Способ непрерывного получения чистых растворов мочевины путем утилизации технологической воды

Изобретение относится к способу очистки технологической воды из синтеза мочевины. Cпособ включает следующие стадии: a. введение технологической воды в первую колонну очистки, введение горячих отходящих газов или чистого пара и нагревание до 100-150°С в первой колонне очистки, конденсация указанной воды; b. введение технологической воды, полученной на стадии а. и очищенной от растворенных NH₃ и CO₂, во вторую колонну очистки, введение пара под давлением от 5 до 15 бар при температуре 100-150°С во вторую колонну очистки; и c. введение технологической воды, полученной на стадии b., в третью колонну очистки, очистка паром в противотоке в третьей колонне очистки. Предложенный способ позволяет получить чистый раствор мочевины, который содержит менее 0,2 мас.% NH₃ и 0,3 мас.% биурета относительно массы общего раствора и соответствует стандарту ISO 22241. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к непрерывному способу получения чистых растворов мочевины и, в частности, раствора мочевины (AUS 32 согласно ISO 22241), который используют в качестве восстановителя в способе, основанном на селективном каталитическом восстановлении (SCR способе (англ. selective catalytical reduction)).

Индустриализация и постоянно увеличивающийся объем транспорта приводят к увеличению концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе до вызывающих обеспокоенность концентраций.

Значительная доля выбросов оксида азота образуется при сгорании дизельного топлива на промышленных предприятиях и в автомобилях.

Из DE-OS 3830045 известно, что NH₃, выделяющийся из мочевины, может быть использован в качестве восстановителя для селективного каталитического восстановления оксидов азота в кислородсодержащих выхлопных газах.

Согласно DE 10 2004 013 165 A1, раствор мочевины, содержащий, как правило, 32,5% мочевины и известный как AUS 32, подают путем впрыска на катализатор.

На катализаторе SCR оксиды азота NOx, содержащиеся в выхлопных газах, преобразуется в нейтральные компоненты (N₂, O₂, H₂O).

В DE 102 51 498 A1 указано, что производство водных растворов мочевины является дорогостоящим, поскольку они должны быть получены с применением деионизированной воды, для того чтобы избежать накопления осадка на катализаторе, и, соответственно, в указанном документе заявлено применение твердой мочевины.

Кроме того, требования к мочевине, подлежащей растворению, являются высокими. Обычная мочевина, используемая в качестве удобрения (в гранулированной, приллированной форме), как правило, не может быть использована, так как ее обрабатывают антислеживающим агентом формалином, и она содержит примеси, характерные для производства мочевины, такие как тяжелые металлы и масляные примеси.

Тяжелые металлы и масляные примеси сокращают срок службы катализаторов.

В документе DE 10 2006 059 760 B4 утверждается, что растворы мочевины, непосредственно полученные на технологических стадиях синтеза и рециркуляции на заводах по переработке мочевины, как описано в DE-AS 2015781, DE-AS 1913121, DE-AS 2411205, не соответствуют высоким стандартам качества.

В DE 10 2006 059 760 B4 описан энергоемкий процесс, в котором раствор мочевины кристаллизуют, сушат и снова смешивают с конденсатом пара с образованием соответствующего раствора.

В EP 0 053 410 раскрыт способ удаления мочевины, аммиака и углекислого газа из разбавленных водных растворов.

US 10280094 относится к способу обработки водного раствора, содержащего небольшие количества мочевины, аммиака и углекислого газа.

В DE 25 59 112 раскрыт способ обработки пара, содержащего небольшие количества аммиака и углекислого газа и образующегося при концентрировании водного раствора мочевины.

Раствор мочевины, полученный традиционным способом синтеза мочевины, содержит 72±5 масс.% мочевины, 27±5 масс.% воды, 0,3-0,6 масс.% биурета, 0,1-0,2 масс.% NH₃ и 0,1-0,2 масс.% CO₂ относительно общей массы раствора.

В основе настоящего изобретения лежит задача по созданию способа, с применением которого можно непрерывно получать чистый раствор мочевины с высокой энергоэффективностью, пригодный в качестве восстановителя для селективного каталитического восстановления оксидов азота.

Согласно настоящему изобретению, указанная задача решается обеспечением способа, имеющего признаки по п. 6 формулы изобретения, при этом в указанном способе раствор мочевины, полученный согласно традиционному способу синтеза мочевины, смешивают с технологической водой, образующейся в стехиометрическом количестве в указанном синтезе, и очищают по способу согласно пп. 1-5 формулы изобретения, в результате чего получают чистый раствор мочевины, который не содержит примеси, характерные для синтеза мочевины, и содержит менее 0,2 масс.% NH₃ и 0,3 масс.% биурета относительно массы общего раствора.

Получение чистых растворов мочевины согласно п. 6 формулы изобретения включает согласно настоящему изобретению получение чистого раствора мочевины, который соответствует стандарту ISO 22241.

Неожиданно было обнаружено, что технологическая вода, полученная в традиционном синтезе мочевины, может быть очищена с применением способа по пп. 1-5 формулы изобретения и может быть использована для получения раствора мочевины, который соответствует требованиям ISO 22241 согласно п. 9 формулы изобретения.

Специалисту в данной области известен синтез мочевины. В промышленности ее получают из NH₃ и CO_2. На первой стадии образуется карбамат аммония, который далее реагирует с мочевиной и водой.

Согласно уравнению реакции, при синтезе из исходных веществ на один моль мочевины образуется один моль воды. Если вода производится из технологических примесей, то она не подходит для получения чистых растворов мочевины, Тем не менее целью настоящего изобретения является использование такой воды для получения чистых растворов мочевины. Соответственно, эта вода является очищенной до такой степени, что она также пригодна для производства чистого раствора мочевины в соответствии с ISO 22241.

Воду, образующуюся в соответствии с уравнением реакции, частично отделяют с получением раствора мочевины, который содержит 72±5 масс.% мочевины и 27±5 масс.% воды, а также другие побочные продукты, образующиеся в процессе синтеза. Отделенная вода далее упоминается как технологическая вода.

Согласно способу по изобретению, технологическую воду, полученную при традиционном синтезе мочевины, очищают с применением следующих стадий. В первой колонне очистки технологическую воду нагревают до 100-150°С путем введения пара или, предпочтительно, отходящих газов (англ. flash gases), состоящих из аммиака, двуокиси углерода и пара из колонн 2 и 3 очистки при температурах от 100 до 150°С, и затем конденсируют. На этой первой стадии очистки технологическую воду очищают от NH₃ и CO₂, растворенных в воде.

В предпочтительном варианте осуществления в сочетании с одним из вышеупомянутых или нижеприведенных вариантов осуществления, смесь технологической воды и отходящих газов нагревают до 130-150°С, особенно предпочтительно от 140 до 150°С, в частности, до 150°С.

Полученную таким образом технологическую воду, очищенную от растворенных NH₃ и CO₂, затем подвергают второй стадии очистки во второй колонне очистки, в результате чего остаточные соединения мочевины, присутствующие в воде, разлагаются на NH₃ и CO₂ под действием пара под давлением от 5 до 15 бар. Газы (NH₃ и CO₂) удаляют при расширении и возвращают на первую стадию очистки.

В предпочтительном варианте осуществления в сочетании с одним из вышеупомянутых или нижеприведенных вариантов осуществления, вторую стадию очистки осуществляют при температуре от 100 до 150°C, особенно предпочтительно от 130 до 150°C, в частности от 140 до 150°C. Давление на второй стадии очистки составляет от 7 до 14 бар, особенно предпочтительно от 8 до 12 бар, в частности от 9 до 11 бар, в предпочтительном варианте осуществления в сочетании с одним из вышеупомянутых или нижеприведенных вариантов осуществления.

Очищенную технологическую воду, полученную таким образом, затем подвергают третьей стадии очистки, в результате чего конденсат из второй колонны очистки переносят в третью колонну очистки и очищают при помощи пара от остатков NH₃ и CO₂ в противотоке.

В предпочтительном варианте осуществления в сочетании с одним из вышеупомянутых или нижеприведенных вариантов осуществления, третью стадию очистки осуществляют при температуре от 100 до 150°С, особенно предпочтительно от 130 до 150°С, в частности от 140 до 150°С.

Технологическая вода, очищенная таким образом, имеет проводимость ≤ 10 мкСм/см и, таким образом, может быть использована для получения чистых растворов мочевины с требуемыми концентрациями, особенно растворов мочевины, отвечающих требованиям чистоты согласно ISO 22241.

Согласно способу по изобретению, раствор мочевины, полученный в результате способа получения мочевины и содержащий 72±5 масс.% мочевины и 27±5 масс.% воды, подают в секцию смешивания. Технологическую воду, очищенную в соответствии с описанным выше способом, также подают в эту смесительную секцию.

В секции смешивания с помощью регуляторов потока с температурной компенсацией регулируют концентрацию раствора мочевины до содержания от 30 до 50 масс.% мочевины относительно общей массы раствора, предпочтительно от 32 до 38 масс.% мочевины относительно общей массы раствора. Затем этот раствор можно охладить с помощью теплообменника.

В другом предпочтительном варианте осуществления в сочетании с одним из вышеупомянутых или нижеприведенных вариантов осуществления, раствор мочевины дополнительно очищают от масляных и механических примесей с помощью подходящего коалесцентного сепаратора после смешивания с очищенной технологической водой.

Очищенный раствор мочевины поступает в резервуар для перемешивания. В резервуаре точно регулируют содержание путем добавления дополнительного количества технологической воды и/или конденсата пара. Согласно изобретению, для определения концентрации подходящими являются непрерывные измерения методами физического анализа, такими как измерение плотности или показателя преломления.

Согласно п. 8 формулы изобретения, раствор мочевины смешивают с очищенной технологической водой до концентрации от 31,8 до 33,2 масс.% относительно общей массы раствора.

Растворы мочевины, полученные в традиционных способах синтеза мочевины, обычно получают в установке для синтеза с использованием дуплексных сталей (например, Safurex®) в качестве материала для основного оборудования в секции синтеза и высокоэффективных бустерных (англ. booster) насосов для исходных веществ и промежуточных продуктов, которые практически исключают проникновение посторонних веществ.

Типичными примесями, характерными для синтеза мочевины, являются NH₃, CO₂ и биурет.

Чистый раствор мочевины, полученный способом по настоящему изобретению, по существу не содержит указанные примеси и содержит менее 0,2 масс.% NH₃ и 0,3 масс.% биурета относительно общей массы раствора.

Чистый раствор мочевины, полученный в частности по п. 9 формулы изобретения, соответствует критериям качества для AUS 32 согласно ISO 22241 и соответствует следующим параметрам качества:

аммиак < 0,2 масс.% относительно массы чистого раствора мочевины

биурет < 0,3 масс.% относительно массы чистого раствора мочевины

нерастворенные компоненты < 20 мг/кг относительно массы чистого раствора мочевины.

Изобретение более подробно иллюстрируется чертежом (Фигура 1), на котором показан предпочтительный вариант осуществления в виде блок-схемы.

Раствор мочевины из резервуара 1 со скоростью потока в интервале 10-35 т/ч смешивают в статическом смесителе 10 с технологической водой из резервуара 3 со скоростью потока 12-45 т/ч, которая была очищена в колоннах 5, 6, 7 согласно пп. 1-5 формулы изобретения.

Дозирование осуществляют через регуляторы потока 8 и 9, полученный раствор охлаждают охлаждающей водой в теплообменнике 11 и фильтруют через фильтры 12 и 13 А/В. Фильтр 12 также выполняет функцию коалесцентного сепаратора для отделения масляных примесей.

В перемешивающем устройстве 14 точно регулируют требуемую концентрацию мочевины, например до концентрации 32,5 масс.% относительно общей массы раствора, путем определения параметров качества. Точное регулирование концентрации мочевины осуществляют путем добавления технологической воды и/или конденсата пара в 14. Для отвода раствора в резервуар 16 большого объема используют насос 15.

Способ согласно настоящему изобретению обеспечивает эффективный способ получения чистых растворов мочевины, в котором технологическую воду, полученную в процессе синтеза мочевины, можно применять для получения раствора мочевины с требуемыми концентрациями мочевины.

1. Cпоcоб очистки технологической воды из синтеза мочевины, характеризующийся тем, что способ включает следующие стадии:

a. введение технологической воды в первую колонну очистки, введение горячих отходящих газов или чистого пара и нагревание до 100-150°С в первой колонне очистки, конденсация указанной воды;

b. введение технологической воды, полученной на стадии а. и очищенной от растворенных NH₃ и CO₂, во вторую колонну очистки, введение пара под давлением от 5 до 15 бар при температуре 100-150°С во вторую колонну очистки; и

c. введение технологической воды, полученной на стадии b., в третью колонну очистки, очистка паром в противотоке в третьей колонне очистки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температура в первой колонне очистки составляет от 130 до 150°С.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что температура во второй колонне очистки составляет от 130 до 150°C.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что давление во второй колонне очистки составляет от 8 до 12 бар.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что температура в третьей колонне очистки составляет от 100 до 150°С.

6. Способ непрерывного получения чистых растворов мочевины из растворов мочевины, полученных традиционным способом синтеза мочевины, характеризующийся тем, что раствор мочевины подают непосредственно из резервуара для раствора мочевины и смешивают с технологической водой, образующейся в стехиометрическом количестве в указанном синтезе и очищенной способом по любому из пп. 1-5, в результате чего получают чистый раствор мочевины, содержащий менее 0,2 мас.% NH₃ и 0,3 мас.% биурета относительно общей массы раствора.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что раствор мочевины после смешивания с очищенной технологической водой дополнительно очищают от масляных и механических примесей с помощью соответствующего коалесцентного сепаратора.

8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что раствор мочевины смешивают с очищенной технологической водой до концентрации 31,8-33,2 мас.% относительно общей массы раствора.

9. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что раствор мочевины соответствует стандарту ISO 22241.