СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОЧЕВИНЫ Российский патент 1994 года по МПК C07C273/04 

Изобретение касается способа получения мочевины посредством синтеза аммиака и двуокиси углерода, который является высокоэффективным по энергетическому КПД, расходует очень небольшое количество тепла.

Мочевина - один из продуктов химической отрасли промышленности, который наиболее широко используют в сельском хозяйстве в качестве удобрения и в самой химической отрасли промышленности в качестве полупродукта, причем в значительном количестве, поэтому потребление энергии для ее производства имеет большое значение.

Способ получения мочевины основан на известном синтезе из аммиака и двуокиси углерода согласно следующей схеме.

Аммиак и двуокись углерода подают в секцию синтеза для получения карбаминовокислого аммония согласно экзотермической реакции
2NH₃ + CO₂ -> NH₂COONH₄.

Затем часть карбоминовокислого аммония дегидратируют для получения мочевины и воды в соответствии с эндотермической обратимой реакцией
NH₂COONH₄ NH₂CONH₂ + H₂O
В условиях, которые обычно применяют для синтеза, т.е. при давлении 120-300 бар и температуре 170-250^оС, реакция образования карбамината аммония протекает очень быстро и практически завершается, тогда как реакция дегидратирования протекает медленно в сторону равновесия.

Эту часть карбаминовокислого аммония, которую дегидратируют для образования мочевины, определяют не только по температуре реакции и давлению, но также по отношению различных реагентов и времени их нахождения в секции синтеза.

Молярные отношения, которые обычно применяют, следующие:
Аммиак/двуокись углерода 2,5-7
Вода/двуокись углерода 0-1
Вода присутствует в качестве продукта реакции и составляющей любого потока - рецикла из секций установки, расположенных вниз по течению от секции синтеза.

Время нахождения в секции синтеза изменяется от 20 до 90 мин.

Продукт реакции синтеза состоит из раствора, содержащего карбамат аммония, мочевину и свободный аммиак, причем все применяемые в промышленности способы предполагают значительное избыточное содержание аммиака для достижения высокого выхода и для ограничения образования вредных побочных продуктов, например биурета.

Свободный аммиак и карбамат аммония отделяют от раствора мочевины, полученного из секции синтеза, и они рециркулируют на участок синтеза для их полной конверсии в мочевину. Затем раствор мочевины необходимо дополнительно обрабатывать для получения гранулированного продукта в соответствии с современными техническими условиями. Различные способы получения мочевины в промышленных масштабах отличаются точно по их способам отделения и рецикла тех компонентов, которые не превратились в карбамид.

Из уровня техники известно, что весь процесс производства мочевины разделен на следующие основные стадии (патент Великобритании N 1542371 данного заявителя), основанные на взаимодействии аммиака и двуокиси углерода:
а) в реактор для синтеза мочевины, который работает при высоком давлении, подают двуокись углерода и избыточное количество аммиака, превышающего стехиометрическое количество, для получения водного раствора мочевины, карбамата аммония и свободного аммиака.

б) раствор подают в устройство для разложения карбамата на составные части при том же давлении, что и в реакторе для синтеза, при этом часть карбамата, содержащегося в упомянутом растворе, разлагают на аммиак и двуокись углерода (по термодинамическому равновесию, установленному при существующих условиях температуры и давлении раствора мочевины) и затем подводят тепло, необходимое для поддержания реакции разложения,
в) при высоком давлении равном давлению на стадии (а), осуществляется конденсация в холодильнике продуктов реакции разложения со стадии (б), т.е. аммиака и двуокиси углерода, которые образуются в газообразной фазе, для утилизации тепла от конденсации газообразных продуктов,
г) конденсат рециркулирует со стадии (в) на стадию синтеза (а),
д) раствор мочевины, полученный на стадии (б) для разложения на составные части под средним давлением, подают в устройство, которое работает при значительно меньшем давлении, т.е. порядка 20 бар, и в котором осуществляют дальнейшее разложение для получения более чистого раствора мочевины и дополнительного количества газообразных продуктов, причем эту реакцию разложения также поддерживают посредством подачи необходимого тепла,
е) газообразные продукты, полученные из устройства разложения под средним давлением, подают в холодильник при том же давлении, при котором они конденсируют,
д) конденсат со стадии (е) разделяют на первую жидкую фазу, содержащую карбамат аммония, и вторую жидкую фазу, состоящую практически из чистого аммика,
з) вторая жидкая фаза, состоящая из карбамата аммония, рециркулирует в холодильник под высоким давлением,
и) вторая жидкая фаза, состоящая по существу из чистого аммиака, рециркулирует в реактор для синтеза,
к) раствор из устройства для разложения под средним давлением со стадии (д) передается в устройство для разложения под низким давлением, работающее под давлением порядка 4 бар, для получения в качестве дистиллята потока пара, состоящего из аммиака, двуокиси углерода и воды, и остаточного продукта, состоящего из раствора мочевины, содержащего небольшое количество аммиака и двуокиси углерода,
л) поток пара дистиллята с предшествующей стадии конденсирует в холодильнике под низким давлением,
м) водный раствор мочевины из устройства для разложения под низким давлением концентрируют в секции концентрации под вакуумом на одной или нескольких стадиях для получения жидкой мочевины и потока пара, состоящего из воды с небольшим количеством аммиака, двуокиси углерода и мочевины,
н) поток пара из воды, аммиака и двуокиси углерода со стадии м) конденсируют,
о) обработка конденсата со стадии (н) для очистки выходящего потока, гидролиз мочевины и восстановление аммиака и двуокиси углерода.

