СПОСОБ СИНТЕЗА МОЧЕВИНЫ Российский патент 2023 года по МПК C07C273/04 B01J19/24 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области производства мочевины. В частности, изобретение относится к способу и установке, включающей реактор, отпарное устройство и конденсатор в контуре высокого давления.

Уровень техники

Синтез мочевины выполняют реакцией аммиака и двуокиси углерода. Рассмотрение различных процессов и соответствующих установок для производства мочевины можно найти в литературе, например, в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, Wiley-VCH Verlag.

В большинстве установок синтеза мочевины в настоящее время используется так называемый процесс отпарки. В процессе отпарки, отходящий из реактора водный раствор мочевины, содержащий карбамат, подвергается обработке в одном или более отпарном устройстве(-ах) с паровым подогревом, где карбамат разлагается на СО₂ и NH₃; очищенный раствор мочевины из отпарного устройства далее обрабатывается в одной или более регенерационной секции(-ях) при среднем давлении и/или при низком давлении; выходящая из отпарного устройства газовая фаза, содержащая аммиак, диоксид углерода и небольшое количество воды, направляется в конденсатор, и полученный при этом конденсат возвращается в реактор.

В отпарное устройство может подаваться отпаривающее средство для обеспечения процесса отпаривания. В качестве отпаривающего средства обычно используется газообразный оксид углерода или газообразный аммиак. В процессе с СО₂, предложенном компанией Стамикарбон (Stamicarbon), используется газообразный диоксид углерода, подаваемый в отпарное устройство в качестве отпаривающего средства. В процессах Снампроджетти (Snamprogetti) с отпаркой аммиаком и самоотпаркой используется газообразный аммиак в качестве отпаривающего средства (в процессе с отпаркой аммиаком) или отпарка достигается только за счет воздействия тепла (самоотпарка).

Реактор, отпарное устройство и конденсатор являются частью так называемого контура высокого давления (ВД), где давление обычно составляет в интервале от 100 до 250 бар.

Регенерационная секция содержит, в основном, декомпозер (устройство разложения), сепаратор жидкость-газ и конденсатор. В декомпозере раствор мочевины нагревают для разложения карбамината аммония и испарения аммиака и диоксида углерода, а также воды. Полученный таким образом очищенный раствор может быть направлен в следующую регенерационную секцию, при ее наличии, или в финальную стадию сгущения (концентрирования). Раствор карбамата, образовавшийся в конденсаторе, возвращается в контур синтеза высокого давления. Регенерационная секция среднего давления (СД) обычно работает при давлении 18-20 бар, а регенерационная секция низкого давления (НД) обычно работает при давлении 2-6 бар.

Преимуществом процесса отпарки является то, что большая часть тепла, подводимого к отпарному устройству для разложения карбамата, может быть рекуперирована в конденсаторе высокого давления с вырабатыванием водяного пара. В частности, конденсатором ВД может быть кожухотрубное устройство, в котором охлаждающая вода испаряется в трубках с образованием пара. Полученный в конденсаторе высокого давления пар может быть с успехом использован в качестве нагревающей среды для одной или более секции(-ий) далее в технологической цепи, в частности в регенерационной секции и/или выпарной секции.

В процессе отпарки с СО₂ элементы упомянутого контура ВД обычно работают при одинаковом давлении (изобарический процесс). В процессе с отпаркой аммиаком и процессе с самоотпаркой используется почти изобарический контур, в котором отпарное устройство ВД работает при давлении ниже давления реакции, причем разница между давлением реакции и давлением в отпарном устройстве составляет относительно небольшую величину, обычно не более 20 бар (т.е., примерно 10%-15% давления реакции).

В приведенных случаях, выбор рабочего давления в реакторе, отпарном устройстве и конденсаторе является результатом компромисса. Высокое давление и высокая температура в контуре синтеза способствуют конверсии карбамината аммония в мочевину (эндотермическая реакция, ограниченная термодинамическим равновесием) в реакторе; с другой стороны, низкое давление (например, менее 100 бар) способствует процессу отпарки и может исключить потребность в регенерационной секции СД. Поэтому желательно иметь контур синтеза, в котором максимальна температура реактора и минимально давление отпарного устройства ВД.

Эту задачу невозможно решить в изобарическом контуре или контуре, близком к изобарическому. Другим недостатком большинства установок, использующих изобарический контур процесса отпарки с СО₂, является то, что части оборудования должны располагаться с минимальным превышением по высоте для обеспечения циркуляции жидкой фазы за счет гравитации. В частности, может потребоваться расположить реактор над отпарным устройством для создания движущей силы внутри контура синтеза высокого давления.

