СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОЧЕВИНЫ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF OBTAINING UREA AND INSTALLATION FOR ITS REALISATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу получения мочевины из аммиака и диоксида углерода в результате их взаимодействия при определенном высоком давлении в соответствующем реакторе синтеза мочевины. Изобретение относится, в частности, к способу указанного выше типа, при осуществлении которого продукт реакции аммиака и диоксида углерода, представляющий собой по существу водный раствор, содержащий мочевину, карбамат аммония и аммиак, разделяют на карбамат аммония и аммиак, которые возвращают в реактор, и на водный раствор мочевины, из которого при последующей очистке получают мочевину с минимальным количеством оставшегося в ней аммиака и диоксида углерода. Более конкретно настоящее изобретение относится к способу указанного выше типа, при осуществлении которого в результате разложения карбамата в соответствующем отпарном аппарате путем термического выпаривания получают аммиак и диоксид углерода, которые затем снова конденсируют в соответствующем конденсаторе с получением карбамата, который возвращают в реактор, и все эти операции вместе с реакцией синтеза мочевины проводят по существу при одном и том же давлении в замкнутом контуре, известном как контур высокого давления (КВД).
Настоящее изобретение относится также к установке для получения мочевины предлагаемым в изобретении способом.
Уровень техники
Известно, что в настоящее время мочевину получают способом указанного выше типа, в котором карбамат и аммиак выделяют из водного раствора в так называемом КВД, в состав которого входят реактор синтеза мочевины, отпарной аппарат и конденсатор, который обычно выполнен в виде трубчатого теплообменника. Известно также, что высокая коррозионная активность участвующих в процессе получения мочевины жидкостей и газов и их химическая агрессивность снижают срок службы соответствующих аппаратов КВД.
По этой причине, а также с учетом тяжелых рабочих условий в КВД (давление от 135 до 175 бар, температура в реакторе от 180 до 200°С, температура в отпарном аппарате от 170 до 210°С) дальнейшее совершенствование технологии получения мочевины существенно зависит от возможности использования стали специальных марок, металлов типа титана и циркония, а также других материалов, обладающих высокой коррозионной стойкостью.
Для защиты изготовленных из таких материалов аппаратов от коррозии их наружные и/или внутренние стенки, которые находятся в КВД в контакте с агрессивными жидкостями и/или газами, обычно пассивируют.
Известно, в частности, предложение использовать при синтезе мочевины кислород и подавать в КВД в определенном количестве воздух (возможно обогащенный кислородом), который пассивирует металлические стенки аппаратов.
Для этого, в частности, кислород, необходимый для пассивирования стенок реактора, обычно добавляют в составе определенного количества воздуха к подаваемому в реактор через его нижнюю часть диоксиду углерода, и поднимающийся в реакторе вверх кислород пассивирует все металлические поверхности, с которыми он так или иначе вступает в контакт.
Преобладающую часть кислорода, подаваемого снизу в реактор, затем вместе с раствором мочевины подают в верхнюю, расположенную над трубным пучком часть (головку) отпарного аппарата. Отделенный от раствора мочевины кислород вместе с образующимися в отпарном аппарате парами сразу же выходит из верхней части отпарного аппарата и не может обеспечить должную пассивацию его внутренних поверхностей. Поэтому для надежного пассивирования остальной части КВД в нижнюю часть отпарного аппарата приходится дополнительно подавать определенное регулируемое количество воздуха, содержащийся в котором кислород поднимается в отпарном аппарате вверх, проходит через трубный пучок и соответствующим образом пассивирует внутренние поверхности отпарного аппарата.
При всех своих определенных преимуществах такой способ получения мочевины обладает и определенными недостатками, связанными с подачей дополнительного количества воздуха в нижнюю часть отпарного аппарата.
Очевидно, что при высоком давлении в отпарном аппарате, достигающем 140 бар, подавать в него можно только сжатый воздух, используя для этого сложное оборудование, в частности соответствующий компрессор, который потребляет достаточно много энергии и требует дополнительных затрат на его обслуживание.
