СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБАМИДА Российский патент 1997 года по МПК C07C273/04 

Изобретение относится к способам получения карбамида из аммиака и диоксида углерода.

Известны способы получения карбамида взаимодействием аммиака и диоксида углерода при повышенных температурах и давлениях с образованием плава синтеза карбамида, содержащего карбамид, воду, карбамат аммония, аммиак и диоксид углерода, разложением карбамата при подводе тепла на нескольких ступенях давления с образованием концентрированного карбамида и газовых потоков, абсорбцией газовых потоков водными абсорбентами с образованием водного раствора углеаммонийных солей (УАС), рециркулируемого на стадию образования плава синтеза карбамида [1]
Наиболее близким к предложенному по технической сущности является известный способ получения карбамида взаимодействием аммиака и диоксида углерода в двух зонах синтеза, в первую из которых подают потоки свежих аммиака и диоксида углерода при мольном соотношении от 4 до 10, а во вторую - потоки свежих и рециркулируемых реагентов при мольном соотношении NH₃ CO₂ от 2,5 до 4 с образованием потоков плава синтеза карбамида, содержащего карбамид, воду, карбамат аммония, аммиак и диоксид углерода, разложением карбамата в потоках плава синтеза карбамида при подводе тепла на нескольких ступенях при понижении давления с образованием концентрированного карбамида и газовых потоков, абсорбцией газовых потоков водными абсорбентами с образованием водного раствора УАС во вторую зону синтеза [2] В этом способе использование различных избытков аммиака в двух зонах синтеза позволяет несколько повысить средневзвешенную степень конверсии исходных реагентов в карбамид и за счет этого сократить энергетические затраты на разложение карбамата аммония и испарение NH₃, CO₂ и воды. Однако эти затраты остаются достаточно высокими. Так, для условий примера из описания известного способа [2] при соотношениях NH₃ CO₂ H₂O, равных 5,6 1 0 в первой зоне синтеза и 4 1 1,23 во второй зоне синтеза, температуре и давлении в обеих зонах синтеза соответственно 185^oС и 24,5 МПа, степени конверсии СО₂ в карбамид в первой и второй зонах синтеза соответственно 75 и 50% средневзвешенная степень конверсии СО₂ составляет 63,5% а затраты теплоты на разложение карбамата аммония и испарение NH₃, CO₂ и воды 0,99 Гкал/т карбамида.

Для снижения энергетических затрат в процессе получения карбамида с использованием двух зон синтеза предложен способ получения карбамида взаимодействием аммиака и диоксида углерода при повышенных температурах и давлениях в двух зонах синтеза, в первую из которых подают потоки свежих аммиака и диоксида углерода, поддерживая мольное соотношение между аммиаком и двуокисью углерода в первой зоне от 4 до 5,5 и во второй зоне от 2,8 до 3,5, с образованием потоков плава синтеза карбамида, содержащего карбамид, воду, карбамат аммония, аммиак и диоксид углерода, разложением карбамата в потоках плава синтеза карбамида при подводе тепла на нескольких ступенях при понижении давления с образованием концентрированного карбамида и газовых потоков, абсорбцией газовых потоков водными абсорбентами с образованием водного раствора УАС и его рециркуляцией в зону синтеза, отличающийся тем, что процесс в первой зоне синтеза проводят при давлении 18-23 МПа, а во второй зоне синтеза при давлении 14-15,5 МПа, разложение карбамата в плаве синтеза карбамида из первой и второй зон синтеза на первой ступени разложения осуществляют соответственно в первой и второй зонах разложения при давлении, равном давлению во второй зоне синтеза, процесс во второй зоне разложения осуществляют в токе диоксида углерода, газы из второй зоны разложения направляют на контактирование с плавом синтеза карбамида в первой зоне разложения.

Техническим результатом предложенного способа является использование термического и диффузионного потенциала потока газов из второй зоны разложения для увеличения степени разложения карбамата аммония в первой зоне разложения. Возможность использования этого потенциала с указанной целью обусловлена различием параметров (давления и мольного отношения NH₃ CO₂) в первой и второй зонах синтеза карбамида. Использование же этого потенциала приводит к повышению эффективности процесса в целом и снижению затрат теплоты на разложение карбамата и испарение NH₃ и CO₂.

