Технологические параметры производства карбамида Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

НАУКА БЕЗ ГРАНИЦ • № 5 (22) • 2018

УДК 681.5

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОИЗВОДСТВА КАРБАМИДА

Ермолаева Вера Анатольевна, кандидат химических наук, доцент, Синявская Дарья Сергеевна, студент, Муромский институт (филиал) ВлГУ имени А. Г. и Н. Г. Столетовых, Муром, РФ

Данная работа посвящена изучению производства карбамида. Дана характеристика процесса производства карбамида в колонне синтеза под давлением. Произведена характеристика целевого продукта - карбамида, охарактеризовано исходное сырье - аммиак и диоксид углерода. Рассмотрено и описано основное технологическое оборудование и технологический процесс. Произведен практический расчет материального и теплового баланса производства. Результаты расчетов представлены в сводных таблицах. Изучена безопасность технологического процесса производства карбамида, вопросы охраны труда и окружающей среды. Ключевые слова: карбамид; колонна синтеза; материальный и тепловой баланс.

TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF CARBAMIDE PRODUCTION

Ermolaeva Vera Anatol'evna, PhD (Cand. Chem. Sci.), associate professor, Siniavskaya Dar'ya Sergeevna, student, Murom Institute (branch) of VISU, Murom, Russia

This work is devoted to the study of carbamide production. The characteristics of the urea production process in the synthesis column under pressure are given. The characteristics of the target product - urea, the initial raw materials - ammonia and carbon dioxide are characterized. The technological equipment and technological process are considered and described. The practical calculation of the material and heat balance ofproduction is made. The results of calculations are presented in summary tables. The safety of the technological process of carbamide production, the issues oflabor protection and the environment have been studied.

Keywords: carbamide; synthesis column; material and heat balance.

Для цитирования: Ермолаева В. А., Синявская Д. С. Технологические параметры производства карбамида // Наука без границ. 2018. № 5 (22). С. 85-89._

Цель работы

Цель работы заключается в изучении технологического процесса производства карбамида. При исследовании производства необходимо охарактеризовать целевой продукт, исходное сырье, рассмотреть и описать технологический процесс получения мочевины, описать основное технологическое оборудование, рассчитать тепловой и материальный балансы, рассмотреть контроль производства, изучить вопросы охраны труда и окружающей среды [1].

Характеристика целевого продукта

В проведенной работе дана характеристика процесса производства карбамида в колонне синтеза под давлением.

Произведена характеристика целевого продукта - карбамида. Мочевина (карбамид) - бесцветные кристаллы, которые достаточно легко растворяются в воде, спирте, жидком аммиаке, оксиде серы, имеет температуру плавления около 133 °С, плотность 1,33 г/см3. Карбамид -химическое вещество, формула СО(КН2)2. Мочевина взаимодействует с полярными

НАУКА БЕЗ ГРАНИЦ • № 5 (22) • 2018

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

растворителями, причем с повышением температуры растворителей способность взаимодействия увеличивается, однако нерастворима в неполярных растворителях (хлороформ, алканы). Химические свойства объясняют широкое использование мочевины в химическом синтезе карбами-до-альдегидных смол, которые используются в качестве адгезивов, в производстве древесноволокнистых плит и мебельном производстве [2]. Большие количества произведенного карбамида используются в качестве высокоэффективного минерального удобрения, которое можно применять на всех видах почв под любые культуры. Несомненным преимуществом является устойчивый к слеживанию гранулированный вид этого удобрения.

Охарактеризовано исходное сырье. Сырьём для производства карбамида служат аммиак и диоксид углерода. Аммиак - химическое соединение с формулой МН3, при нормальных условиях — бесцветный газ с резким характерным запахом. Плотность аммиака почти в два раза меньше, чем плотность воздуха. При температуре 15 °С она составляет 0,73 кг/м3. Плотность аммиака жидкого в нормальных условиях равна 686 кг/м3. Молекулярная масса вещества - 17,2 г/моль.

Диоксид углерода - углекислый газ, газ без запаха и цвета, тяжелее воздуха, при сильном охлаждении кристаллизуется в виде белой снегообразной массы — «сухого льда». При атмосферном давлении он не плавится, а испаряется, температура сублимации - минус 78 °С. Содержится в воздухе и минеральных источниках, выделяется при дыхании животных и растений [2].

Характеристика технологического процесса

Рассмотрено и описано основное технологическое оборудование и технологический процесс получения карбамида. В основе получения карбамида лежит взаи-

модействие аммиака с оксидом углерода (IV) с последующей дистилляцией продуктов синтеза и переработкой полученных растворов. При синтезе карбамида последовательно протекают две обратимых реакции [3]:

образование карбамата аммония: 2Ж3 + С02 ^ СООЖ4, АН = 159,35 кДж. и дегидратации карбамата аммония до карбамида:

СООЖ4 ^ СО(КН2)2 + Н20, АН = -28,47 кДж.

