DE1493212A1 - Verfahren zu der Herstellung von Harnstoff - Google Patents

Description

Kennzeichen 1712

CV F. Zumstefn » Dr. E. Assrnonn 1493212

Dr. R. Koenigsberger
Dipl. Phys, R. Hoiz'oauer

Pa'entanwälfe MönJicn 2, lrouhauss

STAMICARBON N.V., HEERLEN (die Niederlande) Verfahren zu der Herstellung von Harnstoff

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zu der Herstellung von Harnstoff, wobei Ammoniak und Kohlendioxyd unter einem Druck von minimal 160 at und bei einer Temperatur über 150 C mit einander reagieren, das so erhaltene Reaktionsgemisch in mehreren Stufen expandiert wird, aus dem expandierten Reaktionsgemisch ammoniak- und kohlendioxydhaltiges Gas ausgetrieben wird, das ganz oder zum Teile im Prozess Anwendung findet, und die so gewonnene Harnstofflösung eingedampft wird.

Bekanntlich bildet sich bei diesem Verfahren zuerst Ammonlumearbamat und wird anschliessend dieses Ammoniumcarbamat in Harnstoff und Wasser umgesetzt. Letztgenannte Umsetzung ist aber unvollständig, so dass das anfallende Reaktionsgemisch nur zum Teile aus Harnstoff besteht. Zur Gewinnung des Harnstoffs aus dem Reaktionsgemisch und zur Aufarbeitung der Reaktionsbestandteile, welche nicht in Harnstoff umgesetzt worden sind, hat man im Verlaufe der Zeit eine Anzahl Verfahren entwickelt, welche auf verschiedene Weisen auf einen möglichst niedrigen Kostenpreis des Harnstoffs abzielen. Ein wichtiger Kostenfaktor bei der Harnstoffproduktion ist der Dampfverbrauch. Wie sich aus einem bekannten Verfahren (belgische Patentschrift 620227), gemäss welchem das Reaktionsgemisch auf bekannte Weise in zwei Stufen expandiert wird, ergibt, lasst sich der Dampfverbrauch herabsetzen, indem man die

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Abgase der Ammoniumcarbamatzersetzung in der ersten Stufe einem Wärmeaustausch mit der noch ammoniumcarbamathaltigen Harnstofflösung in der zweiten Stufe unterzieht. Um auf diese Weise mit einem Wärmeaustauscher mit relativ kleiner Wärmeaustauschfläche eine Dampfeinsparung verwirklichen zu können, ist in der ersten Stufe ein höherer Druck zu wählen als normal Üblich ist. Vorzugsweise bedient man sich bei diesem bekannten Verfahren in der ersten Stufe eines Drucks zwischen 25 und 50 at und in der zweiten Stufe eines Drucks zwischen .1 und 3 at.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die Zersetzung des Ammoniumcarbamats nicht unter optimalen Bedingungen erfolgen kann. Je höher nämlich der Druck in der ersten Stufe umso mehr Wasser ist in der zweiten Stufe der umlaufenden Ammoniumcarbamatlosung zuzusetzen, um eine Auskristallisierung von Ammoniumcarbamat zu vermeiden.

Die Erfindung verschafft nunmehr ein Verfahren, bei dem sich auf einfache Weise eine erhebliche Dampfeinsparung verwirklichen lässt, indem man das bei einem Druck Über 10 at gebildete, ammoniak- und kohlendioxydhaltige Gas durch Wärmeaustausch mit der einzudampfenden Harnstofflösung wenigstens zum Teile kondensiert. Bei dieser Kondensation wird, auch infolge der Bildung von Ammoniumcarbamat, eine grosse Menge Wärme frei, welche zum Eindampfen der Harnstofflösung verfugbar ist. Das Gemisch aus Kondensat und nicht-kondensiertem Gas kann gemäss bereits bekannten Methoden im

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Prozess weiterverarbeitet werden.

