Способ гидролиза мочевины, содержащейся в отработанной воде с установок синтеза мочевины, и колонный аппарат для его осуществления - RU2056408C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу гидролиза мочевины, содержащейся в отработанной воде, с установок синтеза мочевины в результате реакции аммиака и двуокиси углерода, и содержащей количества мочевины в пределах от 100 до 30000 долей на миллион, и необязательного одновременного удаления остаточных NH₃ и СО₂.

Изобретение включает также установку для осуществления упомянутого способа, содержащую, по крайней мере, контейнер, заключенный в кожух, входное отверстие для воды, содержащей остаточную мочевину, входное отверстие для пара, входное отверстие для отпаривающего газа и/или модификации рН раствора.

Синтез мочевины, как известно, основан на реакции аммиака и СО₂ с тем, чтобы получить карбамат аммония, который в результате дегидратации при высокой температуре продуцирует мочевину в соответствии со следующей схемой экзотермических реакций:
2 NH₃ + CO₂ (NH₃ )₂CO₂ (NH₂)₂CO + H₂O.

Продуцирование "синтетической" воды составляет в пересчете 1 моль Н₂О на 1 моль мочевины, 300 кг воды на тонну синтезированной мочевины. Помимо синтетической воды из установки выгружается вся вода, поступающая в виде водяного пара для окончательной концентрации мочевины в вакуумных группах, можно, таким образом, предположить, что количество воды, выводимое из установки по производству мочевины, может "уносить" примерно 470-550 кг/т полученной мочевины. Вода, отводимая из установки по производству мочевины, содержит не только мочевину, а также аммиак и СО₂, которые уже содержались перед гидролизом мочевины, который протекает в соответствии со следующей схемой эндотермических реакций:
NH₂ CO NH₂ + H₂O 2 NH₃ + CO₂
Гидролиз мочевины должен, таким образом, осуществляться с использованием способа и такого типа оборудования, которое способно непрерывно разделять продукты гидролиза (NH₃ и CO₂), чтобы двигать реакцию вправо.

Вода, загрязненная NH₃, СО₂, мочевиной, поступающая из установки по синтезу мочевины, должна обрабатываться заранее в соответствии с известными приемами, чтобы отделить имеющиеся аммиак и СО₂ с тем, чтобы способствовать реакции гидролиза, а установка для гидролиза должна быть установлена таким образом, чтобы отделять при помощи отпаривания продукты разложения, когда они образуются в соответствии с реакцией, кратко представленной выше.

Аммиак и СО₂, являющиеся компонентами синтеза мочевины, извлекают из реакции синтеза при помощи известного приема.

Современные положения по защите окружающей среды запрещают сброс воды, поступающей с установок по производству аммиака, чтобы избежать опасных проблем эвтрофии.

Основная цель изобретения состоит в том, чтобы предложить прием, особенно эффективный при промывке воды, поступающей с производства по синтезу мочевины, с тем, чтобы снизить большие концентрации мочевины и газа в упомянутой воде, делая ее незагрязненной и пригодной для повторного использования.

Способ, являющийся предметом изобретения, кроме того, характеризуется тем фактом, что гидролиз осуществляют в несколько, по крайней мере, четыре каскадные стадии только термического разложения при температуре от 150 до 262^оС и давлении от 15 до 50 бар до тех пор, пока остаточное содержание мочевины в воде, выходящей из последней стадии, не снижается до менее 1 доли на миллион.

Кроме того, цель изобретения состоит в том, чтобы предложить простой тип установки для осуществления упомянутого способа, причем упомянутая установка, кроме того, характеризуется тем фактом, что упомянутый кожух является вертикальной колонной, разделенной на составляющие модули, причем каждый модуль содержит нижнюю стенку или заслонку (DFi), водонепроницаемую и газонепроницаемую; пластину (Рi) для распределения вытекающей воды, расположенную на несколько сантиметров выше упомянутой заслонки (DFi); распределительное средство (TRi) пара с дополнительным отпаривающим газом или без него; слив (TPi), определяющий уровень перетока верхнего модуля, который проходит по всей длине следующего нижнего модуля, создавая таким образом падение в каскаде жидкости с упомянутого верхнего модуля в нижний.

Различные аспекты и преимущества изобретения станут более очевидными из описания конкретного его осуществления, приведенного на фиг.1-2.

На фиг. 1 представлен схематический вид спереди установки; на фиг.2 в увеличенном масштабе два последовательных промежуточных модуля.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения гидролизат является вертикальным, образуемым составными модулями, позволяющими отогнать и удалить продукты реакции, когда они образуются.

