LU103426B1

LU103426B1 - Anlage zur Herstellung von Harnstoff

Info

Publication number: LU103426B1
Application number: LU103426A
Authority: LU
Inventors: Kerstin Steimann; Marc Henric Wieschalla
Original assignee: Thyssenkrupp Uhde Gmbh; Thyssenkrupp Ag
Priority date: 2024-10-21
Filing date: 2024-10-21
Publication date: 2026-04-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur Herstellung von Harnstoff, mit einer Harnstoffsynthese (1) und einem mehrstufigen CO2-Verdichtungssystem (2) zur Erzeugung eines verdichteten CO2-Gasstroms (6), welcher der Harnstoffsynthese (1) als Edukt zuführbar ist. Der für die Harnstoffsynthese benötigte CO2-Gasstrom wird in dem mehrstufigen CO2-Verdichtungssystem auf den für die Harnstoffsynthese erforderlichen Druck verdichtet. Mit Hilfe der Wärmemenge, die im Rahmen der Verdichtung in den CO2-Gasstrom eingebracht wird, wird Dampf erzeugt, welcher im Rahmen der Harnstoffsynthese eingesetzt wird. Eine separate Erzeugung des Dampfes z.B. durch gasbeheizte Boiler wird vermieden. Die Anlage bzw. das Verfahren ist daher energieeffizient und weist einen verbesserten CO2- Fussabdruck auf.

Description

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Anlage zur Herstellung von Harnstoff

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Herstellung von Harnstoff.

Aus der Druckschrift EP 3 356 292 B1 ist eine Anlage zur Durchführung eines Verfahrens zur Entfernung von Wasserstoff und Methanol aus einem CO2-Strom, der Wasserstoff und Methanol als Verunreinigungen enthält, bekannt.

Bei dem aus EP 3 356 292 B1 bekannten Verfahren zur Entfernung von Wasserstoff und

Methanol aus einem CO2-Strom wird ein CO2-Strom aus einer Methanolwäsche (MeOH

Wash, vgl. Fig. 2) enthalten. Dieser CO2-Strom enthält noch Methanol und

Restwasserstoff als Verunreinigungen. Es ist ein vierstufiger Gasverdichter vorgesehen, der den CO2-Gasstrom auf den für die Harnstoffsynthese erforderlichen hohen Druck verdichtet. Vor der ersten Verdichtungsstufe 111a wird der CO2-Strom noch mit Luft (air 13) vermischt. Der Gasverdichter umfasst die vier Verdichtungsstufen 111a, 111b, 111c und 111d. Hinter der ersten Verdichtungsstufe 111a ist ein Wärmetauscher (interstage cooler 115) angeordnet, welcher den CO2-Gasstrom auf die für die folgende

Verdichtungsstufe 111b gewünschte Eintrittstemperatur kühlt. Stromabwärts des der zweiten Verdichtungsstufe 111b ist ein Converter (CONV) angeordnet, der mit einem

Katalysator auf der Basis von Platin oder Palladium bestückt ist. In dem Converter wird der CO2-Strom durch katalytische Umsetzung gereinigt. Es entsteht ein gereinigter CO2-

Strom 14 (purified CO2 stream 14), der durch einen weiteren Wärmetauscher 113 geleitet wird, um ihn auf die gewünschte Eintrittstemperatur für die dritte Verdichtungsstufe 111c zu bringen. Hinter der dritten Verdichtungsstufe 111c ist ein weiterer Wärmetauscher 117 angeordnet, durch den der CO2-Strom auf die gewünschte Eintrittstemperatur für die vierte Verdichtungsstufe 111d gekühlt wird. Der getrocknete und auf den erforderlichen

Harnstoffsynthesedruck verdichtete CO2-Gasstrom 4 verlässt die vierte

Verdichtungsstufe 111d und wird der Harnstoffsynthese 102 (urea section 102) zugeführt.

Die hinter der ersten, zweiten und dritten Verdichtungsstufe angeordneten

Wärmetauscher 115, 113, 117 dienen dazu, die in der ersten bzw. zweiten bzw. dritten

Verdichtungsstufe durch die Verdichtung erhaltene Temperaturerhöhung des CO2-

Stroms durch Kühlen zu beseitigen, um so die für die folgende zweite bzw. dritte bzw.

230749P00LU 2 LU103426 vierte Verdichtungsstufe gewünschte Eintrittstemperatur des CO2-Stroms einzustellen.

Mit diesen Wärmetauschern wird also dem aus der dem Wärmetauscher vorgeschalteten

Kompressionsstufe stammenden CO2-Gasstrom Wärmeenergie entzogen, um die

Temperaturerhöhung des CO2-Gasstroms, die sich durch dessen Verdichtung in der vorgeschalteten Kompressionsstufe ergeben hat, wieder rückgängig zu machen. Denn der Verdichtungsprozess verliert an Effizienz, wenn der zu verdichtende Gasstrom von

Kompressionsstufe zu Kompressionsstufe immer wärmer wird.

Zur Erzielung eines möglichst effizienten vierstufigen CO2-Verdichtungsprozesses wird angestrebt, dass der in die jeweilige Kompressionsstufe eintretende CO2-Gasstrom dieselbe Temperatur hat. Durch den hinter einer Kompressionsstufe n stattfindenden

Wärmeaustausch wird somit die Eintrittstemperatur des CO2-Gasstroms in die

Kompressionsstufe n+1 wieder auf die Eintrittstemperatur abgesenkt, mit der der CO2-

Gasstrom in die Kompressionsstufe n eingetreten ist. Die Eintrittstemperatur in die jeweiligen Kompressionsstufen soll üblicherweise im Bereich von 20 — 60 °C liegen. In den einzelnen Kompressionsstufen kann der CO2-Gasstrom auf Temperaturen von über 150 °C erwärmt werden. Bespielhaft können sich die Temperaturen am Austritt der einzelnen Kompressionsstufen etwa wie folgt ergeben: Austritt Stufe I: 195 °C, Austritt

Stufe Il: 210 °C, Austritt Stufe Ill: 185 °C, Austritt Stufe IV: 150 °C.

Die hinter jeder Kompressionsstufe angeordneten Wärmetauscher dienen somit dazu, den CO2-Gasstrom von der Austrittstemperatur der vorgelagerten Kompressionsstufe auf eine angestrebte Eintrittstemperatur im Bereich von 20 — 60 °C abzukühlen. Die dem

CO2-Gasstrom dabei entzogene Wärmeenergie wird an das Kühlwasser abgegeben, mit dem die Wärmetauscher betrieben werden. Diese Wärmeenergie ist damit nicht mehr nutzbar und steht für eine weitere Ausnutzung nicht mehr zur Verfügung.

Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Anlage reagieren die beiden Edukte

Ammoniak und CO2 unter dem vorstehend angegebenen hohen Druck von typischerweise 130 — 160 bar zunächst zu Carbamat und anschließend zu Harnstoff. Die

Harnstoff/Carbamat Lösung wird einem Hochdruck-Stripper zugeführt und mit Dampf gestrippt. Ein Teil dieses Dampfes für das Strippen des Carbamats fällt bei einer konventionellen „grauen“ Ammoniakanlage, bei der das Synthesegas aus Erdgas in einem Reformingprozess erzeugt wird, als Überschussdampf an. Da dieser

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Uberschussdampf in der Regel nicht für das Strippen der Harnstoff/Carbamat Lösung ausreicht, wird der für das Strippen der Harnstoff/Carbamat- Lösung benötigte zusätzliche Dampf auf andere Weise erzeugt, z.B. in einem mit Erdgas betriebenen

Dampferzeuger oder Boiler.