Из уровня техники известны способы получения карбамида взаимодействием аммиака и диоксида углерода при повышенных температурах и давлениях в зоне синтеза, в которой поддерживают мольное соотношение между аммиаком и диоксидом углерода в пределах от 2,5:1 до 3:1 с образованием потока плава синтеза карбамида, содержащего карбамид, воду, карбамат аммония, аммиак и диоксид углерода, разложением карбамата в потоке плава синтеза карбамида при подводе тепла на нескольких ступенях разложения при понижении давления с образованием концентрированного карбамида и газовых потоков, абсорбцией газовых потоков водными абсорбентами с образованием водного раствора УАС и его рециркуляцией в зону синтеза, причем в этих способах разложение карбамата на первой ступени разложения осуществляют в зоне разложения при давлении, равном давлению в зоне синтеза, в токе диоксида углерода [3,4] В этих способах, однако, газы из указанной зоны разложения подвергают абсорбции водными абсорбентами без дополнительного использования из термического и диффузионного потенциала.

Примеры 1-3 иллюстрируют осуществление процесса согласно изобретению. Пример 4 является сравнительным и иллюстрирует осуществление процесса в условиях, аналогичных примеру 3, но без введения газов из второй зоны разложения в первую зону разложения.

Пример 1. Процесс получения карбамида осуществляют в двух взаимосвязанных зонах синтеза согласно фиг.1. В реактор 1, работающий при давлении 20,0 МПа и температуре 195^oС, подают (все потоки в кг/ч) жидкий аммиак, поток 2 (37768 диоксида углерода с инертами), поток 3 (20132 диоксида углерода, 400 инертов) и рецикловый раствор УАС, поток 4 (5312 NH₃, 4648 CO₂, 3320 H₂O). В реакторе протекает реакция образования карбамида с выделением воды. Газовую фазу, содержащую непрореагировавший аммиак и инерты, потоком 5 (5500 NH₃, 400 инерты) отводят в скруббер 6, работающий при давлении 14,5 МПа, для поглощения аммиака раствором УАС из узла дистилляции раствора карбамида поток 7 (13629 NH₃, 11925 CO₂, 8518 H₂O). Полученный в скруббере 6 раствор потоком 8 (18988 NH₃, 11925 CO₂, 8518 H₂O) поступает в конденсатор-абсорбер 9, а газовую фазу потоком 10 (141 NH₃, инерты 400) подают в подогреватель 11 для увеличения степени разложения карбамата и пассивации его поверхности кислородом, присутствующим в газе. Раствор из реактора 1, содержащий карбамид, карбамат аммония, аммиак и воду, дросселируют до давления 14,5 МПа и потоком 12 (23300 NH₃, 6300 CO₂, 25200 карбамид, 10880 H₂O) направляют в подогреватель 11, где благодаря адиабатическому расширению и перегреву с помощью пара давлением 2,0 МПа происходит процесс разложения карбамата аммония и отгон аммиака. Образовавшуюся в результате этого газожидкостную смесь потоком 13 (23441 NH₃, 6300 CО₂, 25200 карбамида, 10880 H₂O, 400 инерты) подают в колонну дистилляции 14. В колонне 14 происходит разделение жидкой и газовой фаз и дополнительная десорбция аммиака из жидкой фазы за счет использования теплового и диффузионного потенциала газов из стриппера 15. В результате процессов десорбции и отгонки раствор, обогащенный карбамидом, потоком 16 направляют на дальнейшую переработку с помощью известных процессов дистилляции, упаривания и гранулирования (на фиг.1 не показан). Выделенные в процессе переработки аммиак и диоксид углерода возвращают на стадию синтеза в виде раствора УАС потоком 17 (18941 NH₃, 16373 CO₂, 11838 H₂O), который распределяют потоками 4 и 7 между реактором 1 и скруббером 6 таким образом, чтобы обеспечить максимальную степень конверсии диоксида углерода.

