«Синтез карбамида»

Рост потребления мочевины обусловлен, в частности, увеличением численности населения планеты, наличием располагаемого дохода и изменениями в рационе питания. Кроме того, хотя площадь пахотных земель увеличивается, объем пахотных земель на душу населения сокращается в результате роста численности населения. В результате для удовлетворения растущих потребностей в продовольствии потребуется больше удобрений.

В 2019 году наибольший объем потребления карбамида приходится на производство удобрений. Остальная часть приходилась на промышленное применение, в первую очередь это производство карбамидоформальдегидных смол и меламина, корма для скота (животных), а также экологические и другие виды применения.

Ожидается, что мировые производственные мощности по производству карбамида увеличатся примерно с 210 млн. тонн до примерно 300 млн. тонн к 2030 году. Мировой спрос на карбамид, по прогнозам, к 2023 году составит около 183 млн. тонн.

Таким образом, растущие темпы производства карбамида требуют поиска возможности модернизации существующих производств, а также изучения новых технологий.

Одним из крупнейших предприятий по производству карбамида в Российской Федерации является ПАО «Тольяттиазот».

Целью работы является разработка технических решений по модернизации колонны синтеза карбамида.

Для решения данной цели необходимо выполнить ряд задач:

1. Анализировать научно-техническую литературу (новые направления развития науки и техники в области химической технологии неорганических веществ, журналы, статьи, патентная документация);

2. Описать технологическую схему отделения синтеза;

3. Рассчитать материальные и тепловые потоки колонны синтеза карбамида;

4. Провести технико-экономическое обоснование модернизации.

Объектом исследования является узел синтеза карбамида.

Для решения поставленных задач был проведен литературный обзор на основании научных статей из журналов и сборников научных трудов.

Литературный обзор приведен в таблице 1.

Анализируя данные таблицы 1 видно, что за последние годы при проведении коррозионных обследований колонн синтеза наблюдаются коррозионное утонение футеровки и износ сварных швов, близкие к критическим, из-за чего сильно повышается вероятность аварийных остановок.

Актуальной стала задача о создании технологии восстановления работоспособности колонн. Одним из распространенных методов решения этой задачи является частичная замена наиболее изношенных участков футеровки колонн синтеза карбамида.

1.2 Физико-химические основы процесса синтеза карбамида

Карбамид - это органическое белое соединение, производимое по всему миру в различных формах и размерах из аммиака и углекислого газа. Чаще всего оно используется в сельском хозяйстве в качестве удобрения, но также возможно его использование в качестве промежуточного продукта при производстве меламина и, таким образом, нашло применение в производстве пластмасс.

В связи с повышенным спросом в отрасли сельского хозяйства карбамид начали коммерчески производить в 20-х годах прошлого века. До сегодняшнего времени промышленная технология была несколько раз модернизирована и перетерпела несколько капитальных ремонтов.

Изначально мочевина производилась по "одноразовому" методу, при котором все непрореагировавшие материалы отбраковывались, а общая конверсия CO2 в мочевину не превышала 75%. На сегодняшний день благодаря технологиям разделения и рециклинга, данный показатель достигает 99%.

Карбамид имеет долгую и интересную историю. Впервые он был открыт в 1727 году голландским ученым Германом Боерхаве, когда ему удалось выделить это соединение из мочи. А столетие спустя, в 1828 году, мочевина впервые была синтезирована в химической лаборатории. Реакция, открытая Фридрихом Вёлером, стала важной вехой в химии, поскольку теперь стало возможным получить органическое соединение из двух неорганических веществ без участия живых организмов. Обнаруженная Вёлером реакция заключалась в следующем:

Исследования по синтезу мочевины непрерывно развиваются с момента ее первого открытия. В начале 20 века мочевина была коммерчески синтезирована гидратацией цианамида кальция:

После изобретения в 1913 году процесса Хабера-Боша, в котором аммиак синтезируется из водорода и атмосферного азота в промышленных масштабах, аммиак и двуокись углерода стало легче получать. В связи с этим разработали новый способ синтеза карбамида. Новая схема, изобретенная в 1922 году, известна как процесс Бош-Мейзера. В этом процессе аммиак и углекислый газ реагируют в два обратимых этапа (рисунок 1).

Она даёт возможность для предпочтительного раздельного протекания газообразной и жидкой фаз и их последующего оптимального перемешивания друг с другом. Позволяет сократить рециркуляцию непрореагировавших продуктов на 7-10 % при значительном увеличении производительности колонны синтеза и снижении затрат энергии на установке для производства карбамида. Преимущества данной модернизации достигаются при небольших дополнительных затратах за счёт установки колпачков на существующем оборудовании.

В ходе выполнения работы был произведен расчёт материального баланса колонны, в результате получены следующие данные: количество продукта на выходе из колонны составляет Gприх = 198239,01 кг. Произведя расчёт теплового баланса получили количество теплоты на входе в колонны Qприх = 265233,16 МДж и количество теплоты на выходе из колонны синтеза карбамида Qрасх = 262266,26 МДж.

Проведенные экономические расчёты показали, что в результате модернизации колонны синтеза карбамида с помощью изготовления и установления на ситчатых тарелках «колпачков» приведёт к снижению затрат за счет уменьшения затрат на фонд оплаты труда, затрат на электроэнергию, обслуживание и ремонт оборудования. Таким образом, цель, поставленная в работе выполнена, все коэффициенты подтверждают высокую рентабельность и целесообразность данного мероприятия.

5. Островский С.В. Совершенствование технологической схемы производства карбамида с целью снижения производственных потерь карбамида и сырья / Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета, 2009 г. – С. 5-12.

+ еще 20 источников