СПОСОБ И РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СМЕСИ КАРБАМИДА И СУЛЬФАТА АММОНИЯ Российский патент 2023 года по МПК B01J19/24 B01J8/06 C01C1/242 C05C3/00 C05C9/00 C07C273/02 

Область техники настоящего изобретения

Настоящее изобретение относится к области смеси карбамида и сульфата аммония, более конкретно, к способам и устройствам для получения смеси карбамида и сульфата аммония.

Уровень техники настоящего изобретения

Смесь карбамида и сульфата аммония (UAS) представляет собой распространенное удобрение. Смесь UAS синтезируют в растворе (вплоть до приблизительно 11 мас. % сульфата аммония (AS) может растворяться в расплавленном карбамиде) или в суспензии (когда расплавленный карбамид содержит более чем приблизительно 11 мас. % AS) перед гранулированием с применением реактора резервуарного типа или трубчатого реактора (см., например, документы ЕР 1781569 B1 (Yara International ASA, 2007) и ЕР 1861335 B1 (Yara International ASA, 2007)). Однако суспензии или концентрированные растворы карбамида и AS (UAS), содержащие карбамид и сульфат аммония, имеют высокую вязкость, что, таким образом, делает затруднительным, например, перекачивание указанных суспензий или концентрированных растворов в процессе получения UAS. Добавление больших количеств воды в поток суспензии или раствора UAS в процессе получения для уменьшения вязкости, очевидно, вызывает дополнительные расходы, поскольку в некоторых точках процесса получения необходимо испарение воды из указанного потока, предпочтительно до или в течение гранулирования, причем для этого требуется энергия и дополнительное расположенное ниже по потоку оборудование (сепаратор, конденсатор, скруббер и т.д.). Повышение температуры потока суспензии или раствора UAS для уменьшения вязкости также не является предпочтительным, потому что это могло бы вызывать разложение UAS или образование нежелательных побочных продуктов, таких как биурет. В частности, когда используют трубчатый реактор для получения UAS, вязкость суспензии или раствор UAS во время образования и/или получения должна быть достаточно низкой, поскольку в иных условиях требуются высокие давления для перекачивания расплава или концентрированного раствора через реакторные трубы, отверстия и распылители реактора и расположенного ниже по потоку оборудования, такого как испарители и грануляторы. Кроме того, в реакторе возникают большие перепады давления, и/или происходит значительный износ реактора, что сокращает продолжительность эксплуатации реактора. Таким образом, существует необходимость упрощения образования, обработки и перемещения суспензий или концентрированных растворов UAS, в частности, упрощения получения суспензий или концентрированных растворов UAS в трубчатом реакторе. Существует необходимость увеличения продолжительности эксплуатации реактора, в частности, трубчатого реактора. Существует необходимость уменьшения вязкости суспензии или концентрированного раствора UAS, и это предпочтительно следует осуществлять без разложения карбамида, сульфата аммония или UAS и/или без добавления больших количеств воды. Наиболее предпочтительно существует необходимость предотвращения образования имеющей высокую вязкость суспензии или концентрированного раствора UAS внутри трубчатого реактора при образовании в реакторной секции, в которой непрерывные исходные потоки серной кислоты и/или бисульфата аммония, аммиака и/или карбамата аммония и карбамида объединяют с получением указанной композиции на основе смеси карбамида и сульфата аммония (UAS) и в результате этого получают раствор или суспензию UAS.

Одна из задач настоящего изобретения заключается в том, чтобы преодолеть или уменьшить один или несколько из вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники или удовлетворить одну из потребностей в данной области техники.

Краткое раскрытие настоящего изобретения

Неожиданно авторы настоящего изобретения обнаружили, что по меньшей мере одна или несколько из указанных задач могут быть решены посредством предложения способа получения композиции на основе смеси карбамида и сульфата аммония (UAS), причем указанная композиция на основе UAS содержит от 1 до 40 мас. % сульфата аммония (AS) по отношению к полной массе композиции на основе UAS, из серной кислоты, аммиака и/или карбамата аммония и карбамида, в трубчатом реакторе, содержащем по меньшей мере реакторную секцию, в которой непрерывные исходные потоки серной кислоты и/или бисульфата аммония, аммиака и/или карбамата аммония и карбамида объединяют с получением указанной композиции на основе смеси карбамида и сульфата аммония (UAS), причем указанный способ включает введение уменьшающего вязкость вещества, выбранного из группы растворимых в воде солей алюминия, в один или несколько указанных исходных потоков, таким образом, что вязкость указанного раствора или суспензии указанной смеси карбамида и сульфата аммония (UAS) уменьшается по сравнению со способом, в котором отсутствует добавление такого уменьшающего вязкость вещества. Соответственно, в настоящем документе предложены способы и реакторы, подходящие для добавления такого уменьшающего вязкость вещества в течение получения смеси карбамида и сульфата аммония (UAS).

Из документов предшествующего уровня техники известно добавление солей алюминия в раствор или суспензию смеси карбамида и сульфата аммония в целях уменьшения вязкости. В документе DE 101 33 935 (SKW Stickstoffwerke Piesteritz GmbH, 2003) раскрыто добавление уменьшающего вязкость соединения, такого как сульфат алюминия, предпочтительно в концентрации от 0,1 до 0,5 мас. % отношению к массе суспензии расплава, в слабощелочную суспензию расплава UAS после ее получения, в целях уменьшения вязкости в течение последующих технологических стадий с участием расплава UAS, таких как концентрирование и/или гранулирование.