Газовая фаза из колонны 14 потоком 18 (51366 NH₃, 55099 CO₂, 2450 H₂O, 1551 инерты) поступает в конденсатор-абсорбер 9, где смешивается с потоком 8 раствора из скруббера 6. Сюда же добавляют небольшое количество аммиака потоком 19 (4186 NH₃). В конденсаторе-абсорбере 9 происходит конденсация газов с образованием карбамата аммония и одновременной абсорбцией аммиака. Выделяющуюся при этом теплоту используют для получения пара давлением 0,45 МПа, который применяют в качестве теплоносителя в процессах дистилляции и упаривания раствора карбамида. Полученная в конденсаторе-абсорбере 9 газо-жидкостная смесь потоком 20 (74540 NH₃, 67024 CO₂, 10968 H₂O, 1551 инерты) поступает в реактор 21, где при давлении 14,5 МПа и температуре 185^oС протекает процесс образования карбамида. Газовую фазу из реактора 21 потоком 22 (6387 NH₃, 5159 CO₂, 362 H₂O, 1551 инерты) выводят в узел конденсации упомянутой системы переработки раствора карбамида, откуда ее в виде раствора УАС рециркулируют в узел синтеза. Раствор карбамида из реактора 21 потоком 23 (41633 NH₃, 27545 CO₂, 46800 карбамида, 24646 H₂O) поступает в стриппер 15, где происходят отгонка аммиака и разложение карбамата аммония. Необходимое для процесса тепло подводится в стриппер с помощью пара давлением 2,0 МПа. Для интенсификации процесса выделения аммиака и диоксида углерода в нижнюю часть стриппера подают диоксид углерода потоком 24 (32668 СO₂, 1010 инерты). Газовую фазу из стриппера потоком 25 (35242 NH₃, 51949 CO₂, 2300 H₂O, 1010 инерты) подают в колонну дистилляции 14 для десорбирования аммиака из раствора карбамида. Жидкую фазу потоком 26 (6386 NH₃, 8264 CO₂, 22346 H₂O, 46800 карбамид), направляют на дальнейшую переработку совместно с потоком 16 путем дистилляции, упаривания, гранулирования. Выделенные на этих стадиях неконвертированные аммиак и диоксид углерода возвращают в узел синтеза в виде водного раствора УАС (поток 17).

Процесс в описанных условиях характеризуется следующими показателями:
Молярное соотношение NH₃ CO₂ H₂O:
на входе в реактор 1 4,5:1:0,33
на входе в реактор 21 2,9:1:0,40
Степень конверсии диоксида углерода: в реакторе 1 75% в реакторе 21 - 59% Суммарная по обоим реакторам 64,6%
Удельные количества отгоняемых веществ на стадиях дистилляции и упаривания (в т на 1 т карбамида): карбамат аммония 0,715; аммиак 0,509; вода 0,408.

Удельные затраты пара на обработку плава синтеза (Гкал/т карбамида) 0,452.

Пример 2. Процесс получения карбамида проводят аналогично описанному в примере 1 в соответствии со схемой, изображенной на фиг.1. Различия состоят в параметрах (температурах и давлениях), при которых проводят процесс, и величинах материальных потоков.

В реакторе 1 процесс проводят при давлении 23,0 МПа и температуре 200^oС, в реакторе 21 соответственно 15,5 МПа и 189^oС. Соответствующее давление (15,5 МПа) поддерживают в скруббере 6, подогревателе 11, колонне 14 и стриппере 15.

Материальные потоки по примеру 2 приведены в табл.1.

Процесс в описанных условиях характеризуется следующими показателями:
Молярное соотношение NH₃ CO₂ H₂O:
на входе в реактор 1 5,5:1:0,5
на входе в реактор 21 3,5:1:0,3
Степень конверсии диоксида углерода: в реакторе 1 78,0% в реакторе 21 63,9% Суммарная по обоим реакторам 68,8%
Удельные количества отгоняемых веществ на стадиях дистилляции и упаривания (в т на 1 т карбамида): карбамат аммония 0,669; аммиак 0,759; вода 0,466.

Удельные затраты пара на обработку плава синтеза, Гкал/т карбамида - 0,523.

