NO126224B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte ved fremstilling av urea

fra ammoniakk og carbondioxyd.

Foreliggende oppfinnelse angår fremstilling av urea ved syn-tese fra ammoniakk og carbondioxyd etter en forbedret fremgangsmåte som har som formål å redusere til et minimum behovet for tilførsel av energi utenfra, såsom damp og/eller elektrisk kraft.

I alle kjente prosesser starter syntesen av urea fra NH^og C02, som tilføres syntesereaktoren i støkiometrisk eller ikke støkiometrisk mengdeforhold, idet man utnytter dehydratiserings-likevekten for overføring av ammoniumcarbamat til urea og vann. Denne likevekt påvirkes av reaktorens driftsbetingelser (temperaturen, trykket og mengdeforholdene NH.j/C02og H20/C02 i tilførselen). Blandingen som forlater reaktoren, inneholder derfor alltid, i mengdeforhold som avhenger av likevekten, urea, vann, ammoniumcarbamat og overskudd av den reaktant som eventuelt er tilført

reaktoren i mengder utover den støkiometriske mengde.

Disponeringen av reaktanter - frie eller i form av carbamat - som inneholdes i blandingen som forlater reaktoren (utenfor prosessen for annen fremstilling eller i reaktoren som tilbakeløp), inndeler prosessene i de med åpen syklus, de med partielt tilbake-løp og de med totalt tilbakeløp. Når minst 95% av den ammoniakk som tilføres anlegget, omdannes til urea, blir prosessen vanligvis betegnet som prosess med totalt tilbakeløp.

I prosessene med totalt tilbakeløp tilføres derfor ammoniakk og carbondioxyd i hovedsakelig støkiometrisk mengdeforhold. Når reaktorens driftstemperatur og driftstrykk er fastsatt, avhenger mengden av tilbakeløpsblanding av denne blandings sammensetning og kan derfor fastsettes relativt vilkårlig innenfor temmelig vide grenser som hovedsakelig settes av den apparatur som anvendes for resirkuler-ingen .

Fraskillelsen av tilbakeløpsblandingen fra urea (som sammen med reaksjonsvannet forlater synteseanlegget) utføres alltid ved av-destillering av de frie komponenter og spaltning av carbamatet ved på hverandre følgende varmetilsetninger som utføres i flere trinn ved trykk som gradvis reduseres fra syntesetrykket og ned mot atmosfære-trykk.

De metoder og apparaturer som anvendes for resirkulering av

den således erholdte tilbakeløpsblanding til reaktoren, har i lang tid utgjort den vesentligste forskjell mellom de forskjellige fore-slåtte prosesser. Som følge av de vanskeligheter som er forbundet med resirkulering av en gassfase såvel som med resirkulering av en fast

fase eller en suspensjon, gjør alle nyere prosesser bruk av resirkulering av en væskefase, idet væskefasen oppnås ved at man kondenserer tilbakeløpsblandingen (med ny dannelse av carbamat) ved bortskaffelse av varme i ett eller flere trinn, under anvendelse av passende trykk og temperaturer.

Det synes åpenbart at en reduksjon av behovet for elektrisk energi og varmeenergi kan oppnås ved at man reduserer strømmen av tilbakeløpsblanding ved å øke NH^-innholdet og/eller å redusere vanninnholdet i blandingen, mens en reduksjon av behovet for varmeenergi såvel som for kjølevann kan oppnås ved at man anvender tilbakeløps-blandingens kondensasjonsvarme, eller en del av denne, i ett eller flere trinn av inndampningen av blandingen.

De to ovennevnte metoder kan anvendes sammen eller separat som angitt i de nedenfor beskrevne utførelsesformer, idet spesielt det første inndampningstrinn og det første kondensasjonstrinn er berørt: 1. Inndampningen og kondensasjonen i det første trinn finner sted ved samme trykk som er betydelig lavere enn synteset rykket, f.eks. 5o ata mot 200 ata, og i alle fall slik at spaltning av carbamatet kan finne sted i likevekt med dets egne gasser. Kondensasjonen finner sted ved forholdsvis lav temperatur, idet den nedre grense er krystallisasjonstemperaturen for tilbakeløpsblandingen. Følgelig kan kondensasjonsvarmen ikke gjenvinnes og utnyttes på hensiktsmessig måte. En minskning av tilbakeløpet ved en prosentvis økning av NH^-innholdet og reduksjon av vanninnholdet begrenses av tilbakeløpsblandingens damptrykk ved kondensasjonstemperaturen, hvilket ikke må overskride det trykk som kan tillates for inndampningen i det første trinn. En kompressor mellom inndamperen og kondensatoren er ikke nødvendig, mens en pumpe mellom kondensatoren og reaktoren er nødvendig. 2. Samme som i tilfelle 1, med den forskjell at tilbakeløps-strømmen deles i to parallelle strømmer av hvilke den ene består ute-lukkende av ammoniakk. Dette muliggjør en minskning av den totale mengde tilbakeløp uten at trykket økes i inndamperen og i kondensatoren i det første trinn, men medfører nødvendigheten av å ta i bruk ytterligere apparaturenheter for separasjon, kondensasjon og pumping av den resirkulerte ammoniakk.

3- Samme som i tilfelle 1, med den forskjell at kondensasjonen finner sted ved en temperatur som er så meget høyere at det er mulig å bruke den frigjorte varme, eller en del av denne, ved direkte varmeutveksling med inndamperen i det annet eller tredje trinn. Dette medfører bånd av forskjellig art mellom driftsbetingelsene ved de forskjellige tilbakeløpstrinn, hvilket delvis reduserer fordelen ved varmegjenvinningen. Spesielt blir reduksjonen av tilbakeløps-strømmen tildels meget mer begrenset enn i tilfelle 1 på grunn av den høyere kondensasjonstemperatur.

4- Inndampningen i det første trinn finner på samme måte som

i tilfelle 1 sted ved et trykk som er betydelig lavere enn syntesetrykket og på en slik måte at spaltningen av carbamatet kan finne sted i likevekt med dets egne gasser, mens kondensasjonen finner sted ved syntesetrykket og ved en så høy temperatur at all den frigjorte varme kan anvendes for produksjon av damp, som kan anvendes

i anlegget eller for andre formål. Følgelig er det nødvendig med en kompressor mellom inndamperen og kondensatoren, mens en pumpe mellom kondensatoren og reaktoren, som kan konstrueres som en enhet, ikke er nødvendig.

Det store behov for energi tilført utenfra til kompressoren reduserer i stor utstrekning fordelen ved høyt utbytte og god gjenvinning av varme.

5.Inndampningen og kondensasjonen i det første trinn finner sted ved samme trykk, som hovedsakelig er lik syntesetrykket, mens kondensasjonen finner sted ved en så høy temperatur at det er mulig

å anvende den frigjorte varmemengde for produksjon av vanndamp for anvendelse til diverse formål i anlegget, men ikke for inndampningen i det første trinn. Spaltningen av carbamatet, som ikke lar seg

utføre i likevekt med dets egne gasser, krever forskyvning av likevekten ved innføring i inndamperen av en betydelig mengde NH^utenfra, eller alternativt av CO^>som hovedsakelig utgjøres av til-førselsstrømmen av en av de ovennevnte primære reaktanter. Til-bakeløpskompressorer eller pumper mellom inndamper, kondensator og reaktor, som også kan konstrueres som en enkelt enhet, er ikke nød-vendige eller trenger bare å overvinne en liten trykkdifferanse.

En første egenskap som er felles for samtlige av de beskrevne prosesser, er behovet for å komprimere hele mengden av primære reaktanter, ammoniakk og carbondioxyd til syntesetrykket.

En annen egenskap som er felles for samtlige av de beskrevne prosesser, er behovet for å regulere syntesetemperaturen, hovedsakelig av hensyn til likevekten av dehydratiseringen av carbamat til urea, ved tilførsel utenfra eller ved bortskaffelse av varme gjennom egnede varmevekslerflater til eller fra reaktoren eller de . strømmer som tilføres denne, alt etter reaktorens varmebalanse. Denne vil være avhengig av den valgte prosess og de valgte driftsbetingelser. Nevnte varmeveksleroverflater, som underkastes de ugunstige temperatur-, trykk- og korrosjonsbetingelser i reaktoren, blir av stor betydning ved kondensasjonen i tilfellene 4 og 5, hvor gjenvinningen av varme foretas ved syntesetrykket.

En tredje egenskap som er felles for samtlige av de beskrevne prosesser, er nødvendigheten av å utføre kondensasjonen ved syntesetrykk for å oppnå samtidig fordelene ved redusert tilbakeløp og gjenvinning av varme. Dette fører til de ulemper som er nevnt i det første avsnitt, og, i tilfelle 4, til komprimering av de resir-

kulerte gasser.

En første særegenskap ved den forbedrede fremgangsmåte ifølge den foreliggende oppfinnelse er at en betydelig del av carbondioxydet i den primære tilførsel ikke tilføres ved syntesetrykket, men ved et betydelig lavere trykk. Nærmere bestemt tilføres det kondensatoren i det første trinn sammen med den gassformige tilbake-løpsblanding som tas ut fra den respektive inndamper. Denne gass-blanding inneholder et stort overskudd av ammoniakk i forhold til den støkiometriske mengde og reagerer med ovennevnte carbondioxyd-fraksjon av tilførselen, hvorved der dannes carbamat i nevnte kondensator .

En annen særegenskap ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, består i at reguleringen av syntesetemperaturen ikke krever noen varmeutveksling ved reaktorens temperaturnivå, hvorfor reaktoren kan bestå av en enkel beholder, men utføres ved regulering av reaksjonsvarmen som utvikles i reaktoren. Nærmere bestemt utføres den ved at forholdet mellom den mengde carbondioxyd som overføres til urea og den totale mengde carbondioxyd tilstede som tilførsel eller resirkulat er større enn0,6, ved syntesetrykk og -temperatur, og forholdet mellom varme gjenvunnet og varme benyttet i prosessen, beregnet i forhold til prosessens totale varmebehov, er større enn 0,4.

En tredje særegenskap ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen består i at inndampningen og kondensasjonen i det fø"rste trinn finner sted ved samme trykk, som er betydelig lavere enn syntesetrykket og ligger mellom 60 og 120 ata. Dette trykk har vist seg å muliggjøre tilstrekkelig spaltning i inndamperen av ammoniumcarba-matet som sammen .med et passende overskudd avNH^inneholdes i til-bakeløpsblandingen. Dette trykk har videre vist seg å muliggjøre kondensasjon i kondensatoren av en konsentrert oppløsning som inneholder hovedsakelig ammoniumcarbamat og litt vann, og som er erholdt ved tilsetning av tilbakeløpsblandingen inneholdende nevnte overskudd av NHg til C02-fraksjonen av den primære tilførsel som tilføres kondensatoren, hvorved strømmen av tilbakeløpsblanding inneholdende som nevnt meget NH^ og lite H20 følgelig reduseres betydelig. Det har videre vist seg at ved nevnte trykk er det mulig å utføre kondensasjonen av nevnte konsentrerte oppløsning ved en temperatur som er tilstrekkelig høy til å muliggjøre utnyttelse av all varmen for produksjon av damp.Sluttelig har det vist seg at denne produksjon av

ts

damp er tilstrekkelig, både hva mengde og temperatur angår, til å dekke hele anleggets varmebehov (bortsett fra inndampningen i det første trinn men innbefattende inndampningene i det annet og tredje trinn og innbefattet den endelige konsentrering av ureaoppløsning til 99,5%) direkte eller etter termokompresjon ved lavt kompresjonsforhold (fra 1:1 til 1:2), utført ved hjelp av en, ejektor eller ved hjelp av et turbinkompressoranlegg som drives med damp som er generert utenfor prosessen, og som deretter kan anvendes på ny for dekning av varmebehov i anlegget, f.eks. for inndampningen i det første trinn.

En fordel ved den foreliggende fremgangsmåte består i at den muliggjør samtidig reduksjon av strømmen av tilbakeløpsblanding ved økning av NH^-innholdet og reduksjon av P^O-innholdet i blandingen, og gjenvinning av kondensasjonsvarmen fra det første tilbakeløps-trinn pluss en betydelig andel av reaksjonsvarmen ved dannelsen av carbamat ut fra den primære tilførsels cc^-innhold, hvilket mulig-gjør reduksjon til et minimum av behovene for elektrisk kraft og varmekraft samt for kjølevann tilført utenfra.

En annen fordel ved den foreliggende fremgangsmåte består i at den ikke, hverken for regulering av syntesetemperaturen eller for gjenvinning av varme, krever anvendelse av noe varmeutvekslings-apparatur av noen type som utsettes for de ugunstige betingelser med hensyn til temperatur, trykk og korrosjon som hersker i reaktoren. Dette muliggjør reduksjon til et minimum av installasjons- og driftsomkostningene såvel som produksjonstapene ved stans for vedlikehold av reaktoren. Dessuten muliggjøres derved en økning av syntesetemperaturen til et nivå som er mer hensiktsmessig for om-dannelse av carbamat til urea, uten at hensyn må tas til de begrens-ninger som bestemmes av faren for korrosjon av varmeveksleren.

En tredje fordel ved fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse består i at der ikke trenges noen høytrykkskompressor med høyt kompresjonsforhold for å bringe tilbakeløpsblandingens kon-densas jonsvarme opp til det nødvendige temperaturnivå men bare en dampdrevet, lavtrykkskompressor med lavt kompresjonsforhold. Dette muliggjør reduksjon til et minimum av installasjons- og driftsomkostningene såvel som av produksjonstapene ved stans for vedlikehold av kompressoren. Det gjør dessuten mulig å anvende fremga-gsmåten både i anlegg med høy kapasitet og i anlegg med lav kapasitet, idet man herved overvinner den nedre kapasitetsgrense som er forbundet

med bruk med høytrykkskompressorer med høyt kompresjonsforhold.

En fjerde fordel ved fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse består deri at 002~fraksjonen av den primære tilførsel som tilføres første trinns kondensator, kan tas fra en intermediær fase av matekompressoren for nevnte primære 002, hvorved energibe-hovet reduseres. Denne reduksjon er spesielt betydelig dersom nevnte fraksjon eller en del av nevnte fraksjon av primært 002til-føres kondensatoren på et trinn etter det første trinn. Dette alter-nativ medfører imidlertid en dårligere gjenvinning av varme.

En utførelsesform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er vist i fig. 1 på den vedfoyede tegning.

Ammoniakken i føding 1 komprimeres og føres ved hjelp av

pumpe 2 ved syntesetrykk gjennom rørledning 3. Carbondioxydet i føding 4 suges, i støkiometrisk mengde i forhold til ammoniakken i føding 1, inn i flertrinnskompressor 5. Omtrent en tredjedel av strøm 4 tas ut fra det nest siste trinn gjennom rørledning 6, mens den gjenværende del komprimeres til syntesetrykk og føres ut gjennom rørledning 7-

Ammoniakken og carbondioxydet fra rørledning 7 ledes til syntesereaktor 8, som arbeider ved et trykk fra 190 til 240 ata og ved 190° - 210°C. Blandingen som forlater reaktor 8, ekspanderes ved hjelp av ventil 9 til første trinns inndamper 10, som holdes mellom 6o og 120 ata. I denne inndamper fordampes størstedelen av ammoniakken og carbondioxydet som ikke overføres til urea, på bekostning av kondensasjonsvarmen av damp 11 som kondenseres i 12. Blandingen av væske og gass i 13 separeres i separator 14 i væske som tas ut gjennom rørledning 15 og i gass som tas ut gjennom rørledning 16.

Væsken i 15 ledes til det annet og tredje tilbakeløpstrinn, som hvert i hovedtrekkene består av en inndamper, en separator og en kondensator, hvor den separeres i en oppløsning inneholdende hovedsakelig urea og vann dannet ut fra reaktantene (hvilket urea deretter konsentreres til 99,5% til krystallinsk urea) og en oppløsning inneholdende hovedsakelig uomsatt ammoniakk og carbondioxyd foruten overskytende vann utover reaksjonsvannet (som føres tilbake til syklusen.gjennom 17).

Gassen sammen med oppløsningen 17 danner tilbakeløpsblandingen som, sammen med 002-fraksjonen av føding 6, tilføres første trinns kondensator 18, hvor den på bekostning av fordampningsvarmen av dampkondensat 19, som fordampes og tas ut gjennom 20, kondenseres for deretter å komprimeres av pumpe 21 til syntesetrykk og resir-

kuleres til reaktoren gjennom 22.

Dampen som tas ut gjennom 20 ved ca. 3 -4 ata, komprimeres av kompressor 23 ved 4,5 - 5,5 ata og sendes gjennom rørledning 24 til inndamperne i det annet og tredje trinn, såvel som til trinnet hvor den endelige konsentrering av ureaet til 99,5% finner sted, hvor den avgir sin kondensasjonsvarme og påny danner kondensat i 19.

Kompressor 23 drives av turbin 25, hvor damp 26, som tas

utenfra ved 30 - 35 ata, ekspanderer inntil den når uttakstrykk 11

og avgir deretter sin kondensasjonsvarme til første trinns inn-

damper 10 som den forlater som kondensat gjennom 12.

Den totale mengde damp som må tilføres utenfra, representeres

ved strøm 26, som er fullstendig kondensert i 12. Kondensatets 12

følbare varme kan anvendes til å forvarme ammoniakk i fødingen i 3-

Mange andre kombinasjoner er mulige, alt etter den tilgjenge-

lige damps varmeinnhold. En av disse kombinasjoner er vist i fig. 2, for hvilken henvisningstallene såvel som den foregående be-

skrivelse er gyldig, bortsett fra at: kompressor 23 drives av turbin 25, hvor damp 26, som tas utenfra ved ca. 20ata, ekspanderer inntil den når 4,5 - 5,5 ata i 24, hvorfra den føres sammen med den gjenvunnede damp, som er komprimert til samme trykk av kompressor 23,

til inndamperne i det annet og tredje trinn, såvel som til slutt-

trinnet hvor konsentreringen til 99,5% finner sted, hvor den avgir kondensasjonsvarmen og påny blir kondensat i 19.

I dette tilfelle er det totale behov for damp tilført utenfra representert ved strøm 26 og ved strøm 11.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av urea, ved hvilken fremgangs-

måte ammoniakk og carbondioxyd overføres til urea og vann, ved trykk mellom 190 og 240 atmosfærer og ved temperatur mellom 190 og 210°C, hvor reaksjonsproduktet separeres fra en resirkulasjonsblanding be-stående av ammoniumcarbamat, overskudd av ammoniakk og vann, idet carbamatet spaltes ved hjelp av varme, og ammoniakken og vannet fordampes og nevnte separasjon utføres i fra 2 til 4 etter hverandre følgende trinn som arbeider ved trykk som gradvis avtar fra det første til det siste trinn og hvor trykket i alle trinn er lavere enn 120 atmosfærer, og vannet fjernes fra den igjenværende væske fra det siste av nevnte separasjonstrinn, hvilken igjenværende væske hovedsakelig består av reaksjonsproduktet, og gassen som fraskilles minst ett av de nevnte separasjonstrinn kondenseres i et første kondensasjonstrinn som arbeider ved samme trykk som det første separasjonstrinn, under dannelse av carbamat og varmeutvikling, og til slutt resirkuleres den kondenserte væske fra det første kondensasjonstrinn til syntesesonen for urea, karakterisert ved at den omfatter at all ammoniakk og endel av carbondioxydet komprimeres til syntesetrykk og tilføres syntesesonen for urea, og 25 .- 50% av carbondioxydet komprimeres til samme trykk som i det første kondensasjonstrinn og tilføres første trinns kondensator hvor det dannes ammoniumcarbamat med den overskytende ammoniakk som inneholdes i resirkulasjonsblandingen,og deretter komprimeres nevnte ammoniumcarbamat til syntesetrykk sammen med nevnte resirkulasjonsblanding, ved hvilken fremgangsmåte det første separasjonstrinn og kondensasjonstrinn for resirkulasjonsblandingen utføres ved et trykk mellom 6o og 120 atmosfærer.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at varmen som utvikles ved det første kondensasjonstrinn for resirkulasjonsblandingen, og som omfatter a) kondensasjonsvarmen og dannelsesvarmen for carbamatet som inneholdes i resirkulasjonsblandingen og kondensasjonsvarmen for den overskytende ammoniakk, eller b) kondensasjonsvarmen for resirkulasjonsblandingen og dannelsesvarmen for carbamatet fremstilt ved reaksjon mellom den del av tilførselscarbondioxydet som tilføres første kondensasjonstrinn og den overskytende mengde ammoniakk som inneholdes i resirkulasjonsblandingen, gjenvinnes for å produsere vanndamp, hvilken vanndamp produseres i tilstrekkelig mengde til å dekke prosessens varmebehov, med unn-tagelse av varmebehovet ved det første separasjonstrinn for resir-kulas jonsblandingen , men omfattende varmebehovet ved alle etterfølg-ende separasjonstrinn for resirkulasjonsblandingen og den endelige konsentrasjon for fjernelse av reaksjonsvannet og fremstilling av smeltet urea.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at varmen som utvikles fra resirkulasjonsblandingen og varmetoningen ved reaksjonen mellom resirkulasjonsblandingen og minst en del av reaktantene, gjenvinnes i en eneste apparatur hvor trykket er mellom 60 og 120 atmosfærer og temperaturen er mellom 140 og l6o°C. 4- Fremgangsmåte ifølge krav 1 og 2, karakterisert ved at temperaturnivået for i det minste en del av den produserte vanndamp heves ved adiabatisk kom-presjon av nevnte vanndamp på bekostning av ekspansjonsenergien for vanndampen som tilføres utenfra, og dennes kondensasjonsvarme be-nyttes deretter til å dekke varmebehovet i det første separasjonstrinn eller andre varmebehov ved prosessen.