PL100430B1 - Sposob wytwarzania mocznika z amoniaku i dwutlenku wegla - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest spos6b wytwarza¬ nia mocznika przez reakcje amoniaku z dwutlen¬ kiem wegla, przy czym karbaminian amonu znaj¬ dujacy sie w roztworze otrzymywanym w wyniku syntezy rozklada sie nastepnie w kolumnie odpe- dowej, w której cisnienie jest zasadniczo takie samo jak w strefie reakcji i która styka sie ze strefa reakcji za pomoca co najmniej jednej po¬ wierzchni umozliwiajacej wymiane cieplna, zas produkty rozkladu wypycha sie z kolumny za po¬ moca gazowego dwutlenku wegla, amoniaku lub obojetnego gazu albo ich mieszaniny.

W znanych procesach tego typu strefa reakcji znajduje sie na zewnatrz rurowego wymiennika ciepla, w którym zachodzi odpedzanie i w prak¬ tyce trudno jest uzyskac w strefie reakcji dosta¬ tecznie wysokie stezenie karbaminianu, poniewaz amoniak jest wprowadzany do dolnej czesci strefy reakcyjnej i styka sie z gazowym dwutlenkiem wegla niezbednym do wytworzenia karbaminianu i mocznika tylko w komorze gazowej powyzej prze¬ wodów rurowych, poniewaz dwutlenek wegla jest najpierw stosowany jako gaz do odpedzania w ru¬ rach, a nastepnie, po zmieszaniu sie z wypchnie¬ tym dwutlenkiem wegla, amoniakiem i woda, wy¬ plywa z rur u wierzcholka.

Z brytyjskiego opisu patentowego nr 1106 024 /str. 2, wiersze 76—85/ znany jest proces wytwa¬ rzania mocznika z amoniaku i dwutlenku wegla, prowadzony/ w urzadzeniu umozliwiajacym bezpo- srednia wymiane ciepla pomiedzy strefa reakcji i strefa odpedzania. W strefie reakcji utrzymuje sie temperature 140^200°C, korzystnie 160—180°C i cisnienie 100—300 atm., korzystnie 100—150 atm. i oba skladniki wprowadza sie do strefy reakcji w stosunku stechiometrycznym. W tych warun¬ kach, jezeli nawet uzyska sie dostateczny stopien przemiany w strefie reakcji, to jednak karbami¬ nian zawarty w roztworze po syntezie nie moze byc rozlozony w kolumnie odpedowej w dostatecz¬ nym stopniu bez doprowadzenia ciepla z zewnetrz¬ nego zródla. Mianowicie, w procesie tym C02 wprowadza sie najpierw do ukladu pionowych ru¬ rek w reaktorze, w którym ma zachodzic zarów¬ no synteza karbaminianu amonu, jak i jego prze¬ ksztalcanie w mocznik.

Roztwór produktu syntezy ma przeplywac ze strefy reakcji znajdujacej sie ponizej zestawu ru¬ rek, po zewnetrznej stronie tych rurek i wplywac od góry do rurek, z których równoczesnie ulatuje gazowy NHS, C02 i H20, odpedzone z roztworu produktu syntezy w tych rurkach. Gazy te ulatuja do komory znajdujacej sie ponad ukladem rurek i laczacej sie ze strefa reakcji ISzaca ponizej tego ukladu. Przez te komore C02 ma stykac sie i re¬ agowac z amoniakiem dostarczanym przez belkotke w dolnej czesci strefy reakcji i wytwarzac karba¬ minian amonu. Jednakze w takim ukladzie nie ma zadnej sily, zmuszajacej CC2 do splywania w dól reaktora, do strefy reakcji, totez strefa ta jest 100 430100 430 3 4 wypelniona prawie wylacznie amoniakiem i tylko w górnej czesci urzadzenia, gdzie C02 moze sty¬ kac sie z >amoniakiem, moze wytwarzac sie kar- baminian amonu. W wyniku tego, tylko czesc cie¬ pla wytwarzajacego sie podczas egzotermicznej re¬ akcji syntezy karbaminianu moze byc wykorzysty¬ wane do rozkladania karbaminianu, który znajduje sie jeszcze w mieszaninie splywajacej w dól przez furki. Jest wiec rzecza oczywista, ze w strefie re¬ akcji nie wytwarza sie, mocznik praktycznie bio¬ rac wcale, a w strefie odpedzania rozklad karba¬ minianu nie jest mozliwy w istotnych rozmiarach, poniewaz nie ma ciepla, niezbednego do wywoly¬ wania tego rozkladu., Z tych tez wzgledów proces ten nie nadaje sie do stosowania w praktyce.

