СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОЧЕВИНЫ И УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МОЧЕВИНЫ Российский патент 1999 года по МПК C07C273/04 B01J12/02 

Изобретение относится к способу получения мочевины и установкам для производства мочевины.

Известен способ получения мочевины, в котором во вспомогательный реактор с более низким выходом продукта подают не только раствор, выходящий из секции регенерации мочевины, но также аммиак и двуокись углерода, полученные в результате термического разложения смеси, выходящей из реактора с высоким продуктом выхода /EP-A-0544056/.

Известен также способ получения мочевины, включающий реакцию по существу чистого аммиака и двуокиси углерода в первой реакционной зоне для получения первой реакционной смеси, содержащей мочевину и карбонат, термическое разложение первой реакционной смеси карбоната с получением потока аммиака и двуокиси углерода и независимого потока мочевины, неразложившегося карбоната и свободного аммиака в водном растворе, подачу потока мочевины и неразложившегося карбоната в секции регенерации мочевины для получения независимых потоков мочевины, аммиака и карбамата, рециркуляцию потока карбамата, полученного во второй реакционной зоне, реакцию аммиака и двуокись углерода, образованных в результате термического разложения и рецуркулируемого карбамата во второй реакционной зоне для получения второй реакционной смеси /EP 0479103/.

Даже если предложенные способы обеспечивают получение продукта с высоким выходом, однако, на их осуществление может оказывать отрицательное влияние определенная негибкость.

Техническая задача, которую решает настоящее изобретение, заключается в разработке способа получения мочевины, который позволит устранить недостатки известных технических решений.

Эта задача решается способом в соответствии с изобретением, который характеризуетcя тем, что молярное отношение аммиака к двуокиси углерода и температуру реакции во второй реакционной зоне независимо контролируют посредством соответствующего регулирования температуры термического разложения и температуры рециркулируемого потока карбоната.

Другим объектом изобретения является установка для производства мочевины, включающая первый и второй реакторы для синтеза мочевины, устройство для термического разложения карбамата, соединенное с первым реактором, вторым реактором и с секцией для регенерации мочевины, аммиака и карбамата, по меньшей мере один трубопровод для рециркуляции карбамата, полученного в секции регенерации, во второй реактор, которая дополнительно содержит средство для регулирования температуры рециркулируемого карбамата, расположенное по крайней мере на одном трубопроводе для рециркуляции карбамата во второй реактор.

Для обеспечения правильной подачи в дополнительный реактор паров, образующихся в результате термического разложения реакционной смеси, выходящей из высокопроизводительного реактора, установка должна быть в действительности оснащена специальными конструкциями, позволяющими размещать вспомогательный реактор на более высоком уровне относительно оборудования, в котором осуществляют термическое разложение.

Преимущественно реакцию в первой реакционной зоне меду практически чистым аммиаком и двуокисью углерода осуществляют при частичном удалении тепла и под давлением между 210 и 280 бар, при этом температура не превышает 210^oC, а молярное отношение аммиак/двуокись углерода составляет не выше 4.

Предпочтительно упомянутую реакцию проводят в две последовательные стадии подачи чистого аммиака и двуокиси углерода в конденсатор - предварительный реактор для получения раствора, содержащего мочевину и карбамат, который передается в высокопроизводительный реактор так называемого "однопроходного" типа.

В соответствии с одним аспектом изобретения тепло удаляют во время предварительной реакции между аммиаком и двуокисью углерода, в результате чего образуется пар при среднем давлении 9-10 бар, который можно использовать для осуществления других стадий способа.

Также можно работать при молярном отношении аммиак/двуокись углерода ниже, чем 4, и предпочтительно равном примерно 3,6, таким образом можно уменьшить объем высокопроизводительного реактора и расход энергии, необходимой для предварительного нагрева реагентов до температуры реакции.

