CH698261B1 - Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff. - Google Patents

Abstract

Es ist das Ziel, in einer Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff durch Umgehung des abwärtsgerichteten Stroms einer Harnstoffsyntheselösung, welche ein zweiphasiger Gas-Flüssigkeits-Strom ist, und durch Stabilisierung des Stroms der Harnstoffsyntheselösung, welche noch immer der zweiphasige Gas-Flüssigkeits-Strom bleibt, einen gleichmässigeren Betrieb zu ermöglichen und den Energieverlust durch einen geringeren Strömungswiderstand zu verringern. Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff, welche umfasst: einen Synthesereaktor (A) zum Umsetzen von NH3 mit CO2, um eine Harnstoff, nicht umgesetztes NH3, nicht umgesetztes CO2 und Wasser enthaltende Harnstoffsyntheselösung zu erhalten; einen Stripper (C) zum Austreiben der Harnstoffsyntheselösung unter Verwendung von zumindest einem Teil des Ausgangsmaterials CO2, um ein Gasgemisch, welches das nicht umgesetzte NH3 und das nicht umgesetzte CO2 enthält, abzutrennen; einen vertikalen Tauchkondensator (B) mit einem Mantel-Rohrbündel-Aufbau zum Kondensieren des Gasgemischs in einem Absorptionsmedium auf der Mantelseite, während das Gasgemisch mit einem Kühlmedium gekühlt wird, das durch die Rohrseite strömt; und Rückführungsmittel zum Rückführen einer von diesem Kondensator (B) kommenden Flüssigkeit an den Synthesereaktor (A), wobei der Synthesereaktor eine horizontale Bauform aufweist, und wobei die Verrohrung zum Übertragen der Harnstoffsyntheselösung von dem Synthesereaktor an den Stripper (C) im Wesentlichen horizontal und/oder aufwärts verläuft.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff, welche Harnstoff unter Verwendung von Ammoniak und Kohlendioxid als Ausgangsmaterialien synthetisiert. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung, die in einem Harnstoff-Stripping-Verfahren verwendet wird, wobei eine in einem Synthesereaktor zur Synthese von Harnstoff erhaltene Harnstoffsyntheselösung abgezogen wird.

Stand der Technik

[0002] Techniken, wie sie untenstehend beschrieben werden, sind als Harnstoff-Stripping-Verfahren bekannt.

[0003] Das Patentdokument 1 hat ein Harnstoffverfahren unter Verwendung von Ammoniak und Kohlendioxid als Ausgangsmaterialien beschrieben, wobei die Harnstoffsynthese ganz oder teilweise in einem Kombireaktor erfolgt. In dem darin offenbarten Verfahren wird ein Gas von einem Stripper an den vertikalen Kombireaktor geliefert und ganz oder teilweise in Ammoniumcarbamat kondensiert, das dann wiederum über ein Rückflussrohr von einer Wäscherzone zu einem Kondensationsabschnitt übertragen wird, und Ammoniak und Kohlendioxid werden teilweise in der Kondensationszone des Kombireaktors zu Harnstoff synthetisiert, während die weitere Umwandlung zu Harnstoff in der Reaktionszone des Kombireaktors durchgeführt wird.

[0004] Das Patentdokument 2 hat eine kombinierte Reaktoranlage beschrieben, die Ammoniak und Kohlendioxid als Ausgangsmaterialien verwendet und die aus zwei vertikal eingebauten Synthesezonen und einer Kondensationszone zusammengesetzt ist. Diese Anlage stellt einen vertikalen kombinierten Reaktor dar, in welchem zwei Reaktionszonen durch eine Hochdruck-Kondensationszone getrennt werden. Das Dokument hat auch einen weiteren kombinierten Reaktor offenbart, welcher zwei Reaktionszonen und eine ausserhalb des Reaktors angeordnete Hochdruck-Kondensationszone umfasst, und des Weiteren auch ein Verfahren offenbart, das diese Anlage verwendet. Darüber hinaus wurde darin auch ein Verfahren offenbart, welches das vollständige oder teilweise Zuführen eines von einem Stripper gelieferten Gases an die Hochdruck-Kondensationszone einschliesst. In der Offenbarung wird bevorzugt, dass das Gas von dem Stripper über einen Ammoniak-Ejektor an die zweite Reaktionszone in dem vertikal eingebauten kombinierten Reaktor geliefert wird.

[0005] Das Patentdokument 3 hat ein verbessertes Verfahren beschrieben, bei dem eine Vorrichtung in einem Harnstoff-Syntheseverfahren, das einen Schritt zur Austreibung von nicht umgesetztem Ammoniak und Kohlendioxid bei einem Druck nahezu gleich dem Druck der Harnstoffsynthese durch das Ausgangsmaterial Kohlendioxid sowie einen Schritt der Kondensation eines Gasgemischs aus dem Austreibungsschritt umfasst, am Boden angeordnet werden kann. In dem darin offenbarten Syntheseverfahren für Harnstoff ist über einem Harnstoffsyntheseturm ein vertikaler Kondensator vorgesehen, um ein Gasgemisch von einem Stripper unter Kühlung mit einem Absorptionsmedium in Kontakt zu bringen und dadurch das Gasgemisch zu kondensieren, und ein erstes Fallrohr zur Verbindung des oberen Endes des Kondensators mit dem unteren Ende des Syntheseturms, durch welches die hergestellte kondensierte Flüssigkeit veranlasst wird, durch die Schwerkraft an das untere Ende des Syntheseturms zu fliessen und dann zusammen mit einem Teil des Ausgangsmaterials Ammoniak oder Kohlendioxid, das dort eingespeist wird, der Harnstoffsynthese unterzogen wird, und die hergestellte Harnstoffsyntheselösung wird durch ein zweites Fallrohr mit einer Öffnung am oberen Ende des Syntheseturms durch die Schwerkraft in den Stripper eingeleitet, in welchem nicht umgesetztes Ammoniak und Kohlendioxid dann als das Gasgemisch durch den Rest des Ausgangsmaterials Kohlendioxid abgetrennt werden, dann in das untere Ende des Kondensators eingeleitet und kondensiert wird, oder alternativ, eine kondensierte Flüssigkeit von dem vertikalen Kondensator durch einen Ejektor unter Verwendung von vorerhitztem Ausgangsmaterial Ammoniak als Treibflüssigkeit angesaugt wird, dann in das untere Ende des Harnstoffsyntheseturms eingeleitet und der Harnstoffsynthese unterzogen wird.

[0006] Patentdokument 4 hat ein Verfahren zur Synthese von Harnstoff mit einem geringen Volumen an notwendiger Ausrüstung je produzierter Mengeneinheit beschrieben, wobei die Kondensation eines Gasgemischs aus nicht umgesetztem Ammoniak und Kohlendioxid und die Synthese von Harnstoff in einem einzelnen Gefäss durchgeführt werden.

[0007] In der Offenbarung umfasst dieses Verfahren für die Synthese von Harnstoff: das Einspeisen eines durch Austreiben von nicht umgesetztem Ammoniak und nicht umgesetztem Kohlendioxid unter Verwendung von dem Ausgangsmaterial Kohlendioxid und von einem Absorptionsmedium erhaltenen Gasgemischs in das untere Ende eines vertikalen Kondensations-Syntheseturms; das Einspeisen des Ausgangsmaterials flüssiges Ammoniak in das untere Ende und in die Mitte des vertikalen Kondensations-Syntheseturms; das Kondensieren des Gasgemischs durch Kühlen des vom unteren Ende bis zur Mitte reichenden Teils des vertikalen Kondensations-Syntheseturms, während die Synthese von Harnstoff ausgeführt wird; das Einleiten der erzeugten Harnstoffsyntheselösung von dem oberen Ende des vertikalen Kondensations-Syntheseturms in das obere Ende eines Strippers; und das Unterwerfen des nicht umgesetzten Ammoniaks und Kohlendioxids in der Harnstoffsyntheselösung einem Stripping mit Hilfe des Ausgangsmaterials Kohlendioxid.

[0008] Das Patentdokument 5 hat offenbart, dass die Höhe einer Vorrichtung für einen Syntheseschritt in einem CO2-Harnstoff-Stripping-Verfahren drastisch reduziert werden kann, indem ein Synthesereaktor horizontal angeordnet wird.

