DE2250923A1

DE2250923A1 - Harnstoffsynthese mit verbesserter waermerueckgewinnung und verbesserter umwandlungsrate

Info

Publication number: DE2250923A1
Application number: DE2250923A
Authority: DE
Inventors: Ivo Mavrovic
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-10-19
Filing date: 1972-10-18
Publication date: 1973-04-26
Also published as: BR7207298D0; JPS4848421A; IT969674B; JPS5825660B2; US3952055A; ES407728A1; FR2157421A5; GB1411245A; NL7214049A; CA992098A; TR17792A; US4086271A; EG10626A; BE790015A

Description

Harnstoffsynthese mit verbesserter WErmerückgewingung und verbesserter Umwandlungsrate.
Die Erfindung bezieht sich auf die Synthese von Harnstoff aus NH3 und 002. Sie betrifft insbesondere ein neues Verfahren zur Entfernung von Wärme aus einem exothermen Harnstoffsynthesereaktor, der im Druckbereich von 130 bis 400 kg/cm² und im Temperaturbereich von 160 bis 2200C arbeitet und bei dem das dem Reaktor zugefUhrte Molverhältnis von NH3 zu C02 von 2,7 bis 7 zu eins und das dem Reaktor zugeführte Molverhältnis von H20 zu C02 von 0 bis 1,5 zu eins beträgt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein neues Verfahren zur Steigerung der Umwandlungsrate in dem Reaktor.
Harnstoff wird gewöhnlich nach dem bekannten Verfahren hergestellt, bei dem NH3 und C02 unter Bildung von Ammoniumcarbamat in Kontakt gebracht werden und das letztere zu Harnstoff dehydratisiert wird. Die erste Reaktion verläuft augenblicklich und im wesentlichen vollständig; die'zweite Reaktion ist wesentlich langsamer und unvollständig und sie erfolgt nur in der flüssigen Phase. Es ist weiterhin auch bekannt, dass in Anwesenheit eines Uberschusses von Ammoniak die Umwandlung des Ammoniumcarbamats in Harnstoff beschleunigt wird,während in Anwesenheit von überschüssigem Wasser diese Reaktion gehemmt wird.
Die Bildung von Ammoniumcarbamat ist stark exotherm und die Dehydratisierung von Ammoniumcarbamat zu Harnstoff ist endotherm)jedoch in einem geringeren Aussmass. Aus diesem Grunde muss im allgemeinen überschüssige Wärme aus dem Harnstoffsynthesereaktor entfernt werden, wenn die Bildung von Ammoniumcarbamat und die Dehydratisierung des Carbamats zu Harnstoff gleichzeitig in dem gleichen Gefäss ausgeführt wird.
Die überschüssige exotherme Reaktionswärme wird gewöhnlich in der Weise aus dem Harnstoffsynthesereaktor entfernt, in dem in einer in die Harnstoffsynthesemischung eintauchenden Rohrschlange Dampf erzeugt wird. Die üblichen Nachteile eines solchen Verfahrens zur Entfernung der überschüssigen Reaktionswärme aus dem Harnstoffsynthesereaktor sind die folgenden: 1. Es ist eine relativ grosse Reaktorkühlschlange erforderlich wegen der geringen Temperaturdifferenz, die normalerweise zwischen der Synthesemischung des Reaktors und dem siedenden Kondensat in der Reaktorkühlschlange besteht.
Dieses Problem wird besonders schwerwiegend im Falle, dass Dampf in der Reaktorkühlschlange erzeugt werden muss, der einen relativ hoben und brauchbaren Druckwert aufweist und gleichzeitig -der Reaktor beiepnem relativ hohen Molverhåltnis zwischen den dem Reaktor zugeführten NH3 und dem CO2 von beispielsweise. etwa 3,4': 1 betrieben wird. Es ist eine bekannte Tatsache, dass in Anwesenheit von überschüssigem NH3 in der Harnstoffsynthesereaktionsmischung der Dampfdruck der Reaktionsmischung gesteigert wird und der Siedepunkt vermindert wird, so dass dann, wenn der Reaktor bei einem vorherbestimmten und konstanten Reaktordruck betrieben wird, eine niedrigere Reaktorbetriebstemperatur erforderlich wird.
2. In der Mischung des Harnstoffsynthesereaktors treten örtliche Überhitzungen auf'auf Grund der schlechten Wärmungsübertragungsrate zur Verdampfungsschlange mit der Folge, dass die Reaktionsbestandteile NH3 und C02 verdampft werden und somit ein Verlust bei der Umwandlung des Ammoniumcarbamats in Harnstoff eintritt.
Es bestehen zwei spezielle Fälle, in denen die Reaktorschlange gewöhnlich nicht erforderlich ist. weil die ,e xothe me überschüssige\ärme, die in dem Harnstoffsynthesereaktor anfällt, durch eine relativ grosse Menge von entweder überschüssigem Ammoniak oder zurückgeführter Carbamatlösung oder von beiden,die dem Harnstoffsynthesereaktor bei einer relativ niedrigen Temperatur zugeführt werden, absorbiert wird. So werden beispielsweise in einem sogenannten Geradeaus-Harnstoff-Synthese-Verfahren die im Reaktorauslauf vorhandenen nicht umgesetzten-Reaktionsbestandteile nicht in den Reaktor zurückgeleitet, sondern sie werden als Gas aus der wässrigen Harnstoffproduktlösung durch Dampferhitzung bei vermindertem Druck abgetrennt und in eine benachbarte Anlage fur die Wiedergewinnung und ftir die Erzeugung von entweder Ammoniumsulfat oder Ammoniumnitrat geleitet. In einem solchen"Geradeaus-Verfahren" kann die dem Reaktor zugeführte Menge an flüssigem Ammoniak in der Praxis bis zu einem solchen Punkt gesteigert werden, bei dem die gesamte verfgbare exotherme Wärme in dem Harnstoffsynthese-Reaktor intern für die Erhitzung des überschüssigen flüssigen Ammoniaks in dem dem Reaktor zugeführten Strom auf die Reaktorbetriebstemperatur im inneren des Reaktors erhitzt wird. Gewöhnlich werden in diesem Falle das dem Reaktor zugeführte flüssige Ammoniak und die Reaktorbetriebstemperatur jeweils auf 200C bzw. 180 bis 1850C gehalten.
in Weiterhin werden # einem Harnstoffsynthese-Verfahren mit teilweise oder vollständig zurückgeführter Carbamatlösung die vorgenannten nicht umgesetzten Reaktionsbestandteile in Form einer gasförmigen Mischung von der wässrigen Harnstoffproduktlösung abgetrennt anstatt ftir die Herstellung von Ammoniumsulfat oder Ammoniumnitrat verwendet zu werden,und sie werden dann in Wasser absorbiert, um eine ammoniakalische wässrige Lösung von Ammoniumcarbamat zu bilden,und sie werv den teilweise oder insgesamt in den Harnstoffsynthese-Reaktor bei einer üblichen Temperatur von 90 bis 100°C zurückgeführt. Im letzteren Falle wird die im Reaktor anfallende überschüssige exotherme Wärme intern benutzt, um die Temperatur des zurückgeführten Stromes der Carbamatlösung von 90 bis 100°C auf die vorgenannte Reaktorbetriebstemperatur von 180 bis 185°C zu steigern. Es ist offensichtlich, dass dann, wenn die Menge der zurückgeführten Carbamatlösung relativ gross ist, die entsprechende Menge der fehlenden Wärme zu dem Reaktor zugeführt werden muss, wenn man eine Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur auf einem gewissen optimalen und geforderten Temperaturniveau wünscht. Diese rehlende Wärmemenge wird gewöhnlich dem in den Reaktor geleiteten Strom mit der vorgenannten Temperatur von 200C bis 80°C zugefUhrt.In diesen beiden speziellen Fällen ergeben sich jedoch allgemeine Nachteile hinsichtlich der Umwandlung in dem Reaktor, die nachfolgend noch näher erläutert werden.
