2. Физико-химические основы синтеза мочевины

Синтез мочевины из аммиака и двуокиси углерода протекает в две стадии. Вначале в результате взаимодействия аммиака NH3 и диоксида углерода CO2 образуется карбамат аммония:

CO2 +2NH3 - NH2-CO-ONH4 + q (1)

Во второй стадии карбамат аммония отщепляет воду и превращается в мочевину:

NH2-CO-ONH4- CO(NH2)2 + H2O - q (2)

Обе реакции обратимы, поэтому состояние равновесия их и, следовательно, выход мочевины зависит от условий синтеза - температуры, давления, соотношения аммиака и двуокиси углерода и ряда других факторов. В настоящее время влияние различных факторов на процесс синтеза мочевины изучено довольно хорошо, благодаря чему достигаются высокие технико-экономические показатели производства.

Реакция (1) протекает, если через водный раствор двуокиси углерода при температуре выше 60°С пропускать аммиак. Карбамат аммония образуется даже при простом соединении аммиака и диоксида углерода. В отсутствие воды образуется только карбамат аммония, в присутствии ее - также и карбонаты аммония (собственно карбонат аммония (NH4)2CO3, бикарбонат аммония NH4HCO3 и сесквикарбонат аммония (NH4)2CO3 • 2NH4HCO3)).

Следует отметить, что вода и карбамат аммония образуют метастабильную систему, т.е. систему, характеризуемую небольшой относительной устойчивостью. Эта система медленно превращается в смесь различных соединений, состав которой зависит от температуры и концентрации карбамата.

Реакция образования карбамата аммония экзотермична, т.е. протекает с выделением тепла. Вследствие расхождения результатов, полученных различными исследователями при определении теплоты образования карбамата аммония, можно принять ее равной 152 Дж/моль при постоянном объеме и 158 Дж/моль при постоянном давлении. Реакция дегидратации карбамата аммония с образованием мочевины эндотермична, т.е. протекает с поглощением тепла (32,3 Дж/моль). Теплота образования мочевины из аммиака может быть вычислена на основе реакций (1) и (2) и составляет 125,7 Дж/моль.

Таким образом, суммарно процесс образования мочевины идет с выделением тепла. Количество его находится в прямой зависимости от чистоты исходного сырья, степени превращения в мочевину, от избытка аммиака, подаваемого в колонну синтеза и других факторов.

Современные процессы получения карбамида различаются, в основном, по методам использования непрореагировавших аммиака и двуокиси углерода.

Все известные в настоящее время схемы производства карбамида могут быть разделены на 5 основных групп:

1) процессы без рецикла (с переработкой аммиака в соли аммония);

2) процессы с частичным рециклом аммиака;

3) процессы с рециркуляциеей горячих газов;

4) процессы с рециркуляцией углеаммонийных солей в растворе или в виде суспенизии (жидкостный рецикл)

5) процессы, основанные на селективном извлечении из газовой фазы одного из компонентов и раздельном возврате аммиака и двуокиси углерода в цикл (газовый рецикл).

Процессы производства карбамида с частичным или полным рециклом углеаммонийных солей нашли наиболее широкое применение в промышленности.