[0009] Die Patentdokumente 6 und 7 haben ein Verfahren offenbart, wobei eine aus einem horizontalen Tauchkondensator kommende Harnstoffsyntheselösung unter Verwendung eines Ejektors in einen Synthesereaktor eingeleitet wird. Patentdokument 1: Internationale Veröffentlichung WO 00/43 358 Patentdokument 2: Internationale Veröffentlichung WO 01/72 700 Patentdokument 3: Japanische Patentveröffentlichung Nr. 10-182 587 Patentdokument 4: Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2002-20 360 Patentdokument 5: Japanische Patentveröffentlichung Nr. 59-122 452 Patentdokument 6: Japanische Patentveröffentlichung Nr. 11-180 942 Patentdokument 7: Internationale Veröffentlichung WO 00/00 466.

Offenbarung der Erfindung

Durch die Erfindung zu lösende Probleme

[0010] Die herkömmliche Verrohrung zur Übertragung einer in einem Synthesereaktor erhaltenen Harnstoffsyntheselösung an einen Stripper hatte bisher einen Abschnitt, der sich in die Abwärtsrichtung erstreckte. Das heisst, die Verrohrung verlief von horizontal nach vertikal unten entlang der Richtung des Stroms der Harnstoffsyntheselösung oder wies einen vertikal abwärtsgerichteten (senkrecht zur Horizontalen) Abschnitt auf. Dies deshalb, da das obere Ende des Synthesereaktors in einer höheren Position als der Stripper angeordnet ist, um die Harnstoffsyntheselösung unter Verwendung der Schwerkraft zu übertragen.

[0011] Die Harnstoffsyntheselösung ist jedoch ein zweiphasiger Gas-Flüssigkeits-Strom, der ein Gas enthält. Der abwärtsgerichtete Strom des zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Stroms neigt dazu, instabil zu werden und neigt auch dazu, den Strömungswiderstand zu erhöhen. Somit wurde zur Ausnützung der Schwerkraft die Harnstoffsyntheselösung in eine monophasische Flüssigkeit umgewandelt, indem die gasförmige Phase davon abgetrennt wurde, und kann dann abwärtsfliessen.

[0012] Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gleichmässigeren Betrieb in einer Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff zu ermöglichen, indem der abwärtsgerichtete Strom einer Harnstoffsyntheselösung, welcher ein zweiphasiger Gas-Flüssigkeits-Strom ist, zu umgehen und den Strom der Harnstoffsyntheselösung, welcher noch immer der zweiphasige Gas-Flüssigkeits-Strom bleibt, zu stabilisieren, und den Energieverlust zu verringern, indem sich ein niedrigerer Strömungswiderstand ergibt.

Mittel zur Lösung der Probleme

[0013] Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff, welche umfasst: einen Synthesereaktor zum Umsetzen von Ammoniak mit Kohlendioxid, um eine Harnstoffsyntheselösung zu erhalten, die Harnstoff, nicht umgesetztes Ammoniak, nicht umgesetztes Kohlendioxid und Wasser enthält; einen Stripper zum Austreiben der Harnstoffsyntheselösung unter Verwendung von zumindest einem Teil des Ausgangsmaterials Kohlendioxid, um ein Gasgemisch, welches das nicht umgesetzte Ammoniak und das nicht umgesetzte Kohlendioxid enthält, abzutrennen; einen vertikalen Tauchkondensator mit einem Mantel-Rohrbündel-Aufbau zum Kondensieren des Gasgemischs in einem Absorptionsmedium auf der Mantelseite, während das Gasgemisch mit einem Kühlmedium gekühlt wird, das durch die Rohrseite strömt; und Rückführungsmittel zum Rückführen einer von dem vertikalen Tauchkondensator kommenden Flüssigkeit an den Synthesereaktor, wobei der Synthesereaktor eine horizontale Bauform aufweist und wobei die Verrohrung zum Übertragen der Harnstoffsyntheselösung von dem Synthesereaktor an den Stripper im Wesentlichen horizontal und/oder aufwärts verläuft.

[0014] Es wird bevorzugt, dass das obere Ende des Synthesereaktors in der vertikalen Richtung an einer gleich hohen oder niedrigeren Position als das obere Ende des Strippers angeordnet ist.

[0015] Es wird bevorzugt, dass das Rückführungsmittel einen Ejektor umfasst, dessen Treibmittel das Ausgangsmaterial Ammoniak ist.

[0016] Es wird bevorzugt, dass die Vorrichtung des Weiteren einen Wäscher zum Waschen eines Gases, das nicht in dem vertikalen Tauchkondensator kondensiert wurde, umfasst.

[0017] Es wird bevorzugt, dass der Wäscher im Inneren des vertikalen Tauchkondensators angeordnet ist.

Vorteile der Erfindung

[0018] Gemäss der vorliegenden Erfindung kann in einer Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff der abwärtsgerichtete Strom einer Harnstoffsyntheselösung, welcher ein zweiphasiger Gas-Flüssigkeits-Strom ist, umgangen werden. Als Ergebnis wird dieser Strom, der noch immer der zweiphasige Gas-Flüssigkeits-Strom bleibt, stabilisiert, wodurch ein gleichmässigerer Betrieb ermöglicht wird. Darüber hinaus ergibt sich ein geringerer Strömungswiderstand, wodurch der Energieverlust verringert wird.

[0019] Darüber hinaus wird ein Synthesereaktor, der eine horizontale Bauform aufweist, einfach auf dem Boden oder in einer niedrigen Position angeordnet. Als Ergebnis können die Einbauarbeiten, der Betrieb und die Wartung (Inspektion) einfach durchgeführt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0020] Fig. 1<sep>ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff nach der vorliegenden Erfindung zeigt; Fig. 2<sep>ist ein Flussdiagramm, das eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff nach der vorliegenden Erfindung zeigt; und Fig. 3<sep>ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer Anlage zur Harnstoffherstellung.

Beschreibung der Symbole

[0021] A:<sep>Synthesereaktor B:<sep>Kondensator C:<sep>Stripper D:<sep>Wäscher E:<sep>Ejektor G:<sep>Ammoniak-Vorwärmeinrichtung H:<sep>Kohlendioxid-Kompressor 1:<sep>Ausgangsmaterial Ammoniak 2:<sep>Ausgangsmaterial Kohlendioxid 4:<sep>Syntheselösung am Auslass des Synthesereaktors 5:<sep>Gas am oberen Stripperauslass 6:<sep>Flüssigkeit am Kondensatorauslass 7:<sep>Gas nach der Gas-Flüssigkeits-Trennung innerhalb des Kondensators 8:<sep>Flüssigkeit am Ejektorauslass 9:<sep>Flüssigkeit am Wäscherauslass 10:<sep>Flüssigkeit am Stripperauslass 11:<sep>Rückgeführtes flüssiges Carbamat 12:<sep>Gas am Wäscherauslass 13:<sep>Kühlmedium am Rohreinlass des Kondensators (Boilerwasser) 14:<sep>Kühlmedium am Rohrauslass des Kondensators (Boilerwasser und Dampf) 15:<sep>Dampf zum Beheizen des Strippermantels 16:<sep>kondensiertes Wasser am Auslass des Strippermantels 21:<sep>von der Zersetzungsvorrichtung erhaltenes Gas, das Ammoniak und Kohlendioxid enthält 22:<sep>von der Zersetzungsvorrichtung erhaltene Harnstofflösung 23:<sep>geschmolzener Harnstoff 24:<sep>granulierter Harnstoff

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

[0022] Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht als auf diese beschränkt zu verstehen. Die stellungsmässigen Beziehungen der Teilkomponenten einer Vorrichtung in der vertikalen Richtung werden in den Fig. 1 und 2gezeigt (mit Ausnahme des Kohlendioxid-Kompressors).

[0023] Im Folgenden wird ein vertikaler Tauchkondensator fallweise einfach als Kondensator bezeichnet.

[0024] Der vertikale Tauchkondensator ist ein Kondensator mit einem vertikalen Mantel-Rohrbündel-Wärmetauscher-Aufbau, wobei ein Kühlrohr auf der Mantelseite vollständig in eine flüssige Phase eingetaucht ist.