Wird nun das Edukt Ammoniak in einem der Harnstoffsynthese vorgeschaltenen und mit der Harnstoffsynthese gekoppelten ersten Anlagenteil mit sogenanntem „grünen

Wasserstoff“ erzeugt („grünes Ammoniak“), so entfällt im ersten Anlagenteil die

Erzeugung des fur das Strippen der Harnstoff/Carbamat Lösung benötigten

Uberschussdampfs. Auch ein mit Erdgas betreibbarer Boiler kommt bei grünen

Ammoniakanlagen nicht zum Einsatz, so dass kein zusätzlicher Dampf für das Strippen des Carbamats bereitgestellt wird.

Im Rahmen des Aufbaus von Produktionskapazitäten zur Herstellung von grünem

Ammoniak könnte es zukünftig so sein, dass die Produktionsanlage zur Herstellung des grünen Ammoniaks an einem anderen Standort steht als die Anlage zur Herstellung des

Harnstoffs mit der Harnstoffsynthese. Die Anlage zur Herstellung des grünen Ammoniaks kénnte z.B. an einem Standort stehen, an dem Strom aus erneuerbarer Energie (wie z.B.

Solarenergie oder Windenergie) in ausreichender Menge und zu geringen Kosten zur

Verfügung steht, während die Anlage zur Herstellung des Harnstoffs an einem anderen

Standort betrieben wird, an dem CO2 in ausreichender Menge und zu geringen Kosten verfügbar ist. Daher kann es so sein, dass das Ammoniak, welches der Harnstoffsynthese als Edukt zugefuhrt wird, in einer Ammoniakerzeugungsanlage hergestellt worden ist, die an einem ganz anderen Standort betrieben wird als die Harnstoffsynthese. Auch in diesem Fall steht kein Uberschussdampf aus der Ammoniakherstellung für das Strippen in der Harnstoffsynthese zur Verfügung. Der für das Strippen im Rahmen der

Harnstoffherstellung benötigte Dampf muss in diesem Fall z.B. mittels erdgasbetriebener

Boiler erzeugt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage und ein Verfahren zur Herstellung von

Harnstoff vorzuschlagen, die eine verbesserte Energieausnutzung aufweist.

Insbesondere soll die Harnstoffanlage auch unabhängig von einer Anlage zur Erzeugung des Ammoniaks energieeffizient betrieben werden können, der der Harnstoffanlage als

Edukt zugeführt wird.

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Aufgabe der Erfindung ist auch, für den Fall, dass in einem der Harnstoffherstellung vorgeschalteten und mit der Harnstoffsynthese gekoppelten Anlagenteil „grünes

Ammoniak“ als Edukt für die Harnstoffsynthese erzeugt wird, eine Anlage und ein

Verfahren bereitzustellen, mit welcher bzw. welchem der für das Strippen der

Harnstoff/Carbamat- Lösung im Rhamen der Harnstoffsynthese benötigte Dampf zumindest teilweise energieeffizient bereitgestellt wird.

Aufgabe der Erfindung ist weiter, für den Fall, dass in einem der Harnstoffherstellung vorgeschalteten und mit der Harnstoffsynthese gekoppelten Anlagenteil „graues

Ammoniak“ als Edukt für die Harnstoffsythese erzeugt wird, eine Anlage und ein

Verfahren bereitzustellen, mit welcher bzw. mit welchem ganz oder zumindest teilweise auf das Erzeugen von zusätzlichem Dampf für das Strippen der Harnstoff/Carbamat-

Lösung mittels eines Boilers verzichtet werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Anlage zur Herstellung von Harnstoff mit den

Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs und durch ein Verfahren mit den

Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Anlage ergeben sich aus den auf den unabhängigen

Vorrichtungsanspruch rückbezogenen Unteransprüchen, der nachfolgenden

Beschreibung sowie den Zeichnungen. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den auf den unabhängigen Verfahrensanspruch rückbezogenen

Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.

Die erfindungsgemäße Anlage zur Herstellung von Harnstoff weist eine

Harnstoffsynthese und ein mehrstufiges CO2-Verdichtungssystem zur Erzeugung eines verdichteten CO2-Gasstroms auf, welcher der Harnstoffsynthese als Edukt zuführbar ist, wobei Ammoniak der Harnstoffsynthese als weiteres Edukt zuführbar ist, wobei das mehrstufige CO2-Verdichtungssystem mindestens zwei Kompressionsstufen aufweist, wobei hinter jeder Kompressionsstufe des CO2-Verdichtungssystems mindestens ein

Wärmetauscher angeordnet ist, mit welchem dem CO2-Gastrom, der aus der dem

Wärmetauscher vorgeschalteten Kompressionsstufe stammt, Wärmeenergie entzogen wird.

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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Wärmetauscher an mindestens eine

Wasserquelle angeschlossen sind, wobei in den Wärmetauschern durch die dem CO2-

Gasstrom entzogene Wärmeenergie Wasser erwärmt oder verdampft wird, wobei die

Wärmetauscher mit mindestens einer Dampftrommel derart fluidisch verbunden sind, dass das in den Wärmetauschern erwärmte Wasser oder der in den Wärmetauschern erzeugte Wasserdampf oder der auf dem Weg zwischen den Wärmetauschern und der

Dampftrommel entstandene Wasserdampf in die Dampftrommel einleitbar ist, wobei die

Dampftrommel fluidisch mit der Harnstoffsynthese verbunden ist, so dass ein aus der

Dampftrommel entnehmbarer Dampf der Harnstoffsynthese zuführbar ist.

Es ist erfindungsgemäß grundsätzlich möglich, mehrere Dampftrommeln vorzusehen.

Aus Kostengründen ist bevorzugt, eine einzige Dampftrommel vorzusehen.

Erfindungsgemäß wird der in einer Kompressionsstufe durch die Verdichtung erwärmte

CO2-Gasstrom somit jeweils in dem mindestens einen Wärmetauscher hinter der

Kompressionsstufe abgekühlt, um die für die folgende Kompressionsstufe gewünschte

Eintrittstemperatur des CO2-Gasstroms einzustellen. Die dem CO2-Gasstrom dabei in dem jeweiligen Wärmetauscher entzogene Wärmeenergie wird zur Erzeugung von

Dampf genutzt. Dieser Dampf kann dann der Harnstoffsynthese in dem zweiten

Anlagenteil zugeführt und zum Beispiel zum Strippen der Harnstoff/Carbamat Lösung im Rahmen der Harnstoffherstellung eingesetzt werden.

Auf diese Weise wird die Wärmeenergie, die dem CO2-Gasstrom durch dessen

Verdichtung in der jeweiligen Kompressionsstufe zugeführt wird, nicht (wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Anlagen) an das Kühlwasser von als Kühler wirkenden Wärmetauschern abgegeben und ungenutzt abgeführt, sondern diese

Wärmeenergie wird zur Erzeugung von Dampf genutzt. Dieser Dampf wird in dem

Harnstoffherstellungsprozess eingesetzt, so dass sich ein hinsichtlich seiner

Energieausnutzung und der Energieeffizienz optimierter Gesamtprozess ergibt.

Da auch bei Harnstoffanlagen, die eine „grüne Ammoniakerzeugungsanlage“ aufweisen, eine mehrstufige CO2-Verdichtung stattfindet, kann mit der erfindungsgemäßen Anlage bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den hinter den

230749P00LU 6 LU103426 einzelnen Kompressionsstufen angeordneten Wärmetauschern zumindest ein Teil der im Rahmen der Harnstoffsynthese benötigten Dampfmenge erzeugt werden.

