Способ получения мочевины

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

25I57I

Союз Советских

Социалистических

Республик

v QI;P /

Ф

Зависимое от авт. свидетельства №

Заявлено 14.IV.1965 (№ 1003885/23-4) с присоединением заявки №

Приоритет

Опубликовано 10.1Х.1969. Бюллетень № 28

Дата опубликования описания 10.II.1970

Кл. 12о, 17/03

МПК С 07с

УДК 661.717.5(088.8) Комитет по делам изаоретений и открытий при Совете Министров

*, СССР

Авторы изобретения Л. Н. Альтшулер, Г. H. Зиновьев, И. H. Куриго, В. И. Кучерявый, В. Ф. Соколова, В. В. Лебедев, Б. П. Мельников, М. И. Фридланд и С. М. Данов

Государственный научно-исследовательский и проектный институт азотной промышленности и продуктов органического синтеза

3 аяв итель

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОЧЕВИНЬ!

Изобретение относится к области получения мочевины методом синтеза из аммиака и двуокиси углерода с,применением полного жидкостного рецикла для возврата непрореагирова вших СО2 и 1чНз в .форме углеаммонийных солей. Обычно при таком способе жидкий аммиак и двуокись углерода вводят в колонну синтеза непосредственно или через смеситель, причем в колонне синтеза при давлении 160 — 200 кг/смз устанавливается средняя температура 150 — 240 С за счет суммарной .реакции образованиия мочевины через карбамат аммония, как промежуточный продукт. Первая ступень процесса — образование карбамата из МНз и СОз — протекает с выделением тепла, вторая ступень — дегидратация карбамата с образованием мочевины — IlpOтекает с поглощением тепла. Вторая ступень — образование мочевины из карбамата аммония — представляет собой равновесный процесс, и степень превращения в зависимости от содержания воды в карбамате, температуры, да вления и избытка аммиака может меняться в,пределах от 45 до 75%.

Реакционная смесь содержит водный раствор мочевины, не растворившиеся в воде газы, находящиеся в надкритичсоком состоянии, а также, неполностью ттуореагирова вшие и побочные продукты, из которых основным является i àðáàìàò аммония, растворенный в воде в одной фазе с мочевиной. Смесь из реактора дросселируют и подогревают для разложения карбамата и выделения избыточ5 ного аммиака с последующим связыванием

СОз, содержащейся в отделенных газах, в виде водного раствора углеаммонийных солей, который возвращают в реактор синтеза, куда одновременно подают двуокись углерода

10 (газообразную) и аммиак (жидкий).

Согласно известному способу получения мочевины, наиболее близкому к предлагаемому, реакционные компоненты (аммиак и двуокись углерода) поступают в реактор, где под

15 давлением 150 †2 пт протекают реакции образования карбамата аммония и его дегидратации с получением мочевины. Отводимую из реактора смесь, включающую водный раствор мочевины, карбамат и раство20 ренный аммиак, дросселируют до давления

10 — 45 кг/смз и направляют через подогреватель с температурой около 120 — 1б0 С в сепаратор, из нижней части которого жидкую фазу, включающую раствор мочевины и карбамат, отводят в верхнюю часть колонны дистилляции, а газы из верхней части сепаратора отводят в нижнюю часть колонны фракционирования.

В колонне дистилляции при температуре

251571 около 110 С раствор мочевины отделяют от аммиака и двуокиси углерода и из нижней части выводят в узел выпарки с последующим гранулированием плава мочевины. Газы дистилляции, включающие аммиак, двуокись углерода и пары воды, подают в нижн1ою часть колонны фракционирования, орошаемой жидким аммиаком и аммиачной водой. Накапливающийся в колонне фракционирования концентрированньш раствор карбамата аммония, содержащий аммиак, возвращают в реактор, а газовую фазу направляют в конденсатор, где поддержива1от температуру 25 — О5" С

gJ1H Отделения ам ч1иака В жидком Виде, который частично подают на орошение колонны фракционирования, а оста1ок через буферную емкость — в линию свежего аммиака, вводимого в реактор. i емпературу в верхней и нижней частях колонны фракционирования поддерживают около ЗΠ— i О и 90 — 110 C соответственно.

Выходящая из конденсатора газовая смесь, содержащая аммиак и инертные газы, посгупает в промывную колонну, орошаемую водой, из нижней части которой выводят аммиачную воду, направляемую,на орошение

B K0JIQHHQ фракционирования, а из верхней— инертные газы, перекачиваемые в нижн Ою часть колонны дистилляции и частично удаляемые из установки через отводную лини1о.

Однако при осущест влении этого способа подогрева второй ступени реактора и использование тепла абсорбции газов не решены.

Прп проведении, процесса небходимо производить сжатие углекислoгo газа до 200 астм..

Кроме того, значительные затраты пара обычно предусматриваются на выпарку раствора мочевины перед ее грануляцией из 98 — 99"/Оного расплава.

11редлагается способ получения мочевины, основанный на следу1ощих положениях.

l. Двуокись углерода под давлением

18 — 20 кг/cAIJ вводят в нижнюю часть колонны дистилляции II ступени. Туда же подаюг газы дистилляции 1 ступени — аммиак и двуокись углерода. В результате образуется смесь углеаммонийных солей, содержащая ii-lз и СО в молярном соотношении 2 — 3 на

1 л1оль СО2. Эта смесь при температуре до

170 С образует раствор карбамата аммония в воде.

2. Отвод тепла из колонны дистилляции

11 ступени осуществляют,плавом мочевины, поступающим из колонны дистилляции 1 с ) пени, при повышении тем пературы которого происходит разложение остатков ка рбамата аммония. Остальную часть избыточного тепла отводят циркулирующим теплоносителеч1 и используют для подогрева аммиака и .рециркулируемого раствора перед колонной синтеза мочевины. Часть теплоносителя перегревается до 250" С посредством прямого обогрева газами, образующимися при сжигании мазута или природных и нефтяных газов.

3. После дистилляции 1! ступени плав мо5

65 чевины направляют в грануляционный аппарат с кипящим слоем.

Предлагаемьш способ позволяет снизить расход электроэнергии за счет снижения расхода ее на сжатие углекислого газа, а также благодаря снижению расхода пара и охлаждающей воды.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого способа получения мочевины, вариант 1; на фиг. 2 — то же, вариант 2.

Предварительно сжатый до давления около

200 кг,, см- кидкий аммиак (сч1. фиг. 1) подают в трубное пространство подогревателя 1, где с помощью теплоносителя он нагревается до 100 — 120 С и далее поступает в нижнюю часть смесителя 2, куда также подают при температуре около 200 С и давлении

200 кг/сл1- .в виде .водного раствора углеаммонпйных солей непревращенные в мочевину газы дистилляции 1 и II ступеней, Таким образом, в смеситель 2 подают аммиак, двуокись углерода и воду и мольном соотношении ХН . СО2 . H20, равном

4,5: I: 1,4.

Тщательно перемешанные в смесителе компоненты из верхней части направляют в нижшою часть, колонны синтеза 8. В колонне синтеза при теч1пературе 170 — 190 С и да влении около 200 кг/см происходит реакция дегидратации карбамата аммония с образованием ч1очевины. В этих условиях и при вышеуказанном молярном соотношении поступающих ам и иа ка, двуокиси углерода и воды степень превращения карбамата аммония в мочевину составляет 55 — 60 .

Образовавшуюся реакционную смесь, состоящую из мочевины, карбамата аммония, избыточного аммиака и воды, выходящую из верхней части колонны синтеза, дросселируют до давления 18 — 20 кг/слс- и,направляют в колонну 4 дистилляции I ступени, где из плава выделяется часть избыточного аммиака.,, Кидкую фазу с глухой тарелки, находящейся приблизительно в среднеи части колонны дистилляции 1 ступени, направляют в трубное пространство подогревателя б, в котороч1 посредством подводимого тепла плав нагревается до температуры 140 — 165 С. При этом из плава выделяется большая часть избыточного аммиака и разлагается на аммиак и двуокись углерода до 90% карбамата аммония.

Паро-жидкостную смесь из подопревателя 5 подают в нижнюю часть колонны дистилляции 1 ступени, где осущест1вляется разделение смеси на газовую и жидкую фазы. жидкую фазу, состоящую из мочевины, карбамага аммония, аммиака и воды, отводимую из нижней части колонны 4, дросселируют до давления 1 — 4 кг/сл1- и направляют;во внутреннюю камеру колонны б дистилляции II ступени.

Газовую фазу, поднимающуюся через патрубок глухой тарелки по колонне 4 и соединяющуюся с газовой фазой, образовавшейся

251571

5 при дросселировании, подают из верхней части колонны 4 в нижнюю часть колонны б дистилляции II ступени. В этот же поток газовой смеси при давлении 18 — 20 кг/см- подают свежую газообразную двуокись углерода.

В кэлонне б дистилляции в результате интенсивного перемешивания происходит абсорбция двуокиси углерода из газовой фазы с последующим образованием раствора карбамата аммония. Смесь образовавшегося раствора и непоглощенного газа из колонны б дистилляции направляют в нижнюю ча.ть колонны 7 фракционирования, в которой происходит дополнительная и окончательчая абсорбция газов аммиачной водой, поступающей на верхнюю тарелку колонны 7. Между колоннами б и 7 циркулирует раствор в количестве, достаточном для обеспечения тесного контакта с поступающей тазовой фазой.

Раствор карбамата аммония при температуре 100 С из колодины 7 фракционирования насосом 8 под давлением около 200 кг/см - подают;в нижнюю ча сть смесителя через подогреватель 9, в котором раствор нагревается до температуры около 140 С теплоносителем, циркулирующим через рубашку колонны б и нагревающимся в ней за счет тепла абсорбции, выделяющегося в колонне дистилляции

II ступени, и подогреватель 10, в котором раствор нагревается до температуры около

200 С теплоносителем, подогретым до более высокой температуры с использованием тепла топочных газов. Часть теплоносителя, циркулирующего через рубашку колонны б, направляют в межтрубное пространство подогревателя 1.

Газообразный аммиак, свободный от двуокиси углерода, при температуре 40 — 50 С из верхней части колонны 7 отводят на конденсацию. Часть сконденсированного аммиака возвращают в колонну 3 синтеза, а остальной аммиак — на орошение колонны 7 фракционирования двумя потоками (на верхнюю тарелку и в п ромежуток между двумя секциями тарелок) для снятия тепла абсорбции д вуокиси углерода.

Во внутренней камере колонны б дисгилляции плав мочевины .нагревается до температуры 140 — 150 С. При этом происходит окончательное выделение свободного аммиака и разложение карбамата аммония. Парожидкостную смесь из этой камеры отводят в сепаратор 11 для разделения, газовой и жидкой фаз.

Газовую фазу, содержащую аммиак, двуокись углерода и пары воды, из верхней части сепаратора отводят в нижнюю часть орошаемой водой или конденсатом колонны абсорбции 12, в которой абсорбируются газы дистилляции с ооразованием слабого раствора карбамата аммония.

Из нижней части абсорбера 12 насосом 18 часть образовавшегося раствора карбамата аммония, предварительно охлажденного в хо5

6 лодильнике 14, возвращают на орошение абсорбера, а остальной раствор насосом пода;от в нижнюю часть колонны 7 фракционпрования.

Из нижней части сепаратора 11 раствор мочевины с концентрацией 68 — 73О/р дросселируют и почают в верхнюю сепарационную камеру выпарного аппарата 15, в котором поддерживают остаточное давление 290—

320 мм рт. ст. B результате снижения давления часть воды из раствора мочевины превращается в пар, и концентрация мочевппы в жидкой фазе, собирающейся в нижней части камеры, повышается до 72 — 77О/о.

Оставшийся раствор перетекает в нижнюю часть аппарата 15, где подвергается выпариванию в падающей пленке,до 90 — 95О/о.

Соковый пар, образующийся в аппарате 15, отсасывают эжектором 1б и направляют на конденсацшо, а концентрированный раствор подают в роторные пленочный испаритель 17, в котором поддерживают остаточное давление 12 — 18 мм рт. ст. с помощью эжектора

18, отсасывающего соковый пар.

Плав мочевины концентрацией 99 — 99,5О/о направляют в сборник 19 и при температуре

125 †1 С подают насосом в диспергирующее устройство 20 грануляционной башни 21, B нижней части которой имеется кипящий слой гранул, образующийся в результате псевдоожижения воздухом частиц мочевины, собирающихся на решетке в нижней части башни. Гранулы и воздух выводят соответственно с нижней и верхней частей грануляционной башни.

В зимних условиях при температуре воздуха перед кипящим слоем 2 — 5 С гранулы на выходе из башни имеют температуру

10 — 15 С. В летних условиях температура воздуха и гранул:соответственно равна 14 — 28 и 20 — 38 С.

Согласно варианту 2 (см. фиг. 2) раствор мочевины с концентрацией около 70 /о отводят из нижней части сепаратора 11, дросселируют и подают .в вакуум-испаритель 22, в котором поддерживают остаточное давление

300 мм рт. ст. При падении давления часть воды из раствора мочевины испаряется, и концентрация раствора мочевины становится равной около 74 /о.

Образовавшийся соковый пар отсасывают и направляют на конденсацию, а раствор мочевины температуры 90 — 95 С через сборник 28, пенный скруббер 24 и сборник 25 насосом 26 подают в форсунки грануляционного аппарата 27 с кипящим слоем, в которые поступают сжатый воздух для распыливания и топочные газы температуры

500 †7 С.

Холодный воздух и горячие топочные газы также поступают в,нижнюю часть трануляционного аппарата 27 под распределительную решетку кипящего слоя. Из нижней части аппарата непрерывно отводят гранулы мочевины заданного размера.

251571

40

7

Газ, выходящий из грануляционного аппарата, и содержащий пыль мочевины, очищают первоначально в системе циклонов 28 и далее подают в пенный скруббер 24 для более полной очистки. Очищенный газ отводят из верхней части пенного скруббера.

Пр имер 1 (вариант I). 920 кг/час жидкого аммиака при давлении 200 кг/см2 через подогреватель l, где осуществляют, нагрев до

120 С, подают в смеситель 2. Сюда же при давлении 200 кг/см2 и температуре 198 С поступает 3550 ка/час раствора карбамата аммония. Из смесителя смесь подают в нижнюю часть колонны синтеза, iB которой происходит реакция дегидрата ции карбамата аммония с образованием мочевины.

Из колонны синтеза 4470 кг/час реакционной смеси, состоящей из мочевины, карбамата аммония, избыточного аммиака и воды, дросселируют до давления 18 кг cx> и направляют в колонну 4 дистилляции 1 ступени для выделения из,плана непрореаги ровавших аммиака и двуокиси углерода.

Плав мочевины из колонны дистилляции

I:ступени, частично освобожденный от избыточного аммиака и двуокиси .углерода вследствие падения давления при дросселировании, подают в подогреватель 5, в котором происходит нагрев до температуры 165 C подводимым паром. При этом из плава мочевины выделяется значительная, часть избыточного аммиака и разлагается 90/p карбамата аммонияя.

1760 кг/час плава мочевины при температуре 165 С и концентрации мочевины в нем

60 /о из колонны;дистилляции 1 ступени дросселируют до давления 3 кг/см- и подают во внутреннюю камеру колонны 6 дистилляции

II ступени, где плав нагревается до температуры 145 С.

2710 кг/час газовой фазы из колонны дистилляции 1 ступени направляют в нижнюю часть колонны дистилляции II ступени для поглощения в ней из газовой фазы двуокиси углерода с образованием при этом раствора карбамата аммония. В линию газовой фазы, кроме того, подают 740 кг/час газообразной д вуокиси углерода, предварителыно .сжатой до давления 18 кг/см- .

Газо-жидкостную смесь (раствор карбамата аммония и неабсорбированные газы) из колонны 6 дистилляции II ступени передают в нижнюю часть колонны 7 фракционирования, орошаемой аммиачной водой для окончательной очистки газовой фазы от двуокиси углерода. В колонну фракционирования, кроме того, подают 330 кг/час раствора карбамата аммония из абсорбвра 12 и 2160 кг/час жидкого аммиака, которым отводят избыточное тепло абсорбции.

2600 кг/час газообразного аммиака, очищенного от двуокиси углерода при температуре

45 С, из колонны 7 направляют на конденсацию. Часть сконденсированного аммиака возвращают в цикл синтеза, остальное количе8 ство, подают на орошение колонны фракционирова:ния.

2550 кг/час образовавшегося раствора ка рбамата аммония при температуре,100 С из колонны фракционирования насосом 8 при давлении 200 кг/см - через подогреватель 9, где раствор нагревается до 140 С, и подогреватель 10, .в .котором раствор дополнительно напревается до 198 С, подают,в смеситель 2.

Из внутренней камеры 1760 кг/час парюжидкостной смеси направляют в сепаратор ll для разделения газовой и жидкой фаз.