В технике известно добавление солей алюминия в раствор или суспензию смеси карбамида и сульфата аммония в целях получения гранул, имеющих улучшенные свойства в отношении твердости, размера, текучести в гранулированном состоянии и долгосрочного хранения. В документе US 4500,336 (Van Hijfte et al., 1985) раскрыта суспензия 20 мас. % сульфата аммония в водном растворе карбамида, в которую добавляли 1 мас. % сульфата алюминия (в пересчете на безводную соль) в качестве замедлителя кристаллизации в целях распыления на псевдоожиженный слой карбамида. ЕР 02232276 (NSM, 1987) раскрыто добавление сульфата алюминия в качестве замедлителя кристаллизации карбамида в расплав карбамида и сульфата аммония в количестве от 0,1 до 2 мас. % перед гранулированием в псевдоожиженном слое. В документе WO 89/04291 (Retec Ltd, 1989) раскрыт способ получения гранул сульфата аммония, причем указанный способ включает добавление гранулирующей добавки, такой как сульфат алюминия, в суспензию аммиака и серной кислоты. В документе WO 95/21689 (Incitec Ltd, 1995) раскрыто применение сульфата алюминия в качестве гранулирующей добавки в процессе получения гранулированного карбамида.

Ни в одном из документов предшествующего уровня техники не раскрыто применение солей алюминия в качестве уменьшающих вязкость веществ для предотвращения образования имеющей высокую вязкость жидкой композиции карбамида и сульфата аммония (UAS) в процессе получения композиции на основе UAS в трубчатом реакторе, в частности, в процессе образования UAS в соответствующей реакторной секции, в которой объединяются и реагируют серная кислота и/или бисульфат аммония, аммиак и/или карбамат аммония и карбамид.

Краткое описание фигур

Следующее описание конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на фигуры представлено исключительно в качестве примера и не предназначено для ограничения настоящего изобретения, его использования или применения. На этих фигурах одинаковые условными номерами обозначены одинаковые или аналогичные части и признаки.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение двухкольцевого трубчатого реактора, который описан в документах ЕР 1861335 В1 и ЕР 1781569 В1, оба из которых включены в настоящий документ посредством ссылки, причем указанный трубчатый реактор может быть использован в сочетании с грануляцией или любой другой подходящей технологией получения частиц в способе получения твердой композиции на основе UAS, которая, в частности, описана в документе ЕР 1781569 В1.

На фиг. 2 представлен профиль вязкости смеси карбамида и сульфата аммония и влияние на вязкость добавления увеличивающихся количеств сульфата аммония в раствор карбамида.

На фиг. 3 представлена вязкость композиции на основе смеси карбамида и сульфата аммония (UAS), полученной согласно настоящему изобретению с различными количествами сульфата алюминия, добавляемыми при различных скоростях вращения.

На фиг. 4 представлен массовый баланс получения композиции UAS, содержащей 23 мас. % AS, с применением двухкольцевого трубчатого реактора согласно фиг. 1. Такую композицию поставляет под наименованием YaraVera™ AMIDAS™ компания Yara International ASA.

Подробное раскрытие настоящего изобретения

При использовании далее в тексте настоящего документа грамматические формы единственного числа означают как единственное, так и множественное число, если иное условие четко не указано контекстом.

Термины «включать», «включает», «включающий» при использовании далее являются синонимами терминов «содержит», «содержать», «содержащий» и имеют включительный или неограничительный смысл, не исключая дополнительных неупомянутых частей, элементов или технологических стадий. Если в настоящем описании упомянут продукт или процесс, который «включает» конкретные признаки, части или стадии, это означает возможность того, что могут также присутствовать и другие признаки, части или стадии, но это может также означать варианты осуществления, которые включают только перечисленные признаки, части или стадии.

Представление численных значений посредством численных интервалов включает все целые и дробные значения в пределах указанных интервалов, а также приведенные конечные точки.

Термин «приблизительно» при использовании в отношении измеряемого значения, такого как параметр, количество, период времени и т.п., предназначен для включения отклонений, составляющих +/-10% или менее, предпочтительно +/-5% или менее, предпочтительнее +/-1% или менее и еще предпочтительнее +/-0,1% или менее по отношению к указанному значению, при том условии, что данные отклонения применяются для изобретения, раскрытого в настоящем документе. Следует понимать, что считается описанным и само значение, к которому относится термин «приблизительно».

При использовании в настоящем документе термины «выше по потоку» и «ниже по потоку» относятся к технологическому потоку через трубчатый реактор.

Все документы, процитированные в настоящем описании, считаются включенными в него во всей своей полноте посредством ссылки.

Если не определено иное условие, все термины, раскрытые в настоящем изобретении, включая технические и научные термины, имеют значения, которые обычно придает им специалист в данной области техники. В качестве дополнительного руководства представлены определения для дополнительного разъяснения терминов, которые использованы в описании настоящего изобретения.

Способ получения композиции на основе UAS

В своем наиболее широком смысле настоящее изобретение относится к способу получения композиции на основе смеси карбамида и сульфата аммония (UAS), причем указанная композиция на основе UAS содержит от 1 до 40 мас. % сульфата аммония (AS) по отношению к полной массе композиции на основе UAS, из серной кислоты, аммиака и/или карбамата аммония и карбамида, в трубчатом реакторе, содержащем по меньшей мере реакторную секцию, в которой непрерывные исходные потоки серной кислоты и/или бисульфата аммония, аммиака и/или карбамата аммония и карбамида объединяют с получением указанной композиции на основе смеси карбамида и сульфата аммония (UAS), при этом способ включает стадию введения уменьшающего вязкость вещества, выбранного из группы растворимых в воде солей алюминия, в один или несколько указанных исходных потоков, таким образом, что уменьшается вязкость полученного в указанной реакторной секции раствора или суспензии смеси карбамида и сульфата аммония (UAS).

Если даже не ограничиваться теорией, существует теория, что введение уменьшающего вязкость вещества в один из исходных потоков изменяет размер частиц и/или распределение по размеру частиц для частиц сульфата аммония, которые получают и смешивают с карбамидом в соответствующей реакторной секции, обеспечивая уменьшенную вязкость.

Неожиданно обнаружено, что введение уменьшающего вязкость вещества в исходный поток и воздействие на уменьшающее вязкость вещество жестких условий реакции в отношении температуры (от 120 до 200°С), давления (от 1 до 10 бар) и щелочности (высокощелочной расплав) не ухудшает состав и качество ни исходного потока, ни уменьшающего вязкость вещества. Этот эффект и его преимущества никогда не были ни описаны, ни предложены в документах предшествующего уровня техники.

Растворимые в воде соли алюминия могут легко растворяться в жидких водных исходных потоках, используемых в данном процессе, таких как исходный поток карбамида и исходный поток серной кислоты/бисульфата аммония. Согласно одному варианту осуществления уменьшающее вязкость вещество вводят в жидкий исходный поток серной кислоты/бисульфата аммония, жидкий исходный поток карбамида или их сочетание. Предпочтительно уменьшающее вязкость вещество вводят в водный исходный поток, такой как жидкий исходный поток карбамида. Согласно этому аспекту настоящего изобретения в реакционную смесь не вводят дополнительную воду, которую необходимо удалять перед получением конечного продукта.

Уменьшающее вязкость вещество может быть введено в непрерывном или периодическом режиме с определенной частотой в любой из вышеупомянутых исходных потоков. Предпочтительно уменьшающее вязкость вещество добавляют в непрерывном режиме в любой из вышеупомянутых исходных потоков.

Оказывается благоприятным выбор уменьшающего вязкость вещества, которое могло бы уменьшать вязкость, составляющую от 1000 до 5000 сП (которая представляет собой обычную вязкость такого потока без уменьшающего вязкость вещества), до значения, составляющего от 20 до 100 сП; таким образом, при этом кратность уменьшения составляет приблизительно от 10 до 250. Предпочтительно вязкость уменьшается до 100 сП, предпочтительно до 50 сП, наиболее предпочтительно до 20 сП. Вязкость предпочтительно измеряют для продукта UAS, получаемого после стадии разделения, т.е. перед любой стадией концентрирования или гранулирования.

Согласно одному варианту осуществления уменьшающее вязкость вещество представляет собой сульфат алюминия (AluS). AluS имеет высокую растворимость в воде, составляющую 31,2 г/100 мл при 0°С, 36,4 г/100 мл при 20°С и 89,0 г/100 мл при 100°С. Таким образом, могут быть достигнуты высокие концентрации AluS в воде. Следовательно, согласно одному варианту осуществления указанную соль алюминия, в частности, сульфат алюминия, добавляют в исходный поток в форме водного раствора. Добавление водного раствора в этой точке процесса является благоприятным, поскольку вода является участником процесса UAS, и не вводятся никакие инородные растворители, которые требовалось бы удалять в расположенной ниже по потоку точке процесса. Кроме того, количество воды будет небольшим по сравнению с количеством воды, уже добавленной в исходный поток карбамида, и, кроме того, любая добавленная вода удаляется по общему правилу в сепараторе, непосредственно после реакторной секции, в которой непрерывные исходные потоки серной кислоты и/или бисульфата аммония, аммиака и/или карбамата аммония и карбамида объединяют с получением указанной композиции на основе смеси карбамида и сульфата аммония (UAS), и эта вода всегда присутствует в данном процессе. Следовательно, не происходит никакого дополнительного разбавления по сравнению с предшествующим уровнем техники, где уменьшающее вязкость вещество добавляют в конечную композицию на основе UAS, и где требуется удаление воды перед концентрированием и гранулированием, необязательно с применением дополнительного оборудования для удаления воды, такого как испаритель.

Сульфат алюминия имеет химическую формулу Al₂(SO₄)₃. Сульфат алюминия редко, если вообще когда-либо встречается в форме безводной соли. Он образует ряд различных гидратов, из которых наиболее распространенными являются гексадекагидрат Al₂(SO₄)₃⋅16H₂O и октадекагидрат Al₂(SO₄)₃⋅18H₂O. Гептадекагидрат Al₂(SO₄)₃⋅17H₂O встречается в природе как минерал алюмоген. В определенных отраслях промышленности сульфат алюминия иногда называется термином «квасцы» или «сернокислый глинозем». Однако наименование «квасцы» является более распространенным и соответствующим образом используется для обозначения любой двойной сульфатной соли с общей формулой XAl(SO₄)₂⋅12H₂O, где X представляет собой однозарядный катион, такой как катион калия или аммония. В контексте настоящей заявки сульфат алюминия должен включать все перечисленные выше химические формы, и его содержание вычислено и выражено в пересчете на Al₂O₃. На основании экспериментов было продемонстрировано, что после добавления раствора сульфата алюминия в исходный поток карбамида перед введением указанного исходного потока в трубчатый реактор количество растворимого сульфата алюминия в исходном потоке, производимом трубчатым реактором, было выше (77% по отношению к полному добавленному количеству), чем в том случае, где сульфат алюминия вводят непосредственно в суспензию UAS (солюбилизация составляет 40% по отношению к полному добавленному количеству), и для создания эффекта уменьшения вязкости оказывается необходимым доведение до максимума количества растворимого уменьшающего вязкость вещества в исходном потоке или продукте.

