Einrichtung zur Drucksynthese von Harnstoff
Zur Synthese von Harnstoff bringt man Kohlendioxyd mit Ammoniak unter einem Druck von einigen hundert Atmosphären in der Wärme zur Reaktion.
Hierbei wird primär Ammoniumcarbamat gebildet, welches dann bei der Reaktionstemperatur durch Abspalten von Wasser zu einem erheblichen Teil in Harnstoff übergeht. Das entstehende Reaktionsgemisch enthält neben ungebundenen Resten der Ausgangsstoffe eine Mischung von Ammoniumcarbamat, Harnstoff, Wasser und kleinen Mengen Ammoniumcarbonat. Die Kohlensäure und das Ammoniak, welche der Reaktion im flüssigen oder im gasförmigen Zustand zugeführt werden, befinden sich innerhalb des Reaktionsraumes beide im überkritischen Zustande, während das gebildete Wasser infolge des herrschenden Druckes kondensiert und hierbei den Harnstoff gelöst in sich aufnimmt.
Die beschriebene Synthese führte man bisher bei etwa 200-300 atü in einem Autoklaven durch, der auf einer Temperatur von 160-220" gehalten wurde und in den man das Ammoniak und die Koh- lensäure z. B. von unten eindrückte, während man die Reaktionsprodukte dann oben kontinuierlich abzog.
Die erwähnten Reaktionsprodukte wurden dann über ein Entspannungsventil einer Trennanlage zugeführt, welche die unverbrauchten Reaktionskomponenten und das restliche Carbamat aus der Harnstofflösung entfernte. Diese Trennanlage lässt sich natürlich um so kleiner und einfacher gestalten, je weniger Kohlensäure und Ammoniakgas mit der Harnstofflösung aus dem Reaktor austreten, das heisst je vollständiger die erwähnten, aufeinanderfolgenden Teilreaktionen verlaufen.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Harnstoffsynthese mit erhöhter Ausbeute erfolgt, wenn man den Reaktionsraum des Autoklaven durch eine Anzahl von durchbrochenen Böden in eine Mehrzahl von Kammern unterteilt, welche in der Strömungsrichtung des Reaktionsgutes hintereinander liegen. Die betreffenden Böden werden zweckmässig nach Art einer Destillationskolonne etagen weise horizontal übereinander angeordnet; sie können hierbei nach dem Vorbilde von Destlllationskolonnen, z. B. als sog. Lochböden, Schlitzböden oder Glockenböden ausgebildet werden.
Als besonders zweckmässig hat sich die Verwendung von Bodenblechen erwiesen, aus denen eine Vielzahl von rechteckigen, nur an den beiden Längsseiten durch Schnitte abgetrennte Streifen derart herausgedrückt sind, dass die beiden Schnittkanten des betreffenden Streifens mit den darunter liegenden Schnittkanten des Bodenbleches zwei gegenüberliegende Schlitzdüsen bilden.
Der Abstand der einzelnen Böden voneinander soll vorteilhaft mindestens 5 cm betragen; vorzugsweise bemisst man ihn auf 10 cm bis maximal 25 cm.
Die Böden bewirken eine gleichmässige Durchmischung des Reaktionsgutes innerhalb der einzelnen Kammern. Infolgedessen wird das kontinuierlich strömende Reaktionsgemisch im Verlauf der langsam fortschreitenden und mit einer hohen Wärmetönung verbundenen Harnstoffbildung stufenweise, das heisst beim Übergang einer jeden Kammer in die nächste Kammer, immer wieder innig durchmischt, so dass lokale Wärmestauungen verhindert und lokale Konzentrationsverschiebungen, die der möglichst raschen Erreichung des idealen Gleichgewichtszustandes entgegenwirken, vermieden werden. Die Reaktion schreitet daher im ganzen Strömungsquerschnitt angenähert gleichmässig fort.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemässe Einrichtung. Der rohr förmige Autoklav 1 ist mit einem Boden 3 und einem Deckel 4 ausgerüstet. Durch den Boden 3 führt die Ammoniakzuleitung 5 und die Kohlensäurezuleitung 6 in das Innere des Autoklaven 1. In den Autoklaven 1 sind die Böden 9 eingebaut, zwischen denen die Kammern 10 liegen. Das Reaktionsgemisch durch- strömt diese Kammern 10 aufsteigend in Richtung des Pfeils P und verlässt den Reaktionsraum durch das Rohr 7 und das Entspannungsventil 8 in Richtung des Pfeils R, um anschliessend der Trennanlage zugeführt zu werden.
