NO851044L - Fremgangsmaate ved fremstilling av urea - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte ved fremstilling av urea fra ammoniakk og karbondioksyd.

Hvis ammoniakk og karbondioksyd innføres i en reaksjons-sone under et egnet trykk (foreksempel 125-350 atm.) og ved en egnet temperatur (foreksempel 170-250^0, dannes først ammoniumkarbamat i henhold til reaksjonen:

Fra det slik dannede ammoniumkarbamat dannes deretter urea ved dehydratisering i henhold til den reversible reaksjon:

I hvilken grad omdannelsen til urea finner sted er avhengig blandt annet av temperaturen og overskudd av ammoniakk anvendt. Som reaksjonsprodukt erholdes en oppløsning som består hovedsaklig av urea, vann, ammoniumkarbamat og fritt ammoniakk. Ammoniumkarbamatet og ammoniakken fjernes fra oppløsningen og returneres hovedsaklig til syntesesonen. Syntesesonen kan bestå av separate soner for dannelsen av karbamat og urea, men disse soner kan også anordnes i en apparatur.

En fremgangsmåte som vanligvis anvendes for fremstilling av urea beskrives i European Chemical News, Urea Supplement,

av 17. januar, 1969, sidene 17-20. Ved denne fremgangsmåten utsettes ureasynteseoppløsningen dannet ved høyt trykk og temperatur i syntesesonen til stripping-behandling ved syntesetrykk ved å føre sammen motstrømsoppløsningen med gassformig karbondioksyd under tilførsel av varme, slik at en større del av karbamatet som foreligger i oppløsningen spaltes til ammoniakk og karbondioksyd. Disse spaltnings-produkter drives ut fra oppløsningen i gassform og strømmer ut sammen med en liten mengde vanndamp og karbondioksydet anvendt for strippingen. En slik strippingbehandling kan utføres ikke bare med karbondioksyd som beskrevet i denne publikasjon men også med gassformig ammoniakk, en inert gass eller en blanding av minst to av de nevnte gasser.

Den største del av gassblåndingen dannet ved strippingbehandlingen kondenseres i en kondensasjonssone og absorberes i en vandig oppløsning som stammer fra den videre behandling av den ureainneholdende oppløsning, hvoretter begge de vandige karbamatoppløsninger slik dannet og den ikke-kondenserte gassblanding sendes til syntesesonen for dannelse av urea. Her oppnås varmen som er nødvendig for omdannelse av karbamat til urea ved ytterligere kondensasjon av gassblåndingen.

I US patent 3.356.723 meddeles det at det er fordelaktig å utføre ureasyntesen ved relativt lave trykk, av foreksempel 110-140 atomosfærer fordi dette gjør det mulig å utføre strippingbehandlingen ved hvilke overskuddet av ammoniakk og karbamat som ikke er omdannet til urea fjernet ved samme trykk som syntesereaksjonen. Hvis på den andre side syntesereaksjonen utføres ved betraktelig høyere trykk, foreksempel ved ca. 200 atmosfærer, da vil fortrinnsvis trykket av synteseoppløsningen reduseres før oppløsningen utsettes for strippingbehandlingen. Når imidlertid trykket ved hvilken urea-synteseoppløsningen strippes blir lavere trenges mer vann for å holde i oppløsning karbamatet dannet ved kondensasjonen ved trykket for strippingen av gassblandingen dannet ved strippingbehandlingen, og dette vann følger karbamatet når det føres inn i syntesesonen, hvor det har en negativ effekt på synteseeffektiviteten. I tillegg som en konsekvens av det lavere trykk finner kondensajonen av gassblandingen dannet ved strippingen sted ved lavere temperatur slik at den frigjorte kondensasjonvarme og oppløsn-ingsvarmen må fjernes ved et relativt lavt temperaturnivå, noe som nødvendiggjør en relativ stor varmeutvekslingsover-flate. Med denne lavnivåvarme kan det kun fremstilles damp med lavt trykk på 2-3 bar som er til liten nytte ved fremgangsmåten og ellers.

