Изобретение относится к способу совместного производства аммиака и мочевины на установке, включающей реактор синтеза аммиака, реактор синтеза мочевины и секцию регенерации мочевины.
В следующем описании и в следующей формуле изобретения термином: "способ совместного производства аммиака и мочевины" предполагается обозначать единичный способ, который объединяет способ производства аммиака со способом производства мочевины.
Другими словами, согласно этой технологии мочевина производится, по крайней мере, частично, путем проведения синтеза аммиака в синтетическом реакторе для взаимодействия с диоксидом углерода, содержащимся в синтетическом неочищенном газовом потоке, включающем среди других продуктов водород и азот, входящие, например, из секции риформинга. Синтетический неочищенный газовый поток, свободный от диоксида углерода, направляется после этого в реактор синтеза аммиака.
Процессы этого типа позволяют исключить или в любом случае уменьшить в заметной степени секцию декарбонизации синтетического неочищенного газового потока, секцию разделения аммиака, полученного в соответствующем синтетическом реакторе, и секцию сжатия диоксида углерода. Кроме того, расход энергии и капиталовложения, являющиеся следствием единичной объединенной системы, могут быть, по существу ниже, чем эти параметры, являющиеся следствием двух раздельных способов для аммиака и для мочевины.
Необходимость в обеспечении объединенного способа является особенно ощутимой во всех случаях, где весь, или в некоторых случаях, где большинство аммиака превращается в мочевину за счет его взаимодействия с диоксидом углерода, полученным в качестве побочного продукта при приготовлении синтетического газа.
В следующем описании и в последующей формуле изобретения термином: "секция регенерации мочевины" предполагается обозначать часть установки нижнего потока реактора синтеза мочевины, включающего один или два реактора разложения карбамата при среднем давлении (около 18 бар), соответственно при среднем и низком давлении (около 4 бар) и смежных карбаматных конденсаторов, чьей функцией является отделение полученной мочевины от реакционной смеси, выходящей из соответствующего реактора синтеза, позволяя таким путем получать 60-75%-ный концентрированный раствор мочевины.
Изобретение относится также к установке для осуществления вышеуказанного способа, а также к способу одновременной модернизации установки производства аммиака и установки производства мочевины.
В следующем описании и в последующей формуле изобретения термином: "одновременная модернизация" предполагается обозначать модернизацию, которая касается в одно и то же время и существующей установки синтеза аммиака, и существующей установки синтеза мочевины с целью их объединения.
Объединение между способами производства аммиака и мочевины, где диоксид углерода, содержавшийся в синтетическом неочищенном газе, и синтетический аммиак заставляют взаимодействовать с образованием водного раствора карбамата, который посылается в реактор синтеза мочевины, включает, с одной стороны, упрощение установки с конкретной ссылкой на секции декарбонизации и разделения аммиака с секцией сжатия СО2, но с другой стороны, заметную сверхперегрузку секций, связанных с производством мочевины, в основном, благодаря отсутствию образования тепла и избыточному молярному отношению Н2О/СО2 в реакторе синтеза мочевины, с обеспечением низкой степени превращения и высокого расхода энергии.
Как следствие, в области совместного производства аммиака и мочевины ощущается повышенная необходимость обеспечения способов, позволяющих увеличить степень превращения мочевины простым путем с низкими текущими затратами и капиталовложениями.
Уровень техники.
Для того, чтобы удовлетворить вышеперечисленные требования, было предложено в этой области несколько способов совместного производства аммиака и мочевины.
Например, в Патентах США US-A3303215 и US-A-3310376 раскрывается способ совместного производства согласно ранее известному уровню техники, где соответственно очищенный жидкий аммиак загружается в реактор синтеза мочевины, где аммиак подвергается взаимодействию с диоксидом углерода, содержащимся в синтетическом неочищенном газе, включающем также водород и азот.
В реакторе синтеза мочевины аммиак и диоксид углерода взаимодействуют и образуют аммоний карбамат, который, в свою очередь, превращается в мочевину путем дегидратации.
Первый недостаток этого процесса заключается в том, что достижение высокого значения тепла, продуцированного в процессе производства карбамата, и присутствие инертных газов (водорода и азота), которое частично снижает давление аммиака и диоксида углерода, делает необходимой эксплуатацию в реакторе синтеза мочевины при высоких давлениях для сохранения реагирующих веществ в жидкой фазе, с последующим высоким расходом энергии и капиталовложений.
Кроме того, из-за введения в реактор синтеза мочевины больших количеств воды, например, в виде карбамата в водном растворе для облегчения поглощения диоксида углерода в растворе аммиака и последующего превращения в карбамат молярное отношение Н2О/СО2 в таком синтетическом реакторе является относительно высоким, и степень превращения является неудовлетворительной.
Другой недостаток заключается в структурной и эксплуатационной сложности реактора синтеза мочевины, необходимого для осуществления вышеописанного способа, который должен включать специальное устройство для отделения инертных газов (водорода и азота) от диоксида углерода и от аммиака в паровой фазе.
Согласно этому способу предыдущего уровня техники обеспечивается также стадия конденсации и отделения аммиака, полученного за счет непрореагировавших газов, типичных для способов производства аммиака, которая скорее требуется с экономической точки зрения и с точки зрения расхода энергии.
В патентах США US-A-3349126, US-A-4012443, US-A-4013718 и USA-4320103 раскрывается другой способ, согласно которому осуществляют стадии разделения для поглощения диоксида углерода и синтеза карбамата.
В качестве ближайшего аналога может быть взят патент US 4012443 А, где описан способ совместного производства аммиака и мочевины на установке, содержащей реактор синтеза аммиака, реактор синтеза мочевины и секцию регенерации мочевины.