Z opisu patentowego nr 68 005 znany jest równiez sposób prowadzenia syntezy mocznika w tempera¬ turze wyzszej od 200°C, przy stosunku iloscio¬ wym NH8:C02 wynoszacym 2,5:1—8:1, przy jedno¬ czesnym zawracaniu czesci mieszaniny gazowej, otrzymanej po etapie odpedzania, do strefy reak¬ cji. Jak wynika z czesci opisowej, proces ten pro¬ wadzi sie jednak w temperaturze nizszej od 2O0°C, mianowicie 170—190°CV cisnienie w strefie synte¬ zy wynosi 200 atm, a w strefie odpedzania 110— —150 atm. Rozklad karbaminianu amonu w roz¬ tworze produktu syntezy powoduje sie przez zmniejszenie cisnienia i ogrzewanie, przy czym po¬ miedzy strefa reakcji i strefa odpedzania nie ma wymiany ciepla i cieplo niezbedne w strefie od¬ pedzania doprowadza sie z zewnatrz, mianowicie ogrzewa sie za pomoca pary wodnej. Wada tego procesu jest przede wszystkim koniecznosc stoso¬ wania dodatkowego zródla ciepla oraz niedogod¬ nosci w prowadzeniu samego procesu.

Sposób wedlug wynalazku nie ma opisanych wy¬ zej wad i umozliwia wytwarzanie mocznika przez reakcje amoniaku z dwutlenkiem wegla w stre¬ fie reakcji polaczonej ze strefa odpedzania pro¬ duktów reakcji, przy czym cisnienie w strefie odpedzania jest w obu tych strefach zasadniczo jednakowe i strefa odpedzania styka sie ze strefa reakcji za pomoca co najmniej jednej powierzchni umozliwiajacej wymiane ciepla. Wytworzony w roz¬ tworze karbaminian amonu ulega rozkladowi w strefie odpedzania i produkty rozkladu sa wypy¬ chane za pomoca gazowego dwutlenku wegla, amo¬ niaku lub obojetnego gazu albo mieszaniny co naj¬ mniej tych dwóch skladników, a z roztworu od¬ plywajacego ze strefy odpedzania wyosobnia sie mocznik.

Cecha sposobu wedlug wynalazku jest to, ze w strefie reakcji utrzymuje sie temperature 210— —245°C i cisnienia 250—600 atm, stosunek molowy brutto NH3:C02 w fazie cieklej w strefie reakcji wynosi od 2,5:1 do 8:1, a co najmniej czesc gazo¬ wej mieszaniny odprowadzanej ze strefy odpedza¬ nia wprowadza sjft-do dolnej czesci strefy reak¬ cyjnej. Korzystnie jest utrzymywac w strefie re¬ akcyjnej temperature 215—230°C. Zachowanie tych 4 warunków jest niezbedne dla prawidlowego prze¬ biegu procesu.

