DE1493212C3 - Verfahren zum Eindampfen einer wäßrigen Harnstoff lösung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eindampfen einer wäßrigen Harnstofflösung, wie sie bei der Umsetzung von Ammoniak und Kohlendioxid unter einem Druck von minimal 160 at und bei einer Temperatur über 150° C erhalten wird, wobei das so erhaltene Reaktionsgemisch in mehreren Stufen expandiert wird, aus dem expandierten Reaktionsgemisch ammoniak- und kohlendioxidhaltiges 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 Ammoniumcarbamat. Anschließend wird dieses Ammoniumcarbamat in Harnstoff und Wasser umgesetzt. Diese Umsetzung ist aber unvollständig, so daß das anfallende Reaktionsgemisch nur zum Teil 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, läßt sich der Dampfverbrauch herabsetzen, indem man die 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 Ammoniumcarbamatlösung zuzusetzen, um eine Auskristallisierung von Ammoniumcarbamat zu vermeiden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren, läßt sich auf einfache Weise eine erhebliche Dampfeinsparung verwirklichen. Man läßt das bei einem Druck über 10 at gebildete, ammoniak- und kohlendioxidhaltige Gas durch Wärmeaustausch mit der einzudampfenden Harnstofflösung wenigstens zum Teil kondensieren. Bei dieser Kondensation wird, auch infolge der Bildung von Ammoniumcarbamat, eine große Menge Wärme frei, welche zum Eindampfen der Harnstofflösung verfügbar ist. Das Gemisch aus Kondensat und nichtkondensiertem Gas kann gemäß bereits bekannten Methoden im Prozeß weiterverarbeitet werden.

Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Eindampfen einer wäßrigen Harnstofflösung, wie sie bei der Umsetzung von Ammoniak und Kohlendioxid unter einem Druck von ^ 160 at und bei einer Temperatur > 150° C nach Etpandieren des so erhaltenen Reaktionsgemisches in mehreren Stufen und Austreibung eines ammoniak- und kohlendioxidhaltigen Gases aus dem expandierten Reaktionsgemisch erhalten wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man das Eindampfen der wäßrigen Harnstofflösung durch Wärmeaustausch mit Hilfe der Wärmeenergie durchführt, die bei der wenigstens teilweisen Kondensation des bei einem Druck von > 10 at ausgetriebenen ammoniak- und kohlendioxidhaltigen Gases zur Verfügung steht.

Der erfindungsgemäße Wärmeaustausch kann sowohl bei Prozessen mit vollständigen Rezirkulation als bei solchen mit teilweisen Rezirkulation des nicht in Harnstoff umgesetzten Ammoniaks und Kohlendioxids 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 Stufe bei einem Druck von z. B. 2 bis 5 at. Die in der ersten Expansionsstufe ausgetriebenen Gase eignen sich besonders für einen Wärmeaustausch mit einzudampfender Harnstofflösung. Der Druckunterschied zwischen den Wärmeaustauschmedien liegt in diesem Falle in der Größenordnung von 15 bis 25 at, weil die Harnstofflösung meistens bei einem Druck von 0,3 bis 0,5 at eingedampft wird. Diese Druckdifferenz ist beträchtlich niedriger als der Druckunterschied zwischen den Wärmeaustauschmedien bei dem obenerwähnten bekannten Verfahren, wodurch der betreffende Wärmeaustauscher weniger schwer ausgeführt zu werden braucht.

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 Harnstofflösung 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.

Außerdem liegt die Eindampftemperatur der Harnstofflösung niedriger als die Zersetzungstemperatur des Carbamats in der zweiten Expansionsstufe, wenn wenigstens der Druck in dieser Stufe auf einem für einen optimalen Betrieb der Anlage günstigen Wert von 2 bis 5 at gehalten wird; dies bedeutet, daß beim Wärmeaustausch der Abgase aus der ersten Expansionsstufe mit der einzudampfenden Harnstofflösung mehr Wärme aus diesen Abgasen frei wird als beim Wärmeaustausch dieser Abgase mit der zu zersetzenden Carbamatlösung in der zweiten Expansionsstufe. So gibt ein Gasgemisch mit 41,5 Gewichtsprozent CO₂, 43 Gewichtsprozent NH₃ und so 15,5 Gewichtsprozent 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.

Vorzugsweise wird nur das ammoniak- und kohlendioxidhaltige 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 frei geworden ist. Zum Eindampfen der Harnstofflösung steht dann zwar etwas weniger Wärme zur Verfügung, die Wärmeaustauschfläche aber kann beträchtlich verringert werden.

Die Zeichnung zeigt zur Erläuterung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In einem Autoklaven 1, dem durch die Leitungen 2 und 3 Ammoniak bzw. Kohlendioxid zugeführt wird, findet bei einem Druck von 200 at, einer Temperatur von 190⁰C und einem Molverhältnis Ammoniak: Kohlendioxid 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 kohlendioxidhaltiges Gas und in harnstoffhaltige Flüssigkeit zerlegt. Das Gas aus dem Scheider 5 wird durch die Leitung 6 einer Waschkolonne? zugeführt. Die im Scheider 5 gebildete Flüssigkeit geht einem Erhitzer 8 zu, wo die Temperatur der Flüssigkeit bis zu etwa 160° C erhöht wird. Das bei dieser Erhitzung gebildete ammoniak- und kohlendioxidhaltige 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 zufließt. Die aus der Kolonne 12 austretende Flüssigkeit wird durch die Leitung 13 einem Erhitzer

14 zugeführt, wo ammoniak- und kohlendioxidhaltiges 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 18 zugeführt wird. Die von dem Scheider

15 stammende Flüssigkeit ist eine nahezu reine Harnstofflösung mit einer Konzentration von etwa 72 Gewichtsprozent.

In der Eindampfvorrichtung 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 Gewichtsprozent erhalten, welche Lösung 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 kohlendioxidhaltige Gas aus der Rektifizierkolonne 12 wird durch die Leitung 20 in einer Kondensationsvorrichtung 21 geführt, wo das Gas durch Zusatz von Wasser nahezu restlose zu einer ammoniakalischen Ammoniumcarbamatlösung kondensiert wird. Diese Lösung wird anschließend über die Leitung 22 in die Waschkolonne 7 gepumpt. Aus den in dieser Kolonne 7 emporsteigenden Gasen wird das Kohlendioxid 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 zurückfließende 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Eindampfen einer wäßrigen Harnstofflösung, wie sie bei der Umsetzung von Ammoniak und Kohlendioxid unter einem Druck von Ξ> 160 at und bei einer Temperatur > 150° C nach Expandieren des so erhaltenen Reaktionsgemisches in mehreren Stufen und Austreibung eines ammoniak- und kohlendioxidhaltigen Gases aus dem expandierten Reaktionsgemisch erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß man das Eindampfen der wäßrigen Harnstofflösung durch Wärmeaustausch mit Hilfe der Wärmeenergie durchführt, die bei der wenigstens teilweisen Kondensation des bei einem Druck von > 10 at ausgetriebenen ammoniak- und kohlendioxidhaltigen Gases zur Verfügung steht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Wärmeaustausch ausschließlich mit dem durch Erhitzen aus dem expandierten Reaktionsgemisch ausgetriebenen ammoniak- und kohlendioxidhaltigen Gasgemisch vornimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgemisch in zwei Stufen bis zu einem Druck zwischen 15 und 25 at in der ersten Stufe und einem Druck zwischen 2 und 5 at in der zweiten Stufe expandiert wird.