CH650248A5

CH650248A5 - Process for producing urea

Info

Publication number: CH650248A5
Application number: CH4333/82A
Authority: CH
Inventors: Umberto Zardi
Original assignee: Ammonia Casale Sa
Priority date: 1982-07-16
Filing date: 1982-07-16
Publication date: 1985-07-15

Abstract

In a process for the synthesis of urea from NH3 and CO2 in two reaction zones with different NH3/CO2 ratios, the product from the second zone is treated in two separation stages in series. The gases discharged in the second treatment stage are recycled, after partial condensation, to the first reaction zone, while at least a part of the gases discharged in the first treatment stage is recycled to the second reaction zone. The flows from the first and second treatment stages are controlled in order to obtain the optimum NH3/CO2 ratios and reaction temperatures in the two reaction zones.

Description

La presente invenzione si riferisce ad un processo per la produzione di urea per sintesi, nel quale ammoniaca (NH3) ed anidride carbonica (C02) sono fatte reagire sotto pressione ed a temperatura elevate per formare urea, carbamato ammonico, acqua e composti non reagiti, e nel quale i prodotti della reazione in uscita da detto reattore di sintesi sono trattati per decomporre detto carbamato e ricuperare i composti non reagiti al fine di ricircolarli al reattore; più in particolare il trovato si riferisce ad un processo per produrre urea con bassi consumi energetici, alte rese di reazione e bassi contenuti residui di composti non reagiti. The present invention relates to a process for the production of urea by synthesis, in which ammonia (NH3) and carbon dioxide (C02) are reacted under pressure and at high temperatures to form urea, ammonium carbamate, water and unreacted compounds, and wherein the products of the reaction exiting from said synthesis reactor are treated to decompose said carbamate and recover the unreacted compounds in order to recirculate them to the reactor; more particularly, the invention relates to a process for producing urea with low energy consumption, high reaction yields and low residual contents of unreacted compounds.

È noto che alte rese di reazione sono favorite da alti eccessi di ammoniaca (rispetto al rapporto Stechiometrico), che richiedono però alte pressioni di funzionamento del reattore. Le alte pressioni di sintesi sono sfavorevoli al conseguimento di una efficiente separazione dei composti non reagiti dalla soluzione di urea. Conseguentemente prima dell'avvento delle cosiddette tecnologie di «Stripping» che grazie all'azione di un agente strippante (NH3 e/o CO2) effettuano la separazione della maggior parte dei composti non reagiti in stadi funzionanti alla stessa pressione nel reattore, una drastica riduzione della pressione era prevista a valle del reattore per ottenere una efficace separazione dei detti composti reagiti. Nei processi di Stripping si è drasticamente ridotta la pressione di funzionamento del reattore, a detrimento delle rese, per poter effettuare isobaricamente ad una pressione di compromesso la separazione dei composti non reagiti con l'ausilio di un agente strippante. It is known that high reaction yields are favored by high ammonia excesses (with respect to the Stoichiometric ratio), which however require high reactor operating pressures. The high synthesis pressures are unfavorable to the achievement of an efficient separation of the unreacted compounds from the urea solution. Consequently, before the advent of the so-called «Stripping» technologies which, thanks to the action of a stripping agent (NH3 and / or CO2) effect the separation of most of the unreacted compounds in stages operating at the same pressure in the reactor, a drastic reduction pressure was provided downstream of the reactor to achieve effective separation of said reacted compounds. In the stripping processes, the operating pressure of the reactor has been drastically reduced, to the detriment of the yields, in order to perform the separation of the unreacted compounds with the aid of a stripping agent at isobaric pressure at a compromised pressure.

Ultimamente sono stati descritti diversi processi che si proponevano di abbinare i vantaggi dei processi convenzionali in reattori ad alte rese, con i vantaggi dei processi di Stripping. Tra i processi più recenti di questo tipo si possono segnalare quelli descritti in: A) brevetto USA n. 4208 347 (Montedison); B) domanda di brevetto PCT/JP 70/00192 (Mitsui T. e Toyo E.); C) pubblicazione di brevetto inglese n. 2 028 311 (Ammonia Casale S.A.); D) domanda di brevetto italiano n. 24357A/80 (Snam progetti). Lately several processes have been described which aimed to combine the advantages of conventional processes in high yield reactors with the advantages of stripping processes. Among the most recent processes of this type, the ones described in: A) US patent no. 4208 347 (Montedison); B) patent application PCT / JP 70/00192 (Mitsui T. and Toyo E.); C) publication of English patent no. 2 028 311 (Ammonia Casale S.A.); D) Italian patent application no. 24357A / 80 (Snam projects).

È bene premettere che precursore dei suddetti documenti brevettuali può essere considerato (E) il brevetto inglese n. 1 1185 944 (Chemico) che prevede il trattamento della maggior parte della soluzione effluente da un reattore ad alta resa in due stadi in serie (solo il primo o entrambi isobarici col reattore); nel primo stadio avviene la separazione della maggior parte del carbamato anche con l'ausilio di NH3 fresca di Stripping, nel secondo stadio si separa la NH3 residua introducendo C02 fresca di Stripping. It should be noted that the precursor of the aforementioned patent documents can be considered (E) the English patent no. 1 1185 944 (Chemico) which provides for the treatment of most of the effluent solution from a high yield reactor in two stages in series (only the first or both isobaric with the reactor); in the first stage most of the carbamate is separated also with the help of fresh Stripping NH3, in the second stage the residual NH3 is separated by introducing fresh Stripping CO2.

