Как компании зарабатывают деньги. Производство азотных удобрений

Цех по производству мочевины АО «Апатит». Фото ФосАгро
Предыдущие статьи:

1. Как компании зарабатывают деньги. Производство аммиака
2. Как компании зарабатывают деньги. Производство азотной кислоты

Ранее мы рассмотрели производство азотно-фосфорных и комплексных удобрений ФосАгро. Настал черёд третьего типа минеральных удобрений — азотных. В продуктовой линейке ФосАгро это Аммиачная селитра NH4NO3 (нитрат аммония) и Карбамид (NH2)2CO (мочевина). Оба этих продукта ФосАгро производит в Череповце.
Сырьём для аммиачной селитры (это то самое вещество, что взорвалось в порту Бейрута) является азотная кислота HNO3 и аммиак NH3. Производство аммиачной селитры представляет собой процесс нейтрализации азотной кислоты аммиаком. Образуется горячий водный раствор нитрата аммония. После образования раствора, обычно с концентрацией 83 %, лишняя вода выпаривается до состояния расплава, в котором содержание нитрата аммония составляет 95—99,5 % в зависимости от сорта готового продукта. Для использования в качестве удобрения расплав гранулируется в распылительных аппаратах, сушится и охлаждается. По-сути это все те же процессы, что и при производстве азотно-фосфорных и комплексных удобрений, поэтому не будем подробно останавливаться на этом продукте. Тем более что второй продукт — карбамид, или мочевина, имеет гораздо более интересный процесс и историю.

Вот она. Гранулы мочевины
Мочевина — первое в истории органическое вещество, синтезированное человеком искусственно из неорганических веществ. Но обо всём по порядку. В обычном разговоре не так уж часто можно услышать слово волюнтаризм витализм, однако этот термин обозначает идею, которая и сейчас широко распространена. К XVIII веку химики накопили достаточно знаний о различных веществах, их многообразии и свойствах. Было замечено, что выделенные из животного или растительного сырья продукты имели между собой много общего, но отличались от продуктов, получаемых из минералов. Тогдашние химики разделили по этому принципу вещества на органические (то есть полученные из живой природы) и неорганические (то есть минеральные). Более того, тогда полагали, что органические вещества могут быть получены только в живых организмах благодаря «жизненной силе» (лат. vita). Эта философская концепция и называлась «витализм».
Первый серьёзный удар по витализму нанёс синтез мочевины, осуществлённый в 1828 г. немецким химиком Фридрихом Вёлером. Мочевина к тому времени уже была хорошо известна как вещество, которое можно получить из мочи, чьим единственным источником являлись живые существа (это, я думаю, сомнений не вызывает).

Русскоязычная википедия утверждает, что впервые мочевину получили из мочи осла, но мы с Василием Алибабаевичем нашли оригинальную публикацию (1727) первооткрывателя вещества — голландца Г. Бургаве. Там говорится, что моча была «очень свежая, взятая через 12 часов после еды у здорового мужчины» (это важно!), возможно Бургаве использовал свою, а уж он был точно не осёл.
Вёлер произвёл мочевину из исходных компонентов, которые явно были совершенно неорганическими и мёртвыми — из цианатных и аммонийных солей, и при этом обошёлся без использования почек. Он так и написал своему наставнику, шведскому химику Берцелиусу, который, кстати, и ввёл термин «органические вещества». Остроумное замечание по поводу почек, однако многие тогда сочли, что смеяться тут нечему (более того, многие и сейчас так считают). Но учёные против фактов не прут, тем более что вскоре появились примеры синтеза и других органических веществ из неорганических.
Однако тот факт, что «органические» вещества, полученные как из живых организмов, так и искусственно, по свойствам всё-таки отличаются от «минеральных», тоже никто не отменял. Позже, в середине XIX века, плеяда учёных — шотландец Арчибальд Купер, немец Фридрих Кекуле и русский химик Александр Бутлеров установили, что все органические вещества — это соединения с четырёхвалентным углеродом (то есть каждый атом углерода в них имеет по четыре связи с другими атомами), это понимание по-сути стало современным определением органической химии. При этом, ещё позже, по мере того как люди узнавали о строении всё новых веществ, оказалось, что органические вещества присутствуют повсюду и в неживой природе — нефть и природный газ, уголь, алмазы, искусственные полимеры, отравляющие газы и нервно-паралитические яды — всё это химия четырёхвалентного углерода, то есть органика. Вещества — они и есть вещества, и никакой «витальной сущности» в них нет.
Понятно, что «животно-растительное» название перестало соответствовать природе того, что современные химики называют «органикой», но так уж повелось и название это никто менять не собирается. Этим часто пользуются рекламщики, умалчивая о том, что витализм несостоятелен с XIX века, они рекламируют вам «органическую» продукцию. Причём даже выдуман финт — дескать, «под органическим мы имеем ввиду выращенный на грядке с любовью мозолистыми руками прекрасных девственниц безо всякой химии». Допускаю, что слово «органический» имеет право на несколько значений, однако это второе значение введено именно для подмены понятий и мухлежа в рекламных кампаниях, так как ни один рекламирующий не скажет, какой именно смысл он имел ввиду (а чаще он смешал оба смысла — научный и веганский, и даже не понял, что не так).