Der erfindungsgemässe Wärmeaustausch kann sowohl bei Prozessen mit vollständigen Rezirkulation als bei solchen mit teilweisen Rezirkulation des nicht in Harnstoff umgesetzten anononiaks und Kohlendioxyds verwendet werden. Gewöhnlich werden bei vollständiger Rezirkulation optimale Resultate erzielt, falls das Reaktionsgemisch in zwei Stufen expandiert wird und zwar in der ersten Stufe bei einem Druck von 15 bis 25 at und in der zweiten

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Stufe bei einem Druck von z.B. 2 bis 5 at» Die in der ersten Expansionsstufe ausgetriebenen Oase eignen sich besonders fur einen Wärmeaustausch mit einzudampfender Harnstofflösung. Der Druckunterschied zwischen den Wärmeaustauschmedien liegt in diesem Falle in der Grossenordnung von 15 bis 25 at, «eil die Harnstofflösung meistens bei einem Druck von 0,3-0,5 at eingedampft wird. Diese Druckdifferenz ist beträchtlich niedriger als der Druckunterschied zwischen den Wärmeaustauschmedien bei dem oben erwähnten bekannten Verfahren, wodurch der betreffende Wärmeaustauscher weniger schwer ausgeführt zu werden braucht. f

Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Verfahrens besteht darin, dass bei optimaler Wahl des Drucks in der ersten Expansionsstufe die durch Kühlung und Kondensation des heissen Gasgemisches aus dieser Expansionsstufe abzuführende Wärmemenge stets geringer ist als die zum Eindampfen der Harnstoff lösung benötigte Menge, wodurch ohne weitere Eingriffe in die Kondensation des Gasgemisches der Eindampfungsvorgang auf einfache Weise und zwar durch Reglung der zusätzlichen Wärmezufuhr, z.B. in Form von Dampf, zu Überwachen ist.

Ausserdea liegt die Eindampftemperatur der Harnstofflösung niedriger als die Zersetzungstemperatur des Carbamate in der zweiten Expansionsstufe, wenn wenigstens der Druck in dieser Stufe auf einem für einen optimalen Betrieb der Anlage günstigen Wert von 2-5 at. gehalten wird; dies bedeutet, dass beim Wärmeaustausch der Abgase aus der ersten Expansionsstufe mit der einzudampfenden Harnstofflttsung mehr Wärme aus diesen Abgasen frei wird als beim Wärmeaustausch dieser Abgase mit der zu zersetzenden CarbamatlOsung in der zweiten Expansionsstufe. So gibt ein Gasgemisch mit 41,5 Gew. % C0_Q, 43 Gew. % NH₃ und 15,5 Gew. % H₂O von 18 at. und 160 °C bei Abkühlung bis zu 120 °C 2,4 mal soviel Kalorien als im Falle einer Kühlung bis zu 130 °C.

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Vorzugsweise wird nur das ammoniak- und kohlendioxydhaltige Gas, das durch Erhitzung aus dem expandierten Reaktionsgemisch ausgetrieben wird, zum Wärmeaustausch mit der einzudampfenden Harnstofflösung benutzt, weil die Temperatur dieses Gases höher ist als die des Gases, das bei gleichem Druck infolge der Expansion freigeworden ist. Zum Eindampfen der Harnstofflösung kommt dan zwar etwas weniger Wärme zur Verfügung, die Wäraeaustauschfläche aber kann beträchtlich verringert werden.

Beiliegende Zeichnung zeigt zur Erläuterung eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens, ohne dass sich die Erfindung jedoch dazu beschränkt.

In einem Autoklaven 1, dem durch die Leitungen 2 und 3 Antoniak bzw. Kohlendioxyd zugeführt wird, findet bei einem Druck von 200 at., einer Temperatur von 190 C und einem Molarverhältnis Ammoniak : Kohlendioxyd von 4 : 1 die Harnstoffsynthese statt. Das aus dem Autoklaven 1 abgehende Reaktionsgemisch wird über ein Absperrventil 4 zu einem Druck von 18 at. expandiert, wodurch die Temperatur bis zu 125 C zurückgeht. In einer Scheidevorrichtung 5 wird das expandierte Reaktionsgemisch anschliessend in ammoniak- und kohlendioxydhaltiges Gas und in harnstoffhaltige Flussigkeit zerlegt. Das Gas aus dem Scheider 5 wird durch die Leitung 6 einer Waschkolonne 7 zugeführt. Die im Scheider 5 gebildete Flüssigkeit geht einen Erhitzer 8 zu, wo die Temperatur der Flüssigkeit bis zu etwa 160 C erhöht wird. Das bei dieser Erhitzung gebildete ammoniak- und kohlendioxydhaltige Gas wird in der Scheidevorrichtung 9 von der Flüssigkeit getrennt und durch die Leitung 10 aus dem Scheider 9 abgeführt. Die aus diesem Scheider 9 austretende harnstoffhaltige Flüssigkeit wird über Absperrventil 11 zu einem Druck von 4 at expandiert, wodurch sich ein Gas/Flüssigkeit-Gemisch bildet, das der Rektifikationskolonne 12 zufJiesst. Die aus der Kolonne 12 austretende Flüssigkeit wird durch die Leitung 13 einem Erhitzer 14 zugeführt, wo

