DE69304492T2

DE69304492T2 - Verfahren zur Nachrüstung einer bestehenden, einen Ammoniak-Stripper enthaltenden Anlage zur Produktion von Harnstoff

Info

Publication number: DE69304492T2
Application number: DE69304492T
Authority: DE
Inventors: Giorgio Pagani; Umberto Zardi
Original assignee: Urea Casale SA
Current assignee: Casale SA
Priority date: 1992-11-19
Filing date: 1993-10-25
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2013-10-26
Also published as: EP0598250B2; US5660801A; RU2132842C1; ATE142196T1; CN1091125A; EP0598250A1; EP0598250B1; MX9207277A; US6274767B1; CN1044904C; DE69304492D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachrüsten einer bestehenden Anlage zur Produktion von Harnstoff, welche einen ersten Harnstoffsynthesereaktor in einer Fluidverbindung mit einem Amoniakstripper-Abschnitt zum Abtrennen von freiem Ammoniak und Carbamat, welche aus dem Reaktor austreten, von einer wäßrigen Harnstofflösung aufweist, welches den Schritt des Vorsehens eines zweiten Harnstoffsynthesereaktors vom Durchlauftyp mit einer höheren Ausbeute als der des ersten Harnstoffsynthesereaktors umfaßt.
Die Erfindung betrifft auch eine nachgerüstete Harnstoffproduktionsanlage, welche man mit dem vorangehend genannten Verfahren erhalten kann.
Es ist wohlbekannt, daß häufig die Notwendigkeit entsteht, die Ausbeute und die Harnstoffproduktionskapazität einer bestehenden Anlage zu erhöhen.
Hierfür wurden bislang verschiedene Verfahren zum Erhöhen der Produktionskapazität durch Nachrüsten einer bestehenden Anlage vorgeschlagen, wie das in der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 479 103 deselben Anmelders beschriebene Verfahren.
EP-A 0 479 103 offenbart einen Harnstoffproduktionsprozeß, bei dem hochreiner Ammoniak und Kohlendioxid in einem ersten Reaktionsraum zur Reaktion gebracht werden, die so erhaltene Reaktionsmischung einem Rückgewinnungsabschnitt zugeführt wird und eine Synthesereaktion zwischen weniger reinen Reagenzien, die im wesentlichen von dem Rückgewinnungsabschnitt zurückgeführt worden sind (Rückgewinnungsmischung), in einem zweiten Reaktionsraum ausgeführt wird.
Gemäß der obengenannten europäischen Patentanmeldung wird ein Kapazitätszuwachs einer bestehenden Anlage durch das Hinzufügen eines Hochausbeute-Durchlaufreaktors (d.h. mit reinen Reagenzien ohne Kreislaufwasser versorgt) parallel zu einem bestehenden Reaktor erreicht, der entsprechend der Gesamtkreislauftechnologie arbeitet (d.h. nicht nur mit reinen Reagenzien, sondern auch mit einer wäßrigen Carbamat-Rücklauflösung versorgt).
Obwohl ein Zuwachs der Harnstoffproduktionskapazität auf diese Weise erreicht werden kann, verhindern eine Anzahl von Nachteilen immer noch eine effektive Nachrüstung von Harnstoffproduktionsanlagen mit einem Ammoniakstripper-Abschnitt.
Gemäß EP-A-0 479 103 kann nämlich die den hinzugefügten Reaktor verlassende Mischung nicht in dem Ammoniakstripper-Abschnitt behandelt werden, sondern muß an demselben vorbeiströmen, was mit der daraus resultierenden Notwendigkeit eines Kapazitätszuwachses des stromabwärtigen Rückgewinnungsabschnitts der zwei parallelen Synthesereaktoren und mit einem erheblichen Anstieg des Gesamtenergieverbrauchs des Harnstoffsyntheseproszesses verbunden ist.
Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem besteht daher darin, ein Verfahren zum Nachrüsten einer Harnstoffproduktionsanlage zu schaffen, welches einen erheblichen Kapazitätszuwachs ermöglicht, während gleichzeitig der Gesamtenergieverbrauch reduziert wird, der von der auf diese Weise hergestellten nachgerüsteten Anlage benötigt wird.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch ein Nachrüstungsverfahren wie oben angegeben gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß es die folgenden Schritte umfaßt:
a) Verbinden des zweiten Reaktors mit dem Ammoniakstripper- Abschnitt an einer Stelle stromaufwärts davon und mit einer Einrichtung zum Zuführen von hochreinem Ammoniak und Kohlendioxid,
b) Verteilen der Gesamtproduktionskapazität derart, daß 50 % bis 95 % dieser Kapazität dem ersten Harnstoffsyntheseraktor zugeordnet werden und von 5 % bis 50 % dem zweiten Harnstoffsynthesereaktor zugeordnet werden.
Gemäß einem ersten vorteilhaften Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung werden der erforderliche Kapazitätszuwachs und eine Verringerung des Energieverbrauchs gleichzeitig dadurch erreicht, daß die Last des bereits vorhandenen Reaktors verringert wird und der zugefügte Reaktor so versorgt wird, daß mit dem letzteren der neue, höhere Wert der Produktionskapazität erreicht wird.
Höchst vorteilhafterweise ist der hinzugefügte Reaktor ein Durchlaufreaktor mit einer teilweisen Abführung der Reaktionswärme (nicht adiabatisch). Die Gesamtausbeute der nachgerüsteten Anlage kann auch gleichzeitig auf diese Weise erhöht werden.
Weitere Gesichtspunkte und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden aus der folgenden Beschreibung einer nicht einschränkenden bevorzugten Ausführungsform davon deutlicher, die zum Zwecke der Illustration mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, in denen
Fig. 1 eine herkömmliche schematische Darstellung einer Harnstoffproduktionsanlage mit einen Ammoniakstripper-Abschnitt gemäß dem Stand der Technik ist,
Fig. 2 eine schematische Darstellung ist, welche eine Anlage darstellt, die man durch Nachrüsten der in Fig. 1 gezeigten Anlage gemäß der vorliegenden Erfindung erhält,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der in Fig. 2 gezeigten Anlage mit einem nichtadiabatischen Durchlaufreaktor ist.
In Fig. 1, in der eine Anlage gemäß dem Stand der Technik gezeigt ist, bezeichnet R einen Harnstoffsynthesereaktor, der durch herkömmliche Mittel 2, 3 mit reinem Kohlendioxid bzw. Ammoniak versorgt wird und der in Fluidverbindung mit einem Ammoniakstripper-Abschnitt SS steht, der mit einem Stripper S versehen ist.
Bei dem Stripper S wird ein Großteil des Carbamats, das in der aus dem Reaktor R austretenden Harnstofflösung vorhanden ist, und ein Teil des vorhandenen freien Ammoniak gestrippt und zu dem Reaktor rückgeführt, während man eine Harnstofflösung SU mit einem relativ geringen Restkohlendioxidgehalt (5 Gew.-% ÷ 7 Gew.-%) und einem relativ hohen Ammoniakgehalt (22 Gew.-% ÷ bis 25 Gew.-%) erhält.
Der Stripperabschnitt SS steht seinerseits in Fluidverbindung mit dem Harnstoffrückgewinnungsabschnitt RE, der eine Mitteldruck-Destilationsstufe SMP, die bei 18 bar ÷ 20 bar arbeitet, eine Rektifiziersäule CR und ein Niederdruck-Destilliergerät LP aufweist, das bei ungefähr 4 bar arbeitet.
In der Rektifiziersäule CR wird ein Strom von hochreinem Ammoniak NEP von einer Carbamatlösung SC abgetrennt.
Pumpenmittel P, P' sind jeweils zum Zuführen von reinem Ammoniak, den man durch Mischen des Ammoniakstroms NEP mit einen frischen Strom NA erhält, und zum Rückführen der Carbamatlösung SC zu einem Carbamatkühler CC und dem Synthesereaktor R vorgesehen.
Die technischen Hauptmerkmale des isobaren Ammoniak-Strippprozesses, der durch die obengenannte Anlage implementiert wird, können wie folgt zusammengefaßt werden:
- Synthesedruck : 140 - 150 bar
- NH&sub3;/CO&sub2; Mol in dem Reaktor : 3.2÷3.4
- H&sub2;O/CO&sub2; Mol in dem Reaktor : 0.6÷0.8
- Temperatur des Reaktors : 180 - 190ºC
- Ausbeute : 62 % ÷ 63 %
- Dampfverbrauch : ungefähr 900 kg/MT Harnstoff