Aus dem oben Beschriebenen wird offensichtlich, dass sowohl in einem Geradeaus- als auch in einem Harnstoff-Synthese-Verfahren mit Carbamatlösungsrückführung die in dem Harnstoffsynthese-Reaktor anfallende exotherme Reaktionswärme dadurch verbraucht wird, dass sie intern für den einzigen Zweck verwendet wird, die relativ kälteren dem Reaktor zugeführten Ströme auf die Betriebstemperatur, auf der der Harnstoffsynthese-Reaktor gehalten wird, zu bringen. Daher arbeitet ein derartiger Reaktor völlig adiabatisch ohne Wärmeabfuhr oder Wärmezufuhr, sobald einmal die Reaktorzuführungsströme in den Reaktor eingeführt worden sind. Wenn jedoch die relativ kälteren dem Reaktor zugeführten Ströme auf eine Temperatur vorerhitzt werden, die unter dem Punkt liegt, bei dem ein Harnstoffsynthese-Reaktor adiabatisch arbeitet, z.B. in Ubereinstimmung mit dem in dem US-Patent 3.579.636 beschriebenen Verfahren, wird es notwendig, aus dem Reaktor die äquivalente Wärmemenge abzuführen, die den Reaktorzuftihrungsströmen als Überschuss über die normalerweise erforderlichen Wärmemengen für einen adiabatischen Reaktor zugeführt worden sind. In einem derartigen Fall wird der Harnstoffsynthese-Reaktor wieder exotherm wie z.B. im Falle der oben erwähnten Geradeaus-Harnstoff-Synthese-Verfahren.
Wie oben erwähnt worden ist, wird das Problem des Wärmeabführens aus dem Harnstoffsynthese-Reaktor komplizierter, wenn überschüssiges Ammoniak in dem Reaktor zu dem Zweck, einen höheren Grad der Umwandlung von Ammoniumcarbamat in Harnstoff zu erhalten, verwendet wird.
Es wurde gefunden, dass, wie unten näher beschrieben werden wird, beträchtliche Vorteile erhalten werden, wenn die überschüssige Reaktionswärme, die in einem exothermen Reaktor anfällt, in einem externen HochdruckwErmeaustauscher, der im wesentlichen bei dem gleichen Druck wie der Reaktor und beieinem relativ geringeren NH3/C02rMolarverhältnis als der Reaktor arbeitet, entfernt wird und wenn anschliessend die entstehende Reaktionsmischung mit zusätzlichem überschüssigem NH3 in einem im wesentlichen adiabatischen Harnstofisynthese-Reaktor in Kontakt gebracht wird.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, in dem der Hauptteil oder das gesamte für die Erzeugung von Harnstoff erforderliche, frisch aufbereitete C02-Gas mit NH3 in einem molaren NH3/C02-Verhältnis von 2,2 bis 3,5 zu 1 bei Reaktorsynthesedruck gemischt wird, was entweder in der Mantelseite oder in den Rohren eines herkömmlichen aus Rohren und Mantel bestehenden Wärmeaustauschers geschehen kann.
Der oben erwähnten Mischung aus frisch aufbereitetem C02-Gas und NH3 kann ein Strom beigemischt werden, der eine oder mehrere der folgenden Verbindungen enthält: Wasser, Ammoniumcarbamat, Ammoniak und Harnstoff. In einem derartigen Fall wird das gesamte molare NH3/002-Verhältnis der gesamten entstehenden Mischung auf 2,2 zu 1 bis 3,5 zu 1 gehalten. Die Temperatur der gesamten Reaktionsmischung innerhalb des Wärmeaustauscherswird innerhalb eines Bereiches von 1600C bis 2200C konstant gehalten, in-dem Wärme aus dem Wärmeaustauscher abgeführt wird. Derartige Wärme wird von dem Wärmeaustauscher abgeführt, in-dem entweder eine relativ kältere Flüssigkeit in indirektem Kontakt mit der Reaktionsmischung hindurchgeleitet wird oder in-dem von dem Kondensat in indirektem Kontakt mit der Reaktionsmischung Dampf erzeugt wird.
Die Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung, die in Verbindung mit den Zeichnungen gegeben wird, ersichtlich.
In den Zeichnungen zeigen die Figuren 1 bis 5 schematische Flussdiagramme von Harnstoffsynthese-Reaktor-Systemen und die Figur 6 eine schematische Därstellung eines Harnstoffsynthese-Reaktors, in dem ein Wärmeaustauscher vorhanden ist.
Die aus dem oben erwähnten Wärmeaustauscher abgeführte Wärmemenge wird gesteuert, in-dem der der Wärmeaustauscherreaktionsmischung zugeführte NH3-Fluss geregelt wird und auf diese Weise das gesamte molare NH3/C02-Verhältnis in der Wärmeaustauscher-Reaktionsmischung geregelt wird. Gemäss diesem neuen Verfahren wird sowohl in dem Fall des Entfernens einer überschüssigen Wärmemenge von dem Wärmeaustauscher (diese Tatsache erzeugt einen Abfall der Temperatur des nachfolgenden adiabatischen Reaktors, was unten näher erklärt werden wird) als auch im Falle der Überhitzung der Reaktionsmischung die zugeführte Rate an NH3, die der Reaktormischung hinzugemischt wird, erhöht. Als Folge davon steigt auf Grund des Anwachsens des freien überschüssigen NH3-Gehaltes in der Reaktionsmischung der Dampfdruck der Reaktionsmischung, oder der Siedepunkt der Reaktionsmischung fällt ab, wenn bei einem konstanten Druckniveau gearbeitet wird, wie oben erwähnt worden ist. Als weitere Folge davon wird eine geringere Wärmemenge an das relativ kältere Kühlmittel, das durch den Wärmeaustauscher zirkuliert, auf Grund der Abnahme der Temperaturdifferenz zwischen der Reaktionsmischung und dem wärmeabsorbierenden Kühlmittel übertragen. In dem spezifischen Fall, in dem die genau richtige Wärmemenge von dem Wärmeaustauscher abgeführt wird, jedoch zur gleichen Zeit die Temperatur der Reaktionsmischung zu hoch ist, wird ein Anwachsen der der Reaktionsmischung zugeführten NH3-Rate verursachen, dass die Temperatur der Reaktionsmischung innerhalb des gewünschten Temperaturbereichs wie oben beschrieben fällt. Um die Wärmeabfuhr auf den richtigen Betrag wieder einzustellen, ist es notwendig, entweder die Temperatur des wärmeabsorbierenden Kühlmittels zu verringern oder seine Zirkulationsrate zu erhöhen, oder Dampf mit geringerem Druck in dem Wärmeaustauscher zu erzeugen, wenn Wärme durch ein siedendes Kondensat abgeführt wird. In jedem Fallg3as Abt führen der Wärmemenge auf den richtigen Wert wieder eingestellt, was jedoch bei einer niedrigeren Betriebstemperatur für die Reaktionsmischung geschieht, wenn es gewünscht wird.
Im Falle des Abführens einer unzureichenden Wärmemenge von dem Wärmeaustauscher' was ein AnwaChsen der Temperatur des nachfolgenden adiabatischen Reaktors verursacht, wie unten näher beschrieben werden wird, wird die zugeführte Rate an Rot3, das der Reaktionsmischung zugemischt wirdverminderttwa8 zum Zweck der Abnahme des freien überschüssigen NH3-Gehaltes in der Reaktionsmischung und damit dem Anwachsen des Siedepunktes der Reaktionsmischung geschieht. Folglich wächst sowohl die Temperaturdifferenz zwischen der Reaktionsmischung und dem wärmeabsorbierenden Kühlmittel als auch die Rate der Wärmeabfuhr von dem Wärmeaustauscher.
