SE446978B - Isobariskt dubbelatercirkulationsforfarande for syntetisering av urea under bildning av ammoniumkarbamat som mellanprodukt - Google Patents

Description

446 978 2 höga (55-60 %) och följaktligen uppnår mängderna kvarvar- ande karbamat i lösningen som lämnar reaktorn ganska höga nivåer. Förutom denna finns det andra processer, baserade på en NH3-strippning (se t ex US PS 3 049 563 och itali- enska patentskriften 684 929). Dessa processer kan arbeta enligt högre molförhållanden NH3:CO2 (3,5-3,8) och detta medger uppnåendet av större omvandlingsutbyten (62-64 %).

Fördelen med ett större utbyte annuleras emellertid av den större mängden NH3 som är närvarande i urealösningen som lämnar strippningsreaktorn (22-25 vikt% NH3 och 5-6 vikt% C02), vilket kräver en alltför stor NH3-återvinnings- sektion vid låga tryck, vanligen 18-20 atmosfärer. Följ- aktligen är dessa strippningsprocesser, även om de erbjuder avsevärda fördelar, inte fria från nackdelar beroende på sönderdelningen av en stor del av det kvarvarande karba- matet vid syntestrycket, vilka nackdelar är bundna till valet av strippningsmedel och till det relativt låga om- vandlingsutbytet i reaktorn.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att redu- cera mängden nackdelar som anges ovan. Ytterligare andra ändamål kommer att framgâ av följande beskrivning.

I sin vidaste form består uppfinningen i en isobarisk dubbelåtercirkulationsprocess för syntetisering av urea under bildning av mellanprodukten ammoniumkarbamat, omfat- tande reaktionen mellan ammoniak och koldioxid med höga förhållanden NH3:CO2, en värmebehandling av syntesproduk- ten, huvudsakligen vid samma tryck som syntesen och i när- varo av en strippningsgas, och två distinkta isobariska âtercirkuleringsprocesser för de kvarvarande ämnena och för ämnena i överskott, vilka frigöres från syntesprodukten.

Detta förfarande kännetecknas av att: a) behandlingen av syntesprodukten genomföres i två på varandra följande steg, vilka är isobariska i förhåll- ande till syntesen, varvid i det första steget pro- dukten värmes, varigenom huvudsakligen allt kvarvarande karbamat sönderdelas och sönderdelningsprodukterna avlägsnas tillsammans med en del av NH3-överskottet, 446 978 3 medan i det andra steget den kvarvarande delen av; NH3-överskottet avlägsnas genom att tillföra ytter- ligare värme och genom att injicera en C02-ström, som ligger inom området 10-100 % av gyntesens behov, b) gasfasen som avdragits i det första steget omedel- bart återcirkuleras till syntesen och gasfasen som avdragits i det andra steget utsättes för en kondensa- tion och för en avluftning av kvarvarande gas innan denna också återcírkuleras, i vätskeformigt tillstånd till syntesen, och c) det höga molförhållandet NH3:CO2 ligger inom om- rådet 2,5-10, och företrädesvis 4-7.

Syntestemperaturen skall ligga inom området 170-205°C, företrädesvis 180-200°C. Ju högre temperaturen är desto lättare blir den efterföljande strippningen av gaserna medelst C02-strömmen och desto mindre värme krävs för strippningen. Syntestrycket skall ligga mellan 100 och zso xp/cmz, företrädesvis me11an leo och 225 kp/cmz, varvid de högre trycken föredrages i närvaro av de högre temperaturerna. Enligt en särskild utföringsform förvärmes ammoniaktillförseln. C02-strömmen, som tillföres till det andra behandlingssteget, utgör mellan 10 och 100 % av vad som krävs för syntesen. Företrädesvis skall omrâdet vara 50-90 %, varvid den kvarvarande delen tillföres direkt till syntesen eller till den första strippningen.

Naturligtvis kan processen enligt uppfinningen modifieras medelst några andra nya och förbättrande förändrning. Till exempel kan syntesen av urea genom- föras i två olika, efter varandra följande och över varandra belägna reaktionszoner, varvid till den första av dessa, som ligger över den andra, två isobariska átercirkulationer tillföres, varigenom dehydratiseringen till urea av den största delen av karbamatet genomföres, medan i den andra zonen, varvid man opererar vid för- hállanden NH3:C02 i den föregående zonen, avslutningen av dehydratiseringen genomföres huvudsakligen tills man när jämviktsnivàn. som är lika med eller högre än dem 446 978 4 Ytterligare sönderdelning av karbamatet i det första steget i den isobariska behandlingen kan förbättras under vissa operationsbetingelser genom injicering av en viss mängd strippande ammoniak.