I suddetti processi secondo A), C) e D) prevedono, a valle di un reattore di urea due stadi di separazione in serie nei quali si effettua una separazione «selettiva» dei composti non reagiti: in particolare in A) e D) si effettuano la separazione della maggior parte del carbamato nel primo stadio e la separazione dell'ammoniaca residua con l'impiego di C02 di Stripping nel secondo stadio; in C) si effettuano la separazioni prevalente di ammoniaca nel primo stadio e la decomposizione del carbamato nel secondo stadio con eventuale ausilio di C02 di Stripping nel secondo o in entrambi gli stadi. Ciò è conseguito mediante condizioni critiche di funzionamento nei due stadi di separazione. Il processo secondo B) prevede, a valle di un reattore ad alta resa, due stadi di separazione nei quali si effettua una separazione dei composti non reagiti. Come nei processi A) e D), nel primo stadio è previsto uno scambiatore a film e l'impiego di NH3 come agente di Stripping. Perciò analogamente ad A) e D) la maggior parte del carbamato è selettivamente separato sul primo stadio mentre, nel secondo stadio si completa la separazione dei reagenti residui mediante l'ausilio di C02 come agente strippante; nei due stadi sono previsti scambiatori a film. Il processo secondo D) ha come variante rispetto a quello secondo A) il secondo stadio di trattamento non isobarioc col resto del loop (reattore in un solo stadio isobarico col primo stadio di trattamento). The above processes according to A), C) and D) provide, downstream of a urea reactor, two stages of separation in series in which a "selective" separation of the unreacted compounds is carried out: in particular in A) and D) perform the separation of most of the carbamate in the first stage and the separation of the residual ammonia with the use of Stripping C02 in the second stage; in C) the prevailing separations of ammonia are carried out in the first stage and the decomposition of the carbamate in the second stage with the possible aid of Stripping C02 in the second or in both stages. This is achieved by critical operating conditions in the two separation stages. The process according to B) provides, downstream of a high yield reactor, two separation stages in which a separation of the unreacted compounds is carried out. As in processes A) and D), a film exchanger and the use of NH3 as a stripping agent are provided in the first stage. Therefore, similarly to A) and D) most of the carbamate is selectively separated on the first stage while, in the second stage, the separation of the residual reagents is completed by means of C02 as stripping agent; film exchangers are provided in the two stages. The process according to D) has a variant with respect to that according to A) the second non-isobaric treatment stage with the rest of the loop (reactor in one isobaric stage with the first treatment stage).

Nel processo secondo A) tutti i vapori (NH3 + C02) ottenuti dalla decomposizione del carbamato (prevalente nel primo stadio), sono separati e ricircolati direttamente al reattore (e, nel caso in cui questo è in due tronchi, al tronco superiore), mentre i vapori ottenuti nel secondo stadio (ammoniaca residua separata e C02 di Stripping introdotta nel decompositore a film), sono completamente condensati e ricircolati al reattore (tronco superiore nel caso del reattore in due sezioni). Il processo secondo B) precede la miscelazione dei vapori separati nei due stadi a valle di un reattore convenzionale ad alta resa, e la loro condensazione prima del loro riciclo sotto forma di soluzione al reattore mediante l'impiego di un eiettore. In the process according to A) all the vapors (NH3 + C02) obtained by the decomposition of the carbamate (prevailing in the first stage), are separated and recirculated directly to the reactor (and, in the case where this is in two trunks, to the upper trunk), while the vapors obtained in the second stage (separate residual ammonia and Stripping CO2 introduced into the film decomposer) are completely condensed and recirculated to the reactor (upper section in the case of the two-section reactor). The process according to B) precedes the mixing of the separated vapors in the two stages downstream of a conventional high yield reactor, and their condensation before their recycling in the form of a solution to the reactor by means of an ejector.

II brevetto A), pur descrivendo in una delle alternative, Patent A), while describing in one of the alternatives,

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il reattore in due tronchi sovrapposti, prevede sempre il riciclo delle due correnti di sostanze separate nei due stadi in serie a valle del reattore, entrambe al reattore principale (tronco superiore nel caso del reattore in due parti) o semplicemente al reattore in corpo unico). Anche se, come è risaputo, il reattore in due stadi viene adottato per sfruttare il concetto di per sé noto di avere più zone di reazione con diversi rapporti molari NH3/C02 allo scopo di ottimizzare le rese di trasformazione, esso però non risolve in modo economicamente soddisfacente l'importante problema del controllo del bilancio termico (temperatura di funzionamento) nelle due zone di reazione, problema che ha rappresentato lo scoglio principale che ha impedito a tutt'oggi un'attuazione effettivamente pratica di questi sistemi. the reactor in two overlapping trunks always provides for the recycling of the two streams of separate substances in the two stages in series downstream of the reactor, both to the main reactor (upper trunk in the case of the two-part reactor) or simply to the reactor in a single body) . Although, as is well known, the two-stage reactor is adopted to exploit the per se known concept of having multiple reaction zones with different NH3 / C02 molar ratios in order to optimize the transformation yields, however, it does not solve in a way the important problem of controlling the thermal balance (operating temperature) in the two reaction zones is economically satisfactory, a problem that has represented the main obstacle that has hitherto prevented an effective practical implementation of these systems.

Il problema del bilancio termico diventa ancora più acuto nei reattori ad alta resa dove occorre operare con alti eccessi di NH3 che comportano una maggior deficienza di calore. The problem of the heat balance becomes even more acute in high yield reactors where it is necessary to operate with high excesses of NH3 which entail a greater deficiency of heat.