Wenn einmal die erforderliche Wärmemenge von der Reaktionsmischung entfernt worden ist, wird die Reaktionsmischung auf den thermodynamischen Zustand und die Bedingungen, die in den dem adiabatischen Reaktor zugeführten Strömen herrschen und die ftir derartige Ströme charakteristisch sind> zurückgeführt. Die Reaktionsmischung von dem Wärmeaustauscher wird dann mit zusätzlichernAmmoniak zum Zwecke der Steigerung des gesamten molaren NH3/C02-Verhältnisses in der gesamten Mischung auf 2,8 zu 1 bis 7 zu 1 gemischt und in einen adiabatischen Reaktor zur Umwandlung von Ammoniumcarbamat in Harnstoff gegeben. Die Reaktortemperatur wird durch Abfuhr der erforderlichen Wärmemenge von dem vorgeschalteten Hochdruck-Wärmeaustauscher gesteuert, was ganz analog zu dem oben Beschriebenen, aber in entgegengesetzter Weise zu herkömmlichen Verfahren geschieht, bei denen der dem Reaktor zugeführte flüssige NH3-Strom eines konventionellen Reaktors zum Zwecke der Steuerung der Temperatur eines derartigen herkömmlichen adiabatischen Reaktors in der oben beschriebenen Weise vorerhitzt wird, In dem erPindungsgemässen Verfahren wird der Druck in dem Reaktor auf dem im wesentlichen gleichen Druck gehalten, der auf der Verfahrensseite des oben beschriebenen Hochdruck-Wärmeaustauschers herrscht.
Wie oben bereits erwähnt, gibt es noch einige Probleme, die gewöhnlich bei konventionellen exothermen oder adiabatischen Reaktoren, die für eine Betriebsweise nach bisher verwendeten, konventionellen Verfahren ausgelegt sind, auftreten.
Normalerweise werden die Reaktionsbestandteile in den Bodenabschnitt eines derartigen konventionellen adabatischenReaktors eingeführt, und die Synthese-Mischung wird nach Abschluss der Reaktion aus dem oberen Abschnitt entnommen. Ein derartiger herkömmlicher exothermer oder adiabatischer Reaktor besteht gewöhnlich aus einem zylindrischen vertikal angeordneten Gefäss, bei dem das Verhältnis der Höhe zu dem Durchmesser 6 bis 20 zu 1 beträgt, damit so weit wie möglich das ideale und in der Praxis bevorzugte Fliessverhalten eines sich- nach oben bewegenden Pfropfens der Synthesemischung durch den Reaktor angenähert wird. Aber auf Grund der oben erwähnten Tatsachen, nach denen die Reaktion der Carbamatdehydratisierung zu Harnstoff eine langsame Reaktion ist und mit einem Betrag von 7000 kcal/mol gebildeten Harnstoffesendotherm ist, arbeitet der Bodenabschnitt eines derartigen herkömmlichen adiabatischen Reaktors gewöhnlich bei einer Temperatur, die 10 bis 15°C über der Temperatur der Synthesemischung bei Vollendung der Reaktion am Ausgang des Reaktors liegt. Kurz gesagt, wird ein Teil der exothermen und augenblicklich auftretenden Reaktionswärme der Reaktion der Ammoniumcarbamatbildung aus NH3 und C02 in dem Reaktorbodenabschnitt eines herkömmlichen Reaktors als merkliche Wärme in der Synthesemischung gespeichert, was von'einem folglichen Temperaturanstieg der Synthesemischung begleitet ist, der später langsam abgebaut wird, um die endotherme Wärmemenge, die für die Dehydratisierung von Ammoniumcarbamat zu Harnstoff während des Aufwärtsfliessens der Synthesemischung durch den Reaktor erforderlich ist, zu liefern.
Eine derartige Situation führt in einem herkömmlichen Reaktor unabänderlich zu unerwünschten lokalen Überhitzungen der Synthesemischung in dem Reaktorbodenabschnitt, was zum folglichen Verlust von gasförmigen NH3- und CO2 Bestandteilen aus der flüssigen-Phase der Synthesemischung und zu einer folglichen Abnahme des Grades der Umwandlung des gesamten 002's in Harnstoff führt. Als ein weiterer Nachteil einer derartigen in einem herkömmlichen Reaktor herrschenden Situation, nimmt die Temperatur der Synthesemischung in dem oberen Abschnitt des zylindrischen Reaktors im Verhältnis zu der Menge des durch das endotherme Verfahren der Carbamatdehydratisierung zu Harnstoff und Wasser gebildeten Harnstoffes ab. Auf Grund dieser graduellen Temperaturabnahme der Synthesemischung während ihres Aufwärtsströmens durch den Reaktor wird die Rate der Carbamatdehydratisierung zu Harnstoff erniedrigt, wobei offensichtliche negative Auswirkungen auf die Gesamtumwandlungsrate des gesamten in der Synthesemischung vorhandenen C02 zu Harnstoff auftreten.
Gemäss den neuen erfindungsgemässen Verfahren wird entweder die Mischung der dem Reaktor zugeführten Ströme des adiaba-Im tischen Reaktors /indirekten Wärmeaustausch mit der Synthesemischung im Gegenstromverfahren in Kontakt gebracht oder die dem Reaktor zugeführten Ströme werden auf eine bestimmte bevorzugte Betriebstemperatur vorerhitzt, die unterhalb des Punktes zum Aufrechterhalten des adiabatischen Temperaturgleichgewichtes in dem Reaktor liegt, und die Reaktionsmischung wird in dem Reaktor erhitzt; oder Wärme wird aus dem Bodenabschnitt des Reaktors abgeführt und der obere Abschnitt des Reaktors wird zur gleichen Zeit erhitzt. In dem letzteren Fall kann gleichzeitiges Kühlen des Bodenabschnittes und Erhitzen des oberen Abschnittes des Reaktors praktisch dadurch durchgeführt werden, dass eine Schlange in die Reaktor-Synthesemischung eingetaucht wird, das Kondensat in dem Bodenteil der Schlange, die mit der relativ heisseren Synthesemischung in Kontakt steht, verdampft wird und dass der auf diese Weise gebildete Dampf in dem oberen Teil der Schlange, die mit der relativ kälteren Synthesemischung in Kontakt steht, kondensiert wird. Durch dieses Verfahren wird überschüssige Wärme von dem Bodenabschnitt des Reaktors auf den oberen Abschnitt des Reaktors dbertragen, wo sie für das endotherme Verfahren der Carbamatdehydratisierung zu Harnstoff erforderlich ist. Eine derartige Reaktorverdampferschlange kann die Gestalt eines oberen und unteren zylindrischen und kugelförmigen Gefässes besitzen, das mit zahlreichen parallel angeordneten Röhren verbunden ist, in deren Inneren Kondensat rückgeführt wird; genauer gesagt, wird Kondensat in dem Bodenabschnitt verdampft und in dem oberen Abschnitt der Verdampferschlange kondensiert, Ein derartiger Reaktortyp ist in Figur 6 dargestellt und wird unten näher erläutert4 In dem zweiten oben erwähnten Fall werden entweder die dem Reaktor zugeführten Ströme auf eine bestimmte bevorzugte und optimale Betriebstemperatur vorerhitzt, die unterhalb des Punktes zum Aufrechterhalten des adiabatischen Temperaturgleichgewichtes in dem Reaktor liegt, oder es wird eine grössere Wärmemenge von den dem oben beschriebenen Hochdruckreaktor zugeführten Strömen an den Wärmeaustauscher abgeführt, als notwendig ist, um die Reaktortemperatur auf die bevorzugte optima-le Betriebstemperatur abzusenken. In jedem Fall muss die Xquivalente auf diese Weise in über schuss von dem Reaktor abgezogene oder in unzureichendern Masse den Reaktorzu£hrungsströmen zugeführte Wärmemenge dem Reaktor von einer äuSseVen Quelle kompensiert oder zugeführt werden, um die Reaktoftemperatur auf dem gleichen bevorzugten optimalen Niveau zu halten. Das wird dadurch erreicht, dass Dampf einer in die Synthesemischung eintauchenden Verdampferspule zugeführt und das Kondensat von der Verdampferspule abgeführt wird. Die e*nerderartigen Schlange zuzuführende Wärmemenge ist äquivalent'4;-1 bis 12000, vorzugsweise 2000 bis 10000 kcal/kg mol; des in dem Reaktor gebildeten Harnstoffes.