Die obengenannten Werte waren ziemlich gefestigt und große Verbesserungen des Prozesses erschienen nicht möglich zu sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die in Fig. 1 gezeigte Anlage wie folgt nachgerüstet:
a) Vorsehen eines zweiten Durchlauf-Harnstoffsynthesereaktors ROT mit einer höheren Ausbeute als derjenigen des ersten Harnstoffsynthesereaktors R stromaufwärts von dem Ammoniakstripper-Abschnitt SS,
b) Verbinden des Reaktors ROT mit dem Ammoniakstripper-Abschnitt SS mit Hilfe einer Leitungseinrichtung C und mit einer Einrichtung 4, 5 zum Zuführen von hochreinem Ammoniak bzw. Kohlendioxid,
c) Verteilen der Gesamtproduktionskapazität derart, daß von 50 % bis 95 % davon dem ersten Harnstoffsynthesereaktor R zugeteilt werden und von 5 % bis 50 % dem zweiten Harnstoffsynthesereaktor ROT zugeteilt werden.
Die Harnstoffsyntheseanlage, die man auf diese Weise erhält, ist in Fig. 2 gezeigt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der parallele Durchlaufreaktor ROT, der stromaufwärts des Strippers S verbunden ist, ein adiabatischer Reaktor oder ein Reaktor mit einer teilweisen Abführung der Reaktionswärme sein.
Zum Zwecke der vorliegenden Erfindung liegen der Betriebsdruck und die Betriebstemperatur des Durchlaufreaktors ROT in einem Bereich von 230 bar bis 270 bar bzw. von 190ºC bis 205ºC.
In jedem Fall erweist sich bei der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung die Verwendung des Durchlauf reaktors ROT mit einer teilweisen Abführung der Reaktionswärme als besonders geeignet für das Nachrüsten von Ammoniakstripper-Anlagen.
In Fig. 3 ist eine nachgerüstete Harnstoffanlage gezeigt, bei welcher der parallele Reaktor ROT zwei Abschnitte aufweist:
- einen "primären" Abschnitt ROT.AC mit einer Abführung von Reaktionswärme,
- einen "sekundären" Abschnitt ROT.CC des herkömmlichen Typs.
Der Abschnitt ROT.AC enthält vorzugsweise einen Reaktor des sogenannten "Kesseltyps".
In diesem Zusammenhang sollte angemerkt werden, daß die Verwendung eines Harnstoffsynthesereaktors vom "Kesseltyp" bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung den zusätzlichen Vorteil einer deutlichen Verringerung der Investitionskosten eröffnet, da diese Art von Reaktor durch die bereits vorhandenen Ammoniakpumpen versorgt werden kann, die einen maximalen Abgabedruck aufweisen, der größer als der Betriebsdruck des Reaktors ist (260 bar gegenüber 240 bar).
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt dieser Erfindung ist es möglich, durch Verteilen der Last zwischen dem bereits vorhandenen Reaktor R und dem hinzugefügten Durchlaufreaktor ROT eine mittlere Konversionsausbeute zu erreichen, die deutlich höher als diejenige der ursprünglichen Anlage ist.
Höchst vorteilhafterweise ergibt sich eine größere Überlastgrenze für die Schlüsselanlagenvorrichtungen, wie den Stripper S, den Carbamatkühler CC, die Mitteldruck-Destilationsstufe SMP, sowie ein erhebliches "Debottlenecking" (d.h. keine Änderung der Schlüsselanlagenvorrichtungen) der Anlage selbst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Gesamtproduktionskapazität der bereits bestehenden Anlage so verteilt, daß 50 % bis 95 % hiervon dem bereits vorhandenen Harnstoffsynthesereaktor R zugeteilt werden und 5 % bis 50 % dem hinzugefügten Harnstoffsynthesereaktor ROT zugeteilt werden.
Höchst vorzugsweise liegt die Produktionskapazität, die dem Reaktor R zugeteilt ist, in einem Bereich von 55 % bis 65 %, während dem Durchlaufreaktor ROT eine entsprechende Produktionskapazität von 45 % bis 35 % zugeteilt ist.
Um die vorliegende Erfindung besser zu illustrieren, wird nachfolgend ein nicht einschränkendes Beispiel für das Nachrüsten einer bestehenden 1500 MTD-Harnstoffanlage mit Strippen von Ammoniak angeführt.