Процесс синтеза описывается по суммарной реакции А. И. Базарова:

2Ж3 + С02 = СО(Ж2)2 + Н20, АН = -110,1 кДж.

Основным технологическим оборудованием являются: смеситель, колонна синтеза, аппарат для охлаждения гранулированной мочевины в кипящем слое, сепаратор. Одним из основных аппаратов в технологии получения является реактор синтеза карбамида [4].

Колонна синтеза предназначена для получения мочевины из карбамата аммония путем его дегидратации под давлением 200 атм при 190.. .200 °С. Конечный продукт - плав - представляет собой паро-жидкостную смесь мочевины, воды, не-прореагировавших аммиака и карбамата аммония. Колонна синтеза - это аппарат цилиндрической формы со сферическими крышкой и днищем, они крепятся к фланцам корпуса посредством шпилек. Верхняя крышка имеет три отверстия: для штуцера вывода плава, термопары и предохранительного клапана. В днище просверлено одно отверстие для штуцера подвода смеси из смесителя. Внутренние поверхности корпуса, днища и крышки колонны, соприкасающиеся с реакционной массой, футеруются специальным сплавом или нержавеющей сталью, стойкой в плаве мочевины.

Произвели практический расчет мате-

технические науки

НАУКА БЕЗ ГРАНИЦ • № 5 (22) • 2018

риального баланса производства. По следующим исходным данным: Давление в колонне 200 атм, температура 190 °С, избыток аммиака от стехиометрического количества - 100 %, степень превращения карбамата в мочевину 60 %, степень разложения мочевины при дистилляции и упаривании 15 %. Все расчеты производятся на 980 кг готовой продукции, содержащей 95 % мочевины [5].

1. Расчет теоретического расхода аммиака и углекислого газа на 980 кг мочевины (100%-ной)

m(NH3) = n • M NH3 x x т(мочевины) / М(мочевины), где: M - молярные массы веществ,

т(мочевины) - искомая масса мочевины.

m(NH3)= 2 • 17 • 980/60 = 555,33 кг. m(CO2) = M CO2 x x т(мочевины) / М(мочевины) т(СО2) = 44 • 980/60 = 718,66 кг.

2. Расходы аммиака и углекислого газа на 980 кг мочевины (95% - ной).

m(NH3) = 2 • 17 • 980-0,95/60 = 527,56 кг m(cO2) = 44 • 980 • 0,95/60 = 682,73 кг Масса мочевины с учетом потерь: 1092,5 кг, следовательно, на образование этой массы необходимо:

m1(NH3) = m(NH3) • 1,15=527,56 • 1,15 = = 606,69 кг

m1(CO2) = m(CO2) • 1,15=682,73 • 1,15 = = 785,13 кг

3. Расчет практического расхода аммиака и углекислого газа

m2(NH3) = m(NH3) • 1,15 • n • 100 / M CO(NH2)2 = 527,56 • 1,15 • 2 • 100/60 =

2022,3 кг 2 2

m2(CO2) = m(CO2) • 1,15 • 100 / M CO(NH2)2 = 682,73 • 1,15 • 100/60 = 1308,56 кг

4. Расчет массы карбамата аммония, образующегося в реакторе

m(NH2 COOONH4) = m2(CO2) • M (NH2COOONH4) / M(CO2)

m(NH2 COOONH4) = 1308,56 • 78/44 =

2319,7 кг.

5. Расчет массы аммиака, расходующейся на образование карбамата:

m3(NH3) = m(NH2 COOONH4) • n • M (NH3)/M (NH2COOONH4)

m3(NH3) = 2319,7 • 2 • 17/78 = 1011,15 кг Масса аммиака, не вступившего в реакцию 1011,15 кг.

6. Расчет массы мочевины, образующейся из карбамата аммония:

m(CONH2)2 = m(NH2COOONH4) • M CO(NH2)2 / M (NH2COOONH4);

m(CO(NH2)2 = 2319,7 • 60/78 • 100 = 1071 кг.

Масса карбамата аммония, не вступившего в реакцию:

m1(NH2 COOONH4) = m(NH2 COOONH4) • (100 - M CO(NH2)2 / 100).

m1(NH2 COOONH4) = 2319,7 • (100 -60/100) = 927,88 кг.

7. Масса воды, выделившейся по реакции (2):

m(H20) = m(NH2COOONH4) • M(H20) / M(NH2COOONH4) • M(CO(NH2)2 / 100. m(H20) = 2319,7 • 18/78 • 60/Ю0 = 320,11

RI..

Рассчитаем материальный баланс синтеза мочевины, задаваясь производительностью цеха 3,75 т/час мочевины.

8. Масса гидроксида аммония, образующегося при реакции выделившейся в колонне воды с избытком аммиака:

m(NH4OH) = m(H20) • M(NH4OH) / М(H2О).

m(NH4OH) = 320,11 35/18 = 622,4 кг.