Согласно одному варианту осуществления, когда уменьшающее вязкость вещество представляет собой сульфат алюминия, его получают на месте применения из гидроксида алюминия и серной кислоты, причем из этих ингредиентов серная кислота может быть также использована для получения сульфата аммония.

Согласно одному варианту осуществления концентрация соли алюминия, в частности, AluS, в водном растворе составляет от 5 до 70 мас. %, предпочтительно от 10 до 60 мас. %, предпочтительнее от 15 до 50 мас. %, еще предпочтительнее от 20 до 40 мас. % и наиболее предпочтительно от 25 до 30 мас. %, в том числе 27 мас. % соли алюминия, в частности, AluS, причем все массовые процентные значения представлены по отношению к полной массе водного раствора.

Согласно одному варианту осуществления в композиции на основе UAS присутствует не более чем 1,0 мас. % соли алюминия, в частности, AluS, и предпочтительно от 0,1 до 1 мас. %, предпочтительнее от 0,2 до 0,9 мас. %, еще предпочтительнее от 0,3 до 0,8 мас. %, еще предпочтительнее от 0,4 до 0,7 мас. % и наиболее предпочтительно от 0,5 до 0,6 мас. % соли алюминия, в частности, AluS, причем все массовые процентные значения представлены по отношению к полной массе композиции на основе UAS (раствора или суспензии).

Для этой цели, например, в исходный поток, предпочтительно в жидкий исходный поток карбамида, вводят не более чем 1,1 мас. % соли алюминия, в частности, AluS, и предпочтительно от 0,1 до 1,1 мас. %, предпочтительнее от 0,2 до 1,0 мас. %, еще предпочтительнее от 0,3 до 0,9 мас. %, еще предпочтительнее от 0,4 до 0,8 мас. % и наиболее предпочтительно от 0,5 до 0,7 мас. % соли алюминия, в частности, AluS.

Согласно одному варианту осуществления композиция на основе UAS содержит от 1 до 40 мас. % AS, предпочтительно от 1 до 35 мас. %, предпочтительно от 3 до 30 мас. %, предпочтительнее от 5 до 25 мас. %, еще предпочтительнее от 7 до 20 мас. % и наиболее предпочтительно от 10 до 15 мас. % AS по отношению к полной массе композиции на основе UAS. Согласно предпочтительному варианту осуществления композиция на основе UAS содержит приблизительно 23 мас. % AS. Такую композицию поставляет под наименованием YaraVera™ AMIDAS™ компания Yara International ASA. Согласно предпочтительному варианту осуществления композиция на основе UAS содержит приблизительно 32 мас. % AS. Такую композицию поставляет под наименованием YaraVera™ UREAS™ компания Yara International ASA. Количество AS в композиции на основе UAS можно устанавливать на конкретном уровне посредством выбора количеств серной кислоты и аммиака, которые присутствуют в исходных потоках.

Согласно одному варианту осуществления композиция на основе UAS содержит:

- от по меньшей мере 0,1 до не более чем 1 мас. % сульфата алюминия;

- от по меньшей мере 1 до не более чем 35 мас. % AS; и

- от по меньшей мере 64 до не более чем 98,9 мас. % карбамида;

причем все массовые процентные величины представлены по отношению к полной массе композиции на основе UAS.

Согласно одному варианту осуществления реактор представляет собой двухкольцевой трубчатый реактор, который описан ниже. Посредством применения такого трубчатого реактора оказывается возможным получение смеси карбамида и сульфата аммония (UAS) из исходных потоков серной кислоты и бисульфата аммония, аммиака и/или карбамата аммония и карбамида практически без разложения карбамида.

Согласно одному варианту осуществления настоящее изобретение относится к способу получения смеси карбамида и сульфата аммония (UAS) из серной кислоты, аммиака и/или карбамата аммония и карбамида в трубчатом реакторе, содержащем по меньшей мере реакторную секцию, в которой объединяют исходные потоки серной кислоты и/или бисульфата аммония, аммиака и/или карбамата аммония и карбамида с получением указанной смеси карбамида и сульфата аммония (UAS), причем способ включает следующие стадии:

a) введение серной кислоты и/или бисульфата аммония и аммиака и/или карбамата аммония в первую реакторную секцию;

b) реакция в указанной первой реакторной секции по меньшей мере части указанной серной кислоты и/или бисульфата аммония и по меньшей мере части указанного аммиака и/или карбамата аммония с образованием сульфата аммония (AS);

c) введение раствора карбамида во вторую реакторную секцию; и

d) смешивание указанного исходного потока, полученного в результате стадии (b), с указанным раствором карбамида, полученным на стадии (с), в третьей реакторной секции в присутствии аммиака и/или карбамата аммония, и в результате этого получение раствора или суспензии UAS;

при этом уменьшающее вязкость вещество, выбранное из группы растворимых в воде солей алюминия, вводят в указанный раствор карбамида перед стадией (с), таким образом, что вязкость указанного раствора или суспензии UAS, полученной в результате стадии (d), уменьшается по сравнению со способом, не включающим добавление указанного уменьшающего вязкость вещества в указанный раствор карбамида перед стадией (с).

Было обнаружено, что заявленное введение уменьшающего вязкость вещества в указанный раствор карбамида в целях уменьшения вязкости оказывается благоприятным по сравнению с добавлением уменьшающего вязкость вещества в других точках введения, например, через отдельный питающий трубопровод в поток UAS в любой точке процесса. Добавление уменьшающего вязкость вещества не производило воздействия на характеристики карбамида или его потока, а также на процесс получения UAS в целом, за исключением эффект уменьшения вязкости.

