СПОСОБ СИНТЕЗА МОЧЕВИНЫ, ВКЛЮЧАЮЩИЙ ОРГАНИЗАЦИЮ ПАССИВИРУЮЩЕГО ПОТОКА В НИЖНЕЙ ЧАСТИ ОТГОННОЙ КОЛОННЫ Российский патент 2017 года по МПК C07C273/04 

Настоящее изобретение относится к улучшенному способу синтеза мочевины, включающему организацию пассивирующего потока в нижней части отгонной колонны.

В частности, в данной области известны различные способы получения мочевины.

Синтез мочевины осуществляется посредством взаимодействия аммиака и диоксида углерода при высоком давлении и температуре, с последующим выделением мочевины из смеси, содержащей непрореагировавшие продукты, и рециклированием их в реактор.

Все промышленные способы получения мочевины по этой причине основываются на прямом синтезе в соответствии со следующей реакцией:

2NH₃+CO₂<->CO (NH₂)₂+H₂O (1)

Этот синтез может осуществляться на двух различных стадиях реакции:

NH₃+CO₂<->(NH₂)COONH₄ (1a)

(NH₂)COONH₄<->CO(NH₂)₂+H₂O (1b)

На первой стадии (1a), имеет место экзотермическая равновесная реакция, имеющая высокую скорость реакции при комнатной температуре, которая, однако, при высоких температурах, необходимых для стадии (1b), требует высоких давлений для достижения благоприятного равновесия.

На второй стадии (1b) имеет место эндотермическая реакция, которая достигает значительной скорости только при высоких температурах (>150°C), при состоянии равновесия, которое при 185°C, начиная со смеси реагентов при стехиометрическом отношении, приводит к преобразованию чуть выше 50% CO₂. Это неудовлетворительное преобразование может быть удобным повышать посредством увеличения отношения NH₃/CO₂.

Рассмотренные выше две стадии реакции обычно имеют место не в различных областях реактора, но осуществляются одновременно в реакционной смеси, указанная смесь, следовательно, содержит мочевину, воду, аммиак, диоксид углерода и карбамат аммония при некоторой относительной концентрации, в различных областях реактора, в зависимости от различных термодинамических и кинетических факторов, которые вносят вклад в способ.

Способы получения мочевина с помощью прямого синтеза, начиная с аммиака и диоксида углерода, широко описаны в специальной литературе в данной области. Обширный обзор наиболее распространенных способов получения мочевины можно найти, например, в публикации "Encyclopaedia of Chemical Technology" Ed. Kirk-Othmer, Wiley Interscience, third ed. (1983), vol. 23, pages 548-575.

Промышленные способы получения мочевины обычно осуществляются как синтез в реакторе, в который поступают NH₃, CO₂ и водные растворы карбоната и/или карбамата аммония, поступающие из рециклируемых потоков непреобразованных реагентов, при температурах, находящихся в пределах от 150 до 215°C, при давлениях, по меньшей мере, 13,2 МПа (130 атм), при молярном отношении NH₃/CO₂, находящемся в пределах от 2,5 до 5, рассчитанном по отношению к сумме потоков исходных материалов, включая аммиак и CO₂ в форме карбамата/карбоната аммония. В дополнение к образующейся воде и избытку вводимого NH₃, эффлюент из реактора по-прежнему содержит значительные количества CO₂, в основном, в форме непреобразованного карбамата аммония.

Другой главный аспект для получения оптимального преобразования представляет собой также контроль уровня температуры в реакторе, поскольку как избыточно высокие, так и избыточно низкие температуры приводят к уменьшению преобразования из-за конкуренции различных химических и термодинамических факторов.

Отделение мочевины от воды и непреобразованных реагентов осуществляют в нескольких секциях, работающих при пониженных температурах и давлениях, в которых осуществляется разложение карбамата аммония до NH₃ и CO₂, которые затем становятся доступными для рециклирования в реактор. Секция разделения и рециклирования карбамата имеет инвестиционную стоимость, которая сильно влияет на стоимость готового продукта.

Известные способы, которые работают в соответствии с приведенной выше общей схемой, описаны, например, в патентах США №№ US 4092358, US 4208347, US 4801745 и US 4354040.

В частности, мочевина, содержащаяся в водном растворе, покидающем реактор, отделяется от большой части непреобразованного карбамата аммония и избытка аммиака, используемого при синтезе, в соответствующем устройстве для разложения-испарения (называемом ниже "отгонная колонна", что представляет собой термин, обычно используемый в данной области) работающем при таких же давлениях, как и давление синтеза, или при немного меньших давлениях.

Разложение карбамата аммония осуществляют в отгонной колонне, подводя тепло снаружи посредством непрямого теплообмена с более теплой текучей средой, обычно, с паром, при давлении 1,8-3,0 МПа, возможно, с отгонкой продуктов разложения с помощью инертных газов или аммиака, или диоксида углерода, или смесей инертных газов с аммиаком и/или диоксидом углерода, отгонку обычно также осуществляют с использованием избытка аммиака, растворенного в растворе мочевины (автоматическая отгонка), и как следствие, без необходимости в отдельном введении агента для отгонки.

Продукты разложения карбамата, вместе с возможными агентами для отгонки, за исключением инертных продуктов, обычно конденсируются в конденсорах, с получением жидкости, которую рециклируют в реакторы синтеза.

Дополнительные документы, которые могут быть рассмотрены для целей ссылок, представляют собой US 4314077, GB 1184004, GB 1292515, US 3984469, US 4137262, DE 2116267, FR 2489323, все они описывают способы получения мочевины с рассмотренными выше характеристиками.

Особенно деликатные стадии в способе синтеза мочевины представляют собой стадии, на которых карбамат аммония присутствует при самой высокой концентрации и температуре, и вследствие этого, в способах, рассмотренных выше, эти стадии совпадают со стадиями с разложения-отгонки и стадиями конденсации карбамата аммония.

Одна из проблем, которые должны решаться на этих стадиях, представляет собой коррозию используемого оборудования, вызываемую исключительно агрессивными характеристиками, которые имеют место внутри него, как из-за присутствия высокой концентрации солевых растворов, так и, также, в результате явлений механических напряжений поверхностей в областях разложения и высвобождения газовой фазы.

Для преодоления этих недостатков, современный уровень техники предлагает, например, использование специальных материалов при изготовлении отгонной колонны, в частности, Ti, Zr, специальных нержавеющих сталей сортов, совместимых с мочевиной, или их сочетаний. Опять же в соответствии с состоянием современного уровня техники является преимущественным введение определенного количества воздуха или другого пассивирующего агента для пролонгирования коррозионной стойкости материалов, в частности, нержавеющих сталей, благоприятствующего формированию стабильного слоя оксида на поверхностях, экспонируемых для контакта с технологическими текучими средами.

В частности, настоящее изобретение попадает в конкретную область установок для синтеза мочевины с отгонкой посредством аммиака, то есть в установках, в которых отгоннное действие в отгонной колонне, в которой имеет место разложение карбамата, облегчается с помощью аммиака, присутствующего в растворе для синтеза, и/или посредством аммиака, вводимого для этой цели.

В настоящее время, в этом типе установок, для осуществления пассивирования отгонной колонны (в особенности, если поверхности, экспонируемые для коррозии, изготавливают из титана или нержавеющей стали) добавляют определенное количество воздуха в нижнюю часть отгонной колонны. Это добавление осуществляют посредством конкретной инжекции воздуха с использованием компрессоров, предназначенных именно для этой цели. В других частях контура синтеза мочевины высокого давления, которые требуют пассивирования, это пассивирование осуществляется, наоборот, опять же, с помощью воздуха, который смешивается во время фазы отсоса компрессора CO₂ и направляется через компрессор в реактор для получения мочевины. Воздух, который не участвует в реакции пассивирования в реакторе, покидает реактор вместе с реакционной смесью и направляется в верхнюю часть отгонной колонны, проходя затем в конденсор для карбамата, а оттуда в сепаратор для карбамата, таким образом, покидая контур синтеза через клапан, предназначенный для контроля давления, в самом контуре, обычно используемый также для продувки инертных продуктов.