Согласно этому способу аммиак, выходящий из соответствующего синтетического реактора, отделяется от непрореагировавших газов - обычно поглощением водой в специальной секции поглощения - и направляется в секцию синтеза карбамата, где он взаимодействует с диоксидом углерода, содержащимся в синтетическом неочищенном газе, выходящем из секции риформинга, образуя аммоний карбамат, который направляется в реактор синтеза мочевины.
В этом случае также поглощение диоксида углерода и последующее превращение в карбамат имеет место в среде, обогащенной водой, которая затем посылается вместе с карбаматом в реактор синтеза мочевины.
Кроме того, теплота образования карбамата, которая высвобождается в процессе поглощения диоксида углерода раствором аммиака, вызывает сильное испарение последнего, которое включает необходимость дополнительной регенерации аммиака на выходе секции синтеза карбамата, с решением проблем избыточного разбавления карбамата. В то же самое время, так как в реакторе превращения мочевины не хватает теплоты для образования карбамата, условия эксплуатации в указанном реакторе становятся более затрудненными.
Иначе говоря, согласно этому способу известного ранее уровня техники производство карбамата вне реактора синтеза мочевины включает не только потерю, связанную с теплотой образования, но также требует дополнительного количества воды, что находится в противоречии с последующей дегидратацией мочевины и поэтому не позволяет получать удовлетворительную степень превращения.
В качестве ближайшего аналога также может быть взята установка для совместного производства аммиака и мочевины по патенту US 4320103 А, включающая реактор синтеза аммиака, секцию синтеза карбамата, реактор синтеза мочевины и секцию регенерации мочевины.
В заключении, способы для совместного производства аммиака и мочевины согласно предыдущему уровню техники, кроме требуемых очень сложных установок для их осуществления и включающих высокие капиталовложения и стоимость, а также высокий расход энергии, не позволяют в любом случае получать высокую степень превращения мочевины благодаря избыточному молярному отношению Н2О/СО2, присутствующему в соответствующем синтетическом реакторе.
Из-за этих недостатков вышеуказанные способы не находят до настоящего времени конкретного применения, несмотря на постоянно растущую необходимость в этой области.
Краткое содержание изобретения.
Проблема, лежащая в основе настоящего изобретения, заключается в том, что обеспечивается способ совместного производства аммиака и мочевины, такой, который позволяет, с одной стороны, достигнуть высокой степени превращения, и который, с другой стороны, является простым в осуществлении с низкими текущими затратами и капиталовложениями и низким расходом энергии.
Вышеуказанная проблема решается согласно изобретению с помощью способа вышеуказанного типа, включающего стадии:
обработки с частичным разложением, по крайней мере, части потока, включающего карбамат в водном растворе и выходящего из указанной секции регенерации мочевины, для получения потока, включающего аммиак и диоксид углерода в паровой фазе, и потока, включающего разбавленный карбамат в водном растворе;
подачи указанного потока, включающего аммиак и диоксид углерода в паровой фазе в реактор синтеза мочевины;
подачи указанного потока, включающего разбавленный карбамат в водном растворе, возникающего из указанной стадии обработки, газового потока, включающего водород, азот и диоксид углерода, предпочтительно полученный за счет риформинга углеводородного пара, и потока, включающего аммиак, выходящий из реактора синтеза аммиака в секцию синтеза карбамата,
взаимодействия указанного аммиака с указанным диоксидом углерода в указанной секции синтеза карбамата, с получением потока, включающего карбамат в водном растворе и газовый поток, включающий водород и азот;
подачи указанного потока, включающего карбамат в водном растворе в указанный реактор синтеза мочевины;
подачи указанного газового потока, включающего водород и азот в указанный реактор синтеза аммиака.
Преимущественно благодаря способу согласно настоящему изобретению и, в частности, стадии частичного разложения карбамата, поступающего из секции регенерации мочевины, становится возможным послать в секцию синтеза карбамата водообогащенный раствор и послать в то же самое время в реактор синтеза мочевины поток, включающий аммиак и, по существу, безводный диоксид углерода, который позволяет снизить молярное отношение Н2О/СО2 в таком реакторе, увеличивая таким образом степень превращения мочевины.
Таким образом, кроме сохранения молярного отношения Н2О/СО2 в реакторе синтеза мочевины становится возможным преимущественно эксплуатировать, по крайней мере, часть воды включенной в карбамат в водном растворе, поступающий из секции регенерации мочевины, рециклизуя его простым и экономичным способом в секцию синтеза карбамата, для того чтобы облегчить поглощение диоксида углерода и сохранить карбамат, полученный в виде водного раствора, предотвращая, таким образом, его нежелательную кристаллизацию.
Другое преимущество, проявляющееся из настоящего способа, заключается фактически в том, что, посылая в реактор синтеза мочевины газовый поток, включающий аммиак и диоксид углерода, становится возможным подавать, по крайней мере, часть тепла реакции необходимого для синтеза мочевины непосредственно из тепла, генерированного за счет реакции между аммиаком и диоксидом углерода в реакторе синтеза мочевины (теплота образования карбамата). Поступая таким образом, становится возможным исключить проблему теплового баланса в реакторе синтеза мочевины, даже в тех случаях, когда, по существу, весь диоксид углерода, включенный в синтетический неочищенный газ, превращается в карбамат в конкретной секции синтеза.
Поэтому способ согласно настоящему изобретению позволяет проводить чрезвычайно простым и эффективным способом совместное производство аммиака и мочевины при низких капиталовложениях и низкой стоимости, а также при низком расходе энергии и высокой степени превращения мочевины.
В отличие от способов согласно известному ранее уровню техники настоящий способ преимущественно позволяет исключить обременительную стадию выделения аммиака за счет конденсации или поглощения из непрореагировавших газов.
Действительно, согласно настоящему изобретению аммиак и диоксид углерода выделяются в одно и то же время из соответствующих потоков и направляются непосредственно на взаимодействие в единичную секцию синтеза карбамата за счет эксплуатации их высокой емкости химической реакции, получения раствора карбамата, который посылают в реактор синтеза мочевины.
Предпочтительно поток, выходящий из реактора синтеза аммиака, включает аммиак в паровой фазе, так что синтез аммоний карбамата может иметь место, по крайней мере, частично в газовой фазе, с чрезвычайно быстрой реакцией между аммиаком и диоксидом углерода, которая не требует предварительного поглощения диоксида углерода в потоке, включающем аммиак.
Если в секции синтеза карбамата будет требоваться более высокое количество воды, чем количество, включенное в разбавленный поток, включающий карбамат в водном растворе, образующийся на стадии обработки, способ согласно настоящему изобретению преимущественно включает дальнейшую стадию подачи потока, включающего воду, поступающую из секции концентрирования мочевины в указанную секцию синтеза карбамата.
Таким образом, за счет рециклинга воды, полученной в одной из секций нижнего потока реактора синтеза мочевины, далее исключается необходимость посылать в секцию синтеза карабамата поток, включающий воду, поступающий извне процесса, получая таким образом экономию издержек производства.
Для того чтобы преимущественно увеличить степень превращения мочевины, способ согласно настоящему изобретению далее включает стадии:
воздействия на, по крайней мере, часть указанного потока, включающего карбамат в водном растворе, полученного в указанной секции синтеза карбамата, с частичным разложением для получения потока, включающего аммиак и диоксид углерода в паровой фазе, и потока, включающего разбавленный карбамат в водном растворе;
подачи указанного потока, включающего аммиак и диоксид углерода в паровой фазе, в указанный реактор синтеза мочевины;
подачи указанного потока, включающего разбавленный карбамат в водном растворе, появляющегося на указанной стадии обработки, газового потока, в указанную секцию синтеза карбамата.
Фактически, поступая таким образом, становится возможным направить в секцию синтеза карбамата безводный поток, включающий аммиак и диоксид углерода, что позволяет далее снизить молярное отношение Н2О/СО2 с гарантированным увеличением степени превращения, преимущественно рециклизуя в секцию синтеза карабамата воду, присутствующую в потоке карбамата, выходящем из такой секции.
Для того чтобы контролировать температуру внутри реактора синтеза мочевины и обеспечивать оптимум условий производства для превращения мочевины, способ согласно настоящему изобретению далее включает стадии:
- предварительное нагревание потока, включающего рециклизованный аммиак, поступающего из секции синтеза мочевины; и
- подачу указанного предварительно нагретого потока, включающего аммиак, в указанный реактор синтеза мочевины.
В соответствии с альтернативным вариантом способа согласно настоящему изобретению температура внутри реактора синтеза мочевины контролируется благодаря факту дальнейшего включения стадий:
- охлаждение потока, включающего аммиак и диоксид углерода в паровой фазе, поступающего из стадии частичного разложения указанного карбамата;
- подача охлажденного таким образом потока в указанный реактор синтеза мочевины.
Оба вышеприведенных альтернативных варианта позволяют проводить прямой и эффективный контроль температуры в реакторе синтеза мочевины, позволяя подавать точное количество тепла, необходимое для высокой степени превращения.
В первом случае реактор синтеза мочевины загружается соответственно предварительно нагретым потоком, включающим рециклизованный аммиак, в то время как во втором случае поток, включающий аммиак и диоксид углерода в паровой фазе, соответственно охлаждается до того, как быть поданным в реактор синтеза мочевины.
Для осуществления вышеуказанного способа изобретение предоставляет установку для совместного производства аммиака и мочевины, включающую дополнительно к известной установке - прототипу (US 4320103 А) секцию разложения карбамата, а также:
средство для подачи, по крайней мере, части потока, включающего карбамат в водном растворе, поступающего из указанной секции регенерации мочевины в указанную секцию разложения;
средство для подачи потока, включающего аммиак и диоксид углерода в паровой фазе, полученного в указанной секции разложения, в указанный реактор синтеза мочевины;
соответствующее средство для подачи потока, включающего разбавленный карбамат в водном растворе, полученного в указанной секции разложения, газового потока, включающего водород, азот и диоксид углерода, выходящего предпочтительно из углеводородного потока секции риформинга, и потока, включающий аммиак, выходящего из указанного реактора синтеза аммиака в указанную секцию синтеза карбамата;
средство для подачи потока, включающего карбамат в водном растворе, полученного в указанной секции синтеза карбамата, в указанный реактор синтеза мочевины;
средство для подачи газообразного потока, включающего водород и азот, полученного в указанной секции синтеза карбамата, в указанный реактор синтеза аммиака.
Согласно другому аспекту изобретения обеспечивается также способ для одновременной модернизации установки синтеза аммиака и установки синтеза мочевины, включающий соответственно реактор синтеза аммиака и реактор синтеза мочевины и секцию регенерации мочевины, характеризующийся тем, что он включает стадии:
обеспечение секции синтеза карбамата и секции разложения карбамата;
обеспечение средства для подачи, по крайней мере, части потока, включающего карбамат в водном растворе поступающего из указанной секции регенерации мочевины в указанную секцию разложения;
обеспечение средства для подачи потока, включающего аммиак и диоксид углерода в паровой фазе, полученного в указанной секции разложения, в указанный реактор синтеза мочевины;
обеспечение соответствующего средства для подачи потока, включающего разбавленный карбамат в водном растворе, полученного в указанной секции разложения, газового потока, включающий водород, азот и диоксид углерода, поступающего предпочтительно из секции риформинга углеводородного пара, и потока, включающего аммиак, поступающего из указанного реактора синтеза аммиака, в указанную секцию синтеза карбамата;
обеспечение средства для подачи потока, включающего карбамат в водном растворе, полученного в указанной секции синтеза карбамата, в указанный реактор синтеза мочевины;
обеспечение средства для подачи газообразного потока, включающего водород и азот, полученного в указанной секции синтеза карбамата, в указанный реактор синтеза аммиака.
