ч Компоненты кг/ч
1. Жидкий аммиак В том числе: ОД Н2О 2. Экспанзерный газ В том числе: СО2 другие газы 3. Раствор УАС В том числе: ад СО2 Н2О 143087,625 1154,25 83768,625 1229,625 45715,375 73812,65 27856,125 1.Раствор карбамида В том числе: карбамид карбамат аммония адОН свободный ЫИ 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 КШОН свободный КНз другие газы 2.Экспанзерный газ В том числе: СО2 др. 120375 122984,625 125634,5 5485,5 1229,625 83768,625 1229,625 1.Плав карбамида В том числе: карбамид карбамат аммония избыточный КНз Н2О 2.Газовая фаза В том числе: № СО2 пар Н2О 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 1. Раствор карбамида
В том числе: В том числе:
карбамид 120375 карбамид 115875
карбамат аммония 8607,375 Н2О 49952,25
изб. КНз 3349,125 2. Газы дистилляции
Н2О 60617,25 В том числе:
№ 9651,375
СО2 8155,125
пар Н2О 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).
fdC.
dt dCB
А = Св2 + (-k± • СА • Св2)
dt
= -s^CA^ Св2 + (-k2 • СА • Св2)
L(t, С) - <
dC,
dt dCw
dt dCE
Q = s • (CA • CB2 Cq)
= s • (.Ca • CB Cw)
dt dCv
dt
= s • Cq + k3 • CA • CB
- S • + • Сд • С;
4 °A
По системе уравнений строится модель колонны синтеза карбамида [4].
Рисунок
2
v.
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)2100=OJ54
Н20100- 0.460
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.
Библиографический список
1. Кучерявый В.И., Лебедев В.В. Синтез и применение карбамида. - Ленинград: Химия, 2012.
2. Горловский Д.М., Альтшулер Л.Н., Кучерявый В.И. Технология карбамида. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://libcats.org/book/467709.
3. Максимова Н.Н. Моделирование в химии. - Благовещенск: Изд-во АмГУ, 2020.
4. Гумеров А.М. Математическое моделирование химико-технологических процессов: учеб. пособие - 2-е изд. - СПб.: Лань, 2014.
PRODUCTION OF UREA BY STRIPPING PROCESS
V.A. Ermolaeva, Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor A.R. Lukmazova, Student
Murom Institute of the Vladimir State University named after Alexander Grigoryevich and Nikolai Grigoryevich Stoletov (Russia, Murom)
Abstract. This article discusses the production of urea by stripping process. The characteristics of the finished product, carbamide, are given. The technological process of urea production by stripping process is considered. The calculation of the material balance of the main stages of production: the synthesis column, the stripping distiller and the distillation column. The amount of urea formed up to the moment of evaporation of the solution is calculated. The calculation results are presented in summary tables. The main apparatus of this production was also modeled.
Keywords: urea, synthesis, stripping process, urea production, modeling of the synthesis column.
