Синтез карбамида (лекция 17)

1. ЛЕКЦИЯ 17

Дисциплина: «Технология
неорганических веществ.
Каталитические процессы»
Синтез карбамида

2. СИНТЕЗ КАРБАМИДА (МОЧЕВИНЫ)

1.
Свойства карбамида и карбомата аммония. Карбамид
Карбамид (NН2)2СО - диамид угольной кислоты, называемый также
мочевиной, в чистом виде представляет собой бесцветные не имеющие
запаха кристаллы.
При нагревании под атмосферным давлением до температуры
плавления карбамид начинает разлагаться с выделением аммиака.
(NН2)2СО ↔ HOCN + NH3
Циановая кислота, взаимодействуя с карбамидом, образует биурет:
HOCN + (NН2)2СО ↔ NH2CONHCONH2
В присутствии избытка аммиака образование биурета протекает со
значительно
меньшей
скоростью
путем
непосредственного
взаимодействия молекул карбамида:
2(NН2)2СО ↔ NH2CONHCONH2 + NH3
Добавка нитрата аммония также приводит к стабилизации карбамида.

3.

Карбамид хорошо растворяется в воде,
аммиаке и спирте. Растворимость (NН2)2СО в
воде
с
повышением
температуры
увеличивается,
что
видно
из
ниже
представленных данных:
Температура, оС
0
20
40
60
80
100
120
Растворимость, %
40,0
51,14
62,3
71,1
79,4
87,89
95,0

4.

Рис. 1. Номограмма М. Фрежека системы (NН2)2СО - H2O

5.

• В водных растворах он достаточно устойчив
до 80 оС, затем он переходит в изоцеанат
аммония и далее в карбонат аммония:

6.

Рис. 2. Диаграмма состояния системы (NН2)2СО - NН3 – H2O

7. Карбамат аммония

При комнатной температуре карбамат аммония
(NН2СОONH4) представляет собой твердое вещество
белого цвета с запахом аммиака. Температура
оС,
плавления
карбамата
аммония
152
соответствующее ей давление насыщенных паров
составляет 83,3 ат. Давление насыщенных паров над
карбаматом аммония при различных температурах
приведено ниже:
Температура, оС
Давление, ат.
20
50
98,5
130,2
152
153
205
0,117
0,658
8,42
38,4
83,3
156,8
260

8.

В разбавленных растворах карбамат
аммония также неустойчив и почти
полностью переходит в карбонат:
Рис. 3. Растворимость в системе
карбамат аммония - вода

9. Физико-химические основы синтеза

В настоящее время в промышленности исходным
сырьем для производства карбамида являются
жидкий аммиак и газообразный диоксид углерода.
Процесс синтеза протекает в две стадии. На первом
этапе из NН3 и СО2 образуется карбамат аммония
(аммонийная соль карбаминовой кислоты):
2NH3 + CO2 ↔ NH4O-CO-NH2 + 159 кДж
Затем происходит его дегидратация:
NH4O-CO-NH2 ↔ (NН2)2СО + Н2О – 28,1 кДж
Суммарная реакция:
2NH3 + CO2 = (NН2)2СО + Н2О + 130,9 кДж

10.

Рис. 4. Диаграмма состояния системы
NH4O-CO-NH2 - (NН2)2СО – (NН3 + СО2)

11.

Влияние продолжительности процесса и
Влияние давления на степень
температуры на степень конверсии
конверсии карбамата аммония в карбамид
карбамата аммония в карбамид

12.

Влияние добавки воды к карбамату
аммония на равновесный выход
карбамида (по СО2) при 160 оС

13.

Диаграмма состояния системы
(NН2)2СО – NH2CO2NH4 – NH3

14.

Зависимость степеней превращения NН3 и
СО2 в карбамид выражается уравнением:

15.

Влияние избытка аммиака на равновесный выход
карбамида по СО2 (сплошные линии) и NH3
(пунктирные линии) при:
1 – 160 оС; 2 – 180 оС; 3 – 200 оС

16.

Номограмма М. Фрежака для определения
равновесного выхода карбамида в
зависимости от температуры, мольного
соотношения NН3/СО2 и добавки воды

17.