Благодаря вышеупомянутому способу модернизации, который объединяет существующую установку аммиака и существующую установку мочевины, становится возможным получать простым и экономичным путем мочевину с высокой степенью превращения, и в то же время в значительной степени снизить издержки производства и расход энергии.
Свойства и преимущества целей изобретения представляются впредь в описании его вариантов, приведенных ниже с помощью неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемый чертеж.
Краткое описание чертежа.
Чертеж схематически показывает установку для совместного производства мочевины и аммиака согласно изобретению, реализованную либо ex novo, либо путем модернизации существующей установки производства аммиака и существующей установки производства мочевины обычного типа.
Детальное описание предпочтительного варианта.
Только для того, чтобы сделать описание настоящего изобретения более простым, ссылка будет делаться на соединительные трубы различных частей установки, а также на те же части установки, которые описаны далее и представлены на чертеже, традиционные сами по себе, только если это четко необходимо.
Что касается чертежа, на нем обычно указывается цифрой 1 установка для совместного производства аммиака и мочевины согласно изобретению.
Преимущественно установка 1 включает реактор 2 аммиака, секцию 3 синтеза карбамата, секцию 4 синтеза мочевины, секцию 21 регенерации мочевины и секцию 23 разложения карбамата.
Секция 4 синтеза мочевины включает расположенные в ряд относительно друг друга реактор 5 синтеза мочевины и стриппер 6 высокого давления (около 180 бар) для частичного разложения карбамата и выделения свободного аммиака в водный раствор, присутствующий в реакционной смеси, поступающей из реактора 5.
Как будет видно позднее, способ совместного производства аммиака и мочевины согласно настоящему изобретению позволяет получать в реакторе 5 синтеза мочевины выход, сравнимый с выходом, получаемым с установками производства мочевины согласно ранее известному уровню техники, т.е. выход составляет между 62% и 70%.
Пример рабочих условий реактора 5 синтеза мочевины, применяемых настоящим изобретением, представляет: молярное отношение NН3/СО2, равное 3,8, молярное отношение Н2О/СО2, равное 0,8, выход 64%, давление 180 бар, температура 190oС.
В примере чертежа часть установки для производства мочевины представляет установку полностью рециклизующего типа, т.е. с рециклингом реагирующих веществ в реактор 5 синтеза. Однако настоящее изобретение не ограничивается конкретным типом способа синтеза мочевины, но может быть преимущественно использовано также в установках, которые работают со способами синтеза мочевины, например с частичным рециклингом или типа "осуществляемого за один проход" без рециклинга реагирующего вещества.
Цифрами 7, 8, 9а и 9b здесь указываются трубы для подачи газового потока, включающего водород, азот и диоксид углерода, потока, включающего аммиак, потока, включающего воду и потока, включающего разбавленный карбамат в водном растворе соответственно в секцию 3 синтеза карбамата.
Газовый поток, включающий водород, азот и диоксид углерода, выходит предпочтительно из секции 10 риформинга углеводородного пара, включающей первичное звено риформинга и вторичное звено риформинга, не показаны на чертеже, которые являются звеньями обычного типа и поэтому известны специалистам в этой области.
В следующем описании и последующей формуле изобретения термином "углеводороды" обозначают обычно неочищенное сырье, которое является источником водорода и углерода, такое как, например, метан или смесь жидких и/или газообразных углеводородов, таких как натуральный газ и тяжелый бензин.
Газовый поток, включающий углеводороды и водяной пар, подается через трубу 11 в первичную трубу риформинга секции 10, где происходит разложение первого углеводородного пара, что приводит к образованию водорода, монооксида углерода и диоксида углерода. Затем создают условия, чтобы разложение продолжалось во вторичной стадии риформинга, где добавляется также газовый поток, включающий азот (обычно воздух).
Номерами 12, 13 и 14 здесь соответственно указывается секция десульфуризации потока, включающего углеводороды, секция высокотемпературного превращения и секция низкотемпературного превращения для превращения монооксида углерода в диоксид углерода.
Секции 12, 13 и 14 являются секциями обычного типа и поэтому не будут описываться более детально в следующем описании.
Для целей настоящего изобретения газовый поток, включающий водород, азот и диоксид углерода, подаваемый через трубу 7 в секцию 3 синтеза карбамата, может быть получен с помощью любого известного способа, как альтернатива с углеводородным паром риформинга.
Поток, включающий аммиак, выходит из реактора 2 синтеза аммиака и подается в секцию 3 через трубу 8.
Согласно примеру чертежа ничего не стоит, чтобы труба 8 непосредственно соединяла реактора 2 синтеза аммиака с секцией 3 синтеза карбамата. Таким образом, становится возможным подавать в последнюю секцию поток, включающий свободный аммиак в паровой фазе, который мгновенно взаимодействует с диоксидом углерода, который присутствует в секции 3, облегчая синтез карбамата.
Преимущественно, по крайней мере, часть воды, подаваемой в секцию 3 синтеза карабамата для того, чтобы добиться поглощения диоксида углерода и его немедленной реакции с аммиаком, содержится в потоке, включающем разбавленный карбамат в водном растворе, выходящем через трубу 9b из секции 23 разложения карбамата, которая будет описана более детально позже.
В примере чертежа предварительно определенное количество воды также загружается в секцию синтеза карбамата через трубу 9а. Такая вода или ее часть могут поступать из источника вне установки 1 или преимущественно из секции 22 концентрирования мочевины.
Однако подача потока, включающего воду, через трубу 9а совершенно необязательна и служит, главным образом, для увеличения содержания воды внутри секции 3 синтеза карбамата.
Действительно, здесь обеспечивается, но не представляется вариант изобретения, где вся вода подается в секцию 3 через трубу 9b и выходит из секции 23 разложения карбамата. Согласно другому варианту изобретения, не представленному, секция 3 синтеза карбамата загружается только через трубу 9b, дополнительным количеством воды, выходящим из источников снаружи установки 1 или из секции 22 концентрирования мочевины.
Предпочтительно около 30-40% от общего количества воды, подаваемой в секцию 3 синтеза карбамата, подается через трубу 9а и около 60-70% (например, 65%) подается через трубу 9b.
Из секции 3 синтеза карбамата трубы 15 и 16 разветвляются для подачи потока, включающего карбамат в водном растворе, в реактор 5 синтеза мочевины и потока, включающего водород и азот, в реактор 2 синтеза аммиака соответственно.
До того как быть поданным в реактор 2 синтеза аммиака, газовый поток, включающий водород и азот, направляется для прохождения через трубу 16 в секцию 17 метанизации и в осушительную секцию 18 обычного типа, где газовый поток соответственно очищается.
В частности, в секции 17 метанизации возможные следы монооксида углерода и/или диоксида углерода являются пригодными для превращения в метан. В осушительной секции 18 газовый поток, включающий водород и азот, напротив, дегидратируется промыванием его жидким аммиаком так, чтобы удалить возможные следы воды.
В соответствии с этим газовому потоку, включающему аммиак, позволяется входить в трубу 16 через трубу 19, и затем он подается вместе с газовым потоком, включающим водород и азот, в осушительную секцию 18, которая обычно включает сепаратор газ/жидкость.
В сепараторе вода, присутствующая в газовом потоке, поглощается аммиаком так, чтобы получался водный раствор аммиака, который преимущественно рециклизуется в секцию 4 синтеза мочевины с помощью труб 20 и 15; в то же самое время газовый поток, свободный от воды, включающий водород и азот, подается в реактор 2 синтеза аммиака через трубу 16.
Рабочие условия давления и температуры внутри реактора 2 синтеза аммиака являются типичными условиями обычной установки синтеза аммиака, хорошо известной специалистам в этой области.
Кроме того, секция 4 синтеза, части установки для производства мочевины, также включает секцию 21 регенерации мочевины, секцию 22 концентрирования мочевины и преимущественно секцию 23 разложения карбамата.
В примере чертежа секция 21 регенерации мочевины является секцией типа, включающей реактор 24 для разложения карбамата при среднем давлении (около 18 бар) и реактор 25 для разложения карбамата при низком давлении (около 4 бар) и дистилляционную колонну 26 аммиака.
Секция 22 концентрирования мочевины включает, в свою очередь, пару вакуумных аппаратов 27, соответственно 28 и вакуумный агрегат 29, показанный пунктирной линией на чертеже.
Реактор 25 синтеза мочевины соединяется в нижней его части и через трубы 15 и 30 с секцией 3 синтеза карбамата и с трубой 19, подающей поток, включающий аммиак, соответственно.
Между секцией 3 синтеза карбамата и реактором 5 синтеза мочевины обеспечивается сепаратор 31 для экстракции из потока, включающего карбамат в водном растворе, через трубу 32 возможных уносов водорода и азота.
Реактор 5 соединяется также всегда в нижней его части и через трубу 33 со стриппером 6, из которого выходит паровая фаза (включающая аммиак, диоксид углерода и водяной пар), которая рециклизуется в реактор 5 через трубу 34, и жидкая фаза (включающая раствор частично очищенной мочевины), которая подается в аппарат 24 для разложения карбамата секции 21 регенерации мочевины через трубу 35.
Труба 35 проходит через секции 21 и 22 концентрирования и регенерации мочевины, с тем чтобы получить на выходе из аппарата 28 поток очищенной мочевины, который посылается всегда через трубу 35 в аппараты выделения, обычные сами по себе и поэтому не представляемые.
Номером 36 здесь указываются трубы для подачи паров, включающих аммиак, в вакуумный агрегат 29, где такие пары конденсируются согласно хорошо известному способу.
Полученные конденсаты, содержащие некоторое остаточное количество аммиака в водном растворе, посылаются в секцию обработки воды (не представленную) через трубу 37.
Согласно особенности изобретения труба 9а для подачи потока, включающего воду, в секцию 3 синтеза карбамата находится в жидкостной связи с трубой 37 через трубу 38 (представленную пунктирной линий на чертеже).
В этой связи становится возможным загружать секцию 3 синтеза карабамата потоком, включающим воду, выходящим из секции 22 концентрирования мочевины, преимущественно рециклизуя, таким образом, часть воды, уже присутствующей в установке.
Пары, включающие воду, аммиак и диоксид углерода, полученные в аппаратах 24 и 25 разложения карбамата, посылаются после того как, по крайней мере, частично сконденсированы в дистилляционную колонну 26 аммиака, которая отделяет, по существу, чистый аммиак от водного раствора карбамата.
Аммиак, получающийся из дистилляционной колонны, конденсируется и, по крайней мере, частично рециклизуется в реактор 5 синтеза мочевины через трубы 19 и 30, и в осушительную секцию 18 через трубы 19 и 16 соответственно.
Согласно конкретной преимущественной характеристике настоящего изобретения поток, включающий карбамат в водном растворе, выходящий из нижней части дистилляционной колонны 26, посылается через трубу 39 в секцию 23 разложения карбамата. Таким образом, получается, по существу, безводный поток, включающий аммиак и диоксид углерода в паровой фазе, который рециклизуется в реактор 5 синтеза мочевины через трубы 40 и 34, и очень разбавленный поток карбамата в водном растворе, который преимущественно рециклизуется в секцию 3 синтеза карбамата через трубу 9b.
Преимущественно в соответствии со способом совместного производства аммиака и мочевины этого изобретения, по крайней мере, часть потока, включающего карбамат в водном растворе, выходящего из (труба 39) секции 21 регенерации мочевины, подвергается частичной обработке с разложением, приводя к получению потока, включающего аммиак и диоксид углерода в паровой фазе, и потока, включающего разбавленный карбамат в водном растворе. Поток, включающий аммиак и диоксид углерода в паровой фазе, подается (трубы 40, 34) в реактор 5 синтеза мочевины, в то время как поток, включающий разбавленный карбамат в водном растворе вместе с газовым потоком, включающим водород, азот и диоксид углерода, и поток, включающий аммиак, выходящий из реактора 25 синтеза аммиака, подаются (трубы 9b, 7 и 8) в секцию синтеза карбамата, где аммиак и диоксид углерода взаимодействуют с получением потока, включающего карбамат в водном растворе, и газового потока, включающего водород и азот. Поток, включающий карбамат в водном растворе, подается затем (труба 15) в реактор 5 синтеза мочевины, в то время как газовый поток, включающий водород и азот, подается (труба 16) в реактор 2 синтеза аммиака.
Благодаря настоящему изобретению становится возможным контролирование и сохранение на низких уровнях количества воды, которое посылается в реактор 5 синтеза мочевины, которое преимущественно рециклизуется в секцию 3 синтеза карбамата, позволяя таким образом, простым и эффективным способом получать мочевину с высокой степенью превращения.
Иначе говоря, стадия частичного разложения карбамата предусматривает высокую гибкость способа, так как она позволяет работать даже с очень большими количествами воды в секции 3 синтеза карбамата, без вредного влияния на молярное отношение Н2О/СО2, в реакторе 5 синтеза мочевины, и поэтому на степень превращения.
Согласно конкретному преимущественному варианту настоящего изобретения становится возможным дальнейшее снижение молярного отношения Н2О/СO2 в реакторе 5 синтеза мочевины, последовательно увеличивая степень превращения, за счет подачи, по крайней мере, части потока, включающего карбамат в водном растворе, выходящего из секции 3 в секцию 23 разложения карбамата через трубу 41 (представленную пунктирной линией на чертеже), получая, по существу, безводный поток, включающий аммиак и диоксид углерода в паровой фазе, которая посылается в реакторе 5 синтеза мочевины через трубы 40 и 34, и очень разбавленный поток карбамата в водном растворе, который преимущественно рециклизуется в секцию 3 синтеза карбамата через трубу 9b.
В результате способ совместного производства аммиака и мочевины характеризуется далее тем, что, по крайней мере, часть потока, включающего карбамат в водном растворе, выходящего (труба 15) из секции 3 синтеза карбамата, подвергается преимущественно частичкой обработке с разложением с получением потока, включающего аммиак и диоксид углерода в паровой фазе, и потока, включающего разбавленный карбамат в водном растворе, который посылается (трубы 40, 34) в реакторе 5 синтеза мочевины, и в секцию 3 синтеза карбамата (труба 9b) соответственно.
Преимущественно в зависимости от содержания воды в потоках, включающих карбамат в водных растворах, поступающих из секций 3 и 21, большая или меньшая часть таких потоков направляется в секцию 23 разложения карбамата с тем, чтобы получить рециклизованную воду в секции 3 синтеза карбамата и послать в реактор 5 синтеза мочевины, по существу, безводные реагирующие вещества.
Частичное разложение карбамата, содержащегося в потоке, выходящем из секции 3 синтеза карбамата, и в потоке, выходящем из секции 21 регенерации мочевины, соответственно может иметь место в двух отдельных аппаратах разложения или, как показано на чертеже, в единичной секции 23 аппарата разложения.
Предпочтительно секция 23 разложения карбамата работает в тех же условиях давления и температуры стриппера 6, которые являются теми же, как в реакторе 5 синтеза мочевины.
Согласно конкретному преимущественному аспекту настоящего изобретения секция 3 синтеза карбамата включает три камеры 42, 43 и 44, разделенные двумя пленочными абсорберами 45 и 46.
В примере чертежа камеры 42-44 и пленочные абсорберы 45-46 включаются внутрь единичного, по существу, вертикального трубчатого устройства.
Первая камера 42 располагается в нижней части секции 3 и находится в жидкостной связи с трубой 7, подающей газовый поток, включающий водород, азот и диоксид углерода, в секцию 3 синтеза карбамата, и с трубой 15, подающей поток, включающий карбамат в водном растворе, полученный в секции 3 синтеза карбамата, в реактор 5 синтеза мочевины.
Вторая камера 45 располагается в центральной части секции 3 и находится в жидкостной связи с трубой 8, подающей поток, включающий аммиак, выходящий из реактора 2 синтеза аммиака, в секцию 3 синтеза карбамата.
Третья камера 44 располагается в верхней части секции 3 и находится в жидкостной связи с трубами 9а и 9b, подающими поток, включающий воду, и разбавленный карбамат в водном растворе в секцию 3 синтеза карбамата, и с трубой 16, подающей газовый поток, включающий водород и азот, полученный в реакторе синтеза аммиака.
Первый пленочный абсорбер 45 располагается между первой и второй камерами 42, 43 и включает множество труб, имеющих противоположные концы в жидкостной связи с первой и второй камерой.
Второй пленочный абсорбер 46 располагается между второй и третьей камерами 43, 44 и включает множество труб, имеющих противоположные концы в жидкостной связи со второй и третьей камерой.
Благодаря сконструированной таким образом секции 3 синтеза карбамата становится возможным проводить быструю и эффективную реакцию между карбаматом и диоксидом углерода в структурно простом устройстве небольшого размера, включающем низкую стоимость реализации и низкие текущие расходы.
Поток, включающий разбавленный карбамат в водном растворе, выходящий из секции 21 регенерации мочевины, подается предпочтительно в третью камеру 44 через трубу 9b близко ко второму пленочному абсорберу 46.
Кроме того, особенно удовлетворительные результаты были получены за счет подачи указанного потока, включающего разбавленный карбамат в водном растворе, в третью камеру 44, близко к верхнему концу секции 3 синтеза карбамата, как представлено на чертеже пунктирной линий.
Тем же самым путем поток, включающий воду, подается в третью камеру 44 через трубу 9а, близко к верхнему концу секции 3 синтеза карбамата.
Преимущественно третья камера 44, которая работает предпочтительно в адиабатических условиях, включает множество горизонтальных перфорированных пластин обычного типа, которые позволяют увеличить абсорбционный выход.
В соответствии с конкретной структурой секции 3 синтеза карбамата чертежа поток, включающий водород, азот и диоксид углерода, выходящий из секции 10 риформинга углеводородного пара, подается через трубу 7 в первую камеру 42.
Из камеры 42 указанный поток заставляют входить со стороны трубы в первый пленочный абсорбер 45, где он течет противотоком с потоком, включающим аммиак и карбамат в водном растворе, выходящий из второй камеры 43.
В этой части большая часть диоксида углерода реагирует со свободным аммиаком предпочтительно либо в паровой фазе, либо в жидкой форме, образуя карбамат, который собирается в камере 42.
Примером состава потока, включающего карбамат в водном растворе, покидающего камеру 42, получаемого способом согласно настоящему изобретению, является следующий пример: аммиак 37,7 вес.%, диоксид углерода 43,7 вес.% и вода 19,0 вес.%.
Газовый поток, покидающий первый пленочный абсорбер 45, смешивается в камере 43 с потоком аммиака, выходящим из реактора 2 синтеза аммиака через трубу 8, и входит со стороны трубы во второй пленочный абсорбер 46, где большая часть диоксида углерода и аммиака в паровой фазе поглощается разбавленным раствором аммиака, выходящим из третьей камеры 44.
Третья камера 44, которая загружается через трубы 9а и 9b потоком, включающим воду, выходящую из секции 22 концентрирования мочевины, и потоком, включающим карбамат в водном растворе, выходящим из секции 21 регенерации мочевины, позволяя окончательно удалять остаточный аммиак и диоксид углерода.
Благодаря настоящему изобретению становится, например, возможным получать газовый поток, включающий водород и азот, выходящий из камеры 44 (труба 16), имеющий содержание остаточного аммиака, равное около 1 мольн.%, и содержание остаточного диоксида углерода, равное около 0,05 мольн.%.
Тепло реакции, которое развивается в секции 3 синтеза карбамата, преимущественно удаляется за счет непрямого теплообмена с охлаждающей жидкостью (например, водой), которую предпочтительно заставляют проходить через боковую оболочку в пленочных абсорберах 45 и 46.
Таким образом, становится возможным поддерживать температуру внутри секции 3 синтеза карбамата в пределах величин, таких, которые предотвращают кристаллизацию карбамата в трубах пленочных абсорберов 45 и 46.
Величины оптимальной температуры и давления внутри секции 3 синтеза карбамата находятся, например, между 140 и 200 барами (предпочтительно 180 бар) и между 110 и 150oС (предпочтительно 130oС) соответственно.
Выходящий газ, обогащенный инертными веществами, такими как азот и метан, покидающий реактор 2 синтеза аммиака, отделяется соответственно от реакционного газа и промывается в промывной секции 47 потоком, включающим воду, подаваемую в секцию 3 синтеза карбамата через трубу 9а. Будучи промытым, выходящий газ направляется на установку регенерации обычного типа (не представлена).
Поступая таким образом, становится возможным регенерировать через промывную воду большую часть аммиака, растворенного в выходящем газе, который преимущественно подается в секцию 3 синтеза карбамата.
Номером 50 здесь представляется охлаждающий аппарат, который позволяет охлаждать поток, включающий аммиак, выходящий из реактора 2 синтеза до значений ниже чем около 100oС.
Согласно конкретному преимущественному аспекту настоящего изобретения обеспечивается в установке для совместного производства аммиака и мочевины средство для охлаждения газового потока, включающего водород, азот и диоксид углерода, за счет непрямого теплообмена с потоком, включающим мочевину в водном растворе в секции 21 регенерации мочевины.
В частности, как показано на чертеже, газовый поток, включающий водород, азот и диоксид углерода, выходящий из секции 10 риформинга, заставляют проходить с помощью трубы 7 через аппараты 24 и 25 разложения карбамата секции 21 регенерации мочевины, где он охлаждается за счет непрямого теплообмена с потоком частично очищенной мочевины.
Таким образом, получается преимущественно двойная польза от охлаждения, с одной стороны, газовый поток, выходящий из секции 10 риформинга, будет подаваться в секцию 3 синтеза карбамата и для питания, с другой стороны, тепло, необходимое для разложения карбамата, включается в частично очищенный поток мочевины, без необходимости иметь источники внешнего тепла, которые поэтому приводят к заметной экономии с точки зрения расхода энергии и эксплуатационных расходов.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения температура реакции синтеза мочевины преимущественно контролируется с помощью загрузочного реактора 5 соответственно предварительно нагретым потоком, включающим аммиак.
С этой целью установка совместного производства аммиака и мочевины далее обеспечивается средством (показанным на чертеже теплообменником 48) для предварительного нагревания потока, включающего рециклизованный аммиак, выходящий через трубы 29 и 30 из секции 21 регенерации мочевины, и средством (труба 30) для подачи нагретого таким образом потока, включающего аммиак, в реактор 5 синтеза мочевины.
