Xreferat.com » Рефераты по химии » Производство азотных удобрений

Производство азотных удобрений

1 Общая характеристика


Азотные удобрения могут содержать азот в форме свободного аммиака и аминов (аммиакаты), ионов NH4+ и NO3-, аминогруппы NH2, а также в их сочетании. В соответствии с этим различают следующие виды азотных удобрений: аммиачные, аммонийные, нитратные, амидные и аммонийно-нитратные.

Все азотные удобрения водорастворимы, азот из них хорошо усваивается растенимями, особенно из аниона NO3-, который отличается высокой подвижностью в почве. По агрегатному состоянию азотные удобрения делятся на твердые (соли и карбамид) и жидкие (аммиак, аммиачная вода и аммиакаты, представляющие собой растворы твердых удобрений). В табл. 1.1 приведены характеристики важнейших азотных удобрений и удельный вес их в общем балансе производства.


Таблица 1.1 - Ассортимент и характеристика азотных удобрений

Удобрение Формула действующего вещества Содержание азота, % Удельный вес, %, по годам



1960 1980

Аммиачные

Аммиак жидкий Аммиачная вода


NH3

NH3


82

16,1 – 20,1


2,8


7,1

Аммонийные

Сульфат аммония


(NH4)2SO4


19,9 – 21,0


17,9


1,1

Нитратные

Нитрат натрия

Нитрат кальция


NaNO3

Ca(NO3)2


11,0 – 16,0

18,0 – 11,0


-

-


-

-

Амидные

Карбамид


CO(NH2)2


46,0 – 46,1


2,1


27,1

Аммонийно-нитратные NH4NO3 32,1 – 31,0 73,3 40,1

Карбамидоформ-альдегидные

Карбаминоформ


NH2CONHCH2


33,0 – 42,0


-


-

Аммиакаты

Азотная часть комплексных минеральных удобрений

-


-

20,0 – 30,0


-

-


-

-


19,3


В приведенных данных прослеживается тенденция снижения производства сульфата и нитрата аммония и увеличения производства карбамида, жидких азотных удобрений и минеральных удобрений, содержащих, наряду с другими элементами, азот (комплексных минеральных удобрений).

Ниже рассматривается технология производства наиболее распространенных азотных удобрений – нитрата аммония и карбамида, на долю которых приходится свыше 60% общего выпуска азотных удобрений.


1.2 Производство нитрата аммония


1.2.1 Свойства нитрата аммония

Нитрат аммония (аммонийная селитра) NH4NO3 – кристаллическое вещество с температурой плавления 169,6єС, хорошо растворимое в воде. Растворимость при 20єС равна 0,621 мас. долей, при 160єС – 0,992 мас. долей. Нитрат аммония сильно гигроскопичен и легко поглощает влагу из атмосферы, в зависимости от температуры может существовать в пяти кристаллических модификациях, различающихся плотностью и структурой кристаллов. Вследствие высокой растворимости в воде, гигроскопичности и полиморфных превращений, сопровождающихся выделением тепла, нитрат аммония легко слеживается. Для уменьшения слеживаемости, которая затрудняет использование продукта, в промышленности используют следующие меры:

перед складированием полученный продукт охлаждают до температуры ниже 32єС, так как именно в интервале от 32,3єС до -17єС нитрат аммония находится в стабильной ромбической модификации;

выпускают товарный продукт в гранулированном виде, обрабатывая поверхность гранул ПАВ, образующими на них гидрофобную пленку;

вводят в состав продукта кондиционирующие добавки в виде нитрата магния и других солей, которые связывают свободную воду и препятствуют переходу одной модификации в другую.

Нитрат аммония в твердом состоянии или в виде высококонцентрированного раствора (плава) при нагревании выше 180 - 200 єС разлагается:


NH4NO3 = N2O + 2H2O – DH, где DH = 36,8 кДж.


При быстром нагревании в замкнутом пространстве до 400 - 100єС или инициировании нитрат аммония разлагается со взрывом по уравнению


NH4NO3 = N2 + 2H2O + 0,1O2 – 118 кДж.


