СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ СУЛЬФАТА АММОНИЯ ИЗ ГАЗОВОГО ПОТОКА УСТАНОВКИ ПО ПРОИЗВОДСТВУ МОЧЕВИНЫ
METHOD AND SYSTEM FOR RECOVERING AMMONIUM SULPHATE FROM UREA PLANT GAS STREAM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к способу и системе для извлечения сульфата аммония из газового потока установки по производству мочевины.
Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу и системе для извлечения сульфата аммония из газового потока, образовавшегося в блоке отверждения (гранулирования или приллирования) установки по производству мочевины.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как известно, процессы производства мочевины в промышленном масштабе основаны на осуществляемой при высокой температуре и под высоким давлением реакции между диоксидом углерода и аммиаком с образованием карбамата аммония и последующей реакции разложения карбамата аммония с образованием мочевины и воды.
На установке по производству мочевины обычного типа эти процессы обычно проводят в реакторе синтеза мочевины; воду и раствор мочевины, полученные в реакторе синтеза, затем постепенно концентрируют, а неизрасходованные реагенты извлекают в одной или нескольких секциях извлечения, например, секции высокого давления, секции промежуточного давления и секции низкого давления; наконец, мочевину отверждают в секции отверждения, обычно включающей гранулятор или колонну приллирования.
Более конкретно, мочевину, полученную в реакторе синтеза, постепенно концентрируют до более, чем, примерно, 95% (обычно – 96–99,7%) вес., после чего подают в секцию отверждения (гранулятор или колонну приллирования) с целью получения конечного товарного продукта в форме гранулированной или приллированной мочевины (гранул или крупинок мочевины).
Мочевину обычно подают в гранулятор или колонну приллирования в жидком состоянии, и она отверждается под действием потока окружающего воздуха.
Отверждающий воздух содержит аммиак, выделившийся из мочевины в процессе охлаждения и отверждения, следовательно, перед выбросом в атмосферу его необходимо подвергнуть обработке, направленной на удаление содержащегося в нем аммиака.
В соответствии с одним из известных способов удаления аммиака из охлаждающего воздуха, воздух подают в скруббер, где от вступает в контакт с раствором серной кислоты, в качестве побочного продукта при этом образуется раствор, содержащий до 40% сульфата аммония.
Будучи побочным продуктом реакции, сульфат аммония гигроскопичен, имеет малую коммерческую ценность и трудно поддается химической и физической обработке.
Однако, поскольку для некоторых зерновых культур сульфат аммония является вовсе не вредным, а благоприятным веществом, сульфат аммония, извлеченный на установке по производству мочевины, может быть с успехом использован для производства удобрений на основе мочевины.
Один из способов извлечения сульфата аммония из отходящих потоков установки по производству мочевины описан в ЕР 2192099-А1. В соответствии с этим способом образуется водный раствор мочевины, вода и сульфат аммония; после концентрирования в испарителе, обычно до, самое большее, 12%, этот поток направляют на стадию гранулирования. Поскольку в данном способе используется гранулятор, который, как известно, также работает в присутствии значительного количества воды, удаление всего или почти всего количества воды из растворов, подаваемых в гранулятор, не только не является необходимым, но и не предусматривается.
С другой стороны, на установках по производству мочевины с секциями отверждения в виде колонны приллирования, чтобы исключить ухудшение качества конечного продукта, в колонны приллирования может быть подан только раствор, содержащий следовые количества (примерно, 0,2–0,3% вес.) воды.
На установках, подобных этим, невозможно использовать процессы, относящиеся к описанному выше типу, на том основании, что удаление воды из сульфата аммония делает их непригодными на практике.
Как указано выше, сульфат аммония с большим трудом поддается химической и физической обработке, особенно на стадиях удаления воды и плавления.
Действительно, раствор сульфата аммония в воде с концентрацией около 51% вес. кипит при температуре 108,5°С. При этой концентрации начинается кристаллизация, и кристаллическое вещество трудно обрабатывать и смешивать с мочевиной.
Чистый кристаллический сульфат аммония также невозможно расплавить, чтобы вводить его при помощи насосов. Действительно, до того, как расплавиться, сульфат аммония разлагается при температуре 230–280°С.
В US 3785796 А описан способ производства гранул мочевины из смесей мочевины и сульфата аммония, содержащих значительную долю (15–70% вес.) сульфата аммония, и, среди прочего, условия, в которых мочевина и сульфат аммония, образуют эвтектическую смесь. Однако, этот способ неприменим для извлечения сульфата аммония из потоков установок по производству мочевины.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является обеспечение способа и системы для извлечения сульфата аммония из газового потока, образующегося на установке по производству мочевины, в частности, на блоке отверждения этого установки, который позволяет эффективным образом и относительно просто и недорого извлекать сульфат аммония также из отходящих потоков установок по производству мочевины, на которых используются колонны приллирования (хотя также применим и в случае наличия грануляторов).
В соответствии с настоящим изобретением, им обеспечиваются способ и система для извлечения сульфата аммония из газового потока, образующегося на установке по производству мочевины, в частности, на блоке отверждения этого установки, определяемые, по существу, пунктами 1 и 22, соответственно, прилагаемой формулы изобретения.
Дополнительные предпочтительные характеристики указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Способ и система, соответствующие изобретению, позволяют рециркулировать являющийся побочным продуктом малоценный сульфат аммония и производить, относительно просто и дешево, конечный продукт, содержащий сульфат аммония и бóльшую долю – примерно, 99,5% - мочевины, чем известные растворы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение равно может быть использовано как на существующих, так и на новых установках по производству мочевины, на которых используются колонны приллирования или грануляторы.
Ряд не имеющих ограничительного характера вариантов осуществления настоящего изобретения описан далее для примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
На фиг. 1 представлена очень упрощенная блок-схема установки по производству мочевины, оборудованная системой извлечения сульфата аммония, соответствующим настоящему изобретению;
На фиг. 2 представлена схема первого варианта осуществления системы извлечения сульфата аммония, соответствующего настоящему изобретению;
На фиг. 3 представлена схема одной из модификаций варианта, представленного на фиг. 2;
На фиг. 4 представлена схема второго варианта осуществления системы извлечения сульфата аммония, соответствующего настоящему изобретению;
На фиг. 5 представлен график существенных химических и физических параметров смесей растворов мочевины и сульфата аммония и предпочтительный рабочий диапазон, соответствующий настоящему изобретению.
НАИЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 показана схема установки 1 по производству мочевины, оборудованного системой 2 извлечения сульфата аммония из газового потока, образовавшегося на установке 1 по производству мочевины, в частности, из газового потока, отходящего из блока отверждения данного установки 1 по производству мочевины.
Установка 1 по производству мочевины, по существу, включает: реактор 3 синтеза мочевины, в котором мочевину синтезируют из аммиака и диоксида углерода; секции 4 извлечения, в частности, секцию 5 высокого давления, секцию 6 промежуточного давления и секцию 7 низкого давления, в которых раствор мочевины, произведенный в реакторе 3 синтеза, постепенно концентрируют, воду и непрореагировавшие аммиак и диоксид углерода извлекают, и рециркулируют эти извлеченные компоненты; вакуумную секцию 8, оборудованную вакуумной системой и соединенную с секцией 9 обработки дренажной воды; и, по меньшей мере, одну блок 10 отверждения, например, грануляционную блок или блок приллирования, образующую часть или функционально соединенную с системой 2 извлечения, в которой произведенной мочевине придают форму гранул или крупинок.
Для упрощения изложения на фиг. 1 не показаны составные части каждой секции или не во всех подробностях изображены линии, по которым различные потоки перемещают или рециркулируют из одной секции в другую. На фиг. 1 просто схематически показаны линии подачи реагентов на установка 1 по производству мочевины и функциональные соединения между секциями.
В варианте осуществления изобретения, представленном на фиг. 2, блок 10 отверждения включает колонну 11 приллирования, соединенную с установкой 1 по производству мочевины главной линией 12 подачи, предназначенной для отведения потока высококонцентрированного расплава мочевины с установки 1 по производству мочевины (под которым подразумевается типичный продукт установки по производству мочевины с концентрацией, примерно, более 95% и, примерно, от 96,0 до 99,7% вес.; высококонцентрированный расплав мочевины обычно имеет концентрацию около 96% на установках по производству мочевины с использованием грануляторов и около 99,7% на установках по производству мочевины с использованием блока приллирования).
Система 2 извлечения включает скруббер 13, соединенный с колонной 11 приллирования и предназначенный для обработки исходящего из нее газового потока; и смесительный контур 14, снабженный испарителем 15 и соединяющий скруббер 13 с главной линией 12 подачи, по которой производится подача в колонну 11 приллирования, вместе с высококонцентрированным расплавом мочевины, смеси мочевины и сульфата аммония, содержащей следовые количества воды, более конкретно, эвтектической смеси мочевины и сульфата аммония.
Главная линия 12 подачи соединяет главное выпуск 21 установки 1 по производству мочевины со входным отверстием 22 колонны 11 приллирования, по ней осуществляют подачу в колонну 11 приллирования высококонцентрированного расплава мочевины с установки 1 по производству мочевины.
В колонну 11 приллирования подают поток охлаждающего воздуха, схематично показанный на фиг. 2 стрелкой 23, который поступает в колонну 11 приллирования через входные отверстия для воздуха с целью отверждения расплава мочевины с образованием приллированной мочевины.
Газовый поток из колонны 11 приллирования, состоящий, по существу, из охлаждающего воздуха, использованного в колонне 11 приллирования, и содержащий аммиак (выделившийся из мочевины по мере ее охлаждения и отверждения), подают в скруббер 13 по газовой линии 24, соединяющей верхнюю часть 25 колонны 11 приллирования со входным отверстием 26 для газа скруббера 13.
Скруббер 13 служит для извлечения аммиака из газового потока, образующегося в колонне 11 приллирования; аммиак извлекают в скруббере 13 посредством реакции с серной кислотой с образованием сульфата аммония, который выводят из скруббера 13 в форме водного раствора.
Серную кислоту (например, с концентрацией 93–98%) подают в скруббер 13 по линии 28 подачи кислоты.
Скруббер снабжен выпускной линией 29, оборудованной рециркуляционным насосом 30, которая соединяет нижнюю часть 31 скруббера 13 с верхней частью 32 скруббера 13 с целью рециркуляции отходящего потока, содержащего раствор сульфата аммония в воде, образовавшегося в скруббере 13. Выпускная линия 29 соединена с линией 28 подачи кислоты в точке 33 соединения, благодаря чему серная кислота поступает в скруббер 13 в смеси с частью отходящего потока (раствора сульфата аммония) скруббера 13. Рециркуляционный насос 30 расположен, например, на выпускной линии 29 по потоку до точки 33 соединения.
В скруббер 13 образуется раствор сульфата аммония с концентрацией, примерно, до 40% вес., который отводят из нижней части 31 скруббера 13 по выпускной линии 29 и, после добавления свежей серной кислоты, частично рециркулируют в скруббер 13 и частично – в испаритель 15 по отводящей линии 34.
В скруббере 13 имеется выпуск 35 для газа, через которое выходят чистые, т.е., не содержащие аммиак, газы.
Смесительный контур 14 включает: испаритель 15; отводящую линию 34, которая соединяет выпускную линию 29 скруббера 13 с верхней частью 36 испарителя 15; вторичную линию 37 подачи, которая соединяет вспомогательное выпуск38 установки 1 по производству мочевины с верхней частью 36 испарителя 15; выпускную линию 41 для смеси, оборудованную циркуляционным насосом 42, которая проходит от испарителя 15 до главной линии 12 подачи; и рециркуляционную линию 43, соединяющую выпускную линию 41 для смеси с верхней частью 36 испарителя 15.