Стадия (б) разложения карбамата под высоким давлением заключается в термическом разложении на аммиак и двуокись углерода с одновременным самодесорбиро- ванием избыточного количества аммиака, как в патенте Великобритании N 1184004, выданном данному заявителю, причем это обычно осуществляют в теплообменнике с падающей пленкой, как в патенте Великобритании N 1552682, выданном данному заявителю.

Стадия (в), т.е. конденсация потока пара из устройства для разложения под высоким давлением, состоящего из аммиака, двуокиси углерода и воды, представляет собой основную стадию процесса с точки зрения расхода энергии. Тепло, применяемое на этой стадии, значительно, и его обычно используют для образования пара под низким давлением, как описано, например, в патенте США N 3356723 на имя Стамикарбон, причем его используют в качестве источника тепла для поддержания реакции разложения под низким давлением на стадии (к), для концентрации раствора мочевины со стадии (м) и в секции очистки выходящего потока со стадии (о).

Однако уровень температуры пара, образующегося в холодильнике при высоком давлении, недостаточен для стадии (д) разложения под средним давлением, для которой требуется температура свыше 160^оС, и поэтому для этой стадии требуется обеспечить греющую среду при температуре свыше температуры пара, выходящего из холодильника под высоким давлением, что оказывает значительный отрицательный эффект на энергетический баланс процесса.

Стадия (е) для конденсации потока пара, образующегося в устройстве для разложения под средним давлением, представляет другую проблему основной термической неэффективности процесса. Раствор мочевины, образующийся на стадии (б) разложения под высоким давлением, содержит не только остаточный карбамат аммония, мочевины и воду, но также значительное количество свободного аммиака: таким образом, поток пара, который образуется на стадии (д) разложения под средним давлением, богаче содержанием аммиака, чем стехиометрическое отношение 2:1, необходимое для карбамата. Это высокое молярное отношение аммиака к двуокиси углерода отрицательно влияет на температуру, при которой тепло от конденсации потока пара на стадии (а) имеется в холодильнике при среднем давлении на стадии (е), и его нельзя эффективно регенерировать в установке с последующим недостатком энергетического баланса.

Другая проблема термической неэффективности описанного способа касается конденсации на стадии (л) паровой фазы, образованной на стадии (к) разложения под низким давлением. На этой стадии конденсации высокое отношение содержания аммиака к двуокиси углерода также отрицательно влияет на температуру конденсации, и поэтому относительное тепло от конденсации не может эффективно использоваться. Помимо этого, полная абсорбция свободного аммиака требует значительного количества воды, которая наконец должна рециркулировать в секцию синтеза, где она будет отрицательно влиять на превращение карбамата в мочевину и на энергетический КПД установки.

Техническая проблема, создаваемая упомянутыми стадиями с низким энергетическим КПД, решается согласно настоящему изобретению посредством повышения температуры, при которой тепло регенерируется во время конденсации потоков пара, образующихся на стадиях разложения карбамата. Таким образом, это тепло можно более эффективно использовать в процессе.

Для лучшего использования пара под низким давлением, образующегося на стадии (в) конденсации, для газообразной фазы продукта на стадии (б) возможно повысить его температуру посредством компрессоров или вспомогательных устройств так, чтобы его можно было использовать на стадии (д) разложения под средним давлением. Такое решение усложняет установку и требует дополнительной электроэнергии или расхода пара под высоким или средним давлением с сомнительными преимуществами общего энергетического баланса.

Также возможно передавать тепло от конденсации при высоком давлении непосредственно устройству для разложения под средним давлением. В Европейской заявке N 212744 на имя Стэмикарбона такая прямая передача достигается способом, в котором поток пара на стадии конденсации под высоким давлением и раствор мочевины, переданный в устройство для разложения по средним давлением, выходят с первой стадии разложения с одновременной десорбцией двуокисью углерода. Применение десорбции двуокисью углерода означает, что отношение содержания аммиака к содержанию двуокиси углерода на стадии (а) должно быть такое, чтобы ограничить конверсию карбамата в мочевину.

В описанном способе поток пара имеет не такой состав, чтобы тепло от конденсации имело достаточно высокую температуру и чтобы его можно было использовать в устройстве для разложения при средней температуре.