В частности, указанное уменьшающее вязкость вещество представляет собой сульфат алюминия (AluS), в частности, выбранный из группы, которую составляют безводный сульфат алюминия, его гексадекагидрат, гептадекагидрат и октадекагидрат, а также двойная сульфатная соль с общей формулой XAl(SO₄)₂⋅12H₂O, где X представляет собой однозарядный катион, и их смеси

Согласно настоящему изобретению, уменьшающее вязкость вещество, в частности, AluS, добавляют в раствор карбамида исходный поток перед тем, как раствор карбамида добавляют во вторую часть реактора. Таким образом, AluS присутствует в композиции до того, как начинается образование UAS, что запускает эффект уменьшения вязкости с момента начала образования UAS.

Добавление уменьшающего вязкость вещества в растворы UAS или суспензии UAS упрощает обработку и концентрирование посредством испарения воды из раствора UAS или суспензии UAS. Помещение раствора UAS или суспензии UAS в гранулятор будет упрощаться и/или ускоряться по мере того, как будет уменьшаться давление, требуемое для перемещения раствора UAS или суспензии UAS с уменьшенной вязкостью. Поскольку уменьшается вязкость раствора UAS или суспензии UAS, износ реактора будет происходить в меньшей степени, и в результате этого увеличится продолжительность эксплуатации реактора и оборудования, расположенного в реакторе. Это также приводит к уменьшению продолжительности простоя вследствие обслуживания. В частности, для трубчатого реактора требуются низкие уровни вязкости, чтобы, таким образом, требовалось приложение меньшего давления для перекачивания раствора UAS или суспензии UAS через реактор. Уменьшение вязкости приводит к уменьшению перепада давления в реакторе. Добавление уменьшающего вязкость вещества, в частности, AluS, уменьшает вязкость раствора UAS или суспензии UAS и предотвращает добавление больших количеств воды, которая должна испаряться ниже по потоку относительно реактора. При этом также предотвращается необходимость нагревания раствора UAS или суспензии UAS до более высоких температур в целях уменьшения вязкости, и в результате этого происходит по меньшей мере частичное разложение UAS.

Трубчатый реактор

Кроме того, настоящее изобретение относится к трубчатому реактору для получения композиции на основе смеси карбамида и сульфата аммония (UAS), причем указанная смесь UAS содержит от 1 до 40 мас. % сульфата аммония (AS) по отношению к полной массе композиции на основе UAS, из серной кислоты, аммиака и/или карбамата аммония и карбамида, при этом трубчатый реактор содержит по меньшей мере реакторную секцию, в которой непрерывные исходные потоки серной кислоты и/или бисульфата аммония, аммиака и/или карбамата аммония и карбамида объединяют с получением указанной композиции на основе смеси карбамида и сульфата аммония (UAS), при этом трубчатый реактор дополнительно содержит приспособление для введения водного раствора уменьшающего вязкость вещества в раствор карбамида выше по потоку относительно трубчатой реакторной секции, в которой указанный раствор карбамида смешивают с сульфатом аммония для получения раствора или суспензии UAS, причем указанное вещество уменьшает вязкость указанного раствора или суспензии UAS.

В частности, трубчатый реактор представляет собой трубчатый реактор, который раскрыт в документах ЕР 1861335 В1 и ЕР 1781569 В1, причем оба указанных документа включены в настоящий документ посредством ссылки, и который может быть использован в сочетании с гранулятором в способе получения твердой композиции на основе UAS, в частности, как раскрыто в документе ЕР 1781569 В1. Применение трубчатого реактора позволяет осуществлять процесс получения как непрерывный процесс с относительно короткой продолжительностью пребывания в реакторе, и в результате этого уменьшается степень разложения. Дополнительные преимущества представляют собой высокая степень перемешивания, гибкость эксплуатации, низкие капитальные затраты, низкие статические нагрузки на строительные конструкции и/или простота замены в случае коррозии. Непрерывный процесс также упрощает внедрение реактора в непрерывный процесс на месте применения в случае одного или нескольких исходных материалов, таких как аммиак и/или карбамат аммония или карбамид.

В частности, трубчатый реактор содержит трубчатый корпус и головку реактора, причем головка реактора содержит (i) приспособление для аксиального введения серной кислоты, (ii) приспособление для введения аммиака и/или карбамата аммония, (iii) приспособление для введения раствора карбамида и (iv) реакционную камеру, при этом приспособление для аксиального введения серной кислоты имеет первое сопло, приспособление для введения аммиака и/или карбамата аммония содержит впуск, имеет второе сопло на своем расположенном ниже по потоку конце и образует первую кольцевую камеру, окружающую приспособление для введения серной кислоты; приспособление для введения раствора карбамида содержит впуск, имеет суживающуюся часть на своем расположенном ниже по потоку конце и образует вторую кольцевую камеру, окружающую приспособление для введения аммиака и/или карбамата аммония; и реакционная камера образована, в основном, зоной между концом первого сопла и концом второго сопла, при этом трубчатый реактор дополнительно содержит приспособление для введения водного раствора уменьшающего вязкость вещества в раствор карбамида.

В частности, приспособление для введения водного раствора уменьшающего вязкость вещества в раствор карбамида содержит насос, который выполнен с возможностью введения указанного водного раствора в трубопровод исходного потока под давлением от 1 до 10 бар и выдерживания при температуре от 90 до 150°С.

В частности, указанное уменьшающее вязкость вещество представляет собой сульфат алюминия (AluS), в частности, выбранный из группы, которую составляют безводный сульфат алюминия, его гексадекагидрат, гептадекагидрат и октадекагидрат, а также двойная сульфатная соль с общей формулой XAl(SO₄)₂⋅12H₂O, где X представляет собой однозарядный катион, и их смеси.