[0025] Fig. 1 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff nach der vorliegenden Erfindung zeigt, welche für ein Herstellungsverfahren für Harnstoff mit CO2-Stripping geeignet ist. Diese Vorrichtung weist einen Synthesereaktor A auf, der eine Synthesezone umfasst, einen Kondensator B, der eine Kondensationszone umfasst, einen Stripper C zum Behandeln nicht umgesetzter Komponenten in einer Syntheselösung 4 am Auslass des Synthesereaktors, einen Wäscher D zum Absorbieren unkondensierter Gase aus der Kondensationszone des Kondensators in ein Absorptionsmedium, und einen Ejektor E zur Druckbeaufschlagung.

[0026] In diesem Zusammenhang steht die Synthesezone für einen Bereich, in welchem von den später beschriebenen Reaktionen der Formeln 1 und 2 hauptsächlich die Reaktion der Formel 2 abläuft, und die Kondensationszone steht für einen Bereich zum Kondensieren eines Ammoniakgases und/oder eines Kohlendioxidgases in das Absorptionsmedium hinein, in welchem die Reaktion der Formel 1 sowie die Reaktion der Formel 2, welche die Dehydrierungsreaktion des durch die Reaktion der Formel 1 gebildeten Ammoniumcarbamats ist, abläuft.

[0027] Diese Teilkomponenten können separat eingebaut sein oder können, wenn gewünscht, auch in Kombination eingebaut werden, wie etwa der Kondensator und der Wäscher.

[0028] Der verwendete Synthesereaktor weist eine horizontale Bauart auf. Die Verrohrung zum Übertragen einer Harnstoffsyntheselösung vom Synthesereaktor an den Stripper verläuft im Wesentlichen horizontal und/oder aufwärts, das heisst, sie hat im Wesentlichen keinen abwärtsgerichteten Abschnitt. Dies bedeutet, dass der Auslass für die Harnstoffsyntheselösung in dem Synthesereaktor in einer niedrigeren Position als der Einlass des Strippers angeordnet ist. In diesem Zusammenhang bedeutet die Feststellung, dass diese Verrohrung im Wesentlichen horizontal und/oder aufwärts verläuft, dass das Vorhandensein einer abwärtsgerichteten Stelle in dieser Verrohrung innerhalb eines Bereichs akzeptiert wird, solange die Vorteile der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt werden. Aus Konstruktionsgründen kann es sein, dass ein kleiner Abschnitt dieser Verrohrung abwärtsverlaufen muss. Ein solcher Fall wird von der vorliegenden Erfindung ebenfalls abgedeckt, sofern die Vorteile der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt werden. Für eine herausragende Verbesserung der Gleichmässigkeit im Betrieb und eine herausragende Verringerung des Energieverlusts wird jedoch bevorzugt, dass die gesamte Verrohrung horizontal und/oder aufwärts verläuft, das heisst, dass diese Verrohrung keinen abwärtsgerichteten Abschnitt aufweist.

[0029] Die Verwendung des horizontalen Synthesereaktors kann die Gesamthöhe des Synthesereaktors verringern und kann die oben beschriebene stellungsmässige Beziehung zwischen dem Auslass des Synthesereaktors und dem Einlass des Strippers einfach erreichen. Zum Beispiel kann das obere Ende des horizontalen Synthesereaktors einfach in einer gleich hohen oder niedrigeren Position als das obere Ende des Strippers in der vertikalen Richtung angeordnet werden. In einem solchen Fall wird es einfach möglich, dass die Verrohrung zum Übertragen der Harnstoffsyntheselösung von dem Synthesereaktor zu dem Stripper horizontal und/oder aufwärts geführt werden kann. Darüber hinaus kann die Länge der Verrohrung zum Übertragen der Harnstoffsyntheselösung von dem Synthesereaktor zu dem Stripper in hohem Mass verkürzt werden, wenn das obere Ende des horizontalen Synthesereaktors in einer gleich hohen Position wie das obere Ende des Strippers in der vertikalen Richtung angeordnet wird. Da diese Verrohrung eine Hochdruck-Verrohrung ist, ist die verkürzte Länge derselben aus Gründen des Druckabfalls und der Kosten vorzuziehen.

[0030] Wenn der horizontale Synthesereaktor auf dem Boden oder in einer bodennahen Position angeordnet wird, werden die Einbauarbeiten und die Wartung des Synthesereaktors erleichtert, kombiniert mit der verringerten Gesamthöhe desselben.

[0031] Die horizontal und/oder aufwärts verlaufende Verrohrung zum Übertragen der Harnstoffsyntheselösung umfasst Verrohrung, die horizontal verläuft, Verrohrung, die sich in der vertikalen Richtung vertikal aufwärts erstreckt, Verrohrung, die in der vertikalen Richtung entlang der Strömungsrichtung der Harnstoffsyntheselösung schräg aufwärts verläuft, und Verrohrung, in welcher zwei oder mehr davon kombiniert sind.

[0032] Der horizontale Synthesereaktor ist ein Druckgefäss mit einem hohlzylindrischen Körper als Grundstruktur, wobei das Gefäss im Wesentlichen horizontal angeordnet ist. Im Allgemeinen sind mehrere Staubleche im Inneren des horizontalen Synthesereaktors vertikal angeordnet, um ein Rückvermischen von Flüssigkeit und Kurzwege zu vermeiden, und im Boden desselben ist ein Verteiler zum Verteilen eines Gases vorgesehen.

[0033] In der Kondensationszone und der Synthesezone wird durch die Reaktion von Ammoniak und Kohlendioxid Ammoniumcarbamat (im Folgenden in einigen Fällen als Carbamat bezeichnet) gebildet, und das gebildete Carbamat wird dehydriert, um dadurch Harnstoff zu bilden, wie in den unten beschriebenen Formeln 1 und 2 gezeigt. Die Reaktionsrate der Carbamatbildung ist hoch, und die Reaktion zur Harnstoffbildung durch die Dehydrierung von Carbamat ist eine Gleichgewichtsreaktion.

[0034] 2NH3+CO2→ NH2CO2NH4(Exotherme Reaktion) Formel 1 NH2CO2NH4↔ CO(NH2)2+H2O (Endotherme Reaktion) Formel 2 Das Ausgangsmaterial flüssiger Ammoniak 1 wird durch eine Ammoniakpumpe (nicht gezeigt) mit einem gewünschten Druck beaufschlagt, und ein Teil 1a desselben wird durch einen Wärmetauscher G erhitzt und an den Ejektor E geliefert. Eine Harnstoffsyntheselösung 6 wird von dem Kondensator B an den Ejektor geliefert und mit Druck beaufschlagt. Andererseits wird das Ausgangsmaterial gasförmiges Kohlendioxid 2 durch einen Kohlendioxid-Kompressor H mit einem gewünschten Druck beaufschlagt, und der grössere Teil 2a desselben wird dem Stripper C zugeführt. Der verbleibende Teil 2b des Kohlendioxids wird dem Synthesereaktor A zum Zweck der Steuerung der Temperatur des Synthesereaktors und zur Zufuhr von Sauerstoff zur Verhinderung von Korrosion zugeführt. Zur Verhinderung von Korrosion wird für gewöhnlich Luft (nicht gezeigt) an die erste Stufe auf der Saugseite oder an die Mittelstufe des Kohlendioxid-Kompressors zugeführt. Der Wärmetauscher G kann in geeigneter Weise einen im Stand der Technik bekannten Wärmetauscher übernehmen, mit einem Aufbau, der das Ausgangsmaterial Ammoniak erhitzen kann. Ein Fluid mit einem gewünschten Temperaturniveau kann in entsprechender Weise als Heizmedium zum Heizen in dem Wärmetauscher G verwendet werden.

[0035] Ein kleiner Teil des gesamten Ammoniak-Ausgangsmaterials kann dem Kondensator als Ausgangsmaterial Ammoniak 1b zur Verhinderung der Korrosion von Schweissnähten eines Kondensator-Rohrbodens zugeführt werden. Die Zuführleitung für dieses Ausgangsmaterial Ammoniak 1b ist nicht immer erforderlich.