In der Harnstoffsynthese wird für das Strippen der Harnstoff/Carbamat Lösung eine

Dampftemperatur im Bereich von 180 — 250 °C benötigt (z.B. eine Dampftemperatur von 195 °C bei einem Druck von 14 bar im Stripper). Der Dampfenergiebedarf liegt bei heutigen Strippern in konventionellen „grauen“ Anlagen z.B. bei einer 3850 tato Anlage bei ca. 52 MW. Bei einer 1050 tato Anlage liegt der Dampfenergiebedarf z.B. bei 14

MW. Der für das Strippen der Harnstoff/Carbamat Lösung benötigte Dampf wird erfindungsgemäß (zumindest zum Teil) mit Hilfe der hinter den Kompressionsstufen des

CO2-Verdichtungssystems angeordneten Wärmetauscher erzeugt.

Im Vergleich zu der aus dem Stand der Technik bekannten Anlage bzw. bekannten

Verfahren mit hinter den Kompressionsstufen angeordneten Kühlern kommt es bei der erfindungsgemäßen Anlage bzw. bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu höheren

Temperaturen des CO2-Gasstroms am Eintritt in die folgende Kompressionsstufe. In diesem Fall ist durch diese höheren Eintrittstemperaturen in die folgende

Kompressionsstufe bei der erfindungsgemäßen Anlage bzw. dem erfindungsgemäßen

Verfahren der Energiebedarf für die CO2-Kompression höher als bei der aus dem Stand der Technik bekannten Anlage bzw. dem aus dem Stand der Technik bekannten

Verfahren. Allerdings wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass dieser höhere

Energiebedarf für die CO2-Kompression überkompensiert wird durch die Nutzung der

Wärmenergie des CO2-Gasstroms zur Dampferzeugung mit Hilfe der hinter den

Kompressionsstufen vorgesehenen Wärmetauscher.

Anhand von Beispielen für nach dem Stand der Technik ausgebildete „graue“

Harnstoffanlagen aus der Praxis kann aufgezeigt werden, dass bei einer Anlage mit einer Harnstoff-Produktionskapazität von 1050 tato bzw. 3850 tato über das erwärmte

Kühlwasser aus den hinter den Kompressionsstufen angeordneten Kühlern eine ungenutzte Wärme von 5 MW bzw. 17 MW an die Umgebung abgegeben wird.

Wenn diese Wärmemenge erfindungsgemäß zur Erzeugung von Dampf genutzt wird, der in der Harnstoffsynthese weiterverwendet wird, so muss dieser Dampf nicht anderweitig (z.B. durch einen Dampferzeuger / Boiler / Dampfkessel) erzeugt werden.

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Dadurch ergibt sich eine deutliche Steigerung der Energieeffizienz des

Gesamtprozesses. Das Ausmaß der Erhöhung der Energieeffizienz hängt ab von der

Produktionskapazität der Anlage und von der Ausgestaltung des CO2-

Verdichtungssystems.

Das mit der Umsetzung der vorliegenden Erfindung erzielbare Energieeinsparpotential soll nachstehend anhand von Beispielen erläutert werden:

Beispiel 1:

Bei einem zweistufigen CO2-Verdichtungssystem kann mit der in den einzelnen

Kompressionsstufen in den CO2-Gasstrom eingebrachten Wärme ein Dampf erzeugt werden, der die für das Strippen in der anschließenden Harnstoffsynthese erforderliche

Temperatur von 180 — 250 °C aufweist, ohne dass der Dampf noch einer zusätzlichen

Nachverdichtung unterzogen werden muss.

Wenn das CO2-Verdichtungssystem einen 2-stufigen Kompressor aufweist, so kann bei

Anwendung der vorliegenden Erfindung eine spezifische Energiemenge zur

Dampferzeugung genutzt werden, die es ermöglicht, mit Hilfe der Wärmetauscher

Dampf zu erzeugen, der auf einem direkt in der Harnstoffsynthese nutzbaren

Temperaturniveau vorliegt. So kann durch die erfindungsgemäße Nutzung der in den einzelnen Kompressionsstufen in den CO2-Gasstrom eingebrachten Wärmeenergie zur

Dampferzeugung und die Nutzung dieses Dampfes zum Betreiben der

Harnstoffsynthese ein erheblicher Anteil der notwendigen Antriebsenergie für die

Harnstoffsynthese bereitgestellt werden.

Aus Literaturquellen ist entnehmbar, dass bei Verwendung eines 2-stufigen

Kompressors in dem CO2-Verdichtungssystem ein Dampf mit Dampftemperaturen von über 200 °C erzeugt werden kann. Dieses Temperaturniveau liegt somit in dem bereits vorstehend erwähnten Temperaturbereich von 180 — 250 °C, in dem die für ein Strippen der Harnstoff/Carbamat Lösung erforderliche Dampftemperatur liegen muss. Daher ist der erzeugte Dampf für den Antrieb der Harnstoffsynthese ausreichend.

Zu 2-stufigen Verdichtungssystemen lässt sich aus Veröffentlichungen ableiten, dass eine spezifische Energiemenge von 0,6 — 0,7 kWh / °C tCO2 zur Dampferzeugung

230749P00LU 8 LU103426 genutzt werden kann. Bei einer Anlage mit einer Produktionskapazität von 3.850 tato

Harnstoff würde dies einer Leistung von 13 — 15 MW entsprechen.

Beispiel 2:

Auch bei einem vierstufigen CO2-Verdichtungssystem kann mit der in den einzelnen

Nachverdichtung unterzogen werden muss. Dies haben konkrete

Simulationsrechnungen am Beispiel einer Harnstoff-Anlage mit einer

Produktionskapazität von 3.500 tato gezeigt.

Die Simulationsrechnung zeigte, dass die erreichte CO2-Temperatur im Bereich von 180 °C — 270 °C lag, je nach Kompressionsstufe. Die erreichte Dampftemperatur des für die Harnstoffsynthese zu verwendenden Dampfes beträgt 191,6 °C und liegt damit voll in dem erforderlichen Fenster für die Dampftemperatur von 180 — 250 °C.

Die fur den erfindungsgemäßen Betrieb des 4-stufigen Kompressors notwendige

Antriebsleistung betragt bei der im Rahmen der Simulationsrechnung betrachteten 3.500 tato Anlage 21,15 MW. Bei bisher üblicher Auslegung in Anlagen nach dem

Stand der Technik, bei denen der CO2-Gasstrom so gekühlt wird, dass er mit 30°C in jede Kompressionsstufe eintritt, wird für den 4-stufigen Kompressor eine

Antriebsleistung von 13,2 MW benötigt. Bei Durchführung der Erfindung besteht also ein Mehrbedarf in der Antriebsleistung des CO2-Verdichtungssystems von knapp 8

MW.

Allerdings wird erfindungsgemäß eine bestimmte, fur die Verwendung in der

Harnstoffsynthese verwendbare Dampfmenge X mit Hilfe der hinter jeder

Kompressionsstufe angeordneten Wärmetauscher erzeugt, während bei den nach dem

Stand der Technik ausgebildeten Anlagen diese Dampfmenge X mit

Dampferzeugungsvorrichtungen anderweitig (z.B. durch mit Erdgas betriebene Boiler) erzeugt werden muss. Der dafür benötigte weitere Energiebedarf beträgt 19,5 MW. Bei

230749P00LU 9 LU103426 der Anlage bzw. dem Verfahren gemäß der Erfindung ist der Energiebedarf also um 11,55 MW geringer als bei der nach dem Stand der Technik ausgebildeten Anlage bzw. dem nach dem Stand der Technik ausgebildeten Verfahren.