In dem ersten oben erwShntën~Fall ist das einfachste-Verfahren, Überhitzungen in-dem bodenabschnitt eines adiabatischen Reaktors zu verhindetn, die Mischung von 2 oder mehr dem Reaktor zugeführten Strömen im Gegenstromverfahren in indirekten Wärmeaustausch mit der Reaktorsynthesemischung zu bringen. Jedoch ist das-wirtschaftlichste und-praktische Verfahren der Durchführung dieses indirekten Wärmeaustausches im Gegenstromverfahren das folgende. Ein Teil oder die gesamte Menge, 5 bis 100 Molprozent, eines oder mehrerer der dem Reaktor zugeführten Ströme, nämlich C02, NH3 und eine ammoniakalische wässrige Lösung von Ammoniumcarbamat, die Harnstoff enthalten kann, wird gleichzeitig kontaktiert und an dem oberen Abschnitt des Reaktors in eine Schlange eingeführt, die in die Synthesemischung eintaucht und im Inneren von seinem oberen Abschnitt zu seinem Bodenabschnitt durch den Reaktor verläuft. Die in die Reaktor-Synthesemischung eintauchende Schlange ist an ihrem in dem Bodenabschnitt des Reaktors befindlichen Ende offen. Die Mischung der dem Reaktor zugeführten Ströme geben auf ihrem eg durch den Reaktor nach unten Teile ihrer Reaktionswärme ab und verlassen die Schlange in dem Bodenabschnitt des Reaktors. Der veflleibende Teil des dem Reaktor zugeführten Stromes oder der Ströme, die nicht in die Reaktorschlange eingespeist worden sind, wird an dem Bodenabschnitt des Reaktors eingeführt und mit der von der Reaktorschlange austretenden Mischung gemischt. Die entstehende gesamte Mischung steigt durch den Reaktor im Gegenstromverfahren zu der innerhalb der Reaktorschlange nach unten strömenden Flüssigkeit, und wenn die Dehydratisierung von Carbamat zu Harnstoff fortschreitet mit einem folglichen Temperaturabfall der Reaktor-Synthesemischung wird Wärme von der in der Reaktorschlange nach unten fliessenden Flüssigkeit an die Harnstoffsynthesemischung, die durch den Reaktor nach oben fliesst, indirekt. übertragen.
Die Reaktor-Synthesemischung wird nach Abschluss der Carbamatdehydratisierung zu Harnstoff von dem oberen Abschnitt des Reaktors zur weiteren hier nicht beschriebenen Verarbeitung entnommen.
Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung.
Beispiel 1 Ein herkömmlicher vertikaler zylindrischer Geradeaus-Reaktor, der mit einer inneren Verdampferschlange versehen war, wurde bei einer Temperatur von 1880C und bei einem Druck von 270 Atmosphären betrieben.
4.400 kg/hr C02 bei 100C und 6.800 kg/hr NH3 bei 160C wurden dem Reaktor in einem angenäherten molaren NH3/C02-Gesamtverhältnis von 4 zu 1 zugeführt, um 4.200 kg/hr Harnstoff, 2.300 kg/hr nicht umgewandeltes Ammoniumcarbamat, 3.400 kg/hr überschüssiges NH3 und 1.260 kg/hr Wasser zu liefern. Auf dieser Basis betrug der berechnete Umwandlungsgrad von C02 zu Harnstoff grössenordnungsmässig 70%.
Um die Reaktortemperatur konstant auf 1880C zu halten, war es notwendig, überschüssige Wärme von dem Reaktor abzuBühren. Das wurde dadurch bewirkt, dass in einer in die Synthesemischung eintauchenden Reaktorschlange Dampf von 9 Atmosphären absoluter Druck und 176°C in einer Menge von angenähert 1.080 kg/hr erzeugt wurde.
Der Oberflächenbereich der Reaktorschlange betrug etwa 2 64 m und die zwischen der Reaktor-Synthesemischung und dem siedenden Kondensat, das innerhalb der Reaktorschlange Dampf erzeugte, verfügbare Temperaturdifferenz betrug 11°C.
Unter Bezugnahme auf Figur 1 wurden 4.400 kg/hr C02 bei 100C durch Leitung 1 und 4.420 kg/hr NH3 bei 16°C durch Leitung 2 in den Bodenabschnitt 3 der Röhrenseite eines vertikalen Mantel- und Röhren-Wärmeaustauschers 4, der bei 270 Atmosphären Druck arbeitete, eingeleitet. Das molare NH3/C02-Gesamtverhältnis in den Zuführungsströmenzu dem Wärmeaustauscher 4 betrug 2,6 zu 1. Etwa 1000 kg/hr Kondensat wurde durch Leitung 5 in die Mantelseite 6 des Wärmeaustauschers 4 eingeleitet, um Dampf bei 9 Atmosphären Absolutdruck und 17600 zu erzeugen, der durch Leitung 7 abgezogen wurde. Der Dampfdruck in der Mantelseite 6 wurde durch das in dem Dampfausgang der Leitung 7 liegende Ventil 8 gesteuert.
Die Temperatur der Reaktionsmischung innerhalb der Röhren des Wärmeaustauschers 4 betrug 2000C, und daher betrug die Temperaturdifferenz, die zwischen der in den (nicht dargestellten) Röhren 10 enthaltenen Reaktionsmischung und dem in der Mantelseite 6 enthaltenen siedenden Kondensat verfügbar war, etwa 240C. Der gesamte Betrag des in Wärmeaustauscher 4 erforderlichen Röhrenoberflächenbereichs war 2 28 m , das sind nur 45% des Röhrenoberflächenbereiches, der für eine herkömmliche Reaktorschlange erforderlich war. Die Reaktionsmischung aus Leitung 9 wurde in die Reaktorschlange 11, die mit einem offenen Ende 12 nahe dem Bodenabschnitt 13 des Reaktors 14 versehen war, eingeführt. Die Reaktionsmischung aus Leitung 9 floss durch die Schlange 11 nach unten und wurde von 2000C auf 1800C abgekühlt. Die Reaktionsmischung verliess die Schlange 11 an deren offenen Ende 12 und wurde mit 2380 kg/hr Ammoniak von 16°C, das durch Leitung 15 strömte und in den Bodenabschnitt 13 des bei 270 Atmosphären Druck arbeitenden Reaktors 14 eingeleitet worden war, gemischt. Die entstandene Synthesemischung wurde weiter unterhalb 1800C auf Grund dieses Mischens der Reaktionsmischung, die die Schlange 11 an deren Ende 12 verliess, mit dem relativ kälteren Strom des Ammoniaks aus Röhre 15 abgekühlt. Die Synthesemischung besass dann ein molares N113/C02-Verhältnis von 4 zu 1 und floss durch den Reaktor nach oben und stand in Gegenstrom-Wärmeaustausch mit der relativ heisseren Reaktionsmischung, die durch die Reaktorschlange 11 nach unten floss. Die Sgnthesemischung wurde auf 188°C der erhitzt und nach Abschluss # Reaktion der Carbamatumwandlung zu Harnstoff aus dem oberen Abschnitt 16 des Reaktors 14 über Leitung 17 entnommen.