Другой недостаток такого способа получения мочевины связан с необходимостью в использовании достаточно надежного устройства для точного регулирования количества подаваемого в реактор и в отпарной аппарат воздуха, избыток которого может привести к неприятным последствиям, в частности к образованию взрывоопасной смеси.
Еще один недостаток такого способа получения мочевины связан с тем, что вместе с воздухом, который подают в отпарной аппарат в дополнение к воздуху, подаваемому в реактор, в отпарной аппарат попадает значительное количество инертного газа, который за КВД необходимо выделять из продуктов реакции с помощью отдельных и достаточно сложных сепараторов. Так, в частности, при подаче воздуха в реактор и в отпарной аппарат вместе с исходными для получения мочевины реагентами (аммиаком и диоксидом углерода) во избежание их потерь и во избежание снижения общего выхода КВД, а также для решения экологических проблем, связанных с их возможным попаданием в окружающую атмосферу, на существующих установках для получения мочевины приходится использовать специальное, достаточно сложное оборудование, предназначенное для выделения и улавливания аммиака и диоксида углерода из выходящих из отпарного аппарата газов.
Краткое изложение сущности изобретения
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать новый способ получения мочевины указанного в начале описания типа, который обеспечивал бы возможность эффективного равномерного и дешевого пассивирования аппаратов КВД и одновременно с этим возможность эффективного и экономичного устранения ограничений и/или недостатков известных способов.
Указанная задача решается с помощью предлагаемого в изобретении способа получения мочевины из аммиака и диоксида углерода, который заключается в том, что в результате взаимодействия аммиака и диоксида углерода при определенном высоком давлении в соответствующем реакторе получают водный раствор, содержащий мочевину, карбамат аммония и аммиак, из водного раствора выделяют карбамат и аммиак и путем разложения карбамата и термического выпаривания аммиака и диоксида углерода в соответствующем отпарном аппарате получают аммиак и диоксид углерода, которые затем снова конденсируют в соответствующем конденсаторе с получением карбамата, который возвращают в реактор, причем все эти стадии вместе с реакцией синтеза проводят по существу при одном и том же давлении, и который отличается тем, что в ректор синтеза подают пассивирующий кислород; из реактора отводят отходящие газы, содержащие не вступившие в реакцию диоксид углерода и аммиак и пассивирующий кислород, отводимые из реактора отходящие газы подают в нижнюю часть отпарного аппарата и используют их для пассивирования, по меньшей мере, части его внутренних поверхностей.
Предлагаемый в изобретении способ получения мочевины позволяет существенно уменьшить количество воздуха, подаваемого в КВД, и соответственно существенно увеличить общий выход КВД и обеспечивает эффективное пассивирование подверженных воздействию агрессивных (коррозионно-активных) жидкостей и газов внутренних стенок отпарного аппарата.
Другие отличительные особенности и преимущества предлагаемого в изобретении способа получения мочевины более подробно рассмотрены ниже на примере не ограничивающего, а только иллюстрирующего изобретение предпочтительного варианта его возможного осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
На прилагаемых к описанию чертежах показано:
на фиг.1 - схема установки для получения мочевины предлагаемым в изобретении способом и
на фиг.2 - схематичный вид в увеличенном масштабе одного из аппаратов установки, схема которой показана на фиг.1.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
На прилагаемых к описанию чертежах предлагаемая в изобретении установка для получения мочевины предлагаемым в изобретении способом обозначена общей позицией 10.
При получении мочевины способом указанного в начале описания типа мочевину получают из аммиака и диоксида углерода, которые вступают в реакцию при определенном высоком давлении в соответствующем реакторе 12.
В реакторе 12 в результате взаимодействия аммиака и диоксида углерода получают водный раствор, содержащий мочевину, карбамат аммония и аммиак.
