1.1. Фізико-хімічні основи виробництва
Синтез
з
і
проходить у двох стадій. На першій
стадії утвориться карбамат амонію:
+2
+ 159
На другій стадії карбамат амонію дегідролізується і перетворюється в карбамід:
+
- 28
Обидві реакції оборотні, тому стан рівноваги залежить від умов синтезу – температури, тиску, співвідношення і .
Процес синтезу проводять при участі двох фаз: газової (аміак, двоокис вуглецю, вода) і рідкої, котра містить розплавлені і розчинені компоненти (аміак, карбамат амонію, карбамід, вуглеамонійні солі, двоокис вуглецю) і воду. Карбамід утвориться тільки в рідкій фазі, тобто з розплавленого карбамата амонію.
Температура
плавлення карбамата амонію дорівнює
152
С. Однак синтез можливий при більш
низькій температурі, тому що вода, що
виділяється в процесі реакції, знижує
температуру плавкості карбамата. Під
дією води частина карбамата переходить
у карбонат гідрокарбонат амонію, що теж
знижують температуру плавлення карбонату.
Карбамід, що утвориться в процесі
синтезу, теж знижують температуру
плавлення. Евтектична суміш, що містить
15%
і 49%
,
плавиться при 98
С. Таким чином, спочатку вода позитивно
впливає на процес, тому що знижує
температуру плавлення а також збільшує
обсяг рідкої фази. Однак у міру
нагромадження води реакція сповільнюється
внаслідок зсуву рівноваги.
При збільшенні температури синтезу вихід карбаміду і швидкість його утворення збільшується. Ця залежність показана на рис. 1.
Р
ис.
1. Залежність ступеня перетворення від
температури і часу.
Однак таке збільшення продовжується до визначеної границі (200-220 С). Далі ступінь перетворення починає знижуватися. Ця особливість одержала назву “температурний криз”. Існування температурного кризу порозумівається декількома причинами. По-перше, при високих температурах карбамід починає розпадатися з утворенням біурету;
+
=
+
По-друге, спрямованістю обох реакцій. При низьких температурах перша реакція практично повністю зміщена вправо, тому збільшення температури мало впливає на її рівновагу. Для другої реакції підвищення температури зміщає її рівновагу вправо. При більш високих температурах рівновага першої реакції істотно зміщається вліво.
Тиск залежить не тільки від температури, але і від співвідношення
в
ихідних
реагентів
і
.
Тиск різкий збільшується при збільшенні
кількості
вихідної суміші щодо стехіометрії.
Надлишок
, що добре розчиняється в рідкій фазі,
не приводить до такого сильного збільшення
тиску. Швидкість утворення карбамата
амонію збільшується приблизно пропорційно
квадратові тиску. При атмосферному
тиску і невеликий температурі реакція
йде дуже повільно, але при 10 МПа і 150
С проходить практично миттєво. З ростом
тиску при постійному обсязі і завантаженні
ступінь конверсії карбамата амонію в
карбамід значно збільшується (Рис. 2).
Рис. 2. Вплив тиску на ступінь перетворення карбамата амонію
у карбамід.
Найбільший
вплив на ріст виходу карбаміду робить
надлишок аміаку у вихідній суміші
відносно стехіометричного співвідношення
:
=
2,8 . Надлишковий
зменшує шкідливу дію води – він зв'язує
воду в
і в такий спосіб зміщує рівновагу в
напрямку збільшення виходу карбаміду.
Однак збільшувати співвідношення
:
до великих значень економічно не вигідно.
Це приводить до помітного збільшення
енергетичних витрат на відділення
вільного аміаку від розчину карбаміду,
а також на стиск і попередній нагрів
рідкого аміаку перед поверненням його
в синтез. Тому необхідно підбирати такі
співвідношення
і
,
при яких енергетичні витрати були б
меншими, а продуктивність колони
найбільшою. Вплив надлишку аміаку на
ступінь перетворення зображене на рис.
3.
Надлишкова кількість практично не впливає на вихід карбаміду, тому що діоксид вуглецю переважно знаходиться в газовій фазі . Значний вплив на вихід карбаміду робить наявність в інертних газів. Вони зменшують парціальний тиск і над плавом у колоні синтезові, при цьому знижується рівноважний ступінь конверсії карбамату амонію в карбамід.
Рис. 3. Вплив надлишку аміаку на ступінь перетворення.