Пример 3. Пример иллюстрирует другой вариант реализации предложенного способа. Согласно фиг.2 в реактор 1, работающий при давлении 18 МПа и температуре 189^oС, подают жидкий аммиак (поток 2), газообразный диоксид углерода (поток 3) и часть раствора УАС (поток 4), рециркулируемого из узла дистилляции раствора карбамида. Газовую фазу из реактора 1 дросселируют до давления 14,0 МПа и потоком 5 подают в скруббер, сюда же подают другую часть рециркулируемого раствора УАС (поток 7). Газ из скруббера (поток 8) и жидкость (поток 9) поступают в конденсатор-абсорбер 10. Раствор карбамида из реактора 1 (поток 11) поступает в колонну дистилляции 12, где при давлении 14 МПа происходит отгон части избыточного аммиака из раствора за счет снижения давления и стриппинга газом (поток 13), выходящим из стриппера 14. Газовую фазу из колонны 12 потоком 15 направляют на конденсацию в конденсатор-абсорбер 10, раствор карбамида (поток 16) поступает на дальнейшую обработку в стриппер 14.

В конденсаторе-абсорбере 10 при смешении потоков 8,9,15 происходят процессы растворения аммиака и образования карбамата аммония с выделением большого количества теплоты, используемой для получения пара с давлением 0,45 МПа. Для поддержания необходимого мольного соотношения NH₃ CO₂ в конденсатор-абсорбер 10 подают жидкий аммиак (поток 17). Полученная газо-жидкостная смесь из конденсатора-абсорбера 10 потоком 18 поступает в реактор 19, где при давлении 14 МПа и температуре 185^oС происходит процесс образования карбамида. Газ из реактора 19 потоком 20 направляют в узел конденсации стадии дистилляции раствора карбамида (не показана). Раствор из реактора 19 потоком 21 поступает в стриппер 14 для отгонки аммиака и разложения карбамата аммония. В нижнюю часть стриппера вводят газообразный диоксид углерода для улучшения отгона аммиака (поток 22). Необходимое для процессов разложения и отгонки тепло подводят в стриппер с помощью пара давлением 2,0 МПа. Раствор карбамида из стриппера 14 потоком 23 направляют на дальнейшую обработку на стадиях дистилляции и упаривания. Выделенные на этих стадиях аммиак и диоксид углерода возвращают в узел синтеза в виде раствора УАС (поток 24).

Материальные потоки по примеру 3 приведены в табл.2.

Процесс характеризуется следующими показателями.

Молярное соотношение NH₃ CO₂ H₂O:
на входе в реактор 1 4,0:1:0,31
на входе в реактор 19 2,8:1:0,40
Степень конверсии диоксида углерода: в реакторе 1 73% в реакторе 19 - 59% Суммарная по обоим реакторам 62,0%
Удельные количества отгоняемых веществ на стадиях дистилляции и упаривания (в т на 1 т карбамида): карбамат аммония 0,918; аммиак 0,468; вода 0,505.

Удельные затраты пара на обработку плава синтеза, Гкал/т карбамида - 0,513.

Пример 4 (сравнительный). Процесс осуществляют без воздействия газов из стриппера с продуктами реакции из первой зоны синтеза. Параметры в обеих зонах синтеза аналогичны параметрам по примеру 3. Согласно фиг.3, в реактор 1, работающий при давлении 18 МПа и температуре 189^oС, подают жидкий аммиак (поток 2), газообразный диоксид углерода (поток 3) и часть раствора УАС (поток 4). Газовая фаза (поток 5) поступает в скруббер 6, работающий при давлении 14 МПа, где часть аммиака абсорбируют раствором УАС из узла дистилляции (поток 7). Газ (поток 8) и раствор (поток 9) из скруббера направляют в конденсатор-абсорбер 10. Раствор карбамида из реактора 1 (поток 11) поступает в колонну 12, где за счет снижения давления до 14,0 МПа происходит отгон части аммиака. Газовую фазу из колонны 12 смешивают с потоком 8 и направляют в конденсатор-абсорбер 10 (поток 13).

Жидкость из колонны 12 потоком 14 направляют на дальнейшую обработку на стадиях дистилляции и упаривания раствора карбамида (не показаны).

В конденсаторе-абсорбере 10 происходит смешение потоков 8,9,13 и газовой фазы (поток 15) из стриппера 16. Кроме того, сюда вводят дополнительное количество аммиака (поток 17). Газы в конденсаторе-абсорбере 10 частично конденсируются с образованием карбамата аммония и растворением аммиака. Теплоту процессов абсорбции и конденсации используют для получения пара с давлением 0,45 МПа. Смесь из конденсатора 10 потоком 18 поступает в реактор 19, работающий при давлении 14 МПа и температуре 185^oC.