Die Anwendung der Erfindung führt somit zu einer signifikanten Erhöhung der

Energieeffizienz der Gesamtanlage. Die beschriebenen Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle nochmals zusammengefasst:

Antriebsleistung | Energiebedarf | Summe Mehrbedarf 4-stufiger [MW] für Energiebedarf | an Energie

Kompressor Erzeugung der | [MW] gesamt [MW] Dampfmenge X [MW]

Anlage / 13,2 19,5 32,7 + 11,55

Verfahren nach

Stand der Technik

Anlage / 21,15 J. 21,15

Verfahren gemäß der Erfindung

Selbst für den Fall, dass sich bei einer Integration der Erfindung in eine bestehende

Harnstoffanlage mit einem 4-stufigen Verdichtungssystem oder im Rahmen der

Auslegung einer Neuanlage herausstellen sollte, dass der erzeugte Dampf eine

Temperatur aufweist, die unter der für die Harnstoffsynthese benötigten

Dampftemperatur-Untergrenze von 180 °C liegt, so kann eine zusätzliche

Verdichtungsstufe oder können mehrere zusätzliche Verdichtungsstufen vorgesehen werden, um den Dampf auf die erforderliche Temperatur zu bringen. Diese zusätzliche

Verdichtungsstufe bzw. zusätzlichen Verdichtungsstufen benötigen immer noch weniger

Energie, als der Mehrbedarf an Energie insgesamt für die nach dem Stand der Technik ausgebildeten Anlagen bzw. Verfahren beträgt. Damit ergibt sich dann insgesamt immer noch eine energieeffizientere Gesamtanlage.

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Die Druck- und Temperaturerhöhung des erfindungsgemäß erzeugten Dampfes kann z.B. mittels mechanischer Brüdenkompression (MVR) erfolgen. Alternativ sind hierfür auch andere Verdichtungsmethoden wie z.B. die thermische Brüdenkompression anwendbar.

Vorteilhaft ist, dass dann, wenn eine zusätzliche Verdichtung des erfindungsgemäß erzeugten Dampfes vorgesehen ist, sogar der so genannte LP Dampf (=Low Pressure

Dampf, d.h. Dampf, der auf niedrigem Druckniveau vorliegt), der als Regelmarge in der

Harnstoffsynthese übrig ist, oder in älteren Verfahren sogar als Überschussenergie vorliegt, in die zusätzliche Verdichtungsstufe eingebracht und somit ebenfalls wieder verwendet werden kann. Dies erhöht die Energieeffizienz des Gesamtprozesses und der Gesamtanlage weiter. Die Energieversorgung der Anlage wird dadurch noch „grüner“.

Gleichzeitig kann wegen des Vorsehens einer zusätzlichen Verdichtung des erzeugten

Dampfs in der erfindungsgemäßen Anlage eine LP (Low Pressure) Dampftrommel als

Dampfraum/Sättiger genutzt werden, so dass die in den gemäß dem Stand der Technik ausgebildeten Anlagen hinter den Kompressionsstufen angeordneten Kühler („Interstage Cooler“) zur Realisierung der vorliegenden Erfindung nur durch

Wärmetauscher mit Anbindung an die Dampftrommel auszutauschen sind. Dadurch ist die Erfindung auf einfache Weise umsetzbar.

Durch eine Reihenschaltung mehrerer Brüdenkompressoren kann der gesamte Dampf — soweit dies erforderlich ist — auf das in der Harnstoffsynthese notwendige Druck- und

Temperaturniveau verdichtet werden. Je nach eingesetztem Verdichtertyp ist ein

Verdichtungsverhältnis Pyorher/Pnachher VON 1,2 bis 2,0 pro Stufe realisierbar. Liegt der erfindungsgemäß erzeugte Dampf z.B. bei ca. 3,6 bara vor, so sind mindestens vier in

Reihe geschaltete Brüdenkompressoren notwendig, um den Dampf auf das für die

Verwendung in der Harnstoffsynthese erforderliche Druck- und Temperaturniveau zu bringen.

Ausführungsvarianten der in dem CO2 Verdichtungssystem angeordneten

Wärmetauscher:

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Die CO2 Leitung aller einzelnen Kompressorstufen wird durch jeweils einen

Wärmetauscher geführt. Auf der Gegenseite des Wärmetauschers liegt flüssiges

Wasser vor. Die Wärme des CO2 wird an das Wasser abgegeben. Der Wärmetauscher ist fluidisch mit einer Dampftrommel verbunden. Die Dampftrommel wird auch als

Brüdenabscheider bezeichnet. Je nach Verfahrensführung kann es sein, dass die

Verdampfung des in dem Wärmetauscher erwärmten Wassers erst in der

Dampftrommel erfolgt, wenn dort eine entsprechende Entspannung erfolgt. Für eine ausreichende Zirkulation fördert z.B. eine Pumpe das flüssige Wasser aus der

Dampftrommel durch die Wärmetauscher zurück in die Dampftrommel.

Das erwärmte Wasser kann auch bereits auf dem Weg zur Dampftrommel anfangen zu verdampfen. Dies geschieht durch den im System vorherrschenden Druckverlust, so dass in der Dampftrommel ein Zweiphasengemisch aus Dampf und flüssigem Wasser ankommt. In der Dampftrommel werden flüssige Phase und Dampfphase voneinander getrennt.

Alternativ kann jedem Wärmetauscher eine eigene Dampftrommel zugeordnet werden.

Eine alternative Ausführungsform ist die Kombination von Dampftrommel und

Wärmetauscher zu einem Apparat. Bei dieser Ausführungsform wird die CO2 Leitung jeder einzelnen Kompressorstufe durch ein im Sumpf eines separaten bzw. gemeinsamen Wärmetauschers angeordnetes Rohrbündel geführt, so dass sich das flüssige Wasser in der Dampftrommel erwärmt, aufsteigt und verdampft.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dampftrommel dazu eingerichtet ist, eine Dampfphase von einer flüssigen Phase zu trennen, wobei der aus der Dampftrommel entnehmbare und der Harnstoffsynthese zuführbare Dampf

Sattdampf ist. Dies hat den Vorteil einer hohen Energiedichte bei der

Wärmeübertragung, so dass die Wärmeübertrager effizient ausgelegt werden können.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein eine flüssige

Phase aufnehmender Dampftrommelbereich fluidisch mit den in dem CO2-

Verdichtungssystem angeordneten Wärmetauschern verbunden ist, so dass das

Wasser, welches die Wärmeenergie aufnimmt, die dem CO2-Gasstrom hinter jeder

Kompressionsstufe entnommen wird, aus diesem Dampftrommelbereich entnehmbar

230749P00LU 12 LU103426 und den Wärmetauschern zuleitbar ist. Dies hat den Vorteil einer kompakten

Aufstellung der Anlage analog einer aktuellen Aufstellung mit

Kühlwasserwärmetauschern nach dem Stand der Technik.