Der durch Leitung 17 fliessende Strom enthielt 4.560 kg/hr Harnstoff, 1872 kg/hr nicht umgewandeltes Ammoniumcarbamat, 3.400 kg/hr überschüssiges NH3 und 1368 kg/hr Wasser. Auf dieser Basisobetrug der rückgerechnete Umwandlungsgrad des gesamten C02 in Harnstoff etwa 76%, verglichen mit 7070, die in einem herkömmlichen oben beschriebenen Reaktor erhalten wurden.
Beispiel 2 Ein herkömmlicher vertikaler zylindrischer Reaktor wurde adiabatisch betrieben in einer Syntheseverfahrensanlage mit gesamter Harnstoffrückführung bei einer Temperatur von 1900C und bei einem Druck von 220 Atmosphären 3124 kg/hr C02 bei 1200C, 5182 kg/hr NH3 bei 700C und 5246 kg/hr Ammoniumcarbamatrückführungslösung bei 850C wurden in den oben erwähnten herkömmlichen Reaktor eingeführt. Die Carbamatrückführungslösung enthielt 3276 kg/hr Ammoniumcarbamat,690 kg/hr NH3 und 1280 kg/hr Wasser. Es war keine Reaktorkühlung oder Heizung erforderlich, da der Reaktor adiabatisch arbeitete. Das molare NH3/C02-Gesamtverhältnis in dem Reaktor betrug 3,8 zu 1 und das molare Wasser-C02-Verhältnis betrug 0,629 zu 1. Nach Fertigstellung der Reaktion enthielt der aus dem Reaktor ausfliessende Strom 4200 kgfhr Harnstoff, 3354 kg/hr nicht umgewandeltes Ammoniumcarbaüiat, 3458 kg/hr-überschüssiges NH3 und 2540 kg/hr Wasser, Auf dieser Basis war der berechnete Umwandlungsgrad des gesamten C02 zu Harnstoff 62.
Gemäss der Erfindung und unter Bezugnahme auf Figur 2 wurden 3124 kg/hr C02 bei 115°C durch Leitung 20, 4821 kg/hr NH3 bei 35°C durch Leitung 21 und 4407 lsg/hr Ammoniumcarbamatrückführungslösung bei 800C durch Leitung 22 in den Bodenabschnitt 23 des vertikalen zylindrischen Reaktors 24, der in seinem Inneren mit einer in die in ihm befindliche Reaktionsmischung eintauchenden Heizschlange 25 versehen war, eingeführt. Die Carbamatlösung in Leitung 22 enthielt 2496 kgfhr Ammoniumcarbamat, 745 kg/hr NH3 und 1166 kg/hr Wasser.
Der Reaktor 24 wurde bei einem Druck von 220 Atmosphären betrieben, das molare NH3/C02-Gesamtverhältnis im Reaktor 24 betrug 3,8 zu 1 und das molare Wasser/CO2-Verhältnis betrug darin 0,629 zu 1.
750 kg/hr Dampf bei 16 Atmosphären absoluter Druck wurden in die Heizschlange 25 des Reaktors durch Leitung 26 zum Zwecke des Aufrechterhaltens der Reaktortemperatur konstant auf 1900C eingeleitet. Das Kondensat wurde aus der Heizschlange 25 über Leitung 27 abgeführt. Nach Abschluss der Reaktion wurde der Reaktorausfluss durch Leitung 28 aus dem Reaktor 24 entnommen. Der Ausfluss enthielt 4200 kg/hr Harnstoff, 2574 kg/hr nicht umgewandeltes Ammoniumcarbamat, 3152 kg/hr überschüssiges NH3 und 2426 kg/hr Wasser. Auf dieser Basis betrug der rückgerechnete Gesamtumwandlungsgrad des gesamten C02 zu Harnstoff 68%)vergllchen mit dem relativ geringeren Umwandlungsgrad von 62%, der in dem oben beschriebenen herkömmlichen'Reaktor erhalten worden war, der mit den gleichen molaren NH3/C02- und H20/C02-Verhältnissen betrieben worden war.
Beispiel 3 Ein herkömmlicher vertikaler zylindrischer Reaktor wurde in einer Syntheseverfahrensanlage mit gesamter Harnstoffrückführung bei einer Temperatur von 190°C und einem Druck von 220 Atmosphären adiabatisch betrieben. 3124 kg/hr C02 bei 120°C, 5499 kg/hr NH3 bei 750C und 4728 kg/hr Ammoniumcarbamatlösung bei 85°C wurden in diesen herkömmlichen Reaktor eingeführt. Die Carbamatrückführungslösung enthielt 2918 kg/hr Ammoniumcarbamat, 600 kg/hr Nil3 und 1210 kg/hr Wasser.
Es war keine Reaktorkühlung oder Heizung erforderlich, da der Reaktor adiabatisch arbeitete. Das molare N113/602-Gesamtverhältnis in dem Reaktor betrug 4,0 zu 1, und das molare Wasser/C02-Verhältnis betrug 0,62 zu 1. Nach Fertigstellung der Reaktion enthielt der neaktorausflussstrom 4200 kg/hr Harnstoff, 2996 kg/hr nicht umgewandeltes Ammoniumcarbamat, 3685 kg/hr überschtissiges NH3 und 2470 kg/hr 20, Auf dieser Basis betrug der rückgerechnete Umwandlungsgrad des gesamten C02 in Harnstoff 64pa.
Gemäss der Erfindung und unter Bezugnahme auf Figur 3 wurden 3124 kg/hr C02 bei 11com in Leitung 31, 2729 kg/hr NH3 bei 460C in Leitung 32 und 4063 kg/hr Ammoniumcarbamatlösung bei 800C in Leitung 33 zusammengemischt und in die Reaktorschlange 34 innerhalb des Reaktors 35 eingeführt. Das molare NH3/C02-Gesamtverhältnis der Mischung in der Reaktorschlange 34 betrug 2,6 zu 1. Die Mischung floss nach unten durch die Reaktorschlange 34 und verliess die Reaktorschlange34 an deren offenem Ende 36, das sich nahe dem Reaktorbodenabschnitt 37 befand. Die Mischung wurde mit 2400 kg/hr NH3 von 46°C gemischt, das in dem Bodenabschnitt 37 des Reaktors 35 über Leitung 38 zugeführt worden war. Die gesamte NH3-Menge, die dem Reaktor über Leitung 39 zugeführt worden war, betrug daher 5129 kg/hr, und das molare NH3/C02-Gesamtverhältnis in der gesamten entstandenen Reaktormischung im Bodenabschnitt 37 betrug 4,0 zu 1, wo-hingegen das molare Wasser/CO2-Verhältnis 0,62 zu 1 betrug. Der Reaktor 35 wurde bei 190°C und 220 Atmosphären Druck adiabatisch betrieben.
Es war keine Heizung oder Kühlung erforderlich, und die Reaktortemperatur wurde konstant auf 1900C durch Variation der Temperatur eines oder mehrerer der dem Reaktor zugeführten Ströme 31, 32, 33, 38 oder 39 gehalten. Nach Fertigstellung der Reaktion wurde der Reaktorausfluss durch die am oberen -Ende befindliche Leitung 40 entnommen. Der ausfliessende Strom enthielt 4200 kg/hr Harnstoff, 2340 kg/hr nicht umgewandeltes Ammoniumcarbamat, 3400 kg/hr überschüssiges NH3 und 2376 kg/hr Wasser. Auf dieser Grundlage wurde der rückgerechnete Gesamtumwandlungsgrad des gesamten C02 zu Harnstoff zu 70dna bestimmt, verglichen mit dem relativ geringeren Umwandlungsgrad von 64%, der in dem herkömmlichen oben beschriebenen Reaktor beim Betrieb mit den gleichen molaren NH3/002- und H20/CQ2-VerhEltnissen erhalten worden war.