När syntesen genomföres i två olika (över varandra belägna) zoner, skall förhållandet företrädesvis vara 4-7 i den första och översta zonen och 5-8 i den andra zonen.

I detta fall skall uppehållstiden för syntesblandningen i den andra och understa zonen vara 3-15, företrädesvis 5-8 min.

Förfarandet enligt uppfinningen medger erhållandet av en urealösning, som är nästan fri från kvarvarande NH3 och coz , höga värmeförbrukningar, när förhållandet NH3:C02 i reak- tionsområdet är alltför lågt beroende på låga utbyten och på höga mängder av karbamat, som skall sönderdelas. Även vilket hittills endast har varit möjligt med mycket om värmen återvanns delvis i en kondensor skulle värme- återvinningen uppträda vid en lägre temperatur och sålunda inbegripa en entropiökning.

När höga förhållanden NH3:CO2 användes var utbytena bättre, men den kvarvarande NH3-mängden i urea-lösningen för stor, vilket ledde till en oönskad ökning både av antalet och volymen av de apparater som befann sig ned- ströms i den isobariska cykeln.

Det är en fördel med föreliggande uppfinning att den har kunnat förena tvâ hittills kontrasterande krav: ä ena sidan nödvändigheten av att erhålla lösningar som är praktiskt taget fria från kvarvarande reaktionsmedel och å andra sidan behovet av att använda höga förhållanden NH3: C02 för att kunna erhålla högre utbyten och en lägre värme- konsumtion. En annan fördel med uppfinningen består i den yttersta lättheten att reglera de ej sällan förekommande termiska störningarna av temporär och oscillerande natur, som beskrivs i den holländska patentskriften 68/8472.

Genom att proportionera de strömmar som kommer från de första och andra strippningsstegen är det möjligt att uppnå en optimal profil för den termiska tonen, som stabiliserar det temporära fenomenet.

När syntesen genomföras i två olika (över varandra 446 978 belägna) zoner, ökar den förvärmda ammoniaken som tillföres till den nedre synteszonen förhållandet NH3:CO2 i den nedre reaktionszonen över nivån för detta förhållande i den före- gående övre zonen. Genom att öka förhållandet NH3:CO2 stiger karbamatdehydratiseringsnivân p g a dehydratiser- ingseffekten för ammoniak, vilken förenas med reaktions- vattnet och bildar litet dissocierad ammoniumhydroxid (NH4OH), vilket sålunda påskyndar avslutningen av syntesen.

I allmänhet inbegriper ökningen av förhållandet NH3:C02 några negativa aspekter, såsom t ex nödvändigheten av att arbeta vid högre tryck och vid reducerade temperaturer (en nödvändighet som är bunden till det större överskottet av NH3) och den större värmeförbrukningen för avlägsnandet och återcirkuleringen av detta större överskott av NH3.

Om man önskar övervinna dessa nackdelar skall det optimala värdet för molförhållandet NH3:CO2 enligt nuvarande åsikt inte överstiga 5:1. Man har emellertid nu funnit att det är möjligt att ytterligare öka, och med fördel, detta för- hållande t 0 m upp till 7:1 eller mer, förutsatt att ök- ningen är i den andra och lägsta av de båda synteszonerna.

Partialtrycket för ammoniak ovanför vätskefasen i den läg- re synteszonen kan vara större i förhållande till den övre zonen, i en så stor mängd som motsvarar ungefär partial- trycket för de inerta gaserna plus det tryck som motsvarar den överliggande vätskekolonnen. Det är detta förhållande som medger ökning av molförhållandet NH3:CO2 ända upp till 7:1 eller mer och sålunda omvandlingsförhållandet för kar- bamatet, ett förhållande som når mycket höga värden, t ex 80 % och mer. Naturligtvis måste det större överskottet av ammoniak som solubiliserats i vätskefasen återvinnas i det första av de båda strippningsstegen och därefter tillföras till den översta synteszonen. Ett medelvärde för molförhâllandet NH3:CO2 inom området t ex 5:1 - 8:1 kan erhållas genom att tillföra en del av den föregående am- moniaken till den översta zonen och en del till den und dersta.