Bei dieser Ausführungsform bildet der die flüssige Phase aufnehmende

Dampftrommelbereich die in dem unabhängigen Patentanspruch genannte

Wasserquelle. Grundsätzlich funktioniert die vorliegende Erfindung jedoch auch, wenn die Wärmetauscher mit einer anderen Wasserquelle oder mehreren anderen

Wasserquellen verbunden sind.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das CO2-

Verdichtungssystem genau zwei Kompressionsstufen umfasst, wobei hinter jeder

Kompressionsstufe mindestens ein Wärmetauscher angeordnet ist. Diese

Ausführungsform hat den Vorteil, dass der erzeugbare Dampf bereits ein Druck- und

Temperaturniveau aufweist, der eine sofortige Verwendung in der Harnstoffsynthese (insbesondere zum Strippen der Harnstoff/Carbamat Lösung) ermöglicht. So kann der erzeugte Dampf hinter der zweiten Kompressionsstufe zum Beispiel mit einem Druck von 14 bar und einer Temperatur von 195 °C anfallen, was seine unmittelbare

Verwendung in dem HP (High Pressure) Stripper für das Strippen der

Harnstoff/Carbamat Lösung ermöglicht. Eine weitere Verdichtung des erzeugten

Dampfes vor dessen Einsatz in dem Stripper ist nicht erforderlich.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das CO2-

Verdichtungssystem drei, vier, fünf oder sechs Kompressionsstufen umfasst, wobei hinter jeder Kompressionsstufe mindestens ein Wärmetauscher angeordnet ist. Mit einer Anzahl von drei bis sechs Kompressionsstufen ist der Vorteil verbunden, dass die erfindungsgemäße Anlagenkonfiguration flexibel in bestehende „graue“ Anlagen zur

Harnstofferzeugung, die CO2-Verdichtungssysteme mit drei, vier, fünf oder sechs

Kompressionsstufen aufweisen, durch Umrüsten der bestehenden Anlagen integriert werden kann.

Viele in der Praxis betriebene Harnstoffanlagen weisen einen 4-stufigen CO2-

Kompressor mit hinter den einzelnen Kompressionsstufen angeordneten Kühlern („Interstage Cooler“) auf. Um die vorliegende Erfindung in einer solchen Anlage zu

230749P00LU 13 LU103426 nutzen, müssen die Kühler (,Interstage Cooler“) durch Wärmetauscher mit Anbindung an eine Dampftrommel (oder eine andere Wasserquelle) ausgetauscht werden.

Außerdem muss auch der Kompressor geändert werden. Er arbeitet volumetrisch.

Erhöht sich die CO2 Temperatur, was bei der Erfindung der Fall ist, so erhöht sich das spezifische Volumen des CO2-Gasstroms. Der Kompressor kann nicht mehr den gleichen Massenstrom fördern wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten

Verdichtungssystemen, bei denen die Interstage-Cooler den CO2-Gasstrom hinter jeder

Kompressionsstufe wieder auf eine vorgebbare Eintrittstemperatur herunterkühlen.

Daher muss, wenn die vorliegende Erfindung in eine bestehende „graue“ Anlage mit z.B. 4-stufigem Verdichtungssystem integriert werden soll, auch ein an die neue

Situation angepasster Kompressor eingebaut werden, zumindest, wenn die

Produktionsmenge an Harnstoff konstant gehalten werden soll.

Auf diese Weise lässt sich eine bestehende „graue“ Anlage einfach umrüsten und die

Menge an von außen benötigter Energie aus Erdgas kann bei solchen „grauen

Anlagen“ durch den Einsatz der Erfindung signifikant reduziert werden. So gelingt es, den CO2-Footprint bestehender „grauer“ Ammoniakerzeugungsanlagen oder

Harnstofferzeugungsanlagen signifikant zu verringern. Die Erfindung kann somit dazu genutzt werden, in bestehenden „grauen“ Anlagen CO2-Emissionen einzusparen und

CO2-Zertifikate zu erwirtschaften, die dann z.B. gewinnbringend veräußert werden können.

Berechnungen haben gezeigt, dass es bei Anlagen mit 2-, 3- oder 4-stufigen

Verdichtungssystemen gelingt, dass der erfindungsgemäß erzeugte Dampf mit einer für seine Verwendung in der Harnstoffsynthese geeigneten Temperatur in der

Dampftrommel vorliegt, so dass eine weitere Verdichtung des Dampfes nicht erforderlich ist, um ihn in das erforderliche Temperaturfenster von 180 — 250 °C zu bringen. Es kann jedoch auch bei 4-stufigen und insbesondere bei 5- oder 6-stufigen

CO2-Verdichtungssystemen vorkommen, dass der in der Dampftrommel gesammelte

Dampf vor dessen Einsatz in der Harnstoffsynthese weiter verdichtet werden muss, um seine Temperatur in das vorgenannte Temperaturfenster zu bringen. Dies kann mittels einer oder mehrerer weiterer Verdichtungsstufen für eine Verdichtung des Dampfes erfolgen.

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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der

Dampftrommel und der Harnstoffsynthese mindestens eine Verdichtungsstufe angeordnet ist, mit welcher der aus der Dampftrommel entnehmbare Dampf vor der

Zuführung zur Harnstoffsynthese auf einen Druck verdichtet wird, welcher in der

Harnstoffsynthese benötigt wird. Wie bereits vorstehend erwähnt kann die

Verdichtungsstufe auch mehrere (z.B. vier) in Reihe geschaltete Brüdenkompressoren aufweisen. Die Brüdenkompressoren können z.B. als mechanische

Brüdenkompressoren ausgebildet sein.

Die vorstehend angegebene technische Aufgabe wir auch mit einem Verfahren mit den in dem unabhängigen Verfahrensanspruch angegebenen Merkmalen gelöst.

Dabei geht die Erfindung aus von einem aus dem Stand der Technik bekannten

Verfahren zur Herstellung von Harnstoff, bei dem eine mehrstufige CO2-Kompression mit hinter den einzelnen Kompressionsstufen angeordneten Kühlern („Interstage

Cooler“) vorgesehen ist. Das bekannte Verfahren weist dabei die folgenden

Verfahrensschritte auf:

V1) Bereitstellen einer Harnstoffsynthese und eines mehrstufigen CO2-

Verdichtungssystems zur Erzeugung eines verdichteten CO2-Gasstroms;

V2) Zuführen von Ammoniak als Edukt zu der Harnstoffsynthese;

V3) Verdichten eines CO2-Gastroms mittels des mehrstufigen, mindestens zwei

Kompressionsstufen (I, Il) umfassenden CO2-Verdichtungssystems;

V4) Zuführen des verdichteten CO2-Gasstroms als Edukt zu der Harnstoffsynthese;

V5) Entnehmen von Wärmeenergie aus dem CO2-Gasstrom hinter jeder

Kompressionsstufe (I, Il) mittels mindestens einem hinter jeder Kompressionsstufe (I, Il) angeordneten Wärmetauscher.

Die vorliegende Erfindung sieht nun vor, anstelle von Kühlern hinter den einzelnen

Kompressionsstufen an eine Wasserquelle angeschlossene Wärmetauscher vorzusehen, und die Wärmeenergie, die in den einzelnen Kompressionsstufen durch die Verdichtung in den CO2-Gasstrom eingebracht wird, zur Erzeugung von Dampf zu nutzen, der dann in der Harnstoffsynthese z.B. im Rahmen des Strippens von

Harnstoff/Carbamat Lösung verwendet werden kann. Hierzu schlägt die Erfindung folgende erfindungsgemäßen Verfahrensschritte vor:

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V6) Anschließen der Wärmetauscher an eine Wasserquelle;

V7) Erzeugen von Dampf durch die im Verfahrensschritt V5) aus dem CO2-Gasstrom entnommene Wärmeenergie dadurch, dass in den Wärmetauschern durch die dem

CO2-Gasstrom entzogene Wärmeenergie Wasser erwärmt oder verdampft wird, wobei die Wärmetauscher mit einer Dampftrommel fluidisch verbunden sind;

V8) Einleiten des in den Wärmetauschern erwärmten Wassers oder des in den

Wärmetauschern erzeugten Wasserdampfs oder des auf dem Weg zwischen den

Wärmetauschern und der Dampftrommel entstandenen Wasserdampfs in die

Dampftrommel;

V9) Zuführen von Dampf aus der Dampftrommel zu der Harnstoffsynthese.