Для достижения этого необходимо применять холодильник большого объема под высоким давлением, известный как конденсатор-сборник, который имеет такой размер, чтобы время нахождения было достаточно для значительной доли конденсированного карбамата, например, 30% от равновесного количества, конвертируемого в мочевину. Таким образом, конденсатор под высоким давлением становится реактором для предварительного синтеза. Такая модификация является дорогостоящей по капитальным вложениям и установке.

В патенте США N 4354040, выданном на имя заявителя "Тойо Инж. Корп.", такую прямую теплопередачу осуществляют способом, аналогичным способу, предложенному в Европейской заявке N 212744, но при более высоком отношении аммиака к двуокиси углерода. Это требует более высокого рабочего давления во всех секциях высокого давления, т.е. в реакторе для синтеза, устройстве для разложения карбамата и в конденсаторе. При этом эффективность устройства для разложения снижается и увеличивается расход энергии на сжатие двуокиси углерода и рециркуляцию не превращенных реагентов из секции низкого давления. В любом случае разложение карбамата аммония под средним давлением неудовлетворительное и необходима подача дополнительного тепла снаружи, например, в форме пара под высоким или средним давлением для поддержания разложения при среднем давлении.

Способы, раскрытые в патенте ЕП-212744 и США N 4354040, отличаются стадией разложения под высоким давлением с одновременной десорбцией двуокисью углерода для получения раствора карбамата аммония с очень низким содержанием свободного аммиака; таким образом, поток высвобождаемого пара имеет отношение аммиака к двуокиси углерода, соответствующего эффективному использованию тепла для конденсации при среднем давлении.

Напротив, в тех способах, в которых имеется стадия разложения на составные части под высоким давлением с одновременной самодесорбцией свободного аммиака, содержащегося в потоке, выходящем из реактора для синтеза, молярное отношение аммиака к двуокиси углерода в потоке пара, который должен конденсироваться на стадиях конденсации со средним и низким давлением, является неблагоприятным для эффективного использования тепла, образующегося во время конденсации, а также из-за присутствия воды или других газообразных растворителей, которые должны вводиться в цикле для полной конденсации пара.

Предлагались различные модификации способов для улучшения условий конденсации при низком давлении.

В патенте США N 4354040 предлагают подавать часть двуокиси углерода непосредственно на стадию разложения при низком давлении с возможностью достижения уровня температуры конденсации посредством регулирования отношения NH₃/CO₂.

Однако относительное тепло от конденсации, высвобождаемое из конденсатора низкого давления, неполностью можно использовать из-за недостатка термического КПД процесса.

В упомянутой Европейской заявке N 212744 предлагают подвергать раствор мочевины со стадии разложения при средней величине давления дополнительной десорбции потока пара, выходящего с предшествующей стадии адиабатического расширения, т.е. "мгновенное испарение", проводимое на растворе мочевины со стадии разложения под высоким давлением.

Такое действие десорбционной обработки позволяет подавать на стадию разложения под низким давлением раствор мочевины с низким содержанием свободного аммиака, причем количество воды или водных растворителей, необходимое для завершения конденсации под низким давлением, ограничено. Однако этот способ нельзя считать удовлетворительным из-за присутствия значительного количества аммиака в паровой фазе, применяемого во время десорбирования.

Настоящее изобретение устраняет недостатки упомянутых способов благодаря более эффективному использованию тепла, образующегося во время конденсации потоков пара с различных стадий разложения внутри самого процесса. Способ согласно настоящему изобретению включает в себя стадию разложения при среднем давлении для карбамата аммония, на которой тепло, необходимое для разложения, обеспечивается непосредственно конденсацией потока пара, образующегося на стадии разложения под высоким давлением, без необходимости дополнительных высокотемпературных источников, и на стадии, на которой раствор мочевины, образующийся на стадии разложения под давлением средней величины, подвергают адиабатической десорбции частью вводимой двуокиси углерода для достижения двойного полезного эффекта, а именно более выгодного отношения содержания аммиака к двуокиси углерода на стадии разложения под давлением средней величины и возможность подачи в секцию низкого давления раствора мочевины, практически не содержащего свободного аммиака, для образования в секции низкого давления потока пара, который может полностью конденсировать с небольшой добавкой воды, что также улучшает эффективность реакции.

Настоящее изобретение касается способа получения мочевины, заключающегося в следующих основных стадиях. Технологическую схему, приведенную на чертеже и относящуюся к примеру, представленному ниже, можно рассмотреть, чтобы лучше понять способ
А) Стадию синтеза проводят при температуре 175-195^оС, предпочтительно 180-195^оС, и соответствующем давлении 130-220 бар, лучше при 140-180 бар, с загрузкой, состоящей из аммиака, двуокиси углерода, содержащей инертные составляющие, пассивирующий воздух (известный, в общем, как не способный к конденсации) и не превращенный карбамат аммония от рецикла, причем в реакторе для синтеза поддерживают молярное отношение NH₃/CO₂ 3,0-5,0, предпочтительно 3,2-3,7.

