Способ получения мочевины, установка для его осуществления и способ модернизации такой установки - RU2181359C2

Описание

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу получения мочевины. В частности, изобретение относится к способу получения мочевины, который предусматривает:
- проведение реакции взаимодействия между аммиаком и углекислым газом в первом реакционном пространстве с получением реакционной смеси, содержащей мочевину, карбамат и свободный аммиак в водном растворе;
- подачу полученной смеси в секцию извлечения мочевины:
- отделение от мочевины карбамата и свободного аммиака в водном растворе в этой секции извлечения.

Настоящее изобретение относится также к установке для осуществления описанного выше способа и к способу модернизации существующей установки для получения мочевины с созданием на ее основе предлагаемой в настоящем изобретении установки.

Как известно, в настоящее время при производстве мочевины существенно возросла потребность в установках, обладающих, с одной стороны, высокой производительностью и технологической гибкостью, а с другой стороны, требующих для своего создания небольших капиталовложений и имеющих низкие эксплуатационные затраты, связанные, в частности, с расходом энергии.

Уровень техники
В настоящее время разработаны и применяются на практике различные способы получения мочевины, основанные по существу на проведении в реакционном пространстве взаимодействия между подаваемыми в него аммиаком (NH₃) и углекислым газом (СО₂) с одновременным возвратом в это реакционное пространство не вступивших в реакцию веществ, содержащихся в отбираемом из реакционного пространства водном растворе мочевины, в частности аммиака, углекислого газа и разбавленного карбамата в водном растворе.

В технологической схеме такого процесса за реакционным пространством расположена секция извлечения мочевины, в которой из раствора мочевины выделяются не вступившие во взаимодействие и вторично возвращаемые в реакционное пространство вещества.

Известны и другие способы получения мочевины, основанные по существу на проведении взаимодействия с различным выходом в двух реакционных пространствах, расположенных параллельно друг другу, к которым, в частности, относится способ, предложенный в Европейской заявке ЕР-0479103. В этом способе все не вступившие во взаимодействие вещества вторично возвращаются в одно из реакционных пространств. С одной стороны, такая рециркуляция позволяет практически полностью использовать такие ценные исходные продукты, как аммиак и углекислый газ, однако, с другой стороны, она требует перекачки в реакционный аппарат больших количеств воды (Н₂O), в результате чего снижается общий выход конверсии углекислого газа в мочевину, который при таком способе получения мочевины колеблется обычно от 55 до 62%.

Краткое изложение сущности изобретения
Техническая задача, решение которой предлагается в настоящем изобретени, заключается в разработке способа получения мочевины, обладающего высоким конверсионным выходом, сравнительно просто осуществимого на практике и отличающегося низким расходом энергии и низкими производственными затратами.

В настоящем изобретении эта задача решается с помощью способа, в основе которого лежит указанный выше способ получения мочевины и который отличается от известного тем, что он дополнительно предусматривает:
- обработку по крайней мере части карбамата и свободного аммиака в водном растворе, полученных в секции извлечения мочевины, заключающуюся в частичном разложении карбамата и частичном выделении свободного аммиака с получением потока, состоящего из паров аммиака и углекислого газа, и потока, содержащего остаток карбамата в водном растворе;
- обработку содержащего пары аммиака и углекислого газа потока, заключающуюся в по крайней мере частичной конденсации паров с получением потока концентрированного карбамата в водном растворе;
- подачу по крайней мере части концентрированного карбамата во второе реакционное пространство;
- проведение взаимодействия между аммиаком и углекислым газом во втором реакционном пространстве с получением реакционной смеси, содержащей мочевину, карбамат и свободный аммиак в водном растворе.

Используемый ниже в описании и в формуле изобретения термин "концентрированный" карбамат в водном растворе относится к раствору карбамата с очень небольшим содержанием воды (несколько процентов).

В соответствии с изобретением по крайней мере часть карбамата и свободного аммиака в водном растворе, отбираемых из секции извлечения мочевины, целесообразно подвергать обработке, заключающейся в частичном разложении карбамата и выделении не вступивших во взаимодействие аммиака и углекислого газа из содержащего большое количество воды раствора остатка карбамата. При этом вместе с не вступившими во взаимодействие веществами в реакционное пространство возвращается очень небольшое количество воды, что обеспечивает высокий выход протекающей в нем реакции. Эти не вступившие во взаимодействие вещества целесообразно возвращать во второе реакционное пространство, в котором происходит взаимодействие между аммиаком и углекислым газом. Благодаря наличию первого реакционного пространства, в которое подаются по существу чистые реагенты, и второго реакционного пространства, в которое подается концентрированный карбамат с очень небольшим содержанием воды, удается в еще большей степени повысить суммарный конверсионный выход.