Отводящая линия 34 ответвляется от выпускной линии 29 скруббера 13 по потоку после точки 33 соединения, т.е., по потоку после той точки, в которой выпускная линия 29 соединяется с линией 28 подачи кислоты, и обеспечивает подачу в испаритель 15 водного раствора сульфата аммония с концентрацией до 40% вес.
По вторичной линии 37 подачи производят подачу низкоконцентрированного раствора расплава мочевины (под которым понимается водный раствор расплава мочевины с концентрацией менее, приблизительно, 90% вес., примерно, 85%) с установки 1 по производству мочевины в испаритель 15.
Испаритель 15, предпочтительно, представляет собой вакуумный испаритель, который нагревается паром низкого давления, преимущественно, установки 1 по производству мочевины, отводимым, например, из секции 5 высокого давления.
Таким образом, в испаритель 15 поступает низкоконцентрированный (например, приблизительно, 85% вес.) раствор мочевины с установки 1 по производству мочевины и водный раствор сульфата аммония с концентрацией до 40% вес. из скруббера 13.
Оба раствора (низкоконцентрированный раствор мочевины и раствор сульфата аммония) концентрируют в испарителе 15, отделяя паровую фазу посредством горячего пара, подаваемого, предпочтительно, в рубашку испарителя 15, и получая смесь мочевины и сульфата аммония, содержащую только остаточные следовые количества воды (содержание воды менее 1%, предпочтительно, менее 0,5%, более предпочтительно, менее 0,3% вес.) и соответствующую условиям подачи в колонну 11 приллирования.
Более конкретно, раствор сульфата аммония с концентрацией до 40% вес., полученный в скруббере 13, смешивают с раствором мочевины с концентрацией, приблизительно, 85% вес., поступающим из вакуумной секции 8 установки 1 по производству мочевины, с образованием, после выпаривания воды, эвтектического расплава мочевины – сульфата аммония.
Как известно, эвтектической является смесь веществ, имеющая более низкую температуру плавления, чем каждое из составляющих ее веществ.
Чтобы избежать проблем, связанных с разложением, нестабильностью и кристаллизацией, смесь (эвтектическая) должна иметь концентрацию сульфата аммония менее 60%.
Благодаря этому предотвращается образование кристаллического сульфата аммония, так как при концентрации сульфата аммония 30–60% эвтектическая смесь плавится в диапазоне температур 121–150°С.
Более конкретно, 0,3–0,5 кг раствора мочевины с концентрацией 85% вес. добавляют на килограмм водного раствора сульфата аммония с целью получения смеси, содержащей 15–30% мочевины, примерно, 30% сульфата аммония, остальное – вода. Воду затем удаляют в испарителе 15, получая эвтектическую смесь мочевина – сульфат аммония.
На фиг. 5 представлены некоторые существенные химические и физические параметры эвтектической смеси мочевина - сульфат аммония, более конкретно:
- график температуры плавления эвтектической смеси мочевина
- сульфат аммония;
- область разложения сульфата аммония;
- предпочтительный диапазон концентраций в соответствии с настоящим изобретением.
Для предотвращения выделения в испарителе 15 какого-либо количества аммиака из 85%-ного раствора мочевины, поступающего с установки 1 по производству мочевины, раствор сульфата аммония отводят по потоку после точки (т.е., точки 33 соединения), в которой в скруббер 13 вводят серную кислоту. Таким образом, избыток серной кислоты соединяется с избытком аммиака в 85%-ном растворе мочевины с образованием сульфата аммония, благодаря чему предотвращается переход аммиака в паровую фазу, выделяющуюся в испарителе 15.
Другими словами, в испарителе 15 образуется эвтектический расплав мочевина – сульфат аммония со следовым количеством воды и температурой, примерно, 135°С (эвтектическая смесь, содержащая 30–50% мочевины с температурой плавления 121–150°С).
Эвтектический расплав мочевина – сульфат аммония (примерно, при 135°С) из испарителя 15 подают по выпускной линии 41 для смеси в главную линию 12 подачи на смешение с высококонцентрированным (96–99,7%) расплавом мочевины, поступающим с установки 1 по производству мочевины (также, примерно, при 135°С). Как было указано, на установках с грануляторами концентрация высококонцентрированного расплава мочевины составляет около 96% вес., а на установках с блоками приллирования – около 99,7% вес.
Расход высококонцентрированной мочевины, примерно, в 100–200 раз превосходит расход эвтектической смеси мочевина – сульфат аммония из испарителя 15.
Получаемая смесь содержит менее 0,5% вес. сульфата аммония и поступает в колонну 11 приллирования.
Испаритель 15, предназначенный для удаления воды из смеси, предпочтительно, представляет собой вакуумный испаритель; в этом случае предотвращается образование биурета вследствие возможного разложения мочевины, который является нежелательной загрязняющей примесью.
Пар из верхней части 36 испарителя 15 подают в вакуумную систему 44.
Более конкретно, паровая линия 46 соединяет выпуск 47 для пара испарителя 15 с конденсатором 48, в котором паровая фаза, отделенная в испарителе 15, конденсируется, например, в результате теплообмена с холодной водой, с образованием конденсата. Конденсат, полученный в конденсаторе 48, подают, возможно, вместе с водой извне, подаваемой по линии 49 подачи воды, в верхнюю часть 32 скруббера 13 по линии 51 конденсата, снабженной насосом 52 и соединяющей конденсатор 48 со скруббером 13.
При осуществлении способа, соответствующего изобретению, система 2 извлечения функционирует следующим образом.
Газовый поток, поступающий из блока 10 отверждения (в представленном примере – из колонны 11 приллирования), подвергают обработке в скруббере 13, соединенном с блоком 10 отверждения, с целью удаления аммиака из газового потока с образованием раствора сульфата аммония.
В скруббере 13 аммиак газового потока, поступающего из блока 10 отверждения, извлекают посредством реакции с серной кислотой с образованием воды и раствора сульфата аммония, которые подают из скруббера 13 в испаритель 25.
В скруббер 13 подают серную кислоту; раствор сульфата аммония из скруббера 13 частично рециркулируют в верхнюю часть скруббера 13 после того, как добавлена свежая серная кислота, и частично подают в испаритель 15 на смешивание с низкоконцентрированным (85% вес.) раствором мочевины, произведенным на установке 1 по производству мочевины.
Более конкретно, раствор сульфата аммония, полученный в скруббере 13, выводят из скруббера 13, добавляют серную кислоту и смешивают в испарителе 15 с низкоконцентрированным (85% вес.) раствором мочевины, произведенным на установке 1 по производству мочевины; в испарителе 15 отделяют воду, получая эвтектическую смесь мочевина – сульфат аммония.
Эвтектическую смесь мочевина – сульфат аммония, смешанную с высококонцентрированным расплавом мочевины, произведенным на установке 2 по производству мочевины, подают в блок 10 отверждения.
Как указано выше, подаваемый в испаритель 15 низкоконцентрированный раствор мочевины имеет более низкую концентрацию, чем высококонцентрированный расплав мочевины, смешанный с эвтектической смесью.
Более конкретно, низкоконцентрированный раствор расплава мочевины имеет концентрацию менее 95% вес., предпочтительно, менее 90% вес., примерно, около 85% вес.; а высококонцентрированный расплав мочевины обычно имеет концентрацию более, чем, примерно, 95%, приблизительно, от 96,0 до 99,7% вес.
Предпочтительно, водный раствор сульфата аммония, подаваемый из скруббера 13 в испаритель 15, имеет концентрацию до 40% вес., а раствор мочевины имеет концентрацию, примерно, 85% вес.
В испарителе 15 раствор сульфата аммония, поступающий из скруббера 13, и низкоконцентрированный раствор мочевины смешивают и концентрируют, отделяя паровую фазу, с образованием эвтектической смеси мочевина – сульфат аммония.
Эвтектическая смесь характеризуется концентрацией сульфата аммония менее 60% вес.
Часть эвтектической смеси из испарителя 15 рециркулируют в верхнюю часть испарителя 15, оставшуюся часть смешивают с высококонцентрированным расплавом мочевины. Расход высококонцентрированного расплава мочевины, примерно, в 100–200 раз больше расхода эвтектической смеси мочевина – сульфат аммония из испарителя 15.
Получаемая смесь содержит менее 0,5% вес. сульфата аммония.
Паровую фазу, отделенную в испарителе 15, подают в конденсатор, где она конденсируется с образованием конденсата, который подают, возможно, вместе с водой извне, в скруббер 13.
На фиг. 3, где любые элементы, подобные или идентичные уже описанным, обозначены теми же номерами позиций, представлен вариант системы 2 извлечения, описанного выше, который особенно эффективен в случае поступления из скруббера 13 очень разбавленного раствора сульфата аммония с большим расходом.
В этом случае система 2 извлечения включает предварительный концентратор 55, более конкретно - атмосферный предварительный концентратор, расположенный по потоку до испарителя 15 на отводящей линии 34 и предназначенный для обработки и предварительной концентрации раствора сульфата аммония, подступающего из скруббера 13, до его поступления в испаритель 15. Предварительный концентратор 55 нагревают, например, паром низкого давления, отводимым, например, из секции 5 высокого давления.
На вторичной линии 37 подачи, которая соединяет установка1 по производству мочевины с испарителем 15 и предназначена для подачи в испаритель 15 низкоконцентрированного (85% вес.) раствора мочевины, имеется ответвление 56 для подачи части низкоконцентрированного (85% вес.) раствора мочевины в предварительный концентратор 55.
Предварительный концентратор 55 снабжен выпускной линией 61, оборудованной циркуляционным насосом 62, идущей от предварительного концентратора 55 к верхней части 36 испарителя 15 и составляющей часть отводящей линии 34.
Отводящая линия 34, оборудованная циркуляционным насосом 30, соединяет выпускную линию 29 скруббера 13 (по потоку после точки 33 соединения, т.е., от места, где выпускная линия 29 соединяется с линией 28 подачи кислоты, и по потоку после циркуляционного насоса 30) с предварительным концентратором 55 и обеспечивает подачу в него воды и раствора сульфата аммония с концентрацией до 40% вес.
В предварительном концентраторе 55 происходит концентрирование и смешивание указанного раствора с низкоконцентрированным (примерно, 85% вес.) раствором мочевины с образованием концентрированного водного раствора, содержащего, например, около 40–50% вес. сульфата аммония, который подают в испаритель 15 с целью удаления воды и получения эвтектической смеси, описанной ранее.
Пар из верхней части 63 предварительного концентратора 55 подают по линии 66 для пара в верхнюю часть 32 скруббера 13.
В варианте осуществления изобретения, представленном на фиг. 4, где любые элементы, подобные или идентичные уже описанным, обозначены теми же номерами позиций, система 2 извлечения, входящая в состав установки 1 по производству мочевины, представляет собой гранулирующую систему, включающую гранулятор 71.
Гранулятор 71 также функционирует с использованием потока охлаждающего воздуха, схематично показанного на фиг. 4 стрелкой 34, который, после охлаждения мочевины, подают по газовой линии 24 в скруббер 13 для удаления аммиака.
Система 2 извлечения идентична описанному со ссылкой на фигуры 2 и 3; каких-либо изменений для его адаптации к наличию гранулятора 71 не требуется.
Ясно, что возможны и другие изменения способа и системы, описанных и проиллюстрированных в настоящем документе, которые, однако, не выходят за рамки прилагаемой формулы изобретения.