Hvis, på den annen side strippingen utføres ved relativt høye trykk og de høye temperaturer som er nødvendig for dette er risikoen at ureahydrolyseres og dannelse av biuret finner sted i en uakseptabel grad ikke utenkelig. Av disse grunner anbefaler den nevnte US patent 3.356.723 et trykk på 50-140 atmosfærer i strippingssonen.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å fremskaffe en fremgangsmåte ved fremstilling av urea i hviken det oppnås en god syntese-effektivi tet og i hvilken ureahydrolyse og biuretdannelse i løpet av strippingbehandlingen holder seg innenfor akseptable grenser, mens ytterligere kondensasjon av gassblandingen som oppnås ved strippingbehandlingen ut-føres på et slikt temperaturnivå at en betraktelig mindre varmeutvekslende overflate kan anvendes for å omdanne den frigjorte varme til lavtrykksdamp på foreksempel 3-5 bar eller at det kan dannes damp med høyere trykk, foreksempel 5-10 bar, eller at den frigjorte varmen kan anvendes direkte for oppvarming i framgangsmåten.

Dette oppnås i henhold til oppfinnelsen ved at også urea dannes i kondensasjonssonen ved kondensasjonen av gassblandingen dannet ved strippingbehandlingen. På grunnlag av at det foreligger relativt store mengder av urea og vann, som tjener som oppløsningsmiddel for karbamatet dannet etter kondensasjonen av gassblandingen dannet ved stripping blir kondensasjonsvarmen og oppløsningsvarmen tilgjengelig på et høyere temperaturnivå enn uten anvendelse av disse løsning-smidler .

Foreliggende oppfinnelse vedrører derfor en fremgangsmåte for fremstilling av urea hvori en karbamat - og fri ammoniakkinneholdende urea synteseoppløsning dannes fra karbondioksyd og et overskudd av ammoniakk i en syntesesone ved trykk på 125-350 bar, hvorved minst en del av det foreliggende karbamat i ureasynteseoppløsningen spaltes i en strippingsone ved trykket til syntesesonen eller ved et lavere trykk ved tilførsel av varme og motstrømskontakt med en stripping-gass, og karbamat spaltningsproduktene sammen med en del av overskuddsammoniakken og stripping-gassen fjernes fra strippingsonen som en gassblanding, og minst en del av den dannede gassblanding kondenseres i en kondensasjonssone og den strippede ureasynteseoppløsning bearbeides til en ureaoppløsning eller til fast urea. Fremgangsmåten erkarakterisert vedat det i kondensasjonsonen blir dannet minst 30 % av likevektsmengden av urea som kan oppnås under de reaksjonsbetingelser og at den karbamat og ureainneholdende blanding føres til syntesesonen.

Når minst 30 % av den oppnålige likevektsmengde med urea er dannet, kan varmeeffekten merkes tydelig. Fortrinnsvis fortsetter ureadannelsen til 50-80 % av strekningen mot likevekt er dekket. Likesom strippingbehandlingen, kan kondensasjonen av gassblandingen erholdt ved strippingbehandlingen utføres ved syntesetrykket eller ved lavere trykk. Det er også at trykkene ved hvilke stripping og kondesasjon utføres er like eller ulike. Fortrinnsvis anvendes like trykk i syntesesonen, strippingsonen og kondensasjonssonen, slik karbamatoppløsningen dannet i kondensasjonssonen kan returneres til syntesesonen på en ukomplisert måte uten en karbamatpumpe.