Для достижения высокой степени разложения карбамата и выделения свободного аммиака в водном растворе частичное разложение карбамата и выделение аммиака целесообразно проводить при давлении, по существу равном давлению во втором реакционном пространстве.

Для более эффективной конденсации и выделения в секции извлечения мочевины не вступивших во взаимодействие веществ поток, содержащий остаток карбамата в водном растворе, целесообразно направлять после частичного разложения карбамата и частичного выделения свободного аммиака в секцию извлечения мочевины.

Другим предметом настоящего изобретения, с помощью которого решается указанная выше техническая задача, является установка для осуществления описанного выше способа получения мочевины, содержащая:
- первый реактор синтеза мочевины;
- секцию извлечения мочевины, в которую подается реакционная смесь, содержащая мочевину, карбамат и свободный аммиак в водном растворе, отбираемые из первого реактора синтеза мочевины и в которой происходит отделение мочевины от карбамата и свободного аммиака в водном растворе; которая отличается тем, что она также содержит:
- второй реактор синтеза мочевины;
- десорбер, в котором по крайней мере часть карбамата и свободного аммиака в водном растворе, полученных в секции извлечения мочевины, подвергается обработке, заключающейся в частичном разложении карбамата и частичном отделении свободного аммиака, с получением потока, содержащего пары аммиака и углекислого газа, и потока, содержащего остаток карбамата в водном растворе;
- оборудование для по крайней мере частичной конденсации паров, отбираемых из десорбера, с получением потока концентрированного карбамата в водном растворе;
- оборудование для подачи по крайней мере части концентрированного карбамата во второй реактор синтеза мочевины.

В соответствии с настоящим изобретением установки для получения мочевины по предлагаемому способу могут представлять собой новые установки либо модернизированные уже существующие установки с одновременным увеличением их производительности и улучшением параметров, относящихся к потреблению энергии.

Соответственно еще одним предметом настоящего изобретения является способ модернизации установки для получения мочевины, содержащей:
- первый реактор синтеза мочевины;
- секцию извлечения мочевины, в которую подается реакционная смесь, содержащая мочевину, карбамат и свободный аммиак в водном растворе, отбираемые из первого реактора синтеза мочевины и в которой происходит отделение мочевины от карбамата и свободного аммиака в водном растворе; который отличается тем, что в нем предусматриваются следующие стадии:
- установка второго реактора синтеза мочевины;
- установка десорбера, в котором по крайней мере часть карбамата и свободного аммиака в водном растворе, полученных в секции извлечения мочевины, подвергается обработке, заключающейся в частичном разложении карбамата и частичном отделении свободного аммиака, с получением потока, содержащего пары аммиака и углекислого газа, и потока, содержащего остаток карбамата в водном растворе;
- установка оборудования для по крайней мере частичной конденсации паров, отбираемых из десорбера, с получением потока концентрированного карбамата в водном растворе;
- установка оборудования для подачи по крайней мере части концентрированного карбамата во второй реактор синтеза мочевины.

Другие отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения рассмотрены ниже в описании предпочтительного, но не ограничивающего объем изобретения примера его выполнения, который показан на приложенном к описанию чертеже.

На чертеже показана блок-схема технологического процесса получения мочевины предлагаемым в настоящем изобретении способом.

Предпочтительный вариант выполнения изобретения
На чертеже показаны реакционные пространства 1 и 2, в которых при высоком давлении происходит синтез мочевины. Обычно во время работы в реакционном пространстве 1 поддерживаются следующие условия:
молярное соотношение NH₃/CO₂ на входе - 3,6
молярное соотношение Н₂О/СО₂ на входе - 0
конверсионный выход СО₂ в мочевину - 75%
давление - 240 бар, абс.

температура - 195^oС
Реакционное пространство 1 преимущественно работает в однопроходном режиме, и в него по трубопроводам 21 и 22 соответственно подаются по существу чистые аммиак и углекислый газ.

Используемый ниже в описании термин "однопроходной" режим означает, что аппарат работает без рециркуляции в него не вступивших во взаимодействие регентов, в частности без рециркуляции в него карбамата в водном растворе.

Поступающие в аппарат 1 по трубопроводам 21 и 22 газы целесообразно пропускать до подачи в аппарат 1 через предварительный конденсатор (не показан) типа конденсатора Kettle с отбором от них лишнего тепла и получением пара с абсолютным давлением 6-9 бар.

