УСТАНОВКА ДЛЯ СИНТЕЗА МОЧЕВИНЫ Российский патент 2018 года по МПК C07C273/04 B01J19/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области установок для синтеза мочевины из аммиака и диоксида углерода.

Уровень техники

Мочевину синтезируют путем реакции между аммиаком и диоксидом углерода (СО₂) под высоким давлением. Известные способы синтеза мочевины описаны в литературе, например, в Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (Энциклопедия промышленной химии Ульмана), Wiley-VCH Verlag, т. А27. Установка для синтеза мочевины обычно включает секцию синтеза под высоким давлением, причем в указанной секции имеется реактор, отпарной аппарат высокого давления и конденсатор высокого давления. В реакторе получают водный раствор, содержащий мочевину и непрореагировавший карбамат аммония, который подают в отпарной аппарат (стриппер). В отпарном аппарате получают раствор мочевины и газовую фазу, содержащую в основном непрореагировавший аммиак и СО₂, которую конденсируют и возвращают в реактор. Процесс отпарки можно осуществлять в присутствии средства для отпарки, обычно свежего СО₂ или аммиака. Установки, на которых в качестве средства для отпарки используют СО₂, известны как установки с отпаркой диоксидом углерода (СО₂).

Диоксид углерода подают под высоким давлением в отпарной аппарат и (или) в реактор, в зависимости от типа установки. В любом случае требуется компрессор для СО₂, способный повышать давление СО₂ до уровня давления в секции синтеза, обычно до уровня выше 100 бар. Указанный компрессор для СО₂ является одним из основных потребителей энергии на установке.

В уровне техники указанный компрессор для СО₂ приводится в действие непосредственно паровой турбиной или электродвигателем.

Установка для синтеза мочевины фактически включает сложную систему водяного пара с несколькими уровнями (давления) пара, включающую парогенераторы и потребителей пара. Водяной пар обычно получают на тех стадиях, на которых требуется удаление тепла из технологической текучей среды под давлением, уровень которого зависит от температуры имеющегося тепла; водяной пар можно использовать как для технологических целей, так и для совершения механической работы с целью приведения в действие машин.

Например, потребителем водяного пара является вышеупомянутый отпарной аппарат в секции синтеза, так как процесс отпарки должен обеспечивать тепло для раствора, содержащего мочевину и карбамат.Обычно отпарной аппарат представляет собой кожухотрубный теплообменник, в котором по трубам подают раствор, а пучок труб нагревают с внешней стороны паром под давлением около 20 бар. Поэтому отпарной аппарат высокого давления является потребителем значительного количества энергии (энергии в виде тепла). В конденсаторе для карбамата вместо этого образуется пар, так как для выпаривания воды обычно выделяется теплота конденсации. Однако давление пара, который можно получить из конденсатора, обычно является низким (например, 3 бара).

Для совершения механической работы используют одну или несколько паровых турбин. Паровая турбина может непосредственно приводить в действие какое-либо устройство (например, компрессор или насос), или может приводить в действие электрогенератор; полученная таким образом энергия может быть использована устройствами, имеющимися на установке.

В некоторых случаях полученного на установке пара недостаточно для удовлетворения всех потребностей установки. Недостаток пара можно компенсировать, например, путем ввода пара извне или путем ввода в действие вспомогательного парогенератора. Однако не всегда можно получить пар за пределами установки, а вспомогательный генератор потребляет топливо и повышает затраты.

В свете вышесказанного понятно, что оптимизация системы пара и ее интеграция с остальными частями установки являются очень важными для снижения энергопотребления, а именно, для увеличения синтеза мочевины на единицу потребленной энергии. Одна из проблем заключается в подходящем использовании пара в зависимости от уровня энергии, с которым его получают. Например, одна из проблем состоит в определении подходящего использования пара с низким уровнем температуры и (или) низким давлением, так как он может содержать значительное количество тепла, которое однако невозможно свободно использовать. В уровне техники непрерывно предпринимаются попытки усовершенствовать установки для синтеза мочевины с этой точки зрения.