Secondo i processi A) e D) inoltre, poiché tutti i composti gassosi provenienti dal secondo stadio di trattamento sono condensati prima del loro riciclo al reattore, è assolutamente imperativo, per motivi di bilancio termico del reattore, che praticamente tutto il carbamato sia separato nel primo stadio, otttenendo così un sufficiente quantitativo di C02 nella corrente gassosa ricircolata tal quale al reattore, che garantisce un sufficiente apporto di calore come calore di reazione di formazione del carbamato. Per ottenere detta separazione selettiva della maggior parte del carbamato nel primo stadio occorre pertanto operare con complessi e costosi scambiatori a film e con l'impiego di elevati quantitativi, di agente strippante (NH3) che come detto sopra, dev'essere onerosamente evaporato. Furthermore, according to processes A) and D), since all the gaseous compounds coming from the second treatment stage are condensed before being recycled to the reactor, it is absolutely imperative, for reasons of the thermal balance of the reactor, that practically all the carbamate is separated in the first stage, thus obtaining a sufficient quantity of C02 in the recirculated gaseous stream as it is to the reactor, which guarantees a sufficient supply of heat as the reaction heat of formation of the carbamate. To obtain said selective separation of most of the carbamate in the first stage it is therefore necessary to operate with complex and expensive film exchangers and with the use of high quantities of stripping agent (NH3) which, as mentioned above, must be expensive to evaporate.

In effetti il processo secondo A) compensa inoltre il bilancio termico deficitario dei due stadi di reazione mediante l'introduzione, in entrambi gli stadi, di ammoniaca fresca di alimentazione preriscaldata e/o evaporata con conseguente dispendio di energia e complessività di controllo. In più va sottolineato che una parte dell'ammoniaca fresca di alimentazione dev'essere inviata anche al primo stadio di trattamento dell'effluente dal reattore come agente strippante, per ottenere la decomposizione della maggior parte del carbamato. Entrambe le zone di reazione sono perciò deficitarie di calore per cui antieconomicamente tutta l'ammoniaca fresca di alimentazione dev'essere preriscaldata e/o evaporata. In fact, the process according to A) moreover compensates the deficit thermal balance of the two reaction stages by introducing, in both stages, fresh ammonia of preheated and / or evaporated feed with consequent expenditure of energy and control complexity. In addition, it should be underlined that a part of the fresh feed ammonia must also be sent to the first stage of treatment of the effluent from the reactor as a stripping agent, in order to obtain the decomposition of most of the carbamate. Both reaction zones are therefore heat deficient, so that uneconomically all fresh feed ammonia must be preheated and / or evaporated.

Nel processo secondo B) il problema del bilancio termico del reattore è ignorato a causa del fatto che tutto il carbamato (reazione esotermica e quindi fonte principale di calore) si forma tutto all'esterno del reattore. In the process according to B) the problem of the thermal balance of the reactor is ignored due to the fact that all the carbamate (exothermic reaction and therefore the main source of heat) is formed entirely outside the reactor.

Nel processo secondo C) questo aspetto critico, che peraltro condiziona e definisce il sistema di riciclo dei composti non reagiti dei due stadi di trattamento, non è descritto (perché estraneo o non omogeneo all'aspetto essenziale del trattamento specifico oggetto dell'invenzione). In the process according to C) this critical aspect, which, moreover, conditions and defines the recycling system of the unreacted compounds of the two treatment stages, is not described (because it is extraneous or not homogeneous to the essential aspect of the specific treatment object of the invention).

Sia nel processo secondo A) che in quello secondo B) l'elevata pressione di sintesi richiesta per avere altre rese, condiziona fortemente le rese di separazione dei composti non reagiti nei due stadi di trattamento operanti isobarica-mente col reattore. Both in the process according to A) and in the one according to B) the high synthesis pressure required to obtain other yields strongly affects the separation yields of the unreacted compounds in the two treatment stages operating isobarally with the reactor.

Primo scopo della presente invenzione è ora quello di provvedere un processo che non presenti gli inconvenienti precedenti e consenta di abbinare felicemente una reazione di sintesi ad alta resa con una successiva efficace separazione dei composti non trasformati in urea in detta reazione. The first object of the present invention is now to provide a process which does not present the above drawbacks and allows to happily combine a high yield synthesis reaction with a subsequent effective separation of the compounds not transformed into urea in said reaction.

Un altro scopo del trovato è quello di provvedere un processo che sia in grado di effettuare contemporaneamente la reazione di sintesi ad alte rese, l'efficace separazione dei composti non reagiti ed il controllo del bilancio termico senza dispendio addizionale di energia. Another object of the invention is to provide a process which is capable of simultaneously carrying out the synthesis reaction at high yields, the effective separation of the unreacted compounds and the control of the thermal balance without additional expenditure of energy.

Un ulteriore scopo dell'invenzione è rappresentato da un processo in cui le condizioni ottimali di reazione (rapporti NH3/C02, temperatura di reazione ecc.) a monte sono controllate controllando le condizioni del trattamento a valle. A further object of the invention is represented by a process in which the optimal reaction conditions (NH3 / C02 ratios, reaction temperature, etc.) upstream are controlled by controlling the conditions of the downstream treatment.

Infine ancora un altro scopo del trovato è costituito da un processo in cui si realizza una distribuzione della pressione nei suoi vari stadi che consenta di ottenere un'elevata flessibilità ed economicità. Finally, still another object of the invention is constituted by a process in which a pressure distribution in its various stages is achieved which allows to obtain high flexibility and economy.

Questi ed altri scopi vengono raggiunti col processo secondo il ritrovato, che si caratterizza per il fatto che essendo la reazione di sintesi effettuata in due zone in serie ciascuna con un diverso rapporto NH3/C02, alla prima di dette zone viene ricircolata, dopo parziale condensazione, tutta la corrente di reagenti (NH3 + C02) uscente dal secondo stadio di trattamento, mentre alla seconda zona di reazione viene ricircolata almeno parzialmente la corrente di gas (NH3 + C02) tal quale uscente dal primo stadio di trattamento, le quantità di effluenti dal primo e secondo stadio di trattamento venendo controllate in modo da assicurare rapporti NH3/C02 e temperature di reazione ottimali nelle due zone di reazione. These and other objects are achieved with the process according to the invention, which is characterized in that being the synthesis reaction carried out in two zones in series each with a different NH3 / C02 ratio, at the first of said zones it is recirculated, after partial condensation , all the stream of reactants (NH3 + C02) leaving the second treatment stage, while the gas stream (NH3 + C02) as it is leaving the first stage of treatment, at least partially, is recirculated to the second reaction zone, the quantities of effluents from the first and second treatment stages being controlled so as to ensure NH3 / C02 ratios and optimal reaction temperatures in the two reaction zones.