Для устранения отмеченных недостатков, была предложена установка с процессом отпарки с СО₂ с неизобарическим контуром, в котором рабочее давление отпарного устройства ВД и конденсатора ВД значительно меньше давления реактора синтеза, в частности, рабочее давление в реакторе превышает 150 бар, а в отпарном устройстве и конденсаторе составляет примерно 90 бар.

Такое решение позволяет оптимизировать давление реакции и давление отпарки/конденсации, однако при этом возникает другой недостаток - снижается тепловой эквивалент тепла, регенерируемого в конденсаторе, а именно, снижается температура и давление пара, который может быть получен в конденсаторе. Пар, вырабатываемый в конденсаторе при давлении примерно 90 бар, может быть непригоден для использования в стадиях процесса далее в технологической цепи, например в регенерационной секции. Соответственно, решение с неизобарическим контуром не подходит, так как снижает количество тепла, регенерируемого внутри процесса, а значит, и энергетическую эффективность.

Большой интерес также представляет модернизация (переоборудование) существующих установок производства мочевины. Модернизацию существующей установки обычно проводят для повышения ее производительности (т.е., количества производимой мочевины) и/или для снижения энергопотребления. Главные статьи расходов в процессе модернизации включают модификацию оборудования высокого давления и создание дополнительных поверхностей для теплообмена. Даже относительно небольшое повышение производительности может потребовать установки значительной дополнительной теплообменной поверхности, например, в конденсаторе ВД, в регенерационной секции среднего или низкого давления или в испарительной секции. Для этого потребуется также длительная остановка производственного процесса. Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеописанных недостатков существующих технологий. В частности, задачей изобретения является оптимизация работы контура высокого давления с сохранением эффективной регенерации тепла для его использования в секциях, следующих далее в технологическом процессе. Другой задачей изобретения является создание эффективного с точки зрения материальных затрат, способа модернизации установки по производству мочевины, подходящего для повышения производительности установки по производству мочевины, с сокращением затрат на дополнительные теплообменные поверхности.

Эта задача решается способом синтеза мочевины из СО₂ и NH₃ при высоком давлении, при осуществлении которого:

а) проводят реакцию СО₂ и NH₃ при давлении реакции для формирования водного раствора мочевины;

б) проводят отпарку водного раствора мочевины при давлении отпарки с получением очищенного раствора и газовой фазы, содержащей аммиак и диоксид углерода;

в) конденсируют газовую фазу в по меньшей мере одном конденсаторе при давлении конденсации для формирования рециркулируемого раствора, направляемого назад в стадию реакции, формируя тем самым контур рециркуляции;

г) вырабатывают по меньшей мере первый поток водяного пара (далее пара) при первом давлении регенерации и первой температуре регенерации, используя тепло, отведенное из газовой фазы в ходе шага в) конденсации;

д) используют первый поток пара в качестве источника тепла на по меньшей мере одной стадии процесса далее в технологической цепи, причем способ характеризуется тем, что:

е) первый поток пара сжимают до достижения давления, превышающего давление регенерации, и температуры, превышающей температуру регенерации, перед использованием в качестве источника тепла в по меньшей мере одной следующей далее (в технологической цепи) стадии процесса.

Предпочтительно, стадия отпарки включает пропускание упомянутого водного раствора в виде падающей/стекающей пленки в трубном пучке с внешним подогревом. Соответственно, отпарное устройство может включать вертикальный трубный пучок с падающей пленкой. В частности, трубный пучок имеет паровой подогрев.

В некоторых вариантах осуществления, стадия (г) может включать вырабатывание более одного потока пара. Давление и температура любого дополнительного потока пара могут быть такими же, что и у первого потока пара, либо отличающимися. Стадия (е) может включать сжатие одного или более дополнительных потоков пара, согласно разным вариантам осуществления. Соответственно, пар, подвергаемый сжатию, может включать весь пар, полученный на стадии конденсации, либо его часть. В частности, подвергаемый сжатию пар может включать один или более выбранных потоков пара, когда генерируется несколько потоков пара, и/или часть потока пара.

В некоторых вариантах осуществления, стадия (г) может включать генерирование отличающегося потока пара в других конденсаторах карбамата высокого давления (ККВД). В частности, контур высокого давления может содержать два ККВД, и первый поток пара генерируется в одном из двух конденсаторах. В предпочтительном варианте осуществления, стадия (г) включает генерирование первого потока пара и второго потока пара в первом ККВД и втором ККВД, соответственно, причем первый ККВД и второй ККВД соединены последовательно.