Из полученного водного раствора выделяют карбамат и аммиак и путем разложения карбамата и термического выпаривания аммиака и диоксида углерода в соответствующем отпарном аппарате 14 получают аммиак и диоксид углерода, которые затем снова конденсируют в соответствующем конденсаторе 16, получая карбамат, который возвращают в реактор 12. Все эти стадии, включая реакцию синтеза мочевины, проводят по существу при одном и том же высоком давлении в контуре высокого давления (КВД).
В предпочтительном варианте водный раствор, содержащий мочевину, карбамат аммония и аммиак, отбираемый из реактора 12, подают в верхнюю часть 14а отпарного аппарата 14.
При получении мочевины предлагаемым в изобретении способом в реактор 12 подают также пассивирующий кислород, отводят из реактора 12 отходящие газы, содержащие не вступившие в реакцию диоксид углерода и аммиак и пассивирующий кислород, и отводимые из реактора 12 отходящие газы подают в нижнюю часть 14b отпарного аппарата 14 для пассивирования его внутренних металлических стенок или для пассивирования, по меньшей мере, части его внутренней поверхности.
Пассивирующий кислород подают в КВД предпочтительно путем добавления воздуха к подаваемому в реактор 12 диоксиду углерода, т.е. путем подачи воздуха и содержащегося в нем кислорода непосредственно в реактор 12. Количество воздуха, добавляемого к диоксиду углерода, соответствующим образом регулируют во избежание подачи в реактор слишком большого количества кислорода, которое может привести к нежелательным последствиям, в частности к образованию в реакторе взрывоопасной смеси.
При получении мочевины способом, предлагаемым в предпочтительном варианте осуществления изобретения, из верхней части 14а отпарного аппарата 14 отводят отходящие газы, в которых содержатся диоксид углерода, аммиак и пассивирующий кислород, и направляют эти газы в конденсатор 16 для получения жидкого карбамата и пассивирования внутренних металлических стенок конденсатора 16 или, по меньшей мере, части внутренней поверхности конденсатора 16.
Ниже со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи рассмотрены основные конструктивные особенности установки 10, предназначенной для синтеза мочевины из аммиака и диоксида углерода.
Установка 10 состоит из сообщающихся друг с другом и образующих замкнутый контур высокого давления (КВД) реактора 12 синтеза мочевины, отпарного аппарата 14 и конденсатора 16. На этой установке, в частности, аммиак подают в реактор 12 по трубопроводу 2, а диоксид углерода - по трубопроводу 3.
Подаваемый в реактор 12 по трубопроводу 5 пассивирующий кислород отбирают из реактора по трубопроводу 6, который соединяет верхнюю часть 12а реактора 12 с нижней частью 14b отпарного аппарата 14. Пассивирующий кислород из трубопровода 5 предпочтительно подавать в трубопровод 3, по которому в реактор подают диоксид углерода. Предпочтительно также пассивирующий кислород подавать в трубопровод 5 в составе обычного воздуха.
Отбираемый из реактора водный раствор, содержащий мочевину, карбамат аммония и аммиак, подают по трубопроводу 4 в верхнюю часть 14а отпарного аппарата 14.
Отпарной аппарат 14 по существу представляет собой состоящий из пучка вертикальных труб теплообменник 24, в который через расположенный над ним в верхней части 14а отпарного аппарата 14 патрубок 33 подают отбираемый из реактора 12 синтеза, содержащий мочевину, карбамат аммония и аммиак водный раствор, который сверху вниз проходит по трубкам теплообменника и собирается в нижней части корпуса отпарного аппарата. Отводимые из верхней части 12а реактора 12 отходящие газы, содержащие не вступившие в реакцию диоксид углерода и аммиак и пассивирующий кислород, подают через патрубок 34 в нижнюю, расположенную под трубчатым теплообменником 24 часть 14b отпарного аппарата 14, из которой они попадают в нижние концы трубок теплообменника 24.
На фиг.2 показана одна из трубок теплообменника 24, обозначенная позицией 24а, и обозначенные позициями 35 и 36 патрубки, предназначенные соответственно для отвода из отпарного аппарата отходящих газов, содержащих диоксид углерода, аммиак и пассивирующий кислород, и для отбора раствора мочевины с остатками аммиака и диоксида углерода.
