Технология карбамида - Горловский Д.М.
Скачать (прямая ссылка):
Чтобы упростить анализ процесса, протекающего в реакторе, не учитывают рециркулируемую воду и принимают соотношение CO(NH2)3 : H2O равным стехиометрическому [4]. В этом случае реакционная смесь представляет собой псевдотройную систему CO(NHg)2-H2O—NH3—CO2, для которой изобарическое равновесие газ—жидкость изображают в трехмерных координатах температура—состав (рис. IV. 1). Три компонента образуют вершины треугольника в основании призмы, а по вертикальной оси откладывают температуру. Одна грань призмы служит для бинарной системы NH3—CO2. В азеотропной точке бинарной системы (при 435 К для давления 12,3 МПа) начинается восходящая линия максимальной температуры, так называемая «линия верхнего предела», отображающая максимальную температуру жидкости при любой концентрации CO(NH2)2• H2O. Для простоты пользования проекция «линии верхнего предела» нанесена на треугольник состава смеси.
Изотермы состава жидкой фазы, полученные путем сечения призмы горизонтальными плоскостями, проецируют [4] на основание призмы. В полученном треугольнике (рис. IV.2) точка азеотропной смеси А характеризует состав сырья на входе в реактор. «Линия верхнего предела» иллюстрирует оптимальный ход реакции, так как она соответствует максимальной температуре при
любой концентрации карбамида, т. е. любой линии, параллельной стороне NH3—CO2. Возьмем для примера одну из таких линий CDE. В точке С величина Ln. « 3,6 и T = 433 К, а в точке DLm = = 2,6 и Г = 443 К. При составе движущегося снизу вверх реактора газового потока, идентичном составу образующейся при конденсации жидкости, процесс в реакторе удается довольно точно поддерживать на «линии верхнего предела» до предельной точки В, которая соответствует температуре 453 К и близка к характеристикам состояния химического равновесия системы. Для газа, равновесного жидкости в этой точке, Lp ж 3. Этот показатель можно контролировать методами газовой хроматографии и регулировать подачей NH3 в реактор или конденсатор.
В реальных условиях, вследствие рецикла воды, мольное соотношение H2O : CO(NH2)2 в реакторе непостоянно и превышает 1. Тем не менее, процесс в реакторе принципиально подобен описанному выше. Однако, из-за переменного соотношения воды и карбамида его не удается представить графически в достаточно простой форме.
Дистиллятор. На входе в отгонную колонну плав синтеза карбамида из реактора распределяется по внутренним стенкам нагревательных трубок и движется в виде тонкой жидкой пленки [4]. Когда жидкость нагревают и одновременно продувают газовым потоком, эффективность процесса зависит от нескольких факторов: соотношения жидкости и газа, разности температур между стенкой трубки и жидкостной пленкой и др. Для обеспечения глубокой стриппинг-дистилляции плава считается [3], что градиент концентрации компонентов между газовой и жидкой фазами должен быть максимальным в целях обеспечения максимальной движущей силы массопередачи от жидкости к газу. Это достигается за счет использования в качестве стриппинг-агента свежего CO2. Уместно напомнить, что в случае реактора и конденсатора в узле синтеза положение обратное: градиент должен быть близок к нулю.
Разработана [3, 4] математическая модель процесса стриппинг-дистилляции в соответствии с теоретическими закономерностями; эта модель позволяет рассчитать концентрации NH3 и CO2 в плаве на выходе из дистиллятора в зависимости от параметров процесса. Эту модель использовали при проектировании, для анализа причин отклонения фактических показателей процесса от расчетных и оптимизации технологических параметров. На установке производительностью 500 т/сутки затраты на ЦВМ окупаются в течение 3-х лет.
Отгонная колонна весьма чувствительна к коррозии при неквалифицированной эксплуатации, нарушениях регламентированных норм ведения процесса и отклонениях от строго вертикального положения, вызывающих неравномерное стекание пленки жидкости по трубкам, что увеличивает вероятность выхода из строя аппарата [3]. Таким образом, основной фактор, которому следует
уделять наибольшее внимание, — максимальное обеспечение равномерного распределения плава синтеза карбамида и газообразного CO3 в трубках. Этого можно достичь установкой на всех трубках совершенно одинаковых суживающихся устройств для газа и жидкости [4]. Суживающееся устройство для газа может быть установлено или в основании отгонной трубки, куда подают свежий CO2, или в верхнем сечении, откуда отводят смесь NH3 и CO2. Преимуществом первого варианта является то, что подача свежего CO2 в каждую трубку непосредственно контролируется, а второго —упрощение конструкции благодаря тому, что суживающиеся устройства для газа и жидкости могут быть объединены. Рассмотрим последний вариант. Ограничители потока могут иметь различную конструкцию, например, иметь каналы или отверстия (рис. IV.3). Сопротивление, создаваемое круглым отверстием, описывается уравнением:
APl = Kl
¦ Pl0Ih
(WA)
где AP1 —сопротивление потоку жидкости; Kl —коэффициент
сопротивления; pL — плотность жидкости; vLn —скорость жидкости в отверстии. Для газа:
