КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ РАСТВОРА МОЧЕВИНЫ В СПОСОБЕ СИНТЕЗА МОЧЕВИНЫ
UREA SOLUTION CONCENTRATION IN METHOD OF UREA SYNTHESIS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области синтеза мочевины. Более конкретно, настоящее изобретение относится к стадии концентрирования водного раствора мочевины, который получают из секции извлечения на установке для синтеза мочевины.
Уровень техники
Известные способы синтеза мочевины включают в основном контур синтеза под высоким давлением, секцию извлечения, работающую под средним и (или) низким давлением, секцию концентрирования и секцию окончательной обработки. В контуре синтеза взаимодействуют исходные материалы - аммиак и диоксид углерода, образуя раствор мочевины, воду и карбамат аммония; этот раствор подвергают очистке в секции, работающей под средним или низким давлением, расположенной ниже по потоку, в основном для извлечения аммиака и диоксида углерода, образующихся при разложении карбамата.
Поток, выходящий из секции извлечения, обычно представляет собой водный раствор мочевины, содержащий примерно 50-90 мас. % мочевины, на современных установках - обычно 70-80 мас. %. Однако в некоторых случаях применения требуется гораздо более высокая концентрация. Например, способы окончательной обработки для гранулирования и получения гранул отверждением капелек распыленного раствора с целью превращения мочевины в твердый продукт требуют использования расплава мочевины, имеющего чистоту 95-99,8 мас. %. На известном уровне техники такую более высокую концентрацию получают или концентрированием под вакуумом, или кристаллизацией раствора мочевины.
Приведенное выше общее описание относится к большей части современных установок для получения мочевины, в частности, также к способам с самоотпаркой и способам с отпаркой диоксидом углерода и к конструкции новых установок для синтеза мочевины. Всестороннее рассмотрение этих способов и соответствующих установок для получения мочевины можно найти в литературе, например Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology (Энциклопедия химической технологии), 3-е изд., т. 23, стр. 548-562, или Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (Энциклопедия Ульмана по промышленной химии), изд-во Wiley-VCH Verlag.
Следует отметить, что постоянно возникающей проблемой в способах синтеза мочевины является удаление воды из потока, выходящего из контура высокого давления или секции извлечения, поскольку на каждую грамм-молекулу мочевины получают одну грамм-молекулу воды. Как сообщалось выше, потребность в концентрировании потока, выходящего из секции извлечения, в настоящее время реализуют, используя выпаривание или кристаллизацию.
Кристаллизация означает физическое разделение твердой фазы (кристаллизованной мочевины) и жидкой фазы (воды), а недостатком этого способа является использование крупногабаритных и сложных установок, требующих значительного объема работ по техобслуживанию с точки зрения потребности в рабочей силе и финансовых затрат. Вакуум-выпарные аппараты также имеют ряд недостатков. Во-первых, из-за их низкого давления (вакуум) для них нужны большие и дорогостоящие емкости. Кроме того, установки, работающие под вакуумом, создают проблему герметизации во избежание подсоса воздуха извне.
Еще одним недостатком является низкая энергоэффективность. Вакуум-выпарной аппарат требует подвода тепла, которое обычно доставляет горячий водяной пар, получаемый на установке где-то в другом месте; более того, вакуум создают посредством паровых эжекторов, которые не являются вполне эффективным оборудованием. Вместе с тем, поток газа, выходящий из выпарного аппарата, наряду с движущим (энергетическим) паром эжекторов нужно конденсировать, сбрасывая менее полезное тепло, которое больше нельзя повторно использовать в этом способе. Указанное тепло обычно отводят посредством воздушного или водяного охлаждения и рассеивают в атмосфере. Поэтому существует потребность обеспечить более подходящий процесс концентрирования раствора мочевины, поступающего из секции извлечения на известных установках для синтеза мочевины.
Раскрытие изобретения
В настоящем изобретении предлагается отделять воду и, возможно, другие отличные от мочевины компоненты, содержащиеся в растворе мочевины, выходящем из секции извлечения на установке для синтеза мочевины, посредством избирательной мембраны.
Соответственно, первой особенностью изобретения является способ синтеза мочевины, в котором в секции синтеза мочевины получают водный раствор, содержащий мочевину с некоторым количеством остаточного аммиака и диоксида углерода, указанный раствор очищают в секции извлечения, а водный раствор, содержащий в основном мочевину и воду, который получают из упомянутой секции извлечения, подвергают процессу концентрирования, отличающемуся тем, что указанный процесс концентрирования включает по меньшей мере одну стадию отделения посредством избирательной мембраны.