В предпочтительном применении, давление отпарки и давление конденсации ниже давления реакции, а контур синтеза не является изобарическим. В особенно предпочтительном варианте осуществления, давление отпарки и давление конденсации по меньшей мере на 50 бар ниже давления реакции, более предпочтительно, ниже на 100 бар.

В неизобарических вариантах осуществления, рециркулируемый раствор может быть получен при конденсации при значительно меньшем давлении, чем давление реакции, поэтому для рециркулирования в среду реакции требуется повышение его давления. Предпочтительно, раствор нагнетается до давления реакции посредством центробежного насоса.

В предпочтительном варианте осуществления, первое давление регенерации составляет от 1,8 до 3,5 бар изб., и первый поток пара сжимается до давления от 3,0 бар изб. до 6,0 бар изб.

Обозначение бар изб. означает, что давление измеряется как избыточное, относительно атмосферного (по манометру).

Сжатие пара также сопровождается повышением температуры пара. Повышение температуры пара на стадии сжатия составляет, предпочтительно от 10 до 30°С. Первая температура регенерации, предпочтительно, не превышает 145°С, а температура пара после сжатия предпочтительно составляет по меньшей мере 150°С.

Сжатие пара предпочтительно носит адиабатический или по существу адиабатический характер. Сжатие может быть многоступенчатым процессом.

В особенно предпочтительном варианте осуществления, давление конденсации составляет от 70 до 90 бар, предпочтительно 80 бар или примерно 80 бар.

В неизобарическом контуре отпарка может осуществляться при том же давлении, что и конденсация, или при отличающемся давлении. Предпочтительно, давление отпарки равно давлению конденсации.

Как упоминалось выше, высокое давление реакции обычно более предпочтительно, так как способствует более высокой степени конверсии. В предпочтительных вариантах осуществления, давление реакции превышает 140 бар и, предпочтительно, более 200 бар.

По меньшей мере одна стадия процесса далее в технологической цепи, в которой пар, выработанный при конденсации высокого давления, используется в качестве источника тепла, может включать регенерацию неконвертированного карбамата и/или сгущение для удаления воды из раствора мочевины.

В частности, регенерация неконвертированного карбамата может осуществляться при среднем давлении или пониженном давлении в регенерационной секции, включающей декомпозер, нагретый паром, вырабатываемым в конденсаторе высокого давления.

Сгущение может выполняться, в частности, в испарительной секции ниже по потоку от одной или более регенерационной секции(-ий), где удаляется вода для получения высококонцентрированного плава мочевины, пригодного для заключительной операции, например, приллирования или гранулирования.

Процесс сгущения также может осуществляться в секции кристаллизации. Процесс кристаллизации известен в уровне техники. В ходе этого процесса вырабатываемая мочевина частично кристаллизуется и образовавшийся пар конденсируется в кристаллизаторе, в то время как покидающий кристаллизатор раствор мочевины, включающий сформировавшиеся кристаллы мочевины, направляется в сепаратор, разделяющий раствор на жидкую и твердую фазы. Основная часть раствора отделяется от кристаллов мочевины, после чего кристаллы попадают в центрифугу, где они промываются с использованием маточного раствора, содержащего водный раствор мочевины.

В работе секции кристаллизации может использоваться низкопотенциальный пар. Пар, не находящийся под давлением после его получения, может быть с успехом использован для нагревания секции кристаллизации. Это означает, что использование процесса кристаллизации для сгущения раствора мочевины позволяет снизить количество пара, подлежащего механическому сжатию. Соответственно, в варианте осуществления изобретения стадия г) включает вырабатывание по меньшей мере второго потока пара, который не подвергается сжатию после вырабатывания и используется для подведения тепла к секции кристаллизации для сгущения раствора мочевины.

Отпарка раствора может быть выполнена с использованием газообразных отпаривающих средств. В качестве отпаривающих средств могут быть, в частности, использованы СО₂ или аммиак. В некоторых вариантах осуществления процесса отпарки с СО₂ подводимое новое сырье газообразного СО₂ частично направляется в отпарное устройство, для использования в качестве отпаривающего средства, а частично направляется в реактор.

В предпочтительном варианте осуществления, никакая часть подводимого нового СО₂ сырья не направляется непосредственно в конденсатор. Соответственно, новый СО₂ может быть направлен в реактор и, возможно, в случае процесса отпарки с СО₂, может быть частично направлен в отпарное устройство.

