DE1443601B2 - Verfahren zur Herstellung von Harnstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Harnstoff aus Ammoniak und Kohlendioxid.

Es gibt eine Anzahl technischer Verfahren zur Herstellung von Harnstoff aus Ammoniak und Kohlendioxid, bei denen diese Komponenten zuerst unter Bildung von Ammoniumcarbamat miteinander umgesetzt werden, das dann unter gleichzeitiger Freisetzung von Wasser in Harnstoff umgesetzt wird (»Chemical Engineering«, Oktober 1954, S. 186 bis 190). Bei diesen Verfahren sind verhältnismäßig hohe Temperaturen etwa zwischen 160 und 210° C und Drücke von etwa 123 bis 422 at erforderlich; unter diesen Bedingungen wirkt jedoch das als Zwischenprodukt entstehende Ammoniumcarbamat außerordentlich stark korrodierend. Daher sucht die Technik bereits seit langem nach einer Möglichkeit zur Überwindung dieses Korrosionsproblems. Als Lösung ist es beispielsweise bekannt, die Reaktionsvorrichtung mit Blei oder Silber auszukleiden, sie aus Chrom-Nickel-Stählen herzustellen oder hiermit auszukleiden oder korrosionshemmende Mittel zu den Reaktionsteilnehmern zuzugeben (z. B. USA.-Patentschrift 27 27 069).
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun bei der Herstellung von Harnstoff durch Umsetzung von Ammoniak und Kohlendioxid bei verhältnismäßig hohen Temperaturen und Drücken gearbeitet, wobei Teile der Oberflächen der verwendeten Reaktionsvorrichtung einer normalerweise korrodierend wirkenden Ammoniumcarbamatschmelze ausgesetzt sind, und es betrifft einen Aspekt der vorliegenden Erfindung, daß dabei die Korrosion auf ein Minimum herabgesetzt wird. Das wird dadurch erreicht, daß die Umsetzung in einer Vorrichtung erfolgt, deren mit dem Reaktionsgemisch in Berührung kommende Oberfläche aus Zirkonium besteht.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können ferner das Ammoniak und das Kohlendioxid aus dem Abgasstrom der Harnstoff-Syntheseanlage abgetrennt und erneut in Umlauf gebracht werden. Verschiedene Verfahren zur Durchführung dieser Trennung und der Rückführung des Ammoniaks und des Kohlendioxids werden in »Chemical Engineerung Progress«, Bd. 50, Nr. 7 (Juli 1954), auf den Seiten 327 bis 330 beschrieben.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Harnstoff durch Umsetzung von Ammoniak mit Kohlendioxid in einem molaren Verhältnis von mindestens 2 : 1 bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck, Zersetzung des entstandenen Ammoniumcarbamats in zwei Stufen zu Harnstoff und Wasser, Adsorption des Kohlendioxids mit Hilfe eines Alkanolamine und Gewinnung und Rückführung des überschüssigen verflüssigten Ammoniaks, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man ein erstes im wesentlichen aus Ammoniak, Kohlendioxid und Wasserdampf mit einem molaren Verhältnis von Ammoniak zu Kohlendioxid zwischen 20:1 und 2: 1 bestehendes Gasgemisch bei einem Druck zwischen etwa 5 und etwa 20 kg/cm² und auch den Harnstoff abtrennt, wobei die Oberflächen der Vorrichtung, die mit der Ammoniumcarbamatschmelze in Berührung kommen, aus Zirkonium bestehen, das gegebenenfalls mit ^6% anderer Metalle legiert sein kann, dann dem ersten gasförmigen Strom in üblicher Weise mit Hilfe eines flüssigen Alkylolamins in einer ersten Hochdruckabsorptionsvorrichtung das gesamte Kohlendioxid und Wasser absorptiv entzieht, während man zur Vermeidung einer übermäßigen Zersetzung des Alkylolamins flüssiges Ammoniak einführt, nun das mit Kohlendioxid, Wasser und Ammoniak angereicherte Alkylolamin und einen zweiten Gasstrom, in dem das molare Verhältnis von Ammoniak zu Kohlendioxid zwischen 10: 1 und 1: 1 liegt, aus der ersten Hochdruckabsorptionsvorrichtung abzieht und einer zweiten, auf einem Druck zwischen etwa 1 und 3,5 kg/cm² gehaltenen Kontaktstufe, in die flüssiges Ammoniak eingeführt wird, zuführt, den zweiten Gasstrom in dieser

vorrichtung 11 herführende Leitung 20 ein Strom aus 202 kg/h Ammoniak, 263 kg/h Kohlendioxid und 457 kg/h Wasserdampf bei einer Temperatur von etwa 132 bis 150⁰C und einem Druck von 1,75 kg/cm² (absolut) eingeführt. Ferner wird am oberen Ende der Absorptionsvorrichtung 19 durch die Leitung 21 flüssiges Ammoniak bei 27°C in einer Menge von 528 kg/h zugeführt und über Kopf durch die Leitung 22 Ammoniak bei —27° C und einem Druck von 1,4 kg/cm² (absolut) in einer Menge von 2223 kg/h abgezogen.

Das Bodenprodukt aus der Absorptionsvorrichtung 19 wird durch die Leitung 23 bei einer Temperatur von 135⁰C abgezogen und mittels eines Aufwärmers 23 a auf dieser Temperatur gehalten. Dieser Strom besteht aus 18 915 kg/h Monoäthanolamin, 1819 kg/h Kohlendioxid und 700 kg/h Wasser. Der Strom aus der Leitung 23 wird durch den Wärmetauscher 24 geführt, in dem seine Temperatur auf 155° C erhöht wird, und gelangt dann durch die Leitung 25 in den oberen Teil der Desorbiervorrichtung 26. Aus der Desorbiervorrichtung26 werden über Kopf durch die Leitung 27 1751 kg/h Kohlendioxid und 1175 kg/h Wasser bei einer Temperatur von 92⁰C und einem Druck von 1,24 kg/cm² (absolut) entfernt. Das Bodenprodukt aus der Desorbiervorrichtung 26 wird bei einer Temperatur von 177° C von der Leitung 28 zum Wärmetauscher 24 geleitet; dieser Strom besteht aus 18 915 kg/h Monoäthanolamin, 91 kg/h Wasser und 68 kg/h Kohlendioxid. Die Temperatur des Stromes aus der Leitung 28 wird im Wärmeaustauscher 24 auf 155°C gesenkt; dieser Strom gelangt dann durch die Leitung 29 zum Wärmetauscher 30, in dem seine Temperatur weiter auf 43⁰C gesenkt wird, dann durch die Leitung 15 zur Absorptionsvorrichtung 14 und durch die Leitung 15a zur Absorptionsvorrichtung 19. Das Kohlendioxid und das Wasser aus der Leitung 27 werden im Kondensator 50 auf 49° C abgekühlt und durch die Leitung 51 in den Scheider 52 geleitet. Die aus dem Scheider durch die Leitung 53 ausströmenden Gase enthalten 1751 kg/h Kohlendioxid und 76,5 kg/h Wasserdampf. Das Wasser verläßt den Scheider 52 durch die Leitung 54, die mit den Leitungen 55 und 56 verbunden ist. Durch die Leitung 55 werden 567 kg/h Wasser rückfließend wieder in die Desorbiervorrichtung 26 geführt, während das durch die Leitung 56 fließende Wasser (532 kg/h) verworfen wird.

Das unter hohem Druck stehende Ammoniakgas in der vor der Absorptionsvorrichtung 14 herführenden Leitung 17 gelangt zum Kondensator 31 und steht hier in indirektem Wärmeaustausch mit Kühlwasser, wobei es verflüssigt wird. Das unter niedrigem Druck stehende Ammoniakgas in der von der Absorptionsvorrichtung 19 herführenden Leitung 22 vereinigt sich mit dem Ammoniakgas, das durch die Leitung 47 aus dem Unterkühler 43 austritt, und mit Ammoniakgas, das durch die Leitung 32 aus dem Kondensator 31 abgezogen wird. Der vereinigte Strom gelangt dann durch die Leitung 33 zum Kompressor 34. Das komprimierte Ammoniakgas wird dann zum Kondensator 31 geführt und dort verflüssigt. Das flüssige Ammoniak wird aus dem Kondensator 31 durch die Leitung 36 in den Aufnahmebehälter 37 geleitet und tritt dann in die Leitung 38 ein, die mit den Leitungen 39 und 40 verbunden ist. Die Leitung 39 führt zur Leitung 16, durch die das flüssige Ammoniak in den oberen Teil der Absorptionsvorrichtung 14 gelangt, und zur Leitung 48, die 6989 kg/h flüssiges Ammoniak in die Harnstoff-Synthesenvorrichtung zurückführt. Frisches Ammoniak wird von der Leitung 49 geliefert.

Das durch die Leitung 40 fließende flüssige Ammoniak gelangt in die Leitungen 41 und 42, von der Leitung41 in den Unterkühler 43 und dann durch die Leitung 21 zur Absorptionsvorrichtung 19. Das flüssige Ammoniak, das durch die Leitung 42 in den Unterkühler 43 eingeführt wird, verdampft sofort und unterkühlt dadurch das flüssige Ammoniak, das in der

ίο Leitung 41 durch den Unterkühler fließt. Der Flüssigkeitsstandregler 45 hält das flüssige Ammoniak im Unterkühler 43 auf einer bestimmten Höhe und läßt überschüssige Flüssigkeit durch die Leitung 46 wieder in die Leitung 40 zurückfließen.

Das Korrosionsproblem besteht hauptsächlich in den Teilen der Vorrichtung bis zum Ventil 5 hin, doch kann auch in anderen Teilen des Systems eine gewisse Korrosion stattfinden, z. B. in den Leitungen 7 und 8, dem ersten Wärmetauscher 6 und dem Abscheider 9.

ao Diese Teile können daher ebenfalls aus handelsüblichem Zirkonium hergestellt werden, doch ist für sie auch rostfreier austenitischer Stahl geeignet.

Das in erfindungsgemäßer Weise verwendete Zirkonium kann unlegiert verwendet werden oder auch, wie die Beispiele zeigen, mit geringen Mengen anderer Metalle legiert sein, deren Gesamtmenge jedoch etwa 6 Gewichtsprozent nicht übersteigen sollte und vorzugsweise nicht mehr als etwa 3 Gewichtsprozent beträgt. Zu den unlegierten Arten von unlegiertem Zirkonium, die verwendet werden können, gehören beispielsweise die folgenden (die Prozentzahlen sind auf das Gewicht bezogen):

	Sorte	12	21
	11		99,5%
40 Zirkon (Minimum)		99,5%
Zirkon + Hafnium	99,5%
(Minimum)
Verunreinigungen
45 (Maximum):		0,05%	0,17%
Eisen + Chrom	0,2%	0,01%	0,007%
Stickstoff	0,01%		0,02%
Hafnium		150	150
50 Brinell-Härte	165
(Maximum)

Die Sortenbezeichnungen in der vorstehenden Tabelle sind diejenigen der Carborundum Metals Company. Die Sorten 11 und 12 sind für die üblichen Anwendungszwecke bestimmt und enthalten geringe Mengen Hafnium, wie sie normalerweise in Zirkoniumerzen enthalten sind, und unterscheiden sich Iediglich in der Reinheit voneinander. Die Sorte 21 entspricht im großen und ganzen der Sorte 11, doch wurde hierbei das Hafnium für Anwendung in der Kernphysik entfernt. Die Verwendung dieser teuereren Sorte für das erfindungsgemäße Verfahren bringt jedoch keine Vorteile mit sich. Außer der im Beispiel verwendeten Legierung können auch die folgenden Legierungen verwendet werden (die Prozentzahlen beziehen sich auf das Gewicht):

Kontaktstufe mit dem Alkylolamin aus der ersten Kon- Leitung 4 und des Ventils 5, wie sie in der Zeichnung

taktstufe in Berührung bringt und das Ammoniak ab- dargestellt sind, sind aus handelsüblichem Zirkonium

trennt, aus dem kohlendioxid-angereicherten Alkylol- hergestellt, das die nachstehenden Metalle als Legie-

amin in einer dritten Stufe das Kohlendioxid durch rungsbestandteile in den in Gewichtsprozent angegebe-

Erhitzen freisetzt und abzieht und das aus der ersten 5 nen Mengen enthält: Chrom 0,1%; Zinn 1,5%; Eisen

und zweiten Kontaktstufe abgezogene Ammoniak ver- 0,14 % und Nickel 0,06 %. Kohlendioxid hoher Rein-

flüssigt und zurückführt. heit wird durch die Leitung 2 in die Reaktionsvorrich-

Gemäß einer bevorzugten Ausfiihrungsform der Er- tung 1 eingeführt, und zwar in einer Menge von findung leitet man das von der dritten Stufe abgezogene 7295 kg pro Stunde. Flüssiges Ammoniak wird in Kohlendioxidgas und den Wasserdampf zu einer Koh- 10 einem größeren Überschuß über die stöchiometrische lendioxidtrennstufe, in der das Kohlendioxid vom Menge, d. h. mit 11 274 kg pro Stunde, durch die Lei-Wasserdampf getrennt wird, und dann wird das Koh- tung 3 der Reaktionsvorrichtung 1 zugepumpt. Der lendioxid aus dieser Trennstufe entfernt und wieder in Druck in der Reaktionsvorrichtung 1 beträgt etwa die Harnstoff-Synthesezone zurückgeführt. 275 Atmosphären bei einer Temperatur von etwa

Vorzugsweise wird die zweite Kontaktstufe in einer 15 205° C. Die Umwandlung zu Harnstoff beläuft sich Kombination von Absorbierungs- und »Stripping«- dabei, bezogen auf die Menge des in die Reaktionsvor-Vorrichtung durchgeführt, und ein zweiter Strom richtung 1 eingeführten Kohlendioxids, auf etwa 76 % eines gasförmigen Gemisches, das Ammoniak und pro Durchgang. Das Produkt fließt aus der Reaktions-Kohlendioxid enthält, wird ebenfalls in die zweite vorrichtung 1 durch die Leitung 4 zum Druckentspan-Kontaktstufe eingeführt, in der dann das Kohlen- 20 nungsventil 5, das den Druck auf etwa 16 Atmosphären dioxid aus dem zweiten Strom absorbiert wird. senkt, und dann durch die Leitung 7 zum ersten dampf -

Beide Ströme können Wasserdampf bis zur Sätti- erhitzten Wärmetauscher 6. Im Wärmetauscher 6 zer-

gung enthalten. Vorzugsweise beträgt jedoch das mo- fällt das Carbamat bei verringertem Druck in Kohlen-

lare Verhältnis des Wassers zur Gesamtmolzahl von dioxid und Ammoniak. Der Produktstrom verläßt den

Ammoniak und Kohlendioxid im ersten Strom nicht 25 Wärmetauscher 6 durch die Leitung 8 und gelangt in

mehr als etwa 0,25:1 und im zweiten Strom nicht den Abscheider 9, in dem die Gase abgetrennt und

mehr als etwa 2:1. das restliche Carbamat zersetzt wird. Aus dem Ab-

Für das oben beschriebene und das erfindungsge- scheider 9 gelangt der Strom aus rohem Harnstoff

mäße Verfahren geeignete Alkylolamine sind z. B. durch die Leitung 10 zur dampferhitzten Konzentrie-

Mono-, Di- und Triäthanolamin oder Propanolamin, 30 rungsanlage 11, in der die restlichen Gase zusammen

und diese werden zweckmäßig in einem flüssigen Ge- mit einem Teil des bei der Umsetzung entstandenen

misch angewandt, das mindestens 50 Gewichtsprozent Wassers abgezogen werden. Diese rohe Harnstoff-

an dem Alkylolamin enthält. Als besonders vorteilhaft lösung, die 7560 kg/h Harnstoff und 1660 kg/h Wasser

hat sich die Verwendung von Monoäthanolamin er- enthält, wird durch die Leitung 12 aus der Konzen-

wiesen. 35 trierungsanlage 11 abgezogen und dann einer weiteren

Bei dem in der obenerwähnten USA.-Patentschrift nicht gezeigten Behandlung unterzogen, wie z. B.

27 27 069 beschriebenen Verfahren, bei dem die Ober- einem »Prilling«-Verfahren oder einer Reinigung durch

fläche der Vorrichtung aus Chrom-Nickel-Stahl be- Kristallisation aus Wasser.

steht, muß die Synthese in Anwesenheit von 0,1 bis Vom Abscheider 9 wird über Kopf durch die Lei-

3,0 Volumprozent Sauerstoff, bezogen auf die 40 tung 13 ein Gasstrom mit einer Temperatur von etwa

Menge des angewandten Kohlendioxids, durch- 115 bis 138°C und einem Druck von etwa 16,1 kg/cm²

geführt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Ver- (absolut) abgezogen und zu dem unteren Teil der

fahren ergeben sich nun eine Reihe von Vorteilen, Hochdruckabsorptionsapparatur 14 geleitet. Dieser

weil hierbei kein Sauerstoff zu dem Reaktionsgemisch Gasstrom besteht aus 6786 kg/h Ammoniak, 1488 kg/h

zugegeben werden muß. Einer dieser Vorteile ist z. B. 45 Kohlendioxid und 152 kg/h Wasserdampf. In der Ab-

die wirksamere Ausnutzung des Volumens von Korn- sorptionsvornchtung 14 werden die durch die Leitung

pressor und Reaktionsvorrichtung. Ein weiterer Vor- 13 eingeführten Gase mit einem Flüssigkeitsstrom aus

teil ist, daß erfindungsgemäß höhere Reaktionstempe- 13 570 kg/h Monoäthanolamin, 64,9 kg/h Wasser und

raturen angewendet werden können, d. h. etwa 193 bis 49 kg/h Kohlendioxid im Gegenstrom in Berührung

232⁰C, ohne daß dabei eine unangenehme Korrosion 50 gebracht, der durch die Leitung 15 in den oberen Teil

stattfindet, jedoch höhere Reaktionsgeschwindigkeiten der Absorptionsvorrichtung 14 eingeführt wird. Ferner

und höhere Umwandlungsraten erreicht werden. wird am oberen Ende der Absorptionsvorrichtung 14

Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn das Ammoniak durch die Leitung 16 flüssiges Ammoniak bei 35° C

und das Kohlendioxid vor der Rückführung aus den in einer Menge von 1328 kg/h eingeführt und über

bei der Ammoniumcarbamatersetzung entstehenden 55 Kopf durch die Leitung 17 Ammoniak von 4O⁰C und

Abgasen durch ein Alkylolamin-Absorptionsmittel, bei einem Druck von 15,85 kg/cm² (absolut) in einer

z. B. Mono-, Di- und Triäthanolamin oder Propanol- Menge von 6621 kg/h abgezogen,

amin, abgetrennt werden, da sich gezeigt hat, daß das Das Bodenprodukt aus der Absorptionsvorrichtung

Vorhandensein von Sauerstoff in derartigen Trenn- 14 wird durch die Leitung 18 zu Niederdruckabsorp-

systemen zur Zersetzung des als Absorptionsmittel ver- 60 tionsvorrichtung 19 geleitet. Dieser Strom hat eine

wendeten Alkylolamins beiträgt. Temperatur von 135°C und besteht aus 13 570 kg/h

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungs- Monoäthanolamin, 217 kg/h Wasser, 1493 kg/h Am-

gemäßen Verfahrens wird im nachstehenden Beispiel moniak und 1537 kg/h Kohlendioxid. In den oberen

in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Teil der Absorptionsvorrichtung 19 wird durch die

. . 65 Leitung 15a ein Strom aus 5344 kg/h Monoäthanol-

öeisp 1 el _{amirl; 258 kg/h Wasser und 191 kg/h} Kohlendioxid

Die mit dem Reaktionsgemisch in Berührung korn- eingeführt. In den unteren Teil der Absorptionsvormenden Oberflächen der Reaktionsvorrichtung 1, der richtung 19 wird durch die von der Konzentrierungs-

	14 43	601	41
	Sorte		ATR
	32	34
	»Zircaloy-2«	»Zircaloy-4«
Zinn	1,5	1,5
Eisen	0,14	0,21
Chrom	0,10	0,10	0,5
Nickel	0,05		0,5
Kupfer
Molybdän

Die in der obigen Tabelle aufgeführten Legierungen werden von der Firma Westinghouse hergestellt und wurden für die Verwendung in unter Wasserdruck stehenden Kernreaktoren entwickelt. Sorte 41 ist für die Verwendung in gasgekühlten Kernreaktoren bestimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Harnstoff durch Umsetzung von Ammoniak mit Kohlendioxid in einem molaren Verhältnis von mindestens 2:1 bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck, Zersetzung des entstandenen Ammoniumcarbamats in zwei Stufen zu Harnstoff und Wasser, Adsorption des Kohlendioxids mit Hilfe eines Alkanolamine und Gewinnung und Rückführung des Kohlendioxids sowie Gewinnung und Rückführung des überschüssigen verflüssigten Ammoniaks, dadurch gekennzeichnet, daß man ein erstes im wesentlichen aus Ammoniak, Kohlendioxid und Wasserdampf mit einem molaren Verhältnis von Ammoniak zu Kohlendioxid zwischen 20: 1 und 2:1 bestehendes Gasgemisch bei einem Druck zwischen etwa 5 und etwa 20 kg/cm² und auch den Harnstoff abtrennt, wobei die Oberflächen der Vorrichtung, die mit der Ammoniumcarbamatschmelze in Berührung kommen, aus Zirkonium bestehen, das gegebenenfalls mit iS 6% anderer Metalle legiert sein kann, dann dem ersten gasförmigen Strom in üblicher Weise mit Hilfe eines flüssigen Alkylolamins in einer ersten Hochdruckabsorptionsvorrichtung das gesamte Kohlendioxid und Wasser absorptiv entzieht, während man zur Vermeidung einer übermäßigen Zersetzung des Alkylolamins flüssige.¹; Ammoniak einführt, nun das mit Kohlendioxid, Wasser und Ammoniak angereicherte Alkylolamin und einen zweiten Gasstrom, in dem das molare Verhältnis von Ammoniak zu Kohlendioxid zwischen 10: 1 und 1:1 liegt, aus der ersten Hochdruckabsorptionsvorrichtung abzieht und einer zweiten, auf einem Druck zwischen etwa 1 und 3,5 kg/cm² gehaltenen Kontaktstufe, in die flüssiges Ammoniak eingeführt wird, zuführt, den zweiten Gasstrom in dieser Kontaktstufe mit dem Alkylolamin aus der ersten Kontaktstufe in Berührung bringt und das Ammoniak abtrennt, aus dem kohlendioxid-angereicherten Alkylolamin in einer dritten Stufe das Kohlendioxid durch Erhitzen freisetzt und abzieht und das aus der ersten und zweiten Kontaktstufe abgezogene Ammoniak verflüssigt und zurückführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das von der dritten Stufe abgezogene Kohlendioxidgas und den Wasserdampf zu einer Kohlendioxidtrennstufe leitet, in der das Kohlendioxid vom Wasserdampf getrennt wird und dann das Kohlendioxid aus dieser Trennstufe entfernt und wieder in die Harnstoff-Synthesezone zurückführt.