Технология производства

Введение

Мочевина (карбамид) среди азотных удобрений занимает второе место по производству после аммиачной селитры. Рост производства карбамида обусловлен широкой сферой его использования в сельском хозяйстве. По сравнению с другими азотными удобрениями обладает высокой устойчивостью к вымыванию, т.е. менее подвержен вымыванию из почвы, менее гигроскопичен. Кроме того, карбамид широко используется для производства сложных удобрений, удобрений с регулируемым сроком действия, а также для производства пластмасс, клеев, лаков и покрытий. Мочевину также можно использовать для внекорневой подкормки (нанесение на листья), при которой она, в отличие от нитрата аммония, не вызывает ожогов. В почве мочевина под действием влаги очень быстро превращается в карбонат аммония, который в дальнейшем нитрифицируется. Поэтому на кислых почвах мочевина сначала оказывает нейтрализующее действие, а затем подкисляет почву. В промышленности мочевину синтезируют из аммиака NH3 и двуокиси углерода CO2. Применяется для получения карбамидоформальдегидных смол, красителей, снотворных средств, для депарафинизации масел, в медицине как обезвоживающее, мочегонное средство. Мочевина - это концентрированное азотное удобрение для различных почв под разные культуры. В животноводстве используется как заменитель белка.Цель работы – рассмотреть технологию карбамида.1 Общие сведенияБолее 90% мирового промышленного производства мочевины предназначено для использования в качестве азотных удобрений. Мочевина имеет самое высокое содержание азота среди всех обычных твердых азотных удобрений. Следовательно, у него низкие транспортные расходы на единицу питательного азота. Самая распространенная примесь синтетической мочевины - биурет, который ухудшает рост растений. Мочевина расщепляется в почве с образованием аммония. Аммиак усваивается растением. В некоторых почвах аммоний окисляется бактериями с образованием нитрата, который также является питательным веществом для растений. Потери азотистых соединений в атмосферу и сток являются расточительными и вредными для окружающей среды. По этой причине мочевину иногда предварительно обрабатывают или модифицируют, чтобы повысить эффективность ее использования в сельском хозяйстве. Одна из таких технологий - удобрения с контролируемым высвобождением, которые либо содержат мочевину, заключенную в инертный герметик. Другой технологией является превращение мочевины в производные, такие как формальдегид, которые разлагаются до аммиака со скоростью, соответствующей потребностям растений в питательных веществах.Мочевина в концентрациях до 10 M является мощным денатурирующим средством белка, поскольку разрушает нековалентные связи в белках. Это свойство можно использовать для увеличения растворимости некоторых белков. Смесь мочевины и хлорида холина используется в качестве глубокого эвтектического растворителя (DES), вещества, похожего на ионную жидкость. При использовании в глубоко эвтектическом растворителе мочевина не денатурирует солюбилизированные белки.Мочевина в принципе может служить источником водорода для последующего производства энергии в топливных элементах. Мочевина, присутствующая в моче / сточных водах, может использоваться напрямую (хотя бактерии обычно быстро разлагают мочевину). Производство водорода путем электролиза раствора мочевины происходит при более низком напряжении (0,37 В) и, таким образом, потребляет меньше энергии, чем при электролизе воды (1,2 В).Мочевина в концентрациях до 8 M может быть использована для того, чтобы сделать фиксированную ткань мозга прозрачной для видимого света, сохраняя при этом флуоресцентные сигналы от меченых клеток. Это позволяет получить гораздо более глубокое изображение нейронных процессов, чем ранее получалось с помощью обычных однофотонных или двухфотонных конфокальных микроскопов.Кремы, содержащие мочевину, используются в качестве дерматологических продуктов местного действия, способствующих регидратации кожи. Мочевина 40% показана при псориазе, ксерозе, онихомикозе, ихтиозе, экземе, кератозе, кератодермии, натоптышах и мозолях. Если они покрыты окклюзионной повязкой, 40% мочевина также может использоваться для нехирургической обработки ногтей. Мочевина 40% «растворяет межклеточный матрикс» ногтевой пластины. Удаляются только больные или дистрофические ногти, так как это не влияет на здоровые части ногтя. Этот препарат также используется в качестве средства для удаления ушной серы.Мочевина также была изучена как мочегонное средство. Впервые он был использован доктором В. Фридрихом в 1892 году. В исследовании, проведенном в 2010 году у пациентов в отделении интенсивной терапии, мочевина использовалась для лечения эуволемической гипонатриемии и была признана безопасной, недорогой и простой.Как и физиологический раствор, инъекции мочевины ранее использовались для прерывания беременности.