Способ получения мочевины

1 Изобретение относится к способу получения мочевины из аммиака и углекислого газа. Мочевина может быть получена введением избытка аммиака вместе с углекислым газом в зону синтеза, что сначала приводит к образованию карбамата аммония согласно реакции 2NH3 + СO2H2N-CO-ONH4 Дегидратация образованного карбамата аммония затем приводит к образованию мочевины согласно равновесной реакцииH2N-CO-ONH4H2N-CO-NH2 + Н 2O Превращение аммиака и углекислого газа в мочевину обычно имеет место при давлении 1240 МПа и температуре 160-250 С. Теоретически достижимое превращение аммиака и углекислого газа в мочевину определяется термодинамическим положением равновесия и зависит, например, от NH3/СO2-соотношения, Н 2O/СO2 соотношения и температуры. В превращении аммиака и углекислого газа в мочевину в качестве реакционного продукта получается раствор синтеза мочевины, который состоит, по существу, из мочевины, воды,карбамата аммония и несвязанного аммиака. В способе получения мочевины среди прочего определяют различные компоненты в указанном реакционном продукте, причем результаты определения используют для контроля способа. В частности, определяют молярное соотношение(N/Cсоотношение) и его используют для определения подачи NН 3 или подачи СO2 для синтеза мочевины. Кроме вышеуказанного раствора синтеза мочевины, из которого мочевина извлекается в секции извлечения мочевины, в зоне синтеза также образуется газовая смесь непревращенного аммиака и углекислого газа вместе с инертными газами. Аммиак и углекислый газ удаляют из указанной газовой смеси, которые (аммиак и углекислый газ), предпочтительно, возвращают в зону синтеза. Инертные газы затем сбрасывают в атмосферу. Инертные газы поступают в способ с воздушной подачей, например, одного из исходных материалов, причем целью указанной подачи воздуха является улучшение коррозионной стойкости оборудования. Синтез может быть выполнен в одном реакторе или в двух реакторах. Когда используют два реактора, первый реактор может работать,например, с использованием, по существу, свежих исходных материалов, а второй - с использованием исходных материалов, полностью или частично рециркулированных, например, из секции извлечения мочевины. Превращение карбамата аммония в мочевину и воду в зоне синтеза может осуществляться при обеспечении достаточно большого времени пребывания реакционной смеси в зоне синтеза. Время пребывания в общем случае составляет более 5 мин, но менее 3 ч. 2 На практике для получения мочевины используются различные способы. Во-первых,мочевину получают на так называемых традиционных установках для получения мочевины,но с конца 60-х годов мочевину большей частью получают с использованием способов, осуществляемых на так называемых установках отпаривания мочевины. Под традиционной установкой для получения мочевины понимают установку, в которой разложение карбамата аммония, не превращенного в мочевину, и удаление обычного избытка аммиака имеют место при значительно более низком давлении, чем давление в реакторе его синтеза. В традиционной установке для получения мочевины реактор синтеза обычно работает при температуре 180-250 С и давлении 15-40 МПа. В традиционной установке после расширения, диссоциации и конденсации реагенты, не превращенные в мочевину, могут быть возвращены в синтез мочевины в виде потока, содержащего карбамат аммония. Далее в традиционной установке для получения мочевины аммиак и углекислый газ подают непосредственно в реактор синтеза мочевины. N/C-соотношение в синтезе мочевины в традиционном способе получения мочевины высокого давления находится между 3 и 5. Первоначально такие традиционные установки для получения мочевины были обозначены как так называемые способы "Once-Through"("Сразу-Через"). В них непревращенный аммиак нейтрализуется кислотой (например, азотной кислотой) и превращается в аммониевые соли(например, нитрат аммония). Это было недолго,пока указанные традиционные способы получения мочевины "Сразу-Через" не были заменены так называемыми традиционными рециркуляционными способами, в которых непревращенный аммиак и углекислый газ рецикулируют в реактор синтеза мочевины. Под установкой отпаривания мочевины понимают установку для получения мочевины,в которой разложение карбамата аммония, который не превращен в мочевину, и удаление обычного избытка аммиака широко имеют место в отпарном аппарате, установленном после реактора синтеза, при давлении, которое является, по существу, фактически равным давлению в реакторе синтеза. Указанное разложение/ удаление имеет место с подводимым теплом и с или без введения отпаривающего газа. В способе отпаривания углекислый газ и/или аммиак может быть использован в качестве отпаривающего газа перед тем, как указанные компоненты вводят в реактор. Здесь также можно использовать термическое отпаривание. Термическое отпаривание означает, что карбамат аммония разлагается, и присутствующие аммиак и углекислый газ удаляются из раствора мочевины