Beispiel

Eine Harnstoffproduktionsanlage mit Strippen von Ammoniak und einer Kapazität von 1500 MTD, welche einen Synthesereaktor R, der bei 145 bar arbeitet, einen Strippabschnitt SS und einen Rückgewinnungsabschnitt RE aufweist, der Mitteldruck- (SMP) und Niederdruck- (LP) Destillationsanlagen umfaßt, die bei 18 bar bzw. 4 bar arbeiten, wurde so nachgerüstet, daß er eine neue Kapazität von 1500 x 1,5 = 2250 MTD Harnstoff aufweist.
Um die thermische Last des bereits vorhandenen Stripperabschnitts 55 und des Rückgewinnungsabschnitts RE (wobei jedoch der Vakuumabschnitt ausgenommen ist) zu verringern, wurde die Last zwischen den zwei Reaktoren R, ROT wie folgt verteilt:
- bereits vorhandener Reaktor (R) 1350 MTD Harnstoff
- zusätzlicher Reaktor (ROT) 900 MTD Harnstoff
- Summe 2250 MTD Harnstoff
Die Betriebsbedingungen der Reaktoren waren:

a) Vor dem Nachrüsten

Vorhandener Reaktor R:

Kapazität: 1500 MTD
NH&sub3;/CO&sub2; Mol: 3,6
H&sub2;O/CO&sub2; Mol: 0,68
Ausbeute: 62 %
P: 145 bar
T: 190 ºC

b) Nach dem Nachrüsten

b.1 vorhandener Reaktor R:

Kapazität: 1350 MTD
NH&sub3;/CO&sub2; Mol: 3,6
H&sub2;O/CO&sub2; Mol: 0,75
Ausbeute: 61 %
P: 145 bar
T: 190ºC.

b.2 "Durchlaufreaktor" ROT

Kapazität: 900 MTD
NH&sub3;/CO&sub2; Mol: 3,6
H&sub2;O/CO&sub2; Mol: 0
Ausbeute: 75 %
P: 242 bar
T: 193 ºC
Die gewichtete Ausbeute der zwei parallel arbeitenden Reaktoren war:
(1350 * 61 + 900 * 75) / 2250 = 66.6 %,
d.h. 4,6 % mehr als die Ausbeute der Anlage vor dem Nachrüsten.
Dies war trotz des Zuwachses der Kapazität der Anlage mit einer Abnahme des Dampfverbrauchs von ungefähr 100÷130 kg/MT Harnstoff verbunden.
Beim Nachrüsten war keine Änderung des vorhandenen Strippers S, des Rückgewinnungsabschnittes RE, einschließlich der Mitteldruckstufe SMP und der Niederdruck-Destillationsvorrichtung LP, und des Carbamatkühlers CC erforderlich, um der erhöhten Produktionskapazität zu entsprechen.