Vårt förbättrade förfarande illustreras även av fyra figurer. Fig l representerar ett processchema enligt upp- finningen. Fig 2 illustrerar en ändring bestående i att 446 978 6 syntesrummet uppdelas i två över varandra belägna syntes- zoner. Fig 3 illustrerar den ibland användbara tillsatsen av en ammoniakinjektion i den första strippningen. Fig 4 är ett alternativ till fig 2, med tillsatsen av en ammo- niakinjektion till den första strippningen.

Enligt fig l syntetiseras urea i en vertikal cylindrisk reaktor, försedd med gallerbottnar för att hålla axialfiüñet homogent och sålunda undvika en nnublandning av reaktflwsvätäen.

Den vätskeformiga mellanprodukten strömmar p g a tyngdkraften över genom rörledningen 4 in i en vertikal tubbuntsvärmeväxlare med inlopp från botten, uppvärmd genom ånga 10, där resterande karbamat nästan fullständigt sönderdelas. Sönderdelningsgaserna och en del av NH3-över- skottet strömmar tillbaka till reaktorn genom rörledning 3.

Lösningen 6 strömmar ut ur gas-vätskesepareringstanken l7, förbunden med den övre änden av värmeväxlaren, passerar till en andra värmeväxlare, en tunnskiktsvärmeväxlare upp- värmd med ånga ll. I denna andra värmeväxlare avlägsnar75% av erforderlig C02, förvärmd, nästan all kvarvarande NH3 och lösningen som strömmar ut ur botten passerar genom rörledningen 7 till vidare och vanliga processteg.

Gasströmmen 9, som lämnar den övre delen av den andra ~~ strippningsanläggningen, strömmar in i en kondensor till- sammans med gaserna 13, som kommer frân reaktorns övre ände och tillsammans med en lösning8 som kommer från efterföl- jande processteg. Kondensationsvärmet medger framställning av ånga 12.

Kvarvarande gaser spolas från kondensorn genom rörled- ningen l4, medan lösningen som skall återcirkuleras till reaktorn, lämnar, beroende på tyngdkraften, kondensorn genom rörledning 5.

Den förvärmda NH3-tillförseln överföres till reaktorn genom rörledningen l. Genom rörledningen 15, avgrenad från huvudledningen 16, tillföres de kvarvarande 25 % av erfor- derlig C02 direkt utan förvärmning till reaktorn.

Naturligtvis kan den första strippningsanläggningen alternativt vara av tunnskiktsvärmeväxlartyp, såsom anges exempelvis med siffrorna 3 och 4. De kvarvarande siffrorna (2, 3 och 4) har självklara betydelser och beskrivs uttöm- mande i exemplen 3, 8 och 10. 446 978 7 Förutom ett förfarande avser uppfinningen även en sär- skild apparat för genomförande av förfarandet. Med refe- rens till fig l omfattar denna apparat: a) en cylindrisk och vertikal reaktor försedd med anord- ningar för inlopp, genom rörledning l, av en tillförsel- ström, med ett annat valfritt inloppsmunstycke förbundet med rörledningen 15 på reaktorns botten, med ett vätske- âtercirkuleringsmunstycke förbundet med rörledningen 5 på reaktorns botten, med ett gasâtercirkuleringsmunstycke förbundet med rörledningen 3 på reaktorns bas, med ett avluftningsmunstycke förbundet med rörledningen 13 vid reaktorns övre del och med ett bräddavloppsfallrör, som förbinder reaktorns övre del med strippningsanläggningen (bl nedan, b) en första strippningsanläggning bestående av en verti- kal tubbuntsvärmeväxlare med inlopp från botten, förbun- den med en separeringstank 17, där separationen av gasfa- sen från vätskefasen uppträder, c) en andra strippningsanlâggning bestående av en andra värmeväxlare försedd med ett munstycke för inlopp av strippningsmedlet, förbunden med rörledningen 2 och an- ordnad i den undre delen av apparaten, vilken andra strippningsanordning företrädesvis är en tunnskiktsvärme- växlare av tubbuntstyp, _ d) en kondensor för gaserna som strömmar från den andra strippningsanläggningen.