Подлежащая обработке вода, соответствующим образом предварительно нагретая, поступает на первую стадию гидролиза (S₁) через входное отверстие А и равномерно распределяется вдоль всего сечения реактора при помощи пластины (Р1), расположенной на несколько сантиметров выше заслонки (DF1).

Водяной пар поступает через входное отверстие В и доставляет необходимое тепло для гидролиза, причем в то же самое время он отпаривает продукты разложения, покидающие модуль через выход С вместе с частью неконденсированного водяного пара. Когда жидкость достигает уровня L1 слива ТР1, она попадает на более нижнюю стадию, где она снова распределяется при помощи пластины Р2, в то время как нагревающий и отпаривающий пар поступает через входное отверстие D, а когда жидкость достигает уровня L2 слива ТР2, она попадает на более низкую стадию S3, при этом продукты разложения уходят через выходное отверстие Е. Жидкость проходит через каждый модуль Si по направлению вверх, например, слева направо в нечетных модулях и справа налево в четных модулях, как это указано стрелками F1, F2.F6 на фиг.1.

Аналогичная операция осуществляется на последовательных стадиях S4, S5, S6.Sn, и из этой последней, из слива ТРn, в данном случае ТР6, очищенная вода с предписанными заранее уровнями содержания остаточной мочевины уходят через выход N. Пар, поступающий на каждую стадию, распределяется тороидальным распределительным средством TRi.

В соответствии с еще одним аспектом изобретения, когда необходимо осуществить отгонку легких фракций инертами или добавить СО₂ на различных стадиях (например, чтобы скорректировать рН), такое впрыскивание осуществляют через те же входные отверстия, что и для пара (В, D, G) и распределяют при помощи тороидального средства TRi.

Условия функционирования следующие:
1) Загружают воду в гидролизатор: NH₃ 1-3 мас. СО₂ 0,5-1 мас. мочевина + биурет 0,2-2 мас. Н₂О до 100 мас.

2) Условия работы гидролизатора: температура 197-249^оС, давление 15-40 атм.

3) Продукты, выходящие из гидролизатора: NH₃ < 1 мас.д. на миллион СО₂ < неопределяемое количество мочевина < 1 мас.д. на миллион Н₂О примерно 100%
В предпочтительном варианте гидролизат в соответствии с изобретением является существенно вертикальным цилиндром на стадиях разложения и отгонки последовательно, причем загрузку осуществляют сверху, а продукт (очищенную воду) извлекают в нижней части, как это показано на фиг.1.

Продукты разложения и водяной пар извлекают из верхней части каждой стадии по мере того, как их получают. Количество стадий в гидролизаторе соответствует степени очистки, то есть зависит от желаемого содержания мочевины в воде, выгружаемой из гидролизатора, и это число варьируется от 3 до 20. Чтобы улучшить гидролиз и облегчить отгонку аммиака, можно использовать впрыск СО₂ на каждой стадии, а также с целью модификации рН раствора воды, улучшая таким образом процесс гидролиза.

Имеется несколько различных известных приемов для гидролиза:
1 биологическое окисление,
2 обработка гипохлоритом, нитритом,
3 обработка ферментом с уреазисом,
4 обработка осмос с мембранами,
5 обработка на обменной смоле,
6 обработка фосфорной кислотой,
7 термический гидролиз.

Также цель изобретения заключается в том, чтобы предложить установку, в которой воду с установки по производству мочевины обрабатывают термически и одновременно отгоняют продукты разложения (NH₃ и CО₂). Реактор для гидролиза состоит из колонны, разделенной на различные составляющие модули, функционирующие последовательно, как это было описано ранее. Количество этих модулей варьируется в зависимости от количества мочевины, содержащейся в обрабатываемой воде, так как содержание мочевины после гидролиза должно быть не более 1 мас.д. на миллион, следовательно, чем больше содержание мочевины в воде, подлежащей обработке, тем больше должно быть число стадий, что означает более продолжительное время пребывания воды в гидролизаторе. Это время пребывания, которое определяют в общем случае на основе содержания мочевины в промышленных установках, изменяется в пределах от 10 до 70 мин. Воду, обрабатываемую в оборудовании, являющемся предметом изобретения, направляют в колонну для последовательного отпаривания для удаления остаточного аммиака в соответствии с известными приемами.

Преимущество предлагаемого оборудования заключается в том, что оно позволяет удалить значительную часть аммиака при помощи парового отпаривания или газового отпаривания (воздух, СО₂, инерты и т.д.), снижая таким образом нагрузку на упомянутой последовательной стадии с целью отпаривания аммиака.