исключительно с помощью подачи тепла. Отпаривание может быть осуществлено в две или 3 более стадий. Известен способ, в котором первая исключительно стадия термического отпаривания сопровождается стадией отпаривания СO2 с дополнительным подводом тепла. Газовый поток, содержащий аммиак и углекислый газ, выходящий из отпарного аппарата, необязательно, возвращается в реактор синтеза через конденсатор карбамата высокого давления. В секции извлечения непревращенный аммиак и углекислый газ удаляются из раствора синтеза мочевины, полученного после отпарного аппарата, в процессе чего образуется раствор мочевины в воде. Затем мочевина в водном растворе превращается в мочевину в секции испарения воды при пониженном давлении. Непревращенный аммиак и углекислый газ возвращаются из указанной секции извлечения в зону синтеза в виде потока, содержащего карбамат аммония. В установке отпаривания мочевины реактор синтеза работает при температуре 160240 С и предпочтительно при температуре 170220 С. Давление в реакторе синтеза составляет 12-21 МПа, предпочтительно 12,5-19,5 МПа.N/C-соотношение в синтезе в установке отпаривания лежит между 2,5 и 5. Часто используемым вариантом получения мочевины согласно способу отпаривания является Stamicarbon-способ отпаривания СO2, как описано в European Chemical News, Urea Supplement, of 17 January 1969, pages 17-20. Большая часть газовой смеси, полученной на операции отпаривания, конденсируется и абсорбируется вместе с аммиаком, необходимым для способа, в конденсаторе карбамата высокого давления, после чего полученный карбамат аммония возвращают в зону синтеза для образования мочевины. Газовая смесь, образовавшаяся в реакторе синтеза мочевины, может быть направлена в отпарной аппарат высокого давления для абсорбирования в растворе карбамата аммония низкого давления, который образуется в секции извлечения мочевины. Раствор, полученный в отпарном аппарате высокого давления, транспортируют в зону синтеза, необязательно, через конденсатор карбамата высокого давления. Конденсатор карбамата высокого давления может быть сконструирован как, например, так называемый погружной конденсатор, как описано в NL-A-8400839. Погружной конденсатор может быть помещен в горизонтальное или вертикальное положение. Однако особенно предпочтительно проводить конденсацию в горизонтальном погружном конденсаторе. Такой конденсатор также называется резервуарным конденсатором и, например, описан в Nitrogen222, июль-август 1996, pp. 29-31. По сравнению с другими конструкциями такого конденсатора жидкость обычно имеет большее время пребывания в резервуарном конденсаторе. Это приводит к образованию экстрамочевины, которая повышает точку кипения, так что разность в 4 температуре между раствором карбамата аммония, содержащим мочевину, и охлаждающей средой увеличивается, приводя к лучшей теплопередаче. Функции реактора, резервуарного конденсатора и скруббера высокого давления могут быть скомбинированы в одном или двух сосудах высокого давления, причем действие указанных стадий способа разделено с помощью перегородок, предназначенных для небольших перепадов давления, в указанных сосудах высокого давления. Особое преимущество этого состоит в том, что может быть реализована значительная экономия капитальных вложений, т.к. количество трубопровода высокого давления,которое необходимо установить, является намного меньшим, кроме того, это улучшает надежность установки, поскольку число соединений высокого давления между трубопроводом и оборудованием, которые являются чувствительными к утечкам, намного снижается. Примерами указанного оборудования являются резервуарный конденсатор, комбинированный с горизонтальным реактором, как описано в US-A-5767313, в котором описан резервуарный конденсатор; скруббер высокого давления, выполненный заодно с резервуарным конденсатором; скруббер высокого давления, выполненный заодно с реактором; скруббер высокого давления и резервуарный конденсатор, комбинированные в одном аппарате. После отпаривающей обработки отпаренный раствор синтеза мочевины расширяется при низком давлении и выпаривается в секции извлечения мочевины, после чего мочевина высвобождается, и поток карбамат аммония низкого давления рециркулирует в секцию синтеза. В зависимости от способа указанный карбамат аммония может быть извлечен либо на единичной стадии, либо на множестве стадий способа,работающих при различных давлениях. При получении мочевины из NН 3 и СO2 наStamicarbon-установке отпаривания СО 2 аммиак и углекислый газ сначала конденсируются в конденсаторе карбамата высокого давления, так что образуется карбамат аммония. Из конденсатора карбамата поток газа и жидкости затем направляют в реактор, в котором часть карбамата аммония превращается в мочевину и воду. Отходящий газ, выходящий из реактора, затем очищается в скруббере высокого давления раствором карбамата аммония, который образуется в секции извлечения. Оставшийся отходящий газ затем расширяется и при низких давлениях освобождается от всего NH3 и вентилируется. Это дает другой поток, содержащий небольшие количества NН 3 и СО 2, который возвращается в синтез мочевины. В скруббере высокого давления в секции синтеза мочевинной установки, работающей 5 согласно принципу отпаривания СO2, могут различаться следующие две ситуации: 1. Почти весь аммиак и углекислый газ очищаются из реакторного отходящего газа посредством охлаждения с помощью теплообменника и последующей очисткой раствором карбамата аммония низкого давления, образованного в секции извлечения, который должен подаваться на синтез. В этих случаях содержание инертных веществ после очистки составляет выше 50 об.