Omdannelse av karbamat til urea og vann i kondensasjonssonen kan oppnås ved å sikre en lang nok oppholdstid for rea-ks jonsblandingen i kondensasjonssonen. Kondensasjon av gassblandingen erholdt ved stripping gir en karbamatoppløs-ning, og ytterligere omdannelse av karbamat til urea og vann kan foreksempel oppnås på utsiden av en vertikal rør-formet varmeutveksler. Den frigjorte varme fra kondensasjonssonen kan deretter tas opp av vann som føres gjennom rørene og deretter omdannes til 1avtrykksdamp eller tas opp av en strøm som skal oppvarmes ved fremgangsmåten. For å

øke temperaturen ytterligere kan kondensasjonssonen utform-es som en reaktor med intensiv blanding slik at temperatur-forskjellen mellom toppen og bunnen er begrenset til høyden 5^C og fortrinnsvis høyden 2<®>C. Installasjon av glide-plater, skvulpeplater eller lignende elementer styrker blandingen og derved varmeoverføringen. Det kan også gjøres bruk av andre kondensasjonssoner som har dimensjoner som

muliggjør en tilstrekkelig lang oppholdstid for reaksjonsblandingen. Fortrinnsvis gis kondensasjonssonen en såkalt neddykket kondensatorform (submerged condenser), hvorved gassblandingen som skal kondenseres ledes til det ytre rom av en rørformig varmeutveksler, til hvilket ytre område også en fortynnet karbamatoppløsning innføres og oppløsn-ingsvarmen og kondensasjonsvarmen som frigjøres fjernes ved hjelp av et medium som strømmer gjennom rørene, foreksempel vann dom derved omdannes til lavtrykksstrøm. Den nedsenk-ede kondensator kan også anordnes horisontalt eller verti-kalt.

Det finnes spesielle fordeler ved å utføre kondensasjonen i en horisontalt nedsenket kondensator. Væskekolonnen har som regel en mindre høyde enn i en vertikal nedsenket kondensator, forhøyelsen av kokepunktet er mindre stor, noe som resulterer i en større temperaturforskjell mellom den ureainneholdende karbamatoppløsning og avkjølingsmediet, og slik i en raskere varmeoverføring. Når det anvendes en horisontalt anordnet nedsenket kondesator, kan den plasser-es direkte på gulvet, slik at høyden på installasjonen reduseres klart og installeringskostnaden senkes. Videre blir i det tilfellet montering og demontering relativt enkelt.

Når det anvendes en vertikal kondensasjonssone, er det mulig å sammenfatte syntesesonen og kondensasjonssonen i en anordning slik at det oppnås en kompakt konstruksjon.

Ved framgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse er det mulig avhengig av trykket som anvendes i kondensasjonssonen og mengden av urea og vann som dannes å heve temperaturen i kondensasjonssonen med 5-10^C. På denne måten er det foreksempel mulig å danne lavtrykksdamp på 5-10 bar ved et trykk i kondensasjonssonen på ca. 140 bar. Det er selvfølgelig også mulig å danne lavtrykksdamp som har det vanlige trykk på 3-5 bar. Dette kan da oppnås ved å anvende en betraktelig mindre varmeutvekslende overflate. Oppfinnelsen skal belyses ved hjelp av figuren og eksemplene, uten derved å innskrenkes til disse.

På figuren representer A en syntesesone, B en strippingsone og C en kondensasjonssone. D representerer et dampreservoar, E en pumpe og F en ejektor.

Gjennom 7, ejektor F som drives ved hjelp av komprimert

flytende ammoniakk tilført gjennom 6, innsuges en karbamat-oppløsning dannet i den videre behandling av den urea-inneholdende oppløsning dannet på et annet sted i behandlingen. Blandingen av flytende ammoniakk og karbamatoppløsning