Указанную стадию отделения посредством избирательной мембраны осуществляют с использованием одной или более мембран. Мембрана для осуществления настоящего изобретения, во-первых, обладает пропускающей способностью для переноса воды и (или) для переноса других загрязняющих примесей, а во-вторых, специальной пропускающей способностью для переноса мочевины. Указанную стадию предпочтительно осуществляют с использованием по меньшей мере водо-избирательной мембраны, приспособленной для отделения воды от мочевины и концентрирования раствора. Например, подходящая водо-избирательная мембрана является проницаемой для воды и по существу непроницаемой для других составляющих раствора, а именно мочевины. Это можно понимать так, что, например, при контакте водного раствора мочевины с водо-избирательной мембраной на стороне подачи воду собирают на стороне выхода, таким образом, повышая концентрацию раствора на стороне подачи.
Мембрана обеспечивает разделение первой стороны (сторона подачи) и второй стороны (сторона выхода). С этой целью указанная мембрана может представлять собой плоскую мембрану или иметь другую форму, например представлять собой мембрану, скрученную спиралью. В некоторых вариантах осуществления изобретения для улучшения этого способа давление на стороне подачи и на стороне выхода может быть разным.
Концентрирование на основе использования мембраны может быть не единственным способом концентрирования. До или после указанной стадии отделения посредством избирательной мембраны водный раствор можно концентрировать другим способом (например, выпариванием или кристаллизацией).
В соответствии с разными вариантами осуществления изобретения водный раствор, который подвергают разделению посредством избирательной мембраны, - это раствор, выходящий из секции извлечения, или раствор, концентрированный ранее обычным способом, таким как выпаривание или кристаллизация. Таким же образом, концентрированный раствор, выходящий при осуществлении способа отделения посредством мембраны, можно (по усмотрению) дополнительно концентрировать другим способом, если это необходимо или целесообразно.
В некоторых вариантах осуществления изобретения указанный способ концентрирования включает использование более одной избирательной мембраны и, возможно, нескольких мембран различной природы для отделения воды и других загрязняющих примесей из водного раствора мочевины. Упомянутые загрязняющие примеси могут включать аммиак или соли, например карбонаты, которые в малых количествах можно обнаружить в растворе.
Концентрация раствора, поступающего в мембрану, предпочтительно составляет 50-90 мас. % мочевины. После концентрирования раствор предпочтительно содержит более 85 мас. % мочевины, а более предпочтительно - 95-100 мас. %.
Второй особенностью изобретения является установка для синтеза мочевины, включающая секцию синтеза и секцию извлечения и отличающаяся секцией концентрирования для обработки водного раствора мочевины, причем указанная секция концентрирования включает по меньшей мере одну стадию концентрирования посредством мембраны, включающую избирательную мембрану. Указанная мембрана предпочтительно представляет собой водо-избирательную мембрану для отделения воды из водного раствора мочевины.
Еще одной особенностью изобретения является модернизация существующей установки для синтеза мочевины, при которой существующую секцию концентрирования переделывают, включая стадию концентрирования посредством мембраны.
Отделение посредством мембраны может полностью или частично заменить обычную секцию вакуумного выпаривания или кристаллизации. Можно обеспечить высокую концентрацию, например не ниже 95-99,5 мас. %, подходящую для осуществления способов окончательной обработки для гранулирования или получения гранул отверждением распыленных капелек без использования дорогостоящих и крупногабаритных работающих под вакуумом установок для обычных секций. Более того, концентрирование посредством мембран не требует значительных энергозатрат или подвода тепла, что повышает энергоэффективность этого способа в целом.
Описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
На чертеже показана блок-схема частного варианта осуществления изобретения. Ссылочным номером 10 обозначена секция синтеза под высоким давлением, в которой взаимодействуют аммиак 12 и диоксид углерода 11. В соответствии с известным уровнем техники в ряде вариантов осуществления изобретения указанная секция 10 может включать реактор, отпарной аппарат и конденсатор, образующие контур высокого давления.
Выходящий из секции 10 поток 13 обрабатывают в секции 14 извлечения в основном для выделения аммиака и диоксида углерода. Водный раствор 15 мочевины из секции 14 извлечения направляют в секцию 16 концентрирования, включающую водо-избирательную мембрану.
Например, к первой стороне мембраны подают раствор 15, а с другой стороны (стороны выхода) мембраны получают поток 17, состоящий в основном из воды. Для получения по существу чистой воды W указанный поток 17 предпочтительно очищают в секции 18. Концентрированный раствор 19, имеющий концентрацию, например, приблизительно не ниже 95-99,5 мас. %, пропускают в секцию 20 окончательной обработки для получения по существу чистой мочевины U.