%. Данная ситуация описана в статье в European Chemical News, упомянутой выше. 2. Часть аммиака и углекислого газа очищаются из реакторного отходящего газа, причем очистка осуществляется только раствором карбамата аммония, образованным в секции извлечения, который должен подаваться в синтез. Содержание инертных веществ после очистки составляет менее 50 об.%, в частности менее 30 об.%. Как правило, содержание инертных веществ после очистки составляет выше 10 об.%. Примером этого является способ, описанный вUS-5767313, в котором содержание инертных веществ после очистки составляет приблизительно 20-24 об.%. Реакторный отходящий газ первоначально содержит между 6 и 8 об.% инертных веществ как в ситуации 1, так и в ситуации 2. В Stamicarbon-способе отпаривания СO2 углекислый газ, как указано выше, подают в синтез через отпарной аппарат, тогда как аммиак подают в конденсатор карбамата высокого давления, как описано в European ChemicalNews, Urea Supplement, of 17 January 1969, pages 17-20, или в конденсаторную часть резервуарного реактора, как описано в US-A-57676313. Установлено, что жидкий аммиак, необходимый для способа, может преимущественно подаваться полностью или частично в скруббер высокого давления таким образом, что он находится в прямом контакте с другими потоками,подаваемыми в скруббер. Другие потоки, подаваемые в скруббер высокого давления, состоят,по существу, из отходящих газов реактора синтеза и потока карбамата аммония низкого давления, образовавшегося в секции извлечения. В частности, в скруббере высокого давления прямой контакт осуществляется между жидким аммиаком и отходящими газами, поступающими из реактора синтеза мочевины в скруббер высокого давления. Более конкретно, в скруббере высокого давления прямой контакт осуществляется между жидким аммиаком и отходящими газами, поступающими из реактора синтеза мочевины в скруббер высокого давления, и с карбаматным потоком, поступающим из секции извлечения мочевины низкого давления. Количество аммиака, подаваемого в скруббер высокого давления, составляет не менее 40 мас.% общего количества NH3, необходимого для способа. Предпочтительно, однако, весь аммиак, 004192 6 необходимый для способа, подают через скруббер высокого давления перед пропусканием на синтез мочевины. Если не весь аммиак подается через скруббер высокого давления, тогда остаток аммиака, необходимого для способа, предпочтительно, пропускают в реактор синтеза мочевины через конденсатор карбамата высокого давления, необязательно, с помощью эжектора. Было установлено, что очистка реакторного отходящего газа подаваемым NН 3 дает отходящий газ скруббера, фактически не содержащий СO2. Благодаря низкому содержанию СO2 отходящего газа, только небольшое количество воды требуется для переноса СO2 в рециркулируемый поток, который возвращает NН 3 и СO2,которые не были превращены в мочевину, обратно в синтез. Как следствие, меньше Н 2O возвращается в реактор, так что достигается более благоприятное положение равновесия реакции. Было установлено, что когда холодныйNH3, подаваемый в синтез, подается прямо в скруббер, больше реакторного отходящего газа вводится в скруббер, в результате чего общее содержание инертных веществ реакторного отходящего газа снижается. При одинаковом давлении в реакторе это приводит к увеличению парциального давления системы, так что соответствующая температура системы и, таким образом, также скорость реакции и степень превращения увеличиваются. Кроме того, было установлено, что температура в конденсаторе карбамата высокого давления является выше. Более высокая температура в конденсаторе карбамата высокого давления вызывает увеличение давления и, таким образом, температуры полученного пара низкого давления. Сохраненная таким образом энергия может быть применена для хорошего использования где-либо еще. Другим главным преимуществом является то, что в случае действительно полной очистки,которая достигается при направлении NН 3, необходимого для способа, в скруббер высокого давления, никакая поверхность теплообмена не требуется в скруббере, что подразумевает, что нет больше необходимости в полностью кондиционированной охлаждающей водной системе с насосами, начальном холодильнике с рубашкой и охлаждающей водой, что дает большое преимущество в смысле капитальных затрат. Это также