Согласно одному варианту осуществления предварительный реактор для (частичной) предварительной нейтрализации серной кислоты расположен выше по потоку относительно головки реактора. В контексте настоящего изобретения предварительная нейтрализация серной кислоты означает, что серная кислота частично превращается в бисульфат аммония. Бисульфат аммония соответствует продукту, получаемому посредством реакции одного моля серной кислоты с одним молем аммиака, в то время как сульфат аммония соответствует продукту, получаемому посредством реакции одного моля серной кислоты с двумя молями аммиака. Первая реакция аммиака с серной кислоты (с образованием бисульфата аммония) является в большей степени экзотермической, чем вторая реакция. Следовательно, бисульфат аммония является значительно менее активным в реакции с карбамидом, чем серная кислота, что, таким образом, ограничивает потери карбамида, и при этом бисульфат аммония имеет значительно более высокую растворимость в воде, чем сульфат аммония, что, таким образом, предотвращает закупоривание трубчатого реактора. Для достижения такой частичной предварительной нейтрализации в предварительный реактор вводят неэквимолярные количества аммиака и серной кислоты. Для достижения полной предварительной нейтрализации в предварительный реактор вводят эквимолярные количества аммиака и серной кислоты.

Согласно одному варианту осуществления предварительный реактор может сам представлять собой трубчатый реактор.

Согласно одному варианту осуществления предварительный реактор представляет собой часть главного трубчатого реактора, и приспособление для введения аммиака и или карбамата аммония содержит впуск.

Согласно одному варианту осуществления предварительный смеситель для разбавления серной кислоты расположен выше по потоку относительно головки реактора. Предварительный смеситель может быть использован на сернокислотном трубопроводе для разбавления серной кислоты водным раствором. Преимущественно уменьшающее вязкость вещество вводят в такой водный раствор.

Установка для получения смеси карбамида и сульфата аммония

Настоящее изобретение также относится к установке для получения смеси карбамида и сульфата аммония, причем указанная установка содержит трубчатый реактор согласно настоящему изобретению, который предназначен для получения композиции на основе смеси карбамида и сульфата аммония (UAS) из серной кислоты, аммиака и/или карбамата аммония и карбамида, практически без разложения карбамида.

Согласно одному варианту осуществления установка дополнительно содержит предварительный реактор для (частичной) предварительной нейтрализации серной кислоты с получением бисульфата аммония, предварительный смеситель для разбавления серной кислоты выше по потоку относительно головки реактора, сепаратор, такой как сепарационный резервуар, для отделения производимого пара от суспензии UAS, а также приспособление для приема пара.

Согласно одному варианту осуществления перед головкой реактора расположен предварительный реактор, который содержит приспособление для введения аммиака, приспособление для введения серной кислоты и реакционную камеру.

Согласно одному варианту осуществления предварительный смеситель для разбавления серной кислоты может быть расположен выше по потоку относительно головки реактора.

Согласно одному варианту осуществления испарительный резервуар может быть расположен после сепаратора, чтобы ограничивать высокую температуру, которая способствует нежелательному разложению карбамида, а также для достижения соответствующего содержания воды (как правило, приблизительно от 2 до 5 мас. % воды) в растворе UAS, который, например, предназначен для распыления в гранулятор с псевдоожиженным слоем, причем раствор UAS предпочтительно подвергают быстрому испарению в вакууме. Быстрое испарение может быть осуществлено непосредственно в сепараторе трубчатого реактора или во втором резервуаре, так называемом испарительном резервуаре. Применение такого испарительного резервуара предотвращает сложное проектирование вакуумной системы (включая конденсатор и удаление неконденсируемых веществ), но требует дублирования технологического парового скруббера и системы конденсации в случае необходимости конденсации пара из сепаратора. Таким образом, эту конфигурацию, содержащую сепаратор и испарительный резервуар, необходимо исследовать в каждой конкретной ситуации, причем в любом случае она является весьма целесообразной для высокой производительности установки и потребления отходящего газообразного аммиака из установки для получения карбамида с содержанием большого количества неконденсируемых веществ (таких как СО₂, высвобождаемый при разложении карбамата аммония). Пар, производимый в реакторе и отделяемый в сепараторе, содержит, главным образом, водяной пар, но также некоторое количество не прореагировавшего аммиака, диоксид углерода, некоторое количество воздуха, а также капли раствора UAS. Разнообразные неконденсируемые вещества (NO_x, SO_x и т.д.) могут присутствовать в пренебрежимо малых количествах в зависимости от качества исходных веществ, а также могут в незначительных количествах образовываться в реакторе.

Согласно одному варианту осуществления приспособление для приема пара предпочтительно представляет собой скруббер, который может быть сконструирован в форме двух раздельных ступеней. Скруббер предпочтительно имеет приспособление для возврата промывного раствора в карбамидный впуск и/или в сернокислотный инжектор. Согласно одному варианту осуществления скруббер представляет собой мокрый скруббер. Капли раствора захватываются из промывного раствора. Скруббер частично подкисляют серной кислотой, чтобы дополнительно останавливать аммиак. Скруббер предпочтительно сконструирован в форме двух отдельных ступеней: на первой ступени капли карбамида останавливает практически нейтральный промывной раствор, в то время как на второй ступени осуществляют подкисление для захвата аммиака. Это предотвращает усиление разложения карбамида сильно подкисленным промывным раствором, содержащим карбамид. Если скруббер сконструирован в форме двух отдельных ступеней, то промывной раствор из второй ступени предпочтительно возвращается систематически в сернокислотный трубопровод, питающий реактор, потому что в этом растворе практически отсутствует карбамид. Содержащие карбамид промывные растворы из первой ступени предпочтительно не должны возвращаться непосредственно в серную кислоту во избежание высокой скорости разложения карбамида. Этот раствор можно смешивать с промывным раствором из гранулировочной секции и направлять в раствор карбамида, поступающий в трубчатый реактор. В качестве альтернативы, раствор можно возвращать в секцию концентрирования карбамида, выводить или использовать для пополнения воды в скруббере гранулировочной секции.