Б) Продукт синтеза, состоящий из водного раствора мочевины, карбамата и свободного аммиака, передают на стадию разложения под высоким давлением, состоящую из теплообменника с падающей пленкой и работающую при таком же давлении, которое применяют для синтеза. Термическое разложение карбамата аммония происходит в этом теплообменнике с одновременной самодесорбцией свободного аммиака.

В) Газообразная фаза, полученная со стадии (Б) и состоящая из аммиака, двуокиси углерода и воды, передается для конденсации на стадии разложения под давлением средней величины.

Г) Раствор мочевины, оставляющий стадию разложения под высоким давлением, подают в сепаратор среднего давления, работающего под давлением 10-30 бар, предпочтительно 13-25 бар, где после отделения быстро испаряющегося пара раствор мочевины передается на стадию разложения под средним давлением, на которой термическое разложение карбамата, все еще содержащегося в этом растворе, достигается посредством прямой передачи тепла, высвобождаемого во время частичной конденсации потока пара с предыдущей стадии (В) под высоким давлением.

Д) Раствор карбамата аммония и пар, который не конденсирован во время конденсации на стадии (Г), передают на дополнительную стадию конденсации под высоким давлением, на которой завершается стадия утилизации тепла из пара под высоким давлением. На этой стадии тепло используется для образования пара под низким давлением, предпочтительно под давлением 4-7 бар, для его применения в другой секции установки. Не конденсируемые вещества отделяются, а раствор карбамата аммония рециркулирует на стадию синтеза посредством эжектора жидкость - жидкость с применением исходного аммиака в качестве ведущей текучей среды.

Е) Раствор мочевины, оставляющий стадию разложения под средним давлением, используется на стадии адиабатического расширения при таком же давлении, как и на стадии разложения под средним давлением, в которой, после отделения газа, образующегося в результате разложения карбамата аммония, раствор мочевины, остаточный карбамат и свободный аммиак, приводят в контакте в противотоке с газообразной двуокисью углерода. Для этой обработки применяют часть исходной двуокиси углерода, причем эта доля составляет 3-20%, предпочтительно 5-15%, от загружаемой двуокиси углерода.

В результате этой обработки получают водный раствор мочевины, содержащий небольшое количество свободного аммиака и имещий молярное отношение NH₃/CO₂, равное 2,2-4,0, предпочтительно 2,5-3,5.

Ж) Передача газообразной фазы, полученной со стадии разложения под средним давлением, и газообразной фазы, полученной со стадии адиабатической десорбции двуокисью углерода при среднем давлении, на стадию предварительной концентрации раствора мочевины под вакуумом для регенерации тепла от конденсации газообразных потоков.

З) Передача раствора мочевины и карбамата аммиака со стадии (Е) десорбции под средним давлением на стадию разложения под низким давлением примерно 4 бар, состоящую из теплообменника с падающей пленкой, на которой карбамат аммония, все еще присутствующий в растворе, дополнительно разлагают для получения в качестве остаточного продукта раствора мочевины, содержащего остаточное количество аммиака и двуокиси углерода.

И) Передача раствора мочевины, полученного на стадии (З), на стадию предварительного концентрирования под вакуумом, где в теплообменнике с падающей пленкой, работающем под давлением 0,3-0,95 бар, абс., предпочтительно 0,35-0,5 бар, абс., раствор предварительно концентрируют до концентрации 80-95 мас. %, предпочтительно 85-94 мас. %., посредством прямой передачи тепла, высвобождаемого при частичной конденсации потока пара со стадии (Ж).

К) Подача предварительно концентрированного раствора мочевины на конечную стадию концентрации, где его кристаллизуют посредством образования небольших кусков в колонне для получения кристаллизо- ванной мочевины или гранулирования для получения гранулированной мочевины.

Л) Конденсация потоков пара, образующихся на стадиях концентрации (И) и (К), обработка конденсата для получения практически чистого выходящего потока и рециркуляции аммиака и двуокиси углерода на стадию конденсации под низким давлением.

М) Конденсация под низким давлением потоков пара, полученных на стадиях (З) и (Л), на стадии конденсации, работающей практически при одном давлении, что и стадия разложения под низким давлением,при этом тепло от конденсации используют для предварительного нагрева аммиака, подаваемого в секцию синтеза под высоким давлением, а полученный конденсат рециркулируют на стадию У) на стороне конденсирующегося пара.

Н) Передача раствора карбамата аммония и пара, образующегося при частичной конденсации на стороне кожуха пленочного теплообменника на стадии У), на стадию конденсации (отделения), на которой образуются первая жидкая фаза, содержащая карбамат аммония, и вторая жидкая фаза, содержащая практически чистый аммиак.

О) Рециркуляция первой фазы, содержащей карбамат аммония, в зоны (Г) и (Д) конденсации пара под высоким давлением.