[0036] Obwohl Kohlendioxid 2c als Strippingmittel in einem strömungsmässig nachgeordneten Zersetzungsschritt verwendet wird, ist die Leitung für dieses Kohlendioxid 2c nicht immer erforderlich.

[0037] Eine Ammoniak enthaltende Syntheselösung 8 von dem Ejektor E wird dem Synthesereaktor zugeführt, so wie das Kohlendioxid.

[0038] [0038] Dieser Ejektor stellt das Rückführungsmittel zur Rückführung der Flüssigkeit 6 dar, die von dem Kondensator B an den Synthesereaktor A geliefert wird. In Fig. 1 umfasst das Rückführungsmittel ein Fallrohr mit einem Einlass unterhalb der im Inneren des Kondensators vorgesehenen Gas-Flüssigkeits-Grenzschicht, den Ejektor E und die Leitungen 6 und 8. Die Leitung 6 ist mit einem Regelventil zur Regelung des Flüssigkeitspegels des Kondensators B versehen. Obwohl auch alternative Druckbeaufschlagungsmittel wie etwa eine Pumpe an Stelle des Ejektors zur Rückführung verwendet werden können, ist der Ejektor auf Grund seines einfachen Aufbaus und seiner hervorragenden Lebensdauer und Wartbarkeit vorzuziehen. Die Betriebsbedingungen (Druckdifferenz zwischen den Leitungen 6 und 8) für den Ejektor können zum Beispiel auf nicht weniger als 0,2 Mpa und nicht mehr als 1 MPa eingestellt werden.

[0039] Das Rückführungsmittel muss nicht unbedingt Druckbeaufschlagungsmittel, wie etwa den Ejektor, aufweisen. Abhängig von der Konstruktion der Anlage kann die Flüssigkeit 6 auch nur durch Schwerkraft an den Synthesereaktor zurückgeführt werden. Der Kondensator kann jedoch in einer relativ niedrigen Position eingebaut werden, wenn Druckbeaufschlagungsmittel zur Druckbeaufschlagung der Flüssigkeit 6 vorgesehen werden. Somit können der Synthesereaktor, der Kondensator und der Stripper in einer niedrigen Position, insbesondere in einer bodennahen Position, angeordnet werden. Dieser Aufbau ist vom Gesichtspunkt der Einbauarbeit und der Wartung her vorzuziehen.

[0040] In der Synthesezone im Inneren des Synthesereaktors läuft die Harnstoffsynthesereaktion ab, vorzugsweise nahe einer Syntheserate im Gleichgewicht, um dadurch Harnstoff zu synthetisieren. Es wird bevorzugt, dass im Inneren des Synthesereaktors Harnstoff bei einem Druck von nicht weniger als 13 MPaG und nicht mehr als 25 MPaG (G in der Druckeinheit bezeichnet einen Manometerdruck), bei einer Temperatur von nicht weniger als 170°C und nicht mehr als 21°C, bei einem Molverhältnis von Ammoniak (einschliesslich des Ammoniaks, das zu Ammoniumcarbamat und Harnstoff umgewandelt wurde) zu Kohlendioxid (einschliesslich Kohlendioxid, das zu Ammoniumcarbamat und Harnstoff umgewandelt wurde) (im Folgenden als das N/C-Verhältnis bezeichnet) von nicht weniger als 3,0 und nicht mehr als 4,5, bei einem Molverhältnis von Wasser (ohne das Wasser, das durch die Harnstoffsynthesereaktion gebildet wurde) zu Kohlendioxid (einschliesslich Kohlendioxid, das zu Ammoniumcarbamat und Harnstoff umgewandelt wurde) (im Folgenden als das H/C-Verhältnis bezeichnet) von nicht mehr als 1,0 und mit einer Verweilzeit von nicht weniger als 10 Minuten und nicht mehr als 40 Minuten synthetisiert wird.

[0041] Die Synthesetemperatur kann zum Beispiel durch die Vorheiztemperatur des Ammoniaks 1a, welches den Ejektor treibt, und/oder durch die Menge des an den Synthesereaktor zugeführten Kohlendioxids 2b gesteuert werden. Das N/C-Verhältnis kann zum Beispiel durch kontinuierliches Messen der Dichte der Flüssigkeit 4 an dem Auslass des Synthesereaktors mit einem Dichtemesser oder durch regelmässige Probenziehung und quantitative Analyse der Flüssigkeit 4 an dem Auslass des Synthesereaktors bestimmt werden. Das N/C-Verhältnis kann zum Beispiel durch Einstellen der Menge des Ammoniaks 1a, das dem Ejektor zugeführt wird, eingestellt werden. Das H/C-Verhältnis wird oft in Abhängigkeit von der Menge an Wasser bestimmt, das für die Absorption von nicht umgesetzten Substanzen (Ammoniak und Kohlendioxid) in einer Rückführungsvorrichtung (in Fig. 1 nicht gezeigt) zur Rückführung der nicht umgesetzten Substanzen, die von dem Synthesereaktor abgegeben werden, erforderlich ist. Da Wasser die Reaktion der Harnstoffsynthese in Bezug auf das Gleichgewicht hemmt (ein niedrigeres H/C-Verhältnis ist besser in Bezug auf das Synthesegleichgewicht), wird bevorzugt, dass die an die Rückführungsvorrichtung zugeführte Menge an Wasser ein notwendiges Minimum ist. Die Rückführungsvorrichtung wird später beschrieben.

[0042] In dem Synthesereaktor wird die Harnstoffsyntheserate in Bezug auf Kohlendioxid in Abhängigkeit von dem chemischen Gleichgewicht bestimmt und liegt in der Grössenordnung von nicht weniger als 60% und nicht mehr als 75%, wenn das N/C-Verhältnis im Bereich von nicht weniger als 3,0 und nicht mehr als 4,5 liegt.

[0043] Die Syntheserate in Bezug auf Kohlendioxid ist das Verhältnis zwischen der Molmenge des Kohlendioxids, die von dem zugeführten Kohlendioxid zu Harnstoff umgewandelt wurde, zu der Molmenge von Kohlendioxid, die der Anlage oder dem gerade betrachteten Bereich zugeführt wurde, und wird üblicherweise in % angegeben.

[0044] Dass der Synthesedruck auf 13 MPaG oder mehr eingestellt wird, ist im Hinblick darauf, die Wahl eines Betriebsdrucks mit einem Spielraum für den Synthese-Gleichgewichtsdruck bei einer Temperatur (170°C oder höher), die für die Harnstoffsynthese bevorzugt wird, zu ermöglichen, und im Hinblick darauf, eine der Dampfbildung zugeschriebene Verringerung der Syntheserate zu verhindern, vorzuziehen. Dass der Synthesedruck auf 25 MPaG oder weniger eingestellt wird, ist im Hinblick darauf, eine Reduktion der Energie zur Druckbeaufschlagung des Ausgangsmaterials Ammoniak, des Ausgangsmaterials Kohlendioxid, und der nicht umgesetzten Carbamat-Flüssigkeit 6 zu ermöglichen, und im Hinblick auf die Anlagenkosten zu bevorzugen.

[0045] Der Begriff Carbamat-Flüssigkeit bezieht sich auf eine Flüssigkeit, die durch Rückführen des nicht umgesetzten Ammoniaks und Kohlendioxids als eine wässrige Lösung von Ammoniumcarbamat in dem dem Syntheseschritt strömungsmässig nachgeordneten Rückführungsschritt erhalten wird.

[0046] Eine auf 170°G oder höher eingestellte Synthesetemperatur ist von dem Standpunkt aus vorzuziehen, dass eine Verringerung der Reaktionsrate der Harnstoffbildung verhindert werden soll. Eine auf 210°C oder niedriger eingestellte Synthesetemperatur ist darüber hinaus von dem Standpunkt aus vorzuziehen, dass ein Anstieg des Risikos der sogenannten aktiven Korrosion zusätzlich zu einer Zunahme der Korrosionsrate verhindert werden soll.

[0047] Das N/C-Verhältnis ist im Hinblick auf die Gleichgewichts-Syntheserate vorzugsweise 3,0 oder höher, und im Hinblick darauf, die einfache Bildung einer gasförmigen Phase auf Grund eines erhöhten Ammoniakdampfdrucks zu verhindern, vorzugsweise 4,5 oder niedriger.