Раскрытие изобретения

Целью изобретения является повышение энергетического кпд установок для синтеза мочевины под высоким давлением из аммиака и диоксида углерода, в частности, снижение энергопотребления компрессора, необходимого для повышения давления диоксида углерода до уровня давления синтеза, и оптимизация интеграции процесса и соответствующей системы пара.

Эти цели достигнуты при использовании установки, предлагаемой в формуле настоящего изобретения.

Установка для синтеза мочевины, предлагаемая в изобретении, включает секцию синтеза, в которой имеется по меньшей мере один реактор для синтеза мочевины и которая включает СО₂-компрессор для подачи СО₂ в секцию синтеза; эта установка отличается тем, что включает газовую турбину для приведения в действие указанного СО₂-компрессора и тем, что включает парогенератор-утилизатор тепла, причем источником тепла в указанном парогенераторе-утилизаторе являются отходящие газы указанной газовой турбины, и поток пара, полученный в указанном парогенераторе-утилизаторе, на указанной установке используется в качестве технологического пара.

Предпочтительно, секция синтеза включает по меньшей мере один реактор, отпарной аппарат и конденсатор. В этом случае секцию синтеза обычно называют "контур синтеза".

Предпочтительные особенности описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Основополагающая идея изобретения заключается в том, чтобы приводить в действие указанный СО₂-компрессор, используя газовую турбину. Указанная газовая турбина потребляет топливо, но ее большое преимущество состоит в том, что она выделяет горячие газы, которые можно использовать в парогенераторе-утилизаторе тепла (HRSG - от англ. heat recovery steam generator). В указанном генераторе получают пар, который можно использовать для процесса, а более предпочтительно - для подвода тепла в отпарной аппарат высокого давления, имеющийся на указанной установке.

Пар, образующийся в парогенераторе-утилизаторе тепла, преимущественно получают посредством выпаривания потока деминерализованной воды. Обработку с целью деминерализации более предпочтительно осуществляют в дегазаторе, в котором в качестве источника тепла используют пар, подводимый при охлаждении конденсатора карбамата в секции синтеза. Указанный греющий пар для дегазатора обычно получают с низким давлением, например, менее 5 бар, а обычно - около 3 бар. Обработку воды с целью деминерализации осуществляют при температуре, например, около 100-120°С.

Газовая турбина может приводить в действие СО₂-компрессор непосредственно или опосредованно. Предпочтительно, газовая турбина приводит в действие указанный компрессор непосредственно, например, вал турбины механически соединен с валом компрессора.

Настоящее изобретение дает преимущество, состоящее в улучшении интеграции процесса и соответствующей системы пара и эффективном использовании энергии.

Вырабатываемая газовой турбиной механическая энергия, которая является полезной энергией, используется непосредственно для приведения в действие компрессора, являющегося одним из основных энергопотребителей установки.

Тепло, рекуперируемое из отходящих газов турбины, используют для подвода тепла в отпарной аппарат.В результате, топливо газовой турбины по существу используется дважды. Заявитель установил, что температура отходящих газов стандартной газовой турбины (обычно около 400-500°С) дает возможность получать пар при оптимальных условиях для отпарного аппарата в контуре синтеза. Поэтому одно из преимуществ изобретения заключается в том, что топлива газовой турбины достаточно для удовлетворения потребностей двух основных энергопотребителей установки, а именно, СО₂-компрессора (для которого требуется механическая энергия) и отпарного аппарата (для которого требуется тепловая энергия).

В соответствии с еще одной особенностью изобретения воду, подаваемую в генератор для возврата тепла с целью получения пара для отпарного аппарата, подвергают дегазации с использованием пара с низким давлением, например, 3 бара. Этот пар с низкой экзотермией преимущественно возвращают от конденсатора карбамата. Следовательно, изобретение обеспечивает эффективный способ использования пара низкого давления, поставляемого конденсатором карбамата. Указанный пар фактически используют для дегазации воды, используемой в парогенераторе-утилизаторе тепла, и, таким образом, это способствует получению пара с более высоким давлением.