Р) Смешивание второй жидкой фазы, состоящей практически из чистого аммиака, с аммиаком, подаваемым в установку, предварительный нагрев всего аммиака на предшествующей стадии (М), конденсация под низким давлением и подача его в секцию (А) синтеза под высоким давлением через инжекционное устройство выталкивания жидкости жидкостью для рециркуляции карбамата аммония, в котором жидкий аммиак действует в качестве инжектирующей жидкости.

Стадии (В), (Г), (Е), (Ж), (I) и (N) составляют отличительную часть способа согласно изобретению.

В сравнении с известными способами в способе согласно изобретению используется преимущественно тепло от конденсации потоков пара, образующихся на различных стадиях разложения карбамата внутри самого процесса; таким образом, значительно сокращается количество тепла от внешнего источника. Особенно важны следующие преимущества:
- тепло, высвобождаемое на стадии конденсации под высоким давлением, используется на стадии разложения под средним давлением без необходимости дополнительного наружного тепла, имеющего высокую температуру,
- тепло, высвобождаемое на стадии конденсации под средним давлением, эффективно используется для концентрирования под вакуумом раствора мочевины в устройстве с падающей пленкой, позволяя получать концентрированный раствор вплоть до 90-95 мас. % на этой стадии,
- стадию конденсации при низком давлении осуществляют с минимальной добавкой воды для абсорбции с улучшенной конверсией карбамата аммония в мочевину, при этом достаточно высокую температуру применяют для предварительного нагрева исходного аммиака.

Отличительные признаки и преимущества изобретения станут более понятными из следующего примера, который иллюстрирует типичное его воплощение со ссылкой на технологическую схему, показанную на чертеже.

П р и м е р. Для получения 300 т в день мочевины, соответственно 12500 кг мочевины в час, применяли установку, блок-схема которой показана на чертеже. 9167 кг/ч двуокиси углерода, 21 кг/ч инертных веществ и 61 кг/т воздуха в качестве пассивирующего агента подавали по трубопроводу 1 к всасывающей стороне компрессора К1 и, следовательно, в установку.

910 кг/ч диоксида углерода с 8 кг/ч соответствующих инертных веществ взяли с промежуточной стадии компрессии под давлением 17 бар и при температуре 220^оС подали по трубопроводу 2 в колонну С1 для адиабатической десорбции. Остальные 8257 кг/ч двуокиси углерода и 74 кг/ч инертных веществ загрузили в реактор Р1 для синтеза через трубоповод 3 при температуре 120^оС и давлении 155 бар.

Смесь аммиака и карбамата аммония, содержащую 18970 кг/ч аммиака, 6184 кг/ч двуокиси углерода и 2954 кг/ч воды, также подали в реактор Р1 по трубопроводу 4.

После нахождения в течение 30 мин реакционная смесь, оставляющая реактор Р1 при температуре 190^оС и давлении 150 бар, состояла из 11717 кг/ч аммиака, 5054 кг/ч двуокиси углерода, 12800 кг/ч мочевины, 6794 кг/ч воды и 74 кг/ч неконденсируемых веществ. Ее подали по трубопроводу 5 на стадию НЕ1 разложения с теплообменником с падающей пленкой, работающую при таком же давлении, как и реактор Р1.

5875 кг/ч насыщенного пара под давлением 22 бар подали по трубопроводу 101 к стороне кожуха стадии разложения НЕ1 и конденсировали. Полученный конденсат подали к стороне кожуха конденсатора НЕ3 для карбамата по трубопроводу 102 для образования дополнительного пара, но под низким давлением.

Снизу стадии НЕ1 разложения получили раствор мочевины при температуре 202^оС, содержащий 7588 кг аммиака, 2582 кг/ч двуокиси углерода, 12560 кг/ч мочевины и 6286 кг/ч воды, и подали по трубопроводу 6 к отсечному золотнику Х1, где давление уменьшается от 150 до 17 бар. Затем полученную смесь подали по трубопроводу 7 в сепаратор V2, где выпустили выпар, при этом остаточный раствор мочевины подали по трубопроводу 15 на стадию НЕ2 разложения под средним давлением.

Поток пара из верхней части стадии НЕ 1 разложения под высоким давлением, состоящий из 4265 кг/ч аммиака, 2648 кг/ч двуокиси углерода, 436 кг/ч воды и 74 кг/ч не конденсируемых веществ, под давлением 150 бар и при температуре 190^оС и после смешивания с рециркулируемым раствором карбамата аммония подали по трубопроводу 8 на стадию НЕ 2 разложения под средним давлением для образования тепла, необходимого для разложения под средним давлением. Карбамат аммония рецикла, состоящий из 4427 кг/ч аммиака, 3536 кг/ч двуокиси углерода и 2518 кг/ч воды, подали по трубопроводу 9. Этот поток очень полезен для подачи воды, которая позволяет проводить конденсацию при максимальном использовании тепла, причем его можно разделять между сторонами теплообменника НЕ 2 вверх и вниз по течению.