mates til kondensasjonssonen C gjennom 5. Gjennom linjen 3 som er utstyrt med åpninger, innføres en gassblanding som inneholder ammoniakk og karbondioksyd til væsken, hvilken gassblanding er dannet ved å utsette urea-synteseoppløsn-ingen dannet i syntesesonen A til en strippingbehandling i strippingsonen B som utføres motstøms til en stripping-gass, foreksempel karbondioksyd mens varme tilføres. Ved den foreliggende utførelsesform er trykket i syntesesonen A, strippingsonen B og kondensasjonssonen C lik, foreksempel omtrent 140 bar. Det er dog mulig at trykkene i de nevnte soner er ulike. Dimensjonene av kondensasjonssonen C er valgt slik at oppholdstiden for reaksjonsblandingen her er tilstrekkelig lang slik at minst 30 % av den teoretisk mulige ureadannelse finner sted. Varmen frigjort i kondensasjonssonen C fjernes ved hjelp av vann tilført gjennom 12, som passeres gjennom 10 og gjennom avkjølings-elementene 8 i kondensasjonssonen C ved hjelp av pumpen E og omdannes derved til lavtrykksdamp. Dampen dannet passe-rer gjennom 9 til dampreservoar D og tas ut fra nevnte reservoar gjennom 11 til et anlegg som forbruker lavtrykksdamp, noe som ikke er tegnet. Istedet for å fjerne varmen ved hjelp av dampdannelse kan en prossess-strøm som skal oppvarmes, foreksempel en vandig ureaoppløsning som skal konsentreres ledes gjennom avkjølingselementene. Den urea-og karbamatinneholdende oppløsning og de ikke-kondenserte deler av gassblandingen som blir matet til kondensasjons-

sonen C tilføres gjennom 4 til syntesesonen A hvor ytterligere ureadannelse finner sted. Fra syntesesonen A pass-erer urea-synteseoppløsningen gjennom 1 til strippingsonen B, mens en gassblanding som inneholder inerte gasser fjernes gjennom 14. Den strippede urea-synteseoppløsning føres ut gjennom 13, viderebehandles på en kjent måte til en vandig ureaoppløsning og konsentreres, hvoretter den konsentr-erte oppløsning kan omdannes til fast urea.

Sammenligningseksempel

Urea fremstilles ved fremgangsmåten beskrevet i European Chemic News, Urea Supplement av 17. januar, 1969 med en mengde på 1500 tonn pr. dag. Mengdene er oppført i kg. pr. time. Høytrykksseksjonen til anlegget tilføres 33.417 kg flytende NH^og 45.833 kg gassformig C02som også inneholder 286 kg vanndamp og 1.533 kg inerte bestanddeler. Trykket i reaksjonssonen, strippingsonene og kondensasjonssonen er 141,2 bar. Til kondensasjonssonen tilføres en gassblanding som består av 43.742 kg NH^, 65.795 kg CO,, 2.578 kg H^O og 1.533 kg inerte bestandeler hvorav storparten kondenseres her og absorberes i en karbamatopp-løsning som inneholder 50.964 kg NH3, 17.957 C02og 9.231 kg H20. Det dannes en karbamatoppløsning som består av 78.108 kg NH 67.706 kg CO og 10.829 kgH^Oog har en temperatur på 168 0C mens den resterende gassblanding inneholder 18.598 kg NH^, 16.046 kg C02,

980 kg H.,0 og 1.533 kg inerte bestanddeler. Karbamat-oppløsningen og gassblandingen tilføres til reaksjonssonen.

Den frigjorte kondensasjonsvarme fjernes ved hjelp av vann noe som resulterer i dannelsen av 60.000 kg lavtrykksdamp med trykk på 4,4 bar og en temperatur på 14 7 C. Den varmeutvekslende overflate er 1,694 m2 .

