ITMI962152A1 - Procedimento per la sintesi di urea da anidride carbonica e ammoniaca - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione avente per titolo

“PROCEDIMENTO PER LA SINTESI DI UREA DA ANIDRIDE CARBONICA ED AMMONIACA”

La presente invenzione concerne un procedimento perfezionato per la produzione di urea da ammoniaca ed anidride carbonica. Più particolarmente la presente invenzione è diretta ad un processo per la produzione di urea nei quale il carbammato, ottenuto come sottoprodotto della sintesi, viene decomposto mediante stripping con ammoniaca allo scopo di recuperare l’urea e riciclare alla sintesi i gas ottenuti nella sezione di stripping.

E’ noto che i processi di produzione di urea attualmente in uso prevedono a valle del reattore di sintesi una sezione di decomposizione del carbammato allo scopo di ottenere una soluzione di urea, che viene eventualmente inviata ad altri stadi di - purificazione, ed una miscela di gas di stripping costituiti da ammoniaca ed anidride carbonica ed acqua che sono riciclati alla sintesi. In questi processi la decomposizione del carbammato viene provocata dalla reazione (o stripping) con uno dei reagenti, (ammoniaca o anidride carbonica) oppure, più recentemente dallo stripping in serie con ambedue i reagenti. In questi processi è stato suggerito di eseguire la reazione di sintesi e lo stripping sostanzialmente alla stessa pressione per evitare di dover pompare la miscela dei gas, provenienti dallo stripping e ricondensati sotto forma di carbammato, alla sezione di sintesi di urea.

Si pensava infatti che operando in condizioni isobare si ricavasse un doppio beneficio: da un lato si aveva un risparmio energetico e dall’altro si evitava l’uso di pompe per far circolare un liquido corrosivo come il carbammato.

D’altra parte l’esecuzione della reazione di sintesi in condizioni isobare rispetto allo stripping presentava l’inconveniente che per mantenere la stessa pressione nella sintesi il rapporto tra ammoniaca ed anidride carbonica non poteva superare certi valori, determinando cosi una diminuzione della resa che, come è noto, è tanto maggiore quanto più alto è detto rapporto.

E’ stato ora trovato, e ciò costituisce un oggetto della presente invenzione, che è possibile ottenere urea per sintesi da anidride carbonica ed ammoniaca con elevate rese e con conseguente risparmio energetico mediante un processo nel quale la sezione di sintesi opera ad una pressione più elevata di quella esistente nella zona di stripping. In particolare secondo il processo della presente invenzione la reazione di sintesi di urea viene condotta con un rapporto molare fra ammoniaca e anidride carbonica compreso tra 4 e 5, ad una pressione compresa tra 180 e 250.10<2>KPa (180 - 250. 10<2 >KPa) e ad una temperatura compresa tra 170 e 250°C; la sezione di stripping opera con ammoniaca ad una pressione compresa tra 110 e 160 . 10<2 >KPa.

Con il processo della presente invenzione la conversione in urea è superiore al 70%, mentre nei normali processi isobari noti nella tecnica la conversione in urea non raggiunge il 65%. Questa maggiore resa di conversione, ottenibile secondo il processo della presente invenzione, e la conseguente riduzione della quantità di carbammalo da decomporre e riciclare, compensa ampiamente, come si vedrà nel seguito, l’inconveniente derivato dal dover pompare la soluzione di carbammato dalla sezione di stripping e dì condensazone al reattore di sintesi dell’urea. C’è infatti da tenere presente che le pompe centrifughe utilizzabili attualmente per il riciclo del carbammato sono ormai completamente affidabili e non presentano gli inconvenienti di scarsa affidabilità che si temevano in passato quando venivano utilizzate pompe alternative.

La conversione elevata ottenuta nel processo della presente invenzione permette di avere un ridotto consumo di vapore per la decomposizione del carbammato rispetto al consumo dei processi isobari. Inoltre l’effettuazione dello stadio di stripping con ammoniaca a pressioni nettamente più basse di quelle di sintesi, ed anche più basse di quelle normalmente praticate nello stripping dei processi isobari, favorisce la decomposizione del carbammato lasciando nella soluzione concentrazioni di carbammato solo di pochi percento e riduce, quindi, l’onerosità dei trattamenti a valle dello stadio di stripping.

Il processo della presente invenzione può essere quindi cosi schematizzato.

La sintesi dell’urea viene condotta come sopra detto ad una pressione compresa tra 180.10<3 >KPa e 250. 10<2 >KPa, mentre Io stripping con ammonìaca viene eseguito ad una pressione compresa tra 110. IO<2 >e 160.10<2 >KPa.

I vapori provenienti dallo stadio di stripping vengono misedati con una soluzione liquida di carbammato proveniente dalla sezione di decomposizione del carbammato a valle dello stadio di sintesi, del tipo noto nella tecnica, che opera ad una pressione generalmente inferiore o uguale a 22.10<2 >KPa

La miscela bifase cosi ottenuta viene fatta condensare completamente in una sezione detta di condensazione del carbammato operando sostanzialmente alla stessa pressione della sezione di stripping e il carbammato liquido risultante viene riciclato con una pompa alla zona di sintesi.

H calore di condensazione del carbammato viene in parte direttamente impiegato per fornire il calore di decomposizione del carbammato residuo ancora presente nella soluzione di urea che esce dalla sezione di stripping mentre il calore di condensazione del carbammato decomposto, in questo ultimo stadio può essere utilizzato per la produzione di vapore.

I processo di produzione di urea della presente invenzione è particolarmente adatto alla integrazione con un processo di sintesi di melammina a partire da urea. Infatti il processo di produzione di melammina da urea fornisce come sottoprodotti ammoniaca, acqua e anidride carbonica che vengono condensati ottenendo una soluzione acquosa di carbammato che deve essere rimandata alla sezione di sintesi dell'urea. Secondo il processo della presente invenzione è possibile riddare tale soluzione di carbammato senza inviare l’acqua in essa contenuta al reattore di sintesi dell’urea. Infatti, come si vedrà nella descrizione dettagliata fornita qui di seguito, la soluzione acquosa di carbammato viene unita al materiale che viene inviato alla sezione di stripping e quindi i vapori ottenuti vengono inviati dopo condensazione alla sintesi, mentre l’acqua resta nella soluzione di urea.

A titolo esemplificativo e non limitativo della presente invenzione riportiamo un esempio di realizzazione del processo di sintesi di urea. Per maggior chiarezza la descrizione del processo viene fatta con riferimento alla figura allegata nella quale è riportato uno schema a blocchi dell’impianto utilizzabile nella presente invenzione.

La CO proveniente dai limiti di batteria dell’impianto viene compressa alla pressione di 230. 10<3 >KPa nel compressore 1 ed inviata al fondo del reattore di sintesi dell’urea 2. Al fondo del reattore 2 entrano sia il carbammato di riciclo, mediante la pompa 3, sia l ammoniaca proveniente dalla pompa 4 e preriscaldata alla temperatura di 90°C nel preriscaldatore 5. Il reattore opera ad una pressione di testa di 226. IO2 KPa ed una temperatura di 195°C con una resa di conversione della CO del 73%.

In testa al reattore 2 si ha una fase liquida contenente l’urea sintetizzata, il carbammato residuo, l’ammoniaca in eccesso e l’acqua di sintesi generata dalla disidratazione del carbammato ad urea, ed una fase di vapore contenente i gas inerti presenti nella C02, l’aria di passivazione satura di ammoniaca, C02 ed acqua.

La soluzione liquida viene scaricata dal reattore 2 attraverso la valvola 6 mediante la quale la pressione viene ridotta a 130. IO2 KPa per entrare nello stripper 7 operante alla pressione di 130. IO2 KPa.

I vapori accumulatisi in testa al reattore vengono scaricati attraverso la valvola 8 ed entrano al fondo dello stripper 7 in modo che l’aria di passivazione, in essi contenuta, produca la sua azione anticorrosiva anche nello stripper 7:

La soluzione che entra in testa allo stripper di tipo a film cadente, viene riscaldata fino alla temperatura di 207°C mediante vapore alimentato nel mantello, il quale fornisce il calore necessario per la decomposizione della maggior parte del carbammato uscente dal reattore 2. La soluzione di urea non depurata completamente, attraverso la valvola 9, si espande alla pressione di 18.10<2 >KPa per continuare nella sua depurazione, mentre il vapore uscente dalla testa dello stripper 7 entra in testa al condensatore carbanimato 10 A, attraverso lejettore 12 in cui questi vapori sono intimamente miscelati con la soluzione di cari) animato proveniente dalla pompa 14, dopo essere stato preriscaldato fino alla temperatura di 100°C nel preriscaldatore 13.

La fase mista uscente dall’ejettore 12 entra nei tubi del condensatore 10A dove inizia la condensazione della fase vapore ed il calore di reazione per la formazione del carbammato viene ceduto alla soluzione proveniente dallo stripper per* decomporre ulteriormente il carbammato residuo preriscaldando questa soluzione, che scorre nel mantello, fino ad una temperatura di 165°C, producendo una elevata fase vapore che viene allontanata dalla fase liquida nel separatore 15.

La soluzione accumulatasi nel separatore 15 viene fatta espandere attraverso la valvola 17 fino ad una pressione di 4,5. 10<2 >KPa ed entra nel mantello del condensatore carbammato 10B per ottenere una soluzione alla temperatura di 138°C contenente circa 70% di urea e pochissimo carbammato residuo, che viene raccolta nel separatore 16 dal quale vengono allontanate sia la fase vapore che la fase liquida per continuare il processo di decomposizione.

Il calore di questo stadio di decomposizione viene fornito dalla continuazione della condensazione del carbammato che avviene nei tubi del condensatore carbammato 10B. La soluzione ed il vapore escono dal fondo del condensatore 10B e terminano la loro totale condensazione nel condensatore carbammato 11 ed entrano infine nel separatore 18 da cui il carbammato, mediante la pompa 3, viene riciclato al reattore 2, mentre i gas inerti saturi di ammoniaca, CO ed acqua, attraverso la valvola 19, vengono iniettati nella soluzione di urea che esce dalla valvola 9 in modo da usare Paria in essi contenuta come agente passivante del mantello del condensatore carbammato 10 A.

Il calore di condensatone finale del carbammato viene usato per produrre vapore alla pressione di 4,5.10<2 >KPa da usare nella sezione di concentrazione sotto vuoto della soluzione urea.

La soluzione di urea accumulata nel separatore 16 viene fatta espandere attraverso la valvola 20 alla pressione di 0,3. 10<2 >KPa ed entra net fondo dell’evaporatore 21 A per ottenere una soluzione ad una concentrazione dell’ 85%, ed il calore per raggiungere questo valore è fornito dalla condensazione dei vapori provenienti dal separatore 15 che vengono miscelati con la soluzione proveniente dalla pompa 26.

La soluzione di urea entra nell’evaporatore 21B, riscaldato con vapore alla pressione di 4,5. 10<2 >KPa, per raggiungere la concentrazione del 95% ed una temperatura di 130°C. Infine la soluzione entra nel separatore 22 dove la fase vapore viene inviata al primo sistema sotto vuoto 28, mentre la soluzione di urea viene inviata al concentratore finale 23 che opera ad una pressione di 0,03.10<2 >KPa ed una temperatura di 140°C per ottenere urea praticamente pura ad una concentrazione del 99,7%. il calore per raggiungere questa concentrazione viene fornito dal vapore a 4,5.10<2 >KPa che si condensa nel lato mantello. L’urea uscente dal concentratore 23 entra nel separatore 24 dal quale la fase vapore viene inviata al secondo gruppo del vuoto 29, mentre l’urea fusa per mezzo della pompa 30 viene inviata in testa alla torre di prilling 31 dove viene sprezzata per ottenere il prodotto finito sotto forma di perline.

L’urea fusa cadendo lungo la torre di prilling si solidifica mediante il raffreddamento con l'aria che sale nella torre.

L’urea fusa contiene una piccola quantità di ammoniaca libera, che passando nell’aria, causerebbe un inquinamento quando questa entra nell’atmosfera.

Per ridurre il contenuto di ammoniaca libera sulla mandata della pompa 30 viene iniettata nell’urea fusa della CO2 38 che reagendo con l’ammoniaca produce carbammato abbassando così il livello di emissione dalla testa della torre 31.

Il fluido bifase uscente dal mantello dell’evaporatore 21 A viene inviato nel preriscaldatore ammoniaca 5 per essere ulteriormente condensato ed infine entra sul fondo della colonna 32 in cui si forma una fase liquida di carbammato sul fondo mentre dalla testa esce ammoniaca pura in fase vapore.

Il calore di formazione del carbammato viene asportato mediante il riflusso di ammoniaca pura entrante in testa alla colonna 32.

Il carbammato di fondo, mediante la pompa 14, entra nel preriscaldatore 13 in cui il calore di preriscaldamento viene fornito dal vapore uscente dalla testa del separatore 16, quindi la fase mista viene inviata al condensatore finale 25 unitamente alla soluzione di carbammato 39 proveniente dalla sezione di trattamento delle condense di processo non rappresentato nello schema.

I carbammato uscente dal condensatore 25 viene raccolto nel serbatoio 27 da cui il carbammato viene riciclato mediante la pompa 26 come precedentemente descritto.

L’ammoniaca in fase vapore uscente dalla testa della colonna 32 entra nel condensatore 33 dove l ammoniaca viene condensata e raccolta nel serbatoio 34 dal quale viene prelevata dalla pompa 35 che invia l’ammoniaca sia in testa alla colonna 31, come riflusso, sia alla pompa 4 che manderà l’ammoniaca al reattore 2 dopo essere stata preriscaldata nello scambiatore 5.

I gas inerti che si accumulano nel . serbatoio 34 sono saturi di ammoniaca alla temperatura di 43 °C ed una pressione di 18. 10<2 >KPa e prima di essere scaricati all’aria devono essere lavati nella colonna 36 con ammoniaca fresca 40 proveniente dal limite di batteria, generalmente ad una temperatura di -34°C per ridurre il contenuto di ammoniaca al minimo possibile. Dopo aver descritto il processo nel suo insieme è importante citare il caso in cui a valle dell’impianto urea opera un impianto melammina.

E’ noto che rimpianto melammina produce una certa quantità di vapori d NH, C02, H20 che vengono condensati nel’impianto di melammina stesso, mentre il carbammato liquido ottenuto deve essere riciclato all’impianto urea per essere ritrasformato in urea.

Per evitare di alimentare l’acqua di questo carbammato di riciclo al reattore urea, è bene che il riciclo del carbammato, attraverso la linea 37, venga unito alla soluzione di urea che esce dal reattore 2 dopo la valvola di espansione 6 e venga unitamente ad essa inviato allo stripper 7.

In questo modo solo circa il 10% dell’acqua entrante con questo riciclo esce con il vapore dalla testa dello stripper 7 e ricicla al reattore, mentre il rimanente 90% viene scaricato dal fondo dello stripper 7 ed eliminato insieme alla soluzione di urea che passa attraverso le fasi di concentrandone successive come descritto in precedenza.

A chiarimento del processo diamo ora un esempio numerico.

ESEMPIO

Per l’esecuzione dell’esempio numerico ci riferiamo ad un impianto urea avente una capacità nominale di 1000 t/d.

Il reattore opera nelle condizioni seguenti:

Rapporti molari:

Temperatura: 199°C pressione 198. 10<2 >KPa

In queste condizioni la resa del reattore è del 71,5% e la composizione della soluzione è la seguente:

l carbammato contenuto nella soluzione è 21634 kg/h.

Un reattore che opera in un processo di strìpping isobarico ha le seguenti condizioni:

Rapporti molari: NH3/CO2 - 3,5 H2O/CO2 = 0,5

Temperatura: 189°C pressione 145. 10<2 >KPa

In queste condizioni la resa del reattore è del 64,3% e la composizione della soluzione è la seguente;

I carbammato contenuto nella soluzione è 30078 kg/h.

Come si può notare nel caso di un processo di strìpping isobarico il carbammato da decomporre è 8444 kg/h in più (pari al 39%) con un consumo energetico di 6249000 kcal/h in più. Supponendo di usare nei decompositorì vapore saturo alla pressione di 23. 10<2 >KPa assoluti il consumo è di 14013 kg/h in più, pari a 336 kg per ogni tonnellata di urea prodotta.

La soluzione uscente dal reattore alla pressione di 199. 10<2 >KPa viene fatta espandere alla pressione di 135. 10<2 >KPa ed inviata allo stripper che opera ad una temperatura di 205°C, e la soluzione purificata ha la composizione seguente:

I consumo di vapore a 23.10<2 >KPa saturo è di 11288 kg/h pari a 271 kg/ton di urea.

La soluzione uscente dallo strìpper viene espansa alla pressione di 18.10<2 >KPa ed inviata nel mantello del condensatore carbanimato 10A dove viene riscaldata fino alla temperatura di 160°C, per decomporre il carhammato residuo, ottenendo la soluzione seguente:.

Il calore necessario alla decomposizione del carhammato è di 2967000 kcal/h e viene fornito dalla condensatone dei vapori provenienti dallo strìpper.

La soluzione proveniente dallo stadio di decomposizione a 18.10<2 >KPa si espande fino alla pressione di 4,5.10<2 >KPa ed é inviata nel mantello del condensatore carhammato 10B, dove viene riscaldata fino alla temperatura di 138°C per decompone il carhammato residuo, ottenendo la soluzione seguente:

Il calore necessario alla decomposizione del carbammato è di 1934000 kcal/h e viene fornito dalla condensazione dei vapori provenienti dallo strìpper.

I vapori provenienti dallo strìpper uniti alla soluzione di carbammato proveniente dalla sezione a 18. IO<2 >KPa vengono condensati ad una pressione di 134. IO<2 >KPa ed una temperatura di 156°C cedendo una quantità di calore di 7255000 kcal/h.

Poiché come si è visto la.quantità di calore necessario per i due decompositorì è di 4901000 kcal/h, la quantità di calore residuo pari a 2353000 kcal/h si utilizza nel condensatore carbammato finale 11 per produne vapore saturo a 4,5.10<2 >KPa nella quantità di 4624 kg/h corrispondenti a 111 kg/ton di urea, che può essere usato nella sezione di concentrazione sotto vuoto dell'urea.

I vapori provenienti dalla decomposizione a 18 bar uscenti dal separatore 15 vengono fatti condensare nel mantello dell’evaporatore 21 A in cui la soluzione di urea viene concentrata fino al 85% in peso.

I calore ceduto dai vapori condensanti è di circa 4250000 kcal/h mentre il rimanente calore necessario per ottenere la soluzione di urea ad una concentrazione del 95% in peso, pari a 2709000 kcal/h viene fornito dal vapore.

Si può concludere che il processo secondo la presente invenzione che opera con sezione di stripping a pressione inferiore, ha un consumo di vapore totale di circa 470 kg/ton di urea prodotta, contro il consumo dei processi di stripping attuali di circa 700 kg/ton di urea;

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la produzione di urea per sintesi da anidride carbonica ed ammoniaca con elevate rese con un processo che comporta una sezione di reazione dell’urea ed una sezione di stripping con ammoniaca del carbammato ottenuto come sottoprodotto, caratterizzato dal fatto che la sezione di sintesi opera ad una pressione più elevata di quella esistente nella zona di stripping.
2. 2. Procedimento per la produzione di urea come da rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che la reazione di sintesi di urea viene condotta con un rapporto molare fra ammoniaca e anidride carbonica compreso tra 4 e 5, ad una pressione compresa tra 180 e 250.10<2 >KPa e ad una temperatura compresa tra 170 e 250°C e la sezione di stripping opera con ammoniaca ad una pressione compresa tra 110 e 160.10<2>Kpa.
3. 3. Prodedimento per la sintesi di urea secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che i vapori provenienti dallo stadio di stripping vengono miscelati con una soluzione liquida di carbammato proveniente dalla sezione di decomposizione del carbammato a valle dello stadio di sintesi, del tipo noto nelle tecnica, che opera ad una pressione generalmente inferiore o uguale a 22.10<2 >KPa e che la miscela bifase cosi ottenuta viene fatta condensare completamente in una sezione detta di condensazione del carbammato che opera sostanzialmente alla stessa pressione della sezione di stripping e il carbammato liquido risultante viene riciclato con una pompa alla zona di sintesi.
4. 4. Procedimento per la produzione di urea secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che il calore di condensazione del carbammato viene in parte direttamente impiegato per fornire il calore di decomposizione del carbammato residuo ancora presente nella soluzione di urea che esce dalla sezione di stripping mentre il calore di condensazione del carbammato decomposto in questo ultimo stadio può essere utilizzato per la produzione di vapore.
5. 5. Procedimento per la produzione di urea secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che una parte dell’ammoniaca e dell’anidride carbonica utilizzati come reagenti provengono come sottoprodotti da un impianto di produzione di melammina integrato con il procedimento di produzione di urea e vengono alimentati, sotto forma di soluzione acquosa di carbammalo alla sezione di stripping del carbammato.
6. 6. Procedimento secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal latto che l’urea ottenuta, inviata allo stato fuso ad una torre di prilling per la successiva solidificazione in perle per contatto con l’aria, viene preventivamente addizionata di una quantità di anidride carbonica per ridurre il contenuto di ammoniaca libera e la sua dispersione nell’atmosfera.