Claims

1. Verfahren zum Nachrüsten einer bestehenden Anlage zur Produktion von Harnstoff mit einem ersten Harnstoffsynthese-Reaktor (R) in Fluidverbindung mit einem Ammoniakstripper-Abschnitt (SS) zum Trennen von freien Ammoniak und von Carbamaten, welche aus dem Reaktor austreten, von einer wässrigen Harnstofflösung (SU), umfassend einen zweiten Harnstoffsynthese-Reaktor (ROT) der Durchlauf- Bauart höherer Leistungsausbeute als der erste Harnstoffsynthese-Reaktor (R), dadurch gekennzeichnet, daß ferner folgende Schritte vorgesehen sind:

a) Anschließen des zweiten Reaktors (ROT) an den Ammoniakstripper-Abschnitt (SS) stromaufwärts davon, wobei Mittel (4, 5) zum Einspeisen von hochreinem Ammoniak und Kohlendioxid vorgesehen sind;

b) Aufteilen der Gesamtproduktionskapazität zu einem Anteil von 50 bis 95% auf den ersten Harnstoffsynthese-Reaktor (R) und von 5 bis 50% auf den zweiten Harnstoffsynthese-Reaktor (ROT).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Harnstoffsynthese in dem ersten Harnstoffsynthese-Reaktor (R) bei einem Druck von 150 bar und einer Temperatur von 190ºC durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Harnstoffsynthese in dem zweiten Harnstoffsynthese-Reaktor (ROT) unter teilweiser Abfuhr der Reaktionswärme durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Harnstoffsynthese-Reaktor (ROT) einen Primärabschnitt (ROT.AC) aufweist, aus welchem die Reaktionswärme teilweise abgeführt wird, sowie einen Sekundärabschnitt (ROT.CC).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Primärabschnitt (ROT.AC) einen Reaktor des Kettle-Typs aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Harnstoffsynthese in dem zweiten Harnstoffsynthese-Reaktor (ROT) bei einem Druck von etwa 240 bar und einer Temperatur im Bereich zwischen 1900 und 195ºC durchgeführt wird.

7. Harnstoff-Produktionsanlage umfassend:

- einen ersten Harnstoffsynthese-Reaktor (R);

- Mittel (P') zum Rückführen einer Carbamate-Lösung zum besagten ersten Reaktor (R);

- einen zweiten Harnstoffsynthese-Reaktor (ROT) der Durchlauf-Bauart höherer Leistungsausbeute als der erste Harnstoffsynthese-Reaktor (R), der mit dem ersten Reaktor (R) parallelgeschaltet ist;

- einen Ammoniakstripper-Abschnitt (SS) zum Abtrennen von freiem Ammoniak und von Carbamaten, welche aus dem ersten Reaktor (R) und dem zweiten Reaktor (ROT) austreten, von einer wässrigen Harnstoff-Lösung (SU);

- Leitungsmittel (C) zum Anschließen des zweiten Harnstoffsynthese-Reaktors (ROT) an den Ammoniakstripper- Abschnitt (SS) stromaufwärts davon.

8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Harnstoffsynthese-Reaktor (ROT) zu einer teilweisen Abfuhr der Reaktionswärme eingerichtet ist.

9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Harnstoffsynthese-Reaktor (ROT) einen Primärabschnitt (ROT.AC) und einen Sekundärabschnitt (ROT.CC) aufweist, wobei der Primärabschnitt (ROT.AC) eine teilweise Abfuhr der Reaktionswärme erlaubt.

10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärabschnitt (ROT.AC) einen Reaktor des Kettle-Typs aufweist.