Тест на азот мочевины в крови (АМК) - это мера количества азота в крови, который поступает из мочевины. Он используется в качестве маркера почечной функции, хотя уступает другим маркерам, таким как креатинин, поскольку на уровень мочевины в крови влияют другие факторы, такие как диета, обезвоживание и функция печени.Мочевина также изучалась в качестве вспомогательного вещества в составе покрытия для баллона с лекарственным покрытием (DCB) для улучшения местной доставки лекарственного средства к стенозированным кровеносным сосудам. Было обнаружено, что мочевина при использовании в качестве наполнителя в малых дозах (~ 3 мкг / мм2) для покрытия поверхности DCB образует кристаллы, которые увеличивают перенос лекарственного средства без неблагоприятного токсического воздействия на эндотелиальные клетки сосудов.Мочевина, меченная углеродом-14 или углеродом-13, используется в дыхательном тесте с мочевиной, который используется для обнаружения присутствия бактерии Helicobacter pylori (H. pylori) в желудке и двенадцатиперстной кишке человека, связанной с язвенной болезнью. Тест определяет характерный фермент уреазу, продуцируемый H. pylori, в результате реакции, при которой из мочевины образуется аммиак. Это увеличивает pH (снижает кислотность) среды желудка вокруг бактерий. Виды бактерий, сходные с H. pylori, могут быть идентифицированы с помощью того же теста на животных, таких как обезьяны, собаки и кошки (включая больших кошек).2 СвойстваМолекула мочевины плоская. В твердой мочевине кислородный центр связан двумя водородными связями N-H-O. Получающаяся в результате плотная и энергетически выгодная сеть водородных связей, вероятно, создается за счет эффективной упаковки молекул: структура достаточно открытая, ленты образуют туннели с квадратным поперечным сечением. Углерод в мочевине описывается как sp2-гибридизированный, связи C-N имеют значительный характер двойной связи, а карбонильный кислород является основным по сравнению, скажем, с формальдегидом. Высокая растворимость мочевины в воде отражает ее способность участвовать в обширных водородных связях с водой.В силу своей склонности к образованию пористых каркасов мочевина способна улавливать многие органические соединения. В этих так называемых клатратах органические «гостевые» молекулы удерживаются в каналах, образованных взаимопроникающими спиралями, состоящими из молекул мочевины с водородными связями. Такое поведение можно использовать для разделения смесей, например, при производстве авиационного топлива и смазочных масел, а также при разделении углеводородов.Поскольку спирали взаимосвязаны, все спирали в кристалле должны иметь одинаковую молекулярную направленность. Это определяется, когда кристалл зарождается, и, таким образом, может быть усилен затравкой. Полученные кристаллы использовали для разделения рацемических смесей.Мочевина является основной. Таким образом, он легко протонирует. Это также основание Льюиса, образующее комплексы типа [M (мочевина) 6] n +.Расплавленная мочевина разлагается на газообразный аммиак и изоциановую кислоту:(H2N) 2CO → NH3 + HNCOЧерез изоциановую кислоту при нагревании мочевина превращается в ряд продуктов конденсации, включая биурет, триурет, гуанидин и меламин.(H2N) 2CO + HNCO → H2NCONHCONH2В водном растворе мочевина медленно уравновешивается цианатом аммония. Этот гидролиз совместно генерирует изоциановую кислоту, которая может карбамилировать белки.Мочевина реагирует с эфирами малоновой кислоты с образованием барбитуровой кислоты.3 Технология производстваДля использования в промышленности мочевину производят из синтетического аммиака и диоксида углерода. Поскольку в процессе производства аммиака образуется большое количество диоксида углерода в качестве побочного продукта из углеводородов (преимущественно природного газа, реже из нефтепродуктов) или иногда из угля (реакция парового сдвига), установки по производству карбамида почти всегда расположены рядом с площадкой. где производится аммиак. Хотя природный газ является как наиболее экономичным, так и наиболее широко доступным сырьем для аммиачных заводов, заводы, использующие его, не производят в процессе столько углекислого газа, сколько необходимо для преобразования всего производимого ими аммиака в мочевину. В последние годы были разработаны новые технологии, такие как процесс KM-CDR, для извлечения дополнительного диоксида углерода из выхлопных газов сгорания, образующихся в печи риформинга с огневым обогревом завода по производству синтез-газа аммиака, что позволяет операторам автономных комплексы азотных удобрений, чтобы избежать необходимости обрабатывать и продавать аммиак как отдельный продукт, а также снизить выбросы парниковых газов в атмосферу.