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ammoniak- und kohlendioxydhaltiges Gas aus der Flüssigkeit frei wird. Das Gas/Flüssigkeits-Gemisch aus dem Erhitzer 14 wird im Scheider 15 zerlegt, wonach das Gas durch die Leitung 16 in die Kolonne 12 zurückgeführt wird, die Flüssigkeit über Absperrventil 17 expandiert und einem Eindampfgerät zugeführt wird. Die von dem Scheider 15 stammende Flüssigkeit ist eine nahezu reine Harnstofflösung mit einer Konzentration von etwa 72 Gew. %.

Im Eindampfgerät wird die Harnstofflösung bei einem Druck von etwa 0,4 at. und einer Temperatur von 105 C eingedampft. Die dazu erforderliche Wärme wird durch die Abgase des Scheiders 9 geliefert, welche durch die Leitung 10 mit einer Temperatur von etwa 160 C in das Eindampfgerät 18 eintreten. Ein Teil dieser Abgase wird im Eindampfgerät 18 kondensiert, worauf das Gas/Flüssigkeits-Gemisch mit einer Temperatur von etwa 125 C durch eine Leitung 19 in die Waschkolonne 7 geführt wird. Aus dem Eindampfer 18 wird eine Harnstofflösung mit einer Konzentration von etwa 86 Gew. % erhalten, welche Losung anschliessend auf die bekannte Weise einer weiteren Konzentration unterzogen werden kann. Diese Behandlung kann in einer Eindampfzone erfolgen, welche mit dem Eindampfer 18 zwar zusammengebaut ist, jedoch einen gesonderten Erhitzungskörper aufweist.

Das ammoniak- und kohlendioxydhaltige Gas aus der Rektifizierkolonne 12 wird durch die Leitung 20 in einen Kondensat!onsapparat 21 geführt, wo das Gas durch Zusatz von Wasser nahezu restlose zu einer ammoniakalischen Ammoniumcarbamatlösung kondensiert wird. Diese Losung wird anschliessend über die Leitung 22 in die Waschkolonne 7 gepumpt. Aus den in dieser Kolonne 7 emporsteigenden Gasen wird das Kohlendioxyd ausgewaschen, so dass aus der Waschkolonne 7 reines gasförmiges Ammoniak gewonnen wird. Dieses gasförmige Ammoniak wird in einem Kühler 23 verflüssigt und zum Teile durch die Leitung 24 in die Waschkolonne 7 zurückgeführt. Der nicht in die Kolonne 7 zuruck-

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14 s

fliessende Teil des flüssigen Ammoniaks wird über die Leitung 25 nach dem Autoklaven 1 gepumpt. Die aus der Kolonne 7 abfliessende ammoniakalische Ammoniumcarbamatlösung wird durch die Leitung 26 in den Autoklaven 1 gepumpt.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zu der Herstellung von Harnstoff, wobei Ammoniak und Kohlendioxyd unter einem Druck von minimal 160 at. und bei einer Temperatur über 150 C mit einander reagieren, das so erhaltene Reaktionsgemiseh in mehreren Stufen expandiert wird, aus dem expandierten Reaktionsgemiseh ammoniak- und kohlendioxydhaltiges Gas ausgetrieben wird, das ganz oder teilweise im Prozess Anwendung findet, und die anfallende Harnstofflösung eingedampft wird, dadurch gekennzeichnet, dass das bei einem Druck über 10 at. ausgetriebene, ammoniak- und kohlendioxydhaltige Gas durch Wärmeaustausch mit der einzudampfenden Harnstofflösung wenigstens zum Teile kondensiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Wärmeaustausch mit der einzudampfenden Harnstofflösung nur das durch Erhitzung aus dem expandierten Reaktionsgemiseh ausgetriebene ammoniak- und kohlendioxydhaltige Gas verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgemiseh in zwei Stufen bis zu einem Druck zwischen 15 und 25 at. in der 1. Stufe und einem Druck zwischen 2 und 5 at. in der 2. Stufe expandiert wird.

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