П р и м е р 1. Промышленная установка по производству 1750 т/день мочевины производят 36000 кг/ч отработанной воды, которую после первой стадии отпаривания части аммиака и СО₂ направляют в гидролизатор, являющийся предметом изобретения. Состав сырья, мас. NH₃ 1,5; СО₂ 0,8; мочевина 0,1; Н₂О 97,6.

После термической обработки в гидролизаторе с 6 стадиями, временем обработки и отпаривания 18 мин, получали следующий состав, мас. NH₃ 0,8; CO₂ 0,2; мочевина < 1; Н₂О 99,0.

В случае, когда используют отпаривающий газ, помимо отпаривающего пара, ожидаемый состав выглядит примерно так: NH₃ 0,3 мас. СО₂ 0,1 мас. мочевина < 1 мас.д. на миллион; Н₂О 99,6 мас.

Любой специалист в этой области техники может вводить различные модификации и варианты в способ и оборудование, описанные выше, не выходя, однако, за пределы области, охватываемой изобретением.

П р и м е р 2. 24,518 кг/ч отработанной воды, содержащей мочевину, подают на пятистадийный процесс гидролиза в соответствии с изобретением.

Отработанная вода состоит из,кг/ч: аммоний 360; двуокись углерода 42; вода 24,013; мочевина 103.

Параметры процесса:
время нахождения на каждой стадии: около 12 мин
давление внутри гидролизатора: 17 атм
температура внутри гидролизатора: 198^оС (верх) 200^оС (низ)
давление потоков пара: 25 атм
температура потоков пара: 225^оС
скорость течения каждого потока пара: 175 кг/ч
После истечения общего времени обработки около 60 мин полученный очищенный раствор содержал: аммоний 25 кг/ч; двуокись углерода 5 кг/ч; вода 24,658 кг/ч; мочевина менее чем 1 ррm.

Собранная в верхней части гидролизатора и сконденсированная паровая фаза содержала, кг/ч: аммоний 393; двуокись углерода 113; вода 199.

В процессе отпаривания рН отработанной воды уменьшился с около 12 до около 9,8.

Средние значения концентраций аммония и мочевины, определенные для очищаемого раствора на каждой стадии, приведены в табл.1.

П р и м е р 3. Процесс гидролиза проводят в тех же условиях, что и в примере 2, но с введением на каждой стадии двуокиси углерода в качестве дополнительного отпаривающего агента. Температура, давление и скорость течения потока двуокиси углерода составляют 110^оС, около 20 атм и 80 кг/ч соответственно. Наблюдаемая наверху гидролизатора скорость течения двуокиси углерода соответственно увеличивается и составляет в общем 513 кг/ч. В данном примере рН отработанной воды уменьшается от 12 до 5,6. Средние концентрации аммония и мочевины, определенные для очищаемого раствора на каждой стадии, представлены в табл.2.

На последней, пятой, стадии не происходит дальнейшего уменьшения количеств аммиака и мочевины.

Согласно изобретению, количество дополнительного отпаривающего агента (двуокиси углерода, воздуха или других инертных газов) может варьироваться от 1 до 3 мас. от общей скорости течения очищаемого раствора, приходящего с более низкой стадии гидролиза.

Реферат

Использование: технология производства мочевины из аммиака и диоксида углерода, гидролиз мочевины в составе сточных вод и колонный аппарат для проведения гидролиза. Сущность изобретения: гидролиз примесей мочевины в количестве от 100 до 30000 долей на миллион в отработанной воде с установок синтеза мочевины ведут в колонном аппарате каскадного типа с отпариванием остаточных аммиака и диоксида углерода при помощи водяного пара. Число ступеней каскада от 4 до 30, температура 150 - 262^oС, давление 1,5 - 5 МПа. Содержание остаточной мочевины в воде, выводимой с последней ступени каскада менее 1 доли на миллион, содержание диоксида углерода и аммиака - следы. Для ускорения гидролиза рН раствора мочевины регулируют вспрыскиванием диоксида углерода. Колонный аппарат содержит корпус, разделенный на секции, в каждой из которых размещены распределительные пластины, а также входные и выходные отверстия. Каждая секция снабжена водонепроницаемой и газонепроницаемой перегородками, которые разделяют аппарат на отдельные модули. Перегородки расположены над распределительными пластинами для водяного пара или дополнительного отпаривающего газа, что обеспечивает переток из верхнего модуля к нижнему по всей длине аппарата. 2 с. и 4 з. п. ф-лы, 2 ил.

Формула