Следует отметить, что для этой цели, и в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, регулирование тепла в реакции между аммиаком и двуокисью углерода в первой реакционной зоне осуществляют преимущественно путем простого регулирования температуры подачи аммиака при значениях от 40^oC до 150^oC.

В соответствии с изобретением термическое разложение карбамата, присутствующего в реакционной смеси, выходящей из первой зоны реакции, проводят под давлением 140-160 бар и температуре 180-210^oC.

Согласно еще одному преимущественному признаку изобретения упомянутую стадию разложения потока, который подвергают термической обработке, можно осуществлять более легко, причем при низких температурах в отличие от известных способов благодаря уменьшенному количеству воды - ограниченное количество воды только в реакции.

Предпочтительно рабочее давление на этой стадии выбирать среди указанного интервала, чтобы преодолеть рабочее давление во второй зоне реакции и упростить доступ в последнюю зону газообразной фазы, образующейся в результате разложения карбамата (по существу смесь аммиака и двуокиси углерода).

В соответствии с другим признаком настоящего изобретения температуру термического разложения карбамата выбирают в упомянутом интервале при значении, которое позволяет регулировать молярное отношение аммиак/двуокись углерода при оптимальном значении для осуществления следующей стадии способа во второй зоне реакции.

Аммиак и двуокись углерода, полученные в результате упомянутой обработки карбамата посредством термического разложения, подают во вторую реакционную зону, где они вступают в реакцию с рециркулируемым карбаматом в форме раствора, оставляющего стадии регенерации и очистки полученной мочевины.

В соответствии с изобретением эти стадии обеспечивают отделение за счет испарения не вступивших в реакцию аммиака, двуокиси углерода и воды, образованных во время реакции полученной мочевины, а также последующее отделение за счет перегонки аммиака от раствора карбамата, полученного из двуокиси углерода и воды.

Предпочтительно эту стадию перегонки осуществлять под давлением от 16 до 20 бар и температуре 70-120^oC.

Согласно изобретению полученный аммиак рециркулирует также в первую реакционную зону после смешения с чистым аммиаком, подаваемым снаружи, и нагрева до заданной температуры.

Предпочтительно упомянутую реакцию во второй реакционной зоне осуществлять под давлением 140-150 бар при температуре 180-200^oC и молярном отношении аммиак/двуокись углерода 4,0-4,8.

Преимущественно температуру реакции поддерживают в указанном интервале просто путем регулирования температуры раствора карбамата, рециркулируемого из секции регенерации мочевины. Предпочтительно температуру устанавливают на значение от 70 до 150^oC.

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидны из описания конкретного исполнения способа в соответствии с изобретением, которое представлено для иллюстрации и не ограничивает изобретение.

На чертеже показана установка для производства мочевины.

Установка 1 содержит секцию 2 синтеза, секцию 3 регенерации мочевины, работающую при среднем давлении, и секцию 4, работающую под вакуумом для регенерации аммиака.

Секция 2 содержит расположенные последовательно первый реактор R-1 для синтеза мочевины, устройство E-2 для термического разложения карбамата и второй реактор R-2 для синтеза мочевины.

В соответствии с изобретением двуокись углерода и свежий аммиак предварительно смешивают вместе и подают по трубе посредством компрессора KA-1 и насоса PA-2A/2 соответственно в конденсатор/ предварительный реактор E-1, соединенный с ректором R-1 трубопроводом 5.

Преимущественно часть тепла от реакции, образующегося в конденсаторе/предварительном реакторе E-1, удаляют посредством соответствующей охлаждающей среды, которая течет на стороне кожуха.

Предпочтительно этой средой является вода, которая превращается в пар под средним давлением под действием тепла, образующегося в конденсаторе/предварительном реакторе E-1, при более высоком уровне температуры (примерно 170^oC) и передается обычным способом (не показано) в другие устройства установки 1.