Secondo un aspetto del trovato, la corrente di gas recuperata nel secondo stadio di trattamento è condensata parzialmente o totalmente, ad una porzione di vapori dal primo e/o dal secondo stadio di trattamento inviata direttamente alla prima zona di reazione in modo che i vapori residui forniscano per reazione, in entrambi i casi (totale o parziale condensazione), il calore necessario a mantenere ai valori ottimali la temperatura della prima zona di reazione; analogamente il primo stadio di trattamento è regolato in modo da produrre gas capace di mantenere ai valori ottimali il rapporto NH3/C02 e la temperatura nella seconda zona di reazione. Eventualmente aggiunte di NH3 e COa fresche possono essere introdotte nel detto primo stadio di trattamento. According to an aspect of the invention, the gas stream recovered in the second treatment stage is partially or totally condensed, to a portion of vapors from the first and / or second treatment stage sent directly to the first reaction zone so that the residual vapors provide by reaction, in both cases (total or partial condensation), the heat necessary to maintain the temperature of the first reaction zone at optimum values; similarly, the first treatment stage is regulated so as to produce gas capable of maintaining the NH3 / C02 ratio and the temperature in the second reaction zone at optimum values. If necessary, additions of fresh NH3 and COa can be introduced into said first treatment step.

In una forma di realizzazione particolarmente vantaggiosa dell'invenzione, la pressione nella detta seconda zona di reazione è uguale a quella nel primo stadio di trattamento mentre la pressione nella prima zona di reazione è uguale alla pressione nel secondo stadio di trattamento e nel condensatore ed è di preferenza inferiore alla suddetta pressione nella seconda zona di reazione e nel primo stadio di trattamento. Ciò consente una grande flessibilità operativa edelevati risparmi energetici. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the pressure in said second reaction zone is equal to that in the first treatment stage while the pressure in the first reaction zone is equal to the pressure in the second treatment stage and in the condenser and is preferably lower than the above pressure in the second reaction zone and in the first treatment stage. This allows great operational flexibility and high energy savings.

I diversi aspetti e vantaggi dell'invenzione appariranno meglio dalla descrizione dello schema rappresentato nel disegno allegato, e dagli esempi seguenti, detti schema ed esempi avendo carattere illustrativo e non limitativo. The different aspects and advantages of the invention will become clearer from the description of the scheme represented in the attached drawing, and from the following examples, said scheme and examples being illustrative and not limiting.

Nel disegno di fig. 1 si è indicato con R tutta la parte complessiva in cui si fa avvenire la reazione di sintesi e con STR tutta la parte complessiva in cui si fa avvenire il trattamento di separazione dell'effluente da R. In the drawing of fig. 1 indicates with R all the overall part in which the synthesis reaction takes place and with STR all the overall part in which the separation treatment of the effluent from R is carried out

Questa parte complessiva R è divisa ora in almeno due zone di reazione: Ri in cui la reazione tra i reagenti freschi Nj (che indica la corrente di alimentazione di NH3) e Ci (che indica la corrente di alimentazione di C02) nonché tra la corrente di riciclo (gas + liquido) G4 + (o L\ con G4 = 0), avviene ad un determinato rapporto (NH3/C02)1; pressione P1( temperatura Tj e quindi resa di trasformazione in urea Qx; R2 in cui la reazione di sintesi dell'effluente Sj da Rj, eventualmente addizionato con una corrente fresca di ammoniaca N2 e/o anidride carbonica C3 è fatta completare ad un rapporto (NH3/C02)2, pressione P2, temperatura T2 e resa Q2. L'effluente S2 dalla seconda zona di reazione R2 è ora sottoposto ad un trattamento quantitativo This overall part R is now divided into at least two reaction zones: Ri where the reaction between the fresh reactants Nj (which indicates the supply current of NH3) and Ci (which indicates the supply current of C02) as well as between the current recycling (gas + liquid) G4 + (or L \ with G4 = 0), occurs at a certain ratio (NH3 / C02) 1; pressure P1 (temperature Tj and therefore transformation yield into urea Qx; R2 in which the synthesis reaction of the effluent Sj from Rj, possibly added with a fresh stream of ammonia N2 and / or carbon dioxide C3 is completed at a ratio ( NH3 / C02) 2, pressure P2, temperature T2 and yield Q2.The effluent S2 from the second reaction zone R2 is now subjected to a quantitative treatment