Цех по производству мочевины АО «Апатит». Фото ФосАгро
Отставим занудство. Сегодня мочевину получают несколько иначе, чем Вёлер, и уж точно не так как Бургаве. В качестве сырья берут аммиак NH3 и углекислый газ CO2. Как вы помните из статьи о производстве аммиака, углекислый газ является побочным продуктом паровой конверсии природного газа. Там в статье я указал, что он сбрасывается в атмосферу через выхлопную трубу. Это так, но часть углекислого газа отводится на всас компрессора, подающего его на производство карбамида, пощадим немного нервы Греты Тунберг. Аммиак тоже подвергают сжатию и отправляют в реактор синтеза. Условия в нём адские — температура 130-140°С и давление 200 атмосфер.

Крышка теплообменника в цехе производства мочевины АО «Апатит». Оборудование на химических предприятиях компонуется зачастую очень компактно. Когда я работал аппаратчиком, чувствовал себя фиксиком внутри сложного прибора
В результате взаимодействия аммиака и углекислого газа образуется сложная система, состоящая из целевого продукта карбамида (NH2)2CO, полупродукта карбамата аммония H2NCOONH4, воды H2O, карбонатов аммония (NH4HCO3 и (NH4)2CO3) и непрореагировавшего аммиака NH3. Для выделения из нее твердого карбамида и утилизации не вступивших в реакцию остальных компонентов и карбамата полученный раствор подвергают стриппингу (отдувке) в токе идущего на реакцию углекислого газа, он возвращает на реакцию непрореагировавшее сырьё. После этого водный раствор отправляют на дистилляцию в ректификационную колонну. Дистилляция — это процесс похожий на изготовление самогона. Из смеси отгоняется избыток аммиака и вода, под воздействием тепла происходит разложение карбамата аммония (до мочевины) и карбонатов аммония (до исходного сырья), это тоже всё идёт в голову колонны. После конденсации лишней воды газы возвращают на синтез. В кубе дистилляционной колонны остаётся раствор карбамида с концентрацией около 67%. Раствор отправляют на выпаривание.

Так выглядит башня приллирования внутри. Гранулы карбамида поддерживаются во взвешенном состоянии потоком воздуха. Фото ФосАгро
После выпаривания воды расплав карбамида подвергают приллированию (то есть грануляции) и сушке в высокой башне, которую можно видеть на заглавном фото. Процесс представляет собой разбрызгивание плава продукта в восходящем потоке воздуха. Образуется так называемый «кипящий» или «псевдоожиженный» слой готового продукта. Когда гранула приобретает нужные размеры, она отделяется от слоя с помощью серапационных устройств, использующих естественное следствие увеличения её массы — гравитацию и центробежную силу. Высушенные гранулы фасуются в биг-беги или вагоны. Карбамид ФосАгро выпускает двух марок — как удобрение и как кормовую добавку для жвачных животных.

Михалыч докладывает обстановку в цехе
Теперь о цифрах. Согласно отчёту 2020 ФосАгро произвела 1,7 млн. т. карбамида и 0,7 млн. т. аммиачной селитры. Всего в России производится около 8,3 млн. тонн/год карбамида и 9,6 млн. тонн/год аммиачной селитры. Аммиачную селитру также производят Акрон, Куйбышевазот, Еврохим, Минудобрения Россошь, Уралхим, Кемеровский Азот, Ангарский азотно-туковый завод, Мелеузовские минеральные удобрения, Аммоний Менделеевск. Производители карбамида: Акрон, Куйбышевазот, Газпром нефтехим Салават, Еврохим, Тольяттиазот, Уралхим, Кемеровский Азот, Аммоний Менделеевск. Мировой объём производства карбамида — около 200 млн. тонн/год, аммиачной селитры — около 38 млн. тонн/год.
Крупнейшие зарубежные потребители российских азотных удобрений — Бразилия, США и Украина.
По данным Росстата (файл excel) средняя цена на карбамид с начала 2021 года выросла на 64% и составила 26461 руб/т. По аммиачной селитре рост меньше — около 42%, в июле 2021 средняя цена достигла 15765 руб/т.