СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО АММИАКА И СО ДЛЯ СИНТЕЗА МОЧЕВИНЫ Российский патент 2019 года по МПК C01C1/04 C07C273/04 C07C273/10 B01D53/62 B01D53/47 C21B7/00 

Изобретение относится к получению аммиака и CO₂ для синтеза мочевины.

В промышленном масштабе мочевину получают из NH₃ и CO₂ с образованием в качестве промежуточного продукта карбамата аммония. Указанный карбамат аммония образуется быстро и полностью, если предотвращается диссоциация за счет достаточного высокого давления реакции. Образованный в экзотермическом процессе (с выделением тепла) карбамат аммония в эндотермическом процессе (с поглощением тепла) превращается в мочевину при проведении последующих стадий разложения при низком давлении, при этом обеспечивается возможность рециркуляции избыточного количества газов обратно в реактор. Химическую реакцию образования карбамата аммония осуществляют, используя избыток NH₃ с молярным отношением NH₃/CO₂ приблизительно равным 4, которое обычно выбирают на практике.

Исходными веществами для синтеза мочевины являются CO₂ и NH₃. Поскольку в процессе синтеза аммиака в качестве вторичного компонента получают диоксид углерода, установка для получения мочевины обычно функционирует во взаимосвязи с установкой для получения аммиака. Используются установки, в которых, в конечном счете, получают мочевину из природного газа, воды и воздуха посредством стадий технологического процесса получения водорода, получения аммиака и синтеза мочевины.

В связи с изложенным выше задача настоящего изобретения заключается в обеспечении эффективного способа получения газообразных исходных веществ для синтеза мочевины. Для проведения способа необходимо использовать сырой неочищенный газ, полученный в качестве побочного продукта в процессе промышленного производства. Сырой неочищенный газ и указанные стадии технологического процесса следует выбирать так, чтобы газообразные компоненты, содержащиеся в сыром газе, по существу полностью превращались в аммиак и CO₂ в пропорциях, необходимых для синтеза мочевины.

Для решения вышеуказанной задачи изобретение обеспечивает способ, охарактеризованный в п. 1 формулы. Предпочтительные осуществления способа согласно изобретению охарактеризованы в пп. 2-9 формулы изобретения.

В соответствии с изобретением для получения исходных газообразных веществ для синтеза мочевины используется газ металлургического производства, который содержит доменный газ по меньшей мере в качестве компонента смеси или состоит из доменного газа. Доменный газ получают при производстве чугуна в доменной печи. Чугун в доменной печи получают из железной руды, добавок и, кроме того, кокса и других восстанавливающих агентов, таких как уголь, нефть или газ.

В качестве продуктов реакций восстановления неизбежно образуются CO₂, водород и водяной пар. Доменный газ, отводимый в ходе доменного процесса, характеризуется, помимо наличия вышеупомянутых компонентов, высоким содержанием азота. Состав доменного газа зависит от исходного сырья и режима работы печи и подвержен колебаниям. Однако обычно доменный газ содержит от 35 до 60 объем. % N₂, от 20 до 30 объем. % CO, от 20 до 30 объем. % CO₂ и от 2 до 15 объем. % H₂.

Кроме того, в способе, соответствующему настоящему изобретению, может быть использован металлургический газ, который состоит из газовой смеси, образованной из доменного газа и конвертерного газа, или из газовой смеси, образованной из доменного газа, конвертерного газа и коксового газа. Конвертерный газ, который образуется в агрегатах-конвертерах сталелитейных заводов при переработке чугуна в нерафинированную сталь, имеет высокое содержание CO и, кроме того, содержит азот, водород и CO₂. Типичный состав конвертерного газа содержит от 50 до 70 объем. % CO, от 10 до 20 объем. % N₂, приблизительно 15 объем. % CO₂ и приблизительно 2 объем. % H₂. Коксовый газ получают при коксовании угля, и он характеризуется высоким содержанием водорода и содержанием заметных количеств CH₄. Обычно коксовый газ содержит от 55 до 70 объем. % H₂, от 20 до 30 объем. % CH₄, от 5 до 10 объем. % N₂, от 5 до 10 объем. % CO. Дополнительно в состав коксового газа входят проценты CO₂, NH₃ и H₂S.

