Карбамид (мочевина) – полный амид угольной кислоты. На сегодняшний день различные товарные продукты на основе карбамида находят широкое применение не только в промышленности и сельском хозяйстве, но и в ряде других отраслей.

         В России выпускают карбамид двух марок – А и Б. Карбамид марки А предназначен для использования в промышленности в производстве пластмасс, смол, клеев. Карбамид марки Б используется в сельском хозяйстве в качестве минерального азотного удобрения и как кормовая добавка в животноводстве.

Свойства продукта и технические характеристики

         Карбамид представляет собой бесцветные кристаллы легко растворимые в воде, спирте, жидком аммиаке, сернистом ангидриде. Температура плавления 132,7°C, плотность 1,33•103 кг/м3.
         Карбамид при нормальных условиях пожаро- и взрывобезопасен, не токсичен.
         Карбамид упаковывают в клапанные бумажные и полимерные мешки по нормативно-технической документации. Навалом в железнодорожные вагоны типа «хоппер», минераловозы, а также в специализированные металлические контейнеры. Для розничной торговли продукт упаковывают в полиэтиленовые пакеты, массой не более 3 кг. Хранят в закрытых сухих складских помещениях. Контейнеры с карбамидом и транспортные пакеты допускается хранить на открытых площадках.
         Транспортируют в упакованном виде и насыпью всеми видами крытого транспорта, кроме воздушного.
         Выпускают карбамид двух марок: А - для использования в химической промышленности и животноводстве, и Б – для использования в сельском хозяйстве.
         В нижеследующей таблице кратко представлены технические требования к карбамиду согласно ГОСТ 2081-92.

Технические характеристики карбамида (согласно ГОСТ 2081-92)

Области применения карбамида

         Карбамид является весьма реакционно-способным соединением, образует комплексы со многими соединениями, например с перекисью водорода, которые используются как удобная и безопасная форма «сухой» перекиси водорода. Способность мочевины образовывать комплексы включения с алканами используется для депарафинизации нефти.
         При нагревании до 150—160°C карбамид разлагается с образованием биуретана, аммиака, углекислого газа и др. продуктов. В водном растворе гидролизуется до CO2 и NH3, что обуславливает его применения в качестве минерального удобрения. При взаимодействии с кислотами образует соли. При алкилировании образуются алкилмочевины, при взаимодействии со спиртами — уретаны, при ацилировании — уреиды (N-ацилмочевины). Последняя реакция широко применяется в синтезе гетероциклических соединений, например, пиримидинов. Карбамид легко конденсируется с формальдегидом, что обуславливает широкое его применение в производстве смол.
         Химические свойства карбамида обуславливают широкое его применение в химической промышленности в синтезе карбамидо-альдегидных (в первую очередь карбамидо-формальдегидных) смол, широко использующихся в качестве адгезивов, в производстве древесно-волокничтых плит (ДВП) и мебельном производстве. Производные мочевины - эффективные гербициды.
         Часть производимого карбамида используется для производства меламина. Значительно меньшая доля используется для нужд фармацевтической промышленности.
         По своей природе карбамид - это минеральное удобрение, которое используется на всех видах почв под любые культуры. Такая форма удобрений обеспечивает значительную прибавку урожая сельскохозяйтсвенных культур. Выпускается он в этом качестве в устойчивом к слеживанию гранулированном виде. По сравнению с другими азотными удобрениями карбамид содержит наибольшее количество азота (46,2%), что в основном и определяет экономическую целесообразность его использования в качестве удобрения для многих сельскохозяйственных культур на любых почвах.
         В рубце жвачных животных обитают микроорганизмы, способные использовать мочевину для биосинтеза белка, поэтому её добавляют в корма как заменитель белка.
         В медицинской практике мочевину чистую используют как дегидратационное средство для предупреждения и уменьшения отёка мозга.
         Интересные направления применения карбамида связаны с использованием его для очистки выбросов ТЭЦ и мусоросжигательных установок, где в качестве восстановителя оксидов азота используются продукты термического разложения карбамида. Причем карбамид может применяться как в твердом виде, так и в виде водного раствора. Сегодня данная технология уже внедряется на мусоросжигательных заводах.
         Еще одним перспективным направлением использования карбамида является производство продукта AdBlue – 32,5%-го раствора карбамида, используемого для обработки выхлопных газов дизельных двигателей. Применение данного раствора позволяет добиться соответствия состава выхлопных выбросов нормам Euro-4 и Euro-5. В этом случае более предпочтительным является применение приллированного карбамида ввиду его физических свойств.