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STR. di decomposizione del carbamato e separazione dei composti non reagiti, che è anch'esso effettuato in due stadi: Ej in cui a seconda delle condizioni operative soprattutto pressione P3, temperatura T3 (oltre al tempo di permanenza) si separa una quantità di gas G la maggior parte del quale è ricircolato come corrente Gx direttamente al secondo stadio di reazione R2 (l'eventuale parte rimanente G2 essendo portata nel circuito RCj e/o direttamente alla prima zona Rj; E2 in cui l'effluente S3 dal primo stadio di trattamento Ex è trattato a pressione P4 temperatura T4 di preferenza in controcorrente con anidride carbonica fresca C2 per recuperare tutti i rimanenti gas non reagiti G3 che dopo parziale condensazione in E3 (operante ad una pressione P5 e temperatura T5 eventualmente con introduzione di ammoniaca fresca N3) vengono ricircolati ocme miscela liquido-vapore G4 + Lt alla prima zona di reazione Rr In alternativa la condensazione in E3 può essere totale (G4 = 0, riciclo RC'j = L'j) ed una porzione dei valori G3 (= G'3) è inviata direttamente alla prima di reazione Rr L'effluente S4 da E2 subisce una purificazione convenzionale in E4 nella quale si separa il prodotto finale desiderato S5 e la soluzione L2 che viene ricircolata nel condensatore E3. Con il processo secondo l'invenzione si può realizzare uno schema totalmente isobarico con Pj = P2 = P3 = P4 = P5, o di preferenza uno schema non isobarico. In quest'ultimo caso si opera vantaggiosamente con la massima efficienza e flessibilità tenendo R2 ed Ex ad una stessa pressione P = P2 = P3, e R1; E2 ed Es ad una stessa pressione P' = Pi = P4 = P5, con P maggiore di P'. La pressione alta «P» viene perciò mantenuta solo in una piccola parte dell'impianto con notevoli risparmi energetici e di investimenti. Insieme alla pressione elevata P2 anche il rapporto (NHg/CO^a sarà scelto alto in modo da avervi la resa di trasformazione più alta. STR. of carbamate decomposition and separation of the unreacted compounds, which is also carried out in two stages: Ej in which, depending on the operating conditions, above all pressure P3, temperature T3 (in addition to the residence time) a quantity of gas G la is separated most of which is recirculated as current Gx directly to the second reaction stage R2 (any remaining part G2 being brought into the circuit RCj and / or directly to the first zone Rj; E2 where the effluent S3 from the first treatment stage Ex it is treated at pressure P4 temperature T4 preferably in countercurrent with fresh carbon dioxide C2 to recover all the remaining unreacted gases G3 which after partial condensation in E3 (operating at a pressure P5 and temperature T5 possibly with introduction of fresh ammonia N3) are recirculated ocme liquid-vapor mixture G4 + Lt at the first reaction zone Rr Alternatively the condensation in E3 can be total (G4 = 0, recycling RC'j = L'j) and a portion of the G3 values (= G'3) is sent directly to the first reaction Rr. The effluent S4 from E2 undergoes a conventional purification in E4 in which the desired final product S5 is separated and the solution L2 which is recirculated in the condenser E3. With the process according to the invention, a totally isobaric scheme can be realized with Pj = P2 = P3 = P4 = P5, or preferably a non-isobaric scheme. In the latter case, one operates advantageously with maximum efficiency and flexibility by keeping R2 and Ex at the same pressure P = P2 = P3, and R1; E2 and Es at the same pressure P '= Pi = P4 = P5, with P greater than P'. The high blood pressure "P" is therefore maintained only in a small part of the system with significant energy and investment savings. Together with the high pressure P2 also the ratio (NHg / CO ^ a will be chosen high so as to have the highest transformation yield.

Secondo l'aspetto più notevole del trovato, poiché il trattamento di decomposizione e separazione dei composti non reagiti in Ej e E2 è quantitativo, esso viene controllato in modo che sia nel primo (EJ che nel secondo (E2) stadio si ottengano direttamente quelle correnti di gas (G) e (G3) che introdotte separatamente nella prima rispettivamente nella seconda zona di reazione sono in grado di mantenervi i rapporti ottimali (NH^/COa)! e (NH3/C02)2 nonché i bilanci termici ottimali per ottenere le massime rese di trasformazione e la corretta temperatura di reazione. Le alte rese di trasformazione vengono ottenute minimizzando la pressione del reattore R e, vantaggiosamente per l'efficienza di separazione delle sostanze di trattamento, la pressione di funzionamento dei due stadi di trattamento a valle nel caso di un sistema isobarico, oltre che per ridurre vantaggiosamente i consumi energetici e gli investimenti nel caso di un sistema non-isobarico in cui soltanto la seconda zona di reazione ed il primo stadio di trattamento operano a pressione più elevata. Un ulteriore vantaggio deriva anche dal fatto che, per essere il trattamento di separazione quantitativo, il suo primo stadio può essere realizzato con mezzi molto economici, senza cioè dover usare un separatore a film. According to the most remarkable aspect of the invention, since the decomposition and separation treatment of the unreacted compounds in Ej and E2 is quantitative, it is controlled so that both in the first (EJ and in the second (E2) stage the current ones are obtained directly of gas (G) and (G3) which introduced separately in the first respectively in the second reaction zone are able to maintain the optimal ratios (NH ^ / COa)! and (NH3 / C02) 2 as well as the optimal thermal balances to obtain the maximum transformation yields and the correct reaction temperature. The high transformation yields are obtained by minimizing the pressure of the reactor R and, advantageously for the efficiency of separation of the treatment substances, the operating pressure of the two downstream treatment stages in the case of an isobaric system, as well as to advantageously reduce energy consumption and investments in the case of a non-isobaric system in which only the second zone of offenses one and the first stage of treatment operate at higher pressure. A further advantage also derives from the fact that, in order to be the quantitative separation treatment, its first stage can be achieved with very inexpensive means, ie without having to use a film separator.

Esempi Examples

1. Funzionamento non isobarico (fig. 2 e tavola 1) 1. Non-isobaric operation (fig. 2 and table 1)

Nella prima zona di reazione Rx funzionante a Pt = 160 bar e Tj = 182°C vengono alimentate una corrente Nx di 33.22 moli di NH3, a 40°C, e la miscela liquido-vapore G4 + Lj contenente 20 moli di C02, 30.68 moli di NH3, 6 moli di H20 a 174°C; il rapporto molare (NH3/C02)x è pari a 3.2 e si ha una resa di trasformazione Qj della C02 ad urea del 60%. La soluzione di urea Sj che alimenta la seconda zona di reazione R2 è costituita pertanto da 12 moli di urea, 8 moli di C02, 40 moli di NH3 e 18 moli di H20. In the first reaction zone Rx operating at Pt = 160 bar and Tj = 182 ° C, an Nx current of 33.22 moles of NH3 is fed, at 40 ° C, and the liquid-vapor mixture G4 + Lj containing 20 moles of C02, 30.68 moles of NH3, 6 moles of H20 at 174 ° C; the molar ratio (NH3 / C02) x is equal to 3.2 and there is a transformation yield Qj of C02 to urea of 60%. The urea solution Sj which feeds the second reaction zone R2 therefore consists of 12 moles of urea, 8 moles of C02, 40 moles of NH3 and 18 moles of H20.