Контур высокого давления может включать более одного шагов конденсации, например, в двух последовательно включенных конденсаторах карбамата высокого давления (ККВД). В интересующем нас варианте осуществления, двухфазный раствор, полученный на первом шаге конденсации, подвергается по меньшей мере одному второму шагу конденсации. Во втором шаге конденсации может быть получен насыщенный водяной пар. Этот насыщенный пар может быть с успехом использован для подогрева аммиачного сырья и/или на стадии предварительного сгущения раствора мочевины, выходящего из регенерационной секции. В альтернативном случае, этот пар может быть также использован для удаления воды в секции сгущения с использованием технологии кристаллизации.

В некоторых вариантах осуществления, двухфазный раствор, полученный на первой стадии конденсации, может быть использован непосредственно в качестве нагревающей среды в подогревателе аммиака и/или в некоторых из декомпозеров регенерационной секции или в секции сгущения.

В предпочтительном варианте осуществления, сжатие пара выполняется электрическим компрессором, т.е., компрессором, приводимым в действие электродвигателем, вместо обычного компрессора, работающего от паровой турбины. В частности, в случае модернизации, установка электрического компрессора может давать выигрыш в сравнении с обычными компрессорами, соединенными с паровой турбиной (турбокомпрессорами). Заявитель установил, что, неожиданно, установка электрического компрессора может снизить общее энергопотребление установки производства мочевины в Гкал на метрическую тонну произведенной мочевины.

Другой особенностью изобретения является установка в соответствии с формулой изобретения.

Другой особенностью изобретения является способ модернизации установки производства мочевины, включающей:

реактор, в котором происходит реакция СО₂ и NH₃ при давлении реакции, с образованием водного раствора мочевины;

отпарное устройство, питаемое водным раствором мочевины, который обрабатывается при давлении отпарки с получением очищенного раствора и газовой фазы, содержащей аммиак и диоксид углерода;

конденсатор для конденсации газовой фазы из отпарного устройства при давлении конденсации, для формирования рециркулируемого раствора, направляемого назад в реактор, с образованием, тем самым, контура синтеза;

паровую систему, содержащую паропровод, приспособленную для вырабатывания по меньшей мере первого потока пара, отводимого из конденсатора и используемого в качестве источника тепла в по меньшей мере одной секции установки, расположенной ниже по потоку;

причем при осуществлении способа в паровую систему добавляют компрессор пара, приспособленный для повышения давления первого потока пара.

При установке дополнительного компрессора пара, сжатый поток пара подается в по меньшей мере одну секцию далее в технологической цепи. Это может выполняться новым паропроводом или существующим паропроводом.

Способ модернизации в соответствии с изобретением применим к установкам для производства мочевины с изобарическим или неизобарическим контуром синтеза. Способ применим, среди прочего, к установкам, где используется процесс отпарки с СО₂, процесс с самоотпаркой и процесс с отпаркой аммиаком.

Главным преимуществом изобретения является то, что давление и температура пара, вырабатываемого конденсатором высокого давления для использования в оборудовании далее в технологической цепи, больше не диктуется давлением конденсации и связанным с ним давлением регенерации пара. В соответствии с изобретением, один или более потоков пара, генерируемых конденсацией, сжимаются и подводятся к потребителям тепла с давлением и температурой более высокими, чем на выходе конденсатора. Температура, при которой происходит внутренняя рециркуляция тепла от конденсации высокого давления к стадии среднего или низкого давления, не определяется выбором давления конденсации в конденсаторе карбамата высокого давления.

Можно сказать, что в изобретении реализован тепловой насос между контуром высокого давления и секцией среднего или низкого давления далее в технологической цепи, где пар используется в качестве источника тепла для одного или более потребителей тепла. Этот тепловой насос получает тепловую энергию, высвобождаемую конденсатором при первой температуре (например, пар, вырабатываемый при 135°С), и передает эту энергию в заданную секцию при более высокой температуре (например, пар, конденсирующийся при 150°С).

Благодаря этому, давление конденсации может быть выбрано так, чтобы оптимизировать процесс конденсации и процесс отпарки, причем последний процесс желательно проводить при том же давлении. С другой стороны, выбор относительно низкого давления конденсации (например, 80 бар) не влияет на внутренний возврат тепла в секции, расположенные далее в технологической цепи, благодаря сжатию потока, выработанного в ККВД.

Можно заметить, что сжатие требует подачи энергии, однако на практике степень сжатия очень невелика (обычно менее 2), что означает, что коэффициент производительности (СОР от англ. coefficient of performance) теплового насоса достаточно велик, например 10 или более. В некоторых вариантах осуществления, СОР этого теплового насоса составляет примерно 20. Упомянутый СОР означает отношение выделенного тепла к работе сжатия.