На этом пути, воздух осуществляет пассивирование поверхностей оборудования, которое он встречает, которое иначе подверглось бы воздействию процесса коррозии.

Принимая во внимание то, что указано выше, то есть тот факт, что пассивирующий воздух направляется из реактора в верхнюю часть отгонной колонны, нижняя часть отгонной колонны исключается из пассивирующего действия, оказываемого указанным воздухом, который смешивается во время фазы отсоса компрессора CO₂ и направляется в реактор через компрессор.

По этой причине литература описывает необходимость осуществления специальной инжекции воздуха в нижней части отгонной колонны посредством компрессоров, специально предназначенных для этой цели.

Это решение, однако, требует дополнительных специальных устройств, то есть компрессоров, которые, в дополнение к затратам на них, требуют также периодических вмешательств для обслуживания.

Предлагаются альтернативные процедуры для введения пассивирующего агента (в частности, воздуха или кислорода при низких концентрациях), имеющие целью исключить использование дополнительных средств прокачки высокого давления, такие, например, как схема, описанная в Международный заявке на патент № WO08/141832, в которой часть свежего диоксида углерода, содержащего пассивирующий воздух, вводится после сжатия в нижнюю часть отгонной колонны, где она оказывает пассивирующее воздействие на поверхности, больше всего экспонируемые для коррозии.

Хотя этот подход исключает использование отдельной прокачки пассивирующего воздуха, он, однако требует тщательного контроля технологических условий в цикле синтеза с автоматической отгонкой на основе NH₃ из-за пониженного количества CO₂, направляемого в реактор.

Теперь авторами обнаружен способ, который преодолевает указанные выше недостатки, в частности, недостатки современного уровня техники, в то же время, дополнительно оптимизируя способ синтеза мочевины.

Следовательно, цель настоящего изобретения относится к улучшенному способу получения мочевины из аммиака и диоксида углерода при высоком давлении и температуре, с образованием карбамата аммония в качестве промежуточного продукта, который включает секцию синтеза, включающему следующие стадии:

(i) взаимодействие аммиака и диоксида углерода при общем давлении, находящемся в пределах от 12 до 20 МПа, при молярном отношении NH₃/CO₂, самого по себе или в форме карбамата аммония, находящемся в пределах от 2,1 до 6, предпочтительно, от 2,8 до 4,5, на стадии реакции, осуществляемой в соответствующем вертикальном реакторе R, в который вводится, по меньшей мере, один поток аммиака и, по меньшей мере, один поток свежего диоксида углерода, содержащий пассивирующий агент в таком количестве, что его эквивалентное содержание кислорода составляет, по меньшей мере, 0,1%, предпочтительно, от 0,15 до 0,30% в молях, по отношению в молям диоксида углерода, с образованием первой жидкой смеси, содержащей мочевину, карбамат аммония, воду и аммиак, находящейся в равновесии жидкость/пар с газовой фазой, содержащей, по меньшей мере, часть пассивирующего агента;

(ii) перенос указанной первой жидкой смеси, по меньшей мере, на одну стадию разложения-отгонки, осуществляемую в соответствующем вертикальном устройстве, называемом отгонной колонной (S), работающем при давлении, по меньшей мере, на 0,1 МПа, предпочтительно, на 0,2-2,0 МПа, более предпочтительно, на 0,5-1,5 МПа, ниже, чем давление на указанной стадии реакции (i);

(iii) нагрев указанной первой жидкой смеси на указанной стадии разложения-отгонки, для осуществления разложения части карбамата аммония на аммиак и диоксид углерода, и одновременного воздействия на указанную жидкую смесь отгонки, предпочтительно используя аммиак в качестве газа для отгонки, с образованием первой газовой смеси, содержащей аммиак и диоксид углерода, и второй жидкой смеси, содержащей мочевину, воду, аммиак и неразложившуюся часть карбамата аммония;

(iv) перенос, по меньшей мере, части, а предпочтительно, всей указанной первой газовой смеси, по меньшей мере, на одну стадию конденсации, работающую по существу при таком же давлении, как и стадия разложения-отгонки (iii), и конденсацию переносимой газовой фазы, с образованием третьей жидкой смеси, содержащей карбамат аммония, воду и аммиак;

(v) перенос указанной третьей жидкой смеси и возможной остающейся части указанной первой газовой смеси на стадию реакции (i);

отличающемуся тем, что, по меньшей мере, часть указанной газовой фазы, находящейся в равновесии с первой жидкой смесью со стадии (i), отделяется в сепараторе газ-жидкость (D1), расположенном после реактора (R) и работающем по существу при таком же давлении, с образованием второй газовой смеси, содержащей пассивирующий агент, который вводится в нижнюю секцию указанной отгонной колонны (S).

Другая цель настоящего изобретения относится к секции установки для получения мочевины посредством прямого синтез из аммиака и диоксида углерода, пригодной для осуществления указанного выше улучшенного способа.

В настоящем описании, термин "нагрев или нагретый", относящийся к жидкому и/или газообразному потоку или смеси, указывает на то, что указанный поток или смесь подвергается воздействию повышения температуры.

В соответствии со способом по настоящему изобретению, который обычно осуществляется как непрерывный в соответствующей установке или секции установки, свежие аммиак и диоксид углерода непрерывно вводятся в установку для компенсации соответствующего количества реагентов, используемых для образования мочевины, которая получается на выходе конечной секции разделения и очистки установки. Аммиак и диоксид углерода, не преобразованные в мочевину в реакционной секции, почти полностью извлекаются на следующих далее стадиях разделения при понижении давления и полностью рециклируются в реакционную секцию. Следовательно, способ в соответствии с настоящим изобретением принадлежит к так называемому типу "полного рециклирования".

Все оборудование, вступающее в контакт с коррозивными смесями, содержащими аммиак, воду, карбамат аммония и диоксид углерода, сами по себе или в смеси друг с другом, как правило, состоит из коррозионностойких металлов или сплавов в соответствии с нормальными конструкционными стандартами для этого типа установок, хорошо известными специалистам в данной области, или покрываются ими. В частности, металлические стенки, находящиеся в контакте с этими коррозивными смесями, предпочтительно изготавливаются из титана или циркония или из их сплава, или из одной из пригодных для использования нержавеющих сталей, известных специалистам в данной области, таких, например, как сталь AISI316L (сорта, пригодного для мочевины), нержавеющей стали 25/22/2 Cr/Ni/Mo, специальные аустенитно-ферритные стали, аустенитные стали с низким содержанием феррита, и тому подобное. Как рассмотрено ранее, эти материалы, в особенности, нержавеющие стали, являются особенно стойкими по отношению к коррозивному воздействию солей, таких как карбамат аммония, при высоких давлениях и температурах, когда на их поверхностях можно сформировать и поддерживать тонкий слой (обычно имеющий толщину меньше чем 1 микрон) стабильного оксида, и по этой причине они требуют постоянного присутствия в течение всего способа соответствующего количества пассивирующего агента, то есть окислителя, который ограничивает деградацию поверхностного оксида и, возможно, восстанавливает его присутствие.

