Способ получения мочевины и установка для его осуществления

Изобретение относится к получению мочевины из аммиака и диоксида углерода. В реакторе (112) синтеза при заданном высоком давлении в результате реакции между NH₃ и CO₂ получают реакционную смесь, содержащую мочевину, карбамат аммония и несвязанный аммиак в водном растворе, из которой извлекают карбамат аммония и аммиак с их последующей рециркуляцией в реактор (112) синтеза. Карбамат аммония и аммиак извлекают из реакционной смеси на технологических стадиях разложения карбамата аммония на NH₃ и СО₂ и их отпарки и на последующей технологической стадии их повторной конденсации с получением карбамата аммония, который рециркулирует в реактор синтеза. Реакционная смесь, полученная в результате реакции между аммиаком и диоксидом углерода, подается на технологические стадии разложения и отпарки посредством насоса. Обеспечивается изменение производственной мощности путем изменения параметров насоса, возможность горизонтальной компоновки, снижение затрат на обслуживание и увеличение безопасности. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в общем к способу получения мочевины из аммиака и диоксида углерода, взаимодействующих в соответствующем реакторе синтеза при заданном высоком давлении.

В частности, данное изобретение относится к способу вышеупомянутого типа, в котором реакционную смесь, содержащую мочевину, карбамат аммония и несвязанный аммиак в водном растворе, получают в результате реакции между NH₃ и CO₂ и из этой смеси извлекают карбамат аммония и аммиак с их последующей рециркуляцией в реактор синтеза.

Более конкретно, настоящее изобретение касается способа рассмотренного типа, в котором вышеупомянутое извлечение из реакционной смеси происходит на технологических стадиях разложения карбамата аммония на NH₃ и СО₂ и их отпарки и на последующей технологической стадии их повторной конденсации (частичной или полной) с получением карбамата аммония, который рециркулирует в реактор синтеза.

Данное изобретение относится также к установке для осуществления вышеупомянутого способа.

Уровень техники

Широко известно получение мочевины способом вышеуказанного типа, в котором технологическую стадию разложения и отпарки карбамата аммония осуществляют в соответствующем отпарном аппарате, используя, например, поток СО₂ (применение так называемой "технологии отпарки диоксидом углерода"), получая аммиак и диоксид углерода, и в котором аммиак и диоксид углерода, удаленные таким образом из водной реакционной смеси (в которую добавляют избыток аммиака, т.е. непрореагировавший аммиак или так называемый свободный аммиак, растворенный в растворе мочевины, и диоксид углерода, используемый для отпарки), подают в конденсатор для повторного образования карбамата, который подлежит возврату в реактор синтеза. В частности, это означает, что отдельные технологические стадии:

синтез мочевины из NH₃ и СО₂,

разложение карбамата и отпарка NH₃ и СО₂,

их повторная конденсация с образованием карбамата и рециркуляция в реактор синтеза, -

образуют контур высокого давления.

Известно также, что в уровне техники, в соответствии с постоянной практикой, рециркулирующие потоки, проходящие через реактор синтеза, отпарной аппарат и конденсатор, поддерживаются исключительно за счет разности давлений, возникающих в ходе самого процесса. Определенное расположение и взаимосвязь вышеупомянутых аппаратов предусматривается проектом таким образом, что движущая сила проходящего через них потока обеспечивается изменениями фазы (и, следовательно, плотности текучей среды), которые, в частности, определяются подачей тепла в отпарной аппарат и отводом теплоты в конденсаторе.

В частности, при расположении реактора синтеза и конденсатора приблизительно на 10 м выше отпарного аппарата (вертикальная компоновка), движущая сила, возникающая в результате выпаривания в отпарном аппарате и последующей конденсации в конденсаторе (и реакторе), составляет порядка 1 бар. Такая разность давлений является результатом различия между силой тяжести, действующей на реакционную смесь в трубопроводе между реактором синтеза и отпарным аппаратом, и силой тяжести, действующей на поток газов - аммиака и диоксида углерода - в трубопроводе между отпарным аппаратом и конденсатором.

Этой разности давлений, составляющей 1 бар, достаточно для противодействия перепаду давления, возникающему в трубопроводах и в самих аппаратах.

Известно, что в этих условиях вертикальной компоновки вышеупомянутый контур высокого давления по существу является изобарным, так как вышеупомянутые отдельные технологические стадии осуществляются, в основном, при одинаковом заданном высоком давлении в реакторе синтеза. Кроме того, циркуляция потоков между реактором синтеза, отпарным аппаратом и конденсатором является естественной.