Другое преимущество изобретения состоит в сокращении необходимого обслуживания частей оборудования. Работа в стадиях отпарки и конденсации при давлении 70-90 бар и соответственно более низкой температуре подразумевает ослабление коррозионного воздействия на оборудование карбамината аммония. Более того, снижается вероятность образования побочных продуктов, например, карбамилмочевины, в ходе стадии разложения ВД, чем обеспечивается более высокое качество товарной мочевины. Другим преимуществом является ослабление гидролиза мочевины из-за пониженной температуры в декомпозере ВД.

Еще одним преимуществом изобретения является то, что для данной температуры конденсации в процессе, может быть снижено давление регенерации для генерируемого пара с тем, чтобы улучшить характеристики теплообмена для данной поверхности теплообмена конденсатора. Сниженная температура полученного таким образом пара не влияет на последующую регенерацию благодаря промежуточному сжатию и нагреванию пара.

Изобретение также представляет интерес для модернизации установки получения мочевины. Изобретение может быть использовано при модернизации установки получения мочевины с изобарическим и неизобарическим контуром высокого давления. Преимущества модернизации в соответствии с изобретением включают: возможность достижения небольшого, но заметного увеличения производительности без реконструкции существующего ККВД и существующих декомпозеров среднего и низкого давления и/или испарителей; непродолжительный простой установки; ограниченные капиталовложения. Повышение производительности достигается за счет дополнительного перепада (ДТ) температуры на входе ККВД и декомпозеров СД и НД, что увеличивает количество передаваемого тепла, обеспечивая постоянство площади теплообмена.

Изобретение применимо к различным процессам обработки мочевины, в частности, известному процессу отпаривания с СО₂ и процессу самоотпарки. В обоих случаях изобретение обеспечивает уменьшенное потребление пара по сравнению с исходной технологией.

Одним из преимуществ изобретения является снижение энергопотребления. В частности, заявитель обнаружил, что использование изобретения может снизить энергопотребление на 0,1 Гкал/мт (Гигакалорий на метрическую тонну мочевины) в процессе с самоотпаркой и на 0,12 Гкал/мт в процессе с самоотпаркой.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг. 1 представлена блок-схема установки производства мочевины с процессом отпарки с СО₂, модернизированной в соответствии с первым вариантом выполнения изобретения;

на фиг. 2 представлена блок-схема установки производства мочевины с процессом отпарки с СО₂ в соответствии со вторым вариантом выполнения изобретения;

на фиг. 3 представлена блок-схема установки производства мочевины с самоотпаркой в соответствии с третьим вариантом выполнения изобретения.

Подробное описание осуществления изобретения

На фиг. 1 представлен в упрощенном виде обычный контур синтеза мочевины с процессом отпарки с СО₂, содержащий реактор 1, отпарное устройство 2 и конденсатор 3, которые работают в основном при одинаковом давлении, например, от 120 до 210 бар. Соответственно, реактор 1, отпарное устройство 2 и конденсатор 3 образуют изобарический контур высокого давления (ВД). Контур может включать дополнительные элементы (например, сепаратор газа), не показанные на схеме.

Поток 7 нового СО₂ подается в отпарное устройство 2, а исходный реагент NH₃ 8 подается в конденсатор 3, например, посредством эжектора (не показан). В другом варианте осуществления изобретения, сырьевая подача нового СО₂ может быть разделена на два потока, питающих реактор 1 и отпарное устройство 2 (не показано).

Поток 7 СО₂ выполняет функцию отпаривающих средств в отпарном устройстве 2.

Водный раствор 4, содержащий мочевину и карбамат, сформированный в реакторе 1, направляется в отпарное устройство 2, где получается очищенный раствор 9 мочевины и газовая фаза 5.

Очищенный раствор 9 мочевины направляют в одну или более регенерационную стадию(-ии), в частности, в регенерационную секцию 10 под низким давлением (например, 2-6 бар), пропуская через дроссельный вентиль 11.

В регенерационной секции 10 раствор 9 мочевины после снижения давления подвергается дальнейшей обработке, включающей разложение карбамата и конденсацию паров аммиака и диоксида углерода. Полученный таким образом раствор карбамата 16 закачивается обратно в конденсатор 3 высокого давления. Очищенный раствор 19 мочевины направляется в секцию заключительной обработки далее в технологической цепи.

Газовая фаза 5 из отпарного устройства 2 по меньшей мере частично конденсируется в конденсаторе 3 и возвращается по линии 6 обратно в реактор 1.

В конденсаторе 3 тепло конденсации газовой фазы 5 передается воде 12 и используется для вырабатывания пара 13 для использования в секции, находящейся далее в технологической цепи установки, в частности, в регенерационной секции 10, как это показано на фиг. 1, или в секции заключительной обработки после регенерационной секции 10.