подразумевает снижение стоимости содержания. В литературе описаны различные способы,в которых весь необходимый жидкий аммиак пропускают через скруббер высокого давления через поверхность теплообмена перед направлением в конденсаторную часть. Это не включает никакой прямой контакт с реакторным отходящим газом, так что вышеуказанные преимущества часто теряются. Пример, в котором используется указанный способ, описан среди прочего в ЕР-А-834501. Способ, описанный изобретением, весьма подходит для улучшения и оптимизации существующих установок для получения мочевины,в которых присутствует скруббер высокого давления, и в которых поток карбамата из части низкого давления направляется в скруббер высокого давления, и получаемый поток карбамата из скруббера высокого давления транспортируется в зону синтеза, необязательно, через конденсатор карбамата высокого давления. Изобретение дополнительно поясняется ниже с помощью следующих примеров. Пример I и сравнительные примеры А и В(фактически полная очистка). Примеры выполняют для установки для получения мочевины 2000 т/сутки, работающей согласно стандартному Stamicarbon-способу отпаривания СО 2, как описано в European матный поток из скруббера высокого давления транспортируют в зону синтеза через конденсатор карбамата высокого давления с помощью эжектора, приводимого в действие аммиаком,необходимым для способа. Сравнительный пример В выполняют со всем NН 3, необходимым для Stamicarbonспособа отпаривания СО 2, пропускаемым в конденсаторную часть через поверхность теплообмена через скруббер высокого давления. В примере I общее количество NН 3, подаваемого в способ, подают в скруббер высокого давления таким образом, что имеется прямой контакт в скруббере высокого давления между жидким аммиаком и отходящими газами, транспортируемыми из мочевинного реактора в скруббер высокого давления и с карбаматным потоком низкого давления из секции извлечения мочевины. Результаты примера I и сравнительных примеров А и В для ситуации 1 (фактически полная очистка) в стандартном Stamicarbonспособе отпаривания представлены в табл. 1. Таблица 1 СО 2 в скруббер- Давление пара Содержание инерт- Содержание инерт- Расход тепла ном отходящем низкого давле- ных веществ в реак- ных веществ после скруббера,газе, кг/ч ния, кг/см 2 торном газе, об.% скруббера, об.% МВт 124 4,5 7 89 4,0 124 4,5 7 89 4,0 21 4,5 7 89 0,0D. Данные примеры исходят из ситуации 2: частичная очистка и использование резервуарного конденсатора, как описано в US-A-5767313 и в Nitrogen July/August 1996, pp. 29-31. В сравнительном примере С весь NН 3 подают непосредственно в конденсаторную часть резервуарного реактора, как описано в US5767313. Сравнительный пример D выполняют со всем аммиаком, необходимым для способа,пропускаемым через скруббер высокого давления через поверхность теплообмена перед направлением в конденсаторную часть резервуарного реактора. В экспериментах для ситуации 2 во всех случаях содержание инертных веществ после очистки составляет примерно 22 об.%. В примере II общее количество NН 3, подаваемого в способ, подают в скруббер высокого давления таким образом, что имеется прямой контакт в скруббере высокого давления между жидким аммиаком и отходящими газами, транспортируемыми в скруббер высокого давления из реактора синтеза мочевины, и с карбаматным потоком низкого давления из секции извлечения. Результаты примера II в ситуации 2 (частичная очистка), а также сравнительных примеров С и D представлены в табл. 2. Таблица 2 Давление пара низкого давСодержание инертных веления, кг/см 2 ществ в реакторном газе, об.% 4,4 8,2 4,64 4,4 4,51 4,4 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ получения мочевины из аммиака и углекислого газа, отличающийся тем, что весь или часть жидкого аммиака, необходимого для способа, подают в скруббер высокого давления таким образом, что он находится в прямом кон 9 такте с другими потоками, подаваемыми в указанный скруббер. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что имеется прямой контакт между жидким аммиаком и отходящими газами, транспортируемыми в скруббер высокого давления из реактора синтеза мочевины. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что имеется прямой контакт между жидким аммиаком и отходящими газами, транспортируемыми в скруббер высокого давления из реактора синтеза мочевины, и с карбаматным потоком,транспортируемым из секции извлечения мочевины низкого давления. 10 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество аммиака, подаваемое в скруббер высокого давления, составляет не менее 40 мас.% общего количества NH3, необходимого для способа. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что весь жидкий аммиак, необходимый для способа,подают через скруббер высокого давления перед транспортированием на синтез мочевины. 6. Способ по п.4, отличающийся тем, что остаток аммиака, необходимого для способа,пропускают в реактор синтеза мочевины через конденсатор карбамата высокого давления.