Материал: Производство карбамида

Производство карбамида

Введение

Удобрения классифицируют по [1]:

Происхождению;

Составу;

Назначению;

Свойствам и другим признакам .

По происхождению удобрения подразделяются на [1]:

Минеральные;

Органические;

Органоминеральные;

Бактериальные .

К минеральным или искусственным удобрениям относятся специально производимые на химических предприятиях неорганические вещества, в основном минеральные соли; в то же время к ним причисляются и некоторые органические вещества, например карбамид CO(NH2)2. органические удобрения содержат питательные вещества в основном в виде органических соединений, к которым обычно относятся продукты естественного происхождения (навоз, фекалии, солома, торф и др.). Органоминеральные удобрения - смеси различных органических и неорганических соединений. Бактериальные удобрения содержат некоторые культуры микроорганизмов, способствующих накоплению в гумусовом слое усвояемых форм питательных элементов [1].

Кроме того удобрения еще классифицируются по составу, т.е. по видам питательных элементов, удобрения подразделяются на:

Азотные;

Фосфорные (фосфатные);

Калийные (калиевые);

Магниевые;

Борные и др. [2].

К азотным удобрениям относятся соли аммония (хлорид, сульфат, фосфаты и др.), соли азотной кислоты (кальциевая, калиевая, натриевая селитры) и некоторые амиды (карбамид, цианамид кальция CaCN2 и др.). Фосфорными удобрениями являются соли фосфорных кислот. Калийные удобрения обычно представлены хлоридом калия [1].

Удобрения должны обладать и хорошими физическими свойствами, т. е. водорастворимые соли не должны быть сильно гигроскопичными и не должны слеживаться при хранении, быть сыпучими, не сдуваться вет­ром и не слишком быстро смываться дождевой водой. Таким требованиям в наибольшей степени отвечают гранулированные удобрения. Водонерастворимые удобрения усваиваются растениями медленно, поэтому их про­изводят и применяют в порошкообразном виде.

Многообразие минеральных удобрений обусловливает и необходи­мость использования самых разнообразных сырьевых материалов. Так, для производства фосфорных удобрений применяют апатит и фосфориты, хлорид калия КСl получают из сильвинита КаСl·КСl; азотные удобрения вырабатывают из синтетического аммиака, а также из аммиака, содержащегося в коксовом газе, и т.д. [1].

Кроме природного сырья, для производства минеральных удобрений используют полупродукты и продукты химической и других отраслей промышленности. К таким видам сырья, прежде всего, относятся минеральные кислоты: серная, фосфорная, азотная, соляная, угольная, а также щелочи - главным образом аммиак, перерабатываемый в разные азотные удобрения [2].

Производство многих удобрений часто комбинируют с другими химическими производствами, а иногда и с производствами даже других отраслей промышленности. Например, цехи, перерабатывающие синтети­ческий аммиак и азотную кислоту в азотные удобрения, объединяют с цехами синтеза аммиака и азотной кислоты в пределах единого азотно­тукового предприятия. Цехи сульфата и фосфата аммония, для которых сырьем служит аммиак, содержащийся в коксовом газе, строятся при коксогазовых заводах. Во всех случаях необходимость комбинирования про­изводства возникает из условий наиболее целесообразного и дешевого способа обеспечения их сырьем [1].

Карбамид (диамид угольной кислоты, мочевина) (NH2)2CO - бесцветные кристаллы, без запаха [3]. Карбамид применяют так же, как азотистую добавку, непосредственно в корм скоту.

Мочевина была открыта в XVIII веке. Известные химики того времени Г. Бургаев, А. Маргграф и К. Шееле обнаружили в моче млекопитающих какое-то вещество, однако состав его не удалось определить. Приоритет в открытии мочевины принадлежит французскому химику И. Руэлю мл., который в 1773 г. Установил, что при экстрагировании спиртом остатка от выпаривания мочи человека после удаления растворителя остается «мыльное вещество». Впервые указанное соединение было выделено (в виде нитрата) в 1798 г. французскими учеными Л. Вокленом и А. Фуркрау, которые и дали ему название «мочевина», сохранившиеся до настоящего времени [4].