В способе согласно изобретению технологический газ, содержащий в качестве основных компонентов азот, водород и диоксид углерода, получают из металлургического газа, и этот технологический газ подвергают затем разделению с получением газового потока, содержащего CO₂, и газовой смеси, состоящей, по существу из N₂ и H₂. Газообразный аммиак, подходящий для синтеза мочевины, получают из указанной газовой смеси посредством синтеза аммиака. CO₂ отводят из указанного газообразного потока, содержащего CO₂, со степенью чистоты и в количестве, подходящих для синтеза мочевины. Описанные выше обработка металлургического газа и стадии разделения могут быть согласованы одна с другой таким образом, что аммиак и CO₂ образуются в соотношениях, необходимых для синтеза мочевины, и металлургический газ практически полностью может быть использован для получения газообразных исходных веществ, необходимых для синтеза мочевины.

Использованию металлургического газа для получения технологического газа предпочтительно предшествует процесс очистки газа. Очистка газа служит для отделения нежелательных компонентов, в частности, смолы, серы и соединений серы, ароматических углеводородов (бензол, толуол, ксилол (ВТХ)) и углеводородов с высокой температурой кипения. Компонент металлургического газа, представляющий собой CO, может быть превращен в CO₂ и H₂ посредством реакции конверсии водяного газа, в результате проведения которой образуется технологический газ, который в качестве основных компонентов содержит азот, водород и диоксид углерода.

Технологический газ затем подвергают разделению, предпочтительно посредством адсорбции при переменном давлении (PSA) с получением газовой смеси, состоящей по существу из азота, водорода и отходящего газа, называемого также отходящим газом процесса PSA, содержащим CO₂. Назначение адсорбции при переменном давлении (PSA), которая известна в уровне техники, представляет собой отделение и очистку водорода. Применительно к способу, соответствующему изобретению, адсорбция при переменном давлении осуществляется в комбинации с предшествующей обработкой газа с тем, чтобы устанавливалось желаемое отношение концентраций H₂ и N₂. Один аспект способа согласно изобретению заключается, таким образом, в объединении процессов обработки газа, в частности, процесса реакции конверсии водяного газа с адсорбцией при переменном давлении для получения синтез-газа, подходящего для синтеза аммиака, из металлургического газа, который содержит доменный газ, по меньшей мере в качестве компонента смеси или состоит из доменного газа. Помимо этого, вторичные компоненты, которые являются нежелательными для синтеза аммиака, например, аргон, метан или моноксид углерода, могут быть удалены, или их концентрация может быть уменьшена с помощью адсорбции при переменном давлении.

Адсорбция при переменном давлении производит богатый энергией отходящий газ (отходящий газ PSA) и в состав которого входит компонент технологического газа, представляющий собой CO₂, и остаточные концентрации CO. Диоксид углерода (CO₂) для синтеза мочевины получают из упомянутого отходящего газа PSA. В предпочтительном осуществлении способа в соответствии с настоящим изобретением компонент, содержащий CO₂, отделяют от отходящего газа адсорбции при переменном давлении (отходящего газа PSA) и затем разделяют на газ, содержащий высокую концентрацию CO₂, для синтеза мочевины, и хвостовой газ с более низкой концентрацией CO₂.

Настоящее изобретение обеспечивает также способ получения мочевины, в котором карбамат аммония получают из газообразного аммиака и CO₂, используя избыток аммиака, и этот карбамат аммония подвергают разложению на воду и мочевину. Согласно изобретению газообразный аммиак, необходимый для синтеза мочевины, и CO₂, который также необходим для синтеза мочевины, получают из металлургического газа, содержащего доменный газ, по меньшей мере в качестве компонента смеси, или состоящего из доменного газа. Для способа в соответствии с изобретением существенно, чтобы газообразные исходные вещества для синтеза мочевины были полностью получены из металлургического газа. Газообразные исходные вещества для синтеза мочевины могут быть получены также посредством способа, описанного выше.