В частности, пар 13, вырабатываемый в конденсаторе 3, сжимается в компрессоре 14 пара для повышения его давления и температуры. Полученный таким образом сжатый/нагретый пар 15, подаваемый компрессором 14, может быть направлен в регенерационную секцию 10, где он передает тепло в одну или более соответствующих единиц оборудования, например в один или более декомпозеров, работающих при среднем давлении и/или при низком давлении.

Компрессором 14 пара может быть многоступенчатый компрессор. В некоторых вариантах осуществления, компрессором 14 пара может быть электрический компрессор.

В другом варианте осуществления, по меньшей мере часть пара 15 может быть использована в секции заключительной обработки после регенерационной секции 10. Эта секция заключительной обработки может включать выпарную секцию или кристаллизационную секцию для удаления воды из раствора 19. Для снабжения теплом выпарной секции или кристаллизационной секции может быть использован, в частности, горячий пар 15.

На фиг. 2 представлена установка отпарки с СО₂ в соответствии со вторым вариантом осуществления, где элементы, соответствующие схеме на фиг. 1, имеют те же цифровые обозначения.

Показанный на фиг. 2 контур высокого давления, сформированный реактором 1, отпарным устройством 2 и конденсатором 3, является неизобарическим. В частности, отпарное устройство 2 и конденсатор 3 работают при более низком давлении, чем реактор 1. В частности, реактор 1 работает при давлении 210 бар, в то время как отпарное устройство 2 и конденсатор 3 работают при давлении примерно 80 бар.

Отходящий поток 4 реакции подвергается снижению давления на вентиле 17 до давления отпарки, а рециркулируемый раствор, отводимый из конденсатора 3, доводится до давления реакции насосом 18.

Преимущество варианта осуществления, показанного на фиг. 2, состоит в том, что отпарное устройство и конденсатор могут быть использованы при относительно низком давлении, в сравнении с давлением реакции; при этом рекуперация тепла из конденсатора 3 в регенерационную секцию 10 не ухудшается из-за относительно низкого давления конденсации, благодаря промежуточному сжатию в компрессоре 14. При этом сжатии повышается температура пара, благодаря чему пар 15 становится пригодным для нагревания регенерационной секции 10, в частности, ее декомпозера.

Кроме того, в варианте осуществления, представленном на фиг. 2, новое подводимое сырье 7 в виде СО₂ может быть разделено на два потока 7а и 7b, направляемых, соответственно, в реактор 1 и отпарное устройство 2, как это показано на схеме на фиг. 2.

Новый аммиак 8 разделяется на поток 8а, направляемый в реактор 1, и поток 8b, направляемый в конденсатор 3.

Компрессором 14 реализован тепловой насос, переносящий тепло от конденсатора 3 к регенерационной секции 10, с одновременным увеличением температуры этого тепла.

В предпочтительном варианте осуществления, поток 13, вырабатываемый конденсатором 3, имеет температуру примерно 135°С и давление примерно 2,1 бар абс; пар 15, подаваемый компрессором 14, имеет температуру по меньшей мере 150°С и давление примерно 3,5 бар абс.

В других предпочтительных вариантах осуществления изобретения, контур высокого давления может включать более одного конденсатора. В частности, в процессе синтеза мочевины, включающем неизобарический контур высокого давления, двухфазный раствор, вырабатываемый в конденсаторе 3, подвергается второй конденсации, где вырабатывается насыщенный водяной пар. Этот насыщенный пар может быть использован для подогревания аммиака и/или на шаге предварительного сгущения раствора 19 перед подачей раствора в выпарную секцию, для удаления воды и получения плава мочевины. В альтернативном случае, этот пар может быть также использован для удаления воды в секции сгущения с использованием технологии кристаллизации.

Этот шаг предварительного сгущения может выполняться, в частности, в кожухотрубном устройстве предварительного сгущения при подаче двухфазного раствора в межтрубное пространство устройства.

На фиг. 3 представлена блок-схема установки получения мочевины с процессом самоотпарки, включающей реактор 1, отпарное устройство 2 и конденсатор 3.

Поток 7 нового СО₂ и сырье NH₃ 8 подаются в реактор 1. Отходящий поток 4 реактора подвергается снижению давления при прохождении вентиля 17 и направляется в отпарное устройство 2. После отпарки, очищенный отходящий поток 9 мочевины направляется в одну или более регенерационную секцию(-и) 10 далее в технологической цепи, после прохождения дроссельного вентиля 11. Обычно регенерационные секции включают регенерационную секцию среднего давления и регенерационную секцию низкого давления. После обработки в регенерационных секциях, очищенный раствор 19 направляется в секцию заключительной обработки.