Beispiel 4 Ein herkömmlicher vertikaler zylindrischer Reaktor wurde in einer Syntheseverfahrensanlage mit gesamter Harnstoffrückführung bei einer Temperatur von 1880C und bei einem Druck von 220 Atmosphären adiabatisch betrieben. 3124 kg/hr C02 von 120°C, 5928 kg/hr NH3 von 720C und 4510 kg/hr Ammoniumcarbamatrückführungslösung von 88°C wurden in diesen herkömmlichen Reaktor eingeführt. Die Carbamatrückführungslösung enthielt 2730 kg/hr Ammoniumcarbamat, 630 kg/hr NH3 und 1150 kg/hr Wasser. Es war keine Reaktorkühlung oder Heizung erforderlich. Das molare NH3/C02-Gesamtverhältnis in dem Reaktor betrug 4,3 zu 1> und das molare Wasser/C02-Verhältnis betrug 0,60 zu 1. Nach Fertigstellung der Reaktion enthielt der Reaktorausfluss-Strom 4200 kg/hr Harnstoff, 2808 kg/hr nicht umgewandeltes Ammoniumcarbamat, 4144 kg/hr dberschUssiges NH3 und 2410 kg/hr Wasser. Auf dieser Basis betrug der berechnete Umwandlungsgrad des gesamten C02 in Harnstoff 66%.
Gemäss der Erfindung und unter Bezugnahme auf Figur 4 wurden 3124 kg/hr CO2 bei 120°C in Leitung 41, 3661 kg/hr Carbamatrückführungslösung bei 120°C in Leitung 42 und 2560 kg/hr NH3 bei 1200C in Leitung 43 in die Röhrenseite 44 des vertikalen Mantel- und Röhrenwärmeaustauschers 45 eingeführt. Die Carbamatrückführungslösung in Leitung 42 enthielt 1950 kg/hr Ammoniumcarbamat, 670 kg/hr NH3 und 1041 kg/hr Wasser. Die Reaktionswärme wurde von dem Wärmeaustauscher 45 abgeführt, in-dem 1870 kg/hr Dampf von l790C und 9,8 Atmosphären absoluter Druck in der Mantelseite 46 des Wärmeaustauschers 45 erzeugt wurden. Das Kondensat wurde der Mantelseite 46 durch Leitung 47 zugeführt, und der erzeugte Dampf wurde durch Leitung 48 abgeführt. Die Reaktormischung verliess den Wärmeaustauscher 45 mit 2000C durch die oben angeordnete Leitung 49 mit einem molaren NI!3/C02-Gesamtverhältnis von 2,5 zu 1 und wurde in den Bodenabschnitt 50 des Reaktors 51 eingeleitet. 2937 kg/hr NH3 von 120°C in Leitung 52 wurden ebenfalls in den Bodenabschnitt 50 eingeleitet und mit der Reaktormischung aus Leitung 49 gemischt, so dass das insgesamt resultierende molare NH3/C02-Gesamtverhältnis der entstehenden Reaktormischung im Bodenabschnitt 50 gleich 4,3 zu 1 war, wohingegen das molare lVasser/C02-Verhältnis 0,60 zu 1 betrug.
Der Reaktor 51 und die Röhrenseite 44 des Wärmeaustauschers 45 arbeiteten bei den im wesentlichen gleichen Druck von 220 Atmosphren. Der Reaktor 51 war mit einer in diesem Reaktor befindlichen Synthesemischung eingetauchten Verdampferschlange 53 versehen. Die Temperatur innerhalb des Reaktors 51 wurde konstant auf 190°C gehalten, in-dem 600 kg/hr Dampf von 2100C und 18,8 Atmosphären absoluter Druck zum Erhitzen der Verdampferschlange 53 über Leitung 54 eingeleitet wurden.
Das Kondensat wurde von der Schlange 53 über Leitung 55 entnommen. NachFertigstellung der Reaktion wurde die entstandene Reaktionsmischung aus dem Reaktor 51 über die in dem oberen Abschnitt des Reaktors 51 angeordnete Leitung 56 entnommen. Die Mischung in Leitung 56 enthielt 4200 kg/hr Harnstoff, 2028 kg/hr nicht umgewandeltes Ammoniumcarbamat, 3753 kg/hr überschüssiges NH3 und 2301 kg/hr Wasser. Auf dieser Grundlage betrug der berechnete Umwandlungsgrad des gesamten C02 in Harnstoff 73% im Vergleich zu 66to Umwandlungsgrad, der in dem herkömmlichen oben beschriebenen Reaktor und unter Verwendung des gleichen molaren NH3/C02-Verhältnisses von 4,3 zu 1 und des gleichen molaren H20/C02-Verhältnisses von 0,60 zu 1 erhalten worden war.
Beispiel 5 Gemäss der vorliegenden Erfindung und unter Bezugnahme auf Figur 5 wurden 3124 kg/hr CO2 von 120°C in Leitung 61, 3661 kg/hr Ammoniumcarbamatrückführungslösung von 1200C in Leitung 62 und 2560 kg/hr NH3 von 1200C in Leitung 63 der Röhrenseite 64 des vertikalen Mantel- und Röhrenwrmeaustauschers 65 zugeführt. Die Carbamatrückführungslösung in Leitung 62 enthielt 1950 kg/hr Ammoniumcarbamat, 670 kg/hr NH3 und 1041 kg/hr Wasser. Die durch das Mischen dieser dem Reaktor zugeführten Ströme entstandene Reaktionswärme wurde von dem Wärmeaustauscher 65 abgeleitet, indem 1250 kg/hr Dampf von 1790C und 9,8 Atmosphären absoluter Druck in der Mantelseite 66 des Wärmeaustauschers 65 erzeugt wurden. Das Kondensat wurde der Mantelseite 66 über die Leistung 67 zugeführt und der erzeugte Dampf wurde über die Leitung 68 abgeführt.
Die Reaktionsmischung in den Röhren 64 die auf 220 Atmosphären Druck und 200 C gehalten wurde , wurde aus dem Wärmeaustauscher 65 über die Leitung 69 abgeführt. Die ;Eteaktionsmischung besass ein molares NH3/CO2-Verhältnis von 2,5 zu 1. Der Strom 69 wurde in die Reaktorschlange 70 an dem oberen Abschnitt 71 des Reaktors 72 eingeleitet.
Die Reaktorschlange 70 war in die Reaktor-Synthesemischung eingetaucht und erstreckte sich von dessen oberen Abschnitt 71 nach unten zu dessen Bodenabschnitt 74. Die Reaktorschlange 70 war an ihrem Ende 73 im Reaktorbodenabschnitt 74 offen. Der relativ heissere Strom aus Leitung 69 floss nach unten durch die Reaktorschlange 70 und im Gegenstrom zu der Reaktor-Synthesemischung, die durch den Reaktor 72 aufstieg. Die Reaktionsmischung, die die Schlange an ihrem offenen Bodenende 73 verliess, wurde in dem Reaktorbodenabschnitt 74 mit 2937 kg/hr NH3 von etwa 1200C aus Leitung 75 gemischt, so dass das molare NH3/C02-Gesamtverhältnis der Reaktor-Synthesemischung im Bodenbereich 74 und im Reaktor 72 4,3 zu 1 betrug und das molare H20/CO2-Verhältnis 0,60 zu 1 betrug, was ähnlich dem oben angegebenen Beispiel '4 war.
