способ синтеза мочевины из аммиака и диоксида углерода (варианты)

Формула изобретения

1. Способ синтеза мочевины из аммиака и диоксида углерода при использовании синтеза высокого давления, включающий следующие стадии: а) подачу аммиака и диоксида углерода в, по крайней мере, один реактор и взаимодействие их друг с другом при молярном отношении NH₃:CO₂, которые находятся или в том виде, в котором они есть, или в виде карбамата аммония, находящемся в диапазоне 2,1 - 10, с образованием первой жидкой смеси, содержащей мочевину, карбамат аммония, воду и аммиак; b) перенос первой жидкой смеси на стадию разложения-разделения; с) нагрев первой жидкой смеси на стадии разложения-разделения по существу при давлении, равном давлению в реакторе, где часть карбамата аммония разлагают на аммиак и диоксид углерода, и одновременно подают упомянутую жидкую смесь на выпаривание с образованием первой газовой смеси, содержащей аммиак и диоксид углерода, второй жидкой смеси, содержащей мочевину, воду, аммиак, а также включающей неразложившуюся часть карбамата аммония; d) перенос возможно через эжектор первой газовой смеси на стадию конденсации, по существу, при том же самом давлении, при котором работает реактор, и конденсирование упомянутой смеси, при этом образуется третья жидкая смесь, которая содержит карбамат аммония и аммиак, которую рециркулируют, возможно, через эжектор, в реактор стадии а); е) извлечение мочевины, содержащейся в жидкой смеси, на одной стадии или нескольких последовательных стадиях разложения/отделения с получением по существу чистой мочевины, и отделении при этом образующейся четвертой жидкой смеси, которая содержит воду, аммиак и карбамат аммония, и аммония, и возможно, пятый поток, содержащий, в основном, аммиак; отличающийся тем, что четвертую жидкую смесь, образованную на стадии е), полностью или частично, предпочтительно 50 - 100%, соединяют с первой жидкой смесью и направляют на первую стадию разложения-разделения, при этом оставшуюся часть направляют на стадию конденсации и затем в реактор.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отношение NH₃:СО₂ внутри реактора находится в диапазоне 2,5 - 4,5.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что реактор снабжен тарелками и работает при стационарных условиях поршневого движения потока.

4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что реактор содержит множество реакционных зон, связанных друг с другом, возможно имеющих различные потоки поступающего материала.

5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что приводящая в движение текущая среда возможно эжектора стадии d) для рециркуляции третьей жидкой смеси включает, по крайней мере, часть исходного аммиака.

6. Способ по любому из предшествующих пп.1-4, отличающийся тем, что аммиак, по крайней мере, частично непосредственно подают на стадию разложения-разделения.

7. Способ по любому из предшествующих пп.1-4, отличающийся тем, что по крайней мере, часть исходного аммиака используют в качестве приводящей в движение текучей среды в эжекторе, использованном для циркуляции первой газовой смеси.

8. Способ по любому из предшествующих пп.1-4, отличающийся тем, что стадию разложения-разделения осуществляют в условиях самовыпаривания.

9. Способ по любому из предшествующих пп.1-4, отличающийся тем, что свежий диоксид углерода подают непосредственно, по крайней мере, частично на стадию разложения-разделения.

10. Способ по любому из предшествующих пп.1-4, отличающийся тем, что диоксид углерода, по крайней мере, частично подают на стадию конденсации d).

11. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что реактор на стадии а) работает при температурах, находящихся в диапазоне 170 - 205°С, под давлением в диапазоне 120 - 180 абс.атм.

12. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что стадию разложения-разделения осуществляют внутри выпарного аппарата, который работает при температуре, находящейся в диапазоне 160 - 220°С, и который нагревают посредством косвенного пара высокого давления.

13. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что стадию разложения-разделения с) осуществляют в двух частях оборудования, расположенных каскадом, возможно, типов, отличающихся друг от друга, и работающих при разных условиях.

14. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что первая газовая смесь содержит уровень воды, находящийся в диапазоне 0 - 5% по весу относительно общего веса смеси.

15. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что среднее молярное отношение H₂O : CO₂ в исходном сырье, подаваемом в реактор на стадию а), составляет менее чем 0,3, предпочтительно менее чем 0,2.

16. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что степень превращения диоксида углерода находится в диапазоне 70 - 75% на каждый цикл.

17. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что по крайней мере, часть превращения диоксида углерода в мочевину происходит во время протекания стадии конденсации d).

18. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что 70 - 100% четвертой жидкой смеси, образованной на стадии е), соединяют с первой жидкой смесью и полученную соединенную смесь направляют на первую стадию с) разложения-разделения.

19. Способ по п.13, отличающийся тем, что сырье, подаваемое на стадию разложения-разделения, разделяют и образованные частичные потоки подают при различных уровнях в выпарной аппарат.

20. Способ синтеза мочевины из аммиака и диоксида углерода при использовании зоны синтеза высокого давления, включающий следующие стадии: а) подачу аммиака и диоксида углерода, по крайней мере, в один реактор и взаимодействие их друг с другом при молярном отношении NH₃ : CO₂, которые находятся или в том виде, в котором они есть, или в виде карбамата аммония, находящемся в диапазоне 2,1 - 10 с образованием первой жидкой смеси, содержащем мочевину, карбамат аммония, воду и аммиак; b) перенос первой жидкой смеси на первую стадию разложения-выпаривания; с) нагрев первой жидкой смеси на стадии разложения-выпаривания по существу при давлении, равном давлению в реакторе, где часть карбамата аммония разлагают на аммиак и диоксид углерода, и одновременно подают упомянутую жидкую смесь на выпаривание с образованием первой газовой смеси, содержащей аммиак и диоксид углерода, второй жидкой смеси, содержащей мочевину, воду, аммиак, а также включающей неразложившуюся часть карбамата аммония; d) перенос, возможно через эжектор, первой газовой смеси на стадию конденсации, по существу при том же самом давлении, при котором работает реактор, и конденсирование упомянутой смеси, при этом образуется третья жидкая смесь, которая содержит карбамат аммония и аммиак, которую рециркулируют, возможно, через эжектор, в реактор стадии a); е) извлечение мочевины, содержащейся в жидкой смеси, на одной стадии или нескольких последовательных стадиях разложения/соединения с получением по существу чистой мочевины, и отделении при этом образующейся четвертой жидкой смеси, которая содержит водный раствор карбамата аммония, отличающийся тем, что 50 - 100% водного раствора карбамата аммония подают на первую стадию разложения-разделения в).

21. Способ по п.14, отличающаяся тем, что на стадию разложения-разделения подают 70 - 100% водного раствора карбамата аммония.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к способу синтеза мочевины из аммиака и диоксида углерода и способу увеличения выхода продукта в существующем способе производства мочевины.

Настоящее изобретение, в частности, относится к способу синтеза мочевины с усовершенствованным выходом, включающему взаимодействие аммиака и диоксида углерода в условиях высокой температуры и давления, последующее отделение мочевины от смеси, содержащей непрореагировавшие продукты, и возвращение последних на повторную переработку в реактор.

Все промышленные способы получения мочевины основаны на прямом синтезе в соответствии с реакцией

2NH₃+CO₂<---->CO(NH₂)₂+H₂O

Эта реакция происходит в соответствии с хорошо различимыми стадиями реакции

NH₃+CO₂<---->(NH₂)COONH₄ (1a)

(NH₂)COONH₄<---->CO(NH₂)₂+H₂O (1b)

На первой стадии происходит экзотермическая равновесная реакция, имеющая высокую скорость при комнатной температуре, для которой, однако, требуется высокое давление для достижения благоприятного равновесия при высокой температуре, необходимой на стадии (1b).

Во время второй стадии происходит эндотермическая реакция, которая достигает значительной скорости только при высоких температурах (>150^oC), при этом состояние равновесия при 185^oC приводит к превращению CO₂ в реакционной смеси, содержащей стехиометрическое соотношение реагентов, приблизительно только на 53%.

Такое неудовлетворительное превращение может быть выгодно увеличено путем увеличения отношения

NH₃:CO₂,

но оно затем уменьшается в присутствии воды. Последнее явление к тому же оказывает неблагоприятное воздействие на кинетику процесса в целом.

Обе вышеприведенные стадии реакции обычно осуществляют в отдельных зонах реактора, а они одновременно происходят в реакционной смеси, которая поэтому содержит мочевину, воду, аммиак, диоксид углерода и карбамат аммония при соответственных концентрациях в различных участках реактора, которые зависят от нескольких термодинамических и кинетических факторов, которые способствуют процессу.

Способы получения мочевины прямым синтезом из аммиака и диоксида углерода широко описаны и раскрыты в технической литературе, имеющей отношение к этой области. Обширный обзор наиболее распространенных способов получения мочевины может быть найден, например, в "Encyclopedia of Chemical Technology", Kirk- Othmer, Ed., Wiley Interscience, third edition (1983), volume 23, pages 551-561.

В промышленных способах производства мочевины синтез обычно осуществляют внутри реактора, в который подают NH₃, CO₂ и водные растворы карбоната и/или карбамата аммония из потоков непревращенных реагентов, возвращаемых на рециркуляцию, при температурах, находящихся в диапазоне от 170 до 200^oC, при давлениях по крайней мере 130 атм и при молярном отношении

NH₃:CO₂,

относительно всех потоков поступающего материала, находящемся в диапазоне от 2.5 до 4.5. Молярное отношение

H₂O:CO₂,

подаваемых в реактор, обычно находится в диапазоне от 0.5 до 0.6. При таких условиях продукт, выгруженный из реактора, показывает степени превращения относительно подаваемого CO₂, которые находятся в диапазоне от 50 до 65%. Кроме образовавшейся воды и избытка подаваемого NH₃ вытекающий из реактора поток дополнительно содержит большие количества CO₂ преимущественно в виде непревращенного карбамата аммония.

Отделение мочевины от этих продуктов осуществляют во множестве зон, работающих при высокой температуре и при пониженных давлениях, внутри которых происходит как разложение карбамата аммония на NH₃ и CO₂ (продукты, пригодные для рециркуляции в реактор), так и испарение реакционной воды, при этом в конечном счете получают мочевину, которую направляют на последующую стадию гранулирования отверждением. Отделение карбамата и зона рециркуляции требуют больших расходов на оборудование, которые заметно увеличивают стоимость конечного продукта.

Из этой зоны весь CO₂ и часть NH₃, благодаря их одновременному присутствию, являются доступными для рециркуляции в виде аммониевых солей (карбоната и/или кислой углекислой соли, и/или карбамата) в соответствии с температурой, при использовании воды в качестве растворителя для того, чтобы циркулировать их и предотвратить соли от осаждения и последующего блокирования занятых линий. Этот способ подразумевает увеличение количества воды, содержащейся в нескольких жидких потоках и внутри реактора, что в последующем оказывает отрицательное воздействие на степень превращения, как упоминалось выше. Известные способы, реализуемые в соответствии с вышеприведенной общей схемой, представлены, например, в патентах США N 4092358; 4208347; 4801745 и 4354040.

Для того чтобы лучше внести ясность в вышеописанное, мы полагаем, что будет полезно подчеркнуть, что количество воды, рециркулированной в реактор, составляет величину порядка количества воды, полученной во время реакции. Поэтому традиционный реактор является в особенности невыгодным с самого начала процесса, потому что при использовании такого реактора заинтересованы в высокой концентрации воды, поступающей с линии рециркуляции. Кроме того, максимальная концентрация воды была обнаружена именно в концевой зоне реактора, в которой, наоборот, гораздо более пригодным будет наличие как можно меньшей концентрации воды, для того, чтобы благоприятствовать сдвигу равновесия на стадии (1b) вправо именно в концевой зоне, в которой концентрация мочевины уже является достаточно высокой.

Для того чтобы избежать вышеуказанных недостатков и увеличить степень превращения CO₂ в мочевину настолько, насколько это возможно, в традиционном оборудовании управляющие оборудованием пытались работать в условиях еще более высокой температуры и давления, хотя такой способ действий может привести к дальнейшему увеличению капиталовложений и эксплуатационных расходов. К сожалению, даже в этом случае степень превращения не может превосходить 60-65%.

Настоящий заявитель нашел способ, который дает возможность преодолеть трудности и ограничения традиционных промышленных способов, которые упоминались выше, и при этом достигнуть степени превращения CO₂ в мочевину, равной более чем 70%.

Поэтому целью настоящего изобретения является усовершенствованный способ синтеза мочевины из аммиака и диоксида углерода, в котором в качестве промежуточных продуктов образуется карбамат аммония, включающий следующие стадии:

a) подачу аммиака и диоксида углерода в, по крайней мере, один реактор и взаимодействие их друг с другом при молярном отношении

NH₃:CO₂,

которые находятся или в том виде, в котором они есть, или в виде карбамата аммония, находящемся в диапазоне от 2.1 до 10.0, предпочтительно от 2.1 до 6.0, при этом образуется первая жидкая смесь, содержащая мочевину, карбамат аммония, воду и аммиак;

b) перенос первой жидкой смеси на стадию разложения-выпаривания;

с) нагрев первой жидкой смеси на стадии разложения-выпаривания по существу при том же самом давлении, которое существует в реакторе, для того, чтобы вызвать разложение части карбамата аммония на аммиак и диоксид углерода, и одновременно подвержение жидкой смеси выпариванию, при этом образуется первая газовая смесь, содержащая аммиак и диоксид углерода, вторая жидкая смесь, содержащая мочевину, воду, аммиак, и неразложившаяся часть карбамата аммония;

d) перенос, возможно через эжектор, первой газовой смеси на стадию конденсации, по существу осуществляемую при том же самом давлении, которое существует в реакторе, и конденсирование упомянутой смеси, при этом образуется третья жидкая смесь, которая содержит карбамат аммония и аммиак, которую рециркулируют, возможно, через эжектор в реактор стадии a);

e) извлечение мочевины, содержащейся в жидкой смеси, на одну стадию или несколько последовательных стадий разложения/отделения с получением по существу чистой мочевины, при этом образуются четвертая жидкая смесь, содержащая воду, аммиак и карбамат аммония и, возможно, пятый поток, содержащий в основном аммиак,

отличающийся тем, что четвертую жидкую смесь, образованную на стадии e), полностью или частично, предпочтительно от 50 до 100%, соединяют с первой жидкой смесью и направляют на первую стадию разложения-выпаривания, при этом оставшуюся часть, если она есть, направляют в реактор или, предпочтительно, на стадию конденсации.

В соответствии со способом настоящего изобретения, который обычно осуществляют непрерывно в соответствующем оборудовании, в оборудование для компенсации (т. е. восполнения) соответствующих количеств реагентов, превращенных в мочевину и выгруженных из зон конечного разделения и гранулирования отверждением, непрерывно подают свежий аммиак и свежий диоксид углерода.

В реактор могут быть непосредственно поданы свежий аммиак и свежий диоксид углерода, но их предпочтительно, по крайней мере частично, используют в качестве приводящей в движение текучей среды для одного или нескольких эжекторов для того, чтобы подвести необходимую энергию для первого газового потока, выгруженного со стадии выпаривания с), и/или карбамат аммония, поступающий со стадии конденсации (d) для циркуляции.

Для этой цели особенно предпочтительным для использования является аммиак.

В соответствии с альтернативным вариантом или одновременно с использованием эжектора(ов) свежий аммиак или свежий диоксид углерода может быть или полностью, или частично использован в качестве текучей среды для выпаривания в выпарном аппарате и/или может быть непосредственно направлен в конденсатор.

Реактор для синтеза работает обычно при температурах в диапазоне от 160 до 215^oC, предпочтительно в диапазоне от 170 до 205^oC, и при давлениях в диапазоне от 90 до 250 абс. атм, предпочтительно от 120 до 180 абс. атм, при молярном отношении аммиака к диоксиду углерода предпочтительно в диапазоне от 2.1 до 6.0, более предпочтительно от 2.5 до 4.5.

Реактор обычно снабжен множеством тарелок типа, выбранного из различных типов, известных в данной области, с тем, чтобы реализовать оптимальные условия поршневого движения потока, возможно к тому же в присутствии двухфазных систем. Реактор может также включать множество реакционных зон, соответствующим образом связанных друг с другом, возможно с различными потоками поступающего материала.

Выделившееся тепло и, более обычно, уровень температуры реактора на стадии а) регулируют путем воздействия на уровень температуры диоксида углерода и/или потока(ов) аммиака, подаваемого(ых) в реактор, и/или на основе подразделения упомянутых потоков поступающего материала между выпарным аппаратом, конденсатором и реактором, и/или на основе количества тепла, удаленного в конденсаторе.

Реактор должен показывать задержку жидкости, которая обеспечивает время пребывания упомянутой жидкости внутри реактора в диапазоне от нескольких минут до десяти минут для того, чтобы карбамат аммония, образованный посредством взаимодействия аммиака с диоксидом углерода на стадии конденсации d) и/или внутри того же самого реактора, превратился в мочевину посредством дегидратации.

В способе в соответствии с настоящим изобретением на стадии реакции а) в качестве вытекающего потока с вершины реактора может быть также отделен второй газовый поток, который обогащен инертными разновидностями, которые должны быть удалены. Такой газовый поток предпочтительно направляют на конденсацию, чтобы извлечь аммиак и диоксид углерода, содержащиеся в нем, которые затем непосредственно рециркулируют в реактор. В соответствии со вторым вариантом такой газовый поток направляют на стадию разложения-выпаривания и затем от потока рециркулированного карбамата, направляемого в реактор, отделяют инертные примеси.

В способе в соответствии с настоящим изобретением, в котором реактор работает с избытком аммиака относительно стехиометрического отношения к диоксиду углерода, который необходим для производства карбамата аммония, и затем мочевины (2:1 по молям), поток, выходящий из реактора, и обычно большинство жидких потоков, которые образовались в процессе, обычно содержат в избытке аммиак. В настоящем описании упомянуто о составе таких жидких (или также двухфазных) потоков и смесей, при этом обычно предполагают, что весь диоксид углерода присутствует в виде карбамата аммония, а избыток остаточного аммиака присутствует в виде свободного аммиака или просто аммиака.

Кроме того, для того, чтобы упростить настоящее описание термин "жидкость" используют для различия относительно потоков или смесей способа в соответствии с настоящим изобретением, которые состоят или из одной жидкой фазы, или из смешанной фазы жидкость - пар. Наоборот термин "газ" используют для таких потоков или смесей, в которых жидкая фаза по существу отсутствует.

Стадию разложения-выпаривания с), как правило, осуществляют в выпарном аппарате, обычно нагреваемом посредством косвенного водяного пара высокого давления. Температура выпарного аппарата обычно находится в диапазоне от 160 до 220^oC и давление внутри его равно или слегка ниже, чем давление внутри реактора, для того, чтобы сделать возможным разложение продуктов (первого газового потока), которые подвергают рециркуляции с использованием в качестве средств передачи только, и возможно, эжекторов.

При таких условиях карбамат аммония имеет склонность к быстрому разложению с образованием аммиака и диоксида углерода, при этом мочевина, которая уже образовалась внутри реактора, остается по существу в неизменном виде. Выпаривание можно осуществлять при использовании свежего аммиака или свежего диоксида углерода в качестве приводящих в движение газов. В технической литературе описаны различные примеры способов синтеза мочевины, которые используют вышеупомянутый принцип.

В патентах США N3356723 Стамикарбон раскрыто, например, использование в качестве газа для выпаривания диоксида углерода. С другой стороны, в патенте Великобритании N 1016220 Снампрогетти раскрыто применение аммиака для достижения той же самой цели.

В соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения стадию разложения-выпаривания осуществляют путем использования в качестве приводящего в движение газа того же самого избытка аммиака, присутствующего в потоке, выходящем из реактора. Дополнительные подробности такой предпочтительной технологии могут быть найдены, например, в патенте США N 3876696 Снампрогетти, на содержание которого здесь приводится ссылка. Последнюю технологию относят к "самовыпариванию".

В соответствии с настоящим изобретением стадию разложения-выпаривания можно также осуществлять внутри двух отдельных частей оборудования (выпарных аппаратов), расположенных каскадом, которые возможно отличаются друг от друга и работают при различных условиях, как представлено, например, в патенте Великобритании N 1581505, на содержание которого здесь приводится ссылка.

В соответствии с настоящим изобретением со стадии разложения-выпаривания с) получают первую газовую смесь аммиака и диоксида углерода, имеющую очень низкое содержание воды. Содержание воды обычно находится в диапазоне от 0.0 до 10%, предпочтительно от 0.0 до 5% по весу относительно общего веса газовой смеси. Такое незначительное содержание воды обычно получают со стадий выпаривания под высоким давлением, осуществляемых в соответствии со способами, цитированными выше.

В общем стадию разложения-выпаривания с) осуществляют внутри аппаратуры с пучком труб с падающей жидкой пленкой. Смесь, вытекающую из реактора, наряду с четвертой жидкой смесью, поступающей со стадий в виде нисходящего потока из выпарного аппарата, предпочтительно подают в голову аппаратуры, и она образует падающую пленку вдоль стенок пучка труб. Однако в настоящем способе могут быть также использованы другие хорошо известные типы аппаратуры, которые являются подходящими для намеренной цели.

Стадию конденсации d) обычно осуществляют внутри соответствующих конденсаторов, например, с пучком труб или поверхностного типа, в которых тепло конденсации используют для нагрева других потоков жидкости или газа. Тепло конденсации предпочтительно используют для генерации водяного пара, но его можно также использовать для подачи в одну из последующих сред или на стадии разложения карбамата аммония под низким давлением.

В соответствии с настоящим изобретением стадию конденсации можно осуществлять при обычных условиях (температуры, давления и состава), используемых в способах, известных из предшествующей области, в том случае, если эти условия являются такими, при которых предотвращается образование в конденсаторе и/или на линиях выпуска из него твердого карбамата аммония.

Отделение мочевины от аммиака и карбамата аммония, все еще присутствующего во втором жидком потоке, вытекающем со стадии разложения-выпаривания, осуществляют в соответствии со стадией е) настоящего способа в последовательных зонах разложения и отделения при давлении среды (от 15 до 25 абс. атм) и/или ниже (от 3 до 8 абс. атм). Для целей настоящего изобретения такую стадию отделения е) можно осуществлять посредством любого из способов, описанных в специальной литературе, что делает возможным получение жидкого потока, возвращаемого в повторный цикл, который содержит водный раствор карбамата аммония, и возможно также потока, который по существу состоит из аммиака. Зонами разделения-очистки, подходящими для целей настоящего изобретения, являются, например, такие, которые схематически представлены на фиг 1-5 "Encyclopedia of Chemical Technology", ibid.

Мочевину, отделенную таким образом от карбамата аммония и аммиака, обычно получают в виде водного раствора, который затем подают на конечную стадию вакуумной дегидратации (вплоть до 0.1 абс. атм), при этом на одной стороне получают воду, а на другой стороне - по существу чистую мочевину, которую затем направляют на обычное гранулирование отверждением, и так далее.

В соответствии с настоящим изобретением стадия отделения-очистки мочевины е) включает также стадию конечной дегидратации и зону очистки сточных вод, вытекающих из оборудования для синтеза. В соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения собирают несколько или жидких, или двухфазных потоков, содержащих карбамат аммония, поступающих с нескольких подзон стадии e) (разложение карбамата при среднем и низком давлении, повторная конденсация карбамата, дегидратация мочевины, очистка отработанных потоков), при этом один единственный поток, возвращаемый в повторный цикл, который составляет четвертую жидкую смесь, затем полностью или частично направляют на первую стадию разложения-выпаривания. В соответствии с определенным вариантом отделения и очистки мочевины, тем не менее, входящим в область настоящего изобретения, рециркулированный аммиак и диоксид углерода могут присутствовать в виде карбоната, бикарбоната или карбамата аммония или их смеси в зависимости от температуры и давления смеси.

Способ в соответствии с настоящим изобретением дает возможность значительно уменьшить количество воды, подаваемой в реактор, вплоть до такого уровня, чтобы иметь на входе в реактор молярное отношение

H₂O:CO₂,

которое всегда ниже, чем 0.3 (в котором CO₂ внутри реактора, как полагают, обычно существует в форме карбамата, как указывалось выше). Таким образом получают значительное уменьшение количества воды, присутствующей в реакционной зоне. Это дает возможность осуществлять синтез мочевины с особенно высокими значениями степени превращения, предпочтительно составляющими от 70 до 75% на каждый цикл, при этом нет необходимости прибегать к комплексным и сложным в обращении специальным растворам для того, чтобы получить этот результат. В действительности, к удивлению, многие преимущества настоящего способа получают посредством выбора меры подачи в выпарной аппарат значительной порции потоков, содержащих карбамат, поступающих нисходящим потоком из того же самого выпарного аппарата, и осуществления выпаривания при таких условиях, чтобы иметь в отделенном газовом потоке низкое содержание воды.

Настоящий способ показывает, кроме того, преимущества, состоящие в том, что его легко реализуют путем внесения незначительного количества простых изменений в уже существующее традиционное оборудование, при условии, что оно снабжено аппаратурой для осуществления стадии выпаривания при высоком давлении. В частности, достаточно модифицировать оборудование таким образом, чтобы направить на стадию выпаривания или полностью, или частично рециркулированный поток, содержащий карбамат, поступающий нисходящим потоком из зон того же самого выпарного аппарата.

Поэтому еще одной целью настоящего изобретения является способ усовершенствования выхода в существующем способе производства мочевины, который реализуют в зоне синтеза при высоком давлении, включающий по крайней мере одну стадию (само) выпаривания и последующие стадии очистки и концентрирования мочевины, с которых получают водный раствор карбамата аммония, отличающийся тем, что упомянутый водный раствор или полностью, или частично, предпочтительно от 50 до 100%, подают на стадию (само) выпаривания.

Усовершенствованный способ в соответствии с настоящим изобретением проиллюстрирован далее чертежами.

Фиг. 1 схематически представляет осуществление реакции и стадии разложения-выпаривания (контур синтеза) способа синтеза мочевины, который составляет предпочтительный вариант настоящего изобретения.

Фиг. 2 схематически представляет аналогичный контур синтеза, основанный на типичном традиционном способе.

На вышеупомянутой фиг. 1 пунктирные линии представляют альтернативные возможности, взаимно не исключающие пригодные для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением. На упомянутых фиг. 1 и 2 функциональные элементы, например насосы, клапаны и другие части оборудования, которые не являются необходимыми для целей полного понимания схематически показанных способов, не проиллюстрированы. Способ в соответствии с настоящим изобретением не следует понимать как ограниченный вариантами, представленными и раскрытыми на сопровождающих фиг. 1 и 2, которые даны единственно с целью приведения в качестве примера.

На схеме потока, представленной на фиг. 1, можно видеть реактор R1, который через слив T и линию 4 соединен с выпарным аппаратом S1. Последний соединен в его донной части с зоной P для отделения-очистки мочевины, из которой через линию 5 карбамат (линия 5a) рециркулируют на линию 4 и, возможно, (линии 5b и 5c) в конденсатор C2. Верхняя часть выпарного аппарата S1 связана через линию 7, эжектор E1 и линии 7a и 7b с конденсатором C2. Выход конденсатора представлен линией 8, которая затем соединена с реактором R1 через эжектор E2, к которому также подведена линия 10, которая транспортирует свободный аммиак (линия 2) и рециркулированный аммиак (линия 9) из зоны отделения и очистки мочевины P. Линия 1 для свежего диоксида углерода может быть независимо связана с реактором (линия 1a) или конденсатором (линия 1b), или с донной частью выпарного аппарата (линия 1c), или также с множеством таких частей оборудования. Линия 3, выходящая из верхней части реактора R1, соединена с конденсатором C10 (линия 3a), и/или с выпарным аппаратом S1 (линия 3b) или конденсатором C2 (линия 3c).

Схема потока, представленного на фиг. 2, изображает по существу те же самые элементы, которые имеют тот же самый смысл, который имеют элементы, содержащиеся на схеме потока фиг. 1, но со ссылкой на традиционный способ синтеза мочевины. Значительные отличия относительно фиг. 1 состоят в отсутствии линии 5a, при этом линия 5 непосредственно связана с линией 7 - 7b, ведущей к конденсатору C2, отсутствии эжектора E1 на выходе линии из верхней части выпарного аппарата S1 (и соответствующее отсутствие приводящего в движение потока 10b), при этом свежий CO₂ полностью подают в реактор через линию 1.

Обратимся к фиг. 1, на которой представлены некоторые возможности варианта способа настоящего изобретения, который не ограничивает всю область изобретения.

Свежий аммиак, компримированный и поданный через линию 2, смешали с извлеченным аммиаком (линия 9), поступившим из зоны P, и полученный поток частично направили в реактор R1 через линию 10 и эжектор E2 и частично в конденсатор карбамата C2 через эжектор E1 (линия 10b). В соответствии с альтернативным вариантом, когда необходимо, аммиак можно или полностью, или частично подать в выпарной аппарат S1 через линию 10a; в этом случае линия 10b (и, следовательно, эжектор E1) могут отсутствовать. Вышеуказанное представляет случай, когда выпаривание осуществляют без аммиака. Однако предпочтительно подать в эжектор E1 через линию 10b от 30 до 90% аммиака с линий 2 и 9, при этом его оставшуюся часть направляют через линию 10 в эжектор E2.

При обычных рабочих условиях способа в соответствии с настоящим изобретением упомянутые потоки 10, 10a и 10b преобладающе содержат аммиак в жидком состоянии.

Свежий CO₂ (линия 1) может быть аналогично направлен через линии 1a и/или 1b в соответствии с требованиями теплосодержания реактора R1, но может быть также направлен через линию 1c в выпарной аппарат S1, в этом случае его используют также в качестве среды для выпаривания.

Свежий диоксид углерода после компримирования предпочтительно обычно непосредственно направляют в реактор (более, чем 50%) и частично направляют в конденсатор C2.

Суммарное питание реактора состоит из потоков 1a и 11, при этом последний имеет очень ограниченное содержание воды, частично извлеченных при возможном образовании мочевины в конденсаторе для карбамата аммония C2. В соответствии с настоящим изобретением при таком способе реактор предпочтительно работает с общим количеством исходного материала, в котором молярное отношение воды к CO₂ составляет менее чем 0.2.

Жидкий поток, выгруженный из реактора R1 через слив T и линию 4, содержащий мочевину, воду, аммиак и карбамат аммония, направляют на линию 5a, содержащую по крайней мере 50% водного извлеченного потока, поступающего через линию 5 из зоны P для отделения и очистки мочевины, и затем направляют (линия 4a) в выпарной аппарат S1. Поток 5a предпочтительно содержит от 70 до 100% извлеченного потока 5. Возможную оставшуюся часть извлеченного потока направляют в конденсатор C2, или непосредственно через линию 5c, или косвенно через линию 5b. В соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения исходный материал 4a, направляемый в выпарной аппарат S1, подразделяют на частные потоки поступающего материала, подаваемые в вышеназванный выпарной аппарат при его различных cодержаниях.

Газовую фазу, присутствующую в верхнем погоне реактора, направляют через линии 3 и 3a в конденсатор C1, в котором отделяют инертные разновидности, присутствующие в поступающих свежих потоках NH₃ и CO₂; в соответствии с альтернативным вариантом часть газовой фазы может быть направлена посредством линии 3b в выпарной аппарат S1, при этом она будет действовать в качестве среды для выпаривания или ее можно направить непосредственно в конденсатор C2 (линия 3c).

Газовый поток 7, выгруженный с головной части выпарного аппарата, содержащий NH₃ и CO₂ и имеющий низкое содержание воды, предпочтительно менее чем 10% по весу и еще более предпочтительно менее чем 5% по весу, циркулируют в конденсатор C2 (линии 7a и 7b) через эжектор E1 при использовании NH₃ в качестве приводящей в движение текучей среды. Здесь его конденсируют под давлением, которое или равно, или слегка ниже, чем давление, существующее внутри реактора, и при самой возможной высокой температуре, предпочтительно выше, чем 150^oC, для получения жидкого потока (третьей жидкой смеси), преобладающе содержащего карбамат аммония, аммиак и незначительные количества воды и, возможно, некоторое количество мочевины. Последняя образуется во время стадии конденсации, при этом рабочие условия являются благоприятными для частичного сдвига предшествующего представленного химического равновесия (1b) вправо. Полученный таким образом жидкий поток направляют в реактор через линию 8 и эжектор E2.

Поток 6, выгруженный с донной части выпарного аппарата S1, содержащий всю полученную мочевину, направляют на последовательные стадии очистки и концентрирования, которые схематически соединены в секции P на схеме потока фиг. 1. Отсюда получают потоки извлеченного NH₃ и карбамата, указанные выше, и чистую мочевину и воду выгружают соответственно через линии 15 и 14.

Для того, чтобы лучше проиллюстрировать цель и преимущества настоящего изобретения далее приведен его практический пример, который никоим образом не ограничивает область притязаний.

В последующих примерах составы нескольких потоков представлены путем отсылки на основные компоненты - мочевину, аммиак, диоксид углерода и воду, независимо на диоксид углерода, при этом в таких жидких потоках, которые содержат аммиак, он находится по существу в форме карбамата аммония.

Пример 1.

Способ синтеза мочевины осуществляли путем подачи в выпарной аппарат извлеченного потока, поступающего из зоны отделения/очистки мочевины (контур синтеза в соответствии с настоящим изобретением). Ссылка на схему потока, представленную на фиг. 1.

Свежие потоки 45.461 кг/ч, 8.573 кг/ч CO₂ и 41.573 кг/ч NH₃, содержащие в общем 636 кг/ч, инертных разновидностей, соответственно с линий 1a, 1b и 2 подали в реактор R1.

Реактор работал под давлением 157 абс.атм и при 188^oC, конденсатор работал под давлением 152 абс.атм и приблизительно при 155^oC.

Из зоны очистки/конденсирования P, расположенной ниже по течению относительно выпарного аппарата S1, извлекли водный поток 5, обогащенный карбаматом, который, в частности, состоял из

H₂O = 17.181 кг/ч

CO₂ = 9.415 кг/ч

NH₃ = 19.401 кг/ч

Общий поток 45.997 кг/ч

и который полностью направили обратно в выпарной аппарат S1 через линии 5a и 4a после смешения с потоком 4, вытекающим из реактора. Из той же самой зоны P одновременно извлекли через линию 9 поток чистого NH₃, который затем соединили со свежим аммиаком, поступившим с линии 2.

Из общего потока NH₃, полученного таким образом, 20.793 кг/ч, направили через линию 10b и эжектор E1 в конденсатор C2, и 41.753 кг/ч, направили через линию 10 и эжектор E2 в реактор.

Общий поток, поданный в реактор R1 через линию 11, был представлен следующим составом

CO₂ = 72.973 кг/ч

NH₃ = 96.241 кг/ч

Мочевина = 960 кг/ч (количество, образованное в C2 и эквивалентное соответственно 704 и 455 кг/ч CO₂ и NH₃).

H₂O = 288 кг/ч

Инертные разновидности = 636 кг/ч

Общий поток = 171.098 кг/ч.

Жидкий поток 4, выгруженный из слива реактора T, содержал всю полученную мочевину и, в частности, характеризовался следующим составом:

Мочевина = 73.682 кг/ч

H₂O = 22.105 кг/ч

CO₂ = 19.643 кг/ч

NH₃ = 55.032 кг/ч

Верхний погон газового потока 3 реактора полностью направили в конденсатор C1, действующий при 75^oC, отсюда выгрузили поток, который содержал 636 кг/ч инертных разновидностей, первоначально содержащихся в потоке материала, поступившего в реактор, кроме незначительных количеств NH₃ и CO₂, не принятых в рассмотрение в вышеприведенном балансе.

Поток 4 после соединения его с потоком 5a направили через линию 4a в выпарной аппарат S1, выпарной аппарат работал под давлением 148 абс. атм, при температуре в его донной части 205^oC, без подачи газа для выпаривания (самовыпарной аппарат).

С головной части выпарного аппарата S1 выгрузили газовый поток, который по существу не содержал воду и характеризовался следующим составом:

CO₂ = 19.643 кг/ч

NH₃ = 34.239 кг/ч

С донной части выпарного аппарата выгрузили жидкий поток 6, который состоял из

Мочевины = 73.682 кг/ч

H₂O = 39.286 кг/ч

CO₂ = 9.415 кг/ч

NH₃ = 40.194 кг/ч

Общий поток 162.532 кг/ч

и который направили на последующие стадии очистки и концентрирования мочевины. Аппаратура в этом частном случае состояла из типичных зон разделения среднего и низкого давления и зоны концентрирования, которые характеризуют общую схему традиционного способа производства мочевины Снампрогетти, о которой сообщалось, например, на странице 561 "Encyclopedia of Chemical Technology", ibid.

Способ синтеза мочевины, приведенный выше в качестве примера, характеризуется превращением CO₂ в мочевину, т.е. молярным отношением полученной мочевины к общему количеству поданного CO₂, равным 0.73. Жидкий поток, выгруженный из выпарного аппарата и направленный в последующую зону отделения/очистки, характеризуется молярным отношением мочевины к CO₂, равным 5.74.

Пример 2 (сравнительный пример)

Способ синтеза мочевины осуществляли с потоком, извлеченным из зоны отделения/очистки мочевины (традиционный контур синтеза). Ссылка на схему потока, представленную на фиг. 2.

Реактор R1, конденсатор C2 и выпарной аппарат S1 (самовыпарной аппарат) работали точно при такой же температуре и таком же давлении, как и в предшествующем примере 1.

Реактор R1 снабдили

a) потоком свежего CO₂ через линию 1;

b) жидким потоком через линию 8, состоящим из водного раствора, содержащего карбамат и аммиак, извлеченного из зоны отделения/очистки P, и из выпарного аппарата S1 через конденсатор C2, который приводился в движение посредством эжектора E2 с использованием NH₃ в качестве приводящей в движение текучей среды.

Общий поток материала, поступающего в реактор, выглядел следующим образом:

CO₂ = 73.677 кг/ч

NH₃ = 96.785 кг/ч

H₂O = 17.181 кг/ч

Инертные разновидности = 636 кг/ч

Общий поток = 188.279 кг/ч

В частности:

а) поток свежего CO₂ состоял из 45.461 кг/ч;

b) поток свежего NH₃ состоял из 35.148 кг/ч, поток NH₃, извлеченный, как таковой, из P состоял из 23.573 кг/ ч;

c) жидкий поток, извлеченный из P, состоял из

H₂O = 17.181 кг/ч

CO₂ = 28.216 кг/ч

NH₃ = 38.064 кг/ч

Таким образом, в систему, состоящую из конденсатора C2 и реактора R1, подали общие количества NH₃ и CO₂, которые эквивалентны таковым количествам предшествующего примера, но в этом случае, благодаря рециркуляции водного потока 5 в конденсатор, соотношение

H₂O:CO₂

увеличилось до 0.57. В итоге реактор R1 работал в этом случае при рабочих условиях, соответствующих рабочим условиям предшествующего примера 1 за исключением большого количества воды, извлеченной из потока из конденсатора C2.

Поток, выгруженный из реактора через слив, состоял из

Мочевины = 62.291 кг/ч

H₂O = 35.868 кг/ч

CO₂ = 27.797 кг/ч

NH₃ = 61.487 кг/ч

Инертных разновидностей = 636 кг/ч

Общее количество вытекающего потока = 188.279 кг/ч.

Этот поток направили через линию 4 в выпарной аппарат S1.

Газовый поток 7, выгруженный с головной части выпарного аппарата, направили непосредственно в конденсатор C2. Жидкий поток 6, выгруженный с донной части и содержащий всю полученную мочевину, направили в последующую зону очистки/ концентрирования P, обеспечив при этом также возможность рециркуляции избытка NH₃ и карбамата, все еще присутствующих в этом же потоке, через линии 5 и 9.

Традиционный контур синтеза, принятый в рассмотрение в этом сравнительном примере, характеризуется степенью превращения CO₂ в мочевину, т.е. молярным отношением полученной мочевины к общему количеству поданного CO₂, равным 0.62. Жидкий поток, выгруженный из выпарного аппарата и направленный на следующие стадии отделения/очистки, характеризуется молярным отношением мочевины к CO₂, равным 4.84.

При сравнении значений степени превращения, которые характеризуют способ в соответствии с настоящим изобретением, представленный в примере 1, и типичный традиционный способ синтеза мочевины, ясно видно очень значительное увеличение степени превращения (при этом все другие факторы играют, возможно, одинаковую роль) и, следовательно, производственная емкость оборудования возрастет приблизительно на 20%.

Кроме того, очевидно, что уменьшение содержания воды, циркулирующей через контур конденсатор - реактор настоящего изобретения, также позволит заметно уменьшить размеры реактора благодаря более благоприятной кинетике той же самой реакции.

Очевидно, что в способ, который представлен выше, может быть внесено большое количество изменений и модификаций, которые во всяком случае следует рассматривать как полностью входящие в область настоящего изобретения.