[0048] Das stöchiometrische Verhältnis von Ammoniak zu Kohlendioxid (N/C-Verhältnis) in der Harnstoffsynthese beträgt 2, wie in den oben beschriebenen Formeln 1 und 2 gezeigt. In der Tat wird zur Erhöhung der Gleichgewichts-Harnstoffsyntheserate der Zustand bevorzugt, bei dem überschüssiges, nicht umgesetztes Ammoniak als Ergebnis einer übermässigen Ammoniakzufuhr vorhanden ist.

[0049] Das H/C-Verhältnis ist im Hinblick auf die Harnstoffsyntheserate vorzugsweise 1,0 oder niedriger, bevorzugter 0,7 oder niedriger. Das H/C-Verhältnis kann null sein. Tatsächlich ist Wasser oft bis zu einem gewissen Ausmass vorhanden, da das H/C-Verhältnis oft in Abhängigkeit von der Menge an Wasser bestimmt wird, die für die Absorption von nicht umgesetzten Substanzen (Ammoniak und Kohlendioxid) in einer Rückführungsvorrichtung (in Fig. 1nicht gezeigt) zum Rückführen der nicht umgesetzten Substanzen, die aus der Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff kommen, erforderlich ist. Das H/C-Verhältnis kann zum Beispiel auf 0,4 oder mehr eingestellt werden.

[0050] Im Hinblick darauf, den Fortschritt der Reaktion der Synthese von Harnstoff zu ermöglichen, wird bevorzugt, dass die Verweilzeit des Prozessfluids in dem Synthesereaktor auf 10 Minuten oder mehr eingestellt wird. Die Verweilzeit beträgt vorzugsweise 40 Minuten oder weniger, da die Syntheserate die Gleichgewichts-Syntheserate bereits fast erreicht hat und man praktisch keinen weiteren Anstieg erwarten kann, selbst wenn die Verweilzeit 40 Minuten übersteigt.

[0051] Harnstoff wird in der Kondensationszone innerhalb des Kondensators B und in der Synthesezone innerhalb des Synthesereaktors A synthetisiert. Eine Harnstoff enthaltende, abfliessende Substanz 4, die aus dem Synthesereaktor kommt, wird zu dem Stripper C zugeführt. Die abfliessende Substanz 4 an dem Auslass des Synthesereaktors enthält den synthetisierten Harnstoff, Wasser, Carbamat und nicht umgesetztes Ammoniak als flüssige Phasen, und einen Anteil des nicht umgesetzten Ammoniaks und Kohlendioxids als gasförmige Phasen, zusammen mit Inertgasen.

[0052] In diesem Zusammenhang ist Inertgase ein allgemeiner Begriff für Luft, die eingeleitet wurde, um die Korrosion der Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff zu verhindern, welche zum Beispiel aus dem Synthesereaktor, dem Stripper, dem Kondensator, dem Wäscher und der diese verbindenden Verrohrung und dgl. besteht, sowie für Verunreinigungen wie etwa in dem Ausgangsmaterial Kohlendioxid enthaltener Wasserstoff oder Stickstoff.

[0053] In der vorliegenden Erfindung fliesst diese abfliessende Substanz 4 von dem Synthesereaktor horizontal und/oder aufwärts, das heisst, sie fliesst nicht abwärts. In Fig. 1 fliesst die abfliessende Substanz aus dem Synthesereaktor von dem Synthesereaktor aufwärts, fliesst dann horizontal und gelangt in den Stripper. Dies kann den abwärtsgerichteten Strom der abfliessenden Substanz aus dem Synthesereaktor umgehen, wobei diese abfliessende Substanz ein zweiphasiger Gas-Flüssigkeits-Strom ist, und den Strom stabilisieren. Darüber hinaus kann dies den Strömungswiderstand verringern.

[0054] Nachdem die abfliessende Substanz 4 aus dem Synthesereaktor dem Stripper C zugeführt wurde, wird sie mit Heizdampf erhitzt, und das in der abfliessenden Substanz aus dem Synthesereaktor enthaltene Carbamat wird dadurch thermisch zersetzt. Darüber hinaus werden das nicht umgesetzte Ammoniak und das nicht umgesetzte Kohlendioxid in der abfliessenden Substanz aus dem Synthesereaktor durch das zugeführte Ausgangsmaterial Kohlendioxid 2a mittels CO2 ausgetrieben und in die gasförmigen Komponenten 5, welche Kohlendioxid, Ammoniak und Inertgase enthalten, und in eine Syntheselösung 10 abgetrennt. Diese Syntheselösung weist üblicherweise eine Harnstoffkonzentration von nicht weniger als 40 Massen-% und nicht mehr als 60 Massen-% auf.

[0055] Stripping bezieht sich auf einen Vorgang, wobei eine in einer Lösung aufgelöste Komponente durch Erhitzen und/oder durch Kontakt mit einem Strippingmittel (für gewöhnlich ein Gas, das in der Lösung unlöslich oder nur schwach löslich ist) freigesetzt und als eine gasförmige Phase abgetrennt wird.

[0056] Der Stripper C weist einen Mantel-Rohrbündel-Wärmetauscheraufbau auf, wobei auf der Mantelseite der Dampf 15 zur Erhitzung zugeführt wird, und kondensiertes Wasser 16, ein Kondensat dieses Dampfes, abgegeben wird. Die abfliessende Substanz aus dem Synthesereaktor wird erhitzt, wenn sie durch die Rohrseite strömt. Wie oben beschrieben ist vorzuziehen, wenn das Stripping sowohl durch Erhitzen als auch durch Kohlendioxid durchgeführt wird, weil dadurch nicht nur eine herausragende Strippingwirkung, sondern auch eine Carbamat zersetzende Wirkung erzielt wird. Da der Stripper C auch die Funktion der Gas-Flüssigkeits-Trennung ausübt, ist es nicht erforderlich, zusätzlich einen Gas-Flüssigkeits-Separator zum Trennen der abfliessenden Substanz 4 aus dem Synthesereaktor in Gas und Flüssigkeit vorzusehen.

[0057] Die gasförmigen Komponenten 5 von dem Stripper werden dem Kondensator zugeführt. Zu diesem Zweck ist der Stripper mit der Mantelseite des Kondensators verbunden. Andererseits wird die Syntheselösung 10 von dem Stripper an eine Zersetzungsvorrichtung (in Fig. 1nicht gezeigt) übertragen, in welcher die Harnstoffkomponente derselben weiter gereinigt wird.

[0058] Dem Wäscher D wird ein Absorptionsmedium zugeführt. Rückgeführte Carbamat-Flüssigkeit 11, die in der Zersetzungsvorrichtung und in der Rückführungsvorrichtung (in Fig. 1 nicht gezeigt) rückgeführt wird, wird als dieses Absorptionsmedium eingesetzt. Die Zersetzungsvorrichtung, die Rückführungsvorrichtung und die rückgeführte Carbamat-Flüssigkeit werden später beschrieben.

[0059] Hier ist der Wäscher D im Inneren des Kondensators B, insbesondere im gasförmigen Phasenanteil im oberen Teil des Kondensators, vorgesehen. Darüber hinaus wird die Gas-Flüssigkeits-Trennung innerhalb des Kondensators ausgeführt, indem der gasförmige Phasenanteil in dem oberen Teil des Kondensators vorgesehen ist. In einigen Fällen kann dieselbe Funktion erzielt werden, indem zusätzlich ein Wäscher und ein Gas-Flüssigkeits-Separator ausserhalb des Kondensators eingebaut wird, ohne den Kondensator mit dem gasförmigen Phasenanteil zu versorgen.

[0060] Hier wird die rückgeführte Carbamat-Flüssigkeit 11 als ein Absorptionsmedium an den Wäscher D zugeführt. Die rückgeführte Carbamat-Flüssigkeit in dem Wäscher absorbiert einen Teil des in den gasförmigen Komponenten 7 enthaltenen Ammoniaks und Kohlendioxids durch Kontakt mit den gasförmigen Komponenten 7, die innerhalb des Kondensators einer Gas-Flüssigkeits-Trennung unterzogen worden sind. Dieses Fluid 9 wird über ein Fallrohr an den unteren Teil des Kondensators zugeführt. Ammoniak, Kohlendioxid und Inertgase, die nicht in die rückgeführte Carbamat-Flüssigkeit 11 absorbiert wurden, werden durch die Leitung 12 an die Rückführungsvorrichtung übertragen.