Fig. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung einen vergrösserten Ausschnitt aus einem der Böden 9. Aus dem Bodenblech 11 ist ein Streifen 12 durch zwei parallele Stanzschnitte herausgetrennt und so nach oben herausgedrückt, dass die beiden gegenüberliegenden Schlitzdüsen 13, 14 entstehen.
Versuche haben ergeben, dass bereits der Einbau von fünf bis zehn derartigen Böden (9) unter sonst absolut unveränderten Reaktionsverhältnissen zu einer Steigerung der Ausbeute von z. B. 60% auf 65% der eingesetzten Kohlensäure führt. Hierdurch wird die Produktion nahezu um 10% erhöht und gleichzeitig die anschliessende Trennanlage entsprechend entlastet.
Device for pressure synthesis of urea
To synthesize urea, carbon dioxide is reacted with ammonia under a pressure of a few hundred atmospheres in the heat.
In this process, ammonium carbamate is primarily formed, a considerable part of which is then converted into urea at the reaction temperature by splitting off water. In addition to unbound residues of the starting materials, the resulting reaction mixture contains a mixture of ammonium carbamate, urea, water and small amounts of ammonium carbonate. The carbonic acid and ammonia, which are fed to the reaction in liquid or gaseous state, are both in the supercritical state within the reaction chamber, while the water formed condenses due to the prevailing pressure and absorbs the urea in dissolved form.
The synthesis described has so far been carried out at about 200-300 atmospheres in an autoclave which was kept at a temperature of 160-220 "and into which the ammonia and the carbonic acid were injected, for example from below, while the Reaction products then withdrawn continuously above.
The above-mentioned reaction products were then fed via an expansion valve to a separation system which removed the unused reaction components and the remaining carbamate from the urea solution. This separation system can of course be made smaller and simpler, the less carbonic acid and ammonia gas exit the reactor with the urea solution, that is, the more completely the mentioned, successive partial reactions proceed.
The invention is based on the knowledge that urea synthesis takes place with increased yield if the reaction space of the autoclave is divided by a number of perforated floors into a plurality of chambers which are located one behind the other in the direction of flow of the reaction material. The trays in question are expediently arranged horizontally one above the other in levels like a distillation column; they can here on the model of distillation columns, for. B. be designed as so-called. Perforated floors, slotted floors or bubble caps.
The use of bottom plates has proven to be particularly useful, from which a large number of rectangular strips, separated only by cuts on the two long sides, are pressed out in such a way that the two cut edges of the strip in question form two opposing slot nozzles with the cut edges of the bottom plate below.
The distance between the individual floors should advantageously be at least 5 cm; it is preferably measured from 10 cm to a maximum of 25 cm.
The trays cause the reaction material to be mixed evenly within the individual chambers. As a result, the continuously flowing reaction mixture is intimately mixed again and again in the course of the slowly progressing urea formation, which is associated with a high degree of heat, i.e. at the transition from each chamber to the next chamber, so that local heat build-ups are prevented and local shifts in concentration that are as rapid as possible Achieving the ideal state of equilibrium counteracts, avoided. The reaction therefore proceeds approximately uniformly over the entire flow cross-section.
Fig. 1 shows schematically a vertical section through a device according to the invention. The tubular autoclave 1 is equipped with a base 3 and a cover 4. The ammonia feed line 5 and the carbon dioxide feed line 6 lead through the base 3 into the interior of the autoclave 1. The bases 9, between which the chambers 10 are located, are built into the autoclave 1. The reaction mixture flows through these chambers 10 in an ascending manner in the direction of the arrow P and leaves the reaction space through the pipe 7 and the expansion valve 8 in the direction of the arrow R in order to then be fed to the separation system.
2 shows an enlarged section of one of the bases 9 in a perspective view. A strip 12 is separated from the base plate 11 by two parallel punched cuts and pushed out upwards so that the two opposing slot nozzles 13, 14 are created.
Tests have shown that the installation of five to ten such floors (9) under otherwise absolutely unchanged reaction conditions to an increase in the yield of z. B. leads 60% to 65% of the carbon dioxide used. This increases production by almost 10% and at the same time relieves the load on the subsequent separation plant.