В предпочтительном варианте верхняя часть 14а отпарного аппарата 14 соединена трубопроводом 7 с конденсатором 16.
При получении мочевины предлагаемым в изобретении способом установка 10 работает следующим образом.
Подаваемый из реактора 12 в отпарной аппарат водный раствор, содержащий мочевину, карбамат аммония и аммиак, в виде пленки стекает вниз по трубкам 24а теплообменника 24; отводимые из верхней части 12а реактора и подаваемые в отпарной аппарат по трубопроводу 6 отходящие из реактора газы, содержащие диоксид углерода, аммиак и пассивирующий кислород, поднимаются по трубкам 24а теплообменника 24 и равномерно воздействуют на все подверженные коррозии внутренние детали отпарного аппарата 14 (внутренние стенки нижней части 14b корпуса, внутренние поверхности трубок 24а и внутренние стенки верхней части 14а корпуса). Необходимо подчеркнуть, что поскольку рабочее давление в реакторе 12 несколько выше давления в отпарном аппарате 14 (а точнее несколько выше давления в отпарном аппарате 14, который является частью КВД, в котором все аппараты работают по существу при одном и том же давлении), отводимые из реактора отходящие газы попадают в отпарной аппарат 14 по существу самотеком без применения какого-либо отдельного компрессора.
Необходимое для выпаривания тепло получают за счет конденсации водяного пара, например, при давлении 25 бар, который проходит внутри отпарного аппарата 14 через межтрубное пространство теплообменника 24 и снаружи нагревает его трубки 24а. Трубопроводы для подачи в отпарной аппарат свежего пара и отбора из него отработанного пара обозначены на чертежах позициями 36 и 37, а соответствующие патрубки - позициями 38 и 39.
Отбираемые из верхней части 14а отпарного аппарата 14 газы, содержащие диоксид углерода, аммиак и пассивирующий кислород, по трубопроводу 7 подают в конденсатор 16 для получения жидкого карбамата и пассивирования внутренних стенок конденсатора 16.
В конденсаторе 16 (который по существу представляет собой состоящий из пучка труб теплообменник), в котором происходит конденсация (по существу полная в варианте, показанном на фиг.1) отводимых из верхней части 14а отпарного аппарата 14 газов и выделяется определенное количество тепла, получают пар низкого давления (например, около 3-5 бар), который используют для очистки мочевины в секции очистки, расположенной за КВД.
Уровень раствора мочевины в верхней части 12а реактора 12 постоянно регулируют с помощью обычного и поэтому не требующего специального описания встроенного в трубопровод 4 устройства 4а, которое позволяет отделять водный раствор, содержащий мочевину, карбамат аммония и аммиак и подаваемый из реактора в верхнюю часть 14а отпарного аппарата 14, от содержащих не вступившие в реакцию диоксид углерода и аммиак и пассивирующий кислород отходящих газов, которые подают из реактора в нижнюю часть 14b отпарного аппарата 14.
В отбираемых из реактора газах содержатся также инертные газы, в частности водород (который попадает в реактор 12 вместе с диоксидом углерода из установки для получения аммиака, расположенной до установки 10 для получения мочевины, и жидким аммиаком) и азот, который содержится в воздухе, добавляемом к подаваемому в реактор 12 диоксиду углерода.
Полученный в конденсаторе 16 раствор карбамата по трубопроводу 8 подают в сепаратор 28. В сепараторе 28 из раствора карбамата выделяют преобладающую часть инертных газов и некоторую часть кислорода, которые по трубопроводу 9а подают в секцию окончательной очистки 32 мочевины (так называемую секцию регенерации или выделения мочевины).
Выходящий из сепаратора 28 практически не содержащий инертных веществ раствор карбамата по трубопроводу 9 подают в эжектор 30. Из эжектора 30, через который в реактор подают жидкий аммиак, раствор карбамата вместе с аммиаком попадает в реактор 12.
