Способ получения мочевины

1 Настоящее изобретение относится к способу получения мочевины из аммиака и диоксида углерода. Мочевина может быть получена введением избыточного количества аммиака совместно с диоксидом углерода в зону синтеза при подходящем давлении (например, 12-40 МПа) и подходящей температуре (например, 160-250 С), с первоначальным образованием карбамата аммония, согласно следующей реакции: 2NH3 + СO2H2N-CO-ONH4 Последующая дегидратация полученного карбамата аммония приводит к образованию мочевины в соответствии со следующей равновесной реакцией:H2N-CO-ONH4H2N-CO-NH2 + Н 2O Теоретически достижимая конверсия аммиака и диоксида углерода в мочевину определяется термодинамическим положением равновесия и зависит, например, от соотношенияNН 3/СО 2 (соотношения N/C), соотношения Н 2O/СO2 и температуры. При превращении аммиака и диоксида углерода в мочевину продукт, полученный в реакторе синтеза, представляет собой раствор, главным образом содержащий мочевину, воду, карбамат аммония и непрореагировавший аммиак. Помимо упомянутого раствора, содержащего мочевину, в зоне синтеза может образовываться газовая смесь, известная, как синтез-газ,состоящая из непрореагировавшего аммиака и диоксида углерода, а также инертных газов. Происхождение присутствующих в смеси инертных газов может быть связано с использованием системы, с помощью которой, с целью повышения коррозионной стойкости, в установку вводят воздух. Инертные газообразные компоненты могут попадать в зону синтеза вместе с сырьем (NH3 и СO2). Аммиак и диоксид углерода выделяют из синтез-газа и, предпочтительно,возвращают в зону синтеза. Зона синтеза может включать отдельные зоны для образования карбамата аммония и мочевины. Однако эти зоны могут быть объединены в одном аппарате. Синтез может осуществляться в одном или двух реакторах. В случае применения двух реакторов в первом из них может использоваться практически свежее сырье, а во втором - материалы, полностью или частично рециркулированные со стадии выделения мочевины. Превращение карбамата аммония в мочевину и воду может осуществляться в результате обеспечения достаточно длительного времени пребывания реакционной смеси в реакторе синтеза. Время пребывания обычно составляет более 10 мин, предпочтительно более 20 мин. Время пребывания в зоне реакции не должно превышать 3 ч, предпочтительно 1 ч. На практике используются различные способы получения мочевины. Ранее мочевину по 004238 2 лучали в традиционных установках высокого давления, которые к концу 1960 г были заменены процессами, проводимыми в так называемых установках выпаривания мочевины. Традиционные установки высокого давления для синтеза мочевины представляют собой аппараты, в которых разложение карбамата аммония, не превратившегося в мочевину, и вытеснение избытка аммиака осуществляется при существенно более низком давлении, чем давление в самом реакторе синтеза. В традиционной установке высокого давления для синтеза мочевины реактор синтеза обычно работает при температуре 180-250 С и давлении 15-40 МПа. В традиционной установке высокого давления после расширения, диссоциации и конденсации при давлении 1,5-10 МПа, исходные материалы,не превратившиеся в мочевину, возвращаются на стадию синтеза мочевины в виде потока карбамата аммония. Кроме этого, в традиционной установке синтеза мочевины при высоком давлении аммиак и диоксид углерода подаются непосредственно в реактор синтеза. Соотношение N/C при синтезе мочевины в традиционной установке высокого давления имеет значение в интервале 3-5. Вначале, такие традиционные установки синтеза мочевины предназначались для проведения, так называемого "Once-Through" (одноразового) процесса. Непрореагировавший аммиак нейтрализовывали кислотой (например, азотной кислотой) и превращали в соли аммония(например, в нитрат аммония). Прошло немного времени, и такие традиционные одноразовые процессы были заменены на общепринятые процессы с рециркуляцией сырья, в которых непрореагировавший аммиак и диоксид углерода рециркулируют в реактор синтеза в виде потоков карбамата аммония. В секции регенерации непрореагировавший аммиак и диоксид углерода удаляют из реакционного раствора,полученного в реакторе синтеза, причем в ходе этого процесса выделяют водный раствор мочевины. Далее водный раствор мочевины превращают в мочевину в