Изобретение будет иллюстрировано ниже с помощью чертежа, отображающего всего лишь один иллюстративный пример. На единственной фигуре схематически представлен, в виде весьма упрощенной блок-схемы, способ получения газообразных исходных материалов для синтеза мочевины.

Технологический газ 2, содержащий азот (N₂), водород (H₂) и диоксид углерода (CO₂) в качестве основных компонентов, получают из металлургического газа 1, который содержит доменный газ, по меньшей мере в качестве компонента смеси, и в иллюстративном примере состоит из доменного газа, с помощью способа, иллюстрируемого на фигуре.

Доменный газ 1 имеет, например, типичный состав, содержащий 50 объем. % N₂, 24 объем. % CO₂, 21 объем. % СО и приблизительно 4 объем. % H₂. После процесса очистки 3 газа, в котором отделяются нежелательные компоненты, например, смола, сера и соединения серы, ароматические углеводороды (ВТХ) и высококипящие углеводороды, металлургический газ 1, состоящий из доменного газа, с помощью процесса обработки 4 газа превращается в технологический газ 2, который состоит по существу из N₂, H₂ и CO₂.Указанная обработка 4 газа включает, в частности, конверсию CO, в ходе которой компонент металлургического газа 1, представляющий собой CO, превращается в CO₂ и H₂ посредством реакции конверсии водяного газа:

CO+H₂O=CO₂+H₂.

После проведения конверсии или реакции конверсии водяного газа технологический газ имеет состав, содержащий приблизительно 37 объем. % CO₂, 21 объем. % H₂ и 42 объем. % N₂.

Технологический газ 2 разделяют с помощью адсорбции 16 при переменном давлении (PSA) с получением газовой смеси 5, состоящей по существу из N₂ и H₂, и отходящего газа 6, содержащего CO₂.Газообразный аммиак 8, подходящий для синтеза мочевины, получают из указанной газовой смеси, содержащей N₂ и H₂, путем синтеза 7 аммиака. При синтезе 7 аммиака газовая смесь, образованная из водорода и азота, может, например, реагировать в присутствии смешанного катализатора на основе оксида железа, при давлениях в диапазоне от 150 до 200 бар и при реакционной температуре от 350 до 550°C.

CO₂ для синтеза 9 мочевины получают из отходящего газа 6, отводимого из процесса адсорбции при переменном давлении. В соответствии с блок-схемой процесса, иллюстрируемой на фигуре, компонент 11, содержащий CO₂, отделяют от отходящего газа 6 процесса адсорбции при переменном давлении на первой стадии 10 разделения. После этого разделение на газ 13, имеющий более высокую концентрацию диоксида углерода, и хвостовой газ 14, имеющий более низкую концентрацию CO₂, осуществляют на второй стадии 12 разделения. Указанный газ 13 представляет собой, в частности, диоксид углерода с чистотой, необходимой для синтеза мочевины.

CO₂ и NH₃ направляют в установку для получения мочевины в пропорциях, необходимых для синтеза 9 мочевины. В установке для получения мочевины производят карбамат аммония, используя избыток аммиака, и этот карбамат аммония превращается в мочевину 15 на последующих стадиях разложения при низком давлении.

Способ, иллюстрируемый с помощью фигуры, может быть также реализован с использованием в качестве металлургического газа 1 газовой смеси из доменного газа и конвертерного газа или с использованием газовой смеси, образованной из доменного газа, конвертерного газа и косового газа.

Изобретение относится к получению газообразного аммиака и CO₂ для синтеза мочевины. Предлагается способ, в котором из металлургического газа (1), состоящего из газовой смеси, образованной из доменного газа и конвертерного газа, получают технологический газ (2), содержащий в качестве основных компонентов азот, водород и диоксид углерода. Далее указанный технологический газ (2) разделяют с получением газового потока (6), содержащего СО₂, и газовой смеси (5), состоящей по существу из N₂ и H₂. Затем из указанной газовой смеси (5) с помощью синтеза (7) аммиака получают газообразный аммиак (8), подходящий для синтеза (9) мочевины, и из указанного газового потока (6), содержащего СО₂, отводят СО₂ с чистотой и в количестве, подходящих для синтеза (9) мочевины. Технический результат заключается в обеспечении эффективного способа получения газообразных исходных веществ для синтеза мочевины. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