Die Reaktor-Synthesemischung im Reaktorbodenabschnitt 74 wurde unterhalb 186°C auf Grund des Mischens mit dem dem Reaktor 72 zugeführten relativ kälteren NH3-Strom 75 abgekühlt, stieg durch den Reaktor 72 auf und wurde durch indirekten Wärmeaustausch mit dem relativ heißeren Strom 69 aufgeheizt, der als Gegenstrom durch die Reaktorschlange 70 , wie oben erklärt, strömte. Bei Fertigstellung der Reaktion wurde die entstandene Reaktor-Synthesemischung von dem oberen Abschnitt 7l'des Reaktors durch die oben angeordnete Leitung 76 bei 220 Atmosphären Druck und 1900C entzogen. Die Mischung in Leitung 76 enthielt 4200 kg/hr Harnstoff, 2028 kg/hr nicht umgewandeltes mmoniumcarbamat, 3753 kg/hr überschüssiges NH3 und 2301 kg/hr Wasser. Auf dieser Basis betrug der Umwandlungsgrad des gesamten C02 in Harnstoff 73% im Vergleich zu 66% Umwandlungsgrad, der in einem herkömmlichen in Beispiel 4 beschriebenen und bei den gleichen molaren NH3 und 1120 / CO2-Verhältnissen arbeitenden Reaktor erhalten worden war.
Figur 6 stellt einen alternativen Reaktor dar, der Zuführungsleitungen 51, 52 und 53 besitzt, die mit ihm verbunden sind, und der eine Ausgangsleitung 54 zum Entnehmen der Reaktionsmischung aus diesem Reaktor besitzt. Innerhalb des Reaktors 50 befindet sich ein Wärmeaustauscher 55, der ein Kondensatgefäss 56 in dem unteren Bereich des Reaktors und ein oberes Gefäss 57 in dem oberen Bereich des Reaktors enthält. Die Leitungen 58 verbinden das untere und das obere Gefäss miteinander. Ein Wärmeaustauschmittel ist in diesen Gefässen und den Leitungen des Wärmeaustauschbereiches enthalten. Gegebenenfalls ist eine Eingangsleitung 59 zur Zuführung eines Wärmeaustauschmittels an dem oberen Gefäss 57 und eine Aus lass leitung zum Entfernen des Wärmeaustauschmittels aus dem unterenKondensatgefäss 56 vorgesehen.
In der Ausführungsform, in der keine Einlass- und Auslassleitungen 59 und 60 vorgesehen sind, enthält der Wärmeaustauscher 55 ein geschlossenes System, das aus den Gefässen 56 und 57 und den Leitungen 58 besteht und ein Wärmeaustauschmedium darin enthält. Die Reaktionswärme an dem unteren Reaktorabschnitt wird an das Wärmeaustauschmittel im Gefäss 56 übertragen und wird vorzugsweise in latente Wärme umgewandelt. Das heisst, in dem Falle, wenn das Wärmeaustauschmittel Dampf ist, wandelt die Reaktionswärme an dem unteren Abschnitt des Reaktors das Kondensat in Dampf an dem unteren Abschnitt des Wärmeaustauschers um. Der erhitzte Dampf strömt dann nach oben durch die Leitungen 58, wie das auch das Reaktionsprodukt in dem Reaktor tut. Während des Auf wärtsfliessens wird Wärme von dem Dampf an das Reaktionsprodukt übertragen, und der Dampf wird nach dem Abkühlen ein Kondensat und fliesst durch die Leitungen 58 zurück zu dem Kondensatgefäss 56 in dem unteren Abschnitt des Reaktors.
Auf diese Weise wird das Reaktionsprodukt an den oberen Abschnitten des Reaktors in einer wirksamen und einfachen Weise erhitzt.
Gegebenenfalls kann das abgekühlte Wärmeaustauschmittel aus dem oberen Gefäss 57 abgezogen und wieder zu dem Kondensatgefäss 56 durch eine äussere Leitung zurückgeführt werden.
Eine noch weitere alternative Ausführung ist, ein erhitztes Wärmeaustauschmittel dem oberen Gefäss 57 zuzuführen, das Wärmeaustauschmittel zu zwingen, durch die Leitungen 58 nach unten zu dem Kondensatgefäss 56 zu strömen, und es dann von dem System über die Leitung 60 abzuziehen. Das stellt einen Typ eines offenen Systems dar, wohingegen die vorhergehenden Ausführungsformen geschlossene Systeme bilden.
Auf diese Weise wird mit dem Reaktor nach Figur 6 ein flüssiges Wärmeaustauschmittel in dem Bodenabschnitt des in einem unteren Bereich des Reaktors angeordneten Wärmeaustauschers durch die Reaktionswärme verdampft, die durch die Reaktionsbestandteile, die in den Reaktor über die Leitungen 51 bis 53 eingeführt werden, erzeugt wird. Wenn das erhitzte Wärmeaustauschmittel zu einem oberen Abschnitt des Systems fliesst, wird seine Wärme an die aufsteigenden und kühlenden Bestandteile übertragen und es wird gegebenenfalls in dem oberen Abschnitt des Reaktors kondensiert. Das Kondensat kann entweder intern (über Leitungen 58) oder extern zurückgeführt werden oder es kann aus dem System ganz entfernt werden und frisches wärmeübertragendes Mittel kann dem System zugeführt werden. Es können Dampf und andere herkömmliche Wärmeaustauschmittel verwendet werden.

Claims

Patentansprüche

p Verfahren zur im wesentlichen adiabatischen iiarnstoffsynthese, in dem flüssiges NH3 und flüssiges C02 bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur zur Reaktion gebracht werden, um eine Harnstoffsynthese-Mischung in einem Reaktor mit einem darin angeordneten Leitungssystem zu bilden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass jeweils etwa 5 bis etwa 100 Mol-% der einem Reaktor zugeführten flüssigen NH3- und flüssigen C02-Ströme dem Leitungssystem zugeführt werden, um daraus eine Mischung in indirektem Gegenstrom-Wärmeaustausch mit der im Reaktor vorhandenen Harnstoffsynthese-Mischung zu bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , dass das molare NH3/002-Verhältnis innerhalb des Leitungssystems auf einem Wert von etwa 2,2 bis etwa 3,5 zu 1 gehalten wird und dass zusätzliches NH3 dem Bodenabschnitt des Reaktors zugeführt wird und darin mit einem aus dem Leitungssystem nahe des Reaktorbodenabschnittes austretenden Stromes gemischt wird, um eine entstehende Mischung mit einem molaren NH3/C02-Verhältnis von etwa 2,8 bis etwa 7 zu 1 zu liefern.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , dass zusätzliches C02 ebenfalls in den Bodenabschnitt des Reaktors eingeführt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Harnstoffsynthese-Mischung aus den flüssigen NH3- und flüssigen 002-Strömen und einem dem Reaktor zugeführten Strom einer wässrigen Ammoniumcarbamat enthaltenden Lö sung gebildet wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die wässrige Ammoniumcarbamat enthaltende Lösung dem Bodenabschnitt des Reaktors zugeführt wird.