Получение смеси карбамида и сульфата аммония предпочтительно представляет собой заключительный процесс карбамидной установки.

Экспериментальная часть

Далее настоящее изобретение будет разъяснено посредством ссылки на фиг. 1-4.

На фиг. 1 представлен трубчатый реактор, перед которым установлены предварительный смеситель и предварительный реактор. Головка (1) реактора и корпус (14) реактора трубчатого реактора являются обязательными во всех вариантах реактора, в то время как применение предварительного смесителя и предварительного реактора будет зависеть от технологических условий.

Головка (1) реактора содержит реакционную камеру. Она представляет собой зону, расположенную между концом сернокислотного сопла (3А) и концом аммиачного сопла (2А), где аммиак и/или карбамат аммония и (частично нейтрализованная) серная кислота вступают в контакт друг с другом и реагируют. Головка (1) имеет трубчатую форму с суживающейся частью (1А) на своем расположенном ниже по потоку конце. Она содержит аксиальный сернокислотный инжектор (3, 3А), через который композиция, главным образом, содержащая (частично нейтрализованную) серную кислоту, в аксиальном направлении поступает в трубчатый реактор. Аммиак и/или карбамат аммония поступают в тангенциальном направлении через впуск (8) в аммиачный инжектор (2), образующий первую кольцевую камеру, которая окружает кислотный инжектор (3, 3А). Аммиачный инжектор (2) имеет сопло (2А) на своем расположенном ниже по потоку конце. Водная композиция, содержащая, главным образом, карбамид (необязательно вместе с другими компонентами, такими как формальдегид, биурет, сульфат аммония и аммиак) поступает через впуск (7) во вторую кольцевую камеру, которая окружает аммиачный инжектор (2). Корпус (14) реактора представляет собой прямолинейный отрезок реактора, расположенный ниже по потоку относительно суживающейся части (1А). Уменьшающее вязкость вещество, которое уменьшает вязкость раствора или суспензии UAS, добавляют через впуск (19), который расположен выше по потоку относительно впуска (7). Предпочтительно уменьшающее вязкость вещество добавляют в непрерывном режиме в водную карбамидную композицию.

Согласно представленному варианту осуществления перед любым введением карбамида серная кислота частично нейтрализуется аммиаком в отдельном реакторе, который далее называется термином «предварительный реактор». Предварительный реактор расположен выше по потоку относительно головки (1) реактора трубчатого реактора и имеет впуск (9) для аммиака и/или карбамата аммония в кольцевую камеру, окружающую аксиальный ввод серной кислоты, причем кислотный инжектор (4) имеет конический конец (4А). Следовательно, в трубчатый реактор поступают три отдельных потока, причем эти потоки могут быть описаны как двухкольцевой поток: поток (частично нейтрализованной) серной кислоты проходит в центре, поток аммиака и/или карбамата аммония образует первое (внутреннее) кольцо, и поток карбамида, в который было добавлено уменьшающее вязкость вещество, образует второе (наружное) кольцо. Такой трубчатый реактор называется термином «двухкольцевой трубчатый реактор».

Предварительный смеситель (12) расположен выше по потоку относительно предварительного реактора и может быть использован на сернокислотном трубопроводе для разбавления потока серной кислоты (5) водой (13) или промывным раствором (11) из промывной секции, где содержатся, главным образом, вода и сульфат аммония.

Здесь не проиллюстрирован двухступенчатый скруббер, в котором первая ступень захватывает карбамид, а вторая ступень подкислена с применением потока кислоты для захвата аммиака и его превращения с образованием сульфата аммония, который может возвращаться в процесс.

На фиг. 2 представлено влияние добавления сульфата аммония в расплавленный карбамид. Начиная с концентрации AS, составляющей приблизительно 23 мас. %, вязкость постепенно увеличивается, и образуется суспензия, перемещение которой является весьма затруднительным.

На фиг. 3 представлено влияние добавления сульфата алюминия на вязкость композиции на основе UAS, которая содержит 32 мас. % AS (поставляется под наименованием Ureas© компанией Yara International ASA). Следует отметить, что малое содержание сульфата алюминия, составляющее лишь 0,1 мас. %, вызывает значительное уменьшение вязкости, которая может быть дополнительно уменьшена посредством добавления вплоть до 0,6 мас. % сульфата алюминия. Добавление более чем 1 мас. % сульфата алюминия, по-видимому, не приводит к значительному уменьшению вязкости.

На фиг. 4 представлен массовый баланс для получения композиции UAS, содержащей 23 мас. % AS, с применением 0,69 мас. % сульфата алюминия (по отношению к массе исходного потока карбамида), предварительно смешанного с карбамидом. Такую композицию поставляет под наименованием YaraVera™ AMIDAS™ компания Yara International ASA. Она не может быть эффективно получена без уменьшающего вязкость вещества, поскольку при отсутствии уменьшающего вязкость вещества трубчатый реактор будет производить расплавы, которые трудно транспортировать, перекачивать и обрабатывать ниже по потоку относительно трубчатого реактора.