9. На этот процесс затрачивается аммиака:

m4(NH3) = m(NH4OH) • М NH3 /

M nh4oh.

m4(NH3) = 622,4 • 17/35 = 302,3 кг. Избыток аммиака:

m^N^) = m3(NH3) - m4(NH3) = 1011,15 - 302,3 = 708,85 кг.

Результаты расчета материального баланса занесли в табл. 1.

НАУКА БЕЗ ГРАНИЦ • № 5 (22) • 2018

технические НАУКИ

Таблица 1

Материальный баланс производства мочевины

Приход Расход

кг кг/ч кг кг/ч

Аммиак 2022,3 7583,62 Мочевина 1071 4016,25

Углекислый газ 1308,56 4907,1 Карбамат аммония 927,88 3479,55

Вода 320,11 1200,41

Избыток аммиака 1011,15 3791,8

3330,86 12490,72 3330,14 12488,01

Таблица 2

Тепловой баланс производства мочевины

Приход Расход

Статья прихода Количество, ккал Статья расхода Количество, ккал

Теплота, поступающая с СО2 8165 На образование мочевины 78540

Теплота, поступающая с жидким аммиаком 42630 Подогрев карбамата аммония 32429

Тепло образования карбама-та аммония 579150 Подогрев избытка аммиака 11483

Теплота реакции образования гидрата аммония 45132,9 Подогрев гидрата аммония 18672

Нагрев аппарата извне через стенки 49207 Подогрев аммиака 228198

На подогрев двуокиси 28006

Тепло, уходящее с плавом 326957

Всего 724285 Всего 724285

Невязка материального баланса составила: 0,015 %.

Сделали расчет теплового баланса производства. Исходными данными служат: Температура на входе в колонну - жидкого аммиака 45°С, двуокиси углерода 30 °С , температура в колонне 180 °С. Теплота реакции образования мочевины при 190 °С и 100 % избытке аммиака равна 4400 ккал/ моль.

Изучили охрану труда и окружающей среды. Производство карбамида не без-

вредно, работающие на производстве карбамида должны быть обеспечены исправными средствами индивидуальной защиты. Перед началом работы обслуживающий персонал должен проверить исправность индивидуальных средств защиты. На территории цеха запрещается пользоваться открытым огнем. При производстве карбамида имеются выбросы в окружающую среду газообразного аммиака, пыли карбамида. Кроме этого, в процессе работы получается соковый

тЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

НАУКА БЕЗ ГРАНИЦ • № 5 (22) • 2018

конденсат, загрязненный аммиаком и карбамидом, который через химически загрязненную канализацию отправляется в цех биохимической очистки для полной очистки.

При возникновении аварийных ситуаций и остановке цеха на ремонт воды, загрязненные аммиаком и карбамидом, сбрасываются в сборник аммиачной воды

и подземный резервуар, разработанный специально для этих целей, с последующей переработкой [2].

Таким образом, в работе исследовали технологический процесс производства карбамида, основное технологическое оборудование, рассчитали материальный и тепловой балансы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ермолаева В. А. Влияние технологического процесса контактной сварки на состав атмосферного воздуха // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. 2013. № 4. С. 1217.

2. Зотов А. Т. Мочевина [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://bookre.org/ reader?file=486226.

3. Мельников Е. Я. Технология неорганических веществ и минеральных удобрений [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://bookre.org/reader?file=541235.

4. Баранова Н. И. Анализ технологического процесса производства карбамида как объекта управления [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://science-education.ru/ pdf/2013/6/292.pdf.

5. Атрощенко В. И., Гелперин И. И. Методы расчетов по технологии синтеза связанного аммиака [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://asmlocator.ru/viewtopic.php?t=257183.

REFERENCES

1. Ermolaeva V. A. Vliyanie tekhnologicheskogo protsessa kontaktnoi svarki na sostav atmosfernogo vozduha [Influence of the contact welding process on the composition of atmospheric air]. Mashinostroenie i bezopasnost'zhiznedeyatel'nosti, 2013, no. 4, pp. 12-17.

2. Zotov A. T. Mochevina [Urea]. Available at: http://bookre.org/reader?file=486226.

3. Mel'nikov E. YA. Tekhnologiya neorganicheskih veshchestv i mineral'nyh udobrenii [Technology of inorganic substances and mineral fertilizers]. Available at: http://bookre.org/reader?file=541235.

4. Baranova N. I. Analiz tekhnologicheskogo protsessa proizvodstva karbamida kak ob'ekta upravleniya [Analysis of the technological process of urea production as a control object]. Available at: https://science-education.ru/pdf/2013/6/292.pdf.

5. Atroshchenko V. I., Gelperin I. I. Metody raschetov po tekhnologii sinteza svyazannogo ammiaka [Calculation methods for the synthesis technology associated with ammonia]. Available at: http:// asmlocator.ru/viewtopic.php?t=257183.

Материал поступил в редакцию 07.05.2018 © Ермолаева В. А., Синявская Д. С., 2018