Свежий аммиак может вводиться непосредственно на стадию реакции (i), но предпочтительно используется, по меньшей мере, частично, в качестве рабочей жидкости в одном или нескольких эжекторах, чтобы обеспечить необходимое усилие для переноса, в соответствии со стадией (v), указанной третьей жидкой смеси, содержащей карбамат аммония, поступающей со стадии конденсации (iv). В установке для непрерывного осуществления способа по настоящему изобретению, поток свежего аммиака, обычно, смешанный с частью рециклированного аммиака, предпочтительно сжимают при давлении на 2-10 МПа выше, чем в реакторе и нагревают до температуры, находящейся в пределах от 30 до 130°C, более предпочтительно, от 80 до 120°C, в соответствии с тем, что известно в данной области, а затем вводят в эжектор, где он смешивается с указанной третьей жидкой смесью и захватывает ее. При указанных выше условиях давления и температуры, аммиак, сам по себе или смешанный с водой или карбаматом аммония, обычно находится в жидком состоянии.

Альтернативно, или, также, одновременно с его использованием в эжекторах, свежий аммиак может частично направляться (предпочтительно, это не превышает 30% масс) в отгонную колонну в качестве текучей среды для отгонки в дополнение к той, которая образуется in situ посредством испарения из первой жидкой смеси, и/или непосредственно направляться в конденсор.

В способе в соответствии с настоящим изобретением, где на стадии реакции (i) используют избыток аммиака по отношению к стехиометрическому отношению с диоксидом углерода, необходимым для получения карбамата аммония и, как следствие, с мочевиной (2/1 в молях), поток, покидающий реактор и, в целом, большинство жидких потоков, образующихся в способе, обычно содержат избыток аммиака. В настоящем описании упоминают композицию этих жидких потоков и смесей, обычно предполагая, что весь диоксид углерода находится в форме карбамата аммония и оставшийся избыток аммиака находится в форме свободного аммиака или, проще, аммиака.

В соответствии с настоящим изобретением, свежий CO₂ предпочтительно вводят непосредственно в реактор, даже если имеются варианты способа, в которых до 50% CO₂ могут вводиться в другие стадии способа, например, в конденсор, и на одну или несколько стадий разделения непреобразовавшихся реагентов.

Поток свежего CO₂, поступающий в реактор, имеет температуру, которая обычно находится в пределах от 100 до 200°C, предпочтительно, от 110 до 140°C. Эта температура предпочтительно достигается без внешних источников тепла, но используя тепло, получаемое на стадиях сжатия, в соответствии с известными технологиями.

В соответствии с настоящим изобретением, свежий CO₂, поступающий в реактор, содержит пассивирующий агент в таком количестве, что его эквивалентное содержание O₂ в молях равно, по меньшей мере, 0,1%, предпочтительно, от 0,15 до 0,30% в молях, по отношению к молям диоксида углерода. Указанный пассивирующий агент обычно представляет собой окислитель, который может предпочтительно выбираться из воздуха, кислорода, озона, воздуха, обогащенного O₂, перекиси водорода или их смесей, предпочтительно, из воздуха или воздуха, обогащенного кислородом. Указанный пассивирующий агент соответствующим образом добавляют к свежему поступающему CO₂ перед первой из обычных фаз сжатия или во время нее для доведения газа до рабочего давления реактора.

Когда пассивирующий агент состоит из воздуха или обогащенного воздуха, определенное количество инертных газов (таких как азот, аргон и тому подобное) также вводится в реактор и добавляется к тем, которые, возможно, присутствуют как примеси в аммиаке, таким как метан или водород. Такие газы, даже если они присутствуют в относительно малых количествах, могут преимущественно играть значительную роль в регулировке равновесия жидкость/пар и в качестве дополнительных захватывающих текучих сред при операциях испарения и отгонки.

Термин "эквивалентное содержание O₂", как используется в настоящем документе, при упоминании пассивирующего агента, определяет количество O₂ в молях, которое должно использоваться вместо пассивирующего агента для получения такого же преобразования в реакции окисления-восстановления. Оно соответствует молям O₂ в случае воздуха и кислорода и половине от молей H₂O₂, и 3/2 от молей озона.

Способ в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно включает фазу синтеза мочевины, при которой молярное отношение аммиак/диоксид углерода на стадии реакции находится в пределах от 2,8 до 4,5, более предпочтительно, от 3,0 до 4,0. Как показано, это отношение не соответствует молярному отношению между NH₃ и CO₂, когда они вводятся свежими, которое составляет примерно 2 (в соответствии со стехиометрическим значением в соответствии с реакцией (1)) в типичном способе с полным рециклированием. Реактор для синтеза обычно работает при температурах, находящихся в пределах от 150 до 215°C, предпочтительно, от 160 до 195°C, и при давлениях, находящихся в пределах от 12 до 20 МПа, предпочтительно, от 14 до 18 МПа. Регулирование температуры реактора при желаемом значении может осуществляться, следуя одному из способов, известных в данной области, например, в дополнение к рассмотренному нагреву потока аммиака и/или диоксида углерода при введении посредством снабжения реактора нагревательным сопротивлением или посредством направления части газов, покидающих отгонную колонну, непосредственно в реактор.

Вертикальный реактор обычно содержит цилиндрический корпус, который разделен в его внутреннем пространстве на расположенные друг над другом секторы, которые сообщаются посредством различных тарелок типа, выбранного из устройств, известных в данной области, с тем, чтобы получить оптимальные условия для поршневого потока, также и в присутствии двухфазных систем.

Реактор может также содержать различные реакционные зоны, соответствующим образом соединенные друг с другом, возможно, имеющие различные потоки исходных материалов.

Реактор должен иметь удерживание жидкости, которое является таким, чтобы сделать возможным время пребывания в нем, находящееся в пределах от нескольких минут до нескольких десятков минут, чтобы дать возможность карбамату аммония, образующемуся посредством реакции аммиака с диоксидом углерода на стадии конденсации и/или в этом же реакторе, для дегидратации до мочевины, до тех пор, пока не будет достигнута равновесная композиция.

Реакционную смесь собирают из верхней секции реактора, обычно, посредством перетока (T), соединенного с проходом, который уходит вниз, по меньшей мере, частично, внутри реактора, таким образом, чтобы не потребовались толстые удерживающие стенки высокого давления, с выходом, впоследствии, из реактора на соответствующей высоте, чтобы соединиться с сепаратором газ-жидкость D1.

При рассмотренных выше условиях аммиак, диоксид углерода и карбонат аммония, поступающие вместе с третьей жидкой смесью или образующиеся в реакторе в соответствии с реакцией (1a), взаимодействуют с образованием мочевины, для которой преобразование при равновесии в любом случае не превышает 80% и обычно составляет меньше чем 70% для теоретического выхода по отношению к CO₂. В верхней секции реактора (R), следовательно, образуется двухфазная смесь, состоящая из указанной первой жидкой смеси, находящейся в равновесии с газовой фазой, содержащей, по меньшей мере, часть пассивирующего агента. В зависимости от условий давления и температуры в реакторе и от композиции двухфазной смеси, можно регулировать, в соответствии с физико-химическими параметрами, хорошо известными специалистам в данной области, относительное количество газа и жидкости, присутствующих в равновесии в реакторе, определяя, таким образом, наиболее пригодное для использования количество газовой фазы, доступной для направления в качестве второй газовой смеси на следующую далее стадию разделения и отгонки.

В соответствии с неограничивающим предпочтительным аспектом настоящего изобретения, двухфазная смесь, собранная из реактора посредством перетока, содержит количество газовой фазы, не превышающее чем 5% масс, более предпочтительно, составляет от 1 до 4% масс, по отношению к массе жидкой фазы. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, однако, посредством работы в реакторе при более высоком уровне температуры (температура в верхней части находится в пределах от 190 до 200°C), газовая фаза может быть получена также в количестве до 10% масс по отношению к массе жидкой фазы, в частности, это должно исследоваться, если вторая газовая фаза направляется в нижнюю часть отгонной колонны (S) с дополнительной функцией агента для отгонки, в дополнение к функции пассивирования.

Термин "пассивирующий агент", как используется в настоящем описании и формуле изобретения, относится как к пассивирующему агенту, вводимому на стадии (i) вместе с потоком свежего диоксида углерода, так и к окислительным/пассивирующим продуктам, полученным из него, таким, например, как кислород, полученный при разложении озона или пероксида, изначально поступающего в реактор.

Фундаментальное преимущество улучшенного способа в соответствии с настоящим изобретением заключается в том, что он делает возможной оптимизацию работы отгонной колонны без использования дополнительной прокачки пассивирующего агента и одновременной регулировки его дозирования в нижней части отгонной колонны.

Во-вторых, настоящий способ делает возможным протекание пассивирующего агента в нижнюю часть отгонной колонны и простую эффективную регулировку рабочих условий стадии разделения после реактора, с помощью регулировки разности давлений между стадией реакции (i) и стадией разложения и отгонки (iii). Это предпочтительно достигается с помощью объединенного использования двух редукционных клапанов давления (для понижения давления), расположенных после сепаратора D1.

Настоящий способ также имеет то преимущество, что он легко и неожиданно осуществляется посредством применения нескольких простых модификаций существующей традиционной установки, при условии, что она имеет стадию отгонки высокого давления. В частности, достаточно модифицировать установку таким образом, чтобы направлять на указанную стадию отгонки газовый поток, отделенный от эффлюента из реактора и регулируемый с помощью клапана, при давлении чуть ниже, чем для последнего.

Другое преимущество заключается в возможности использования отгонных колонн, изготовленных из материала любой стойкой к мочевине стали.

В соответствии с настоящим изобретением, указанная двухфазная смесь, покидающая реактор, предпочтительно, через переток, направляется в фазовый сепаратор газ-жидкость, где газовая фаза отделяется от жидкости и вводится в качестве второй газовой смеси в нижнюю часть вертикальной отгонной колонны (S), в то время как остающаяся жидкая смесь, образующаяся указанную первую жидкую смесь, вводится в верхнюю область этой же отгонной колонны.

Указанная вторая газовая смесь (или поток) содержит, по меньшей мере, часть пассивирующего агента, предпочтительно, от 60 до 100%, более предпочтительно, от 60 до 95% (обычно на этой стадии, кислорода), оставшаяся часть растворяется в первой жидкой смеси, поступающей в верхнюю часть отгонной колонны. Указанная вторая газовая смесь, однако, не обязательно имеет такую же композицию, как и газовая фаза, присутствующая в реакторе, но соответствует композиции в равновесии, образующейся в сепараторе (D1).

В дополнение к пассивирующему агенту, вторая газовая смесь содержит большую часть инертных газов, таких как азот, аргон, и микроскопические количества метана или водорода, вводимых в способ различными путями, например, вместе с пассивирующим воздухом или как примеси в поступающих газах. Дополнительные количества инертных газов могут также вводиться в качестве газов для отгонки. Вторая газовая смесь также содержит преобладающую часть газообразного аммиака, в дополнение к меньшим количествам CO₂ и, возможно, водяных паров.

Указанная вторая газовая смесь, собранная из сепаратора D1 и поступающая в нижнюю секцию отгонной колонны (S), предпочтительно имеет температуру, находящуюся в пределах от 170 до 200°C и составляет процент массовый не выше чем 5%, более предпочтительно, составляет от 1 до 4% масс, по отношению к массе первой жидкой смеси, поступающей в верхнюю секцию отгонной колонны.

Сепаратор газ-жидкость (D1) принадлежит к типу, обычно используемому в данной области для этой цели, и содержит простой полый цилиндрический корпус, имеющий относительно малые размеры, достаточные для того, чтобы сделать возможным разделение фаз. Двухфазная смесь, поступающая из реактора, вводится на некоторой промежуточной высоте, которая может индифферентно находиться выше или ниже уровня жидкости, который регулируется соответствующим образом посредством клапана (V2), расположенного на потоке жидкости после сепаратора. Газовую смесь собирают из верхней области, а жидкую смесь из нижней области.

В соответствии с настоящим изобретением, для переноса на указанную стадию разложения-отгонки (iii) понижают давление, как указанной первой жидкой смеси, так и указанной второй газовой смеси до рабочего давления отгонной колонны (S), которое отличается от давления стадии реакции в соответствии с тем, что указано выше, в соответствии со стадией (ii). Это достигается соответствующим образом посредством прохождения каждой из указанных выше смесей (или потоков) через редукционное устройство для понижения давления, предпочтительно, через клапан.

В частности, давление и скорость потока указанной второй газовой смеси, поступающей в нижнюю секцию (донную секцию) отгонной колонны, и, как следствие, разность давлений между реактором и отгонной колонной регулируют посредством первого клапана (V1).

Скорость потока первого потока жидкости и, как следствие, уровень жидкости в сепараторе (D1), с другой стороны, регулируется посредством второго клапана (V2).

Специалист в данной области может соответствующим образом контролировать и регулировать количество газовой смеси, поступающей в нижнюю часть отгонной колонны, посредством объединенного использования двух рассмотренных выше клапанов, оптимизируя, таким образом, осуществление стадии разложения-отгонки (iii). Клапаны, пригодные для этой функции, такие, например, как двухстворчатый обратный клапан, изготовленные соответствующим образом и имеющие соответствующие размеры по отношению к потокам, рабочим давлениям и природе используемых текучих сред, являются коммерчески доступными и могут быть обнаружены специалистами в данной области.

В соответствии с настоящим изобретением, стадия разложения-отгонки (iii) удобным образом осуществляется в вертикальной отгонной колонне (S), обычно нагреваемой посредством непрямого теплообмена с парами высокого давления. Отгонная колонна (S) предпочтительно содержит распределительную камеру в верхней части, расположенную в верхней области, в которую вводится указанная первая жидкая смесь, и камеру для сбора, расположенную в нижней области, в которую вводится указанный второй газовый поток, при использовании, они соединены между собой с помощью связки труб, расположенной вертикально, так что жидкая смесь, которая должна обрабатываться, образует при падении почти однородную жидкую пленку вдоль стенок труб. Распределительная камера в целом располагается в 20% верхней секции отгонной колонны, а камера для сбора - в нижних 20%.

Температура отгонной колонны в верхней секции обычно находится в пределах от 170 до 210°C, предпочтительно, от 180 до 200°C, также называемой верхней частью, при этом она находится в пределах от 180 до 220°C, предпочтительно, от 190 до 210°C в нижней секции, также называемой нижней частью. Давление, предпочтительно, на 0,2-2,0, более предпочтительно, на 0,5-1,5 МПа ниже, чем давление в реакторе.

При указанных выше условиях, карбамат аммония имеет тенденцию к быстрому разложению с образованием аммиака и диоксида углерода, в то время как мочевина, уже образовавшаяся в реакторе, остается по существу неизменной. Отгонку осуществляют с использованием аммиака в качестве газа для отгонки. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, стадию разложения-отгонки осуществляют с использованием в качестве газа для отгонки того же аммиака, присутствующего в избытке в потоке, покидающем реактор. Дополнительные подробности этой предпочтительной технологии можно найти, например, в патенте US 3876696, содержание которого прилагается к настоящему документу в качестве ссылки. Это последняя технология называется "автоматическая отгонка".