Разложение ускоряется в присутствии минеральных кислот и органических веществ. На этом основано использование нитрата аммония в качестве компонента аммонийно-селитровых взрывчатых веществ – аммонитов (смеси с органическими веществами), аммотолов (смеси со взрывчатыми веществами) и аммоналов (смеси, содержащие аллюминий).

Нитрат аммония является безбалластным азотным удобрением и содержит 34,8% азота, из них 17,4% - в аммиачной (NH4+) и 17,4% - в нитратной (NO3-) форме. Поэтому стоимость транспортировки содержащегося в нем азота значительно ниже, чем при перевозке других балластных удобрений (например, сульфата аммония).

1.2.2 Физико-химические основы процесса синтеза

Производство нитрата аммония основано на реакции нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком с последующим упариванием полученного раствора нитрата аммония.

Нейтрализация. Нейтрализация азотной кислоты аммиаком – это необратимый гетерогенный процесс хемосорбции, протекающий с выделением тепла по уравнению


HNO3 + NH3 = NH4NO3 – DH.


Реакция идет в диффузионной области, и ее скорость лимитируется диффузией аммиака из газа к поверхности жидкости. Количество тепла, выделяющегося при нейтрализации, складывается из теплового эффекта реакции и теплоты растворения образовавшегося нитрата аммония в воде:


Qе = Q1 – (Q2 + Q3),


где Q1 тепловой эффект реакции нейтрализации 100% азотной кислоты с образованием твердого нитрата аммония;

Q2 теплота разбавления азотной кислоты;

Q3 теплота растворения нитрата аммония.

Таким образом, тепловой эффект процесса зависит от концентрации азотной кислоты, взятой для нейтрализации.

Подогрев компонентов (азотной кислоты и газообразного аммиака) улучшает перемешивание системы, ускоряет процесс нейтрализации и повышает концентрацию раствора нитрата аммония.

Упаривание раствора нитрата аммония. В результате нейтрализации образуется водный раствор нитрата аммония. При этом за счет теплового эффекта реакции нейтрализации часть воды испаряется в виде сокового пара. Интенсивность испарения зависит от величины теплового эффекта и температуры процесса. Поэтому концентрация образующегося раствора определяется как концентрацией азотной кислоты, так и температурой.

С ростом концентрации азотной кислоты возрастает концентрация образующегося раствора нитрата аммония и увеличивается масса выделяющегося сокового пара.

Для испарения воды и концентрирования раствора нитрата аммония можно использовать как внешнее тепло, подводимое к системе, так и теплоту нейтрализации, выделяющуюся в самом процессе (рис. 1.1.).


Производство азотных удобренийQподв

Производство азотных удобрений

Производство азотных удобренийПроизводство азотных удобренийH2O(пар) NH4NO3 + H2O NH4NO3

Производство азотных удобренийDH реакц


Рисунок 1.1 - Использование тепла при упаривании раствора


Использование теплоты нейтрализации для упаривания раствора позволяет:

снизить затрату внешнего тепла;

обеспечить за счет отвода тепла из системы оптимальный температурный режим процесса нейтрализации и избежать опасных перегревов;

исключить применение сложных охладительных устройств.

При использовании азотной кислоты концентрацией 60 – 61 % и температуре процесса около 70єС оказывается возможным за счет использования теплоты нейтрализации выпарить основную массу воды, вводимой с азотной кислотой, и получить высококонцентрированный раствор и даже плав нитрата аммония.

В соответствии с принципом использования тепла все существующие варианты технологического процесса производства нитрата аммония делятся на две группы:

1 Без упаривания раствора. Концентрирование раствора осуществляется исключительно за счет теплоты нейтрализации азотной кислоты концентрацией 61%. При этом образуется 96% плав нитрата аммония:


Q = DH; Qподв = 0.


2 С упариванием раствора. Концентрирование раствора осуществляется как за счет частичного использования теплоты нейтрализации, так и за счет подводимого извне тепла:


Q = DH + Qподв.


При этом в зависимости от концентрации азотной кислоты последующее упаривание раствора нитрата аммония может производиться:

- при 18% кислоте в 1-й ступени;

- при 10% кислоте в 2-й ступени.