[0061] Der Begriff Waschen bezieht sich auf einen Vorgang, wobei eine bestimmte Komponente in einem Gas durch Kontakt zwischen dem Gas und einer Flüssigkeit in die Flüssigkeit absorbiert wird, um dadurch das Gas zu reinigen.

[0062] Es wird bevorzugt, dass der Kondensator bei einem Druck von nicht weniger als 13 MPaG und nicht mehr als 25 MPaG, bei einer Temperatur von nicht weniger als 160 °C und nicht mehr als 200 °C, bei einem N/C-Verhältnis von nicht weniger als 2,5 und nicht mehr als 4,0, bei einem H/C-Verhältnis von nicht mehr als 1,0 und mit einer Verweilzeit von nicht weniger als 10 Minuten und nicht mehr als 30 Minuten betrieben wird.

[0063] Das N/C-Verhältnis des Kondensators wird zweitrangig in Abhängigkeit von dem N/C-Verhältnis des Synthesereaktors bestimmt. Speziell die Zusammensetzung des Gases 5 an dem Auslass des Strippers wird hauptsächlich in Abhängigkeit von dem N/C-Verhältnis des Synthesereaktors bestimmt, mit dem Ergebnis, dass das N/C-Verhältnis des Kondensators ebenfalls bestimmt wurde. Das H/C-Verhältnis des Kondensators wird in Abhängigkeit von der Menge an Wasser bestimmt, die für die Absorption von nicht umgesetzten Substanzen (Ammoniak und Kohlendioxid) in einer Rückführungsvorrichtung für die Rückführung der nicht umgesetzten Substanzen, die aus der Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff kommen, erforderlich ist. Da Wasser die Reaktion der Harnstoffsynthese in Bezug auf das Gleichgewicht hemmt (ein niedrigeres H/C-Verhältnis ist besser in Bezug auf das Synthesegleichgewicht), wird bevorzugt, dass die an die Rückführungsvorrichtung zugeführte Menge an Wasser ein notwendiges Minimum ist.

[0064] Der Kondensationsabschnitt und der Stripper werden im Wesentlichen mit demselben Druck betrieben wie der Synthesereaktor.

[0065] Die Temperatur des Prozessfluids innerhalb des Kondensators ist im Hinblick auf die Reaktionsrate der Harnstoffbildung vorzugsweise 160°C oder höher und im Hinblick auf die Unterdrückung sowohl einer Verringerung der Kondensationsrate als auch einer Erhöhung des Dampfdrucks und der Korrosion des Anlagenmaterials vorzugsweise 200°C oder niedriger.

[0066] Das N/C-Verhältnis des Prozessfluids innerhalb des Kondensators ist im Hinblick auf die Unterdrückung einer Verringerung der Kondensationsrate, die einer Erhöhung des Partialdrucks des Kohlendioxids in der Harnstoffsyntheselösung zugeschrieben wird, vorzugsweise 2,5 oder höher, und im Hinblick auf die Unterdrückung einer Verringerung der Kondensationsrate, die aus einer Erhöhung des Dampfdrucks des Ammoniaks resultiert, vorzugsweise 4,0 oder niedriger.

[0067] Im Hinblick auf die Rate der Harnstoffsynthese beträgt das H/C-Verhältnis vorzugsweise 1,0 oder weniger.

[0068] Die Verweilzeit innerhalb des Kondensators beträgt im Hinblick auf die Unterdrückung sowohl einer Erhöhung des Dampfdrucks, die einer Verringerung der Harnstoffsyntheserate zugeschrieben wird, und einer Verringerung der Kondensationsrate vorzugsweise 10 Minuten oder mehr. Die Verweilzeit beträgt vorzugsweise 30 Minuten oder weniger, da man nicht erwarten kann, dass die Harnstoffsyntheserate merklich steigt, selbst wenn die Verweilzeit 30 Minuten übersteigt.

[0069] Die Carbamat-Flüssigkeit 9, die einen Teil der von dem Stripper C durch das Innere des Kondensators B an den Wäscher D zugeführten gasförmigen Komponenten 7 absorbiert hat, wird von dem Fallrohr an den unteren Teil des Kondensators zugeführt. In dem Kondensator gelangen die Carbamat-Flüssigkeit 9 und die gasförmigen Komponenten 5 in Kontakt miteinander, und Ammoniak und Kohlendioxid werden in die Carbamat-Flüssigkeit absorbiert und kondensiert, gefolgt von der durch die Formel 1 dargestellten Carbamatbildungsreaktion und der durch die Formel 2 dargestellten Carbamat-Dehydrierungsreaktion, um dadurch Harnstoff herzustellen.

[0070] Das Umwandlungsverhältnis in Bezug auf Kohlendioxid in dem Kondensator beträgt zum Beispiel nicht weniger als 20% und nicht mehr als 60%.

[0071] Ammoniak und Kohlendioxid, die in der Kondensationszone nicht kondensiert wurden, werden zusammen mit Inertgasen im oberen Abschnitt des Kondensators oder in dem Gas-Flüssigkeits-Separator abgetrennt und an die Rückführungsvorrichtung oder an den Wäscher überführt. Dort wird ein Gasgemisch aus diesen im oberen Abschnitt des Kondensators abgetrennt und weiter an den integriert über dem oberen Abschnitt vorgesehenen Wäscher überführt.

[0072] Andererseits wird die durch Gas-Flüssigkeits-Trennung an der Gas-Flüssigkeits-Grenzschicht innerhalb des Kondensators erhaltene Flüssigkeit 6 von einem Fallrohr mit einem Einlass unter der Gas-Flüssigkeits-Grenzschicht innerhalb des Kondensators an den Ejektor E zugeführt, dann an den Synthesereaktor übertragen, wo das Ausgangsmaterial Ammoniak als Treibmittel verwendet wird, und wird dann der weiteren Harnstoffsynthesereaktion unterworfen.

[0073] Im Folgenden wird jede Komponente der Vorrichtung im Detail beschrieben.

[0074] Der Synthesereaktor A kann ein Reaktor mit horizontaler Bauform sein, dessen Inneres mit Staublechen, einem Gasverteiler und dgl. versehen ist.

[0075] Der Stripper kann in geeigneter Weise einen Aufbau annehmen, der in der Lage ist, den Kontakt zwischen Gas und Flüssigkeit zu ermöglichen, und/oder einen Aufbau, der die Zersetzung des in der Syntheselösung 4 enthaltenen Carbamats sowie die Emission der gelösten Gase durch Erhitzen erreichen kann.

[0076] Der Stripper kann zum Beispiel einen vertikalen Mantel-Rohrbündel-Wärmetauscheraufbau aufweisen, wie in Fig. 1 gezeigt. In diesem Fall werden ein Heizmedium wie etwa Dampf sowie die Syntheselösung 4 jeweils der Mantelseite bzw. der Rohrseite zugeführt, und Wärme kann von der Mantelseite zu der Rohrseite zugeführt werden. Neben einem solchen Aufbau kann auch ein Plattenturm oder ein Füllkörperturm als Stripper verwendet werden. Auch eine Kombination derselben kann angewendet werden.

[0077] Der Aufbau des Wäschers kann in geeigneter Weise einen Aufbau annehmen, der in der Lage ist, das Waschen durchzuführen, und kann die Form eines mit einer Füllung versehenen Füllkörperturms, eines Mantel-Rohrbündel-Aufbaus, eines Plattenturms oder einer Kombination daraus annehmen. Der Wäscher wird im Wesentlichen mit demselben Druck betrieben wie der Synthesereaktor, und üblicherweise bei einer Temperatur von nicht weniger als 100°C und nicht mehr als 180°C. In dem Wäscher wird durch die Absorption von Gasen Absorptionswärme erzeugt. Der Wäscher mit dem Mantel-Rohrbündel-Aufbau erlaubt die Entfernung und Rückgewinnung der Absorptionswärme durch ein Kühlmedium.