Первая газовая смесь, образующаяся на стадии разложения-отгонки и поступающая, по меньшей мере, частично, на стадию конденсации (iv), содержит избыток аммиака, в дополнение к CO₂, полученному от разложения большей части карбамата аммония, не преобразующегося в реакторе, и, необязательно, малое количество воды. Она также содержит возможные инертные газы и пассивирующий агент, содержащийся в потоках исходных материалов из отгонной колонны. В соответствии с настоящим изобретением, вся первая газовая смесь предпочтительно переносится на стадию конденсации, однако, когда это необходимо, специалист в данной области может принять решение о переносе части, не превышающей 20% указанной газовой смеси, с высоким содержанием тепла непосредственно в реактор, для регулирования его баланса энергии.

Стадию конденсации (iv) обычно осуществляют в соответствующих конденсорах, например, типа связки труб или поверхностного типа, в которых тепло конденсации используют для нагрева других текучих сред. Тепло конденсации предпочтительно используют для получения паров, но оно может также использоваться, в соответствии с определенными вариантами, известными в данной области, для снабжения теплом одной из следующих далее стадий разложения карбамата аммония при среднем или низком давлении.

Стадия конденсации (iv) может осуществляться при обычных условиях (температуры, давления и композиции), принятых в известных способах, при условии, что они являются такими, чтобы предотвратить образование твердого карбамата аммония в конденсоре и/или в линиях, выходящих из него. Давление в конденсоре (C) является по существу таким же, как в отгонной колонне (S) или на 100-200 кПа ниже.

Третью жидкую смесь, образующуюся на стадии конденсации, переносят в реактор (R), и она по существу образует рециклирование реагентов, не преобразованных в мочевину. Когда стадия реакции (i) осуществляется при давлении более высоком, чем на стадии (iv), перенос третьей жидкой смеси в реактор в соответствии со стадией (v) способа по настоящему изобретению соответствующим образом включает фазу рекомпрессии. Это может осуществляться посредством прокачки, но как обнаружено, более удобным является, из-за имеющихся различий давления, использование усилия эжектора, в который поступает поток чистого аммиака высокого давления, содержащий свежий аммиак в исходных материалах и, возможно, поток жидкого аммиака, поступающий из секции очистки мочевины.

Инертные продукты и пассивирующий кислород, переносимый на стадию конденсации вместе с первой газовой смесью, не конденсируются и остаются как газовая фаза, которая может удаляться непосредственно из конденсора (C), но предпочтительно отделяется во втором сепараторе (D2), расположенном после конденсора. Поток инертных и пассивирующих продуктов, полученный таким образом, который, как правило, содержит также аммиак и/или CO₂ в отношении, соответствующем равновесию жидкость-пар по отношению к этой третьей жидкой смеси, может продуваться из установки или удобным образом направляться в следующие далее секции разделения и очистки мочевины, где пассивирующий агент может по-прежнему вносить вклад в поддержание эффективной коррозионной стойкости экспонируемых материалов.

Выделение и очистка мочевины из аммиака и карбамата аммония, по-прежнему присутствующего во второй жидкой смеси, полученной на стадии разложения-отгонки (iii), осуществляются в следующих далее секциях разложения и отделения, работающих при среднем (от 1,1 МПа до 2,5 МПа) и/или низком (от 0,2 МПа до 0,8 МПа) давлении. Эта стадия разделения может осуществляться с использованием любого из способов, описанных в специальной литературе в этой области, которые делают возможным получение потока рециклированной жидкости, содержащего водный раствор карбамата аммония и аммиака, который должен быть получен, и возможно, также потока, состоящего в основном из аммиака.

Соответствующие секции разделения и очистки, например, соответствуют тем, которые схематически представлены на фигурах 1-5 публикации "Encyclopaedia of Chemical Technology", рассмотренной ранее.

Мочевина, отделенная таким образом от карбамата аммония и аммиака, как правило, получается как водный раствор, который подвергают воздействию конечной стадии дегидратирования в вакууме (до 0,001 МПа), с получением, с одной стороны, воды, а с другой, по существу чистой мочевины, направляемой в обычные способы гранулирования, и тому подобное.

Стадия отделения и очистки мочевины также включает стадию конечного дегидратирования и секцию очистки сточных вод, покидающих установку синтеза.

Различные жидкие или двухфазные потоки, содержащие карбамат аммония, поступающие из различных подсекций стадии разделения и очистки (от разложения карбамата при среднем и низком давлении, повторной конденсации карбамата, дегидратирования мочевины, очистки сточных вод), собирают в один рециклированный поток, как правило, состоящий из водного раствора карбамата аммония, который направляют, после соответствующего сжатия, обычно, с помощью насоса, в конденсор высокого давления, где имеет место рассмотренная выше стадия конденсации (iv). Насос, используемый для этой цели, выбирается специалистом в данной области на основе необходимых скоростей потоков из тех, которые обычно доступны на рынке, такие, например, как возвратно-поступательные насосы, центрифуги или дозаторы. Рециклированная жидкая смесь способствует конденсации при высоком давлении на стадии (iv), а затем рециклируется в реактор как часть указанной третьей жидкой смеси.

Способ в соответствии с настоящим изобретением дополнительно иллюстрируется в соответствии со схемой, представленной на Фигуре 1, относящейся к предпочтительному варианту осуществления секции синтеза мочевины с высоким давлением и температурой.

Детали и возможное оборудование, такое как насосы, клапаны, сенсоры, и тому подобное, которые не являются значимыми для полного понимания схематизированного способа, не показаны на указанной выше Фигуре 1. Способ в соответствии с настоящим изобретением ни в коем случае не должен рассматриваться как ограниченный тем, что описано на прилагаемой фигуре, которая имеет чисто иллюстративную цель.

Схема на Фигуре 1 иллюстрирует реактор (R), который соединен через переток (T) и линию 4 с сепаратором газ/жидкость (D1), в свою очередь, соединенным из своей нижней секции, обычно, из нижней части, с отгонной колонной (S) через линии 5 и 13 для переноса жидкой смеси продуктов реакции, между ними располагается редукционный клапан для понижения давления (V2). Отделенная газовая фаза (второй газовый поток) переносится из верхней секции (верхняя часть) этого же сепаратора (D1) в нижнюю секцию отгонной колонны (S) через линии 6 и 14, между которыми располагается редукционный клапан для понижения давления (V1). Указанная отгонная колонна (S) соединяется снизу через линию 7, с секцией разделения и очистки мочевины, не показанной на Фигуре, из которой, через линию 9, раствор карбамата аммония рециклируется в конденсор (C), возможно, вместе с потоком почти чистого жидкого аммиака, который добавляется к потоку поступающего свежего аммиака, направляемого в эжектор (E) через линию 1. Выход для газов из отгонной колонны (S) соединен с конденсором (C) через линию 8. Выход конденсора (C) представлен с помощью линии 10, которая затем соединяется с сепаратором (D2), из верхней части которого инертные газы удаляются вместе с продувочным газом через линию 11, и из нижней части которого выходит линия 12, которая переносит входной поток рециклируемого продукта (третья жидкая смесь) в реактор (R) через эжектор (E) и линию для исходных материалов 3.

Способ в соответствии с настоящим изобретением может осуществляться в установке, имеющей указанные выше характеристики, снабженной секцией синтеза, содержащей оборудование и соединения, показанные выше со ссылками на схему Фигуры 1.