1.2.3 Технологические системы производства

Технологический процесс производства нитрата аммония состоит из следующих основных стадий: нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком, выпаривание нитрата аммония, кристаллизации и гранулирования плава, охлаждения, классификации и опудривания готового продукта (рис.1.2.).

В настоящее время в связи с освоением производства 18 – 60% азотной кислоты основная масса нитрата аммония производится на установках АС-67, АС-72, АС-72М, мощностью 1360 и 1171 т/сутки с упариванием в одну ступень, а также на установках безупарочного типа (рис.1.3. и 1.4.)

Производство азотных удобрений


Рисунок 1.2 - Принципиальная схема производства нитрата аммония


Газообразный аммиак из подогревателя 1, обогреваемого конденсатом сокового пара, нагретый до 120 - 160єС, и азотная кислота из подогревателя 2, обогреваемого соковым паром, при температуре 80 - 90єС поступают в аппарат ИТН (с использованием теплоты нейтрализации) 3. Для уменьшения потерь аммиака вместе с паром реакцию ведут в избытке кислоты. Раствор нитрата аммония из аппарата ИТН нейтрализуют в донейтрализаторе 4 аммиаком, куда одновременно добавляется кондиционирующая добавка нитрата магния и поступает на упаривание в выпарной аппарат 1. Из него образовавшийся плав нитрата аммония через гидрозатвор-донейтрализатор 6 и сборник плава 7 направляется в напорный бак 8 и из него с помощью виброакустических грануляторов 9 поступает в грануляционную башню 10. В нижнюю часть башни засасывается атмосферный воздух, и подается воздух из аппарата для охлаждения гранул «КС» 12. Образовавшиеся гранулы нитрата аммония из нижней части башни поступают на транспортер 11 и в аппарат кипящего слоя 12 для охлаждения гранул, в который через подогреватель 13 подается сухой воздух. Из аппарата 12 готовый продукт направляется на упаковку. Воздух из верхней части башни 10 поступает в скрубберы 14, орошаемые 20% раствором нитрата аммония, где отмывается от пыли нитрата аммония и выбрасывается в атмосферу. В этих же скрубберах очищаются от непрореагировавшего аммиака и азотной кислоты газы, выходящие из выпарного аппарата и нейтрализатора. Аппарат ИТН, грануляционная башня и комбинированный выпарной аппарат – основные аппараты в технологической схеме АС-72М.

Производство азотных удобрений



Рисунок 1.3 - Технологическая схема производства АС-72М:

1 – подогреватель аммиака; 2 – подогреватель кислоты; 3 – аппарат ИТН; 4 – донейтрализатор; 1 – выпарной аппарат; 6 – гидрозатвор-донейтрализатор; 7 – сборник плава; 8 – напорный бак; 9 – виброакустический гранулятор; 10 – грануляционная башня; 11 – транспортер; 12 – охладитель гранул «КС»; 13 – подогреватель воздуха; 14 – промывной скруббер


Аппарат ИТН имеет общую высоту 10 м и состоит из двух частей: нижней реакционной и верхней сепарационной. В реакционной части находится перфорированный стакан в который подают азотную кислоту и аммиак. При этом за счет хорошей теплоотдачи реакционной массы стенкам стакана, реакция нейтрализации протекает при температуре, более низкой, чем температура кипения кислоты. Образующийся раствор нитрата аммония закипает, и из него испаряется вода. За счет подъемной силы пара парожидкостная эмульсия выбрасывается из верхней части стакана и проходит через кольцевой зазор между корпусом и стаканом, продолжая упариваться. Затем она поступает в верхнюю сепарационную часть, где раствор, проходя ряд тарелок, отмывается от аммиака раствором нитрата аммония и конденсатом сокового пара. Время пребывания реагентов в реакционной зоне не превышает одной секунды, благодаря чему не происходит термического разложения кислоты и нитрата аммония. За счет использования теплоты нейтрализации в аппарате испаряется большая часть воды и образуется 90% раствор нитрата аммония.