Газ из реактора 19 дросселируют на стадию дистилляции (поток 20), а жидкую фазу потоком 21 направляют в стриппер 16. В нижнюю часть стриппера 16 подают газообразный диоксид углерода (поток 22). Полученная в результате разложения карбамата и отгона аммиака газовая фаза из стриппера 16 поступает на конденсацию в конденсатор-абсорбер 10. Жидкость (поток 23) направляют на дальнейшую обработку на стадиях дистилляции, упаривания и гранулирования. Выделенные из потоков 14 и 23 аммиак и диоксид углерода возвращают в узел синтеза потоком 24.

Матеpиальные потоки по примеру 4 приведены в табл.3.

Процесс характеризуется следующими показателями:
Молярное соотношение NH₃ CO₂ H₂O
в реакторе 1 4,0:1:0,70
в реакторе 19 2,8:1:0,40
Степень превращения диоксида углерода: в реакторе 1 71% в реакторе 19 59% Суммарная по обоим реакторам 61,6%
Удельные количества отгоняемых веществ на стадиях дистилляции и упаривания (в т на 1 т карбамида): карбамат аммония 0,932; аммиак 0,473; вода 0,543.

Удельные затраты пара на обработку плава, Гкал/т карбамида 0,560.

Примечание. Степень конверсии диоксида углерода в карбамид в каждой зоне синтеза представляет собой отношение числа молей карбамида, выходящего из этой зоны, к числу молей диоксида углерода, введенного в эту зону. Под средневзвешенной (в текстах примеров суммарной) степенью конверсии понимается отношение суммы чисел молей карбамида, выходящего из обеих зон синтеза, к сумме чисел молей диоксида углерода, введенного в обе зоны синтеза.

Использование: технология получения карбамида из диоксида углерода и аммиака. Сущность изобретения: карбамид получают взаимодействием аммиака с диоксидом углерода в двух последовательных зонах синтеза, причем поддерживают мольное отношение NH₃-CO₂ в первой зоне синтеза (4-5,5):1 и во второй зоне (2,8-3,5): 1, а давление в первой зоне 18-23 МПа и во второй зоне 14-15,5 МПа. В первую реакционную зону подают свежие NH₃, CO₂ и рециркулирующий в системе водный раствор углеаммонийных солей. Продукты реакции первой зоны разделяют на раствор карбамида и газо-жидкостную смесь реагентов, которую после подпитки свежим аммиаком направляют во вторую зону синтеза. Потоки плава из каждой зоны синтеза направляют соответственно в первую и вторую зоны разложения карбамата аммония, в которых поддерживают давление, равное давлению во второй зоне синтеза. Во вторую зону разложения подают поток свежего диоксида углерода, и отходящие газы из второй зоны разложения смешивают с плавом в первой зоне разложения. 3 табл. 3 ил.

Способ получения карбамида взаимодействием аммиака и диоксида углерода при повышенных температурах и давлениях в двух зонах синтеза, в первую из которых подают поток свежих аммиака и диоксида углерода, поддерживая молярое отношение между аммиаком и диоксидом углерода в первой зоне 4,0 5,5 и во второй зоне 2,8 3,5 с образованием потоков плава синтеза карбамида, содержащего карбамид, воду, карбамат аммония, аммиак и диоксид углерода, разложением карбамата в потоках плава синтеза карбамида при подводе тепла на нескольких ступенях при понижении давления с образованием концентрированного карбамида и газовых потоков, абсорбцией газовых потоков водными абсорбентами с образованием водного раствора углеаммонийных солей и его рециркуляцией в зону синтеза, отличающийся тем, что процесс в первой зоне синтеза проводят при 18 23 МПа, а во второй зоне синтеза при 14 15,5 МПа, разложение карбамата в плаве синтеза карбамида из первой и второй зон синтеза на первой ступени разложения осуществляют соответственно в первой и второй зонах разложения при давлении, равном давлению во второй зоне синтеза, процесс во второй зоне разложения осуществляют в токе диоксида углерода, газы из второй зоны разложения направляют на контактирование с плавом синтеза карбамида в первой зоне разложения.