Хотя способ получения мочевины вышеуказанного типа (способ отпарки) и имеет преимущества с различных точек зрения, у него обнаруживались недостатки, прежде всего как раз из-за описанного выше обязательного расположения (вертикальной компоновки), и это имело место особенно в тех случаях, когда рассматривался вопрос о необходимости увеличения производственной мощности реактора синтеза и, следовательно, всего процесса.

Действительно, практически невозможно увеличить производственную мощность реактора синтеза, не вызвав серьезного нарушения баланса при циркуляции потоков между реактором синтеза, отпарным аппаратом и конденсатором, т.е. по существу любое изменение расчетных перепадов давления приведет к неблагоприятным изменениям естественной циркуляции, предусмотренной во всем, по существу, изобарном контуре. Другими словами, вышеуказанная разность давлений, составляющая 1 бар, уже будет недостаточной, чтобы противодействовать перепадам давления, связанным с увеличением мощности, и, следовательно, уже будет невозможно снова обеспечить циркуляцию потока через эти аппараты контура высокого давления.

Другие недостатки вертикальной компоновки вышеуказанных аппаратов связаны с затратами, необходимыми для подъема реактора синтеза, и трудностями технического обслуживания и ремонта самого реактора, поднятого по отношению к нулевой отметке. Следует также напомнить, что сооружение реактора больших размеров (например, высотой 50-70 м), который работает при высоком давлении и должен быть поднят над нулевой отметкой, требует, чтобы были предусмотрены сложные и дорогостоящие защитные конструкции, такие как, например, антисейсмические строительные конструкции.

Известные способы получения мочевины раскрыты, например, в US 6287-52.5, US 3232983 и US 2005/0038293.

Краткое изложение сущности изобретения.

Техническая задача, лежащая в основе настоящего изобретения, заключается в создании способа получения мочевины так называемым методом отпарки, рассмотренным выше, и, в частности, в обеспечении соответствующего контура высокого давления, который может устранить ограничения и/или недостатки, указанные выше при описании уровня техники, простым и экономичным образом.

В соответствии с настоящим изобретением эта задача решена в способе получения мочевины с контуром высокого давления вышеописанного типа, отличающемся тем, что вышеуказанную реакционную смесь, полученную в результате реакции между аммиаком и диоксидом углерода, нагнетают на технологические стадии разложения и отпарки.

Таким образом можно с большим преимуществом быстро изменять производственную мощность установки для получения мочевины всего лишь путем изменения параметров (давления и/или скорости потока) насоса, используемого для указанного нагнетания смеси на технологические стадии разложения и отпарки.

Более того, на установке, на которой осуществляется способ согласно изобретению, реактор синтеза может быть установлен на том же уровне, что и отпарной аппарат, т.е. возможна горизонтальная компоновка.

Другими словами, в предлагаемом в настоящем изобретении решении осуществляется подача насосом, т.е. принудительная циркуляция потока между реактором синтеза и отпарным аппаратом с возможностью изменения параметров подачи насосом (давления и/или скорости потока) в соответствии с требуемой производственной мощностью установки, что является прямой противоположностью постоянной практике в уровне техники, предполагающей техническое ограничение, связанное с установкой реактора синтеза выше отпарного аппарата с целью создания разности давлений для обеспечения естественной циркуляции в контуре высокого давления.

Другие особенности и преимущества способа получения мочевины в соответствии с настоящим изобретением будут очевидными из последующего описания предпочтительных примеров его осуществления, выполненного с целью его раскрытия, а не ограничения, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематически представлена секция высокого давления для синтеза мочевины на установке для получения мочевины, в которой осуществляется предлагаемый в настоящем изобретении способ;

на фиг.2 схематически представлена секция высокого давления для синтеза мочевины на другой установке для получения мочевины, в которой осуществляется предлагаемый в настоящем изобретении способ.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления

Для упрощения описания на чертежах схематически показана только часть установки для получения мочевины, на которой осуществляется способ согласно настоящему изобретению; в частности, показана секция высокого давления для синтеза мочевины, в целом обозначенная цифрой 110 (фиг.1) и цифрой 210 (фиг.2), остальные секции установки не имеют важного значения для понимания существа изобретения.