секции выпаривания в результате выпаривания воды при пониженном давлении. Иногда смесь воды с мочевиной разделяют с помощью кристаллизационных способов. Установка выпаривания мочевины представляет собой аппарат, в котором разложение карбамата аммония, не превращенного в мочевину, и вытеснение избыточного количества аммиака осуществляют, главным образом, при давлении, практически равном давлению в реакторе синтеза. Разложение/вытеснение проводится в зоне выпаривания с добавлением отпаривающего газа или без него. В процессе выпаривания диоксид углерода и/или аммиак могут использоваться в качестве газообразного поглотителя перед подачей указанных компонентов в реактор синтеза. Операция выпаривания осуще 3 ствляется в отпарной колонне, установленной после реактора синтеза; в ней раствор мочевины, выходящий из реактора синтеза, отпаривается с помощью газообразного поглотителя с подводом тепла. На этой стадии также можно использовать процесс термического выпаривания. Под термическим выпариванием подразумевается, что карбамат аммония подвергается разложению, а диоксид углерода и аммиак, присутствующие в системе, удаляются из раствора мочевины исключительно в результате подвода тепла. Отпаривание также может осуществляться в две и более стадий. В известном способе,после первой, чисто термической стадии осуществляют стадию выпаривания в СO2 с подводом дополнительного количества тепла. Газовый поток, содержащий аммиак и диоксид углерода,выходящий из отпарной колонны, возвращают в реактор, в некоторых случаях используя для этого конденсатор высокого давления для карбамата. Отпаривание раствора мочевины с помощью отпаривающего агента может осуществляться в нескольких отпарных колоннах. Реактор синтеза в установке отпаривания мочевины работает при температуре 160-240 С,предпочтительно при температуре 170-220 С. Давление в реакторе синтеза составляет 12-21 МПа, предпочтительно 12,5-19,5 МПа. Соотношение N/C в зоне синтеза установки отпаривания мочевины составляет 2,5-4. Часто используемое воплощение получения мочевины способом выпаривания представляет собой Stamicarbon процесс отпаривания с помощью СО 2, описанный в European Chemical News, UreaSupplement, 17 Января 1969 г, с. 17-20. Большая часть газовой смеси, полученной при операции отпаривания, конденсируется и поглощается совместно с аммиаком, требующимся для процесса, в конденсаторе карбамата, работающем при высоком давлении, после чего образовавшийся поток карбамата аммония возвращается в зону синтеза для получения мочевины. Карбаматный конденсатор высокого давления может быть спроектирован, например,аналогично погружному конденсатору, описанному в NL-A-8400839. Погружной конденсатор может располагаться вертикально или горизонтально. Однако особенно предпочтительно проводить конденсацию в горизонтальном погружном конденсаторе (так называемый сливной конденсатор, см., например, Nitrogen22,Июль-Август 1996, с. 29-31), поскольку в сравнении с конденсаторами других конструкций, в таком конденсаторе обеспечивается наибольшее время пребывания жидкости. Это приводит к образованию повышенных количеств мочевины,что повышает температуру кипения, вследствие чего увеличивается разность температур между мочевина-содержащим раствором карбамата аммония и охлаждающей средой и обеспечивается улучшенная теплопередача. 4 После выпаривания давление упаренного раствора мочевины понижается до низкого значения на стадии регенерации мочевины, и раствор концентрируют выпариванием, после чего мочевину выделяют, а поток карбамата аммония низкого давления рециркулируют в секцию синтеза. В зависимости от природы процесса, этот карбамат аммония может регенерироваться на одной или множестве технологических стадий,осуществляемых при различных давлениях. В ходе процесса синтеза мочевины в различных местах установки, в качестве побочных продуктов, образуются отходящие газы. Отходящие газы, в основном, представляют собой инертные вещества, загрязненные аммиаком и диоксидом углерода, причем инертные компоненты сбрасывают в атмосферу. Перед удалением из установки такие отходящие газы следует освобождать, главным образом, от аммиака. Отходящие газы часто очищают на стадии поглощения в абсорбере, в котором проводится удаление аммиака из отходящих газов с помощью такого подходящего растворителя аммиака, как вода или слабоаммиачный технологический конденсат, причем выделяющееся тепло может отводиться с помощью теплообменников. Отходящие газы образуются при различных давлениях. Аммиак из отходящих газов предпочтительно абсорбировать при как можно более высоком давлении. Так, например, в процессе выпариванияStamicarbon СО 2, газовый поток из реактора, т.