När syntesen genomföres i två olika zoner skall reak- torn under a) uppdelas enligt fig 2 i två över varandra belägna sektioner och skall förses med lämpliga medel för alternativt eller samtidigt inlopp i de båda sektionerna genom rörledningarna l och/eller 19 av en tillförselström, som kommer från huvudledningen 20, med ett annat inlopps- munstycke förbundet med rörledningen 15 pâ botten av den övre sektionen, med ett vätskeåtercirkuleringsmunstycke förbundet med rörledningen 5 på botten av den övre sek- tionen, med ett gasåtercirkuleringsmunstycke förbundet med rörledningen 3 vid botten av den övre sektionen, med avluftningsmunstycke förbundet med rörledningen 13 vid 446-978 lO 8 den övre änden av den övre sektionen, med ett utloppsmun- stycke för produkten förbundet med rörledningen 4 vid den övre änden av den nedre sektionen och med ett bräddavlopps- fallrör l8, re sektionen med botten av den nedre sektionen. som direkt förbinder den övre delen av den öv- Naturligtvis kan i denna apparat vissa variationer in- föras. Här nämns t ex användningen av tunnskiktsvärmeväx- lare både för kondensorn och för den första strippnings- anordningen och användningen av en vertikal tubbuntsvärme- växlare (med inlopp från botten) för den andra strippnings- anläggningen. Vidare om så önskas kan de båda sektionerna i reaktorn bestå av två separata reaktorer, förutsatt att de är placerade den ena ovanför den andra. Användningen av en reaktor med två överliggande sektioner enligt uppfin- ningen gör det möjligt att undvika de skrymmande och tunga byggnadsställningar som vanligen krävs för att lyfta upp reaktorerna med hänsyn till den efterföljande utrustningen för behandlingen av utflödet som kommer från syntesen.

Om en ammoniakinjektion skulle beräknas för den första strippningsanläggningen, måste denna strippningsanläggning tydligen enligt fig 3 och 4 ha ett ytterligare munstycke i den nedre delen, förbundet med rörledningen 21.

Följande exempel ges för att illustrera uppfinningen utan att emellertid begränsa denna.

EXEMPEL l Följande data hänför sig till en anläggning med en ut- gângskapacitet av 350 t/dygn av urea. Enligt fig l synte- 2 och vid 19o°c i en vertikal cylindrisk reaktor, försedd med gallerbottnar lämpliga tiseras urea vid 200 kp/cm att hålla axialflödet homogent och sålunda undvika en returblandning av reaktionsvätskan. Molförhållandet NH3iD2 i reaktorn är ca 5 och molförhållandet HZOECO2 är ca 0,5.

Ett totalt utbyte av 75 % erhålles. Mellanproduktsvätskan strömmar över beroende på tyngdkraften genom rörledningen 4 in i en vertikal tubbuntsvärmeväxlare, med inlopp från botten, uppvärmd av ånga 10 upp till 2lO°C, där kvarvarande karbamat nästan fullständigt sönderdelas. Sönderdelnings- gaserna och en del av NH3-överskottet återcirkuleras till- 446 978 9 baka till reaktorn genom rörledningen 3. Lösningen 6 strömmar ut ur gas-vätskesepareringstanken 17, förbunden med den övre änden av värmeväxlaren, passerar till en andra värmeväxlare, en tunnskikuärmeväxlare uppvärmd med ånga ll. I denna andra värmeväxlare avlägsnar 75 % av erforderlig C02, förvärmd till 200°C, nästan all kvar- varande NH3 och lösningen, som strömmar ut ur botten, passerar genom rörledningen 7 till vidare och vanliga processteg. I den andra strippningsanläggningen är tem- peraturen vid den övre änden ca 2lO°C och trycket ca 200 kp/cmz. Gasströmmen 9, som lämnar den övre änden av den andra strippningsanläggningen, strömmar in i konden- sorn tillsammans med gaserna 13, som kommer från reak- torns övre del och med en lösning 8 som kommer från efter- följande processteg. Kondensationsvärmen medger framställ- ning av ânga 12.

Kvarvarande gaser, som innehåller inerta ämnen (t ex kväve) avluftas från kondensorn genom rörledningen 14, medan lösningen som skall âtercirkuleras till reaktorn lämnar, beroende på tyngdkraften, kondensorn vid l70°C genom rörledningen 5.

Den förvärmda NH3-tillförseln överföres till reaktorn genom rörledningen l. Genom rörledningen 15, avgrenad från huvudledningen 16, tillföres resterande 25 % av erforderlig C02 direkt utan förvärmning till reaktorn.

Till reaktorn tillföres: 7 878 kg ammoniak förvärmd till l40°C genom rörledning l, 22 093 kg karbamatlösning vid l70°C genom rörledningen 5, vilken lösning har följande sammansättning: NH 46,31 Vikt% 3 C02 43,28 Vikt% H20 10,41 vikt% ll 607 kg ånga vid 200°C genom rörledningen 3, vilken ånga har följande sammansättning: NH3 78,69-vikcæ coz 16,24 viktæ H20 4,64 viktæ inerta ämnen 0,43 vikt% 446 978 2 570 kg C02 vid 1oo°c genøm rörleaningen 15.