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА

Развитие отечественного производства карбамида

         Мочевина открыта Руэлем в 1773 г. и идентифицирована Праутом в 1818 г. Особое значение мочевине в истории органической химии придал тот факт, что ее синтез Велером в 1828 г. явился первым синтезом органического соединения из неорганического: Вёлер получил её нагревом цианата аммония, полученного in situ взаимодействием цианата калия с сульфатом аммония.
         Все промышленные способы получения карбамида основаны на его образовании по реакции аммиака с диоксидом углерода при температурах около 200°С и давлениях порядка 200 атм. и выше, поэтому в большинстве случаев производства мочевины совмещают с аммиачными производствами.
         Первые промышленные установки получения карбамида за рубежом появились в 1920-е годы на базе работ, проводившихся химиками Германии, США и Франции в начале 20 века. Эти установки работали по так называемой открытой схеме: плав карбамида дросселировали до атмосферного давления, при этом давлении отделяли не прореагировавшие газы и использовали содержащийся в них аммиак для производства аммонийных солей, а затем выпаривали раствор карбамида и получали карбамид в кристаллическом виде. Этот способ был крайне экономически невыгоден.
         Поэтому в 1930-40-х годах были активизированы в разных странах исследовательские работы, которые были направлены к созданию более экономичных способов получения карбамида.
         В СССР начало промышленного производства карбамида относится к 1935 г., когда на Чернореченском химическом заводе (г. Дзержинск) была пущена первая установка мощностью 240 кг в сутки.
         К 1950-м годам в СССР действовали две промышленные установки получения карбамида на Новомосковском и Лисичанском химических комбинатах общей мощностью около 20 тыс. тонн в год, созданные на основании предвоенных работ ГИВД, г. Ленинград, и работавшие по открытой схеме. Научно-исследовательские работы в области совершенствования технологии производства карбамида проводились параллельно в нескольких направлениях; разрабатывались схемы синтеза карбамида с газовым, частичным и жидкостным рециклами. В это время был создан Научно-исследовательский и проектный институт карбамида (НИИК), который спроектировал в 1958-59 годах и испытал в Сталиногорске (Новомосковск) в опытно-промышленном масштабе два процесса - процесс двухступенчатой дистилляции плава карбамида с конденсацией и рециркуляцией избыточного аммиака и процесс разделения газов дистилляции путем селективной абсорбции диоксида углерода раствором моноэтаноламина. Одновременно совместно с ЧХЗ был разработан и испытан процесс непрерывного выпаривания раствора карбамида и его кристаллизации в аппаратах шнекового типа. Эти работы послужили основой для проектов первых, считавшихся по тому времени многотоннажными, агрегатов карбамида мощностью 35 тыс. тонн в год с частичным рециклом аммиака (Новомосковск, Салават, Ангарск, Гродно, Кемерово) и полным газовым рециклом (Щекино).
         За рубежом в этот период фирмой Stamicarbon (Нидерланды) был разработан и в 1959 году доведен до промышленного воплощения процесс производства карбамида с полным рециклом не прореагировавших веществ в виде водного раствора углеаммонийных солей - так называемый полный жидкостный рецикл - с получением гранулированного продукта путем разбрызгивания расплава карбамида в пустотелой башне навстречу восходящему потоку воздуха.
         Позднее это способ гранулирования получил название «приллирование». Одновременно со строительством в СССР упомянутых агрегатов мощностью 35 тыс. тонн в год были приобретены за рубежом несколько комплектов оборудования для агрегатов мощностью 90 тыс. тонн в год, работающих по технологии полного жидкостного рецикла фирмы  Stamicarbon. Цехи введены в эксплуатацию в период 1963-1965 гг. на Щекинском и Северодонецком химических комбинатах, Чирчикском электрохимическом комбинате и на Салаватском нефтехимическом комбинате (цех № 24-1).
         На базе опыта освоения этих агрегатов, в 1960-70-х годах были выполнены проекты более 25 агрегатов производства карбамида производительностью 90 тыс. тонн в год по технологии полного жидкостного рецикла, включая проект переоборудования цеха с газовым рециклом в Щекино. Цехи с двумя агрегатами были пущены на Новомосковском, Невинномысском, Новгородском химических комбинатах, на Салаватском НХК (цех № 24-П), Вахшском азотно-туковом заводе, ПО «Куйбышевазот», Гродненском ПО «Азот», Ионавском ЗАУ, Кировоканском и Руставском химических заводах, а также на ПО «Ангарскнефтеоргсинтез», Чернореченском ПО «Корунд», в г. Кохтла-Ярве и т.п. Всего по этому проекту за 1966-1972 гг. введены в эксплуатацию 32 агрегата по выпуску карбамида.
         Мощность установок карбамида в СССР к концу 1972 года превысила 5 млн. тонн в год - более 30% от мировой.
         В 1970-х годах правительственным решением были закуплены комплекты оборудования агрегатов для производства карбамида производительностью 330 и 450 тыс. тонн в год по технологиям всех ведущих зарубежных фирм.
         В настоящее время промышленность по производству карбамида базируется на схеме с полным жидкостным рециклом ТЕС (Япония), ОАО «НИИК», а также на схемах со стриппинг-процессом фирм Stamicarbon, Snamproggetti (Италия)  и Tecnimont (Италия).
         Предприятия по производству карбамида расположены в семи странных бывшего СССР (Россия, Украина, Белоруссия, Узбекистан, Литва, Эстония, Таджикистан). На этих предприятиях применяется пять основных методов производства карбамида: полный жидкостной рецикл АК-70 (31 установка), стриппинг-процесс СО2 Stamicarbon (13 установок), стриппинг-процесс аммиака Snamproggetti (3 установки), Tecnimont (3 установки) и ТЕС (1 установка). Относительно применяемых технологий мощности распределены следующим образом:

 Технологии производства карбамида на предприятиях бывшего СССР

Источник: «Химия и бизнес»

         Как видно из диаграммы, технология жидкостного рецикла – одна из наиболее распространенных на территории бывшего СССР (31%). Для России эта еще выше – 36%. Кроме того, три страны бывшего СССР имеют только этот тип производства карбамида.
         Несмотря на то, что установки были построены давно, они являются достаточно конкурентно способными. Проводимые на большинстве предприятий мероприятия по реконструкции производств увеличить мощности и снизить энергозатраты.  Подробнее об этом будет сказано при рассмотрении технологий производства карбамида на российских предприятиях.

ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

 Характеристики российских производств

Стриппер для производства карбамида по процессу компании Stamicarbon

         Как было сказано ранее, в России производство карбамида осуществляется с использованием технологий Stamicarbon, Snamprogetti, Tecnimont,  НИИК, ГИАП. Изначально разработкой производства карбамида в СССР занимался ГИАП (до 50-х гг.). После создания НИИ карбамида, институт стал играть важную роль в создании и реконструкции производств карбамида. На российских предприятиях впоследствии стали широко использоваться технологии вышеперечисленных западных фирм. Наиболее распространенной технологией на данный момент является процессы  Stamicarbon. На Кемеровском и Березниковском  ОАО «Азот» используется технология Tecnimont. Изначальная технология на ОАО «Минеральные удобрения» – TEC. На ряде агрегатов (в частности на 1 из 3-х агрегатов НАК «Азот») используется технология Snamprogetti. Более подробно о производстве карбамида на предприятиях будет рассказано в следующей части подраздела. 
         На рынке технологий для создания новых мощностей имеются различные модификации стриппинг-процесса, отличающиеся в основном аппаратурным оформлением узла синтеза. Зарубежные фирмы предлагают сегодня установки мощностью преимущественно от 1000 до 2000 и даже 3000 т/сутки.
         Все эти технологии находятся примерно на одном уровне по степени использования сырья, отличаются различными решениями по аппаратурному оформлению, применяемым конструкционным материалам, технологическим приемам, позволяющим минимизировать уровень энергопотребления. Так, например, фирма «Стамикарбон» предлагает реактор синтеза затопленного типа, комбинированный с конденсатором высокого давления. В агрегатах фирмы TEC стадии синтеза и последующие стадии объединены по теплу, что позволяет снизить энергопотребление. ОАО «НИИК» совместно с чешской фирмой «Хепос» предлагает поставку установки мощностью 1200-1500 т/сутки, в основе которой лежит модернизированная стриппинг-технология.
         Рассмотрим более подробно стриппинг-процесс СО2 Stamicarbon. Упрощенная схема процесса представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Стриппинг-процесс CO2 компании Stamicarbon

         Аммиак и диоксид углерода превращаются в карбамид через карбамат аммония при давлении около 140 бар и температуре 180-185°C. Конверсия аммиака достигает 41%, углекислого газа – 60%. Непрореагировавшие аммиак и диоксид углерода поступают в стриппер, при этом СО2  выступает в роли стиппер-агента. После конденсации СО2 и NH3 идут на рецикл и возвращаются в процесс синтеза. Теплота конденсации используется для выработки пара, поступающего в компрессор СО2.
         Данный процесс может иметь различное аппаратурное оформление. Ниже представлена Технология Urea 2000plusTM -  синтез с бассейновым конденсатором.