Обычно во время работы в реакционном пространстве 2 поддерживаются следующие условия:
молярное соотношение NH₃/CO₂ на входе - 3,2
молярное соотношение Н₂О/СО₂ на входе - 0,1
конверсионный выход СО₂ в мочевину - 72%
давление - 150 бар, абс.

температура - 190^oС
В реакционное пространство 2 по трубопроводам 21 и 30 целесообразно подавать соответственно по существу чистый аммиак и концентрированный карбамат в водном растворе.

Как показано на схеме, реакционные пространства работают параллельно. В рассматриваемом примере около 75% всей мочевины синтезируют в первом реакционном пространстве 1, а 25% получают во втором реакционном пространстве 2.

Блоки 5 и 9 представляют собой соответственно секцию гранулирования мочевины и конденсатор высокого давления. Конденсатор 9, который работает при давлении, равном давлению в реакционном пространстве 2, предпочтительно выполнить по типу конденсатора Kettle, отбирая в нем излишки тепла и получая пар с абсолютным давлением 6-9 бар.

Секция извлечения мочевины обычно состоит из блоков 3, 4, 6 и 7. Блоки 3 и 4 представляют собой дистилляторы, а блоки 6 и 7 являются конденсаторами. Конечный продукт, который получают в блоке 4, в данном случае представляет собой раствор, в котором содержится до 99,7% мочевины. В блоке 7 имеется аппарат для обработки отработанной воды, в котором происходит очистка сливаемой из установки воды. Обычно блоки 3 и 6 работают при среднем давлении (около 18 бар), а блоки 4 и 7 работают при низком давлении (около 3 бар).

В другом варианте способа получения мочевины в блоке 6 также имеется колонна для отделения аммиака, в которой получают по существу чистый жидкий аммиак, который вместе с аммиаком, подаваемым в реакционные пространства 1 и 2 по трубопроводу 21, подается в них по магистрали 29.

В предлагаемой установке блок 8 представляет собой предназначенный для разложения карбамата аппарат высокого давления, который работает при давлении, равном давлению во втором реакционном пространстве 2. Обычно в качестве аппарата 8 используется десорбер.

По трубопроводам 23 и 24 из блоков 1 и 2 соответственно отбирается реакционная смесь, которая содержит мочевину и не вступившие во взаимодействие вещества, в частности карбамат и свободный аммиак в водном растворе. Трубопровод 24 соединен с трубопроводом 23, который проходит через дистилляторы 3 и 4 секции извлечения мочевины, в которых происходит разложение карбамата и его отделение вместе со свободным аммиаком от раствора мочевины. Содержание мочевины в трубопроводе 23 после блока 3 составляет 70-72%, а после блока 4 составляет около 99%. Образующиеся в дистилляторах 3 и 4 газообразные аммиак и углекислый газ отбираются из них соответственно по трубопроводам 26 и 27. Трубопровод 27 проходит через конденсатор 7, в котором пары аммиака и углекислого газа конденсируются и образуют карбамат в водном растворе, который подается в конденсатор 6, ускоряя протекающий в нем процесс конденсации поступающего в него по трубопроводу 26 потока газа. Аналогичным образом трубопровод 26 проходит через конденсатор 6, в котором пары аммиака и углекислого газа конденсируются и образуют поток карбамата и свободного аммиака в водном растворе с высоким содержанием воды, который поступает в блок 8, в котором он подвергается обработке, заключающейся в частичном разложении карбамата и частичном выделении свободного аммиака.

Часть воды, содержащейся в водном растворе, образующемся в конденсаторе блока 7, подвергается дальнейшей обработке и очистке от всех следов аммиака и мочевины в специальном, входящем в состав блока 7 аппарате. После очистки в блоке 7 отработанная вода по трубопроводу 28 сливается из установки.

Раствор мочевины по трубопроводу 23 подается из блока 4 в секцию 5 гранулирования, в которой из него получают конечный продукт, отводимый из установки для получения мочевины по трубопроводу 25.

От блока 8 отходят два трубопровода 30 и 31, по которым из него отводятся соответственно поток газа, состоящего из паров аммиака и углекислого газа, и поток жидкости, состоящей из мочевины и остатка карбамата в водном растворе.

Содержащий большое количество аммиака и углекислого газа и небольшое колическтов воды (всего несколько процентов) поток газа по трубопрводу 30 проходит через конденсатор 9, в котором после конденсации аммиака и углекислого газа образуется поток концентрированного карбамата в водном растворе, который возвращается по трубопроводу 30 во второе реакционное пространство 2.