Базовый процесс, разработанный в 1922 году, также называется процессом карбамида Bosch-Meiser в честь его первооткрывателей. Различные коммерческие процессы получения мочевины характеризуются условиями, в которых образуется мочевина, и способом дальнейшей обработки непревращенных реагентов. Процесс состоит из двух основных равновесных реакций с неполным превращением реагентов. Первый - образование карбамата: быстрая экзотермическая реакция жидкого аммиака с газообразным диоксидом углерода (CO2) при высокой температуре и давлении с образованием карбамата аммония (H2N-COONH4):2 NH3 + CO2 ⇌ H2N-COONH4 (ΔH = -117 кДж / моль при 110 атм и 160 ° C)Второй - это превращение мочевины: более медленное эндотермическое разложение карбамата аммония на мочевину и воду:H2N-COONH4 ⇌ (NH2) 2CO + H2O (ΔH = +15,5 кДж / моль при 160–180 ° C)Общее превращение NH3 и CO2 в мочевину является экзотермическим, тепло реакции от первой реакции запускает вторую. Как и все химические равновесия, эти реакции протекают в соответствии с принципом Ле-Шателье, и условия, которые наиболее благоприятствуют образованию карбамата, оказывают неблагоприятное влияние на равновесие конверсии мочевины. Таким образом, условия процесса являются компромиссом: отрицательное влияние на первую реакцию высокой температуры (около 190 °C), необходимой для второй, компенсируется проведением процесса под высоким давлением (140–175 бар), что благоприятствует первой реакции. Несмотря на то, что необходимо сжать газообразный диоксид углерода до этого давления, аммиак поступает из аммиачной установки в жидкой форме, которую можно закачивать в систему гораздо более экономично. Чтобы позволить медленной реакции образования мочевины достичь равновесия, необходимо большое реакционное пространство, поэтому реактор синтеза на большом заводе мочевины имеет тенденцию быть массивным сосудом под давлением.Рисунок 1. – Технологическая схема производства карбамида: 1 – компрессор; 2, 16, 23 – емкости; 3, 14, 18, 21, 35 – насосы; 4 – смеситель; 5 – колонна синтеза; 6, 36 – промывные колонны; 7, 10 – ректификационные колонны; 8, 11, 34 – подогреватели; 9, 12, 29, 30 – сепараторы; 13, 19 – конденсаторы первой и второй ступени; 15 – вакуумный испаритель; 17 – маслоотделитель; 20 – напорный бак; 22 – абсорбер; 24 – десорбер; 25 – холодильник; 26 – теплообменник; 27, 28 – выпарные аппараты первой и второй ступени; 31 – грануляционная башня; 32 – транспортер; 33 – аппарат кипящего слоя.Поскольку конверсия мочевины является неполной, продукт необходимо отделить от неизмененного карбамата аммония. На ранних заводах по производству мочевины с прямым проходом это осуществлялось путем снижения давления в системе до атмосферного, чтобы карбамат снова разложился до аммиака и диоксида углерода. Первоначально, поскольку повторное сжатие аммиака и диоксида углерода для рециркуляции было экономически невыгодным, аммиак, по крайней мере, должен был использоваться для производства других продуктов, например нитрата или сульфата аммония. (Углекислый газ обычно выбрасывался.) Более поздние технологические схемы сделали переработку неиспользованного аммиака и двуокиси углерода практичной. Это достигалось путем поэтапного сброса давления реакционного раствора (сначала до 18-25 бар, а затем до 2-5 бар) и пропускания его на каждой стадии через нагретый паром разложитель карбамата, затем рекомбинируя образовавшиеся диоксид углерода и аммиак в падающем потоке -пленочный конденсатор карбамата и закачка раствора карбамата на предыдущую ступень.4 Концепция снятия изоляцииКонцепция «полной переработки» имеет два основных недостатка. Во-первых, сложность технологической схемы и, как следствие, количество необходимого технологического оборудования. Во-вторых, количество воды, рециркулируемой в растворе карбамата, отрицательно сказывается на равновесии в реакции превращения мочевины и, следовательно, на общую эффективность установки. Концепция зачистки, разработанная в начале 1960-х годов компанией Stamicarbon в Нидерландах, решала обе проблемы. Это также улучшило рекуперацию тепла и его повторное использование в технологическом процессе.Положение равновесия в образовании / разложении карбамата зависит от произведения парциальных давлений реагентов. В процессах полного рециркуляции разложению карбамата способствует снижение общего давления, что снижает парциальное давление как аммиака, так и диоксида углерода. Однако можно достичь аналогичного эффекта без снижения общего давления - путем снижения парциального давления только одного из реагентов. Вместо подачи углекислого газа непосредственно в реактор с аммиаком, как в процессе полной рециркуляции, процесс отгонки сначала направляет углекислый газ через отпарную колонну (устройство для разложения карбамата, которое работает при полном давлении в системе и сконфигурировано для обеспечения максимального газообмена). жидкостный контакт). Это вымывает свободный аммиак, снижая его парциальное давление над поверхностью жидкости и направляя его непосредственно в конденсатор карбамата (также при полном давлении в системе). Оттуда восстановленный раствор карбамата аммония поступает непосредственно в реактор. Это полностью исключает стадию среднего давления из общего процесса рециркуляции.