Производство азотных удобрений

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 аммонийнонитратные.

Все азотные удобрения водорастворимы, азот из них хорошо усваивается растениями, 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 удобрение). В табл. 2 приведены характеристики важнейших азотных удобрений.

Таблица 2. Х арактеристика азотных удобрений

Удобрение	Формула действующего вещества	Содержание азота, %
Аммиачные: Аммиак жидкий Аммиачная вода	NH3 NH3	16,5—20,5
Аммонийные: Сульфат аммония	(NH4)2SO4	19,9—21,0
Нитратные: Нитрат натрия Нитрат кальция	NaNO3 Ca(NO3)2	15,0—16,0 18,0—15,0
Амидные: Карбамид	CO(NH2)2	46,0—46,5
Аммонийнонитратные: Нитрат аммония	NH4NO3	32,0—35,0
Карбамидоформальдегидные: Карбаминоформ	NH2CONHCH2	33,0—42,0
Аммиакаты: Азотная часть комппленсных минералных удобрениий		20,0—30,0

Производство нитрата аммония

Нитрат аммония (аммонийная селитра) NH₄NO₃ — кристаллическое вещество с температурой плавления 169,6°С, хорошо растворимое в воде. Нитрат аммония сильно гигроскопичен и легко поглощает влагу из атмосферы. 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.

Производство нитрата аммония основано на реакции нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком с последующим упариванием полученного раствора нитрата аммония. Нейтрализация азотной кислоты аммиаком — это необратимый гетерогенный процесс, протекающий с выделением тепла, по уравнению: HNO₃ + NH₃ = NH₄NO₃.

В результате нейтрализации образуется водный раствор нитрата аммония. При этом за счет теплового эффекта реакции нейтрализации часть воды испаряется. С ростом концентрации азотной кислоты возрастает концентрация раствора нитрата аммония и увеличивается масса выделяющегося пара.

При использовании азотной кислоты концентрацией 65% и температуре процесса около 70°С возможно за счет теплоты нейтрализации выпарить основную массу воды, вводимой с азотной кислотой и получить высококонцентрированный раствор и даже плав нитрата аммония.

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

1. Без упаривания раствора. Концентрирование раствора осуществляется за счет теплоты нейтрализации азотной кислоты концентрацией 65%. При этом образуется 96% плав нитрата аммония.

2. С упариванием раствора. Концентрирование раствора осуществляется как за счет использования теплоты нейтрализации, так и за счет подводимого извне тепла. При этом, в зависимости от концентрации азотной кислоты последующее упаривание раствора нитрата аммония может производиться: при 58% -ной кислоте в 1 ступень, при 50% -ной кислоте в 2 ступени.

Производство карбамида

Карбамид (мочевина) — CO(NH₂)₂ представляет твердое кристаллическое вещество с температурой плавления 132,7 С, хорошо растворим в воде и жидком аммиаке, что используется для получения аммиакатов. При нагревании выше 130°С подвергается термической диссоциации с образованием биурета и выделением аммиака: 2CO(NH₂)₂ = H₂N-CO-NH-CO-NH₂ + NH₃.

Водные растворы карбамида устойчивы до 80°С, при более высокой температуре разлагаются на аммиак и оксид углерода (IV): CO(NH₂)₂ + H₂O ↔ CO₂ + 2NH₃.

Карбамид — безбалластное высококонцентрированное минеральное удобрение. Он легко усваивается растениями. По сравнению с нитратом аммония карбамид более богат азотом, меньше слеживается, не взрывоопасен и медленнее вымывается из почвы.

В основе получения карбамида лежит реакция взаимодействия аммиака с оксидом углерода (IV).

При синтезе карбамида последовательно протекают две обратимых реакции: — образования карбамата аммония: 2NH₃ + СO₂ ↔ CO(NH₂)(ONH₄), ΔH<0 (1)

дегидратации карбамата аммония до карбамида: CO(NH₂)(ONH₄) ↔ CO(NH₂)₂ +H₂O, ΔH>0 (2).

Процесс синтеза описывается суммарным уравнением: 2NH₃ + СO₂ = CO(NH₂)₂ + H₂O, ΔH<0. Он протекает в гетерогенной системе, состоящей из газовой фазы (аммиак, диоксид углерода, пары воды) и жидкой фазы, включающей растворенные компоненты (аммиак, карбамат аммония, карбонаты аммония, карбамид) и воду.

Реакция 1 протекает значительно быстрее реакции 2. Скорость реакции 2 возрастает с увеличением температуры. Повышение температуры быстро смещает равновесие реакции 1 влево, что приводит к уменьшению концентрации карбамата и, следовательно, к падению выхода в реакции 2 конверсии карбамата в карбамид. Максимальная степень превращения карбамата аммония в карбамид достигается при температуре около 220°С. При этой температуре продолжительность процесса составляет около 60 минут. При понижении температуры 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: СО₂ — 2: 1). Избыток аммиака смещает вправо равновесие реакции 1, а также, связывает реакционную воду, смещая вправо равновесие реакции 2. Образование карбамата и его дегидратация до карбамида протекают в жидкой фазе, поэтому в реакторе создаются условия для ее осуществления. Этому способствует увеличение степени заполнения реактора, что приводит к уменьшению объема газовой фазы, и нагрев реакционной смеси выше температуры эвтектической точки системы «карбамат-карбамид», равной 98 С.

Оптимальному режиму процесса синтеза карбамида отвечают следующие параметры: температура 180 — 200°С, давление 20 МПа, избыток аммиака (мольное отношение NН₃: СО₂ = 4: 1).

В результате взаимодействия аммиака и оксида углерода (IV) образуется система, состоящая из карбамида, карбамата аммония, воды, карбонатов аммония и избытка аммиака. Для выделения из нее твердого карбамида полученный раствор подвергают дистилляции. В процессе дистилляции отгоняется избыток аммиака и вода с разложением карбамата аммония и карбонатов аммония.

В зависимости от того, возвращаются эти продукты в процесс, или после отделения карбамида используются в других производствах, технологические схемы делятся на две группы:

— без возвращения продуктов дистилляции в оборот (разомкнутая схема, без рецикла),

— с возвращением продуктов дистилляции в оборот (замкнутая схема с рециклом).

В первом случае весь выделившийся при дистилляции аммиак поглощают азотной кислотой для получения нитрата аммония, при этом производство карбамида сочетается с производством нитрата аммония. Во втором случае продукты дистилляции частично или полностью возвращаются в оборот нa синтез карбамида. Существуют два варианта полного рецикла: газовый, при котором продукты дистилляции возвращаются в газообразном виде, и жидкостной, при котором они возвращаются в виде раствора аммонийных солей. Наиболее экономична технологическая схема с полным жидкостным рециклом.

Дата добавления: 2014-01-04