[0078] Der Wäscher kann in den Kondensator eingebaut oder einteilig mit dem Kondensator konstruiert sein, oder er kann separat von dem Kondensator vorgesehen werden, je nach Eignung.

[0079] Der Kondensator kann in geeigneter Weise die Form eines vertikalen Tauchkondensators annehmen, mit einem Aufbau, der die gasförmigen Komponenten kondensieren, Ammoniak und Kohlendioxid absorbieren und die durch die Reaktionsgleichungen 1 und 2 dargestellte Harnstoffsynthesereaktion herbeiführen kann. Der vertikale Typ hat den Vorteil, dass er leicht das Gas innerhalb des Kondensators gleichmässig verteilt und einfach eine geringe Einbaufläche und eine lange Verweilzeit von Gas sicherstellt. Da die Harnstoffsynthesereaktion in einer flüssigen Phase vor sich geht, ist es wünschenswert, ein Kühlrohr in die Flüssigkeit einzusetzen. Daher wird ein vertikaler Tauchkondensator verwendet.

[0080] Der Kondensator kann zum Beispiel einen Aufbau annehmen, wobei ein U-Rohr als Kühlungsmittel verwendet wird, wie in Fig. 1 gezeigt. Dieser Aufbau ist für den Tauchkondensator geeignet. Das heisst, das U-Rohr kann einfach in einen Zustand gebracht werden, in dem es vollständig in die flüssige Phase eingetaucht ist. Ein Kühlmedium wie etwa Boilerwasser kann an die Rohrseite zugeführt werden. Alternativ kann man ein Prozessfluid wie etwa flüssiges Ammoniak und eine Harnstoffflüssigkeit als Kühlmedium fliessen lassen, um dadurch die Kühlung des Fluids auf der Mantelseite gleichzeitig mit dem Vorerhitzen und Erhitzen des Verfahrens durchzuführen.

[0081] Wenn das U-Rohr verwendet wird, ist nur ein Rohrboden ausreichend. Dieser Aufbau dient zur Gewichtsersparnis.

[0082] Das druckbeaufschlagte Ausgangsmaterial Ammoniak 1a und die von dem Kondensator erhaltene Flüssigkeit 6 werden an den Ejektor E zugeführt, und das gemischte Fluid 8 aus diesen wird an den unteren Teil des Synthesereaktors A zugeführt. Ein Anteil 2b des druckbeaufschlagten Ausgangsmaterials Kohlendioxid, das Luft enthält (zugeführt von z.B. der mittleren Stufe des Druckbeaufschlagungsmittels H), wird an den Synthesereaktor zugeführt. Diese zugeführten Ausgangsmaterialien laufen durch den Synthesereaktor, und währenddessen erfolgen in dem Synthesereaktor die Reaktionen nach den Reaktionsgleichungen 1 und 2, um dadurch Harnstoff usw. zu bilden. Es wird bevorzugt, dass ein Staublech zur Verhinderung von Rückvermischen und Kurzwegen der flüssigen Phase innerhalb des Synthesereaktors eingebaut ist. Die Syntheselösung, in welcher die Reaktionen vorzugsweise beinahe das Gleichgewicht erreicht haben, wird von dem oberen Teil des Synthesereaktors durch die Leitung 4, die keinen abwärtsgerichteten Abschnitt aufweist, an den oberen Teil des Strippers zugeführt. Das druckbeaufschlagte Ausgangsmaterial Kohlendioxid 2a wird von dem unteren Teil des Strippers zugeführt und treibt nicht umgesetztes Ammoniak in der Syntheselösung 4 und Zersetzungsprodukte von Carbamat aus.

[0083] Der in Fig. 1 gezeigte Stripper weist einen vertikalen Mantel-Rohrbündel-Wärmetauscheraufbau auf. Auf der Rohrseite werden die nicht umgesetzte Substanz (Carbamat) in der Syntheselösung 4 und überschüssiges Ammoniak als gasförmige Komponenten (Ammoniak und Kohlendioxid) durch Gegenstromkontakt zwischen der Syntheselösung 4 von dem Synthesereaktor und dem Ausgangsmaterial Kohlendioxid 2a ausgetrieben. Dampf wird an die Mantelseite zugeführt und als Wärmequelle für die Zersetzung von Carbamat verwendet.

[0084] Die gasförmigen Komponenten 5 von dem oberen Teil des Strippers werden an den unteren Teil des Kondensators zugeführt. Die Carbamat-Flüssigkeit 9 aus dem Wäscher wird ebenfalls durch das Fallrohr an den unteren Teil des Kondensators zugeführt.

[0085] Ein U-Rohr ist als Kühlungsmittel innerhalb des Kondensators eingebaut. Wasser (Boilerwasser) 13 zum Kühlen wird an das U-Rohr zugeführt, und ein Fluid 14 (gemischtes Fluid aus Boilerwasser und Dampf), welches der Kühlung unterworfen wurde, wird von dem U-Rohr abgegeben.

[0086] Die als ein Absorptionsmedium von dem Fallrohr an die Mantelseite des Kondensators gelieferte Carbamat-Flüssigkeit 9 und die gasförmigen Komponenten 5 von dem Stripper werden miteinander in Kontakt gebracht und gekühlt, während sie im Inneren des Kondensators aufsteigen. Die gasförmigen Komponenten werden kondensiert und in die Carbamat-Flüssigkeit absorbiert, um dadurch Carbamat zu bilden, gefolgt von der weiteren Harnstoffsynthesereaktion.

[0087] Der im oberen Teil mit dem U-Rohr versehene Kondensator weist einen Aufbau auf, in welchem sich das U-Rohr vom Rohrboden aus abwärtserstreckt. Wenn sich im Inneren des Kondensators ein gasförmiger Phasenanteil entwickelt hat, kommt in einem solchen Fall die Gas-Flüssigkeits-Grenzschicht mit der äusseren Oberfläche des Rohrs in Kontakt. Das heisst, das Rohrbündel umfasst sowohl den gasförmigen Phasenanteil als auch den flüssigen Phasenanteil. In einem solchen Fall kann das Rohr für Korrosion anfällig werden, die der Kondensation von Carbamat zugeschrieben wird. Jedoch ist in dem in Fig. 1 gezeigten Kondensator der Rohrboden in dem unteren Teil, insbesondere am Boden, des Kondensators vorgesehen, und das U-Rohr erstreckt sich von dem Rohrboden aus aufwärts. Darüber hinaus kann eine Zone ohne das U-Rohr in dem unteren Teil des Kondensators vorgesehen werden. Somit kann das U-Rohr vollständig in die Flüssigkeit eingetaucht sein, sogar wenn ein gasförmiger Phasenanteil im Inneren des Kondensators vorhanden ist. Dieser Aufbau wird bevorzugt, da er kein Korrosionsrisiko in sich birgt, wie es oben beschrieben wurde.

[0088] Eine Ausführungsform, wobei das obere Ende eines Synthesereaktors in der vertikalen Richtung in einer gleich hohen Position wie das obere Ende eines Strippers angeordnet ist, und wobei die Verrohrung zum Übertragen einer Harnstoffsyntheselösung von dem Synthesereaktor zu dem Stripper horizontal verläuft (weder aufwärts noch abwärts verläuft), ist in Fig. 2 gezeigt. Diese Ausführungsform wird bevorzugt, da ein einfacherer Fluss erreicht werden kann, indem einem Fluid 4 an dem Auslass des Synthesereaktors gestattet wird, durch die horizontal verlaufende Verrohrung zu strömen, und da die Länge der Verrohrung verkürzt werden kann. Da diese Verrohrung eine Hochdruck-Verrohrung ist, ist die verkürzte Länge derselben aus Gründen des Druckabfalls und der Kosten vorzuziehen.

[0089] Es folgt die Beschreibung eines Beispiels für eine Anlage zur Harnstoffherstellung mit einer Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff. Ein Aufbau der Anlage zur Harnstoffherstellung wird in Fig. 3 gezeigt. Die Anlage zur Harnstoffherstellung umfasst eine Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff, eine Rückführungsvorrichtung, eine Zersetzungsvorrichtung, eine Konzentrationsvorrichtung und eine Aufbereitungsvorrichtung. Das Ausgangsmaterial Ammoniak 1 und das Ausgangsmaterial Kohlendioxid 2 werden an die Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff zugeführt. Eine Harnstoffsyntheselösung 10, die einem Stripping unterzogen wurde, wird von der Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff an die Zersetzungsvorrichtung übertragen.