Eksempel . 1

I et anlegg som skissert på figuren anvendes fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen for å fremstille den samme mengden urea som bskrevet i sammenligningseksempelet. Trykket i høytrykksseksjonen til anlegget er 141,2 bar. Kondensasjonen av gassblandingen dannet ved stripping oppnås i en horisontal anordnet nedsenket kondensator, som ledsages av dannelsen av 50 % av den teoretisk mulige mengde urea under de foreliggende forhold. Den ureainneholdende karbamat-oppløsning som dannes består av 30.839 kg urea, 60.871 kg NH3, 50.533 kg C02og 20.521 kg H20. Dens temperatur er 174^C. I tillegg blir en gassblanding tilbake som består av 18.171 kg NH^, 10.706 kg CC>2 , 606 kg H20 og 1.533 kg inerte bestanddeler. Med hjelp av den frigjorte varme fra kondensasjonssonen dannes 60.000 kg lavtrykksdamp på 4,4 bar. Den varmeutvekslende overflate som er nødvend-ig for dette er 667m2 .

Eksempel II

På samme måten som beskrevet i eksempel I dannes en identi-sk mengde med urea men i kondensasjonssonen dannes 75 % av den oppnålige likevektsmengden av urea. I kondensasjonssonen dannes en oppløsning som inneholder foruten 56.188 kg NH3og 40.203 kg CC>2, også 47.930 kg urea og 25 .649 kg H20.

I tillegg gjenstår en gassblanding som består av 14.825 kg NH3, 8.400 kg CC>2 , 605 kg H20 og 1.533 kg inerte bestanddeler. Temperaturen til væsken og de gassformige bestanddeler som sendes ut fra kondensasjonssonen er 178^C. Den frigjorte varme benyttes for dannelsen av 60.000 kg lavtrykksdamp på 6,8 bar. Den varmeutvekslende overflate som er nødvendig for dette er 1.694 m2 .

Claims (10)

1. En fremgangsmåte ved fremstilling av urea hvorved en karbamat og fritt ammoniakkinneholdende urea-synteseoppløs-ning dannes fra karbondioksyd og et overskudd av ammoniakk i en syntesesone ved trykk på 125-350 bar, minst en del av karbamatet som foreligger i urea-synteseoppløsningen spaltes i en strippingssone ved trykket til syntesesonen eller ved lavere trykk ved den tilførte varme og motstrøms-kontakt med en strippinggass, karbamat-spaltningsproduktene sammen med en del av overskuddet av ammoniakk og stripping-gassen fjernes fra strippingsonen som en gassblanding, minst en del av den dannede gassblanding kondenseres i en kondensasjonssone og den strippede urea-syntesoppløsning viderebehandles til en ureaoppløsning eller fast urea, denne prossess er karakterisert ved at det i kondensasjonssonen dannes minst 30 % av den oppnålige likevektsmengde av urea under de reaksjonsbetingelser og at den karbamat- og urea-inneholdende blanding tilføres til syntesessonen.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at det dannes 50-80 % av den oppnålige likevektsmengde av urea under de foreliggende forhold.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1 eller 2, karakterisert ved at kondensasjonen i kondensasjonssonen utføres ved syntesetrykk.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1 eller 2, karakterisert ved at kondensasjonen utføres ved det trykk ved hvilke strippingbehandlingen finner sted, hvilket trykk er lavere enn syntesetrykket.

5. Fremgangsmåte i henhold til et av kravene 1 til 4, karakterisert ved at det gjennomføres en grundig blanding av reaksjonsblandingen i kondensasjonssonen .

6. Fremgangsmåte i henhold til et av kravene 1 til 5, karakterisert ved at kondensasjonen utfø-res i en nedsenket kondensator.

7. Fremgangsmåte i henhold til et av kravene 1 til 6, karakterisert ved at kondensasjonen utfø-res på utsiden av en horisontalt anordnet rø rformet varmeutveksler.

8. Fremgangsmåte i henhold til et av kravene 1 til 6, karakterisert ved at kondensasjonen utfø-res i en kondensasjonssone som er integrert med reaksjonssonen.

9. Fremgangsmåte ved fremstilling av urea som beskrevet og belyst med henvisning i figuren og eksemplene.

10. Urea og ureaoppløsninger fremstilles ved fremgangsmåten i henhold til et eller flere av de forutgående krav.