Nella seconda zona di reazione R^ funzionante a P2 = 185 bar e T2 = 192°C, oltre alla soluzione proveniente dalla prima zona Rx alimentata, ad es. mediante una pompa PO per vincere il salto di pressione (da Px = 160 bar a P2 = 185 bar) vengono alimentati i vapori Gx a 196°C contenenti 2.2 moli di C02 e 36 moli di NH3 e 1 mole di H20 proveniente dal primo stadio di trattamento Ex funzionante anch'esso a Ps = 185 bar e a T3 = 196°C. In the second reaction zone R ^ operating at P2 = 185 bar and T2 = 192 ° C, in addition to the solution from the first supplied Rx zone, e.g. through a PO pump to overcome the pressure drop (from Px = 160 bar to P2 = 185 bar) the vapors Gx are fed at 196 ° C containing 2.2 moles of C02 and 36 moles of NH3 and 1 mole of H20 coming from the first stage of Ex treatment also operating at Ps = 185 bar and at T3 = 196 ° C.

Nella seconda zona di reazione R2 il rapporto molare (NH3/C02)2 è di 4.5 e la resa di trasformazione Q2 della C02 ammonta al 75 %. In the second reaction zone R2 the molar ratio (NH3 / C02) 2 is 4.5 and the transformation yield Q2 of C02 amounts to 75%.

La soluzione di urea S2 contenente 16.66 moli di urea, 5,54 moli di C02, 66.68 moli di NH3 e 23.66 moli di B^O alimenta il primo stadio di trattamento Et dove a P3 = P2 = 185 bar e a T3 = 196°C si separano 2.2 moli di C02 a 36 moli di NH3 e 1 mole di H20, che sono alimentate direttamente alla seconda zona di reazione R^ La soluzione S3, contenente 16.66 moli di urea, 3.34 moli di C02, 30.68 moli di NH3 e 22.66 moli di H20 alimenta il secondo stadio di trattamento E2 funzionante a P4 = Pj = 160 bar e T4 = 185°C, dove con l'impiego di 16.66 moli di C02 in controccorrente (indicata con G2 nel disegno) si separano dalla soluzione di urea 1.84 moli di C02 e 27.48 moli di NH3 e due moli di H20.1 gas provenienti da E2 costituiti da 18,5 moli di C02, 47.48 moli di NH3 e 2 moli di H20 alimentano il condensatore E3 (condensatore carbamato), pure alimentato dalla soluzione 1-2,1.5 moli di C02, 3.2 moli di NH3 e 4 moli di H20, proveniente dal sistema finale di trattamento E4 dove si separano le ultime traccie di C02 e H20 ancora contenute nella soluzione S4 proveniente da E2. La fase mista (vapori 4- soluzione carbamato) G4 + Lx a 160 bar e 175°C formatasi nel condensatore E3 viene ricircolata per gravità alla prima zona di reazione R^ Essa contiene 20 moli di C02, 30.68 moli di NH3, 6 moli di H20. The S2 urea solution containing 16.66 moles of urea, 5.54 moles of C02, 66.68 moles of NH3 and 23.66 moles of B ^ O feeds the first treatment stage Et where at P3 = P2 = 185 bar and at T3 = 196 ° C 2.2 moles of C02 are separated from 36 moles of NH3 and 1 mol of H20, which are fed directly to the second reaction zone R ^ The solution S3, containing 16.66 moles of urea, 3.34 moles of C02, 30.68 moles of NH3 and 22.66 moles of H20 feeds the second treatment stage E2 operating at P4 = Pj = 160 bar and T4 = 185 ° C, where with the use of 16.66 moles of C02 in countercurrent (indicated with G2 in the drawing) they separate from the urea solution 1.84 moles of C02 and 27.48 moles of NH3 and two moles of H20.1 gases coming from E2 consisting of 18.5 moles of C02, 47.48 moles of NH3 and 2 moles of H20 feed the condenser E3 (carbamate condenser), also fed by the solution 1-2,1.5 moles of C02, 3.2 moles of NH3 and 4 moles of H20, coming from the final treatment system E4 where the ul time traces of C02 and H20 still contained in solution S4 from E2. The mixed phase (vapors 4- carbamate solution) G4 + Lx at 160 bar and 175 ° C formed in the condenser E3 is recirculated by gravity to the first reaction zone R ^ It contains 20 moles of C02, 30.68 moles of NH3, 6 moles of H20.

2. Funzionamento isobarico (fig. 3 e tavola 2) 2. Isobaric operation (fig. 3 and table 2)

Nella prima zona di reazione funzionante a Pj = 160 bar e Ti = 180°C vengono alimentate 25.82 moli di NH3 (corrente Nj) a 40°C e la miscela liquido-vapore G4 + Lx contenente 21 moli di C02, 37.18 moli di NH3, 6 moli di H20 a 175°C; il rapporto molare (NB^/CO^ è pari a 3 e si ha una resa di trasformazione della C02 ad urea del 57%. La soluzione di urea Sx che alimenta la seconda zona di reazione Rg è costituita pertanto da 12 moli di urea, 9 moli di C02, 39 moli di NH3 e 18 moli di H20. In the first reaction zone operating at Pj = 160 bar and Ti = 180 ° C, 25.82 moles of NH3 (current Nj) are fed at 40 ° C and the liquid-vapor mixture G4 + Lx containing 21 moles of C02, 37.18 moles of NH3 , 6 moles of H2O at 175 ° C; the molar ratio (NB ^ / CO ^ is equal to 3 and there is a transformation yield of C02 to urea of 57%. The urea solution Sx which feeds the second reaction zone Rg is therefore constituted by 12 moles of urea, 9 moles of C02, 39 moles of NH3 and 18 moles of H20.