Согласно вышеуказанным чертежам способ получения мочевины в соответствии с настоящим изобретением включает первую технологическую стадию, на которой аммиак и диоксид углерода вступают в реакцию при заданном высоком давлении в соответствующем реакторе 112 синтеза с образованием реакционной смеси, содержащей мочевину, карбамат аммония и несвязанный аммиак в водном растворе.

Из этого водного раствора, полученного в результате реакции синтеза и отводимого из реактора 112 синтеза по существу при том же высоком давлении, при котором проводится вышеуказанная реакция, осуществляется извлечение карбамата аммония и аммиака с их последующей рециркуляцией в реактор 112 синтеза.

В частности, вышеуказанное извлечение из реакционной смеси происходит на технологических стадиях разложения карбамата аммония на NH₃ и СО₂ и их отпарки (в отпарном аппарате 114), а также на последующей технологической стадии их повторной конденсации (частичной или полной) с образованием карбамата аммония (в конденсаторе 116).

В соответствии с настоящим изобретением реакционная смесь, полученная в результате реакции между аммиаком и диоксидом углерода, подается на технологические стадии разложения и отпарки насосом.

При более подробном описании следует отметить, что на фиг.1 представлена секция 110 высокого давления для синтеза мочевины на установке для получения мочевины, на которой и осуществляется вышеуказанный способ: она включает реактор 112 синтеза, отпарной аппарат 114, конденсатор 116 и скруббер 118.

Реактор 112 и отпарной аппарат 114 установлены так, что соответствующие днища этих аппаратов находятся по существу на одинаковой высоте по отношению к нулевой отметке и, в частности, размещены, по существу, на нулевой отметке (поэтому и указано, что секция синтеза 110 имеет горизонтальную компоновку).

Конденсатор 116 установлен так, что его нижнее днище находится выше верхнего днища отпарного аппарата 114, например, на 10 м.

В рассматриваемом примере скруббер 118 установлен так, что его нижнее днище находится выше верхнего днища реактора 112.

Реактор 112 сообщается (по текучей среде) с отпарным аппаратом 114 посредством трубопровода 120.

В соответствии с особенностями предлагаемого в настоящем изобретении способа насос 140 установлен на трубопроводе 120. В качестве альтернативы можно использовать несколько насосов, установленных последовательно или параллельно.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения давление на вышеуказанную реакционную смесь в напорной линии, идущей от насоса 140, составляет преимущественно по меньшей мере на 1 бар больше давления, при котором в реакторе 112 происходит реакция синтеза мочевины, или давления в линии, идущей к насосу, для того чтобы оно было больше рабочего давления в отпарном аппарате 114 (чтобы обеспечить ввод вышеуказанного водного раствора в отпарной аппарат 114, впуск паров, образовавшихся в отпарном аппарате 114, в конденсатор 116 и ввод карбамата, полученного в конденсаторе 116, в реактор 112 синтеза).

Насос 140 предпочтительно представляет собой герметичный роторный насос или центробежный насос с приводом через магнитную муфту.

На трубопроводе 120, в напорной линии, идущей от насоса 140, установлен регулирующий клапан 142. Отпарной аппарат 114, сообщаясь посредством трубопровода 124 с конденсатором 116, посредством трубопровода 115 сообщается также с секцией извлечения мочевины на установке для получения мочевины (эта секция, по существу, является обычной и поэтому не показана на чертеже). В отпарной аппарат 114 по трубопроводу 160 подают также диоксид углерода (СО₂).

Конденсатор 116 посредством трубопровода 149 сообщается с реактором 112.

Скруббер 118 посредством трубопровода 128 сообщается с реактором 112. Кроме того, скруббер 118 посредством трубопровода 130 сообщается с эжектором 132. Эжектор 132 установлен на трубопроводе 134, подающем аммиак в конденсатор 116, аммиак является рабочей средой эжектора 132. В скруббер 118 по трубопроводу 135 возвращается также разбавленный рецикловый раствор карбамата, поступающий из секции извлечения мочевины.

Кроме того, скруббер 118 по трубопроводу 136 сообщается с выпускным (вентиляционным) каналом, не показанным на чертеже. На трубопроводе 136 также предусмотрен регулирующий клапан 138.

Работа секции синтеза 110 осуществляется в соответствии с предлагаемым в изобретении способом и описана ниже.

Аммиак и диоксид углерода подают в реактор 112, получая реакционную смесь, содержащую мочевину, карбамат аммония и несвязанный аммиак в водном растворе; посредством насоса 140 вышеуказанная реакционная смесь по трубопроводу 120 подается в отпарной аппарат 114.