Die Verfahrensführung kann bevorzugt so gewählt werden, dass erst durch den

Druckunterschied zwischen Dampftrommel und Wärmetauscher das Wasser ab einem bestimmten Punkt in der Dampftrommel verdampft, idealerweise an der Oberfläche des

Wassers in der Dampftrommel.

Vorzugsweise wird der Dampftrommel Wasser zugeführt, da hier eine

Füllstandsregelung gut realisierbar ist.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dampftrommel einen eine flüssige Phase aufnehmenden ersten Dampftrommelbereich und einen eine dampfförmige Phase aufnehmenden zweiten Dampftrommelbereich aufweist, wobei den Wärmetauschern flüssiges Wasser aus dem ersten Dampftrommelbereich zugeführt wird, und wobei der Harnstoffsynthese Sattdampf aus dem zweiten

Dampftrommelbereich zugeführt wird. Die Verwendung von Sattdampf in der

Harnstoffsynthese hat den Vorteil, dass er in herkömmlichen

Harnstofferzeugungsprozessen eingesetzt werden kann, denn der Strippprozess im

Harnstoffprozess ist in den verfügbaren Verfahren in der Regel für Sattdampf ausgelegt.

Daher muss ein vorhandener Prozess nicht weiter fur die Nutzung von Sattdampf vorbereitet werden.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der der Dampftrommel entnommene Dampf vor dem Zuführen zu der Harnstoffsynthese verdichtet wird, um den bzw. die fur die Verwendung des Dampfes in der Harnstoffsynthese erforderlichen

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Druck bzw. die erforderliche Temperatur einzustellen. Bei dieser Ausführungsform kann in der erfindungsgemäßen Anlage vorteilhaft eine LP (Low Pressure) Dampftrommel als

Dampfraum/Sättiger genutzt werden. Diese Dampftrommel kann auf einfache Weise fluidisch mit den hinter den einzelnen Kompressionsstufen angeordneten

Wärmetauschern verbunden werden, um das für die Erzeugung des Dampfes erforderliche Wasser den Wärmetauschern zuzuführen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch

Fig. 1 einen Teil einer gemäß dem Stand der Technik ausgebildeten

Harnstofferzeugungsanlage;

Fig. 2 einen Teil einer erfindungsgemäß ausgebildeten Harnstofferzeugungsanlage nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 einen Teil einer erfindungsgemäß ausgebildeten Harnstofferzeugungsanlage nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 einen Teil einer erfindungsgemäß ausgebildeten Harnstofferzeugungsanlage nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Teil einer gemäß dem Stand der Technik ausgebildeten

Harnstoffproduktionsanlage. Im linken Bildteil ist ein CO2-Verdichtungssystem 2 dargestellt, welches vier Kompressionsstufen |, Il, lll, IV aufweist. Die Verdichtungsstufen werden über einen Antrieb M angetrieben, der z.B. als Turbine oder Motor ausgebildet sein kann. Als Kompressortypen kommen Tubokompressoren, meistmehrstufige

Axialverdichter oder Getriebekompressoren zum Einsatz. Die Kompression ist immer mehrstufig, da sonst der hohe Enddruck von üblicherweise 130 - 160 bar nicht erreicht wird.

Der CO2-Kompressor besteht bei heutigen Anlagen standardmäßig aus vier

Kompressionsstufen. In den einzelnen Kompressionsstufen |, Il, Ill, IV werden

Temperaturen von über 150°C erreicht (Beispiel: Austritt Stufe I: 195°C, Stufe Il: 210°C,

Stufe Ill: 185°C, Stufe IV: 150 °C).

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Um eine hohe Effizienz der Verdichtung zu erzielen, wird der CO2-Gasstrom 6 vor Eintritt in eine weitere Kompressionsstufe in einem Kühler 5 („Interstage Cooler“) auf üblicherweise 30 - 60 °C abgekühlt. Die Wärme wird an Kühlwasser 20 übertragen und die Wärmeenergie somit ungenutzt an die Umgebung abgegeben.

Auf der rechten Seite von Fig. 1 ist der aus dem Stand der Technik bekannte Stripping-

Prozess dargestellt, der bei der Harnstoffproduktion im Rahmen der Harnstoffsynthese 1 stattfindet. Dem Stripper werden Harnstoff/Carbamat-Lösung 21 und der verdichtete

CO2-Strom 6a zugeleitet. Der zum Strippen benötigte Dampf 22 wird in einem in Fig. 1 nicht dargestellten Dampferzeuger (Boiler) erzeugt und ebenfalls in den Stripper eingeleitet. Harnstoff/Carbamat-Lösung 23 wird sumpfseitig aus dem Stripper abgezogen. Außerdem werden an dem Stripper CO2-Gas 24 und Dampfkondensat 25 abgezogen.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage und des erfindungsgemäßen Verfahrens. Solche Stoffströme, die denen in Fig. 1 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet wie in Fig. 1. Das CO2-

Verdichtungssystem 2 weist zwei Kompressionsstufen |, II auf, die (analog zu der in Fig. 1 gezeigten Anlage) durch einen Antrieb M angetrieben werden. Den

Kompressionsstufen |, Il wird der zu verdichtende CO2-Gasstrom 6 zugeleitet.

Hinter jeder Kompressionsstufe |, II ist ein Wärmetauscher 7 angeordnet. Die

Wärmetauscher 7 sind fluidisch mit dem Dampftrommelbereich 9a der Dampftrommel 9 verbunden, welcher die flüssige Phase 11 des Wassers aufnimmt. Die flüssige Phase 11 wird Uber eine Pumpe P zu den Wärmetauschern 7 gefördert. Der die flüssige Phase 11 aufnehmende Dampftrommelbereich 9a bildet somit die in dem unabhängigen

Patentanspruch 1 erwähnte Wasserquelle 8.

Am Austritt der Kompressionsstufe II hat der verdichtete CO2-Gasstrom den erforderlichen Druck und die erforderliche Temperatur, um als Edukt in die

Harnstoffsynthese 1 eingeleitet zu werden.

Hinter jeder Kompressionsstufe |, Il wird dem CO2-Gasstrom 6 die Wärmeenergie wieder entzogen, die er durch die Verdichtung in der vorangegangenen Kompressionsstufe |, II aufgenommen hat. Mit dieser Warmeenergie wird dann z.B. unmittelbar in den

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Wärmetauschern 7 das aus dem Dampftrommelbereich 9a entnommene Wasser verdampft und der so erzeugte Dampf wird der Dampftrommel 9 zugeleitet. Abhängig von der gewählten Aufstellung und den dadurch festgelegten Druckunterschieden zwischen

Dampftrommel 9, Rohrleitung und Wärmetauschern 7 erfolgt die Verdampfung entweder unmittelbar in den Wärmetauschern 7, oder nachfolgend in der Rohrleitung bzw. in der

Dampftrommel 9. Vorzugweise ist die Aufstellung so zu wählen, dass die Verdampfung erst in der Dampftrommel 9 erfolgt. Alternativ zur Aufstellung kann mittels

Gegendruckventil 14 vor der Dampftrommel ein entsprechender Systemdruck in den vorgelagerten Ausrüstungen und Rohrleitungen sichergestellt werden.

