СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ СИНТЕЗА МОЧЕВИНЫ И МЕЛАМИНА
PROCESS AND PLANT FOR SYNTHESIS OF UREA AND MELAMINE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области комбинированных установок для синтеза мочевины и меламина. Изобретение раскрывает усовершенствованный способ рекуперации отходящего газа, выделяющегося в процессе синтеза меламина.
Уровень техники
На комбинированной установке для синтеза мочевины и меламина осуществляют синтез мочевины из аммиака и диоксида углерода и по меньшей мере часть мочевины используют для получения меламина.
Синтез мочевины осуществляют как указано ниже:
3
2
2NH+СО → карбамат аммония
2
карбамат аммония ↔ мочевина +НО,
тогда как мочевину превращают в меламин следующим образом:
3
2
6 мочевина → меламин +6NH+3СО (отходящий газ).
Отходящие газы, выходящие из секции синтеза меламина, обычно возвращают в секцию синтеза мочевины, так как они содержат существенное количество реагентов для синтеза мочевины, а именно, аммиак и диоксид углерода.
Синтез меламина можно осуществлять с использованием каталитических процессов под низким давлением или некаталитических процессов под высоким давлением. Отходящий газ из процесса синтеза меламина под низким давлением можно возвращать в реактор синтеза мочевины в виде водного раствора, что, однако, имеет такие недостатки, как низкое давление и введение воды в реактор синтеза мочевины.
Отходящий газ, образующийся в процессе синтеза меламина под высоким давлением, в  степени подходит для использования в процессе синтеза мочевины. Ссылаясь, например, на способ синтеза мочевины с отпаркой, отходящие газы из процесса синтеза меламина обычно возвращают в процесс синтеза мочевины путем ввода этих газов в конденсатор карбамата высокого давления в контуре синтеза мочевины, где отходящие газы конденсируются вместе с газовой фазой, выходящей из отпарного аппарата.
На комбинированных установках для синтеза мочевины и меламина, на которых  часть синтезированной мочевины используют для получения меламина, проблема заключается в уменьшении количества газообразного диоксида углерода, используемого для реактора. В частности, эту проблему испытывают установки для синтеза мочевины, работающие по способу с самоотпаркой, и/или в тех случаях, когда значительное количество мочевины, синтезированной в секции синтеза мочевины, используется для получения меламина.
2
2
Газообразный диоксид углерода фактически можно рассматривать как источник тепла для реактора, так как реакция диоксида углерода с аммиаком (с образованием карбамата аммония) является экзотермической и создает тепло, необходимое для эндотермической реакции дегидратации карбамата. Поскольку на комбинированной установке для синтеза мочевины и меламина часть СО, входящего в реактор, поступает с уже конденсированными отходящими газами из процесса синтеза меламина, фактическое количество газообразного СО, конденсирующегося в реакторе, становится меньше. Поэтому использование синтезированной мочевины для получения меламина, в конечном счете, ведет к охлаждению реактора для синтеза мочевины, а значит, к  снижению скорости реакции, что приводит к повышению расхода энергии и увеличению капиталовложений вследствие увеличения габаритов устройств.
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить решение вышеуказанной проблемы уменьшения количества диоксида углерода, получаемого для реактора, когда значительная часть синтезированной мочевины используется для получения меламина. Другая цель изобретения заключается в том, чтобы обеспечить более эффективный способ ввода отходящего газа из некаталитического процесса синтеза меламина под высоким давлением в контур синтеза мочевины.
Раскрытие изобретения
Вышеуказанная цель достигнута при использовании способа комбинированного синтеза мочевины и меламина, в котором:
синтез мочевины из аммиака и диоксида углерода осуществляют с использованием способа с отпаркой, причем указанный способ с отпаркой включает по меньшей мере стадии реакции аммиака с диоксидом углерода в секции реакции для образования водного раствора, содержащего мочевину, карбамат аммония и непревращенный аммиак, и очистки указанного раствора в секции отпарки с получением раствора мочевины и газовой фазы, содержащей аммиак и диоксид углерода, а также включает стадию конденсации в секции конденсации;
по меньшей мере часть синтезированной мочевины используют для получения меламина на присоединенной установке для синтеза меламина, получая также поток отходящего газа из процесса синтеза меламина, содержащего аммиак и диоксид углерода, и указанный поток отходящего газа из процесса синтеза меламина возвращают в указанный процесс синтеза мочевины, либо в газообразном состоянии, либо после конденсации - в жидком состоянии;
причем настоящий способ отличается тем, что по меньшей мере часть указанной газовой фазы, полученной из секции отпарки, подают непосредственно в указанную секцию реакции в газообразном состоянии.
В соответствии с различными вариантами осуществления изобретения содержащий мочевину поток, перекачиваемый с установки для синтеза мочевины на установку для синтеза меламина, может представлять собой расплавленную мочевину или водный раствор мочевины. В последнем случае установка для синтеза меламина включает секцию выпаривания для удаления воды из указанного раствора.
Предпочтительно, часть указанной газовой фазы из секции отпарки подают непосредственно в указанную секцию реакции, а остальную часть указанной газовой фазы направляют в указанную секцию конденсации. Другими словами, выходящий из отпарного аппарата газ разделяют по меньшей мере на две части и одну из указанных частей направляют в секцию реакции, например, в нижнюю часть реактора.
Термин "непосредственно" означает, что часть газа из отпарного аппарата направляют в зону реакции, исключая какие-либо значимые технологические стадии, например, конденсацию.
2
Способ синтеза мочевины может представлять собой любой способ с отпаркой, в том числе, например, способ с отпаркой диоксидом углерода (СО), иногда называемый способом компании Стамикарбон ("Stamicarbon"), и способ с самоотпаркой, иногда называемый способом компании Снампроджетти ("Snamprogetti"). Описание способов синтеза мочевины с отпаркой можно найти в литературе, например, в энциклопедии промышленной химии Ульмана (Ulmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry), 5-е переработанное и исправленное издание, т. А27.
Вышеуказанные секция реакции, секция отпарки и секция конденсации являются частью так называемого контура для синтеза мочевины под высоким давлением. Давление в контуре синтеза составляет, например, 150 бар. В некоторых вариантах осуществления изобретения указанный контур включает также скруббер для отходящих газов из реактора. Синтез мочевины может включать также по меньшей мере одну секцию (-ии) извлечения, работающую под низким давлением, для извлечения непревращенного карбамата и аммиака из раствора, выходящего из отпарного аппарата.
В соответствии с различными вариантами осуществления изобретения отходящий газ из процесса синтеза меламина можно возвращать в процесс в газообразном или в жидком состоянии. Отходящий газ из процесса синтеза меламина можно получать под высоким или средним давлением.
Отходящий газ из процесса синтеза меламина под высоким давлением имеет давление предпочтительно по меньшей мере 80 бар, более предпочтительно - в пределах 80-200 бар и даже более предпочтительно - около 110 бар. Температура указанного отходящего газа из процесса синтеза меламина под высоким давлением предпочтительно - 200-250°C, а более предпочтительно - около 215°С. В некоторых вариантах осуществления изобретения отходящие газы имеют давление, которое немного ниже давления в контуре синтеза мочевины; например, отходящий газ из процесса синтеза меламина под высоким давлением может иметь давление 100-120 бар.
Отходящий газ из процесса синтеза меламина под средним давлением имеет давление, которое значительно ниже давления в контуре синтеза мочевины, обычно - в пределах 20-40 бар и даже более предпочтительно - около 22 бар. Температура указанных отходящих газов из процесса синтеза меламина под средним давлением предпочтительно - 140-170°C, а более предпочтительно - около 165°С.
Отходящие газы из процесса синтеза меламина под высоким давлением предпочтительно возвращают в газообразном состоянии; эти газы можно частично или полностью конденсировать в вышеуказанной секции конденсации в контуре синтеза мочевины. Отходящие газы из процесса синтеза меламина под средним давлением (например, около 20 бар) предпочтительно конденсируют с использованием воды или разбавленных растворов карбамата и возвращают в процесс синтеза мочевины в виде жидкости.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения предусматривает дополнительную обработку раствора мочевины, выходящего из секции отпарки, по меньшей мере в одной секции извлечения, получая жидкий раствор карбамата и концентрированный раствор мочевины, и по меньшей мере часть указанного раствора используют для получения меламина. Более предпочтительно, отходящий газ из процесса синтеза меламина возвращают в процесс синтеза мочевины путем:
смешивания указанного потока отходящего газа из процесса синтеза меламина с частью указанной газовой фазы из процесса очистки отпаркой и по меньшей мере с частью указанного жидкого раствора карбамата, поступающего из указанной секции извлечения, получая, таким образом, смешанный поток газа и жидкости;
конденсации указанного смешанного потока в указанной секции конденсации, получая конденсат, и
подачи указанного конденсата в указанную секцию реакции.
В соответствии с вышеуказанным вариантом осуществления изобретения газовую фазу, выходящую из отпарного аппарата, разделяют на два потока. Первый поток смешивают с отходящим газом из процесса синтеза меламина и с извлеченным раствором карбамата, образуя, таким образом, вышеуказанный смешанный поток; оставшийся второй поток газовой фазы из отпарного аппарата направляют в секцию реакции.
Если давление в секции конденсации немного ниже давления в секции реакции, то может быть предусмотрен насос.
Дополнительные отличительные признаки изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Другой особенностью изобретения в соответствии с прилагаемыми пунктами формулы изобретения является комбинированная установка для синтеза мочевины и меламина. Еще одной особенностью изобретения в соответствии с формулой изобретения является модификация установки для синтеза мочевины путем присоединения установки для синтеза меламина.
Разделение газовой фазы из отпарного аппарата имеет многочисленные преимущества. Первое преимущество состоит в том, что разделение можно регулировать так, чтобы направлять в реактор только такое количество паров, которое необходимо для теплового баланса, оставшуюся часть паров перед конденсацией смешивают с отходящими газами из процесса синтеза меламина и извлеченным раствором карбамата.
Давление в контуре синтеза не зависит от степени конденсации, достигнутой в имеющемся в контуре конденсаторе, и не зависит от давления водяного пара, образующегося в самом конденсаторе.
Инертные газы, содержащиеся в указанной газовой фазе, также разделяют между реактором и конденсатором, таким образом, уменьшая в реакторе количество инертного газа, отрицательно влияющего на конверсию в мочевину. Если задан нижний предел, соответствующий количеству кислорода, которое необходимо для пассивирования реактора, то в случае достижения указанного предела может быть введен в действие специальный воздушный компрессор.
В процессе конденсации возможна эффективная утилизация тепла, содержащегося в отходящих газах под высоким давлением из процесса синтеза меламина. Например, утилизация тепла возможна путем получения водяного пара. В некоторых вариантах осуществления изобретения получение водяного пара как для секции синтеза мочевины, так и для секции синтеза меламина сосредоточено в одном устройстве (то есть, в конденсаторе высокого давления, имеющемся в контуре синтеза мочевины), уменьшая таким образом затраты и сложности, связанные с паропроводами.
Смешивание извлеченного жидкого раствора карбамата с отходящим газом из процесса синтеза меламина способствует конденсации газообразного аммиака и диоксида углерода и снижает температуру кристаллизации раствора карбамата, уменьшая риск осаждения карбамата. Другим преимуществом является конденсация, в процессе которой получают раствор карбамата под высоким давлением и с высокой температурой, и в основном не содержащий воды. Указанный раствор карбамата можно возвращать на стадию реакции, например, в реактор, без дорогостоящей насосно-трубопроводной системы и без ввода воды в реактор.
Эти и другие преимущества изобретения становятся более очевидными с помощью приведенного ниже описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - упрощенная блок-схема установки для синтеза мочевины и меламина, предлагаемая в первом варианте осуществления изобретения, с секцией синтеза мочевины, работающей по способу с отпаркой диоксидом углерода.
Фиг. 2 - упрощенная блок-схема установки для синтеза мочевины и меламина, предлагаемая во втором варианте осуществления изобретения, с секцией синтеза мочевины, работающей по способу с отпаркой аммиаком или самоотпаркой.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Фиг. 1 - общая схема установки для синтеза мочевины и меламина. Установка включает секцию синтеза мочевины, которая в целом обозначена цифрой 1, а секция синтеза меламина обозначена в виде блока 2.
В секции 1 синтеза мочевины осуществляют синтез мочевины из входящего потока 3 аммиака и входящего потока 4 диоксида углерода. В секции 1 синтеза мочевины получают содержащий мочевину поток в виде концентрированного водного раствора 14. По меньшей мере одну часть 16 указанного раствора 14 мочевины используют в секции 2 синтеза меламина для получения продукта 18 меламина. В некоторых вариантах осуществления изобретения оставшуюся часть 17 можно экспортировать или направлять в секцию окончательной обработки для получения продукта - твердой мочевины. Секция 2 синтеза меламина включает секцию выпаривания, предназначенную для доведения входящего раствора 16 до требуемой степени чистоты.
Из секции 2 синтеза меламина выделяется отходящий газ 19 из процесса синтеза меламина, который возвращают в секцию 1 синтеза мочевины.
Секция 1 синтеза мочевины работает с использованием способа с отпаркой. Если подробнее, то указанная секция 1 включает контур высокого давления, в котором имеется реактор 5, отпарной аппарат 6, конденсатор 7 и, возможно, скруббер 27 высокого давления. Отпарной аппарат 6, конденсатор 7 и скруббер 27 предпочтительно представляют собой кожухотрубные теплообменники. Более предпочтительно, секция 1 синтеза мочевины включает по меньшей мере одну секцию 8 извлечения, работающую под более низким давлением, чем давление в указанном контуре, например, секцию извлечения под средним давлением и/или секцию извлечения под низким давлением.
В соответствии с изобретением часть 13 газовой фазы 11, выходящую из отпарного аппарата 6, подают непосредственно в реактор 5. Количество газообразного диоксида углерода, подаваемого в реактор 5, регулируют так, чтобы обеспечить требуемый тепловой баланс, т.е., по меньшей мере обеспечить необходимое тепло для дегидратации карбамата. В частности, количество указанной части 13 зависит от количества мочевины, которое используют для синтеза меламина по сравнению с общим количеством синтезированной мочевины, например, на фиг. 1 количество газообразной части 13 зависит от количества раствора 14, направляемого в секцию (линия 16) синтеза меламина. В некоторых вариантах осуществления изобретения часть 16, направляемая в блок 2 синтеза меламина, - это все количество раствора 14 или по меньшей мере 50% количества раствора 14.
Для синтеза меламина требуется мочевина с высокой степенью чистоты, как правило, 99,7%. Как видно из примера на фиг. 1, указанная степень чистоты может быть достигнута в результате выпаривания потока 16. В других вариантах осуществления изобретения расплав мочевины с высокой степенью чистоты, полученный в секции синтеза мочевины и подходящий для синтеза меламина, может быть направлен в секцию синтеза меламина.
На фиг. 1 показан предпочтительный вариант осуществления изобретения с использованием способа синтеза мочевины с отпаркой диоксидом углерода, в котором входящий поток 4 газообразного диоксида углерода подают в нижнюю часть указанного отпарного аппарата 6.
2
Как видно, в частности, из фиг. 1, аммиак подают непосредственно в реактор 5, тогда как исходный СО достигает реактора 5 после использования в отпарном аппарате 6. По усмотрению, часть 3а аммиака вместо подачи в реактор 5 направляют в конденсатор 7. Выходящий из реактора 5 поток 9 представляет собой водный раствор мочевины, содержащий некоторое количество карбамата и непревращенный аммиак. Указанный выходящий поток 9 подают в отпарной аппарат 6 для разложения непрореагировавшего карбамата аммония и отпарки аммиака, получая отпаренный раствор 10 мочевины и газовую фазу 11, содержащую аммиак и диоксид углерода. Отпарку раствора 9 ускоряют путем подачи газообразного диоксида 4 углерода, а тепло доставляют, например, посредством впуска горячего водяного пара во внетрубную зону кожуха отпарного аппарата 6.
Первую часть 12 указанной газовой фазы 11 направляют в конденсатор 7, а оставшуюся вторую часть 13 указанной газовой фазы 11 направляют в реактор 5. Первую часть 12 до впуска в конденсатор 7 смешивают с отходящим газом 19, поступающим из секции 2 синтеза меламина, и с жидким раствором 15b карбамата, поступающим из секции 8 извлечения.
В секции 8 извлечения получают продукт 14 - мочевину, который представляет собой раствор мочевины, подлежащий концентрированию в зависимости от его использования, и жидкий раствор 15 карбамата. Жидкий раствор 15 карбамата предпочтительно получают под средним давлением, например, в конденсаторе среднего давления в указанной секции 8.  часть потока 15, выходящего из секции 8 извлечения, обозначенную 15а, подают непосредственно в скруббер 27, тогда как оставшуюся часть 15b, которая составляет менее 50%, смешивают с указанной первой частью 12 газовой фазы 11, выходящей из отпарного аппарата 6.
Секция 2 синтеза меламина предпочтительно работает в соответствии с некаталитическим процессом синтеза меламина под высоким давлением.
В секции 2 синтеза меламина получают продукт 18 - меламин и поток 19 отходящего газа, содержащего аммиак и диоксид углерода.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 1, указанный поток 19 нагнетается из секции 2 синтеза меламина под высоким давлением, предпочтительно около 110 бар, и в основном не содержит воды. Таким образом, этот отходящий газ можно вводить в конденсатор 7 в контуре синтеза мочевины.
Более предпочтительно смешивать указанный поток 19 с первой частью 12 газовой фазы 11, выходящей из отпарного аппарата 6, а также по меньшей мере с одной частью, а именно, с 15b, жидкого раствора 15 карбамата. С этой целью давление раствора 15 карбамата повышают с использованием насоса 21. Оставшуюся часть 15а предпочтительно направляют в скруббер 27, чтобы сконденсировать пары из реактора 5 и ресивера 23.
При смешивании потока 19 отходящего газа с указанным раствором 15b и указанным газом 12 образуется смешанный двухфазный поток 20, который впускают в конденсатор 7. Смешивание отходящего газа 19 с жидким раствором 15b карбамата имеет двойное преимущество, состоящее в улучшении конденсации паров и уменьшении осаждения карбамата в конденсаторе 7.
Поток 22 конденсата из указанного конденсатора 7 возвращают в реактор 5, предпочтительно через ресивер 23 карбамата. В указанном ресивере 23 карбамата разделяют жидкий раствор 24 карбамата и газовую фазу 25, содержащую несконденсированный газ и инертные газы. Жидкий раствор 24 перекачивают в реактор 5; газовую фазу 25 направляют в скруббер 27 высокого давления для дополнительной конденсации вместе с парами 26, отбираемыми с верха реактора 5. Инертные газы 31 выпускают из скруббера 27.
Процесс конденсации в конденсаторе 7 предпочтительно представляет собой полную конденсацию, это означает, что, за исключением неизбежной небольшой части несконденсированного газа и инертных газов, входящие газы конденсируются полностью, т.е. поток 22 конденсата является жидкостью.
Тепло, содержащееся в потоках 19 и 12, можно утилизировать, например, путем получения горячего пара во внетрубной зоне кожуха конденсатора 7.
2
Настоящее изобретение достигает вышеуказанных целей. Поток 19 отходящего газа из процесса синтеза меламина возвращают в секцию синтеза мочевины эффективным способом, уменьшая расход свежих реагентов и энергопотребление. Направляемый в реактор газообразный поток 13, содержащий СО, предотвращает охлаждение реактора 5, даже если весь раствор 14 мочевины используется для получения меламина.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 2, ссылки имеют то же значение, что и на фиг. 1, и их подробное толкование не приведено. Однако в этом варианте поток 4 диоксида углерода направляют в реактор 5, тогда как поток 3 аммиака входит в секцию 8 извлечения и достигает реактора 5 посредством эжектора 30. Точнее, поток 22 конденсата из конденсатора 7 возвращают в реактор 5 посредством указанного эжектора 30, создающего входящий в реактор поток 32. Линия 31 обозначает инертный газ, который выпускают из указанного конденсатора 7.
И в этом варианте осуществления изобретения газовую фазу 11, выходящую из отпарного аппарата 6, разделяют на два потока, а именно, первый поток 12 направляют в конденсатор 7, а второй поток 13 подают непосредственно в реактор 5.
Еще одной особенностью изобретения является модификация установки для синтеза мочевины, работающей по способу с отпаркой, причем указанная установка для синтеза мочевины включает по меньшей мере реактор и отпарной аппарат. Указанная установка для синтеза мочевины может работать, например, по способу с самоотпаркой или по способу с отпаркой диоксидом углерода.
Модификация включает присоединение установки для синтеза меламина, на которой осуществляют превращение части мочевины, синтезированной на указанной установке для синтеза мочевины, в меламин. Для получения меламина можно использовать предпочтительно большую часть, а более предпочтительно все количество мочевины. Отходящие газы с указанной установки для синтеза меламина, присоединенной к установке для синтеза мочевины, возвращают на установку для синтеза мочевины, а часть газовой фазы, выделенной в отпарном аппарате на установке для синтеза мочевины и содержащей аммиак и диоксид углерода, направляют в реактор.