Концепция зачистки была таким большим достижением, что такие конкуренты, как Snamprogetti - теперь Saipem - (Италия), бывший Montedison (Италия), Toyo Engineering Corporation (Япония) и Urea Casale (Швейцария) разработали ее версии. Сегодня практически все новые установки по производству карбамида используют этот принцип, и многие установки по производству мочевины с полной рециркуляцией перешли на отгонку. Никто не предложил радикальной альтернативы этому подходу. Основной упор в технологическом развитии сегодня, в ответ на потребности отрасли во все более крупных отдельных заводах, направлен на реконфигурацию и переориентацию основных узлов на заводе, чтобы уменьшить размер и общую высоту завода, а также на достижение сложных экологических показателей. цели.К счастью, реакция превращения мочевины идет медленно. Если бы это было не так, в стрипперах он бы пошел в обратном направлении. Как бы то ни было, последующие стадии процесса должны быть спроектированы так, чтобы минимизировать время пребывания, по крайней мере, до тех пор, пока температура не снизится до точки, при которой реакция реверсии будет очень медленной.Две реакции производят примеси. Биурет образуется, когда две молекулы мочевины соединяются с потерей молекулы аммиака.2 NH2CONH2 → H2NCONHCONH2 + NH3Обычно эта реакция подавляется в реакторе синтеза за счет поддержания избытка аммиака, но после отпарной колонны она происходит до тех пор, пока не снизится температура. Биурет нежелателен в составе мочевины для удобрений, поскольку он токсичен для сельскохозяйственных культур, хотя в какой степени это зависит от природы урожая и метода применения мочевины. (Биурет действительно приветствуется в мочевине, когда используется в качестве добавки к корму для крупного рогатого скота).Изоциановая кислота образуется в результате термического разложения цианата аммония, который находится в химическом равновесии с мочевиной:NH2CONH2 → NH4NCO → HNCO + NH3Наихудшая реакция протекает при нагревании раствора мочевины при низком давлении, что случается, когда раствор концентрируется для приллирования или грануляции (см. Ниже). Продукты реакции в основном улетучиваются в пары верхнего погона и рекомбинируют, когда они конденсируются, снова с образованием мочевины, которая загрязняет технологический конденсат.

Заключение

При оптимальном молярном соотношении компонентов степень превращения СО2 в мочевину составляет примерно 60%. Самый доступный метод контроля состава материальных потоков с помощью химического анализа имеет существенные недостатки - длительность анализа, возможные ошибки как при отборе проб, так и при анализе. Использование промышленного аналитического оборудования в этом случае сложно реализовать, так как РУАС является агрессивной средой и подается под давлением 19 - 20 МПа, кроме того, устройства этого типа очень дороги. Следовательно, добиться оптимального мольного соотношения компонентов позволит управление на основе математической модели.Контроль выходных параметров осуществляется путем регулирования его входных параметров, а именно потоков воды и аммиака. Поток углекислого газа не подлежит активному регулированию из-за сложности управления компрессором, с помощью которого углекислый газ подается на производство. Контроль потока CO2 нецелесообразен еще и потому, что это фактически отходы производства NH3 и его стоимость практически не влияет на стоимость производства.Таким образом, анализ технологического процесса производства карбамида как объекта управления позволил не только установить типовые задачи поддержания технологических параметров в аппарате, но и определить основную задачу исследования: стабилизация аммиака - соотношение углекислого газа и воды к двуокиси углерода.

Список использованной литературы

1. Горловский Д. М. Технология карбамида [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://msd.com.ua/texnologiya-karbamida/texnologiya-karbamida/ (дата обращения: 01.03.2021)2. Кафаров В.В. Математическое моделирование основных процессов химических производств. – М.: Высшая школа, 1991. – 367с.3. Кулаков М. Е. Теоретические основы математической модели производства карбамида// Приборостроение и автоматизация технологических процессов: тезисы докл. IV Международной студенческой электронной научной конференции «Студенческий научный форум 2012».4. Кучерявый В. И. Синтез и применение карбамида. – Л.: Химия, 1970. – 237 с.5. Карбамид: технологии производства [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=773 (дата обращения: 01.03.2021)