Карбамид используется не только в сельском хозяйстве, но и в промышленности. Из него готовят карбамидные смолы, идущие на приготовление ценных пластмасс, древесностружечных плит, синтетических клеев, составов для пропитки тканей. Карбамид применяется в фармацевтической промышленности, при очистке нефтепродуктов, для приготовления синтетического волокна урилона и т.п. [4].

Разработано несколько способов производства карбамида.

Карбамид может быть получен [5]:

из аммиака и циановой кислоты;

+ NH3 = CO(NH2)2

взаимодействием фосгена и аммиака, с одновременным получением хлорида аммония;

COCl2 + 2NH3 = CO(NH2)2 + 2HCl+ NH3 = NH4Cl

при взаимодействии аммиака с сероокисью углерода образуется тиокарбамат аммония, который при 100оС, разлагаясь, образует карбамид и сероводород;

2NH3 + COS = NH2COSNH4COSNH4 = CO(NH2)2 + H2S

цианамидный способ получения карбамида основан на разложении цианамида кальция двуокисью углерода с образованием цианамида:

+ H2O + CO2 = CNNH2 + CaCO3

В кислотной среде при легком нагревании цианамид присоединяет воду, образуя карбамид:

+ H2O = CO(NH2)2

Однако эти способы не нашли промышленного применения в следствии своей нерентабельности и трудности осуществления [5].

Так же существует способ производства карбамида из окиси углерода, серы и аммиака. Разработан способ получения карбамида обработкой газообразным аммиаком газов пиролиза кислого гудрона, содержащих окись углерода и серу. Проводились также исследования фотохимических реакция взаимодействия окиси углерода с аммиаком [5].

В настоящее время карбамид в промышленном масштабе производиться только прямым синтезом из аммиака и двуокиси углерода. Синтез карбамида, впервые осуществленный А. И. Базаровым в 1870 г., протекает в две стадии: в начале образуется карбамат аммония [5].

NH3(газ) + CO2(газ) =NH2COONH4(ж) + 125,6 кДж, ΔHº = -159 кДж.

Во второй стадии в результате отщепления воды образуется карбамид [5].

COONH4(ж) = CO(NH2)2(ж) + H2O(ж) - 15,6 кДж, ΔHº = -285 кДж.

Суммарная реакция синтеза карбамида имеет вид:

2NH3 +CO2 = CO(NH2)2 + H2O +110.1 кДж.

Обе реакции обратимы: равновесные концентрации и скорости процессов определяются температурой, давлением, соотношение NH3 и CO2 и количеством H2O в смеси [5].

В промышленности синтез карбамида осуществляется при 100% избытке аммиака, давлении 18-20 МПа и температуре 180-200 ºС. Выход карбамида (по CO2) в оптимальных условиях составляет 60-70% при использовании чистых CO2 и NH3. В целях улучшения экономических показателей производства не вступившие во взаимодействие между собой аммиак и CO2 используются для получения других продуктов (разомкнутые схемы), или снова возвращаются в процесс (замкнутые, цикличные схемы) [5].

Данный вид производства карбамида прямым синтезом из аммиака и двуокиси углерода с полным жидкостным рециклом будет подробно рассмотрен в реферате, а так же отделение абсорбции - десорбции и технологическая схема отделения переработки раствора карбамида в целевой продукт.

Карбамид упаковывают в клапанные бумажные и полимерные мешки по нормативно-технической документации. Навалом в железнодорожные вагоны типа «хоппер», минераловозы, а также в специализированные металлические контейнеры. Для розничной торговли продукт упаковывают в полиэтиленовые пакеты, массой не более 3 кг. Хранят в закрытых сухих складских помещениях. Контейнеры с карбамидом и транспортные пакеты допускается хранить на открытых площадках [5].