Настоящее изобретение относится к способу получения композиции на основе смеси карбамида и сульфата аммония (UAS), причем указанная композиция на основе UAS содержит от 1 до 40 мас.% сульфата аммония (AS) по отношению к полной массе композиции на основе UAS, из серной кислоты и/или бисульфата аммония, аммиака и/или карбамата аммония и карбамида. Способ проводят в трубчатом реакторе, содержащем по меньшей мере реакторную секцию, в которой непрерывные исходные потоки серной кислоты и/или бисульфата аммония, аммиака и/или карбамата аммония и карбамида объединяют с получением указанной композиции на основе смеси карбамида и сульфата аммония (UAS). При этом способ включает стадию введения уменьшающего вязкость вещества, выбранного из группы растворимых в воде солей алюминия, в один или несколько указанных исходных потоков, причем указанное уменьшающее вязкость вещество представляет собой сульфат алюминия (AluS). Изобретение позволяет упростить образование, обработку и перемещение суспензий или концентрированных растворов UAS, в частности упростить получение суспензий или концентрированных растворов UAS в трубчатом реакторе. 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ получения композиции на основе смеси карбамида и сульфата аммония (UAS), причем указанная композиция на основе UAS содержит от 1 до 40 мас.% сульфата аммония (AS) по отношению к полной массе композиции на основе UAS, из серной кислоты и/или бисульфата аммония, аммиака и/или карбамата аммония и карбамида, в трубчатом реакторе, содержащем по меньшей мере реакторную секцию, в которой непрерывные исходные потоки серной кислоты и/или бисульфата аммония, аммиака и/или карбамата аммония и карбамида объединяют с получением указанной композиции на основе смеси карбамида и сульфата аммония (UAS), при этом способ включает стадию введения уменьшающего вязкость вещества, выбранного из группы растворимых в воде солей алюминия, в один или несколько указанных исходных потоков, причем указанное уменьшающее вязкость вещество представляет собой сульфат алюминия (AluS).

2. Способ по п. 1, в котором уменьшающее вязкость вещество вводят в жидкий исходный поток карбамида.

3. Способ по п. 1, в котором уменьшающее вязкость вещество вводят в исходный поток аммиака и/или карбамата аммония.

4. Способ по п. 1, в котором уменьшающее вязкость вещество вводят в жидкий исходный поток серной кислоты и/или бисульфата аммония.

5. Способ по любому из пп. 1-4, в котором указанное уменьшающее вязкость вещество уменьшает вязкость раствора или суспензии смеси карбамида и сульфата аммония (UAS), причем кратность уменьшения составляет приблизительно от 10 до 250.

6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором вязкость раствора или суспензии смеси карбамида и сульфата аммония (UAS) уменьшается до 100 сП, предпочтительно до 50 сП, наиболее предпочтительно до 20 сП.

7. Способ по любому из пп. 1-6, в котором указанное уменьшающее вязкость вещество представляет собой сульфат алюминия (AluS), выбранный из группы, которую составляют безводный сульфат алюминия, его гексадекагидрат, гептадекагидрат и октадекагидрат, а также двойная сульфатная соль с общей формулой XAl(SO₄)₂⋅12H₂O, где X представляет собой однозарядный катион, и их смеси.

8. Способ по любому из пп. 1-7, в котором указанную соль алюминия добавляют в исходный поток в форме водного раствора.

9. Способ по п. 8, в котором концентрация указанной соли алюминия в водном растворе составляет от 5 до 70 мас.% по отношению к полной массе водного раствора.

10. Способ по любому из пп. 1-9, в котором от 0,1 до 1 мас.% указанной соли алюминия по отношению к полной массе композиции на основе UAS присутствует в композиции на основе UAS.

11. Способ по любому из пп. 1-10, в котором указанная композиция на основе UAS содержит приблизительно 23 мас.% AS, или приблизительно 32 мас.% AS по отношению к полной массе композиции на основе UAS.

12. Способ по любому из пп. 1-11, в котором указанная композиция на основе UAS содержит от по меньшей мере 0,1 до не более чем 1 мас.% сульфата алюминия, от по меньшей мере 1 до не более чем 35 мас.% AS и от по меньшей мере 64 до не более чем 98,9 мас.% карбамида, причем все массовые процентные величины представлены по отношению к полной массе композиции на основе UAS.

13. Способ по любому из пп. 1-12, в котором реактор представляет собой двухкольцевой трубчатый реактор.

14. Способ по п. 1 для получения смеси карбамида и сульфата аммония (UAS), причем указанная смесь UAS содержит от 1 до 40 мас.% сульфата аммония (AS) по отношению к полной массе композиции на основе UAS, из серной кислоты и/или бисульфата аммония, аммиака и/или карбамата аммония и карбамида, в трубчатом реакторе, содержащем по меньшей мере реакторную секцию, в которой непрерывные исходные потоки серной кислоты и/или бисульфата аммония, аммиака и/или карбамата аммония и карбамида объединяют с получением указанной смеси карбамида и сульфата аммония (UAS), причем способ включает следующие стадии:

a) введение серной кислоты и/или бисульфата аммония и аммиака и/или карбамата аммония в первую реакторную секцию;

b) реакция в указанной первой реакторной секции по меньшей мере части указанной серной кислоты и/или бисульфата аммония и по меньшей мере части указанного аммиака и/или карбамата аммония с образованием сульфата аммония (AS);

c) введение раствора карбамида во вторую реакторную секцию; и

d) смешивание указанного исходного потока, полученного в результате стадии (b), с указанным раствором карбамида, полученным на стадии (c), в третьей реакторной секции в присутствии аммиака и/или карбамата аммония, и в результате этого получение раствора или суспензии UAS;

и отличается тем, что уменьшающее вязкость вещество, выбранное из группы растворимых в воде солей алюминия, вводят в указанный раствор карбамида перед стадией (c),

причем уменьшающее вязкость вещество представляет собой сульфат алюминия (AluS).