Genom rörledningen 4 lämnar 43 609 kg urealösning vid l90°C reaktorn, vilken lösning har följande samman- sättning: NH3 42,98 vikt% C02 8,00 vikt% H20 16,29 vikt% urea 32,69 vikt% inerta ämnen 0,04 vikt% Genom rörledningen 6 strömmar 32 035 kg urealösning vid 2l0oC ut ur den första strippningsanläggningen, vilken lösning har följande sammansättning: NH3 30,00 vikt% '_ C02 5,00 vikt% H20 20,50 vikt% urea 44,50 vikt% Förutom urealösningen kommer 7 888 kg C02 in i den andra strippningsanläggningen genom rörledningen 2, medan genom rörledningen 7 23 042 kg urealösning med nedan an- givna sammansättning strömmar ut vid 2l0°C därur: NH3 5,97 Vikt% C02 4,97 Vikt% H20 27,20 Vikt% urea 61,86 vikt% såväl som genom rörledningen 9 16 879 kg ånga vid 2lO°C med följande sammansättning: NH3 48,79 vikt% C02 49,10 vikt% H20 1,78 vikt% inerta ämnen 0,33 vikt% Värmebehovet hos strippningsanläggningarna uppnås genom att genom rörledningen 10 tillföra 5 700 kg och genom rörledningen ll 2 800 kg mättad ånga vid 20 kp/cmz absolut tryck (ll 800 kg ånga vid 6 kp/cmz absolut tryck genereras i karbamatkondensorn).

EXEMPEL 2 Exempel l upprepas med användnflr;av som första stripp- xüxgsanläggning en vertikal tunnskiktsvärmeväxlare av tub- 446 978 ll buntstyp. Resultat analoga med de i exempel l erhölls.

EXEMPEL 3 De data som följer hänför sig till en anläggning med en utgångskapacitet av 240 t/dag av urea.

Enligt fig 2 syntetiseras urea vid 200 kp/cmz och l90°C i en vertikal cylindrisk reaktor uppdelad i två över var- andra liggande sektioner, försedda med gallerbottnar, vilka håller ett konstant homogent axiellt flöde, varvid retur- blandning av reaktionsvätskan undvikes. Molförhållandet NH3:CO2 molförhållandet H2O:CO2 hâlles omkring 0,5. Det totala utbytet är 78 %. Den vätskeformiga mellanprodukten ström- i den översta sektionen av reaktorn är ca 5, medan mar över genom tyngdkraften in i den underliggande reaktor- sektionen genom rörledningen 18 och från denna sektion pas- serar den därefter genom rörledningen 4 in i en värmeväx- lare genom ett botteninlopp, varvid denna värmeväxlare uppvärmes av ånga 10 upp till 2lO°C, varigenom kvarvarande karbamat nästan fullständigt sönderdelas. Sönderdelnings- gaserna och en del av överskottet av NH3 strömmar tillbaka in i reaktorn genom rörledningen 3. Lösningen 6, som strömmar ut ur botten av separatorn 17, strömmar in i en andra (tunnskikts) värmeväxlare, uppvärmd av ånga ll.

I denna andra värmeväxlare avlägsnar 80 % av erforderlig C02, medan lösningen som kommer från botten strömmar genom förvärmd till 200°C, nästan all kvarvarande NH3, rörledningen 7 mot ytterligare och vanligare steg i för- farandet. I den andra värmeväxlaren är den övre tempe- raturen ca 2lO°C och trycket ca 200 kp/cmz.

