3. Промышленные схемы производства карбамида.
Промышленные схемы производства карбамида различаются способами использования не прореагировавших исходных реагентов. В связи с этим существуют схемы:
первая – с открытой цепью, или разомкнутые схемы;
вторая – циркуляционные, или циклические схемы.
В процессах с открытой цепью избыточный аммиак после отделения от жидких продуктов направляется на поглощение азотной кислотой. В таких случаях производство карбамида комбинируется с получением аммонийной селитры.
В циркуляционных схемах не прореагировавшие продукты полностью или частично возвращаются на синтез.
Циркуляционные схемы бывают:
- с полным рециклом;
- с частичным рециклом.
Циркуляционные схемы разделяются также на схемы:
- с газовым рециклом;
- с жидкостным рециклом;
- с газожидкостным рециклом.
4. Технологическая схема производства карбамида с полным жидкостным рециклом и двухступенчатой дистилляцией плава.
На рисунке (Рис.33) представлена технологическая схема производства карбамида с полным жидкостным рециклом и двухступенчатой дистилляцией плава.
Описание схемы.
Основная стадия – синтез карбамида, в которую входят образование карбамата и его разложение до карбамида, происходит в колонне синтеза 3.
Реагирующие вещества (СО2 и NH3, а также рецикл в виде углеаммонийных солей) поступают в колонну синтеза 3 через смеситель 1.
Диоксид углерода, очищенный от примесей и сжатый до 20 МПа, а также жидкий аммиак под давлением 15 МПа поступают в смеситель 1 при температуре 80 – 100ºС. Сюда же подаётся раствор аммонийных солей из промывной колонны 2. В смесителе обеспечивается мольное соотношение NH3 : CO2 : Н2О = 4,5 : 1 : 0,5. В смесителе частично происходит образование карбамата по реакции (1а). Так как реакция экзотермическая, то смесь разогревается до температуры 175ºС. Далее смесь направляется в нижнюю часть колонны синтеза 3, где при оптимальных условиях синтеза:
t = (180 – 220)ºC
P = 20 МПа
NH3 : CO2 : H2O =4,5 : 1 : 0,5
заканчивается образование карбамата по реакции (2.1а) и превращение карбамата в карбамид по реакции (2.1б). Степень превращения карбамата в карбамид составляет 65 – 75 %.
Рис. 33. Технологическая схема производства карбамида.
1 – смеситель аммиака, диоксида углерода и раствора аммонийных солей; 2 – промывная колонна; 3 – колонна синтеза; 4, 11 – редукторы; 5 – ректификационная колонна I ступени; 6 – сепаратор; 7, 13 – подогреватели; 8 – выпарные аппараты I и II ступеней; 9, 10, 15 – холодильники-конденсаторы; 12 – ректификационная колонна I ступени; 14 – сепаратор II ступени; 16 – сборник раствора карбамида; 17 – сборник плава; 18 – грануляционная башня; 19 – транспортер.
Так как реакция 1а экзотермическая, а от смещения её равновесия вправо зависит образование карбамида по реакции (2.1б), то для обеспечения оптимального температурного режима в колонну синтеза 3 дополнительно вводят жидкий аммиак, то есть систему охлаждают.
Из верхней части колонны плав подаётся на дистилляцию.
После колонны синтеза плав дросселируется в редукторе 4.
В данной схеме дистилляция двухступенчатая. Каждая ступень дистилляции состоит из трех аппаратов:
– ректификационной колонны (5 и12);
– подогревателя(7 и 13);
– сепаратора (6 и 14).
Первая ступень дистилляции.
Из колонны синтеза плав сначала поступает в ректификационную колонну первой ступени 5, где давление снижается до 2 МПа. В ректификационной колонне происходит следующее:
– разложение карбамата аммония на аммиак и диоксид углерода;
– образование углеаммонийных солей по реакциям:
2 NH3 + CO2 + H2O = (NH4)2CO3
CO2 + H2O +(NH4)2CO3 = 2(NH4)НCO3
– выделение карбамида из реакционной смеси в виде плава.
Газ из ректификационной колонны 5 через промывную колонну 2 и далее через смеситель 1 возвращаются в колонну синтеза. А плав из ректификационной колонны 5 проходит подогреватель 7 и при температуре 160ºС поступает в сепаратор 6, в котором разделяется жидкая и газообразная фазы. Газ из сепаратора первой ступени 6 возвращается в ректификационную колонну 5, оттуда идёт в нижнюю часть промывной колонны 2. А плав поступает на вторую стадию дистилляции.
Что происходит в промывной колонне 2? Верхняя часть промывной колонны 2 орошается жидким аммиаком и аммиачной водой, поступающей из выпарного аппарата 8 через холодильник-конденсатор 9. В промывной колонне вымывается СО2 и образуется раствор углеаммонийных солей. Водный раствор углеаммонийных солей перекачивается в смеситель 1, а оттуда в колонну синтеза 3. Газообразный аммиак отводят из верхней части промывной колонны 2, сжижают в холодильнике-конденсаторе 10 и возвращают в колонну синтеза 3.
Вторая ступень дистилляции.
Раствор (или плав) карбамида из сепаратора первой ступени 6 дросселируется до давления 0,3 МПа в редукторе 11 и подаётся в ректификационную колонну второй ступени 12. оттуда поступает в подогреватель13 и сепаратор 14.
В ректификационной колонне второй ступени 12 происходит дальнейшее разложение карбамата до аммиака и диоксида углерода и образование водного раствора карбоната и гидрокарбоната аммония.
Из нижней части сепаратора 14 выходит карбамид 70%-й концентрации. Из верхней части выходит паро-газовая смесь, содержащая аммиак, диоксид углерода и водяные пары, и поступает в нижнюю часть ректификационной колонны 12.
Газовая смесь из ректификационной колонны 12 охлаждается в холодильнике-конденсаторе 15 и в виде раствора углеаммонийных солей подаётся в нижнюю часть промывной колонны 2.
Раствор карбамида из сепаратора второй ступени 14 поступает в сборник 16, а затем подаётся на упаривание в выпарной аппарат 8.
Выпарка происходит при температуре 140ºС и давлении 0,003 МПа.
В результате получается плав карбамида концентрации 99,8%.
Полученный плав через сборник 17 поступает в грануляционную бащню 18 и распыляется в ней.
Образовавшиеся гранулы при температуре 70ºС транспортёром 19 подают на операции классификация, охлаждение и упаковка.
Выход карбамида в расчёте на СО2 составляет 95%.
Производительность промышленных установок составляет от 330 тыс.тонн в год до 515 тыс. тонн в год. Наиболее типична отечественная установка мощностью в 450 тыс. тонн в год (проект ГИАП).