Комбинированный выпарной аппарат высотой 16 м состоит из двух частей. В нижней кожухотрубной части диаметром 3м происходит упаривание раствора, проходящего через трубки, обогреваемые сначала перегретым паром, нагретым до 180єС воздухом. Верхняя часть аппарата служит для очистки выходящей из аппарата паровоздушной смеси и частичного упаривания поступающего в аппарат раствора нитрата аммония. Из выпарного аппарата выходит плав нитрата аммония концентрацией 99,7% с температурой около 180єС.

Грануляционная башня имеет прямоугольное сечение 11х8 м2 и высоту около 61 м. Через отверстие в нижней части в башню поступает наружный воздух и воздух из охладителя гранул. Поступающий в верхнюю часть башни плав нитрата аммония диспергируется с помощью трех виброакустических грануляторов, в которых струя плава превращается в капли. При падении капель с высоты около 10 м они затвердевают и превращаются в гранулы. Кристаллизация плава с влажностью 0,2% начинается при 167єС и заканчивается при 140 єС. Объем воздуха, подаваемого в башне, составляет в зависимости от времени года 300 – 100 м3/час.

В установках АС – 72М применяется магнезиальная добавка против слеживаемости продукта (нитрат магния). Поэтому операции обработки гранул ПАВ, предусмотренной в схемах АС – 67 и АС – 72, не требуется.

Принципиальными отличиями технологической схемы производства нитрата аммония безупарочным методом (рис. 1.4.) являются: использование более концентрированной азотной кислоты; проведение процесса нейтрализации при повышенном (0,4МПа) давлении; быстрый контакт нагретых компонентов.

В этих условиях на стадии нейтрализации образуется парожидкостная эмульсия, после разделения которой получают плав концентрацией 98,1%, что позволяет исключить отдельную стадию упаривания раствора.

Производство азотных удобрений


Рисунок 1.4 - Технологическая схема безупарочного метода:

1 – подогреватель азотной кислоты; 2 – подогреватель аммиака; 3 – реактор (нейтрализатор); 4 – сепаратор эмульсии; 1 – барабанный кристаллизатор; 6 – нож; 7 – барабанная сушка.


Нагретые в нагревателях 1 и 2, обогреваемые паром, выходящим из сепаратора, эмульсии 4, азотная кислота и аммиак поступают в нейтрализатор 3, где в результате реакции образуется эмульсия из водного раствора нитрата аммония и водяного пара. Эмульсия разделяется в сепараторе 4 и плав нитрата аммония подается в барабанный кристаллизатор 1, в котором нитрат аммония кристаллизируется на поверхности металлического барабана, охлаждаемого изнутри водой.

Образовавшийся на поверхности барабана слой твердого нитрата аммония толщиной около 1 мм срезается ножом 6 и в виде чешуек поступает для просушивания в барабанную сушилку 7. Подобный продукт в виде чешуек используется для технических целей.

1.3 Производство карбамида


1.3.1 Свойства карбамида

Карбамид (мочевина) – диамид угольной, или амид карбаминовой кислот CO(NH2)2. Генетическая связь производных угольной кислоты может быть выражена следующей схемой:


ОН ОН ОNН4 NН2

| | | |

C=О C=О C=О C=О

| | | |

ОН NН2 NН2 NН2

угольная карбаминовая карбамат карбамид

кислота кислота аммония


Карбамид представляет собой твердое кристаллическое вещество с температурой плавления 132,7єС. Хорошо растворим в воде, этаноле и жидком аммиаке, что используется для получения аммиакатов. При нагревании выше 130 єС подвергается термической диссоциации с образованием биурета и выделением аммиака:


2CO(NH2)2 = H2N – CO – NH – СО – H2N + NH3.


Водные растворы карбамида устойчивы до 80 єС, при более высокой температуре разлагаются через образование карбоната аммония на аммиак и оксид углерода (IV):


CO(NH2)2 + 2H2O Ы (NH4)2CO3 Ы (NH4)2HCO3 + Ы

Ы CO2 + H2O + 2NH3.