Рис. 1.2. Технология Urea 2000plus: синтез с Бассейновым Конденсатором
 

         Данная технология успешно эксплуатируется на производстве карбамида мощностью 2700 тонн/сутки в Китае (CNOOC), запущенном в 2004 году, а также на производстве мощностью 3200 тонн/сутки в Катаре (Qafco IV), запущенном в 2005 году.
         Второй вариант осуществления данного процесса предполагает использование бассейнового реактора. Преимуществами синтеза с использованием бассейнового реактора являются:
- в данном случае требуется на 40% меньше поверхности теплообмена по сравнению с вертикальным конденсатором пленочного типа,
- конденсатор ВД и реактор объединены в одном аппарате,
- высота конструкции производства значительно снижается,
- длина трубопроводов ВД из коррозионно-стойкой стали значительно снижается,
- снижение инвестиций,
-легкость в эксплуатации, стабильный синтез нечувствительный к изменению соотношения NH3/CO2 .
         Ниже представлена схема данного прцесса.

Рис. 1.3. Технология Urea 2000plus: синтез с затопленным реактором

Рис. 1.4. Схема бассейнового реактора

         На данный момент существуют также разработки мега-установок карбамида, мощностью до 5000 тонн/сутки. Ниже представлена схема мега-установки, предложенная компанией Stamicarbon.

Рис. 1.5. Мега-производство карбамида (Stamicarbon).

         Вариант стриппинг-процесса, предложенный компанией Snamprogetti, предполагает использование аммиака в качестве стриппинг-агента. NH3 и CO2 реагируют с образованием карабмида при давлении 150 бар и температуре 180°C. Непрореагировавший карбамат разлагается в стриппере под действием аммиака. Упрощенная схема процесса выглядит следующим образом:

Рис. 1.6. Стриппинг-процесс в токе  NH3 компании Snamprogetti

         Конечным этапом всех технологических процессов синтеза карбамида является получение гранул товарного карбамида. Рассмотрим данный процесс более подробно.
         Существует два основных способа получения гранул - приллирование и грануляция. Способ приллирования заключается в охлаждении капель плава карбамида, находящихся в свободном падении, и их кристаллизации во встречном потоке охлаждающего воздуха. Способ грануляции сводится к распылению и последующему многократному наслаиванию плава карбамида на «затравочные» (твердые) частицы некондиционного продукта с образованием сферических гранул и последующему охлаждению последних. Для получения гранул азотных удобрений, в том числе и карбамида, в мировой практике наиболее распространен способ приллирования.
         В конце ХХ века на рынке карбамида появился продукт, полученный способом гранулирования в «кипящем» слое и отличающийся по своим свойствам от приллированного. В настоящее время технологию гранулирования карбамида в «кипящем» слое предлагают фирмы «Stamicarbon», ТЕС, Jara и ряд других. Основным преимуществом гранулированного карбамида является более высокая прочность гранул и, соответственно, меньшая слеживаемость при транспортировке. Однако капитальные затраты на строительство установки гранулирования продукта в среднем в 1,5-1,8 раз выше, чем приллирования. Кроме того, установка гранулирования карбамида характеризуется также большей занимаемой площадью, наличием большого количества ретура (до 50% от выработки), сравнительно высокими энерго- и  эксплуатационными затратами. Тем не менее на сегодняшний день темпы роста мощностей гранулированного продукта превышают темпы роста приллированного.
         Ниже приведены схемы приллирования и грануляции в кипящем слое по технологии Stamicarbon.

Рис. 1.7. Схема процесса приллирования  (Stamicarbon)

Рис. 1.8. Схема процесса грануляция в кипящем слое  (Stamicarbon)

         Последний вариант получения товарного карбамида эксплуатируется в частности на ГродноАзот (Беларусь).
         Учитывая, что конкурентоспособность производства карбамида во многом зависит от эффективности работы аммиачного производства, рассмотрим современные технологии по производству этого продукта. Затем рассмотрим подробно производство аммиака и карбамида на российских предприятиях.

         С оценкой потенциала российского экспорта карбамида, текущей ситуации и прогнозе развития внутреннего рынка можно познакомиться в отчете маркетингового исследования Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок карбамида в СНГ».

Об авторе:
Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков оказывает три вида услуг, связанных с анализом рынков, технологий и проектов в промышленных отраслях - проведение маркетинговых исследований, разработка ТЭО и бизнес-планов инвестиционных проектов.
• Маркетинговые исследования
• Технико-экономическое обоснование
• Бизнес-планирование

Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков
Тел.: (495) 918-13-12, (495) 911-58-70
E-mail: mail@akpr.ru
WWW: www.akpr.ru