Другая цель настоящего изобретения, следовательно, относится к установке для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, содержащей секцию синтеза, в которой вертикальный реактор (R) находится в сообщении текучих сред с вертикальной отгонной колонной (S) с падающей пленкой жидкости, принадлежащей к типу со связкой труб, отличающейся тем, что сепаратор газ-жидкость (D1) расположен между указанным реактором и указанной отгонной колонной, указанный сепаратор присоединен на одной стороне к верхней части реактора (R), от которой генерируются две линии в сообщении текучих сред с указанной отгонной колонной (S), так что транспортная линия для газовой смеси соединяет верхнюю часть указанного сепаратора (D1) с нижней секцией отгонной колонны (S), а транспортная линия для жидкой смеси соединяет нижнюю часть указанного сепаратора (D1) с верхней секцией отгонной колонны (S). Между указанным сепаратором (D1) и указанной отгонной колонной (S) также, предпочтительно, располагаются два редукционных устройства для понижения давления, предпочтительно, два клапана (V1) и (V2), каждый, соответственно, на одной из двух линий в сообщении текучих сред указанного оборудования.

Эта установка может быть получена целиком, начиная с новой конструкции, или ее можно просто и удобно получить посредством модификации существующей установки для синтеза мочевины, снабженной отгонной колонной, пригодной для работы при условиях автоматической отгонки с использованием сепаратора газ-жидкость (D1) после реактора (R), соединенного с отгонной колонной (S) посредством двух линий, так что верхняя линия для переноса газовой смеси соединена с нижней секцией отгонной колонны через первое редукционное устройства для понижения давления, предпочтительно, через клапан (V1), а нижняя линия для переноса (первой) жидкой смеси соединена с верхней секцией отгонной колонны через второе редукционное устройство для понижения давления, предпочтительно, через клапан (V2).

Следовательно, другая цель настоящего изобретения относится к способу улучшения существующего способа получения мочевины, начиная с аммиака и диоксида углерода, с промежуточным получением карбамата аммония, который работает с помощью секции синтеза высокого давления, включающему:

стадию реакции, осуществляемую в вертикальном реакторе (R), в который вводится, по меньшей мере, поток свежего диоксида углерода и, по меньшей мере, поток жидкого аммиака, работающем при общем давлении, находящемся в пределах от 12 до 20 МПа, при молярном отношении NH₃/CO₂, самого по себе или в форме карбамата аммония, находящемся в пределах от 2,1 до 6, предпочтительно, от 2,8 до 4,5, с образованием выходящей жидкой смеси в верхней зоне реактора, содержащей мочевину, воду, аммиак и непреобразованный карбамат аммония;

стадию разложения-отгонки карбамата аммония в указанной жидкой смеси с отделением газового потока, содержащего диоксид углерода и аммиак, образующиеся таким образом, осуществляемую в соответствующем вертикальном устройстве со связками труб, называемом отгонная колонна (S), расположенном после указанного реактора (R); и

стадию конденсации в конденсоре (C) газового потока, покидающего указанную отгонную колонну (S), с образованием жидкого потока, содержащего карбамат аммония, поступающий как рециклированный продукт, в указанный первый реактор,

отличающемуся тем, что он включает следующие операции:

(a) введение пассивирующего агента в указанный поток диоксида углерода, поступающий в реактор, предпочтительно, перед фазой сжатия до давления реактора, в таком количестве, что его эквивалентное содержание кислорода составляет, по меньшей мере, 0,1%, предпочтительно, от 0,15 до 0,30%, в молях, по отношению к молям диоксида углерода,

(b) регулирование условий давления и температуры реактора таким образом, что образуется газовая фаза, по меньшей мере, в его верхней зоне, содержащая, по меньшей мере, часть пассивирующего агента в равновесии жидкость-пар с указанной жидкой смесью;

(c) расположение сепаратора газ-жидкость (D1) между указанным реактором (R) и указанной отгонной колонной (S), работающего по существу при таком же давлении как реактор, для образования второй газовой смеси, содержащей, по меньшей мере, часть пассивирующего агента, который вводится в нижнюю секцию указанной отгонной колонны (S), оставшаяся жидкая смесь поступает в верхнюю секцию этой отгонной колонны;

(d) установление рабочих условий указанной стадии разложения-отгонки в отгонной колонне (S), так что она осуществляется при давлении, по меньшей мере, на 0,1 МПа, предпочтительно, на 0,2-2,0 МПа, более предпочтительно, на 0,5-1,5 МПа ниже, чем для указанной стадии реакции.

В предпочтительном варианте осуществления указанного способа улучшения (или переделки, в соответствии с более широко используемым английским термином), два редукционных устройства для понижения давления размещают между указанным сепаратором (D1) и указанной отгонной колонной (S), предпочтительно, это два клапана типа (V1) и (V2), описанных выше, работающих на потоках, поступающих в отгонную колонну, соответственно, состоящих из указанной второй газовой смеси и указанной жидкой смеси.

Обращаясь к Фигуре 1, здесь описываются теперь некоторые варианты осуществления способа по настоящему изобретению, указанное описание ни в коей мере не ограничивает общие рамки настоящего изобретения.

В следующем далее примере, приводятся композиции различных потоков с предпочтением для основных компонентов, мочевины, аммиака, диоксида углерода и воды, независимо от того факта, что диоксид углерода и аммиак могут присутствовать в жидких потоках в одной из солевых форм, указанных ранее. Воздух и инертные продукты одинаковым образом указываются с помощью термина "воздух", поскольку потребление кислорода при условиях режима в цикле синтеза является почти пренебрежимым.

Пример

Осуществляют способ синтеза мочевины, который работает в соответствии с настоящим изобретением, на основе схемы, показанной на Фигуре 1, в которой газовой поток, содержащий CO₂, NH₃ и соответствующее количество O₂ в качестве пассивирующего агента, вводится в основание отгонной колонны (S), в дополнение к инертным продуктам и микроскопическим количествам воды, поступающим из установки разделения газ-жидкость (D1). Никаких дополнительных количеств воздуха или другого пассивирующего агента не вводится отдельно в нижнюю часть отгонной колонны или в другие части установки. Упоминается схема, показанная на Фигуре 1, и номинальная производительность 1000 кг/час мочевины. Примеси, присутствующие при скоростях потока ниже, чем 0,5 кг/час, такие, например, как водород, гелий, биурет, соли металлов, игнорируются.

Следующие продукты вводятся соответственно в реактор (R):

- 730 кг/час CO₂ и 8 кг/час воздуха через линию 2, как газовой поток при 120°C и 16,3 МПа;

- 492 кг/час CO₂, 1700 кг/час NH₃ и 300 кг/час воды через линию 3, как раствор карбамата аммония при 130°C и 16,3 МПа, полученный от объединения через эжектор (E), 790 кг/час по существу чистого жидкого NH₃ через линию 1 с рециклированным раствором карбамата аммония через линию 12, содержащим 492 кг/час CO₂, 910 кг/час NH₃ и 300 кг/час воды.

Термин воздух относится в настоящем примере к смеси газов, соответствующей средней композиции сухого воздуха на уровне моря, в основном, содержащего 75,4% масс азота, 23,2% масс кислорода, 1,4% масс аргона, другие газы присутствуют при пренебрежимых количествах. Воздух вводится в первую ступень компрессора для свежего CO₂ (на фигуре не показан).

Реактор (R), по существу адиабатический и принадлежащий к традиционному типу, достигает в области верхней части давления примерно 16,0 МПа и температуры реакционной смеси 190°C. При этих условиях, реакционная смесь находится в жидком состоянии примерно на 97% масс.

Двухфазный поток 4, высвобождаемый из перетока (T) реактора (R) по существу при таком же давлении и температуре, содержащий всю получаемую мочевину, направляется в сепаратор газ-жидкость (D1). В частности, он характеризуется следующей композицией:

Мочевина = 1000 кг/час

H₂O = 600 кг/час

CO₂ = 489 кг/час

NH₃ = 1133 кг/час

Воздух = 8 кг/час

Сепаратор (D1) по существу работает при таком же давлении и температуре, как и в верхней части реактора (R). Он содержит вертикальный цилиндрический корпус, снабженный автоматическим детектированием уровня жидкости.