Раствор мочевины, в котором содержатся остатки аммиака и диоксида углерода, из нижней части 14b отпарного аппарата 14 по трубопроводу 13 подают в секцию 32 окончательной очистки мочевины. Содержащийся в инертных газах кислород по трубопроводу 9а подают в секцию 32 и используют его по мере необходимости для ее пассивирования.
Полученную в секции 32 расплавленную мочевину по трубопроводу 1 направляют на дальнейшую переработку, например на установку для ее гранулирования, а поток инертных газов вместе с остатками аммиака и диоксида углерода по трубопроводу 9b направляют на обработку в не показанные на чертежах соответствующие очистные устройства. В этих устройствах из инертных газов до выброса в атмосферу удаляют все остатки аммиака и диоксида углерода.
В секции 32 в процессе очистки мочевины образуется так называемый слабый раствор карбамата или водный раствор карбамата, который по трубопроводу 11 и трубопроводу 7 возвращают обратно в конденсатор 16 и используют для абсорбции приходящих в конденсатор из отпарного аппарата 14 паров аммиака и диоксида углерода.
На установках для получения мочевины большой производительности входящий в состав КВД конденсатор 16 предпочтительно выполнять в виде погружного конденсатора, известного под названием "Full Condenser"™, с теплообменником, состоящим из пучка вертикальных трубок определенного размера для получения оптимальной для образования мочевины продолжительности пребывания в нем раствора карбамата. Такой конденсатор 16 работает как предварительный реактор и позволяет существенно уменьшить объем главного реактора 12.
В настоящем изобретении предлагается также способ пассивирования КВД установки 10 для получения мочевины, в состав которого входят сообщающиеся друг с другом реактор 12 синтеза мочевины, отпарной аппарат 14 и конденсатор 16. При пассивировании КВД установки для получения мочевины предлагаемым в изобретении способом подают пассивирующий кислород в реактор 12, из реактора 12 отводят отходящие газы, в которых содержатся не вступившие в реакцию диоксид углерода и аммиак и пассивирующий кислород, и отводимые из реактора газы подают в нижнюю часть 14b отпарного аппарата 14 для пассивирования, по меньшей мере, части внутренних поверхностей отпарного аппарата 14.
В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа пассивирования, кроме того, из верхней части 14а отпарного аппарата 14 отводят отходящие газы, в которых содержатся диоксид углерода, аммиак и пассивирующий кислород, и отводимые из отпарного аппарата газы подают в конденсатор 16 для получения жидкого карбамата и пассивирования, по меньшей мере, части внутренних стенок конденсатора 16.
Настоящее изобретение относится также к применению отводимых из реактора 12 установки 10 для получения мочевины отходящих газов, содержащих не вступившие в реакцию диоксид углерода и аммиак и пассивирующий кислород, для пассивирования, по меньшей мере, внутренней поверхности нижней части отпарного аппарата 14 пассивирующим кислородом, который подают в реактор 12.
Из приведенного выше описания со всей очевидностью следует, что предлагаемый в изобретении способ получения мочевины решает поставленную в изобретении задачу и обладает целым рядом преимуществ, главное из которых заключается в равномерном пассивировании всех аппаратов КВД.
Кроме того, предлагаемый в изобретении способ отличается возможностью простого и надежного его осуществления.
Еще одно преимущество предлагаемого в изобретении способа связано с неочевидной на первый взгляд возможностью использования преобладающей части кислорода, подаваемого в реактор, для эффективного пассивирования отпарного аппарата (а также расположенных за ним аппаратов) и, как следствие этого, с существенным по сравнению с известными способами получения мочевины подобного типа уменьшением расхода кислорода.
Кроме того, в отличие от известных способов получение мочевины и пассивирование аппаратов КВД предлагаемым в изобретении способом не требует использования сложного оборудования для сепарации инертных газов и регенерации или выделения из выбрасываемых в атмосферу газов исходных реагентов.
Очевидно, что специалисты в данной области могут в соответствии с конкретными требованиями вносить в описанную выше установку для получения мочевины различные изменения и усовершенствования, которые не выходят за объем изобретения, определяемый его формулой.