• При эквимолярном соотношении реагентов
теоретическая концентрация карбамида в
плаве может быть рассчитана из
суммарного уравнения реакции синтеза:
2NH3
+
CO2
=
NН2)2СО
+
Н2О
566 кг
+
744 кг
=
1000 кг
+
300 кг

18.

• Удельную производительность
реакционного объема можно рассчитать по
уравнению:

19.

Пример 1. В колонне синтеза диаметром 1,3 м и высотой 24 м производится
790 т/сут карбамида (33 т/ч). При степени превращения = 0,60 и мольном
соотношении NН3/СО2 = 4/1 для обеспечения данной производительности
необходима подача 40 275 кг /ч СО2 и 62 100 кг/ч NН3. Определить удельную
производительность реактора.
Решение
Масса подаваемых реагентов в реактор:
g = 40275 + 62100 = 102 375 кг/ч
Начальное соотношение масс NН3 и СО2 на входе в реактор:
Реакционный объем колонны:
Удельная производительность колонны синтеза карбамида:
Исходя из технико-экономических соображений, синтез карбамида ведут при
температурах 185 – 200 оС, давлении 18 – 20 МПа и мольном соотношении
NН3/СО2= 4 – 4,5. При этих условиях и времени пребывания реагентов в колонне
синтеза в пределах 50 – 60 мин выход карбамида достигает 55 – 65 %.

20. Синтез карбамида с полным жидкостным рециклом

Технологическая схема производства карбамида с полным жидкостным рециклом
1 - компрессор СО2; 2 – танк жидкого NН3; 3, 7 – плунжерные насосы; 4 – конденсатор NН3; 5 – колонна
синтеза; 6 – смеситель; 8 – промывная колонна; 9, 12 – ректификационные колонны; 10, 13 –
подогреватели; 11, 14 – сепараторы; 15 - вакуум испаритель; 16 – сборник раствора карбамида; 17 –
маслоотделитель; 18 - центробежный насос; 19 – конденсатор; 20 – вакуум-насос; 21 – конденсатор; 22
– резервуар; 23, 29 – центробежные насосы; 24 – абсорбер; 25 – сборник раствора углеаммонийных
солей; 26 – десорбер; 27 – холодильник; - 28 теплообменник; 29 – центробежные насосы

21. Стриппинг-процесс синтеза карбамида

Технологическая схема стриппинг-процесса синтеза карбамида
1, 11, 14 – сепараторы; 2 – компрессор; 3 – теплообменникдистиллятор; 4 – насосы; 5, 7 – конденсаторы высокого давления; 6 –
ректор; 8 – дроссельный клапан; 9 – ректификационная колонна; 10 –
подогреватель; 12 – конденсатор низкого давления; 13, 17 – емкости; 15
– десорбер; 16 – теплообменник; 18 – скруббер

22. Переработка раствора карбамида в готовый продукт (выпарка раствора и гранулирование плава)

Схема получения гранулированного карбамида
1 – сборник раствора карбамида; 2, 7 – центробежный насос; 3,
8 – напорный бак; 9 – разбрызгиватель плава; 10 –
грануляционная башня; 11 – вентилятор; 12, 16 – ленточный
конвейер; 13 – элеватор; 14 – грохот; 15 – бак для растворения
пыли и крупных гранул

23. Основное оборудование

Колонна синтеза
1 – предохранительный клапан; 2 – термопара;
3 – крышка; 4 – корпус;
5 – решетки

24.

Смеситель
1, 4 – верхняя и нижняя крышки; 2 – корпус;
3 – перемешивающие
устройства

25.

Абсорбер 1-ой ступени дистилляции
1, 4 – люки; 2 – корпус;
3 – насадка из фарфоровых колец

26. Расходные коэффициенты производства карбамида

Сырьё и материалы
Аммиак
Диоксид углерода
Вода
Электроэнергия
Пар
Ед.
измерения
т
т
м3
кВт∙ч
т
Полный
жидкостной рецикл
0,58
0,77
100
150
1,5
Стриппинг-процесс
0,576
0,75
87
120
1,05