В свою очередь реактор R-1 соединен трубопроводом 6 с упомянутым устройством E-2 для термического разложения карбамата, которое является предпочтительно пленочного типа и снабжено сепаратором Д-1.

Устройство E-2 соединено с реактором R-2 и секцией 3 регенерации соответственно посредством трубопроводов 7 и 8.

Трубопроводы 17, 18 и 19 служат для подачи раствора мочевины и паровой фазы, включая непрореагировавшие аммиак и двуокись углерода из реактора R-2, в первый испаритель E-3 под средним давлением, который является частью секции 3 регенерации мочевины.

В свою очередь эта же секция регенерации содержит испаритель E4, E7 под средним давлением, а также испарители E-5, E-8, соединенные последовательно друг с другом трубопроводами 9-14.

Позиции 20, 21 и 22 обозначают трубопроводы для подачи мочевины в обычные устройства для ее регенерации (не показаны), а пары, содержащие аммиак, направляют в вакуумную секцию 4.

В соответствии с отличительным признаком изобретения пары, оставляющие испарители E-3, E-4 и E-7, которые содержат аммиак, двуокись углерода и воду из реакции, конденсируют на стороне кожуха в испарителе E-5 и передаются по трубопроводу 24 в ректификационную колонну C-1.

Последняя соединена в свою очередь с холодильником E-8 для паров аммиака, оставляющих колонну C-1 через ее верхнюю часть, посредством трубопровода 25 и с дополнительным реактором R-2 посредством трубопроводов 15 и 16 соответственно.

Аммиак, конденсирующийся в холодильнике E-8, собирают в обычном баке Д-7, из которого его удаляют насосом PC-2A/2 после смешивания со свежим аммиаком.

Этот насос сообщается через текучую среду посредством трубопроводов 26 и 27 с головной частью колонны C-1 и конденсатором/предварительным реактором E-1 соответственно.

В соответствии с отличительным признаком изобретения на трубопроводе 27 и вниз по течению от насоса PA-2A/2 расположено средство, например теплообменник E-9, на стороне кожуха для поддерживания в пределах оптимальных значений температуры аммиака, подаваемого в конденсатор/предварительный реактор E-1.

Дальше приведен пример способа в соответствии с изобретением со ссылкой на описанную установку, который предназначен только для его иллюстрации, а не для ограничения.

Пример 1. В соответствии с изобретением из описанной установки получали ежедневно 500 метрических тонн мочевины.

Тепло, образующееся в реакции:

частично удаляли в конденсаторе/предварительном реакторе E-1 и применяли для образования пара под средним давлением (9 бар), используемого в различном оборудовании установки 1.

Реакция синтеза в первой реакционной зоне протекала при следующих условиях:
NH₃/CO₃ - 3,6 моль
H₂O/CO₂ - 0,0 моль
Температура NH₃ на входе - 100^oC
Температура CO₂ на входе - 150^oC
Температура реакции - 195^oC
Давление - 240 бар
Выход CO₂ - 75,0 %
Футеровка реактора - AISI 316 L.U.G.

Раствор мочевины, выходящий из реактора R-1, подвергали мгновенному испарению путем внезапного понижения давления от 240 до 155 бар в сепараторе Д-1 и затем термическому разложению в пучке труб устройства E-2 при температуре примерно 190^oC.

Пары, образующиеся в устройстве E-2, направляли в реактор R-2 по трубопроводу 7, тогда как раствор мочевины смешивали с раствором, выходящим из реактора R-2, и подавали по трубопроводу 18 в устройство E-3 для разложения при среднем давлении.

В дополнительный реактор R-2 подавали пары, выходящие из устройства E-2 вместе с раствором карбамата, оставляющим ректификационную колонну, C-1 и рециркулирующим посредством насоса PA-1A/IS и трубопроводов 15 и 16.