В показанной на чертеже технологической схеме весь карбамат в водном растворе, отделенный от мочевины в секции извлечения мочевины, подвергается обработке (разложению) в блоке 8. Однако вполне удовлетворительные результаты могут быть получены и в случае подачи в блок 8 только части карбамата, отбираемого в водном растворе из секции извлечения мочевины. В частности, из секции извлечения мочевины можно возвращать на обработку в блок 8 от 50% до 90% от всего количества образующегося в ней карбамата.

По предлагаемому в настоящем изобретении способу в результате взаимодействия аммиака и углекислого газа в первом реакционном пространстве 1 образуется реакционная смесь, содержащая мочевину, карбамат и свободный аммиак в водном растворе, которая подается в секцию извлечения мочевины (блоки 3, 4, 6 и 7), в которой мочевина отделяется от карбамата и свободного аммиака в водном растворе (трубопровод 26).

В технологической схеме предлагаемого в изобретении способа получения мочевины по крайней мере часть жидкости, которая поступает в трубу 26, подвергается частичному разложению в блоке 8 с образованием поступающего в трубу 30 потока паров аммиака и углекислого газа и поступающего в трубу 31 потока, содержащего остаток карбамата в водном растворе. Трубопровод 30 соединен с блоком 9, в котором происходит по крайней мере частичная конденсация паров и образуется поток концентрированного карбамата в водном растворе, который по трубопроводу 30 возвращается во второе реакционное пространство 2. В потоке концентрированного карбамата, поступающего в блок 2 по трубопроводу 30, содержится также свободный аммиак. Работа по такой схеме обеспечивает высокий конверсионный выход в первом 1, а также втором 2 реакционных пространствах, поскольку в возвращаемых во второе реакционное пространство не вступивших во взаимодействие реагентах практически вообще не содержится воды.

Предлагаемый в изобретении способ получения мочевины позволяет достичь суммарного конверсионного выхода углекислого газа в мочевину от 70 до 76%, что намного превышает конверсионный выход известных способов получения мочевины. Кроме того, такой высокий конверсионный выход и практически полное отсутствие воды, возвращаемой в реакционное пространство 2, существенно уменьшают количество веществ, которые требуется выделять из раствора мочевины, в результате чего улучшается работа и повышаются характеристики дистилляторов 3 и 4 секции извлечения мочевины.

В предлагаемой в изобретении схеме поток жидкости, который протекает по трубе 31 и в котором содержится очень большое количество воды, возвращается в секцию извлечения мочевины, ускоряя протекающие в ней процессы конденсации и выделения образующихся в дистилляторах 3 и 4 не вступивших во взаимодействие веществ. Трубопровод 31 предпочтительно пропустить через дистиллятор 10, в котором после дальнейшего разложения остатка карбамата образуется содержащий большое количество воды раствор, который подается в блок 7. От дистиллятора 10 отходит также трубопровод 32, по которому состоящий из остатка аммиака и углекислого газа поток пара с небольшим содержанием воды подается на конденсацию в блок 6 секции извлечения мочевины. Такая схема образует замкнутый контур циркуляции технологической воды, которая ускоряет процесс конденсации паров аммиака и углекислого газа в блоках 6 и 7 и не возвращается в реакционное пространство 1 или 2, не оказывая при этом отрицательного воздействия на протекающую в них реакцию взаимодействия между аммиаком и углекислым газом.

Между блоками 10 и 7 можно установить дополнительный дистиллятор (не показан), способствующий лучшему разложению протекающей по трубопроводу 31 и выходящей из блока 10 жидкости, содержащей большое количество воды. В этом случае содержащий небольшое количество паров воды поток остаточного аммиака и углекислого газа подается в конденсатор блока 7, а раствор с большим содержанием воды подается также в находящийся в блоке 7 аппарат, в котором происходит обработка отходящей воды. Предпочтительно, чтобы дистиллятор 10 и дополнительный дистиллятор работали при среднем и низком давлении соответственно. В секции извлечения мочевины за блоками 4 и 7 можно дополнительно установить соответственно дистиллятор низкого давления (около 1-2 бар абс.) и конденсатор (не показан).

Ниже рассмотрена установка для получения моуевины, работающая по предлагаемому в настоящем изобретении способу.