Если незначительные количества аммиака и диоксида углерода направляются в реактор 5 синтеза мочевины, контроль температуры реакции больше не проводится (только) с помощью предварительного нагревания потока, включающего аммиак, а с помощью соответственно охлаждения потока, включающего аммиак и диоксид углерода.
Фактически в этом случае тепло, необходимое для реакции синтеза мочевины, подается, по крайней мере, частично за счет теплоты образования карбамата, получаемой внутри реактора 5.
Как следствие, в зависимости от количества аммиака и диоксида углерода, поданных в реактор 5, в него может быть с необходимостью подано дополнительное тепло через теплообменник 48 или для снижения тепла внутри реактора 5 путем удаления избытка тепла.
Последняя возможность имеет место обычно, если кроме стриппера 6 и секции 4 синтеза мочевины обеспечивается также секция 23 разложения карбамата.
В этом случае установка согласно настоящему изобретению преимущественно включает средство (представленное на чертеже теплообменником 49) для охлаждения потока, включающего аммиак и диоксид углерода в паровой фазе, выходящего из секции разложения карбамата (ссылка на номера 6 и 23) и средство (трубы 40 и 34) для подачи охлажденного таким образом потока в реактор 5 синтеза мочевины.
Водяной поток предпочтительно используется в качестве охлаждающей жидкости, так чтобы производить регенерационный пар на высоком термическом уровне, например 5 бар.
Установка чертежа может быть новой установкой или она может быть реализованной за счет модернизации существующей установки для производства аммиака и существующей установки для производства мочевины.
Согласно настоящему изобретению способ для одновременной модернизации установки синтеза аммиака и установки синтеза мочевины, включающий соответственно реактор (2) синтеза аммиака, реактор (5) синтеза мочевины и секцию (21) регенерации мочевины, преимущественно включает стадии обеспечения соответственно секции (3) синтеза карбамата и секции (23) разложения карбамата, средство для подачи, по крайней мере, части потока, включающего карбамат в водном растворе, выходящего из указанной секции (21) регенерации мочевины, в указанную секцию разложения, средства (40, 34) для подачи потока, включающего аммиак и диоксид углерода в паровой фазе, полученного в указанной секции разложении, в указанный реактор (5) синтеза мочевины, соответствующие средства (9b, 7 и 8) для подачи потока, включающего разбавленный карбамат в водном растворе, полученного в указанной секции разложении, потока, включающего водород, азот и диоксид углерода, предпочтительно выходящий из секции риформинга углеводородного пара, и поток, включающий аммиак, выходящий из указанного реактора (2) синтеза аммиака, в указанную секцию 3 синтеза карбамата, средство (15) для подачи потока, включающего карбамат в водном растворе, полученный в указанной секции 3 синтеза карбамата, в указанный реактор (5) синтеза мочевины, и средство (16) для подачи газового потока, включающего водород и азот, полученные в указанной секции 3 синтеза карбамата, в указанный реактор (2) синтеза аммиака.
Кроме того, согласно другим вариантам указанного способа модернизации согласно изобретению обеспечиваются преимущественно другие секции или средства, как описано в зависимых пунктах 18-22, прилагаемых к ним.
В настоящем описании и последующей формуле изобретения термином "средство для подачи" обычно обозначаются различные части установки, такие как, например, трубы, насосы и компрессоры, которые служат для транспортировки жидкости или газообразной жидкости от одной части установки к другой части установки.
Из вышеприведенного описания ясно вытекают многочисленные преимущества, достигаемые настоящим изобретением; в частности, обеспечивается способ для совместного производства аммиака и мочевины с высоким выходом, простым исполнением, низким капиталовложением и низкими эксплуатационными затратами и низким расходом энергии.
Способ совместного производства аммиака и мочевины осуществляют по технологической схеме, включающей реактор синтеза аммиака, секцию синтеза карбамата, реактор синтеза мочевины, а также секцию регенерации мочевины. Часть потока, содержащего карбамат в водном растворе и поступающего из секции регенерации мочевины, подвергают обработке с частичным разложением карбамата для получения потока, включающего аммиак и диоксид углерода в паровой фазе, и потока, включающего разбавленный карбамат в водном растворе. Полученный разбавленный карбамат вместе с газовым потоком, включающим водород, азот и диоксид углерода, предпочтительно полученный на стадии риформинга углеводородов, объединяют c потоком аммиака, поступающего из реактора синтеза аммиака. Смесь направляют в секцию синтеза карбамата, где из аммиака и диоксида углерода получают поток, включающий карбамат в водном растворе, и газовый поток, включающий водород и азот. Поток, включающий карбамат в водном растворе, затем направляют в реактор синтеза мочевины, в то время как газовый поток, включающий водород и азот, направляют в реактор синтеза аммиака. Установка для осуществления способа основана на объединении в едином технологическом цикле реакторов синтеза аммиака, который связан с секцией риформинга, с реакторами синтеза карбамата и синтеза мочевины, а также с секциями регенерации и концентрирования мочевины. Модернизация единичных установок синтеза аммиака и синтеза мочевины предполагает создание технологического цикла, указанного выше. Технический результат - снижение капиталовложений, энергетических и материальных затрат. 3 с. и 20 з.п. ф-лы, 1 ил.
| US 4012443 А, 15.03.1977 | |||
| US 4320103 А, 16.03.1982 | |||
| СПОСОБ ПРОМЫШЛЕННОГО ПОЛУЧЕНИЯ МОЧЕВИНЫ | 1992 |
|
RU2090554C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБАМИДА | 1994 |
|
RU2071467C1 |
| US 3349126 A, 24.10.1967. | |||