Пар под высоким давлением частично конденсирует на стадии НЕ 2 разложения под средним давлением, а жидкость/пар при температуре 170^оС подают в конденсатор НЕ 3 для карбамата аммония, состоящий предпочтительно из испарителя типа котла, в котором имеющееся от конденсации тепло используют для приготовления 4925 кг/ч пара, который подают по трубопроводу 103 в коллектор для сбора пара под низким давлением.

Смесь конденсированного карбамата аммония и неконденсируемых веществ при температуре 155^оС, составляющая конденсат НЕ 3, подают по трубопроводу 11 в сепаратор V 1, где отделяется жидкая фаза, состоящая из 7767 кг/ч аммиака, 6184 кг/ч двуокиси углерода и 2954 кг/ч воды, и ее подают по трубопроводу 12 к всасывающей стороне устройства I 1 для выталкивания жидкости жидкостью, в котором применяют 11203 кг/ч аммиака в качестве движительной жидкости, подаваемой под давлением 200 бар и при температуре 100^оС по трубопроводу 13. Затем полученную смесь загружают в реактор для синтеза через трубопровод 4.

Паровую фазу, высвобожденную из верхней части сепаратора У1 и состоящую из 925 кг/ч аммиака и 74 кг/ч неконденсируемых веществ, подают через трубопровод 14 и запорный клапан Х2 в зону L1 конденсации и сепарации аммиака. Раствор мочевины, оставляющей сепаратор N 2, подают по трубопроводу 15 на стадию НЕ 2 разложения под средним давлением, где раствор разлагают для получения в качестве дистиллята паровой фазы, которая рециркулирует в сеператор V 2 через трубопровод 16, и раствора мочевины при температуре 155^оС, состоящего из 1344 кг/ч аммиака, 536 кг/ч двуокиси углерода, 12560 кг/ч мочевины и 5269 кг/ч воды, в качестве остаточного продукта, который подают по трубопроводу 17 в колонну С1 для адиабатической десорбции, где он находится в тесном контакте в противотоке с двуокисью углерода, удаленной с промежуточной стадии компрессора К1, и подают по трубопроводу 2.

Остаточным продуктом со стадии десорбции является раствор мочевины при температуре 147^оС, состоящий из 803 кг/ч аммика, 669 кг/ч двуокиси углерода, 12560 кг/ч мочевины и 5085 кг/ч воды при молярном отношении NH₃/CO₂ 3,1.

Затем этот раствор подают через трубопровод 18 и дроссельный клапан Х3 на стадию НЕ 4 разложения под низким давлением в теплообменнике с падающей пленкой, работающей под давлением 4 бар.

Потоки пара, полученные сверху из сепаратора V 2 и колонны С1 адиабатической десорбции и состоящие из 6785 кг/ч аммиака, 2823 кг/ч двуокиси углерода, 1201 кг/ч воды и 8 кг/ч неконденсируемых веществ, соединяют и после смешивания с рециркулируемым под низким давлением карбаматом аммония подают к стороне кожуха предварительного концентрата НЕ 5 по трубопроводу 19. Карбамат аммония из рецикла состоит из 837 кг/ч аммиака, 713 кг/ч двуокиси углерода и 917 кг/ч воды, имеет температуру 55^оС и его подают по трубопроводу 20.

Пар под низким давлением частично конденсируют в теплообменнике НЕ5, а полученная смесь жидкость/пар, состоящая из раствора карбамата аммония и паров аммиака при температуре 110^оС, рециркулирует в зону 1 конденсации/сепарации аммиака по трубопроводу 21.

Зона 1 конденсации/сепарации аммиака аналогична описанной в патенте Великобритании N 1542371, выданном настоящему заявителю.

В секцию 1 вводят через трубопровод 22 также 400 кг/ч воды. Эту воду используют для промывки инертных веществ и полного удаления аммиака, содержащегося в них.

Из зоны сепарации/конденсации получают следующее:
- раствор карбамата аммиака при температуре 85^оС, состоящий из 4427 кг/ч аммиака, 3536 кг/ч двуокиси углерода и 2518 кг/ч воды, который подают по трубопроводу 23 к всасывающей стороне насоса Р1 для карбамата аммония под высоким давлением. Затем раствор карбамата аммония рециркулирует в секцию конденсации под высоким давлением по трубопророводу 9 после его предварительного нагрева до 120^оС технологическим конденсатом из секции 2 теплообменника НЕ 6, которая осуществляет теплопередачу между жидкостями в трубопроводах 33 и 9. Для упрощения технологической схемы теплообменник НЕ 6 показан дважды на чертеже: один раз в трубопроводе 9 и один раз в трубопроводе 33, но в действительности это одно и то же устройство;
- поток, состоящий из 4120 кг/ч рециркулируемого жидкого аммиака, который соединяют с 7083 кг/ч свежего аммиака, подаваемого в установку по трубопроводу 24; в общем 1123 кг/ч аммиака подают по трубопроводу 25 к всасывающей стороне насоса Р2 для аммиака под высоким давлением; аммиак накачивают под давлением 200 бар и затем его предварительно нагревают в теплообменнике НЕ 7 до температуры 100^оС и подают по трубопроводу 13 в реакционную секцию, в которой прежде, чем его применять для синтеза, его используют в качестве движительной жидкости в эжекторе 1; аммиак предварительно нагревают с использованием тепла от конденсации потока пара в секции конденсации под низким давлением (как и в примере с теплообменником НЕ 6, имеется только один теплообменник НЕ 7, но он показан дважды в блок-схеме в каждом соответствующем трубопроводе для текучей среды с целью упрощения чертежа для этих трубопроводов;
- поток, состоящий из 82 кг/ч неконденсируемых веществ, которые выходят из установки через трубопровод 2 в клапан Х4 регулирования давления.