Wynalazek opiera sie na stwierdzeniu, ze w tem¬ peraturze wyzszej i pod cisnieniem wyzszym od stosowanych w znanych procesach oraz przy okres¬ lonych NH3:C02 mniejsza czesc skladników reakcji ulega przeksztalceniu w karbaminian amonu, ale wieksza czesc karbaminianu jest przeksztalcana w mocznik i ze w tych wysokich temperaturach cieplo niezbedne do odparowywania NH3 i CG2 jest mniejsze niz w temperaturach stosowanych w znanych procesach. Dzieki temu, zapotrzebowanie ciepla koniecznego do rozlozenia karbaminianu amonu i odpedzenia amoniaku i dwutlenku wegla z roztworu po syntezie jest mniejsze. Tylko w sto¬ sowanych zgodnie z wynalazkiem warunkach tem¬ peratury i cisnienia cieplo zawarte w mieszaninie reakcyjnej moze wystarczyc do rozkladu karbami¬ nianu w strefie odpedzania. Jednakze zasadniczym warunkiem jest przy tym mozliwie najsprawniej¬ sze przenoszenie tego ciepla przez scianki rurek w strefie odpedzania i aby to osiagnac, zgodnie z wynalazkiem utrzymuje sie w strefie reakcji przeplyw 2 faz, mianowicie, czesc gazowej mie¬ szaniny odplywajacej ze strefy odpedzania wpro¬ wadza sie do dolnej czesci strefy reakcji. Dzieki temu powoduje sie, ze co najmniej czesc C02 doprowadzonego do strefy odpedzania oraz C02 od¬ pedzony z roztworu produktu syntezy reaguje z amoniakiem w dolnej czesci. strefy reakcji. Nie trzeba przy tym doprowadzac ciepla z zewnetrzne¬ go zródla, a dodatkowa zaleta rozwiazania wedlug wynalazku jest zwarta budowa urzadzenia do sto¬ sowania sposobu wedlug wynalazku oraz to, ze wymiana ciepla odbywa sie poprzez powierzchnie po obu stronach której panuje jednakowe cisnie¬ nie.

W celu uzyskania najsprawniejszego przenosze¬ nia ciepla wskazane jest, aby ilosc gazowej mie¬ szaniny zawracanej w jednostce czasu do strefy reakcji byla wieksza od lacznej ilosci obojetnych gazów wprowadzanych w jednostce czasu do stre¬ fy reakcji wraz ze skladnikami reakcji i ilosci gazowej mieszaniny odprowadzanej w jednostce czasu ze strefy odpedzania. W tym celu, zgodnie z wynalazkiem, gazowa mieszanine, skladajaca sie z nie przereagowanego amoniaku i dwutlenku wegla i obojetnych, odprowadza sie z wierzcholka stre¬ fy reakcyjnej i pewna jej czesc, wynoszaca 10—50% wagowych gazowej mieszaniny odprowadzanej ze strefy odpedzania, zawraca do dolnej czesci stre¬ fy reakcyjnej. Nie jest konieczne, aby gazowa mie¬ szanina ze strefy odpedzania i gazowa mieszanina zawraca ze strefy reakcyjnej byly wprowadzane oddzielnie do dolnej czesci strefy reakcyjnej. Ko¬ rzystnie obie te mieszaniny wprowadza sie razem, ewentualnie na kilku poziomach, np. ze wspólnej komory zbiorczej, umieszczonej powyzej strefy re¬ akcji i strefy odpedzania. W tym celu mozna sto¬ sowac ejektor napedzany amoniakiem, dwutlen¬ kiem wegla lub roztworem zawierajacym karba¬ minian amonu.

Schemat urzadzenia do stosowania procesu pro¬ wadzonego sposobem wedlug wynalazku podano na rysunku. Urzadzenie to sklada sie z reaktora A zawierajacego strefe odpedowa i skladajacego sie z pionowego naczynia cylindrycznego 1 zawieraja¬ cego pionowo rozmieszczone rury 2, których dolne konce sa osadzone w sitowej scianie 3* Wnetrze rur 2 stanowi strefe odpedowa. Komora 4 miesz- 40 45 50 655 100 430 6 czaca rury 2 i tworzaca strefe reakcji jest u góry otwarta i górne wyloty rur 2 nie sa zamkniete sciana sitowa. W. komorze 4 moga znajdowac sie poziome przegrody 5. Gazowa mieszanine reakcyj¬ na doprowadza sie przewodem 6, a zawracany roz¬ twór wprowadza sie przewodem 7. Przestrzen znaj¬ dujaca sie ponizej sciany sitowej 3 jest polaczona przewodem 8 ze sprezarka 9, do której swiezy dwutlenek wegla doprowadza sie przewodem 10.