Nella seconda zona di reazione R2, funzionante a P2 = P! = 160 bar e T2 = 190°C, oltre alla soluzione Si proveniente dalla prima zona Rx vengono alimentati i vapori G1 a 194°C contenenti 2.8 moli di C02, 24.7 moli di NH3 ed 1 mole di HzO proveniente dal primo stadio di trattamento Ej funzionante anch'esso a P3 = P2 = Pj = 160 bar e a T3 = 194°C. In the second reaction zone R2, operating at P2 = P! = 160 bar and T2 = 190 ° C, in addition to the Si solution from the first Rx zone, the vapors G1 are fed at 194 ° C containing 2.8 moles of C02, 24.7 moles of NH3 and 1 mole of HzO coming from the first stage of treatment Ej also operating at P3 = P2 = Pj = 160 bar and at T3 = 194 ° C.

Nella seconda zona di reazione R^ sono inoltre alimentate 7.5 moli di NH3 (corrente N2) a 40°C ed il rapporto molare (NH3/C02)? è di 4; la resa di trasformazione Qa della C02 ammonta a 70%. Furthermore, 7.5 moles of NH3 (stream N2) at 40 ° C and the molar ratio (NH3 / C02) are fed into the second reaction zone R? is 4; the transformation yield Qa of C02 amounts to 70%.

La soluzione di urea S2 contenente 16.66 moli di urea, 7.14 moli di C02, 61.88 moli di NH3 e 23.66 moli di H20 alimenta il primo stadio di trattamento Et dove a P3 = P2 = 160 bar e a T3 = 194°C. Si separa la corrente Gt contenente 2.8 moli di C02, 24.7 moli di NH3 e 1 mole di H20 alimentata direttamente alla seconda zona di reazione R2. La soluzione S3, contenente 16.66 moli di urea, 4.34 moli di C02, 37.18 moli di NH3 e 22.66 moli di H20 alimenta il secondo stadio di trattamento E2 funzionante a P, = P3 = Pi = 160 bar e T4 = 185°C, dove con l'impiego di una corrente C2 di 16.66 moli di C02 in controcorrente si separano dalla soluzione di urea 2.84 moli di C02 e 33.98 The S2 urea solution containing 16.66 moles of urea, 7.14 moles of C02, 61.88 moles of NH3 and 23.66 moles of H20 feeds the first treatment stage Et where at P3 = P2 = 160 bar and at T3 = 194 ° C. The stream Gt containing 2.8 moles of C02, 24.7 moles of NH3 and 1 mole of H20 fed directly to the second reaction zone R2 is separated. The solution S3, containing 16.66 moles of urea, 4.34 moles of C02, 37.18 moles of NH3 and 22.66 moles of H20 feeds the second treatment stage E2 operating at P, = P3 = Pi = 160 bar and T4 = 185 ° C, where with the use of a C2 current of 16.66 moles of C02 in countercurrent they separate from the urea solution 2.84 moles of C02 and 33.98

5 5

10 10

1S 1S

20 20

25 25

30 30

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

5 5

650248 650248

moli di NH3 e 2 moli di H20.1 gas G3 provenienti da E2 costituiti da 19.50 moli di C02, 33.98 moli di NH3 e 2 moli di H20 a P4 = P3 = Pt = 160 bar e a T5 = 190°C alimentano il condensatore E3 (condensatore carbamato), pure alimentato dalla soluzione L2 (consistente di 1.5 moli di C02, 3.2 moli di NH3 e 4 moli di H20), proveniente dal sistema finale di trattamento S5 dove si separano le ultime traccie di C02 e H20 ancora contenute nella soluzione proveniente da E2. La fase mista (vapori + soluzione carbamato) G4 + Lj a 160 bar e 175°C formatasi in E3 viene ricircolata alla prima zona di reazione Rt. Essa contiene 21 moli di C02, moles of NH3 and 2 moles of H20.1 gas G3 from E2 consisting of 19.50 moles of C02, 33.98 moles of NH3 and 2 moles of H20 at P4 = P3 = Pt = 160 bar and at T5 = 190 ° C feed the condenser E3 (carbamate condenser), also fed by the L2 solution (consisting of 1.5 moles of C02, 3.2 moles of NH3 and 4 moles of H20), coming from the final treatment system S5 where the last traces of C02 and H20 still contained in the solution are separated coming from E2. The mixed phase (vapors + carbamate solution) G4 + Lj at 160 bar and 175 ° C formed in E3 is recirculated to the first reaction zone Rt. It contains 21 moles of C02,

37.18 moli di NH3, 6 moli di H20. Tutte le correnti circolano nel sistema isobarico per gravità. 37.18 moles of NH3, 6 moles of H20. All currents circulate in the isobaric system by gravity.

3. Funzionamento non isobarico (condensazione totale 5 nel condensatore carbamato) (fig. 4 e tavola 3) 3. Non-isobaric operation (total condensation 5 in the carbamate condenser) (fig. 4 and table 3)

Come esempio 1 ma con là condensazione totale di una parte dei vapori di riciclo inviati al primo stadio di reazione Rj, mentre la restante parte dei vapori di riciclo viene ricircolata al reattore tal quale. In questo caso dal condensalo tore E3 ricicla al reattore soltanto una soluzione, senza fase vapore L\ (G4 = 0) ed il condensatore è alimentato con una parte soltanto dei gas G3, essendo una parte degli stessi G's inviata direttamente al reattore. As example 1 but with the total condensation of a part of the recycling vapors sent to the first reaction stage Rj, while the remaining part of the recycling vapors is recirculated to the reactor as it is. In this case, only one solution from the condenser E3 recycles to the reactor, without vapor phase L \ (G4 = 0) and the condenser is fed with only a part of the G3 gases, being a part of the same G's sent directly to the reactor.