В отпарном аппарате 114 карбамат, содержащийся в вышеуказанной реакционной смеси, подвергают разложению на NH₃ и СО₂ и проводят их отпарку, используя для испарения из раствора подаваемый диоксид углерода, получают поток, содержащий аммиак и диоксид углерода в газовой фазе, и поток, содержащий мочевину и остаточный карбамат в водном растворе; по трубопроводу 124 вышеуказанный поток, содержащий аммиак и диоксид углерода в газовой фазе, подается в конденсатор 116, тогда как вышеуказанный поток, содержащий мочевину и остаточный карбамат в водном растворе, подается по трубопроводу 115 в секцию извлечения мочевины, не показанную на чертеже. В конденсаторе 116 вышеуказанный поток, содержащий аммиак и диоксид углерода в газовой фазе, подвергают конденсации (частичной или полной), получая карбамат в водном растворе; вышеуказанный карбамат в водном растворе далее подается по трубопроводу 149 в реактор 112.

По трубопроводу 128 поток инертных газов, в основном включающий аммиак, диоксид углерода и водяной пар, поступает в скруббер 118. В скруббере 118 вышеуказанный поток газов подвергается абсорбции разбавленным рецикловым раствором карбамата, поступающим из трубопровода 135.

По трубопроводу 130 вышеуказанный рецикловый раствор карбамата, в котором происходила абсорбция потока инертных газов, подается в эжектор 132. Эжектор 132 по трубопроводу 134 обеспечивает подачу вышеуказанного рециклового раствора карбамата и аммиака, подаваемого в трубопровод 134 в качестве рабочей среды эжектора, в конденсатор 116.

На фиг.2 показана секция высокого давления для синтеза мочевины 210 другой установки для получения мочевины, на которой осуществляется предлагаемый в настоящем изобретении способ. На этом чертеже элементы, которые по конструкции и/или назначению эквивалентны элементам, представленным на фиг.1, обозначены одинаковыми позициями и никакого описания для них больше не требуется.

Трубопровод 125, сообщающийся с реактором 112, соединен с трубопроводом 124.

Вместо трубопровода 149 предусмотрен трубопровод 126, который связывает конденсатор 116 с эжектором 144.

Эжектор 144 установлен на трубопроводе 146, по которому аммиак подается в реактор 112, аммиак является рабочей средой эжектора 144.

Конденсатор 116 посредством трубопровода 148 сообщается также с трубопроводом 128. На трубопроводе 148 установлен регулирующий клапан 150. Режим работы секции синтеза 210 отличается от режима работы секции синтеза 110 в основном тем, что в конденсаторе 116 осуществляется по существу известным способом так называемая полная конденсация, в отличие от конденсатора 116 в секции синтеза 110, в котором осуществляется так называемая частичная конденсация.

По трубопроводу 125 меньшая часть потока газов, содержащего аммиак и диоксид углерода, направляется из отпарного аппарата 114 непосредственно в реактор 112 синтеза для синтеза мочевины, тогда как большая часть этого потока по трубопроводу 124 подается в конденсатор 116.

Вышеуказанный карбамат в водном растворе поступает по трубопроводу 126 в эжектор 144. Эжектор 144 по трубопроводу 146 обеспечивает подачу вышеуказанного карбамата в водном растворе и аммиака, подаваемого в трубопровод 146 в качестве рабочей среды для эжектора, в реактор 112. По трубопроводу 148 поток инертных газов подается в трубопровод 128.

Следовало бы отметить такое преимущество изобретения, как возможность проведения модернизации действующей установки для получения мочевины с вертикальной компоновкой реактора синтеза и отпарного аппарата, что сделает возможным осуществление предлагаемого в изобретении способа. Таким образом, сохраняя существующую компоновку реактора синтеза, отпарного аппарата и конденсатора, можно увеличить проектную производственную мощность.

Следует также отметить возможность обеспечения оптимальной работы как герметичного роторного насоса, так и центробежного насоса с приводом через магнитную муфту в требуемом рабочем режиме (высокая объемная скорость потока и малый напор (высота) нагнетания, например, 1 или 2 бара) и их очень высокую эксплуатационную надежность.

Из предыдущего описания очевидно, что предлагаемый в изобретении способ получения мочевины решает поставленную техническую задачу и обеспечивает многочисленные преимущества, первое из которых заключается в том, что появляется возможность горизонтальной компоновки секции синтеза в установке для получения мочевины, что позволяет снизить капиталовложения и затраты на техническое обслуживание и ремонт для всей установки, а также существенно улучшить условия безопасности.