На пленочную стадию НЕ 4 разложения под низким давлением подают 1150 кг/ч пара под низким давлением по трубопроводу 104 для дополнительного разложения остаточного карбамата аммония и получения остаточного продукта раствора мочевины, состоящего из 245 кг/ч аммиака, 70 кг/ч двуокиси углерода, 12560 кг/ч мочевины и 4594 кг/ч воды при температуре 138^оС. Этот раствор подают по трубопроводу 27 и через дроссельный клапан Х5 в пленочный предварительный концентратор НЕ 5, работающий под давлением 0,35, 0,035 МПа, где посредством частичной конденсации потока пара под средним давлением, подаваемым по трубопроводу 19, раствор мочевины концентрируют до 90,1 мас. %.

Из предварительного концентратора НЕ 5 раствор мочевины проходит в окончательный концентратор НЕ 8 и сепаратор V 3, где поток жидкой мочевины, состоящий из 12500 кг/ч мочевины и 25 кг/ч воды, отделяется и его подают на стадию окончательной обработки для грагулирования или образования кусков.

Конечная стадия требует 1825 кг/ч пара под низким давлением, который подают через трубопровод 105.

Потоки пара, образующиеся на этих конечных стадиях, т.е. в НЕ 5 и НЕ 8 N 3, проходят по трубопроводам 30 и 31 в зону 2 обработки и конденсации, в которую подают 1950 кг/ч потока под низким давлением через трубопровод 106 для извлечения под вакуумом пара и десорбции аммиака и двуокиси углерода, содержащегося в конденсате из процесса. По трубопроводу 107 также подают 150 кг/ч пара под высоким давлением в секцию L 2 для полной гидролизации мочевины, улавливаемой паром в секцию НЕ 5 предварительной концентрации и в секцию НЕ 8/V 3 окончательной концентрации.

Зона L 2 конечной обработки аналогична описанной в патенте Великобритании N 1542371, выданном данному заявителю.

Из секции L 2 получают следующие потоки:
- газообразный поток, состоящий из 279 кг/ч аммиака, 114 кг/ч двуокиси углерода и 426 кг/ч воды, который рециркулирует по трубопроводу 32 в секцию конденсации под низким давлением,
- жидкий поток, состоящий из 6325 кг/ч очищенной воды при температуре 139^оС, которая выходит из установки через трубопровод 33, после регенерации физической теплоты в теплообменнике НЕ 6 для предварительного нагрева карбамата аммония, рециркулирующего в секцию конденсации под высоким давлением.

Поток пара, рециркулирующий из зоны L 2 по трубопроводу 32, смешивается с паром, оставляющим верхнюю часть НЕ 4 через трубопровод 34, и затем проходит в конденсаторы НЕ 7 и НЕ 9 для конденсации карбамината аммония под низким давлением.

В конденсаторе НЕ 7 тепло от конденсации используется для предварительного нагрева аммиака под высоким давлением, подаваемого по трубопроводу 13 в секцию высокого давления. В конденсаторе НЕ 9 пар полностью конденсирует при температуре 55^оС, а тепло от конденсации удаляют посредством охлаждения водой.

Раствор карбамата аммония, оставляющий конденсатор НЕ 9, состоит из 837 кг/ч аммиака, 713 кг/ч двуокиси углерода и 917 кг/ч воды, и его подают по трубопроводу 35 к всасывающей стороне насоса Р3, который направляют раствор карбамата аммония по трубопроводу 20.

Требования к пару под низким давлением в конечных секциях процесса удовлетворяются паром под низким давлением, получаемым из конденсатора НЕ 3.

Описанный способ, при малом потреблении энергии, включает в себя обработку выходящих потоков, причем удельный расход используемых материалов на тонну производимой мочевины составляет:
- пар под средним давлением 470 кг/т
- пар под высоким давлением 20 кг/т
- электрическая энергия 20 кВт/т
(не включая
сжатие СО₂)
- вода для охлаждения 60 м³/т
(темпера-
тура 10^оС).

