Технологические параметры производства карбамида

Аннотация: 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. 

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 °C, плотность 1,33 г/см³. Карбамид – химическое вещество, формула CO(NH₂)₂. Мочевина взаимодействует с полярными 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 карбамидо-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 NH₃, 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 взаимодействие 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:

2NH₃ + CO₂ → NH₂ COONH₄, ΔН = 159,35 кДж

и дегидратации карбамата аммония до карбамида:

NH₂ COONH₄ → CO(NH₂)₂ + H₂O, ΔН = - 28,47 кДж

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

2NH₃ + CO₂ = CO(NH₂)₂ + H₂O, ΔН = - 110,1кДж

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 парожидкостную смесь мочевины, воды, непрореагировавших 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 материального 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 ∙ m(мочевины) /M(мочевины),

где; Μ– молярные массы веществ, m (мочевины) – искомая масса мочевины;

m(NH₃)= 2 ∙ 17 ∙ 980/60 = 555,33 кг

m(CO₂) = M_CO2 ∙ m(мочевины) / M(мочевины)

m(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

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(H₂О) = m(NH₂COOONH₄) ∙ М(H₂О) / M(NH₂COOONH₄) ∙ M(CO(NH₂)₂ / 100

m(H₂О) = 2319,7 ∙ 18/78 ∙ 60/100 = 320,11 кг

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(H₂О) × M(NH₄OH) / М(H₂О)

m(NH₄OH) = 320,11× 35/18 = 622,4кг

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_изб(NH₃) = m₃(NH₃) - m₄(NH₃) = 1011,15 – 302,3 = 708,85 кг

Результаты расчета материального баланса занесли в табл. 1.

Таблица 1

Материальный баланс производства мочевины

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.

Таблица 2

Тепловой баланс производства мочевины

Изучили охрану труда и окружающей среды. Производство карбамида не безвредно, 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 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. 12-17.
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.

 

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