IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

Карбамид (СО₂(NH2)₂), известный также под названием «мочевина», представляет собой бесцветные кристаллы, на 46% состоящие из азота, легко растворимые в воде, спирте, жидком аммиаке, сернистом ангидриде. Температура плавления карбамида 132,7 ⁰С, плотность 1335 кг/м³. Сегодня он используется в сельском хозяйстве, промышленности и животноводстве. Еще одним перспективным направлением использования карбамида является производство продукта AdBlue - 32,5%-го раствора карбамида, используемого для обработки выхлопных газов дизельных двигателей, которое позволяет добиться соответствия европейским нормам по выхлопным выбросам.

Сырьем для производства карбамида являются диоксид углерода и аммиак. Стоит отметить, что оба компонента относительно недороги, а диоксид углерода является побочным продуктом при получении аммиака.

Синтез карбамида из аммиака и двуокиси углерода протекает по суммарной реакции:

2NH₃ + CO₂ → CO(NH₂)₂ + Н₂О + 110,1 кДж

и состоит из стадии образования карбамата аммония:

2NH₃ + СО₂ → NH₄COONH₂ + 125,6 кДж

и дегидратации карбамата аммония:

NH₄-COO-NH₂ → CO(NH₂)₂ + Н₂О - 15,5 кДж

Скорость процесса зависит от давления, температуры, а также от соотношения компонентов в смеси, причем избыток аммиака повышает равновесную степень превращения, в то время, как избыток диоксида углерода не оказывает существенного влияния.

Известны две схемы получения карбамида, отличающиеся друг от друга вариантами использования не вступивших в реакцию аммиака и диоксида углерода. Если эти компоненты перерабатываются в аммиачную селитру или другие соли, то такая схема называется открытой. Если же непрореагировавшие аммиак и диоксид полностью возвращаются в процесс, то такая схема называется замкнутой и именно она получила наибольшее распространение.

Газообразный CO₂ сжимается в четырехступенчатом компрессоре от 1 до 200 атмосфер при 35°C, а оттуда подается в смеситель. В смеситель также под давлением 200 атмосфер подается жидкий аммиак, а плунжерным насосом - раствор углеаммонийных солей, в виде которого возвращаются в цикл не превращенные в карбамид NH₃ и CO₂. В смесителе образуется карбамат аммония при давлении 200 атмосфер и температуре около 175 °C. Из смесителя реакционная смесь поступает в колонну синтеза, в которой при температуре около 200 °C и давлении 280 атмосфер протекает образование карбамида.

Образовавшийся в колонне синтеза плав, содержащий 30-31% карбамида, 21-22% карбамата аммония, 33-34% избыточного аммиака, 14-16% воды направляются на двухступенчатую дистилляцию. Агрегат дистилляции каждой ступени состоит из трех аппаратов: ректификационной колонны, подогревателя и сепаратора. После второй ступени дистилляции происходит окончательное разложение карбамата аммония и завершается отгонка аммиака и двуокиси углерода.

Полученный раствор карбамида последовательно упаривают в выпарных аппаратах первой и второй ступени, соответственно, при температуре 120-125°С и давлении 30-40 кПа, и 130-140°С и давлении около 3-5 кПа. Полученный плав карбамида концентрацией 99,7-99,8 масс. % поступает в грануляционную башню и распыляется в ней. Образующиеся мелкие частицы при падении вниз охлаждаются в полом объеме башни потоком воздуха, идущим снизу вверх, и превращаются в гранулы. Образовавшиеся гранулы нитрата аммония из нижней части башни поступают на транспортер и в аппарат кипящего слоя для охлаждения гранул, в который через подогреватель подается сухой воздух. Далее готовый продукт направляется на упаковку.

Математическая модель процесса получения карбамида позволит найти оптимальное количество аммиака, подаваемое в колонну синтеза при заданном значениях температуры, давления и нагрузки по диоксиду углерода. Основой для получения математической модели процесса, должны стать балансовые уравнения аппаратов, включенных в процесс. Рассмотрим получение математического описания аппаратов процесса на примере математической модели колонны синтеза. Для аппарата устанавливаются входные и выходные потоки. В данном случае входными будут потоки аммиака, диоксида углерода и рециркулируемого раствора углеаммонийных солей. Выходными будут потоки карбамида, а также непрореагировавших компонентов: воды, диоксида углерода, аммиака. Для получения математической модели, необходимо записать уравнения материального баланса для каждого из компонентов. Например, для аммиака:

Аналогичным образом, составляются материальные балансы для каждого из компонентов каждого аппарата, участвующего процессе. Входными потоками следующего аппарата буду выходные потоки предыдущего. Таким образом, сформировав направления потоков веществ в соответствии с порядком участия аппаратов в реакции, мы получим математическую модель процесса, на основании которой можно создать алгоритм оптимального управления процессом.

Код для цитирования: Скопировать