TAVOLA 1 TABLE 1

linee lines

Sa g4+li Sa g4 + li

Sx s* Left s *

Gì GI

s, s

s4 s4

c3 c3

s5 s5

h c2 h c2

stato liq liq liq+vap liq liq vap liq liq vap liq liq vap p = bar state liq liq liq + vap liq liq vap liq liq vap liq liq vap p = bar

160 160

185 185

160 160

— -

160 160

o o o o

ii h ii h

40 40

182 182

174 174

182 182

192 192

196 196

185 185

190 190

— -

130 130

urea urea

— -

12 12

— -

12 12

16,66 16,66

— -

16,66 16,66

— -

o o o o

— -

8 8

20 20

8 8

5,54 5.54

2,2 2.2

3,34 3.34

1,5 1.5

18,5 18.5

— -

1,5 1.5

16,66 16,66

nh3 nh3

33,32 33,32

40 40

30,68 30,68

40 40

66,68 66,68

36,0 36.0

30,68 30,68

3,2 3.2

27,48 27,48

— -

3,2 3.2

h2o h2o

— -

18 18

6 6

18 18

23,66 23,66

1 1

22,66 22,66

20,66 20,66

2,0 2.0

16,66 16,66

4,0 4.0

— -

TAVOLA 2 TABLE 2

LINEE LINES

Nx Nx

Si Yes

G4+Lj G4 + Lj

N2 N2

s2 s2

GÌ Gl

s3 s3

s4 s4

c3 c3

S5 L2 S5 L2

c2 c2

STATO STATE

LIQ LIQ

LIQ+VAP LIQ VAP +

LIQ LIQ

: LIQ : LIQ

VAP VAP

LIQ LIQ

VAP VAP

LIQ LIQ LIQ LIQ

VAP VAP

P = bar P = bar

160 160

— 160 - 160

160 160

h h

II II

O OR

o or

40 40

180 180

175 175

40 40

190 190

194 194

185 185

190 190

— — - -

130 130

urea urea

— -

12 12

— -

16,66 16,66

— -

16,66 16,66

— -

16,66 — 16.66 -

— -

co2 co2

— -

9 9

21 21

— -

7,14 7.14

2,8 2.8

4,34 4.34

1,5 1.5

19,50 19,50

— 1,5 - 1.5

16,66 16,66

nh3 nh3

25,82 25.82

39 39

37,18 37.18

7,5 7.5

61,88 61.88

24,7 24.7

37,18 37.18

3,2 3.2

33,98 33.98

— 3,2 - 3.2

— -

h20 h20

— -

18 18

6 6

— -

23,66 23,66

1 1

22,66 22,66

20,66 20,66

2 2

16,66 4 16.66 4

— -

TAVOLA 3 TABLE 3

LINEE LINES

M1 M1

Sx Sx

G3 G3

Si Yes

s2 s2

Gì GI

s3 s3

s4 s4

s5 s5

h h

Ci there

STATO STATE

LIQ LIQ

VAP VAP

LIQ LIQ

VAP VAP

LIQ LIQ

VAP VAP

P = bar P = bar

160 160

185 185

160 160

h h

II II

O OR

o or

40 40

182 182

190 190

182 182

192 192

196 196

185 185

— -

130 130

urea urea

— -

12 12

— -

12 12

16,66 16,66

— -

16,66 16,66

16,66 — 16.66 -

— -

o or

P P

— -

8 8

18,5 18.5

8 8

5,54 5.54

2,2 2.2

3,34 3.34

1,5 1.5

— -

1,5 1.5

16,66 16,66

nh3 nh3

33,32 33,32

40 40

27,48 27,48

40 40

66,68 66,68

36 36

30,68 30,68

3,2 3.2

— -

3,2 3.2

— -

h20 h20

— -

18 18

2 2

18 18

23,66 23,66

1 1

22,66 22,66

20,66 20,66

16,66 4 16.66 4

— -

v v

4 fogli disegni 4 drawings sheets

Claims

650248

1. Process for the production of urea by synthesis of ammonia and carbon dioxide in a reaction space at high pressure and temperatures and with a strong excess of ammonia, in which it processes the product of the synthesis reaction, consisting not only of urea, but of carbamate , water and unreacted compounds, is subjected to two-stage treatments to separate the carbamate and said unreacted compounds and to reintroduce them into the reaction space, characterized in that, being the synthesis reaction carried out in two zones in series each with a different ratio NH3 / C02, at the first of said reaction zones the stream of reactants (NH3 + C02) leaving the second treatment stage is recirculated, after partial condensation, while at the second reaction zone the gas stream is at least partially recirculated (NH3 + C02) as it comes out of the first treatment stage, the quantities of effluents from the first and second treatment stages being checked and so as to ensure optimal NH3 / C02 ratios and reaction temperatures in the two reaction zones.

2. Process according to claim 1, characterized in that the gas stream recovered from the second treatment stage and recirculated to the first reaction zone is condensed partially (or totally with a portion of steam from the first and / or second treatment stage sent directly to the first reaction zone) so that the effluent from said condensation contains in addition to the liquid that quantity of vapors capable, after reaction, of keeping the temperature of the first reaction zone at optimum values.

2

3. Process according to claims 1 and 2, characterized in that in the second reaction zone that quantity of gas (rich in NH3) effluent from the first treatment zone is directly introduced, capable of maintaining the NH3 / As well as the temperature, in the said second reaction zone.

Process according to claims 1 to 3, characterized in that the second reaction zone and the first separation stage are kept at the same pressure.

5. Process according to claims 1 to 3, characterized in that the first reaction zone, the second treatment stage and the condenser of the gases leaving the latter are maintained at the same pressure.

Process according to claims 4 and 5, wherein the pressure in the second reaction zone and in the first treatment stage is higher than that prevailing in the first reaction zone, in the second treatment stage and in the condenser.