Przewód 11 z redukcyjnym zaworem 12 laczy ko¬ more otoczona oslona 4 z urzadzeniem B o niskim cisnieniu. Urzadzenie B sklada sie z kolumny rek¬ tyfikacyjnej 13, ogrzewacza 14 i separatora 15 do rozdzielania cieczy i gazu. Ogrzewacz 14 jest po¬ laczony przewodem 16 z kolumna 13 i przewodem 17 z separatorem 15, który jest za pomoca prze¬ wodu 18 polaczony z kolumna 13 i ma przewód odprowadzajacy 19. Kolumna rektyfikacyjna 13 jest polaczona ze skraplaczem 21 za pomoca prze¬ wodu 20 do odprowadzania gazów, a skraplacz 21 zawiera wezownice chlodzaca 22. Ciecz poddawana procesowi wprowadza sie do skraplacza 21 prze¬ wodem 23.

Przestrzen w reaktorze A ponad rurami 2 jest za pomoca przewodu 24 i odgalezienia 25 polaczo¬ na z ejektorem 27, a za pomoca przewodu 24 i od¬ galezienia 26 z pluczka" 30. Do ejektora 27 dopro¬ wadza sie amoniak przewodem 28, ewentualnie przez podgrzewacz 29. Pluczka 30 jest polaczona wspomnianym wyzej przewodem 7 z komora utwo¬ rzona przez oslone 4 w reaktorze A, a przewodem 31 z pompa 32 laczy sie ze skraplaczem 21. Plucz¬ ka 30 zawiera urzadzenie chlodzace 33. Przewód 34 z zaworem redukcyjnym 35 sluzy do odprowa¬ dzania gazów z pluczki 30, a za pomoca przewodu 36 mozna do pluczki wprowadzac w razie potrzeby amoniak.

Proces wedlug wynalazku prowadzi sie w ten sposób, ze do dolnej czesci komory 4, w reakto¬ rze A, stanowiacej strefe reakcyjna, przewodem 6 wprowadza sie gazowa mieszanine skladajaca sie glównie z NH3 i C02 oraz pary wodnej i sklad¬ ników obojetnych, a przewodem 7 wprowadza sie roztwór karbaminianu. W strefie reakcji utrzymuje sie temperature 210—220°C, a stosunek molowy brutto NH3:C02 w mieszaninie ciecz — gaz w tej strefie wynosi np. 3,5:1. W reaktorze A utrzymuje sie cisnienie np. 300—320 atm. W strefie reakcji czesc NH3 i C02 przereagowuje, dajac karbami¬ nian amonu, przy czym wydziela sie cieplo. Wy¬ tworzony karbaminian zostaje czesciowo przepro¬ wadzony w mocznik, do czego wykorzystuje sie czesc ciepla wydzielonego przy wytwarzaniu kar¬ baminianu. Poniewaz temperatura i cisnienie sa wyzsze niz przy stosowaniu sposobów znanych, przeto i predkosc procesu jest znacznie wieksza, a tym samym objetosc strefy reakcyjnej, to jest komory 4, moze byc odpowiednio mniejsza. Po¬ niewaz wytwarzanie karbaminianu i mocznika od¬ bywa sie w mieszaninie gaz — ciecz, przeto je¬ zeli w reaktorze sa przegrody 5, wówczas miesza¬ nina moze podnosic sie ku górze, przeplywajac praktycznie biorac poziomo wzdluz rur 2 az do ich wierzcholków i w przestrzeni ponad górnymi wylotami tych rur glówna czesc skladników gazo¬ wych oddziela sie od roztworu otrzymanego w wyniku syntezy. Roztwór ten wplywa do rur 2 przez nie uwidocznione na rysunku elementy roz- rzadcze i splywa ku dolowi cienka warstwa po wewnetrznych scianach rur 2. Roztwór ten sply¬ wa w przeciwpradzie do gazowego dwutlenku we¬ gla, doprowadzanego przewodem 8 pod wlasciwym cisnieniem ze sprezarki 9 i dzialajacego jako gaz do odpedzania. W czasie tego odpedzania, ta czesc io karbaminianu, która nie ulegla przemianie w mocz¬ nik, ulega rozlozeniu na NH8 i C02. Cieplo nie¬ zbedne do tego rozkladania jest dostarczane wy¬ lacznie przez mieszanine gaz — ciecz znajdujaca sie w komorze 4, a mianowicie jest to ta czesc ciepla powstalego przy wytwarzaniu karbaminianu, która nie zostala zuzyta przy przemianie karba¬ minianu w mocznik.