Использование: химическая технология, производные мочевины, карбамид, компоненты удобрений. Сущность изобретения: получают карбамид из диоксида углерода с избытком аммиака при 175 - 200°С и 13 - 22 МПа с последующей подачей продуктов реакции на несколько ступеней разложения примеси карбамата аммония при последовательном снижении давлении на каждой из ступеней. На первой ступени поддерживают давление, равное давлению в зоне синтеза, и разложение ведут при нагревании с одновременной самодесорбции избытка аммиака, содержащегося в продуктах реакции. При этом в первой зоне конденсации поддерживают температуру 175 - 190°С, а во второй зоне конденсации - 155 - 170°С. На второй ступени разложения при среднем давлении в качестве газового потока используют часть свежего диоксида углерода, поступающего затем в реактор синтеза. Раствор карбамата аммония, образующийся при конденсации газов при высоком давлении, возвращают в реактор синтеза с помощью эжектора. Инжектирующий средой служит свежий аммиак, подаваемый на синтез. Частичную конденсацию газообразных продуктов со стадии разложения при среднем давлении ведут в трубчатом теплообменнике с падающей пленкой. При этом теплоту конденсации используют для нагрева раствора мочевины для ее предварительного концентрирования. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОЧЕВИНЫ взаимодействием диоксида углерода и аммиака при молярном соотношении аммиак: диоксид углерода 3 - 5 : 1, температуре 175 - 200^oС, давлении 13 - 22 МПа с получением продуктов реакции, содержащих мочевину, карбамат аммония, аммиак и воду, поступающих на стадию разложения карбамата, осуществляемую в несколько ступеней с последовательным понижением давления по ступеням и с подачей на одну из ступеней свежего компримированного диоксида углерода, причем на первой ступени разложение карбамата ведут под высоким давлением, равным давлению в зоне синтеза с подводом тепла, с последующей конденсацией отделяющегося при разложении газового потока в первой и второй зонах конденсации при высоком давлении, равном давлению в зоне синтеза, и с возвратом в зону синтеза полученного при этом в виде конденсата раствора карбамата аммония с частью несконденсировавшейся газовой смеси, а также с передачей теплоты конденсации газа в первой зоне непосредственно раствору мочевины, поступающему после первой ступени разложения, давление которого снижают от высокого до среднего, равного 1 - 3 МПа, и с использованием теплоты конденсации газа во второй зоне конденсации для нагрева воды с получением пара низкого давления, а также с проведением разложения карбамата на второй ступени разложения при среднем давлении в два этапа - на первом этапе при нагревании за счет теплоты конденсации газа с первой ступени конденсации, а на втором этапе - в колонне, работающей в адиабатическом режиме с подачей газа противотоком к раствору мочевины, при этом газовые потоки с первого и второго этапов разложения карбамата при среднем давлении объединяют, конденсируют и теплоту конденсации передают непосредственно раствору мочевины на стадии ее предварительного концентрирования в вакууме в вертикальном трубчатом теплообменнике, в который мочевина и конденсирующийся газ подаются противотоком, при последующем разложении остающегося в растворе мочевины карбамата на последней ступени разложения при низком давлении, а также с концентрированием полученного раствора мочевины, поступающего после выпаривания воды в вакууме, сначала путем предварительного концентрирования в аппарате, зона нагрева которого выполнена в виде вертикального трубчатого теплообменника, в который подают конденсирующийся газ, а затем посредством окончательного выпаривания воды в вакууме с получением концентрированного продукта, отличающийся тем, что, с целью снижения энергетических затрат, разложение карбамата аммония на первой ступени разложения осуществляют при нагревании с одновременной самодесорбцией избытка аммиака, содержащегося в продуктах реакции, поступающих из реактора, при этом в первой и второй зонах конденсации поддерживают различную температуру, а именно в первой - более высокую, 175 - 190^oС, а во второй - более низкую, 155 - 170^oС, кроме того на второй ступени разложения при среднем давлении в качестве газового потока в противоточную колонну подают часть свежего диоксида углерода, поступающего на синтез, а раствор карбамата аммония, образующийся при конденсации газов при высоком давлении, возвращают в реактор синтеза мочевины с помощью эжектора, инжектирующей средой в котором служит свежий аммиак, подаваемый на синтез. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что передачу теплоты конденсации газового потока раствору мочевины на стадии ее предварительного концентрирования осуществляют при пропускании мочевины через теплообменник в режиме падающей пленки. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что частичную конденсацию газообразных продуктов, полученных на стадии разложения при среднем давлении, проводят в трубчатом теплообменнике с падающей пленкой. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что продукты конденсации газов со стадии разложения карбамата при низком давлении, содержащие карбамат и воду, рециркулирующие через реактор синтеза, добавляют в газообразный поток, полученный при разложении карбамата при высоком давлении до его конденсации в первой и второй зонах конденсации при высоком давлении. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что диоксид углерода подают в колонну для разложения карбамата при среднем давлении с промежуточной стадии компрессии свежего диоксида углерода в количестве 11% от общей массы диоксида углерода, поступающего на синтез.