Настоящее изобретение относится также к способу модернизации установки для синтеза мочевины из аммиака и СО₂, предлагаемому в соответствующих пунктах формулы изобретения.

Способ модернизации отличается дополнительной установкой газовой турбины для приведения в действие указанного СО₂-компрессора и дополнительной установкой парогенератора-утилизатора тепла, причем источником тепла в указанном парогенераторе-утилизаторе являются отходящие газы указанной газовой турбины и по меньшей мере один поток пара, полученный в указанном парогенераторе-утилизаторе, используют в качестве источника тепла по меньшей мере для одного элемента указанной установки, предпочтительно, для отпарного аппарата в контуре синтеза.

Такой способ модернизации применим, в частности, для старых установок для синтеза мочевины обычного типа, без отпарных аппаратов, например, для установок, известных как установки "с полной рециркуляцией", а также для более современных установок, на которых осуществляют отпарку потока, выходящего из реактора, в частности, установок с отпаркой диоксидом углерода.

Указанные и другие преимущества будут более понятны из приведенного ниже подробного описания со ссылкой на чертеж, на котором схематически показан предпочтительный вариант осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

На чертеже схематически показан контур 1 синтеза мочевины, который включает реактор 2, отпарной аппарат 3, конденсатор 4 и скруббер 31. В контур 1 синтеза подают аммиак 5 и диоксид 6 углерода.

Указанный контур 1 известен специалисту в данной области техники и не нуждается в подробном описании. Этот пример относится к установке с отпаркой диоксидом углерода, на которой аммиак 5 подают в конденсатор 4, а диоксид 6 углерода подают в отпарной аппарат 3; в других вариантах осуществления изобретения аммиак и СО₂ можно подавать в другие места установки. Содержащий мочевину водный раствор 20, выходящий из реактора 2, выпаривают в отпарном аппарате 3, а раствор 21, выходящий из отпарного аппарата, дополнительно очищают в секции извлечения, используя известный по сути способ.

Отпарной аппарат 3 нагревают паром под давлением около 20 бар, поступающим по трубопроводу 7 и выходящим по трубопроводу 8. Конденсатор 4 выделяет тепло, образуя поток 9 пара с низким давлением, например 3 бара.

Элементы контура 1 работают под предварительно заданным высоким давлением, которое в основном является одинаковым для реактора 2, отпарного аппарата 3 и конденсатора 4.

Давление диоксида 6 углерода с помощью компрессора 10 повышают до указанного давления в контуре 1. Указанный компрессор приводится в действие механически газотурбиной установкой 11, которая по существу включает воздушный компрессор 12, камеру 13 сгорания и турбину 14. Например, и предпочтительно, СО₂-компрессор 10 устанавливают на валу указанной турбины 14. В газотурбинную установку подают топливо 15, например, природный газ или подходящий синтез-газ.

Отходящие газы 16 газовой турбины 14, имеющие высокую температуру, передают в парогенератор-утилизатор тепла 17. В указанном генераторе 17 получают пар 7, предназначенный для подвода тепла в отпарной аппарат. В частности, указанный пар 7 получают путем нагрева питающей воды 30, предварительно подвергнутой дегазации в дегазаторе 19; указанный дегазатор 19 нагревают паром 9, полученным в конденсаторе 4, имеющемся в контуре 1. Трубопровод 22 показывает выход охлажденных газов из генератора 17.

Количество пара, полученного в конденсаторе 4, обычно превышает потребность дегазатора 19, поэтому количество 9 пара, подаваемое в дегазатор 19, может составлять какую-то часть фактически полученного пара. Оставшаяся часть 9' пара может быть использована другими потребителями на установке или экспортирована. Более того, часть 7 пара также может быть предназначена для других потребителей на установке или экспортирована, что показывает трубопровод 7'.