Jak wyzej wspomniano, objetosc strefy reakcyj¬ nej moze byc stosunkowo mala, ale w zwiazku z tym moze byc zainstalowana tylko mala powierz¬ chnia wymiany ciepla, zas z zewnatrz nie dopro¬ wadza sie ciepla poza cieplem dostarczanym wraz z mieszaninami doprowadzanymi przewodami 6 i" 7 i wykorzystany moze byc tylko nadmiar ciepla z komory 4. Z tych tez wzgledów nalezy zapew¬ nic mozliwie najlepsze przenoszenie ciepla przez sciany rur 2, co uzyskuje sie przez wprowadzanie czesci gazowej mieszaniny oddzielanej w prze¬ strzeni ponad rurami 2 i skladajacej sie z nie przereagowanego NH8, C02, pary wodnej i sklad¬ ników obojetnych, do dolnej czesci komory 4 prze¬ wodem 24, przez ejektor 27 i przewód 6. Dzieki temu uzyskuje sie wydajne przenoszenie ciepla z mieszaniny gaz — ciecz na sciany rur 2. W celu uzyskania dostatecznej ilosci gazowej mieszaniny sluzacej do przenoszenia ciepla czas przebywania mieszaniny reakcyjnej w komorze 4 wybiera sie tak, aby nie wszystek C02 doprowadzany prze¬ wodem 6 ulegal przeksztalceniu w karbaminian, 40 lecz aby jego czesc, jak równiez czesc NH8, do¬ plywala do przestrzeni powyzej rur 2 w postaci gazu. Te czesc C02 i NH8 zawraca sie nastepnie do strefy reakcji 4.

W razie potrzeby ejektor 27 mozna napedzac za 45 pomoca C02 lub roztworu karbaminianu przezna¬ czonego do zawracania. Zamiast ejektora mozna do zawracania gazowej mieszaniny stosowac sprezar¬ ke czolowa. Ilosc zawracanego gazu ma wplyw na przenoszenie ciepla, a tym samym na bilans ciepl- 50 ny reaktora A bedacego równoczesnie urzadze¬ niem odpedowym i na stopien przemiany w stre¬ fie reakcji i wydajnosc procesu odpedzania. W zwiazku z tym korzystnie jest regulowac ilosc gazowej mieszaniny zawracanej do strefy reakcji 55 przewodem 25 w zaleznosci od temperatury lub skladu roztworu bedacego produktem syntezy, od¬ prowadzanego przewodem 11. Te czesc gazowej mieszaniny, która odprowadza sie z górnej czesci reaktora A i nie zawraca do komory 4, wprowa- 60 dza sie przewodem 26 do pluczki 30 w celu usu¬ niecia z ukladu obojetnych skladników gazowych.

Amoniak i dwutlenek wegla zawarte w gazowej mieszaninie sa w pluczce 30 pochlaniane w roz¬ cienczonym roztworze karbaminianu, przy czym 65 otrzymuje sie roztwór o wiekszym stezeniu kar- \9 1«0 48* n.y rur 2 do roztworu bedacego produktem syn¬ tezy, splywajacego w dól rur 2. Cieplo to wyko- 5 rzystuje sie do rozkladania karbaminianu i odpa¬ rowywania NH3 i C02. Ciepla ze zródla zewnetrz¬ nego nie dostarcza sie. Roztwór bedacy produk¬ tem syntezy odprowadza sie z reaktora A prze¬ wodem 11 i rozpreza w zaworze redukcyjnym 12 • io do cisnienia 3 kG/cm2.