In der Dampftrommel 9 bildet sich eine flüssige Phase 11 und eine Dampfphase 10 aus.

Die flüssige Phase 11 ist in dem Dampftrommelbereich 9a aufgenommen, und die

Dampfphase 10 ist von dem Dampftrommelbereich 9b aufgenommen. Die Dampfphase liegt als Sattdampf 12 vor. Der Dampftrommelbereich 9b ist fluidisch mit der

Harnstoffsynthese 1 verbunden, so dass der Sattdampf 12 der Harnstoffsynthese 1 zum

Strippen der Harnstoff/Carbamat Lösung 21 zugeleitet werden kann. Der

Harnstoffsynthese 1 wird Harnstoff 23 als Produkt entnommen.

Der durch die Wärmetauscher 7 erzeugte Dampf bzw. das in den Wärmetauschern 7 erwärmte Wasser wird der Dampftrommel 9 zugeleitet. Wegen der 2-stufigen Verdichtung in den beiden Kompressionsstufen |, II weist der mit Hilfe der Wärmetauscher 7 erzeugte

Dampf einen Druck und eine Temperatur auf, die ausreichend hoch sind, damit der

Dampf aus dem Dampftrommelbereich 9b unmittelbar, d.h. insbesondere ohne dass eine weitere Verdichtung erforderlich ist, in die Harnstoffsynthese 1 eingeleitet werden kann.

Dies ermöglicht es, den apparativen Aufwand gering zu halten, insbesondere weil keine zusätzlichen Verdichtungsstufen für den mit Hilfe der Wärmetauscher 7 erzeugten Dampf erforderlich sind.

Im Vergleich zu dem in Fig. 1 dargestellten Stand der Technik wird der für das Strippen in der Harnstoffsynthese 1 benötigte Dampf 12 nicht unabhängig von dem CO2-

Verdichtungssystem 2 in einem separaten Dampferzeuger erzeugt, sondern mit Hilfe der

Wärmetauscher 7, die innerhalb des CO2-Verdichtungssystems angeordnet sind.

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Der in der Harnstoffsynthese 1 anfallende Dampfkondensat-Strom 26 wird der

Dampftrommel 9 zugeleitet.

In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage und des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Diese zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 2 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass das CO2-

Verdichtungssystem 2 vier Kompressionsstufen |, Il, Ill, IV aufweist. Hinter jeder

Kompressionsstufe |, Il, Ill, IV ist wiederum ein Wärmetauscher 7 angeordnet. Die

Anlagenverschaltung und der Verfahrensablauf sind jedoch im Wesentlichen analog zu dem in Fig. 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel.

Die Wärmeenergie, die der CO2-Gasstrom in jeder Kompressionsstufe |, Il, Ill, IV durch die Verdichtung aufnimmt, wird in den Wärmetauschern 7 dazu genutzt, das den

Wärmetauschern 7 aus dem Dampftrommelbereich 9a zugeleitete Wasser zu verdampfen oder so zu erwärmen, dass es später auf dem Weg zwischen dem

Wärmetauscher 7 und der Dampftrommel 9 oder — bevorzugt — erst in der Dampftrommel 9 verdampft. Im Vergleich zu der Anlagenausgestaltung nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 1 wird diese Wärmeenergie also genutzt und nicht ungenutzt an die

Umgebung abgegeben.

Der Phasenübergang von flüssigem Wasser zu Dampf ist abhängig vom Druck und von der Temperatur. Wenn die Temperatur hoch ist und der Druck ebenfalls hoch ist, kann es sein, dass noch kein Dampf entsteht. Bei niedrigerem Druck kann dieselbe Temperatur aber bereits ausreichend sein, dass Dampf entsteht. Daher ist der Ort, wo die

Dampfblasen entstehen, abhängig von der Aufstellung der Anlage (Höhenrelationen der einzelnen Apparate; Druckunterschiede). Erfindungsgemäß bevorzugt ist die Entstehung des Dampfes erst in der Dampftrommel 9.

In dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Sattdampf 12 die für das

Strippen in der Harnstoffsynthese 1 erforderliche Temperatur in dem Temperaturbereich von 150 — 250 °C auf. Daher kann der Sattdampf 12 unmittelbar zum Strippen in der

Harnstoffsynthese 1 verwendet werden.

Die Verdichtung des CO2-Gasstroms in vier Kompressionstufen kann allerdings auch dazu führen, dass der erzeugte Dampf eine Dampftemperatur aufweist, die unter dem für

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LU103426 die Verwendung in der Harnstoffsynthese 1 erforderlichen Temperaturbereich von 150— 250 °C liegt. Um den Dampf in diesem Fall auf das erforderliche Temperaturniveau zu bringen, ist gemäß einer in Fig. 4 dargestellten vierten Ausführungsform eine zusätzliche

Verdichtung des Dampfes vorgesehen.

In dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weist diese zusätzliche Verdichtung vier in Reihe hintereinander geschaltete Verdichtungsstufen 13 auf. Diese

Verdichtungsstufen 13 sind in dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel als mechanische Brüdenkompressoren ausgebildet. Alternativ können sie z.B. auch als thermische Brüdenkompressoren ausgebildet sein.

Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform ist insbesondere für eine Umrüstung bestehender „grauer“ Harnstoffanlagen geeignet, weil solche bestehenden Anlagen häufig bereits ein 4-stufiges CO2-Verdichtungssystem 2 aufweisen, wobei hinter den einzelnen Kompressionsstufen |, Il, Ill, IV Kühler 5 (vgl. Fig. 1) angeordnet sind, um den

CO2-Gasstrom nach dessen Erwärmung infolge der in einer Kompressionsstufe erfolgten

Verdichtung wieder auf die gewünschte Eintrittstemperatur für die folgende

Verdichtungsstufe abzukühlen. Die Umsetzung der vorliegenden Erfindung ist bei solchen aus dem Stand der Technik bekannten Anlagen sehr einfach möglich. Es müssen lediglich die Kühler 5 durch Wärmetauscher 7 ersetzt werden, die Wärmetauscher 7 müssen fluidisch mit der Dampftrommel 9 als Wasserquelle 8 verbunden werden, und der Kompressor muss angepasst werden. Auf diese Weise kann die Energieeffizienz bestehender Anlagen deutlich verbessert werden. Gleichzeitig wird durch die erfindungsgemäß zusätzlich erzeugte Dampfmenge diejenige Dampfmenge reduziert, die bei den aus dem Stand der Technik bekannten Anlagen durch die Nutzung externer

Energie bereitgestellt werden muss, beispielsweise durch einen mit Gas befeuerten

Boiler. Dadurch kann der CO2-Footprint bestehender Anlagen signifikant verringert werden. Betreiber bestehender Anlagen können durch Implementieren der vorliegenden

Erfindung den CO2-Ausstoß ihrer Anlage verringern, CO2-Zertifikate erwirtschaften und durch den Verkauf der CO2-Zertifikate zusätzliche Gewinne erzielen.