Транспортируют в упакованном виде и насыпью всеми видами крытого транспорта, кроме воздушного [6].

Выпускают карбамид двух марок: А - для использования в химической промышленности и животноводстве, и Б - для использования в сельском хозяйстве [5].

Таблица 1. Технические характеристики карбамида [5].

Мировое производство карбамида динамично развивается. Этому способствует рост спроса со стороны основных потребителей - стран развивающегося мира, а также США и Западной Европы. В 1993 году мировые мощности по карбамиду составляли 97 млн. тонн. По данным на конец 2006 года мощности составляют 146 млн. тонн [6].

Тенденцией последних лет стало наращивание мощностей по производству карбамида в развивающихся странах и их сокращение в развитых. В настоящее время основная доля мощностей (более 85%) сосредоточена в развивающихся регионах мира. Так, за последнее десятилетие в Азии мощности выросли почти на 8 млн. тонн - до 40 млн. тонн, в основном за счет строительства новых установок в Индии, а также в Пакистане и Индонезии. В Китае за этот же период мощности удвоились. Увеличились мощности и в странах Среднего Востока и Латинской Америки. В последние же годы наиболее быстро вводятся новые мощности в странах Ближнего Востока. Доля России в мировых мощностях карбамида составляет 4% [6].

Таблица 2. Ввод крупных экспорт-ориентированных мощностей по карбамиду в 2007-2011 гг. [6].

На сегодняшний день крупнейшими производителями являются регионы и страны-потребители - Азия (Китай и Индия) и Северная Америка (США), и страны, располагающие сырьем: Ближний Восток, Россия, Украина. Доля России в мировом производстве составила в 2006 году 4.2%, Индии - 10%, США - 12% , Китая - 20% [6].

Структура мирового производства и мирового экспорта карбамида существенно различаются. Доля России в мировом экспорте существенно выше, чем в производстве и составляет 18%, что делает ее самым крупным экспортером карбамида в мире. Основным конкурентом России является Украина (10% экспорта в 2006 году) и Ближний Восток (на азиатском рынке). Крупнейшие продуценты карбамида - Китай, Индия, США - практически не участвуют в экспорте. В этих странах, а также в Пакистане и частично в Индонезии карбамид используется в основном для внутреннего потребления [6].

По данным IFA, около 25% мирового производства карбамида идет на экспорт. Основными странами-экспортерами этого продукта помимо России и Украины являются Саудовская Аравия, Катар, Канада, Египет, Ливия, Венесуэла, Индонезия и Малайзия. Основными импортерами являются Индия, Вьетнам, Таиланд, Бразилия, Мексика, США, Турция, Австралия, Перу, а также страны Западной Европы, части Ближнего Востока и Африки [6].

Таблица 3. Основные товаропотоки на мировом рынке карбамида в 2004-2006 гг. [6].

1. Физико-химические основы синтеза карбамида из аммиака и двуокиси углерода

Как уже было сказано, что карбамид получают взаимодействием аммиака и двуокиси углерода Такая реакция протекает в две стадии: на первой стадии образуется карбамат аммония NH4CO2NH2, затем происходит отщепление воды и в результате получается карбамид CO(NH2)2

1.1        Влияние различных факторов на выход карбамида

Плотности заполнения автоклава реагентами;

Давления;

Температуры;

Избытка аммиака и воды и др. [7].

По синтезу карбамида из карбаната аммония и его смесей с карбанатом и сесквикарбонатом аммония показали, что при 130 - 140оС можно добиться выхода карбамида в пределах 1,5 - 9,5% от количества загруженной смеси. Плотность заполнения реактора, т. е. количество исходных веществ на единицу объема реактора. Позднее выяснилось, что выход продукта возрастает (до определенного предела) с увеличением плотности заполнения реактора [7].