6.Verfahren zur im wesentlichen exothermen Harnstoffsynthese, in dem flüssiges NH3 und flüssiges C02 bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur miteinander in Kontakt gebracht werden, um eine Harnstoffsynthese-Mischung in einem Harnstoffsynthese-Reaktor zur Bildung von Harnstoff zu bilden, und Wärme aus diesem System abgeführt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass jeweils etwa 5 bis etwa 100 Mol-% der einem Reaktor zugeführten Ströme aus flüssigem NH3 und flüssigem C02 in einem Wärmeaustauscher, der extern zu dem Harnstoffsynthese-Reaktor angeordnet ist, bei einem Druck, der im wesentlichen gleich dem Reaktordruck ist, in Kontakt gebracht werden und bei der Reaktion von NH3 und C02 entstehende Reaktionswärme von diesem externen WSrmeaustauscher abgeführt wird und dass die entstehende Reaktionsmischung einem in dem Harnstoffsynthese-Reaktor angeordneten Leitungssystem im indirekten Gegenstrom-Wärmeaustausch zu der in dem Reaktor enthaltenen Harnstoffsynthese-Mischung zugeführt wird, wobei das molare NH3/002-Verhältnis innerhalb des Leitungssystems auf etwa 2,2 bis etwa 3,5 zu 1 gehalten wird und zusätzliches NH3 dem Bodenabschnitt des Reaktors zugeführt wird und darin mit einem aus dem Leitungssystem nahe des Reaktorbodenabschnittes entladenen Strom gemischt wird, um eine entstehende Mischung mit einem molaren NH3/C02-Verhältnis von etwa 2,8 bis etwa 7 zu 1 zu liefern.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , dass zusätzliches C02 ebenfalls in den Bodenabschnitt des Reaktors eingeführt wird und darin mit einem aus dem Leitungssystem nahe dem Reaktorbodenabschnitt entladenen Strom gemischt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , dass ein dem Reaktor zugeführter Strom einer wässrigen Ammoniumcarbamat enthaltenden Lösung mit den zugeführten NH3- und CO2-Strömen in dem externen Wärmeaustauscher in Kontakt gebracht wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der dem Reaktor zugeführte Strom einer wässrigen Ammoniumcarbamat enthaltenden Lösung dem Bodenabschnitt des Reaktors zugeführt wird.
10.Verfahren zur isothermen Harnstoffsynthese, in dem flüssiges NII3, flüssiges C02 und eine wässrige Ammoniumcarbamat enthaltende Lösung bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur zur Reaktion gebracht werden, um eine Harnstoffsynthese-Mischung in einem Reaktor mit einen die in ihm enthaltene Reaktionsmischung eintauchenden Wärmeaustauscher zu bilden, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , dass ein erhitztes Wärmeaustauschmittel dem Wärmeaustauscher zugeführt wird, um an die Synthesemischung durch indirekten Wärmeaustausch mit der Synthesemischung, die nahe des Bodenabschnittes des Reaktors zugeführt wird und durch den Reaktor fliesst, Wärme abzugeben, wobei die auf diese Weise der Synthesemischung zugeführte Wärme etwa 0,1 bis etwa 12000 kcal/ kgmol des in dem Reaktor gebildeten Harnstoffs beträgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, da du r c h g e k e n nz e i c h n e t , dass das molare NH3/C02-Verhältnis in der Synthesemischung etwa 2,8 bis etwa 7 zu 1 beträgt.
12. Verfahren zur im wesentlichen exothermen Harnstoffsynthese, in dem flüssiges Nil3 und flüssiges C02 bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur in Kontakt gebracht werden, um eine Harnstoffsynthese-Mischung in einem Harnstoffsynthese -Reaktor zur Bildung von Harnstoff zu bilden, und Wärme aus diesem System entfernt wird, d a d u r c h gekennzeichnet, (a) dass jeweils etwa 5 bis etwa 100 Mol-% der einem Reaktor zugeführten Ströme aus flüssigem NH3 und flüssigem C02 in einem Wärmeaustauscher, der extern zu dem Harnstoffsynthese-Reaktor angeordnet ist, bei einem Druck, der im wesentlichen gleich dem Reaktordruck ist, in Kontakt gebracht werden und die durch die Reaktion von NH3 und C02 entwickelte Reaktionswärme von diesem Wärmeaustauscher abgeführt wird, (b) dass die entstehende Reaktionsmischung einem isothermen Reaktor mit einem in ihm angeordneten Wärmeaustauscher (2) zugeführt wird, und (c)dass ein erhitztes Wärmeaustauschmittel dem Wärmeaustauscher (2) zugeführt wird, um an die Synthesemischung in indirektem Wh.rmeaustausch mit der entstehenden Reaktionsmischung von (a), die nahe des Bodenabschnittes des Reaktors eingeführt wird und durch den Reaktor fliesst, Wärme abzugeben, wobei die auf diese Weise an die entstehende Reaktionsmischung abgegebene Wärmemenge etwa 0,1 bis etwa 12000 kcal/kg mol des in dem Reaktor gebildeten Harnstoffes beträgt, wobei das molare NH3/C02-Verhältnis innerhalb des externen Wärmeaustauschers auf etwa 2,2 bis etwa 3,5 zu 1 gehalten wird und wobei zusätzliches NH3dem Bodenabschnitt des Reaktors zugeführt und darin mit einem Strom gemischt wird, der von dem externen Wärmeaustauscher in den Reaktor nahe des Reaktorbodenabschnittes entladen worden ist, um eine entstehende Mischung mit einem molaren NH /CO -Verhältnis von etwa 2,8 bis etwa 7 3 2 zu 1 zu liefern.
13. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , dass zusätzliches °°2 ebenfalls dem Bodenabschnitt des Reaktors zugeführt wird und darin mit einem Strom gemischt wird, der von dem externen Wärmeaustauscher in den Reaktor nahe des Reaktorbodenabschnittes entladen worden ist.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, d'a du.r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Harnstoffsynthese-Mischung aus den flüssigen NH3- und flüssigen CO2-Strömen und einem dem Reaktor zugeführten Strom einer wässrigen, Ammoniumcarbamat enthaltenden Lösung gebildet wird,
15. Harnstoffsynthese-System, in dem flüssiges NH3, flüssiges C02 und eine wässrige, Ammoniumcarbamat enthaltende Lösung bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur miteinander in Kontakt gebracht werden, um eine Harnstoffsynthese-Mischung in einem Harnstoffsynthese-Reaktor zur Harnstoffbildung zu bilden und Wärme aus diesem System entfernt wird, d a d u r c h g e -kennzeichnet, dass die dem Reaktor zugeführten Ströme aus flüssigem NH3, flüssigem C02 und der wässrigen, Ammoniumcarbamat enthaltenden Lösung einem unteren Abschnitt des Reaktauscher zum tors zugeführt werden, wobei in dem Reaktor ein Wärmeaus-\ indirekten Wärmeaustausch enthalten ist der sich von einem unteren Abschnitt zu einem oberen Abschnitt des Reaktors erstreckt und ein Wärmeaustauschmittel enthalt dass die Reaktionswärme von der NH3-, CO2- und Ammonium carbamat-Mischung an das Wärmeaustauschmittel bei dem unteren Reaktorabschnitt übertragen wird und dass die entstehende Reaktionsmischung und das Wärmeaustauschmittel zu dem oberen Abschnitt des Reaktors geleitet werden, um Wärme von dem Wärmeaustauschmittel an die Reaktionsmischung zu übertragen.
16. System nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , dass das Wärmeaustauschmittel anschliessend nach unten zu dem unteren Abschnitt des Wärmeaustauschers geleitet wird, wobei es wieder erhitzt wird.
17, System nach Anspruch 15 oder 16, da du r c h g e -k e n n z e i c h n e t , dass das abgekühlte oder erschöpfte Wärmeaustauschmittel aus dem oberen Abschnitt des Wärmeaustauschers entfernt und dem unteren Abschnitt des Wärmeaustauschers wieder zugeleitet wird.
18. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 17, da d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass frisches Wärmeaustauschmittel dem unteren Abschnitt des Wärmeaustauschers zugeführt wird, 19, System nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die an das Wärmeaustauschmittel in dem unteren Abschnitt des Wärmeaustauschers übertragene Wärme latente Wärme ist.

20, System nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 19 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass der WErmeaustauscher ein Gefäss in dem oberen Abschnitt des Reaktors, ein zweites Gefäss in dem unteren Abschnitt des Reaktors und Leitungen in dem Reaktor enthält welche die Gefässe zum Hindurchleiten des Wärmeaustauschmittels zwischen diesen Gefässen verbinden.