W opisany wyzej sposób przeprowadza sie pró¬ be, w której ilosci skladników reakcji i produktu przeplywajace przez poszczególne elementy urza¬ dzenia, jak równiez temperature i cisnienie poda- 15 no w tablicy. Dla uproszczenia urzadzenie niskocis¬ nieniowe B uwaza sie za jeden element i dane ogranicza do podania warunków panujacych w przewodzie wlotowym 11 i przewodach odplywo¬ wych 19 i 20. Do pluczki 30 nie doprowadza sie 20 amoniaku, a ilosc ciepla odprowadzanego przez element chlodniczy 33 wynosi 3,0 X108 Kcal/godzi¬ ne. Ilosci przeplywajacych skladników i otrzyma¬ nego produktu podano w tablicy w kg/godzine.

Claims (8)

Zastrzezenia patentowe

1. Sposób wytwarzania mocznika przez reakcje amoniaku z dwutlenkiem wegla w strefie reak¬ cyjnej polaczonej ze strefa odpedzania produk¬ tów reakcji, przy czym cisnienie jest w obu tych strefach zasadniczo jednakowe i strefa odpedza¬ nia styka sie ze strefa reakcji za pomoca co naj¬ mniej jednej powierzchni umozliwiajacej wymiane cieplna, zas produkty rozkladu karbaminianu o- trzymane w strefie odpedzania przez rozklad kar¬ baminianu amonowego zawartego w roztworze sta¬ nowiacym produkt reakcji, sa wypychane za po¬ moca gazowego dwutlenku wegla, amoniaku, obo¬ jetnego gazu lub mieszaniny co najmniej 2 tych skladników, a z roztworu odplywajacego ze stre¬ fy odpedzania wyosobnia sie mocznik, znamienny tym, ze w strefie reakcyjnej utrzymuje sie tem¬ perature 210—245°C i cisnienie 250—600 atm, sto¬ sunek molowy brutto NH3:C02 w cieklej fazie w strefie reakcyjnej 2,5:1 do 8:1 i co najmniej czesc gazowej mieszaniny odprowadzanej ze strefy od¬ pedzania zawraca sie do dolnej czesci strefy reak¬ cyjnej.

2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze w strefie reakcyjnej utrzymuje sie temperature 215—230°C.

3. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze gazowa mieszanine skladajaca sie z nie przereago- wanego amoniaku i dwutlenku wegla oraz gazów obojetnych odprowadza sie z wierzcholka strefy reakcyjnej i 10—50% wagowych tej mieszaniny, zawraca sie do strefy reakcyjnej na nizszym po¬ ziomie.

4. Sposób wedlug zastrz. 3, znamienny tym, ze co najmniej czesc gazowej mieszaniny odprowa¬ dzanej ze strefy reakcyjnej i przeznaczonej do za¬ wracania do tej strefy, miesza sie przed zawró¬ ceniem z gazowa mieszanina odprowadzana ze strefy odpedzania.

5. Sposób wedlug zastrz. 3, znamienny tym, ze gaz zawracany do strefy reakcyjnej wprowadza sie dc tej strefy na róznych poziomach, ponizej po¬ ziomu odprowadzania gazowej mieszaniny ze stre¬ fy odpedzania.

6. Sposób wedlug zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, ze gazowa mieszanine zawracana do strefy reakcyjnej wprowadza sie do tej strefy za pomo¬ ca ejektora napedzanego amoniakiem, dwutlenkiem wegla lub roztworem zawierajacym karbaminian amonu.

7. Sposób wedlug zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, ze ilosc zawracanego gazu reguluje sie w za¬ leznosci od temperatury lub skladu roztworu pro¬ duktu po procesie odpedzania.

8. Sposób wedlug zastrz. 1 albo 3, znamienny tyni, ze te czesci gazowych mieszanin odprowa¬ dzanych ze strefy reakcyjnej i ze strefy odpedza¬ nia, które nie sa przeznaczone do zawracania, wprowadza sie do pluczki, w której amoniak i dwutlenek wegla absorbuje sie w cieczy, przy czym ilosc ciepla wydzielanego podczas tej ab¬ sorpcji reguluje sie w zaleznosci od temperatury lub skladu roztworu produktu reakcji po procesie odpedzania. • 10 15 20 25 31 35 40100 430 . 1b^Wbi 14 /\ 17 Bltk 1948/78 r. 95 egz. A4 Cena 45 zl