Газовая фаза 5, образовавшаяся на шаге самоотпарки, соединяется с рециркулируемым раствором 16 карбамата из регенерационных секций. Полученный таким образом поток 26 по меньшей мере частично конденсируется в конденсаторе 3, и конденсированный раствор 20 карбамата направляется в сепаратор 21 карбамата, где вырабатываются жидкий раствор 23 и газовая фаза 22.

Жидкий раствор 23 рециркулируют в реактор 1 посредством насоса 24, который возвращает давление раствора 23 к уровню давления реакции. Перед тем, как попасть в реактор 1, поданный насосом 24 жидкий раствор 25 объединяется с подводимым снаружи аммиачным сырьем 8, формируя поток 26. Далее поток 26 направляется в реактор 1.

Газовая фаза 22, вырабатываемая сепаратором 21 карбамата, направляется в регенерационную секцию, в частности, в декомпозер среднего давления.

В варианте, представленном на фиг. 3, отпарное устройство 2 и конденсатор 3 могут работать при давлении, величина которого только незначительно меньше давления реакции. В этом случае, раствор 23 может подводиться к реактору 1 посредством эжектора (вместо насоса 24), при этом движущим потоком эжектора является подводимое аммиачное сырье 8.

Схемы на фиг. 1-3 иллюстрируют результат модернизации существующей установки, включающей добавление компрессора 14 и, при необходимости, использования соответствующего паропровода.

Изобретение относится к способу синтеза мочевины из СО₂ и NH₃. При осуществлении способа: а) проводят реакцию СО₂ и NH₃ при давлении реакции для формирования водного раствора мочевины; б) проводят отпарку водного раствора мочевины при давлении отпарки с получением очищенного раствора и газовой фазы, содержащей аммиак и диоксид углерода, причем на стадии отпарки пропускают упомянутый водный раствор в виде падающей пленки в трубном пучке с внешним подогревом; в) конденсируют газовую фазу в по меньшей мере одном конденсаторе при давлении конденсации для формирования рециркулируемого раствора, направляемого обратно на стадию реакции, тем самым формируя контур синтеза; г) вырабатывают по меньшей мере первый поток пара при первом давлении регенерации и первой температуре регенерации с использованием тепла, отводимого от газовой фазы в ходе стадии (в) конденсации; д) используют первый поток пара в качестве источника тепла на по меньшей мере одной следующей далее стадии процесса, а также е) сжимают первый поток (13) пара для достижения давления, превышающего давление регенерации, и температуры, превышающей температуру регенерации, перед упомянутым использованием в качестве источника тепла на упомянутой по меньшей мере одной следующей далее стадии. При этом на стадии конденсации не добавляют новый СО₂, а стадию сжатия первого потока (13) пара осуществляют посредством компрессора, приводимого в действие электродвигателем. Также предложены установка для синтеза мочевины и способ модернизации установки. Изобретение позволяет оптимизировать работу контура высокого давления с сохранением эффективной регенерации тепла для его использования в секциях, следующих далее в технологическом процессе. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ синтеза мочевины из СО₂ и NH₃, при осуществлении которого:

а) проводят реакцию СО₂ и NH₃ при давлении реакции для формирования водного раствора (4) мочевины;

б) проводят отпарку водного раствора мочевины при давлении отпарки с получением очищенного раствора (9) и газовой фазы (5), содержащей аммиак и диоксид углерода, причем на стадии отпарки пропускают упомянутый водный раствор в виде падающей пленки в трубном пучке с внешним подогревом;

в) конденсируют газовую фазу в по меньшей мере одном конденсаторе при давлении конденсации для формирования рециркулируемого раствора (6), направляемого обратно на стадию реакции, тем самым формируя контур синтеза;

г) вырабатывают по меньшей мере первый поток (13) пара при первом давлении регенерации и первой температуре регенерации с использованием тепла, отводимого от газовой фазы (5) в ходе стадии (в) конденсации;

д) используют первый поток пара в качестве источника тепла на по меньшей мере одной следующей далее стадии (10) процесса,

отличающийся тем, что:

е) сжимают первый поток (13) пара для достижения давления, превышающего давление регенерации, и температуры, превышающей температуру регенерации, перед упомянутым использованием в качестве источника тепла на упомянутой по меньшей мере одной следующей далее стадии,

причем на стадии конденсации не добавляют новый СО₂, а стадию сжатия первого потока (13) пара осуществляют посредством компрессора, приводимого в действие электродвигателем.