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Bezugszeichenliste 1 Harnstoffsynthese 2 CO2-Verdichtungssystem

Kompressionsstufe

Il Kompressionsstufe

IV Kompressionsstufe

Wärmetauscher 6 CO2-Gasstrom

Ga verdichteter CO2-Gastrom 7 Wärmetauscher 8 Wasserquelle 9 Dampftrommel 9a Dampftrommelbereich 9b Dampftrommelbereich

Dampfphase 11 flussige Phase 12 Sattdampf 13 Verdichtungsstufe 14 Gegendruckventil

Kühlwasser 21 Harnstoff/Carbamat Lösung 22 Dampf 23 Harnstoff 24 CO2 Gas

Dampfkondensat 26 Dampfkondensat

M Antrieb

P Pumpe

Claims

230749P00LU 1 LU103426 Ansprüche

1. Anlage zur Herstellung von Harnstoff mit einer Harnstoffsynthese (1) und einem mehrstufigen CO2-Verdichtungssystem (2) zur Erzeugung eines verdichteten CO2- Gasstroms (6), welcher der Harnstoffsynthese (1) als Edukt zuführbar ist, wobei Ammoniak der Harnstoffsynthese (1) als weiteres Edukt zuführbar ist, wobei das mehrstufige CO2-Verdichtungssystem (2) mindestens zwei Kompressionsstufen (I, Il) aufweist, wobei hinter jeder Kompressionsstufe des CO2-Verdichtungssystems (2) mindestens ein Wärmetauscher (5) angeordnet ist, mit welchem dem CO2-Gastrom (6), der aus der dem Wärmetauscher vorgeschalteten Kompressionsstufe stammt, Wärmeenergie entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher (7) an mindestens eine Wasserquelle (8) angeschlossen sind, wobei in den Wärmetauschern (7) durch die dem CO2-Gasstrom (6) entzogene Wärmeenergie Wasser erwärmt oder verdampft wird, wobei die Wärmetauscher (7) mit mindestens einer Dampftrommel (9) derart fluidisch verbunden sind, dass das in den Wärmetauschern (7) erwärmte Wasser oder der in den Wärmetauschern (7) erzeugte Wasserdampf oder der auf dem Weg zwischen den Wärmetauschern (7) und der Dampftrommel (9) entstandene Wasserdampf in die Dampftrommel (9) einleitbar ist, wobei die Dampftrommel (9) fluidisch mit der Harnstoffsynthese (1) verbunden ist, so dass ein aus der Dampftrommel (9) entnehmbarer Dampf der Harnstoffsynthese (1) zuführbar ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, wobei die Dampftrommel (9) dazu eingerichtet ist, eine Dampfphase (10) aus einem 2-Phasen-Gemisch abzutrennen , wobei der aus der Dampftrommel (9) entnehmbare und der Harnstoffsynthese (1) zuführbare Dampf Sattdampf (12) ist.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein eine flüssige Phase (11) aufnehmender Dampftrommelbereich (9a ) fluidisch mit den Wärmetauschern (7) verbunden ist, so dass das Wasser, welches die Wärmeenergie aufnimmt, die dem CO2-Gasstrom

230749P00LU 2 LU103426 (6) hinter jeder Kompressionsstufe entnommen wird, aus diesem Dampftrommelbereich (9a) entnehmbar und den Wärmetauschern (7) zuleitbar ist, um die Wasserquelle (8) zu bilden.

4. Anlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das CO2- Verdichtungssystem (2) genau zwei Kompressionsstufen (I, Il) umfasst, wobei hinter jeder Kompressionsstufe (I, Il) mindestens ein Wärmetauscher (7) angeordnet ist.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das CO2-Verdichtungssystem drei, vier, fünf oder sechs Kompressionsstufen (I, Il, lll, IV, V, VI) umfasst, wobei hinter jeder Kompressionsstufe (I, Il, lll, IV, V, VI) mindestens ein Wärmetauscher (7) angeordnet ist.

6. Anlage nach Anspruch 5, wobei zwischen der Dampftrommel (9) und der Harnstoffsynthese (1) mindestens eine Verdichtungsstufe (13) angeordnet ist, mit welcher der aus der Dampftrommel (9) entnehmbare Dampf vor der Zuführung zur Harnstoffsynthese (1) auf einen Druck verdichtet wird, welcher in der Harnstoffsynthese (1) benötigt wird.

7. Anlage nach Anspruch 6, wobei die mindestens eine Verdichtungsstufe (13) als mechanische Brüdenkompressionstufe ausgebildet ist.

8. Anlage nach Anspruch 7, wobei mehrere, bevorzugt zwei, noch bevorzugter drei und besonders bevorzugt vier hintereinander in Reihe geschaltete Verdichtungsstufen (13), insbesondere mechanische Brüdenkompressionsstufen vorgesehen sind.

9. Verfahren zur Herstellung von Harnstoff, umfassend folgende Verfahrensschritte: V1) Bereitstellen einer Harnstoffsynthese (1) und eines mehrstufigen CO2- Verdichtungssystems (2) zur Erzeugung eines verdichteten CO2-Gasstroms (6); V2) Zuführen von Ammoniak als Edukt zu der Harnstoffsynthese (1); V3) Verdichten eines CO2-Gastroms (6) mittels des mehrstufigen, mindestens zwei Kompressionsstufen (I, Il) umfassenden CO2-Verdichtungssystems (2); V4) Zuführen des verdichteten CO2-Gasstroms (6) als Edukt zu der

230749P00LU 3 LU103426 Harnstoffsynthese (1), V5) Entnehmen von Warmeenergie aus dem CO2-Gasstrom (6) hinter jeder Kompressionsstufe (I, Il) mittels mindestens einem hinter jeder Kompressionsstufe (I, I) angeordneten Wärmetauscher (7), gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrensschritte V6) Anschließen der Wärmetauscher (7) an eine Wasserquelle (8); V7) Erzeugen von Dampf durch die im Verfahrensschritt V5) aus dem CO2- Gasstrom (6) entnommene Warmeenergie dadurch, dass in den Wärmetauschern (7) durch die dem CO2-Gasstrom (6) entzogene Warmeenergie Wasser erwärmt oder verdampft wird, wobei die Wärmetauscher (7) mit einer Dampftrommel (9) fluidisch verbunden sind; V8) Einleiten des in den Wärmetauschern (7) erwärmten Wassers oder des in den Warmetauschern (7) erzeugten Wasserdampfs oder des auf dem Weg zwischen den Wärmetauschern (7) und der Dampftrommel (9) entstandenen Wasserdampfs in die Dampftrommel (9); V9) Zuführen von Dampf aus der Dampftrommel (9) zu der Harnstoffsynthese (1).

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Dampftrommel (9) einen eine flüssige Phase (11) aufnehmenden ersten Dampftrommelbereich (9a) und einen eine dampfférmige Phase (10) aufnehmenden zweiten Dampftrommelbereich (9b) aufweist, wobei den Warmetauschern (7) flüssiges Wasser aus dem ersten Dampftrommelbereich (9a) zugeführt wird, und wobei der Harnstoffsynthese (1) Sattdampf (12) aus dem zweiten Dampftrommelbereich (9b) zugeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der der Dampftrommel (9) entnommene Dampf vor dem Zuführen zu der Harnstoffsynthese (1) verdichtet wird, um den bzw. die fur die Verwendung des Dampfes in der Harnstoffsynthese (1) erforderlichen Druck und die erforderliche Temperatur des Dampfes einzustellen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Verdichtung des der Dampftrommel (9) entnommenen Dampfes in mindestens einer Verdichtungsstufe, z.B. in mehreren in Reihe geschalteten Verdichtungsstufen (13) erfolgt, insbesondere in mehreren in Reihe geschalteten mechanischen Brüdenkompressionsstufen.