е. синтез-газ, промывают в скруббере при высоком давлении ( 10 МПа) с использованием раствора карбамата аммония, полученного в секции низкого давления. В скруббере высокого давления образуется поток карбамата аммония, который обычно подают в конденсатор высокого давления, и несконденсированный поток отходящих газов. Перед сбросом в атмосферу, отходящие газы из скруббера высокого давления очищают от остаточного аммиака путем проведения стадии поглощения в абсорбере, работающем при среднем давлении. Термин при среднем давлении относится к давлениям порядка 0,3-0,6 МПа. Другие примеры очистки отходящих газов с использованием стадии поглощения, включают процесс автовыпаривания, описанный вA27, с. 346-348, 1996, в котором газы, отходящие из секции высокого давления, также промывают в абсорбере среднего давления. Аналогичным образом, в процессе ACES, описанном вUhlmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, т. А 27, с. 348-349, 1996, отходящие газы, содержащие несконденсированные компоненты, поданные из скруббера высокого давления на стадию разложения при среднем давлении, промывают в абсорбере, работающем при среднем давлении. 5 В соответствии с современным уровнем техники отходящие газы из секции высокого давления подают в абсорбер среднего давления через регулирующие клапаны. Серьезным недостатком такого процесса являются потери потенциально регенерируемой энергии. Кроме этого, на всех установках синтеза мочевины газовые потоки, содержащие аммиак,выводятся при значительно более низких давлениях, например, при 0,1-0,3 МПа, но в основном, при атмсферном давлении. Примером может служить отходящий газ из зоны конденсации выпарной секции. В выпарной секции раствор мочевины концентрируют выпариванием при пониженном давлении, и в ходе этого процесса образуется поток паров воды, загрязненный аммиаком, способные к конденсации компоненты которого конденсируют в конденсаторе. Однако оставшийся отходящий газ все еще содержит аммиак. В качестве других примеров можно отметить отходящий газ из резервуаров для хранения водных растворов аммиака или мочевины при атмосферном давлении, отходящий газ из просеивающего оборудования и центрифуг в кристаллизационных секциях установки синтеза мочевины и т.п. Недостатком таких потоков является их низкое давление (например,атмосферное), поскольку низкое давление неблагоприятно для процессов поглощения. Исходя из экономических и экологических соображений, имеется насущная потребность в очистке аммиаксодержащих потоков низкого давления от аммиака перед их сбросом в атмосферу. В этом случае абсорбция таким подходящим растворителем, как вода или слабоаммиачный водный раствор, также является подходящим технологическим приемом очистки. Такое поглощение обычно проводят в абсорбере,работающем при низком давлении, и операция может быть дополнительно оптимизирована в результате прямого или косвенного охлаждения с помощью теплообменных устройств. Используемый термин при низком давлении относится к давлениям в интервале 0,1-0,3 МПа, но,главным образом, к атмосферному давлению. Было установлено, что отмеченные недостатки могут быть устранены в результате повышения давления отходящих газов из установки синтеза мочевины при атмосферном давлении с помощью эжектора, приводимого в движение газом, отходящим из секции синтеза при высоком давлении и подачи указанных отходящих газов в абсорбер среднего давления. Давление газов, отходящих при практически атмосферном давлении, повышают на 0,15-2 МПа, предпочтительно 0,2-0,5 МПа. Энергия расширения отходящих газов высокого давления в данном случае утилизируется в эжекторе в результате втягивания и сжатия отходящих газов низкого давления. Вследствие этого, отходящие газы низкого давления выходят при повышенном давлении, что способству 004238 6 ет поглощению аммиака растворителем. Таким образом, снижаются общие потери аммиака в установке синтеза мочевины. Кроме этого, преимущество способа настоящего изобретения состоит в том, что отходящие