2. Способ по п. 1, в котором давление отпарки и давление конденсации ниже давления реакции, а контур синтеза является неизобарическим.

3. Способ по п. 2, в котором давление отпарки и давление конденсации по меньшей мере на 20 бар ниже давления реакции.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором давление конденсации составляет от 70 до 90 бар, предпочтительно 80 бар или примерно 80 бар.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором давление отпарки равно давлению конденсации.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором сжатие на стадии (е) осуществляют со степенью сжатия, не превышающей 2.

7. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором первое давление регенерации составляет от 1,8 до 4,0 бар абс, а сжатие на стадии (е) осуществляют до давления от 3 до 6 бар абс.

8. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором первая температура регенерации не превышает 145°С, а пар после сжатия на стадии (е) имеет температуру, равную по меньшей мере 150°С.

9. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором на стадии (г) вырабатывают по меньшей мере два потока пара с различным давлением, причем по меньшей мере один из этих потоков пара сжимают на стадии (е).

10. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором давление реакции превышает 140 бар и, предпочтительно, составляет более 200 бар.

11. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором используют сжатый пар в качестве источника тепла на любой из стадий: регенерации (10) неконвертированного карбамата; выпаривания для удаления воды из раствора мочевины; кристаллизации для удаления воды из раствора мочевины.

12. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором отпарку раствора осуществляют газовым отпаривающим средством, в качестве которого используется СО₂ или аммиак.

13. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором на стадии (г) дополнительно вырабатывают по меньшей мере второй поток пара, не сжимаемый после его создания и используемый для подведения тепла к секции кристаллизации, для сгущения раствора мочевины.

14. Способ по любому из пп. 2-13, в котором давление рециркулируемого раствора, полученного при конденсации, повышают до давления реакции посредством центробежного насоса (18).

15. Установка для синтеза мочевины из СО₂ и NH₃, включающая, по меньшей мере:

реактор (1), в котором осуществляется реакция СО₂ и NH₃ при давлении реакции, для формирования водного раствора мочевины;

отпарное устройство (2), в которое подается водный раствор мочевины и в котором этот раствор обрабатывается при давлении отпарки с получением очищенного раствора (9) и газовой фазы (5), содержащей аммиак и диоксид углерода, причем отпарное устройство включает вертикальный трубный пучок с падающей пленкой;

конденсатор (3) для конденсирования газовой фазы из отпарного устройства при давлении конденсации, для формирования рециркулируемого раствора, направляемого назад (6) в реактор, с формированием тем самым контура синтеза;

паровую систему, содержащую по меньшей мере первый паропровод и приспособленную для вырабатывания по меньшей мере первого потока пара, отводимого из конденсатора и используемого в качестве источника тепла в по меньшей мере одной секции установки (10), расположенной далее по потоку,

отличающаяся тем, что:

паровая система содержит компрессор (14) пара, приспособленный для повышения давления первого потока пара и подачи полученного потока сжатого пара в упомянутую по меньшей мере одну секцию, расположенную далее по потоку, и

компрессор пара приводится в действие электродвигателем.

16. Установка по п. 15, в которой контур синтеза является неизобарическим, и рабочее давление отпарного устройства и конденсатора ниже давления реактора, предпочтительно, ниже по меньшей мере на 20 бар.

17. Установка по п. 16, в которой контур синтеза содержит центробежный насос (18), приспособленный для подачи рециркулируемого раствора (6) из конденсатора в реактор, с повышением давления раствора до давления реакции.

18. Способ модернизации установки для получения мочевины, которая включает:

реактор, в котором происходит реакция СО₂ и NH₃ при давлении реакции, для формирования водного раствора мочевины;

отпарное устройство, в которое подается водный раствор мочевины и в котором раствор обрабатывается при давлении отпарки с получением очищенного раствора и газовой фазы, содержащей аммиак и диоксид углерода, причем отпарное устройство включает вертикальный трубный пучок с падающей пленкой;

конденсатор для конденсирования газовой фазы из отпарного устройства при давлении конденсации, для формирования рециркулируемого раствора, направляемого назад в реактор, с формированием тем самым контура синтеза;

паровую систему, содержащую по меньшей мере первый паропровод и приспособленную для вырабатывания по меньшей мере первого потока пара, отводимого от конденсатора и используемого в качестве источника тепла в по меньшей мере одной секции установки, расположенной ниже по потоку, и

при осуществлении способа:

добавляют к паровой системе компрессор (14) пара, приспособленный для повышения давления первого потока пара и приводимый в действие электродвигателем.