Из описанной схемы понятно, что таким способом могут быть достигнуты высокий кпд и оптимальная интеграция системы пара и установки для синтеза мочевины. Топливо 15, благодаря эффективному использованию в сборочном узле турбина-парогенератор-утилизатор тепла, фактически обеспечивает и механическую работу компрессора 10 и тепло для отпарного аппарата 3; кроме того, изобретение обеспечивает оптимальное использование пара 9 с низким энергетическим уровнем.

Изобретение относится к установке для синтеза мочевины. Установка содержит секцию синтеза, включающую по меньшей мере один реактор, компрессор для подачи СО₂ в указанную секцию синтеза, газовую турбину для приведения в действие указанного СО₂-компрессора и парогенератор-утилизатор тепла. Источник тепла указанного парогенератора-утилизатора тепла представлен отходящими газами газовой турбины, и по меньшей мере один поток пара, полученный в парогенераторе-утилизаторе, используется в качестве источника тепла для по меньшей мере одного элемента установки для синтеза мочевины. Также предложен способ модернизации установки для синтеза мочевины из аммиака и СО₂. Изобретение позволяет снизить энергопотребление компрессора и оптимизировать интеграцию процесса и соответствующую систему пара. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Установка для синтеза мочевины, содержащая:

секцию (1) синтеза, включающую по меньшей мере один реактор (2); и

компрессор (10) для подачи СО₂ в указанную секцию синтеза,

отличающаяся тем, что она включает газовую турбину (11) для приведения в действие указанного СО₂-компрессора (10) и парогенератор-утилизатор тепла (17),

причем источник тепла указанного парогенератора-утилизатора тепла (17) представлен отходящими газами (16) газовой турбины (11), и

по меньшей мере один поток (7) пара, полученный в парогенераторе-утилизаторе (17), используется в качестве источника тепла для по меньшей мере одного элемента установки для синтеза мочевины.

2. Установка по п. 1, в которой газовая турбина (11) обеспечивает непосредственный привод в действие СО₂-компрессора (10).

3. Установка по п. 1 или 2, в которой секция (1) синтеза включает также по меньшей мере один отпарной аппарат (3) и конденсатор (4), и поток (7) пара, полученный в парогенераторе-утилизаторе (17), используется в качестве теплоносителя для отпарного аппарата (3).

4. Установка по п. 3, в которой в парогенераторе-утилизаторе (17) обеспечивается получение потока (7) насыщенного пара под давлением 10-30 бар, предпочтительно примерно 20 бар, который подается в качестве теплоносителя в отпарной аппарат (3) в секции синтеза высокого давления.

5. Установка по п. 3 или 4, содержащая дегазатор (19), в котором обеспечивается:

получение потока (30) деминерализованной воды,

подача в дегазатор пара (9), полученного при охлаждении конденсатора (4) в контуре синтеза, и

подача в парогенератор-утилизатор (17) деминерализованной воды (30), полученной в дегазаторе (19).

6. Установка по п. 5, в которой обеспечивается давление пара (9), подаваемого в дегазатор (19), ниже 6 бар относит., а предпочтительно около 3 бар относит.

7. Способ модернизации установки для синтеза мочевины из аммиака и СО₂, имеющей секцию (1) синтеза, работающую под заданным давлением синтеза и включающую по меньшей мере один реактор (2), и СО₂-компрессор (10) для подачи СО₂ по меньшей мере в один из элементов контура синтеза, отличающийся тем, что дополнительно устанавливают газовую турбину (11) для приведения в действие СО₂-компрессора (10) и дополнительно устанавливают парогенератор-утилизатор тепла (17), в котором источник тепла представлен отходящими газами (16) газовой турбины (11), и по меньшей мере один поток (7) пара, полученный в парогенераторе-утилизаторе, используют в качестве источника тепла по меньшей мере для одного элемента указанной установки.

8. Способ по п. 7, в котором секция синтеза включает отпарной аппарат (3) и конденсатор (4), и способ предусматривает использование потока (7) пара, полученного в парогенераторе-утилизаторе (17), в качестве источника тепла для отпарного аппарата (3) в секции синтеза.