Это исключает возможность длительного нагревания растворов карбамида при атмосферном давлении, например, в процессе выпаривания.

Карбамид – безбалластное высококонцентрированное МУ. Он легко усваивается растениями. Содержание азота в нем в амидной форме составляет 46,6%. По сравнению с нитратом аммония карбамид более богат азотом, меньше слеживается, не взрывоопасен в смесях с органическими веществами и медленнее вымывается из почвы.


1.3.2 Физико-химические основы процесса синтеза

В основе получения карбамида лежит взаимодействие аммиака с оксидом углерода (IV) с последующей дистилляцией продуктов синтеза и переработкой полученных растворов. При синтезе карбамида последовательно протекают две обратимых реакции:

образование карбамата аммония:


2NH3 + CO2 Ы CO(NH2)(ONH4) – 121,6 кДж (1)


и дегидратации карбамата аммония до карбамида:


CO(NH2)(ONH4)ЫCO(NH2)2 + H2O–11,1 кДж (2)


Процесс синтеза описывается суммарным уравнением:


2NH3 + CO2 = CO(NH2)2 + H2O – 110,1кДж.


Он протекает в гетерогенной системе, состоящей из газообразной фазы (аммиак, диоксид углерода, пары воды) и жидкой фазы, включающей расплавленные и растворенные компоненты (аммиак, карбамат аммония, карбонаты аммония, карбамид) и воду.

Скорости реакций 1 и 2 различны. Реакция 1 протекает значительно быстрее реакции 2, поэтому лимитирующей процесс синтеза стадией, от которой и зависит выход продукта, является стадия дегидратации карбамата аммония 2. Состояние равновесия и скорость ее определяются температурой, давлением, соотношением аммиака и диоксида углерода и содержанием воды в реакционной смеси.

Скорость реакции 2 возрастает с увеличением температуры и давления. Так как она протекает с поглощением тепла, то повышение температуры одновременно способствует смещению равновесия вправо и увеличивает степень конверсии карбамата аммония.

Повышение температуры быстро смещает равновесие реакции 1 влево, что приводит к уменьшению концентрации карбамата и, следовательно, к падению скорости реакции 2 конверсии карбамата в карбамид.

Максимальная степень превращения карбамата аммония в карбамид достигается при температуре около 220єС. При этой температуре продолжительность процесса составляет около 60 минут. При понижении температуры для достижения более высокой степени превращения карбамата в карбамид время процесса существенно увеличивается.

Скорость образования карбамата аммония возрастает пропорционально квадрату давления и при давлении 1 МПа протекает практически мгновенно.

Наибольшее влияние на выход карбамида оказывает избыток аммиака в исходной смеси сверх стехиометрического количества (NH3 : CO2 – 2 : 1). Избыток аммиака смещает равновесие реакции 1, а также вследствие своего дегидратирующего действия связывает реакционную воду, удаляя ее из сферы реакции, и смещает вправо равновесие реакции 2. Образование карбамата и его дегидратация до карбамида протекают в жидкой фазе, поэтому в реакторе должны быть созданы условия ее существования. Этому способствует увеличение степени заполнения реактора, что приводит к уменьшению объема газовой фазы, и нагрев реакционной смеси до температуры выше эвтектической точки системы «карбамат-карбамид», равной 98єС.

Влияние различных факторов на состояние равновесия системы «карбамат-карбамид» можно представить в виде следующей схемы:


Т (за счет экзотермичности реакции 1)


сдвиг влево

сдвиг вправо


Р

(за счет ускоре- (за счет подав- NH3/CO2

ния наступления ления диссоци- (за счет связывания

равновесия ации карбамата воды в реакции 2)

в реакции 2) в реакции 1)


Оптимальный режим процесса синтеза карбамида должен обеспечить: быстрое и полное протекание реакции 1, протекание реакции 2 не менее, чем на 71%.

Этим условиям отвечают следующие параметры процесса: температура 180 - 200єС, давление 20 МПа, избыток аммиака 100% сверх стехиометрического количества, то есть мольное отношение NH3 : CO2 – 4 :

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Похожие рефераты: