ПРИМЕНЕНИЕ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ, ВЫПЛАВЛЕННОЙ ДУПЛЕКС-ПРОЦЕССОМ, ПРИ ОТПАРКЕ АММИАКОМ НА УСТАНОВКАХ ДЛЯ СИНТЕЗА МОЧЕВИНЫ
USE OF DUPLEX STAINLESS STEEL IN AN AMMONIA-STRIPPING OF UREA PLANTS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к созданию или модернизации установок для синтеза мочевины способом с отпаркой аммиаком и самоотпаркой.
Уровень техники
Обзор способов синтеза мочевины и соответствующих установок можно найти в Ullman’s Encyclopedia of Industrial Chemistry (Энциклопедия промышленной химии), изд-во Wiley-VCH Verlag, т. А27.
Способы с отпаркой были внедрены в 1960-х гг. и в настоящее время доминируют в производстве мочевины во всем мире. В способе с отпаркой получаемый в результате синтеза раствор, выходящий из реактора, подвергают нагреву под высоким давлением, которое в основном такое же, как в реакторе. В результате карбамат аммония разлагается на аммиак и диоксид углерода в жидкой фазе, и часть выделившегося аммиака и диоксида углерода переходит из жидкой фазы в газовую фазу. После улавливания из отпарного устройства газовая фаза, содержащая не превращенный аммиак и диоксид углерода, конденсируется и возвращается на повторную переработку в реактор.
Для ускорения вышеуказанного процесса в способе с отпаркой аммиаком в качестве средства для отпарки используется аммиак. В способе с самоотпаркой средство для отпарки не используют, отпарка раствора обеспечивается только путем подачи тепла.
Способ с отпаркой аммиаком и способ с самоотпаркой широко известны, а вместе их также называют способом Снампроджетти (Snamprogetti) по названию компании-разработчика. Способ с самоотпаркой называют также способом с термической отпаркой, так как для отпарки раствора мочевины определяющим является тепло.
Другим способом отпарки является способ отпарки диоксидом углерода, в котором в качестве средства для отпарки используют газообразный диоксид углерода. Примерами известных способов отпарки диоксидом углерода являются способ компании Стамикарбон (Stamicarbon) и способ ACES.
Настоящее изобретение касается способа Снампроджетти и соответствующей установки. В настоящем описании и пунктах формулы изобретения любую ссылку на установку или способ с самоотпаркой следует равным образом понимать как ссылку на установку или способ с отпаркой аммиаком, и наоборот.
2
Установка для синтеза мочевины способом с самоотпаркой включает в основном контур высокого давления для синтеза, секцию среднего давления и секцию низкого давления для извлечения. Контур высокого давления обычно включает реактор для синтеза, отпарное устройство с паровым обогревом и горизонтальный конденсатор типа автоклава, который в основном работает при таком же давлении, обычно около 140-160 бар. Водный раствор мочевины, выходящий из реактора и содержащий аммиак и непрореагировавший карбамат аммония, подвергают отпарке, получая паровую фазу, содержащую аммиак и CO, которую конденсируют в конденсаторе высокого давления и возвращают на повторную переработку в указанный реактор. В следующих секциях среднего и низкого давления происходит разложение непрореагировавшего карбамата и рециркуляция аммиака из водного раствора мочевины, выходящего из секции высокого давления.
В контуре синтеза имеет место совокупность высокого давления, высокой температуры и присутствие коррозионных растворов. В особенности, карбамат аммония считают наиболее агрессивным по отношению к стали. Таким образом, выбор подходящих материалов является сложной задачей, и трубы отпарного устройства представляют собой один из наиболее критических компонентов, так как они работают при высокой температуре и высоком давлении, высокой концентрации карбамата и низкой концентрации кислорода.
В течение длительного времени на установках с отпаркой аммиаком и самоотпаркой для отпарного устройства использовали титановые трубы. Для преодоления проблем эрозии внутренней части титановых труб были внедрены биметаллические трубы, состоящие из наружной трубы, изготовленной из аустенитной нержавеющей стали, и внутренней трубы, изготовленной из циркония. Дальнейшие разработки в этом направлении привели к изготовлению труб полностью из циркония или биметаллических труб из титана и циркония (Ti-Zr). В этом отношении в ЕР-А-1577632 описаны трубы, изготовленные из титана или титанового сплава, покрытого слоем циркония, или циркониевого сплава, подходящие для использования в отпарном устройстве на установке для синтеза мочевины способом Снампроджетти.
В отличие от этого, в способах с отпаркой диоксидом углерода использовали специальную нержавеющую сталь, в том числе высоколегированную нержавеющую сталь и нержавеющую сталь, выплавленную дуплекс-процессом. Указанная сталь, выплавленная дуплекс-процессом, отличается двухфазной структурой, показывающей содержание и феррита, и аустенита, и обычно имеет высокое содержание хрома.
В итоге, известный уровень техники к настоящему моменту подсказал идею использования высококачественной стали для труб отпарного устройства на установках с отпаркой диоксидом углерода и более сложные решения (титановые трубы, циркониевые или биметаллические трубы) для труб отпарного устройства на установках с отпаркой аммиаком или самоотпаркой.
Поскольку на установки компании Снампроджетти приходится большая часть мировой мощности по производству мочевины, то имеется стимул к разработке эффективного способа повышения их производительности, в частности к модернизации действующих установок. Настоящее изобретение направлено на решение этой задачи.
Раскрытие изобретения
Заявитель неожиданно обнаружил, что определенную нержавеющую сталь, выплавленную дуплекс-процессом, можно также успешно применять на установках с самоотпаркой и отпаркой аммиаком для изготовления труб отпарного устройства. В настоящем изобретении используется нержавеющая сталь, выплавленная дуплекс-процессом, по одному из нижеуказанных вариантов:

А) сталь Safurex, а именно 29Cr-6,5Ni-2Mo-N, которую по системе кодирования ASME (Американское общество инженеров-механиков) обозначают также 2295-3 и по UNS (Единая система нумерации) - S32906,
или
Б) сталь DP28W™, а именно 27Cr-7,6Ni-1Mo-2,3W-N, которую по системе кодирования ASME обозначают также 2496-1 и по UNS - S32808.
Вышеуказанное обозначение подходящих материалов дано в соответствии с известными нормами, которые хорошо известны специалисту в данной области техники, т.е. по системе условных обозначений DIN (Германский промышленный стандарт), системе кодирования ASME и Единой системе нумерации (UNS).

Нержавеющая сталь, выплавленная дуплекс-процессом, по указанному варианту А), т.е. сталь Safurex, предпочтительно имеет следующий состав (мас.%):
С: макс. 0,05,
Si: макс. 0,8,
Mn: 0,3-4,0,
Cr: 28-35,
Ni: 3-10,
Mo: 1,0-4,0,
N: 0,2-0,6,
Cu: макс. 1,0,
W: макс. 2,0,
S: макс. 0,01,
Се: 0-0,2.
Содержание феррита предпочтительно составляет 30-70 об.% и более предпочтительно - 30-55 об.%.
Более предпочтительно указанная сталь по варианту А) содержит (мас.%): макс. 0,02 С, макс. 0,5 Si, 29-33 Cr, 1,0-2,0 Мо, 0,36-0,55 N, 0,3-1,0 Mn.
Нержавеющая сталь, выплавленная дуплекс-процессом, по указанному варианту Б), т.е. сталь DP28W™, предпочтительно имеет следующий состав (мас.%):
С: не более 0,03,
Si: не более 0,5,
Mn: не более 2,
Р: не более 0,04,
S: не более 0,003,
Cr: не менее 26, но менее 28,
Ni: 6-10,
Мо: 0,2-1,7,
W: более 2, но не более 3,
N: более 0,3, но не более 0,4,
остальное - Fe и примеси, в которых содержание Cu в виде примеси составляет не более 0,3 мас. %.
Более предпочтительно, если указанная сталь по варианту Б) содержит 27-27,9% хрома (Cr); 7%-8,2% никеля (Ni); 0,8%-1,2% молибдена (Мо); 2%-2,5% вольфрама (W); 0,3-0,4% азота (N).
Представленный выше процентный состав указан в мас.%.
Выше упоминалось, что применение нержавеющей стали, выплавленной дуплекс-процессом, на установках для синтеза мочевины было предложено в соответствующей литературе и на известных установках только в сочетании со способом с отпаркой диоксидом углерода, таким как вышеупомянутые способы Стамикарбон или ACES.
2
2
Следует отметить, что трубы отпарного устройства на установке для синтеза мочевины способом Снампроджетти работают при более высокой температуре в сравнении с трубами для отпарки на установке с отпаркой диоксидом углерода. Отпарное устройство на установке с отпаркой аммиаком или самоотпаркой обычно работает с температурой на выходе примерно не ниже 205°C (например, 205-210°C), тогда как отпарное устройство на установке с отпаркой диоксидом углерода работает с температурой на выходе около 160°C. Более того, СО, подаваемый в нижнюю часть отпарного устройства, содержит О, который является пассиватором для защиты поверхности стали от коррозии. До настоящего времени из-за вышеуказанных различий нержавеющую сталь, выплавленную дуплекс-процессом, считали неподходящей для использования в отпарном устройстве на установках для синтеза мочевины способом с отпаркой аммиаком или самоотпаркой.
В противоположность этому предубеждению, заявитель пришел к заключению, что определенную нержавеющую сталь, выплавленную дуплекс-процессом в соответствии с указанными химическими требованиями, можно использовать для изготовления труб для отпарки на установках для синтеза мочевины способом с отпаркой аммиаком или самоотпаркой.
В соответствии с вышеизложенным, в первом аспекте настоящего изобретения предлагается кожухотрубное отпарное устройство для использования на установке для синтеза мочевины способом с отпаркой аммиаком или самоотпаркой, причем указанное отпарное устройство включает кожух и пучок труб с возможностью обеспечить отпарку раствора карбамата, подаваемого в указанные трубы путем нагрева и необязательно с использованием аммиака в качестве средства для отпарки, и причем трубы отпарного устройства изготовлены из указанной нержавеющей стали, выплавленной дуплекс-процессом.
Во время работы в пучок труб указанного отпарного устройства подают выходящий из реактора поток (раствор мочевины), проходящий внутри труб. Тепло для процесса отпарки поступает, например, с горячим водяным паром, который подают во внетрубную зону, нагревая, таким образом, пучок труб.
Указанное отпарное устройство предпочтительно представляет собой вертикальное отпарное устройство с падающей пленкой (пленочного типа). В этом варианте раствор мочевины подают так, чтобы образовалась жидкая пленка, спускающаяся книзу внутри труб, в то время как отпаренная газовая фаза, содержащая аммиак и диоксид углерода, проходит в противотоке через центральную часть труб и собирается в верхней части отпарного устройства. Горячий водяной пар, проходящий с наружной стороны труб, подводит тепло, необходимое для разложения карбамата, содержащегося в растворе.
2
В частности, предпочтительно подавать в нижнюю часть отпарного устройства поток, содержащий кислород (О), чтобы обеспечить пассиватор для защиты труб. Это можно выполнить, например, с использованием специально для этого предназначенного потока воздуха или, что более предпочтительно, посредством отделения газа от жидкости в верхней части реактора. Если в реактор подают кислород для пассивации, можно использовать этот второй вариант осуществления изобретения.
Выходящий газовый поток, полученный из верхней части реактора, содержит непрореагировавший диоксид углерода и аммиак вместе с некоторым количеством кислорода для пассивации. Поэтому указанный выходящий поток можно использовать для защиты отпарного устройства.
Во втором аспекте настоящего изобретения предлагается установка для синтеза мочевины, которая работает по процессу с отпаркой аммиаком или термической отпаркой. Такая установка включает контур высокого давления для синтеза, включающий реактор для синтеза, кожухотрубное отпарное устройство и конденсатор, и отличается тем, что отпарное устройство включает трубы, изготовленные из нержавеющей стали, выплавленной дуплекс-процессом в соответствии с вышеуказанными вариантами.
Еще один аспект настоящего изобретения касается модернизации действующих установок для синтеза мочевины способом с отпаркой аммиаком или самоотпаркой с использованием нержавеющей стали, выплавленной дуплекс-процессом в соответствии с вышеуказанными вариантами, в качестве материала для труб отпарного устройства. Например, вместо прежнего стандартного отпарного устройства (с трубами, изготовленными из обычной стали, или с титановыми трубами, или с биметаллическими трубами) может быть установлено новое отпарное устройство с трубами, изготовленными из стали по одному из вышеуказанных вариантов. Если это целесообразно, то кожух отпарного устройства можно сохранить, заменяя только прежние трубы новыми трубами из нержавеющей стали, выплавленной дуплекс-процессом.
Следующий аспект настоящего изобретения - модернизация обычного контура с полной рециркуляцией для осуществления современного способа с самоотпаркой, с использованием в отпарном устройстве стали, выплавленной дуплекс-процессом в соответствии с вышеуказанными вариантами. Термин "полная рециркуляция" обозначает прежние установки без отпарки, на которых все количество непрореагировавшего диоксида углерода возвращали на повторную переработку в виде водного раствора.
Способ модернизации установки для синтеза мочевины с полной рециркуляцией без отпарки в целях создания контура высокого давления включает, например, установку кожухотрубного отпарного устройства высокого давления, работающего в основном под давлением действующего реактора, и установку конденсатора. Таким образом, обычная установка с полной рециркуляцией преобразуется в более эффективную установку с отпаркой. Новое отпарное устройство имеет трубы, изготовленные из нержавеющей стали, выплавленной дуплекс-процессом в соответствии с вышеуказанными вариантами.
Еще в одном аспекте настоящего изобретения предлагается способ синтеза мочевины по процессу с самоотпаркой или отпаркой аммиаком, включающий стадию отпарки потока, выходящего из реактора, в кожухотрубном отпарном устройстве, причем трубы указанного отпарного устройства изготовлены из нержавеющей стали, выплавленной дуплекс-процессом в соответствии с вышеуказанными вариантами.