Из сепаратора 310 кг/час,газовой фазы при температуре 120 С подают ia абсорбер 12 для абсорбции газов конденсатом или водой, орошающими абсорбер. 330 кг/час полученного раствора карбамата аммония,при температу ре 55 С из абсорбера направляют на орошение колонны 7 фракционирования.

Из сепаратора 1450 кг/час раствора мочевины с концентрацией в нем мочеви ны 70 /о при температуре 145 С дросселируют и направляют в сепарацианную часть выпарного аппарата 15, в,котором поддерживают остаточное давление 300 мм рт. ст. В результате падения давления часть воды испаряется, и концентрация раствора мочевины, собирающейся в нижней сепарационной части аппарата, повышается до 73 /p.

Из:сепарационной части раствор мочевины перетекает в нижнюю часть аппарата, где при помощи подводимого пара, раствор выпаривается в падающей пленке до концентрации

95 /о. Образовавшийся соковый пар в количестве 400 кг/час отсасывают эжектором 16 и направляют на конденсацию, а 1050 кг/час раствора мочевины подают в роторный пленочный испаритель l7. В испарителе поддерживают остаточное давление 16 мм рт. ст. с помощью эжектора 18, отсасывающего образовавшийся соковый snap.

Плав мочевины с концентрацией 99,8 /о собирают в сборнике 19 и при температуре

135 С направляют в диспергирующее устройство 20 грануляционной башни 21, в нижней части которой имеется кипящий слой. Гранулы, образующиеся в результате псевдоожижения частиц мочевины воздухом, в колистве 1000 кг/час собирают в ни иней части грануляционной башни 21. Гранулы в воздух выводят соответственно с низа и верха грануляционной башни. Расход воздуха составляет 25700 мз/час.

В зимних условиях при температуре воздуха 5 С перед кипящим слоем гранулы на выходе из башни имеют температуру 15 С, в летних условиях температура воздуха и гранул соответственно равна 28 и 38 С.

Пример 2 (вариант 2).

Опыт проводят аналогично примеру,1, за исключением, того, что из сепаратора

1450 кг/час раствора мочевины с концентрацией в нем около 70 /о мочевины при температуре 145 С дросселируют и направляют в

251571

10 вакуум-испаритель 15,,в котором поддерживают остаточное давление 300 мм рт. ст.

Из верхней ч алости в а куум-испат и геля

75 кг/чис образовавшегося сокового пара отводят на конденсацию, а 1380 кг/час раствора мочевины с концентрацией .в нем мочевины около 73% при температуре 95 С насосом 2б через, пенный скруббер 24 и сборник 25 подают в грануляционный аппарат с кипящим слоем для получения гранул мочевины.

В аппарат с кипящим слоем поступают также горячие топочные газы при температуре 500 — 600 С в количестве около

9180 м час на 1 т продукта. Получают

1000 кг)час гранул мочевины любого заданного размера.

Предмет изобретения

1, Способ получения мочевиHbl из аммиака и двуокиси углерода при температуре 170—

190 С и давлении 180 — 200 ат:с двухступенчатой дистилляцией, фракционированием и жидкостным рециклом не превращенных в мочевину исходных .компонентов в виде водного раствора карбамата аммония с последующим выпариванием и гранулированием плава мочевины, отличающийся тем, чго, с целью снижения энергетических затрат на компремирован ие, двуокись углерода, вместе с газами дистилляции 1 ступени под давлением 18 — 20 ат смешивают с раствором углеаммонийных солей, часть полученного раствора отводят на стадию синтеза, тепло абсорбции газов раствором используют для подогрева подаваемых на стадию синтеза компонентов и для отгонми не превращенных в мочевину компонентов на стадии дистилляции

II ступени, а полученный раствор мочевины дросселируют и выпаривают до концентрации

73 — 78% и ри температуре 90 — 110 С с последующим гранулирова нием в кипящем слое, псевдоожижаемом смесью воздуха с топочными газами, имеющими температуру 500—

700 С.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, чго, с целью снижения потерь аммиака и двуокиси углерода, газы, отделенные на стадии дистилля ции II ступени и состоящие из аммиака и двуокиси углерода, орошают водой, и образующийся при этом распвор карбамата аммония направляют на стадию фракционировани я.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества гранул, вы1паривание раствора мочевины ведут в падающей пленке до концентрации 90 — 95%, после чего полученный план концентрируют в падающей вращающейся пленке до

99 — 99,5%, и полученный высококонцентрироЗО ванный плав гранулируют в кипящем слое.