Установка для получения мочевины состоит из двух реакторов синтеза мочевины, показанных на схеме в виде блоков 1 и 2, секции извлечения мочевины, состоящей из показанных на схеме в виде блоков 3, 4, 6 и 7 аппаратов, десорбера, показанного в виде блока 8, и соответствующих устройств для конденсации и возврата в реактор 2 паров, отбираемых из десорбера (блок 9, трубопровод 30).

В установке, технологическая схема которой показана на чертеже, имеются устройства для перекачки потока, содержащего остаток карбамата в водном растворе, из десорбера в секцию извлечения мочевины. Между десорбером и секцией извлечения мочевины предпочтительно установить показанный в виде блока 10 дистиллятор. Кроме того, в установке имеется также оборудование (трубопровод 24) для подачи реакционной смеси, содержащей мочевину, карбамат и свободный аммиак в водном растворе, из второго реактора в секцию извлечения мочевины.

Установка для осуществления предлагаемого в настоящем изобретении способа получения мочевины может представлять собой вновь созданную установку или установку, полученную модернизацией существующей установки.

Модернизация существующей установки включает следующие стадии:
- установку второго реактора синтеза мочевины (блок 2);
- установку десорбера (блок 8) для обработки по крайней мере части карбамата и свободного аммиака в водном растворе (трубопровод 26), полученных в секции извлечения мочевины (блоки 3, 4, б и 7), заключающейся в частичном разложении карбамата и частичном выделении свободного аммиака с получением потока, содержащего пары аммиака и углекислого газа, и потока, содержащего остаток карбамата в водном растворе (трубопроводы 30 и 31 соответственно);
- установку оборудования (блок 9) для по крайней мере частичной конденсации отбираемых из десорбера (блок 8) паров с получением потока концентрированного карбамата в водном растворе;
- установку оборудования (трубопровод 30) для подачи по крайней мере части концентрированного карбамата во второй реактор синтеза мочевины (блок 2).

В другом варианте предлагаемый в настоящем изобретении способ модернизации включает дополнительно стадию установки оборудования (трубопровод 31) для подачи потока остатка карбамата в водном растворе из десорбера (блок 8) в секцию извлечения мочевины (блоки 3, 4, 6 и 7).

В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения способ модернизации существующей установки для получения мочевины включает стадию установки оборудования (трубопровод 24) для подачи реакционной смеси, содержащей мочевину, карбамат и свободный аммиак в водном растворе, из второго ректора синтеза мочевины (блок 2) в секцию извлечения мочевины (блоки 3, 4, 6 и 7).

Предлагаемый в настоящем изобретении способ модернизации позволяет не только существенно повысить конверсионный выход существующего реактора синтеза мочевины, но и увеличить его производительность. Фактически в предлагаемой схеме в существующий реактор можно подать существенно большее количество исходных реагентов, не только не перегружая его, но и не перегружая дистилляторов, установленных в секции извлечения мочевины. Кроме того, дополнительный реактор синтеза мочевины, в который на вторичную обработку возвращаются практически все не вступившие во взаимодействие вещества, также может работать с высоким конверсионным выходом, поскольку в него подается очень небольшое количество воды. Высокий конверсионный выход позволяет всю полученную во втором реакторе мочевину отбирать из существующей секции извлечения мочевины, не перегружая ее дистилляторов.

Реферат

Изобретение относится к способу получения мочевины взаимодействием аммиака с диоксидом углерода в двух реакционных зонах, работающих параллельно. В первом и втором реакционных пространствах получают жидкие реакционные смеси, содержащие мочевину, карбамат и свободный аммиак в водном растворе, которые объединяют в один поток и подвергают частичному разложению карбамата с выделением потока свободного аммиака на стадиях разложения и извлечения мочевины. При этом получают поток, состоящий из паров аммиака и диоксида углерода, и поток, содержащий неразложившийся карбамат в водном растворе, который направляют во второе реакционное пространство. Частичное разложение карбамата осуществляют предпочтительно при давлении, равном давлению во втором реакционном пространстве. Установка для получения мочевины включает два параллельно работающих реактора для синтеза мочевины, а также десорбер для частичного разложения карбамата в потоке, поступающем из секции извлечения мочевины. Кроме того, установка содержит оборудование для частичной конденсации паров, отбираемых из десорбера, и для подачи части концентрированного карбамата во второй реактор. Способ модернизации установки для получения мочевины заключается в установке дополнительного десорбера и оборудования для возврата вторичных потоков концентрированного карбамата со стадией разложения карбамата и выделения мочевины во второй реактор. 3 с. и 7 з.п.ф-лы, 1 ил.

Формула