В соответствии с отличительным признаком этого изобретения рабочую температуру во вторичном реакторе R-2 постоянно поддерживали в приделах оптимальных значений путем нагрева рециркулируемого раствора карбамата посредством теплообменника E-10, при этом молярное отношение аммиак/двуокись углерода регулировали путем подачи наиболее соответствующего количества тепла в устройстве E-2 для термического разложения.

Рабочие условия вторичного реактора R-2 были следующими:
NH₃/CO₂ - 4,5 моль
H₂/CO₂ - 1,3 моль
Выход по конверсии CO₂(%) - 60,0%
Давление - 150 бар
Температура - 190^oC
Затем пары, выходящие из верхней части вторичного реактора R-2, также направляли в испаритель E-3 в секции 3 регенерации мочевины, из которого получали газообразную фазу, включая пары двуокиси углерода и аммиака, переданные со стороны кожуха в вакуумный испаритель E-5, и раствор мочевины, направленный в испаритель E-4.

В последнем получали другую часть паров двуокиси углерода и аммиака, которые также направляли, после конденсации в испарителе T-7, в испаритель E-5 посредством насоса PC IA/IS.

Затем упомянутую газообразную фазу, включающую пары двуокиси углерода и аммиака, подвергали после конденсации в известных устройствах (не показаны) для перегонки в колонне C-1 с целью получения по существу чистого аммиака, рециркулируемого в конденсатор/предварительный реактор E-1, и упомянутого раствора карбамата, рециркулируемого во вспомогательный реактор R-2.

Из исправителей E-5 и E-8 получили раствор мочевины, который направили для последующих обработок, и пары аммиака, обработанные в секции 4.

В общем, в реакторе R-1 получили 75% мочевины, тогда как остальные 25% получили в реакторе R-2, при этом взвешенная средняя производительность обоих реакторов была близкой к 71,5%.

Расходы.

Конкретный расход для получения 1000 кг мочевины составил
Жидкость NH₃ при 32^oC 18 бар, (кг) - 568
CO₂ (кг) - 734
Пар при 25 бар, (кг) - 400 (*)
Электроэнергия (кВт/ч) - 115
* Исключая обработку водой.

Преимущества данного изобретения следующие:
во-первых, высокий выход мочевины можно получить в секции 2 синтеза с применением простых и недорогостоящих секций регенерации, расположенных вниз по течению;
во-вторых, температуру и молярное отношение аммиака/двуокиси углерода во вспомогательном реакторе R-2 можно поддерживать в пределах стабильных значений быстрым и эффективным способом посредством регулирования температуры раствора карбамата, рециркулируемого в реактор R-2, и температуры термического разложения раствора мочевины, оставляющего реактор R-1.

Кроме того, двухступенчатая реакция синтеза, проводимая в первой реакционной зоне, позволяет успешно уменьшить молярное отношение аммиака/двуокиси углерода в главном реакторе R-1 со снижением требуемых объемов и низким расходом тепла на предварительный нагрев реагентов и поддерживания рабочей температуры.

Последним, но не наименьшим преимуществом является применение конденсатора/предварительного реактора E-1 в первой реакционной зоне, который позволяет успешно производить пар под средним давлением, а также обеспечивает возможность непосредственно нагревать раствор мочевины, направленный в испаритель E-3 (теплообмен между процессами).