Другим большим преимуществом данного изобретения является возможность значительного увеличения производственной мощности действующей установки, в частности, оно позволяет увеличить производительность реактора синтеза, не изменяя компоновки самой установки.

Разумеется, специалист в данной области техники, с целью удовлетворения конкретным и зависящим от определенных обстоятельств требованиям, сможет осуществить многочисленные модификации и вносить различные изменения в вышеописанный способ получения мочевины, которые могут также охватываться объемом настоящего изобретения, определенным в следующей формуле изобретения.

1. Способ получения мочевины из аммиака и диоксида углерода, включающий подачу аммиака и диоксида углерода в реактор синтеза, взаимодействие аммиака и диоксида углерода при высоком давлении, обеспечивающем получение реакционной смеси, содержащей мочевину, карбамат аммония и несвязанный аммиак в водном растворе, извлечение карбамата аммония и аммиака из указанной реакционной смеси на технологических стадиях разложения карбамата аммония на аммиак и диоксид углерода и их отпарки с получением потока, содержащего аммиак и диоксид углерода в газовой фазе, направляемого на технологическую стадию повторной конденсации аммиака и диоксида углерода с образованием карбамата аммония, и потока, содержащего мочевину и остаточный карбамат, направляемого на извлечение мочевины и рециркуляцию извлеченных карбамата аммония и аммиака в реактор синтеза, отличающийся тем, что полученную в реакторе синтеза реакционную смесь, содержащую мочевину, карбамат аммония и несвязанный аммиак в водном растворе, нагнетают на технологические стадии разложения и отпарки, причем указанные стадии взаимодействия, извлечения и рециркуляции осуществляют в одном контуре высокого давления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для нагнетания реакционной смеси используют по меньшей мере один герметичный роторный насос.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для нагнетания реакционной смеси используют по меньшей мере один центробежный насос с приводом через магнитную муфту.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что на указанной технологической стадии повторной конденсации осуществляют частичную конденсацию.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что на указанной технологической стадии повторной конденсации осуществляют полную конденсацию.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что меньшую часть потока газов, содержащего аммиак и диоксид углерода, с технологических стадий разложения и отпарки подают непосредственно в реактор синтеза, а большую часть этого потока подают на указанную технологическую стадию повторной полной конденсации.

7. Секция (110, 210) синтеза мочевины под высоким давлением установки для получения мочевины способом по п.1, характеризующаяся тем, что она содержит реактор (112) синтеза, отпарной аппарат (114), конденсатор (116), секцию извлечения мочевины, сообщающиеся друг с другом, трубопроводы (160, 134) для подачи диоксида углерода и аммиака в реактор (112) синтеза, трубопровод (120) для подачи реакционной смеси, содержащей мочевину, карбамат аммония и несвязанный аммиак в водном растворе, в отпарной аппарат из реактора синтеза, трубопровод (124) для подачи в конденсатор аммиака и диоксида углерода из отпарного аппарата, трубопровод для подачи потока, содержащего мочевину и остаточный карбамат, из отпарного аппарата в секцию извлечения мочевины, трубопроводы (126, 146, 149) для подачи карбамата аммония из конденсатора в реактор синтеза, при этом на трубопроводе (120) между реактором (112) синтеза и отпарным аппаратом (114) установлен по меньшей мере один насос (140).

8. Секция (110, 210) синтеза по п.7, отличающаяся тем, что указанный по меньшей мере один насос (140) представляет собой герметичный роторный насос.

9. Секция (110, 210) синтеза по п.7, отличающаяся тем, что указанный по меньшей мере один насос (140) представляет собой центробежный насос с приводом через магнитную муфту.

10. Секция (110, 210) синтеза по п.7, отличающаяся тем, что реактор (112) синтеза и отпарной аппарат (114) установлены с размещением их соответствующих днищ, по существу, на одинаковой высоте по отношению к нулевой отметке.

11. Секция (110, 210) синтеза по п.7, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит трубопровод (125) для подачи меньшей части потока газов, содержащего аммиак и диоксид углерода, из отпарного аппарата (114) непосредственно в реактор (112) синтеза, и трубопровод (124) для подачи большей части указанного потока газов в конденсатор (116).

12. Установка для получения мочевины, содержащая секцию (110, 210) синтеза мочевины по любому из пп.7-11.