NO150200B - Fremgangsmaate ved fremstilling av urea - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte ved fremstilling av urea.

Description

Nærværende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte ved fremstilling av urea ved å omsette NH^ og C02 ved forhøyet temperatur og trykk, hvorved urea dannes i en syntesesone i form av en urea-synteseoppløsning når NH3 og C02 omsettes ved et trykk og en temperatur egnet for ureadannelse. Ammoniumkarbamat dannes først, hvilket deretter delvis omdannes til urea og vann. Således oppnås det fra ureasyntesesonen en vandig ureasynteseoppløsning med ikke-omdannet karbamat og vanligvis en overskuddsmengde av NH^. Ikke-omdannet karbamat og overskytende NH^ fjernes fra ureasyn-teseoppløsningen og resykliseres vanligvis til syntesesonen. For å fremkalle en slik separasjon kan ureasynteseoppløsningen ekspanderes og oppvarmes i to eller flere trinn slik at karbamatet gjenomdannes til NH^ og C02. Alternativt kan ureasynteseoppløs-ningen, hvis nødvendig etter delvis ekspansjon, utsettes for en strippebehandling med NH^ og/eller C02 med tilførsel av varme oppvarmes etter ekspansjon.

Ved de best kjente fremgangsmåter absorberes blandingene av gassformet NI^, C02 og vanndamp som er skilt ut i de etterfølgende trinn og kondenseres og føres tilbake til ureasyntesesonen som en vandig oppløsning. Imidlertid er en ulempe ved å returnere ikke-omdannet NH3 og C02 som en oppløsning at vannet ugunstig påvirker omdannelsen av karbamat til urea, slik at mere karbamat må spaltes og mere damp er nødvendig for å frembringe spaltnings-varmen. Det har tidligere vært foreslått, f.eks. i tysk patent nr. 669.314, å separere NH^ og C02 i de utdrevne gassblandinger ved selektiv absorpsjon av C02 i f.eks. en mono-etanolamin-opp-løsning.

Skjønt NH3 og C02 ved slike fremgangsmåter blir tilgjengelig separat slik at resyklisering uten vann og ved hjelp av kompressorer er mulig, har den førstnevnte fremgangsmåte den ulempe at det absorberte C02 igjen må fjernes fra absorpsjonsmidlet ved oppvar-ning, mens ved den andre beskrevne fremgangsmåte er det nødvendig først å ekspandere gassblandingen til atmosfærestrykk og, etter at NH^ er blitt destillert av, å bringe den gjenværende oppløs-ning til et trykk på fra 5 til 20 atmosfærer. Hvis oppløsningen som etterlates ved C02 destillasjonen igjen anvendes for å absor-bere frisk gassblanding må den reekspanderes til atmosfærestrykk. Dessuten frigis NH^ ved atmosfærestrykk, slik at tilbakeføringen til ureasyntesen krever ytterligere energiforbruk.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen gjør det mulig å utføre spalt-ningen av karbamat og resyklisere NH^ og C02 uten unødvendige energikrav med en besparelse i investeringsomkostninger og omfatter en kombinasjon av behandlingstrinn av en blanding av NH^, C02 og H20 oppnådd ved spaltning av ammoniumkarbamat, hvorved

C<0>2 og NH-j skilles fra, og som spesielt omfatter et CO-j-separa-sjonstrinn utført under de nedenfor angitte betingelser.

Oppfinnelsen fremskaffer en fremgangsmåte for å fremstille urea ved å omsette NH3 og C02 ved forhøyet temperatur og trykk, hvorved urea dannes i en syntesesone i form av en ureasynteseoppløs-ning, lede nevnte ureaoppløsning til en første spaltningssone holdt ved en forhøyet temperatur, hvorved en gassformet blanding av NH^, C02 og H20 skilles fra den nevnte synteseoppløsning, føre den gjenværende ureaoppløsning som inneholder gjenværende NH^, C02 og ammoniumkarbamat til en andre spaltningssone holdt ved en forhøyet temperatur og et trykk lavere enn trykket i nevnte første spaltningssone, hvorved ammoniumkarbamat spaltes og en ytterligere gassformet blanding av NH^, C02 og H20 skilles fra og en i det vesentlige karbamat-fri ureaproduktoppløsning oppnåes, og fremgangsmåten er karakterisert ved at C02 og NH^ skilles fra nevnte ytterligeregassformete blanding ved

a) å føre nevnte ytterligere gassformete blanding til en CO-j-separasjonskolonne med en temperatur-gradient fra bunn til topp, innføre vann eller en vandig oppløsning ved ett eller flere punk-ter langs nevnte CO-^-separasjonskolonne i en slik mengde at det dannes en vandig oppløsning av NH^ og CC>2 som inneholder fra 65 til 9 6 vekts% vann og en gassformet COij-strøm i det vesentlige fri for NH^ og vann og fjerne nevnte oppløsning fra bunnen og nevnte C02-strøm fra toppen av nevnte separasjonskolonne, b) føre nevnte vandige oppløsning av NH^ og C02 til en desorpsjonssone, hvor NH^ og C02 desorberes for å tilveiebringe en vandig strøm som er i det vesentlige fri for NH-j og C02 og en andre gassformet strøm som inneholder NH^, gjenværende C02 og vann, og c) føre nevnte andre gassformete strøm til en NH^-separasjons-sone, hvor C02 og H20 er skilt i en vandig avløpsstrøm, og NH^

fjernes som en separat gassformet strøm fra nevnte NH^-separa-sjonssone og resykliseres direkte eller indirekte til nevnte syntesesone,

og hvor nevnte C02-separasjonstrinn, desorpsjonstrinn og NHJ ^-separ2asjonstrinn utføres ved et trykk innen området 1 til

2 5 kg/cm abs..

I trinn a) tilsettes vann fortrinnsvis i en slik mengde at det dannes en vandig oppløsning av NH^ og C02 som inneholder fra 80 til 95 vekts-% vann.

Oppfinnelsen beskrives og illustreres detaljert nedenfor ved hjelp av den ledsagende tegning, som er en skjematisk gjengivel-se av en utførelsesform for oppfinnelsen.

Under henvisning til tegningen dannes i ureasyntesesonen en urea-synteseoppløsning ved et trykk på mellom 110 og 250 kg/cm 2 og en temperatur på mellom 165° og 220°C. Denne oppløsning tilføres stripperen 3 gjennom røret 2 som kan arbeide ved syntesetrykk eller ved et lavere trykk og bringes i denne i motstrømskontakt, under tilførsel av varme - med friskt C02 tilført via rør 4. Gassblandingen bestående av NH^, C02 og H20 som er ført ut i stripperen føres via røret 5 til en kondensator 6 som fortrinnsvis drives ved syntesetrykk, og til hvilken kondensator det også tilføres en oppløsningsmengde dannet i den nedre del av urea-reak-toren 1 via rør 7 og 8 ved hjelp av ejektoren 9 for å heve kon-densasjonstemperaturen, slik at kondensasjonsvarmen frigis ved et temperaturnivå så høyt som mulig. Ved hjelp av denne varme frem-stilles damp på 1-6 kg/cm 2 abs., som kan anvendes annetsteds i fremgangsmåten. Ejektoren 9 drives ved hjelp av NH^ som tilføres fra lagringstanken 11 via pumpen 10. Friskt NH^ tilføres via røret 12. I kondensatoren 6 finner hel eller delvis kondensasjon og absorpsjon av gassblandingen tilført via røret 9 sted. Den slik erholdte karbamatoppløsning og resten, hvis noen, av gassblandingen føres inn i ureareaktoren 1 via røret 13 sammen med karbamatopp-løsningen som er blitt oppnådd ved kondensasjon av NH^f CO2 og H2O fra en gassblanding som er drevet ut via røret 14 fra toppen av ureareaktoren 1 og som inneholder de inerte komponenter som er tilført av det friske C02, NH^ og eventuelt luft eller oksygen som anvendes for passiveringen av utstyr og rør. Denne kondensasjon, finner sted i rensegass-kondensatoren 15, som forbindes med røret 13 eller til den nedre del av ureareaktoren 1 ved hjelp av røret 16. Gassblandingen som ikke er kondensert i rensegass-kondensatoren føres eventuelt via røret 17 til en absorberingsan-ordning (ikke vist) som arbeider ved et lavere trykk, for å ut-vinne ennå tilstedeværende NH3. Det er imidlertid også mulig å mate den erholdte oppløsning i rensegasskondensatoren 15 til kondensatoren 6 gjennom ejektoren 9.

Den strippete urea-synteseoppløsning drives ut fra strippeanordningen 3 og føres etter ekspansjon til et trykk på 2-5 kg/cm<2>

i reduksjonsventilen 18 gjennom røret 19 til karbamatavspaltningsanordningen 20, i hvilken karbamatet som ennå er tilstede spaltes praktisk talt fullstendig ved oppvarmning. Gassblandingen som forlater oppvarmningssonen i karbamatavspaltningsanordningen 20 sammen med ureaoppløsningen separeres fra oppløsningen i separatoren 21 og føres deretter til en installasjon for separasjon av NH^, CO2 og 1^0 som skal beskrives mere detaljert nedenfor. Den vandige ureaoppløsning som oppnåes i separatoren 21 av karbamatavspaltningsanordningen 20 ekspanderes i ekspansjons-kar 22 til atmosfærestrykk, hvori noe mere oppløst NH^ og vanndamp unnslipper som føres bort via røret 33. Via røret 24 føres den vandige ureaoppløsning til en seksjon angitt som en helhet ved

25, hvor på en i og for seg kjent måte den konsentreres ved for-dampning eller krystalliseres eller kan behandles på en annen kjent måte. Sluttproduktet føres bort via 26.

Gassblandingen som er skilt ut fra ureaoppløsningen i separatoren 21 føres via røret 27 til en installasjon for separasjon av NH^/ C02 og H20, hvilken installasjon hovedsakelig omfatter en C02~ separasjonskolonne 28, en desorpsjonskolonne 29, og en NH-^-separasjonskolonne 30. Disse kolonner arbeider ved praktisk talt samme trykk, hvilket ligger mellom 1 og 25 kg/cm 2 abs.. En særlig fordel oppnåes hvis separasjonssystemet drives ved et trykk på mellom 1 og 6 kg/cm abs., fordi oppløsningen som er matet inn i desorpsjonskolonnen 29 da kan strippes med damp dannet i kondensatoren 6. Mest hensiktmessig drives separasjonssystemet ved det samme trykk som karbamatavspaltningsanordningen 20 og separatoren 21. I den nedre del av kolonnen 28 bringes gassblandingen i kontakt med en slik vannmengde at i realiteten alt NH-^ og H20 absorberes eller kondenseres og at C02 som kun inneholder meget lite NH3 og H20 stiger til den øvre del av kolonnen. I denne hen-sikt tilføres vann eller en vandig oppløsning, f.eks. kondensat ifølge fremgangsmåten fra seksjonen 25 via røret 31,og dessuten resykliseres vandige oppløsninger fra. etterfølgende separasjons-trinn via rør 32 og 33. I den øvre del av kolonnen 28 vaskes den oppadstigende gassblanding med vann tilført via røret 34, for å fjerne de mindre mengder NH-^ som ennå er tilstede deri. Dette vann sammen med absorbert NH^ kommer også inn i den nedre del av kolonnen. Den totale vektsmengde vann som tilføres den nedre del av kolonnen 28 via rør 31, 32, 33 og 34 er slik at oppløs-ningen som føres bort fra den nedre del av kolonnen inneholder fra 65-96 vekts% vann, dvs. 5 til 20 ganger gassblandingens vektsmengde som tilføres via røret 27. Som regel er det optimale vanninnhold fra 80 til 95 vekts% og følgelig er den vektsmengde vann som skal tilsettes fra 8 til 15 ganger gassblandingens vektsmengde. Ved å drive kolonnen på denne måte utføres fjer-ningen av C02 og NH^ fra gassblandingen som er separert i separatoren 21 ved et tiltrekkende lavt totalt energiforbruk i sepa-ras jonsseksjonen. Temperaturen i den nedre del av kolonnen ligger mellom 70 og 190°C, idet en temperatur på mellom 30 og 70°C opprettholdes i den øvre del av kolonnen.

Fra toppen av kolonnen 28 føres C02 bort via røret 35, som inneholder bare noen få prosent vann og høyest spor av NH^. Denne gass renses. Bunnproduktet fra kolonne 28 inneholder praktisk talt alt NH^ som var tilstede i gassblandingen som er tilført via røret 27, C02 som ikke er skilt ut og vann. Denne oppløsning fø-res via røret 36 inn i desorpsjonskolonnen 29, i hvilken praktisk talt alt NH-j og C02 desorberes ved hjelp av f.eks. direkte damp tilført via røret 37. Bunnproduktet i desorpsjonskolonnen 29 er vann som nå inneholder en slik mengde NH3 og C02 som ligger under den grense som kan iakttas i avløpsstrømmer, for å tilfredsstille miljøkontrollforordninger og føres bort via rør 38,, til hvilket er forbundet røret 32 for C02~separasjonskolonnen 28. En del av bunnproduktet kan føres inn i C02~separasjonskolonnen 28 via rø-ret 34 som vaskevæske. Den gjenværende del føres bort via røret 39 og kan helt eller delvist føres tilbake til seksjon 25.

Toppproduktet i desorpsjonskolonnen 29 som har en temperatur på mellom 105 og 17 5°C og som foruten C02 og vann inneholder praktisk talt alt NH^ skilt ut i separatoren 21 og også en mengde sirkulerende NH^, føres inn i NH-^-separas jonskolonnen 30 via røret 40, kjøleanordningen 41 og røret 42, i hvilken kolonne C02 og vannet fjernes ved hjelp av vann tilført via røret 43 og flytende NH^ tilført via røret 44. Det således oppnådde, praktisk talt rene NH^ sendes via røret 45 til kjøleanlegget 46, hvor det kondenseres. Deretter strømmer det flytende NH^ via røret 47 til NH^-lagringstanken 11. Bunnoppløsningen som dannes i NH-j-separasjonskolonnen og som består av NH^, CO-, og vann resykliseres til C02~separasjonskolonnen 28 via røret 33.

Ved fremgangsmåten beskrevet foran føres det ikke noe vann tilbake til ureasyntesen fra lavtrykks-trinnet,dvs. den del av fremgangsmåten som følger etter reduksjonsventilen 18. Som et resultat av dette erholdes en betraktelig høyere omdannelsesgrad i ureareaktoren, slik at en synteseoppløsning som inneholder mindre karbamat erholdes. På grunn av at det ikke er nødvendig å spalte så meget karbamat i stripperen og at strippingen forløper bedre på grunn av synteseoppløsningens lavere vanninnhold, er en mindre mengde damp nødvendig i stripperen. Dampforbruket for NH-^/CO-j/^O-separasjonen kompenseres av en reduksjon i dampmengden ved be-handlingen av ureaoppløsningen da vannmengden som skal fordampes er mindre. Da ingen oppløsning bortsett fra gassformet NH^ resykliseres fra lavtrykks-trinnet er anleggets drift enklere. Driftspåliteligheten økes på grunn av at sårbare karbamatpumper ikke lenger er nødvendige.

EKSEMPEL

I dette eksempel foreligger de gitte mengder i kmol pr. time.

2317 kmol NH^ ble tilført gjennom røret 12 og 1143 kmol C02 gjennom røret 4 til et anlegg slik som beskrevet og illustrert foran for fremstilling av 1019 kmol/h urea i vandig oppløsning. Trykket i ureareaktoren 1, stripperen 3, kondensatoren 6 og rensegasskondensatoren 15 var ca. 140 kg/cm 2. I strippeanordningen 3 ble 2542 kmol NH3, 551 kmol C02 og 132 kmol H20 drevet ut fra synteseoppløsningen fra ureareaktoren 1 ved hjelp av frisk C02, ved dampoppvarmning på 215°C. I kondensatoren 6 ble gassblandingen som føres bort gjennom røret 5 delvis kondensert ved hjelp av blandingen - tilført gjennom røret 8 - av friskt NH3 og opp-løsningen suget opp fra ureareaktoren. Fra den således dannete gass/væskeblanding og karbamatoppløsningen dannet i rensegass-kondensatoren 15 bestående av 497 kmol NH-j, 169 kmol C02 og 33 kmol H20 ble en synteseoppløsning dannet i ureareaktoren 1 ved en gjennomsnittstemperatur på 183°C, hvilken oppløsning foruten 1061 kmol urea inneholdt 2683 kmol NH3, 627 kmol C02 og 1191 kmol H20. C02-omdannelsen beløp seg således til 62,8 %.

En oppløsning bestående av 1019 kmol urea, 225 kmol NH3, 118 kmol C02 og 1019 kmol H20 ble ført bort fra strippeanordningen 3, hvilken oppløsning oppvarmes til 124°C i karbamatspaltnings-anordningen etter ekspansjon til 2,5 kg/cm 2. En gassblanding sam-mensatt av 151 kmol NH3, 98 kmol C02 og 159 kmol H00 dannet seg, som ble separert i separatoren 21 fra den gjenværende ureaopp-løsning, som foruten 1019 kmol urea og 860 kmol H20 stadig inneholdt 74 kmol NH3 og 20 kmol C02. NH3 og C02 ble stort sett fjernet i ekspansjonskaret 22 slik at en vandig ureaoppløsning ble erholdt.

Den i separatoren 21 fraskilte gassblanding ble ført til den nedre del av CO^-separasjonskolonnen 28, i hvilken et trykk på 2,5 kg/cm ble opprettholdt og ble deretter behandlet med kondensat ifølge fremgangsmåten på 90°C fra den endelige prosess-seksjon, som inneholdt 1117 kmol H20, 5,5 kmol NH-j og 2,2 5 kmol co2.

Dessuten ble kolonnen 28 via røret 32 tilført 3700 kmol H-jO som inneholdt spor av NH^, gjennom røret 33 739 kmol H.,0, 298 kmol NH^ og 134 kmol C02, og gjennom røret 34 157 kmol H20. Temperatu-rene for oppløsningene tilført gjennom rørene 32 og 33 var 88 henh. 85°C, og den for vaskevæsken tilført via røret 34 var 40°C. Gassblandingen som unnslapp fra toppen av kolonnen besto av

14 3 kmol C02 og 3 kmol H20. Bunnoppløsningen, som hadde en temperatur på 106°C og besto av 5939 kmol H20, 461 kmol NH3 og 92 kmol C02, ble ført til desorpsjonskolonnen 29. Til denne kolonne ble det også ført en gassblanding utvunnet fra topp-produktet i rensegasskondensatoren 15 og bestående av 156,5 kmol NH3, 39,2 kmol C02 og 371 kmol H20, og damp på 138°C ble ført inn i den nedre

del av desorpsjonskolonnen 29. En allerede nevnte andel av bunnproduktet i denne kolonne, som besto av 6972 kmol H20, hvori det stadig fantes spor av NH3 og C02, ble tilført gjennom rørene 32

og 34 til C02~separasjonskolonnen 28 og den gjenværende andel ble delvis ført som vaskevæske til NH3~separasjonskolonnen 30

via røret 43, idet resten ble anvendt annetsteds i fremgangsmåten eller føres .bort som kloakk.

Gassblandingen som ble tatt ut fra toppen av desorpsjonskolonnen

29 ved en temperatur på 110°C og som besto av 618 kmol NH3, 134 kmol C02 og 709 kmol H20 ble - etter avkjøling til 87°C i kjø-leanordningen 41 - separert i NH3~separasjonskolonnen 30 ved vaskning med 29 kmol H20 av 40°C og 170 kmol NH3 av -15°C, hvor 490 kmol rent NH3 ble erholdt.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av urea ved å omsette NH3 og C02 ved forhøyet temperatur og trykk hvorved urea dannes i en syntesesone i form av en ureasynteseoppløsning, føre denne ureaoppløsning til en første spaltningssone holdt ved en for-høyet temperatur, hvorved en gassformet blanding av NH3, C02 og H20 skilles fra nevnte synteseoppløsning, føre den gjenværende ureaoppløsning som inneholder resterende NH^ , C02 og ammoniumkarbamat til en andre spaltningssone holdt ved en forhøyet temperatur og ved et trykk lavere enn trykket i nevnte første spaltningssone idet ammoniumkarbamat spaltes fra og en ytterligere gassformet blanding av NH^, C02 og H20 separareres og en i det vesentlige karbamat-fri ureaproduktoppløsning oppnåes, karakterisert ved at C02 og NH^ skilles fra nevnte ytterligere gassformete blanding ved a) å føre nevnte ytterligere gassformete blanding til en C02~ separasjonskolonne med en temperaturgradient fra bunn til topp av denne, innføre vann eller en vandig oppløsning ved ett eller flere steder langs C02~separasjonskolonnen i en slik mengde at en vandig oppløsning av NH-^ og C02 dannes, hvilken oppløsning inneholder fra 65 til 96 vekts% vann og en gassformet C02-strøm i det vesentlige fri for NH^ og vann og fjerne nevnte oppløsning fra bunnen og nevnte C02~strøm fra toppen av nevnte separasjonskolonne, b) å føre nevnte vandige oppløsning av NH-^ og C02 til en desorpsjonssone, hvor NH^ og C02 desorberes for å gi en vandig strøm som er i det vesentlige fri for NH^ og C02 og en andre gassformet strøm som inneholder NH-j, gjenværende C02 og vann, og c) å føre nevnte andre gassformete strøm til en NH^-separa-sjonssone, hvor C02 og H20 separeres i en vandig utløpsstrøm, og NH^ fjernes som en separat gassformet strøm fra nevnte NH^-separasjonssone og resykliseres direkte eller indirekte til nevnte syntesesone, og hvor nevnte C02~separasjonstrinn, desorpsjonstrinn og NHJ ^-separ2asjonstrinn utføres ved et trykk innen området 1 til 25 kg/cm abs..

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at i trinn a) tilsettes vann i en slik mengde at en vandig oppløsning av NH^ og C02 dannes som inneholder fra 80 til 95 vekts% vann.

3. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 1 eller 2, karakterisert ved at nevnte C02-separasjonskolonne, nevnte desorpsjonssone og nevnte NH-.-separasjonssone drives ved et trykk innen området 1 til 6 kg/cm 2 abs..

4. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 1 eller 3, karakterisert ved at nevnte CG^-separasjons-sone, nevnte desorpsjonssone og nevnte NH^-separasjonssone drives ved i det vesentlige samme trykk.

5. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 1 eller 4, karakterisert ved at den vandige utløpsstrøm for nevnte NH^-separasjonssone resykliseres til nevnte CG^-separasjonskolonne.