Жидкий поток (первая жидкая смесь) собирается из нижней части сепаратора (D1) через линию 5 и имеет следующую композицию:

Мочевина = 1000 кг/час

H₂O = 600 кг/час

CO₂ = 487 кг/час

NH₃ = 1083 кг/час

Воздух = 1 кг/час

Указанный поток доводят до давления 15,1 МПа и температуры 188°C через клапан (V2), состоящий из автоматического контрольного клапана типа двухстворчатого обратного клапана, активируемого относительно уровня детектора в сепараторе (D1), а затем вводится в верхнюю часть отгонной колонны (S) через линию 13.

Газовый поток (вторая газовая смесь), состоящая из 2 кг/час CO₂, 50 кг/час NH₃ и 7 кг/час воздуха, собирается из верхней части сепаратора (D1) через линию 6. Указанная газовая смесь расширяется через клапан (VI) до давления 15,1 МПа и температуры 188°C и вводится в нижнюю секцию отгонной колонны (S) через линию 14, предпочтительно, на высоте выше уровня жидкости в нижней части отгонной колонны.

Газовой смесь, поступающая в нижнюю часть отгонной колонны, содержит большую часть пассивирующего кислорода, вводимого в реактор, и по существу все инертные газы. Таким путем она может оптимально распределяться в камере для сбора нижней части отгонной колонны и может осуществлять двойное действие отгонки и пассивирования, начиная из металлических стенок, экспонируемых для наиболее экстремальных условий коррозии, поскольку температура там является самой высокой (выше 200°C, в промышленных установках, используемых в настоящее время).

Отгонная колонна (S) работает при 15,1 МПа и при температуре в нижней части 207°C, при условиях автоматической отгонки. Оборудование состоит из обычной вертикальной отгонной колонны со связками труб, имеющей соответствующий объем, с трубами и внутренним покрытием из нержавеющей стали 25/22/2 Cr/Ni/Mo для использования в секции синтеза мочевины, их структура и конструкционные характеристики хорошо известны специалистам в данной области и широко описаны в специальной технической литературе.

Газовой поток (первая газовая смесь) высвобождается из верхней части отгонной колонны (S), при 190°C и 15,1 МПа, и вводится в конденсор (C) через линию 8, он характеризуется следующей композицией:

CO₂ = 374 кг/час

NH₃ = 618 кг/час

H₂O = 102 кг/час

Воздух = 8 кг/час

Жидкий поток 7 высвобождается из нижней части отгонной колонны (S), он состоит из:

Мочевины = 1000 кг/час

H₂O = 498 кг/час

CO₂ = 115 кг/час

NH₃ = 515 кг/час

Он направляется на следующие далее стадии очистки и концентрирования мочевины, не показанные на Фигуре для простоты. Они по существу состоят из типичных секций разделения среднего и низкого давления и из секции концентрирования традиционного способа получения мочевины SNAMPROGETTI, общая схема которого приводится, например, на странице 561 публикации "Encyclopaedia of Chemical Technology", рассмотренной ранее. Водный поток, обогащенный карбаматом, имеющим температуру примерно 100°C, состоящий, в частности, из:

H₂O = 198 кг/час

CO₂ = 121 кг/час

NH₃ = 342 кг/час

извлекают из указанной секции очистки и концентрирования после отгонной колонны (S) и повторно сжимают при давлении 15 МПа посредством насоса, и направляют в конденсор (C) через линию 9, после соединения с газовым потоком 8, покидающим отгонную колонну (S).

Жидкий поток 1 из 790 кг/час аммиака, также содержащий свежий исходные материалы аммиака, извлекается из этой же секции, он сжимается при 22,4 МПа и направляется при температуре 100°C в эжектор (E), благодаря высокому давлению, он создает усилие для потока 12 рециклированного карбамата аммония, который таким образом доводится опять до рабочего давления реактора (R).

Двухфазная смесь, состоящая из сочетания потоков, поступающих из указанных выше линий 8 и 9, вводится со стороны труб в конденсор (C) горизонтального теплообменника типа со связкой труб (известен специалистам как конденсор типа бака). Большая часть CO₂, по-прежнему газообразного, конденсируется в конденсоре (C), который работает при 15 МПа и примерно при 155°C и взаимодействует с образованием карбамата аммония, при этом производимое тепло отводится посредством теплообмена с образованием паров среднего давления (примерно 1 МПа).

Поток 10, преимущественно жидкий, покидающий конденсор (C) и имеющий следующую композицию:

H₂O = 300 кг/час

CO₂ = 495 кг/час

NH₃ = 960 кг/час

Воздух = 8 кг/час

направляется в сепаратор газ/жидкость (D2), из которого газовой поток 11, состоящий из CO₂ = 3 кг/час; NH₃ = 50 кг/час; воздух = 8 кг/час, получают в верхней части колонны, а оставшийся поток 12 в нижней части, рециклируется в реактор (R) посредством эжектора (E), как описано ранее.

При условиях способа, показанного выше, и для установки, запущенной и находящейся в условиях, соответствующих режиму потребления кислорода практически равного нулю, и когда практически весь кислород, который извлекается вместе с другими инертными продуктами из потока линии 11, впоследствии направляется на стадии очистки мочевины, с которых, наконец, поток, имеющий композицию, по существу сходную с композицией воздуха, поступающего в качестве пассивирующего агента в реактор (R), продувается в атмосферу.

Способ синтеза мочевины, осуществляемый в соответствии с указанным выше примером, для периода работы в один год, не показывает никаких значительных явлений коррозии, ни в нижней части отгонной колонны, ни в других частях и секциях установки, даже в отсутствие отдельного введения пассивирующего агента в отгонную колонну.

Изобретение относится к улучшенному способу получения мочевины из аммиака и диоксида углерода при высокой температуре и давлении, с образованием карбамата аммония в качестве промежуточного продукта. Способ включает секцию синтеза высокого давления, которая включает стадию реакции в вертикальном реакторе (R), в который вводится по меньшей мере один поток свежего диоксида углерода, содержащего пассивирующий агент, и стадию разложения-отгонки непреобразованных реагентов, где газожидкостная смесь, собранная в верхней части реактора, разделяется на газовый поток и жидкий поток, которые вводятся в нижнюю часть и верхнюю часть отгонной колонны. Также предложены установка для осуществления способа и способ улучшения существующего ранее способа получения мочевины. Изобретение позволяет повысить коррозионную стойкость. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

1. Улучшенный способ получения мочевины из аммиака и диоксида углерода при высокой температуре и давлении, с образованием карбамата аммония в качестве промежуточного продукта, включающий следующие стадии, в секции синтеза:

(i) взаимодействие аммиака и диоксида углерода при общем давлении, находящемся в пределах от 12 до 20 МПа, при молярном отношении NH₃/CO₂, самого по себе или в форме карбамата аммония, находящемся в пределах от 2,1 до 6, предпочтительно от 2,8 до 4,5, на стадии реакции, осуществляемой в соответствующем вертикальном реакторе R, в который вводится, по меньшей мере, один поток аммиака и, по меньшей мере, один поток свежего диоксида углерода, содержащий пассивирующий агент в таком количестве, что его эквивалентное содержание кислорода составляет, по меньшей мере, 0,1%, предпочтительно от 0,15 до 0,30%, в молях по отношению в молям диоксида углерода, с образованием первой жидкой смеси, содержащей мочевину, карбамат аммония, воду и аммиак, находящейся в равновесии жидкость/пар с газовой фазой, содержащей по меньшей мере часть пассивирующего агента;