1. Способ получения газообразного аммиака и СО₂ для синтеза мочевины, в котором

из металлургического газа (1), состоящего из газовой смеси, образованной из доменного газа и конвертерного газа, получают технологический газ (2), содержащий в качестве основных компонентов азот, водород и диоксид углерода,

указанный технологический газ (2) разделяют с получением газового потока (6), содержащего СО₂, и газовой смеси (5), состоящей по существу из N₂ и H₂,

из указанной газовой смеси (5) с помощью синтеза (7) аммиака получают газообразный аммиак (8), подходящий для синтеза (9) мочевины, и

из указанного газового потока (6), содержащего СО₂, отводят СО₂ с чистотой и в количестве, подходящих для синтеза (9) мочевины.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная газовая смесь дополнительно содержит коксовый газ.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что металлургический газ (1) очищают перед его использованием для получения технологического газа.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что металлургический газ (1) очищают перед его использованием для получения технологического газа.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что компонент металлургического газа (1), представляющий собой СО, превращают в CO₂ и H₂ путем проведения реакции (4) конверсии водяного газа.

6. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что технологический газ (2) разделяют на компоненты с помощью процесса адсорбции (16) при переменном давлении для получения газовой смеси (5), состоящей по существу из N₂ и H₂, и отходящего газа (6) процесса адсорбции (16) при переменном давлении, содержащего СО₂.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что технологический газ (2) разделяют на компоненты с помощью процесса адсорбции (16) при переменном давлении для получения газовой смеси (5), состоящей по существу из N₂ и H₂, и отходящего газа (6) процесса адсорбции (16) при переменном давлении, содержащего СО₂.

8. Способ по п.5, отличающийся тем, что адсорбцию (16) при переменном давлении осуществляют таким образом, что в результате технологический газ (2) содержит N₂ и H₂ в соотношении концентраций, подходящем для синтеза (7) аммиака.

9. Способ по п.6, отличающийся тем, что адсорбцию (16) при переменном давлении осуществляют таким образом, что в результате технологический газ (2) содержит N₂ и H₂ в соотношении концентраций, подходящем для синтеза (7) аммиака.

10. Способ по п.7, отличающийся тем, что адсорбцию (16) при переменном давлении осуществляют таким образом, что в результате технологический газ (2) содержит N₂ и H₂ в соотношении концентраций, подходящем для синтеза (7) аммиака.

11. Способ по п.6, отличающийся тем, что CO₂ для синтеза (9) мочевины получают из отходящего газа (6) процесса адсорбции (16) при переменном давлении.

12. Способ по любому из пп.7-10, отличающийся тем, что CO₂ для синтеза (9) мочевины получают из отходящего газа (6) процесса адсорбции (16) при переменном давлении.

13. Способ по п.11, отличающийся тем, что компонент (11), содержащий CO₂, отделяют от отходящего газа (6) процесса адсорбции (16) при переменном давлении и затем разделяют на газ (13), имеющий высокую концентрацию диоксида углерода для синтеза (9) мочевины, и хвостовой газ (14), имеющий более низкую концентрацию CO₂.

14. Способ по п.12, отличающийся тем, что компонент (11), содержащий CO₂, отделяют от отходящего газа (6) процесса адсорбции (16) при переменном давлении и затем разделяют на газ (13), имеющий высокую концентрацию диоксида углерода для синтеза (9) мочевины, и хвостовой газ (14), имеющий более низкую концентрацию CO₂.

15. Способ получения мочевины, в котором из газообразного аммиака и CO₂, используя избыточное количество аммиака, получают карбамат аммония и осуществляют конверсию этого карбамата аммония в мочевину на последующих стадиях разложения при низком давлении, отличающийся тем, что газообразный аммиак, необходимый для синтеза мочевины, и CO₂, который также необходим для синтеза мочевины, получают из металлургического газа, состоящего из газовой смеси, образованной из доменного газа и конвертерного газа.