[0090] In der Zersetzungsvorrichtung werden in der Harnstoffsyntheselösung enthaltenes, nicht umgesetztes Ammoniak und Carbamat durch Erhitzen der angelieferten Harnstoffsyntheselösung unter reduziertem Druck zersetzt und als ein Gas 21, das Ammoniak und Kohlendioxid enthält, abgetrennt. Die verbleibende flüssige Phase wird als wässrige Harnstofflösung 22 zum Beispiel in der Grössenordnung von 68 Massen-% an die der Zersetzungsvorrichtung strömungsmässig nachgeordnete Konzentrationsvorrichtung übertragen.

[0091] In der Konzentrationsvorrichtung wird die Feuchtigkeit durch Erhitzen der in der Zersetzungsvorrichtung erhaltenen wässrigen Lösung aus Harnstoff 22 unter Vakuum fast vollständig verdampft und abgetrennt, um dadurch geschmolzenen Harnstoff 23 zum Beispiel in der Grössenordnung von 99,7 Massen-% zu erhalten. Dieser geschmolzene Harnstoff wird an die der Konzentrationsvorrichtung strömungsmässig nachgeordnete Aufbereitungsvorrichtung übertragen, in welcher der geschmolzene Harnstoff dann einer Kühlung und Verfestigung unterzogen und als granulierter Harnstoff 24 aufbereitet wird.

[0092] Andererseits werden das Ammoniak und Kohlendioxid enthaltende Gas 21, welches in der Zersetzungsvorrichtung abgetrennt wurde, und ein Gas 12, das Ammoniak, Kohlendioxid und Inertgase enthält, die in dem Wäscher nicht in eine rückgeführte Carbamat-Flüssigkeit absorbiert wurden, in der Rückführungsvorrichtung in Wasser absorbiert und als eine wässrige Lösung von Ammoniumcarbamat rückgeführt. Diese wässrige Lösung wird mit Druck beaufschlagt und dann als eine rückgeführte Carbamat-Flüssigkeit 11 an die Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff zurückgeführt.

Beispiele

[0093] Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung genauer unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht als auf diese beschränkt zu verstehen.

[0094] [Beispiel 1] Tabelle 1 zeigt eine Materialbilanz, die Temperaturen und Drücke in einem Beispiel für die Harnstoffherstellung bei 1725 t/Tag (t bezeichnet eine Tonne, d.h. 10<3>kg) unter Verwendung einer Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff mit einer in Fig. 1gezeigten Ausführungsform.

[0095] Von dem Ausgangsmaterial Ammoniak 1 bei einem Druck von 23 MPaG und einer Temperatur von 30°C wurden 39,7 t/Stunde in einem Wärmetauscher G auf 140°C erhitzt und von einer Leitung 1a an einen Ejektor E zugeführt, während 1,0 t/Stunde durch eine Leitung 1B an einen Kondensator B zugeführt wurden. Andererseits wurde Kohlendioxid 2 bei einem Druck von 0,1 MPaG und einer Temperatur von 40°C in einem Kompressor H mit Druck beaufschlagt und dabei in Kohlendioxid bei einem Druck von 16 MPaG und einer Temperatur von 120°C umgewandelt. Und 41,2 t/Stunde bzw. 9,1 t/Stunde dieses Kohlendioxids wurden über eine Leitung 2a an einen Stripper C bzw. durch eine Leitung 2b an einen Synthesereaktor A zugeführt, um Harnstoff herzustellen.

[0096] Das zugeführte Ammoniak 1a in dem Ejektor E wurde mit einer Syntheselösung 6 bei einem Druck von 15,2 MPaG von einem Kondensator B gemischt und bei einem Druck von 15,5 MPaG durch eine Leitung 8 an den Synthesereaktor A mit einer Synthesezone zugeführt.

[0097] Der Synthesereaktor A wurde bei einem Druck von 15,5 MPaG, bei einer Temperatur von 182°C, bei einem N/C-Verhältnis von 3,7, bei einem H/C-Verhältnis von 0,58, und mit einer Verweilzeit von 20 Minuten betrieben, um Harnstoff zu synthetisieren. Das Umwandlungsverhältnis in Bezug auf Kohlendioxid in dem Synthesereaktor betrug 63%.

[0098] Eine von dem Synthesereaktor A abgegebene, Harnstoff enthaltende Syntheselösung 4 wurde an den Stripper C zugeführt. Dampf 15 mit mittlerem Druck wurde an die Mantelseite des Strippers C zugeführt und von dort als kondensiertes Wasser 16 abgegeben, nachdem er Wärme für die Zersetzung von Carbamat, geliefert hatte. Auf der Rohrseite des Strippers C wurden die Zersetzung des Carbamats und das Stripping bei einer Temperatur im oberen Teil von 184°C und einer Temperatur im unteren Teil von 171°C und bei einem Druck von 15,4 MPaG durchgeführt, um dadurch die gasförmigen Komponenten in dem oberen Teil zu trennen. Die gasförmigen Komponenten 5 wurden an den Kondensator B übertragen, und eine aus dem Boden des Strippers C kommende Syntheselösung 10 wurde an eine Zersetzungsvorrichtung übertragen.

[0099] Mit 134,6 t/Stunde (Leitung 5) wurden die gasförmigen Komponenten von dem Stripper C an den Kondensator übertragen, und mit 62,2 t/Stunde (Leitung 11) die rückgeführte Carbamat-Flüssigkeit. Der Kondensator wurde bei einer Temperatur von 180°C, bei einem Druck von 15,2 MPaG, bei einem N/C-Verhältnis von 2,9, bei einem H/C-Verhältnis von 0,65 und mit einer Verweilzeit von 20 Minuten betrieben, um Harnstoff zu synthetisieren, und so weiter. Das Umwandlungsverhältnis in Bezug auf Kohlendioxid in dem Kondensator betrug 46%.

[Tabelle 1]

[0100]

Industrielle Anwendbarkeit

[0101] Eine Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff nach der vorliegenden Erfindung wird in geeigneter Weise in der Harnstoffherstellung eingesetzt, in welcher Harnstoff aus Ammoniak und Kohlendioxid hergestellt wird.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff, umfassend: einen Synthesereaktor zum Umsetzen von Ammoniak mit Kohlendioxid, um eine Harnstoffsyntheselösung zu erhalten, die Harnstoff, nicht umgesetztes Ammoniak, nicht umgesetztes Kohlendioxid und Wasser enthält; einen Stripper zum Austreiben der Harnstoffsyntheselösung unter Verwendung von zumindest einem Teil des Ausgangsmaterials Kohlendioxid, um ein Gasgemisch, welches das nicht umgesetzte Ammoniak und das nicht umgesetzte Kohlendioxid enthält, abzutrennen; einen vertikalen Tauchkondensator mit einem Mantel-Rohrbündel-Aufbau zum Kondensieren des Gasgemischs in einem Absorptionsmedium auf der Mantelseite, während das Gasgemisch mit einem Kühlmedium gekühlt wird, das durch die Rohrseite strömt; und Rückführungsmittel zum Rückführen einer von dem vertikalen Tauchkondensator kommenden Flüssigkeit an den Synthesereaktor, wobei der Synthesereaktor eine horizontale Bauform aufweist, und wobei die Verrohrung zum Übertragen der Harnstoffsyntheselösung von dem Synthesereaktor an den Stripper im Wesentlichen horizontal und/oder aufwärts verläuft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das obere Ende des Synthesereaktors in der vertikalen Richtung an einer gleich hohen oder niedrigeren Position als das obere Ende des Strippers angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Rückführungsmittel einen Ejektor umfasst, dessen Treibmittel das Ausgangsmaterial Ammoniak ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, des Weiteren, umfassend einen Wäscher zum Waschen eines Gases, das nicht in dem vertikalen Tauchkondensator kondensiert wurde.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Wäscher im Inneren des vertikalen Tauchkondensators angeordnet ist.