Мочевину получают в двух последовательных реакционных зонах с предварительным реактором. Аммиак и двуокись углерода вступают в реакцию в первой реакционной зоне, оборудованной предварительным реактором. При этом непрореагировавший карбамат, присутствующий в реакционной смеси, подвергают термическому разложению для получения аммиака и двуокиси углерода, которые направляют во вторую реакционную зону, где они вступают в реакцию с раствором рециркулируемого карбамата, выходящего из секции регенерации мочевины. Температуру и молярное отношение аммиак:двуокись углерода во второй реакционной зоне поддерживают регулированием температуры раствора рециркулируемого карбамата и температуры термического разложения остаточного карбамата, поступающего из первой реакционной зоны. Процесс в первой реакционной зоне ведут с частичным удалением тепла под давлением 210-280 бар и температуре не выше 210^oС. Установка включает устройство для термического разложения карбамата, соединенное с секцией для регенерации мочевины, аммиака и карбамата, а также трубопроводы для рециркуляции регенерированного карбамата во второй реактор. При этом установка дополнительно содержит средство для регулирования температуры рециркулируемого карбамата, расположенное по крайней мере на одном трубопроводе для рециркуляции карбамата. Причем указанное средство содержит трубчатый теплообменник. Усовершенствование технологии приводит к снижению эксплуатационных и энергетических затрат и увеличению выхода конечного продукта. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения мочевины, включающий реакцию по существу чистого аммиака и двуокиси углерода в первой реакционной зоне для получения первой реакционной смеси, содержащей мочевину и карбамат термическое разложение первой реакционной смеси карбамата с получением потока аммиака и двуокиси углерода и независимого потока мочевины, неразложившегося карбамата и свободного аммиака в водном растворе, подачу потока аммиака и двуокиси углерода во вторую реакционную зону, подачу потока мочевины и неразложившегося карбамата в секцию регенерации мочевины для получения независимых потоков мочевины, аммиака и карбамата, рециркуляцию потока карбамата, полученного во второй ракционной зоне, реакцию аммиака и двуокиси углерода, образованных в результате термического разложения, и рециркулируемого карбамата во второй реакционной зоне для получения второй реакционной смеси, отличающийся тем, что молярное отношение аммиака к двуокиси углерода и температуру реакции во второй реакционной зоне независимо контролируют посредством соответствующего регулирования температуры термического разложения и температуры рециркулируемого потока карбамата. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакцию между по существу чистым аммиаком и двуокисью углерода в первой реакционной зоне проводят с частичным удалением тепла под давлением от 210 - 280 бар, температуре не свыше 210^oC и молярном соотношении аммиака к двуокиси углерода не выше 4. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что реакцию осуществляют путем подачи по существу чистого аммиака и двуокиси углерода в предварительный реактор (конденсатор) для получения раствора, содержащего мочевину и карбамат, и передачи указанного раствора в высокопроизводительный реактор так называемого "однопроходного" типа. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулирование тепла в реакции между по существу чистым аммиаком и двуокисью углерода в первой реакционной зону осуществляют посредством регулирования температуры аммиака, подаваемого в первую реакционную зону. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что термическое разложение карбамата осуществляют под давлением от 140 до 160 бар и при температуре 180 - 210^oC. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру рециркулируемого потока карбамата регулируют при значении от 70 до 150^oC. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакцию между аммиаком, двуокисью углерода и рециркулируемым карбаматом во второй реакционной зоне проводят под давлением от 140 до 150 бар и при температуре 180 - 220^oC. 8. Установка для производства мочевины, включающая первый и второй реакторы для синтеза мочевины, устройство для термического разложения карбамата, соединенное с первым реактором, вторым реактором и секцией для регенерации мочевины, аммиака и карбамата, по меньшей мере один трубопровод для рециркуляции карбамата, полученного в секции регенерации, во второй реактор, отличающаяся тем, что установка дополнительно содержит средство для регулирования температуры рециркулируемого карбамата, расположенное по крайней мере на одном трубопроводе для рециркуляции карбамата во второй реактор. 9. Установка по п.8, отличающаяся тем, что средство для регулирования температуры рециркулируемого карбамата содержит трубчатый теплообменник. 10. Установка по п.8, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит предварительный реактор (конденсатор) с частичным удалением тепла, расположенный перед первым реактором. 11. Установка по п. 8, отличающаяся тем, что предварительный реактор (конденсатор) последовательно подключен к первому реактору. 12. Установка по п.8, отличающаяся тем, что первый реактор представляет собой высокопроизводительный реактор "однопроходного типа".