(ii) перенос указанной первой жидкой смеси, по меньшей мере, на одну стадию разложения-отгонки, осуществляемую в соответствующем вертикальном устройстве, называемом отгонной колонной (S), работающем при давлении, по меньшей мере, на 0,1 МПа, предпочтительно на 0,2-2,0 МПа, более предпочтительно на 0,5-1,5 МПа ниже, чем на указанной стадии реакции (i);

(iii) нагрев указанной первой жидкой смеси на указанной стадии разложения-отгонки для осуществления разложения части карбамата аммония на аммиак и диоксид углерода и одновременно воздействия на указанную жидкую смесь отгонки, предпочтительно используя аммиак в качестве газа для отгонки, с образованием первой газовой смеси, содержащей аммиак и диоксид углерода, и второй жидкой смеси, содержащей мочевину, воду, аммиак и неразложившуюся часть карбамата аммония;

(iv) перенос, по меньшей мере, части, а предпочтительно всей указанной первой газовой смеси, по меньшей мере, на одну стадию конденсации, работающую по существу при таком же давлении, как и на стадии разложения-отгонки (iii), и конденсацию переносимой газовой фазы, с образованием третьей жидкой смеси, содержащей карбамат аммония, воду и аммиак;

(v) перенос указанной третьей жидкой смеси и возможной остающейся части указанной первой газовой смеси на стадию реакции (i);

отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть указанной газовой фазы, находящейся в равновесии с первой жидкой смесью со стадии (i), отделяется в сепараторе газ-жидкость (D1), расположенном после реактора (R) и работающем по существу при таком же давлении, с образованием второй газовой смеси, содержащей пассивирующий агент, которая вводится в нижнюю секцию указанной отгонной колонны (S).

2. Способ по п.1, в котором на стадии (iii) указанная отгонная колонна работает при давлении на 0,5-1,5 МПа ниже, чем для указанной стадии реакции (i).

3. Способ по п.1, в котором на стадии (iii) указанная первая жидкая смесь подвергается воздействию отгонки с использованием аммиака в качестве газа для отгонки.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что на указанной стадии (iii) разложение-отгонку карбамата аммония с аммиаком осуществляют при условиях автоматической отгонки.

5. Способ по п.1, в котором указанный пассивирующий агент выбирают из воздуха, кислорода, озона, воздуха, обогащенного кислородом, перекиси водорода или их смеси, и предпочтительно представляет собой воздух или воздух, обогащенный кислородом.

6. Способ по п. 1, в котором на указанной стадии синтеза (i) реактор работает при температурах, находящихся в пределах от 150 до 215°C, предпочтительно, от 160 до 195°C.

7. Способ по п.1, в котором количество указанной второй газовой смеси составляет не более чем 5 мас.%, более предпочтительно оно находится в пределах от 1 до 4 мас.%, по отношению к массе указанной первой жидкой смеси.

8. Способ по п.1, в котором температура указанной отгонной колонны (S) находится в пределах, в верхней секции, от 170 до 210°C, предпочтительно от 180 до 200°C, при этом оно находится в пределах от 180 до 220°C, предпочтительно от 190 до 210°C, в нижней секции.

9. Способ по п.1, в котором понижают давление, как указанной первой жидкой смеси, так и указанной второй газовой смеси, до рабочего давления отгонной колонны (S) на стадии (iii), посредством прохождения каждой из указанных выше смесей через редукционное устройство для понижения давления предпочтительно через клапан.

10. Способ по п.9, в котором скорость потока указанной второй газовой смеси и разность давлений между реактором (R) и отгонной колонной (S) регулируются посредством первого клапана (V1).

11. Способ по п.9, в котором скорость потока первого жидкого потока из сепаратора (D1) в отгонную колонну (S) и, как следствие, уровень жидкости в сепараторе (D1), регулируются посредством второго клапана (V2).

12. Установка для осуществления способа по п.1, содержащая секцию синтеза, в которой вертикальный реактор (R) находится в сообщении текучих сред с вертикальной отгонной колонной (S) типа связки труб с падающей пленкой жидкости, отличающаяся тем, что сепаратор газ-жидкость (D1) расположен между указанным реактором и указанной отгонной колонной, сепаратор присоединен на одной стороне к верхней части реактора (R), из которой генерируются две линии в сообщении текучих сред с указанной отгонной колонной (S), так что транспортная линия для газовой смеси соединяет верхнюю часть указанного сепаратора (D1) с нижней секцией отгонной колонны (S), а транспортная линия для жидкой смеси соединяет нижнюю часть указанного сепаратора (D1) с верхней секцией этой отгонной колонны (S).

13. Установка по п.12, в которой два редукционных устройства для понижения давления размещают между указанным сепаратором (D1) и указанной отгонной колонной (S) предпочтительно два клапана (V1) и (V2), каждый соответственно на одной из двух линий для сообщения текучих сред указанного оборудования.

14. Способ улучшения существующего ранее способа получения мочевины, начиная с аммиака и диоксида углерода, с промежуточным образованием карбамата аммония, который работает с помощью секции синтеза высокого давления, включающий:

стадию реакции, осуществляемую в вертикальном реакторе (R), в который вводится, по меньшей мере, поток свежего диоксида углерода и, по меньшей мере, поток жидкого аммиака, работающем при общем давлении, находящемся в пределах от 12 до 20 МПа, при молярном отношении NH₃/CO₂, самого по себе или в форме карбамата аммония, находящемся в пределах от 2,1 до 6, предпочтительно от 2,8 до 4,5, с образованием выходящей жидкой смеси в верхней зоне реактора, содержащей мочевину, воду, аммиак и непреобразованный карбамат аммония;

стадию разложения-отгонки карбамата аммония в указанной жидкой смеси с отделением газового потока, содержащего диоксид углерода и аммиак, образующиеся таким образом, осуществляемую в соответствующем вертикальном устройстве со связками труб, называемом отгонная колонна (S), расположенном после указанного реактора (R); и

стадию конденсации в конденсоре (C) газового потока, покидающего указанную отгонную колонну (S), с образованием жидкого потока, содержащего карбамат аммония, поступающий как рециклированный продукт в указанный первый реактор,

отличающийся тем, что он включает следующие операции:

(a) введение пассивирующего агента в указанный поток диоксида углерода, поступающий в реактор, предпочтительно перед фазой сжатия до давления реактора, в таком количестве, что его эквивалентное содержание кислорода составляет, по меньшей мере, 0,1% предпочтительно от 0,15 до 0,30% в молях, по отношению к молям диоксида углерода,

(b) регулирование условий давления и температуры реактора таким образом, что образуется газовая фаза, по меньшей мере, в его верхней зоне, содержащая, по меньшей мере, часть пассивирующего агента в равновесии жидкость-пар с указанной жидкой смесью;

(c) расположение сепаратора газ-жидкость (D1) между указанным реактором (R) и указанной отгонной колонной (S), работающего по существу при таком же давлении, как реактор, для образования второй газовой смеси, содержащей, по меньшей мере, часть пассивирующего агента, который вводится в нижнюю секцию указанной отгонной колонны (S), оставшаяся жидкая смесь поступает в верхнюю секцию этой отгонной колонны;

(d) установление рабочих условий указанной стадии разложения-отгонки в отгонной колонне (S) таким образом, что она осуществляется при давлении, по меньшей мере, на 0,1 МПа, предпочтительно на 0,2-2,0 МПа, более предпочтительно на 0,5-1,5 МПа ниже, чем для указанной стадии реакции.

15. Способ по п.14, в котором два редукционных устройства для понижения давления размещают между указанным сепаратором (D1) и указанной отгонной колонной (S) предпочтительно два клапана, работающих на потоках, поступающих в отгонную колонну, соответственно состоящих из указанной второй газовой смеси и указанной жидкой смеси.