газы, подаваемые на две стадии абсорбции, объединяют друг с другом, вследствие чего абсорбция осуществляется в одном участке оборудования, что снижает инвестиции в установку синтеза мочевины. Помимо этого, способ настоящего изобретения в высшей степени пригоден для улучшения и оптимизации эксплуатационных характеристик существующих установок синтеза мочевины, в результате повышения давления отходящих газов из абсорбера, работающего, практически, при атмосферном давлении с помощью эжектора, приводимого в движение газом, отходящим из секции синтеза, и подачи указанных отходящих газов в абсорбер среднего давления. Давление отходящих газов из абсорбера, работающего при практически атмосферном давлении, в данном случае, повышается на 0,15-2 МПа, предпочтительно на 0,2-0,5 МПа. Настоящее изобретение применимо во всех существующих процессах синтеза мочевины,как традиционных процессах синтеза мочевины,так и в процессах ее выпаривания, поскольку во всех таких процессах потоки отходящих газов имеют различное давление, происходят необязательные потери энергии и плохо осуществляется абсорбция. Примерами традиционных процессов синтеза мочевины, в которых может использоваться настоящее изобретение, могут служить так называемый однократный (once-through) процесс, традиционный рисайклинг процесс и процесс с рециркуляцией тепла. Примерами процессов выпаривания мочевины, в которых может использоваться настоящее изобретение, могут служить СO2 Strip Process (процесс СО 2 упаривания), Ammonia Stripprocess (процесс упаривания в аммиаке), процесс автовыпаривания, ACES процесс (Advanced process for cost and energy saving), IDR процесс (Isobaric-Double-Recycle) и НЕС процесс. Настоящее изобретение иллюстрируется следующим примером. Пример Газы, отходящие с установки синтеза мочевины мощностью 15 МТ в день при атмосферном давлении, сжимали с помощью эжектора, приводимого в движение синтез-газом,вследствие чего сжатые газы поглощались в абсорбере, работающем при давлении 0,4 МПа. В результате, отпадает необходимость в использовании абсорбера атмосферного давления. В рассматриваемой установке имеется два пункта выхода: один, связанный с абсорбером, действующим при давлении 0,4 МПа, и другой - с абсорбером атмосферного давления. В резуль 7 тате использования настоящего изобретения один пункт эмиссии устраняется. Способ проводится при следующих условиях: Синтез-газ в качестве движущей силы для эжектора: Скорость потока 1429 кг/ч Давление 14 МПа Температура 112 С Сжимаемый газ (ранее подаваемый в абсорбер атмосферного давления): Скорость потока 807 кг/ч Давление атмосферное Температура 114 С Газ, сжатый эжектором на входе в абсорбер, работающий под давлением 0,4 МПа: Скорость потока 2636 кг/ч Давление 0,4 МПа Температура 106 С Установлено, что в результате применения настоящего изобретения потери аммиака из указанной конкретной точки выпуска составили 2,45 кг/ч. Потери аммиака в установке производительность 1500 МТ в день с двумя точками выпуска составляют 4,2 кг/ч. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ получения мочевины из аммиака и диоксида углерода, отличающийся тем, что 8 отходящие газы из установки для получения мочевины, выделяющиеся практически при атмосферном давлении, сжимают с помощью эжектора, приводимого в движение отходящим газом со стадии синтеза при высоком давлении,и подают в абсорбер среднего давления. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление отходящих газов, выделяющихся практически при атмосферном давлении, повышают на 0,15-2 МПа. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что давление отходящих газов, выделяющихся практически при атмосферном давлении, повышают на 0,2-0,5 МПа. 4. Способ работы установок синтеза мочевины, предусматривающий повышение давления газов, отходящих из абсорбера, работающего практически при атмосферном давлении, с помощью эжектора, приводимого в движение газом, отходящим со стадии синтеза, и подачи указанных газов в абсорбер среднего давления. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что давление газов, отходящих из абсорбера, работающего, практически при атмосферном давлении, повышают на 0,15-2 МПа. 6. Способ по п.4, отличающийся тем, что давление газов, отходящих из абсорбера, работающего практически при атмосферном давлении, повышают на 0,2-0,5 МПа.