Gasströmmen, som lämnar den övre delen av den andra värmeväxlaren, strömmar in i kondensorn tillsammans med gaserna 13, som kommer från den övre delen av reaktorn och tillsammans med en lösning 8, som kommer från de efterföljande processtegen. Kondensationsvärmet medger framställning av ånga 12. Medan avluftningen av de kvar- varande gaserna från kondensorn lämnar denna senare genom ledningen 14, lämnar lösningen som skall återcirkuleras till reaktorn kondensorn genom tyngdkraften vid l70°C genom rörledningen 5. Erforderlig NH3 förvärmes och till- 446 978 33 Iforderlig CO 12 föres därefter till reaktorn genom rörledningen 1, som kommer från huvudledningen 20. Kvarvarande 20 % av er- 2 tillföres direkt utan förvärmning till reaktorn genom rörledningen 15, som skiljer sig från huvudledningen 16. Reaktorn matas med 670 kg förvärmd ammoniak vid l40°C genom rörledningen 1, 330 kg karbamatlösning vid 170oC genom rörledningen 5, vilken lösning har följande sammansättning: NH3 44,1 vikt% C02 45,3 vikt% H20 10,6 vika 7 110 kg ånga vid 200°C genom rörledningen 3, vilken ånga uppvisar följande sammansättning: NH3 80,5 vikt% C02 13,3 vikt% H20 6,2 vikt% 1 500 kg CO vid lOO°C genom rörledningen 15. 2 Från reaktorn genom rörledningen 4 strömmar det ut 29 610 kg urealösning vid l90°C med följande sammansätt- ning: NH3 42,4 vikt% C02 6,9 vikt% H20 17,1 vikt% urea 33,8 vikt% Från den första strippningsanläggningen strömmar det ut vid 2lO°C genom rörledningen 6 22 500 kg urealösning med följande sammansättning: NH3 30 vikt% C02 5 vikt% H20 20,5 vikt% urea 44,5 vikt% In i den andra strippningsanläggningen strömmar för- utom urealösningen 5 830 kg C02 genom rörledningen 2, medan genom rörledningen 7 strömmar det ut 16 080 kg urea- lösning vid 2oo°c med följande sammansättning; NH3 6,0 vikt% C02 5,0 vikt% H20 26,8 vikt% urea 62,2 vikt% 446 978 13 medan 12 250 kg ånga vid 200°C strömmar ut genom rörled- ningen 9 och uppvisar följande sammansättning: NH3 47,2 vikt% C02 50,1 Vikt% H20 2,7 vikt% Värmebehovet för strippningsanläggningarna uppnås genom att sända 3 400 kg mättad ånga vid 20 kp/cmz (abso- lut) genom rörledningen lO och l 900 kg genom rörled- ningen ll.

I karbamatkondensorn produceras 9 OOO kg ånga vid 6 kp/cm2 (absolut).

EXEMPEL 4 Exempel 3 upprepades med användning av som första strippningsanläggning en tunnskiktsvärmeväxlare liknande den som användes för det andra strippningssteget. Därvid erhölls samma resultat som i exempel 3, vilka helt och hållet var tillfredsställande.

EXEMPEL 5 Exempel 3 upprepades, varvid all förvärmd NH3 (vid l70°C) tillfördes till basen i den nedre sektionen i reak- torn genom rörledningen 19 som kommer från huvudledningen . Det var sålunda möjligt att uppnå ett molförhållande NH3: ett 80 %-igt omvandlingsutbyte.

C02 i denna nedre sektion av 7:1, varigenom erhölls EXEMPEL 6 Exempel 5 upprepades med användning av som första strippningsanläggning en vertikal tubbuntsvärmeväxlare av tunnskiktsvärmeväxlartyp, med ett munstycke (för in- strömning av utflödet som kommer från reaktorn) i den övre delen av värmeväxlaren och ett munstycke för utflöde av produkten, förbundet med rörledningen 6, på den nedre delen av värmeväxlaren. Därigenom erhölls resultat som var analoga med dem i exempel 5.

EXEMPEL 7 Exempel 4 upprepades varvid 45 % av den förvärmda ammoniaktillförseln (vid l70°C) sändes till basen av den nedre reaktionssektionen, medan den kvarvarande delen överfördes (vid l40°C) till basen av översta sektionen. lO 446 978 14 Därigenom erhölls resultat som låg emellan resultaten i exempel 4 och resultaten i exempel 6.

EXEMPEL 8 Följande data hänför sig till en anläggning med en utgângskapacitet av 350 t/dygn urea. Enligt fig 3 synte- tiseras urea vid 200 kp/cmz och vid l90°C i en vertikal cylindrisk reaktor försedd med gallerbottnar, vilka upp- rätthåller ett homogent axiellt flöde och sålunda und- viker en returblandning av reaktionsvätskan. Molförhållan- det NH :CO 3 2 är ca 0,5. Den vätskeformiga mellanprodukten strömmar i reaktorn är ca 5 och molförhållandet H20:C02 över beroende på tyngdkraften genom rörledningen 4 in i en vertikal tubbuntsvärmeväxlare, uppvärmd genom ånga 10 upp till 21000, varigenom kvarvarande karbamat nästan fullständigt sönderdelas, med hjälp av en ström av ammo- niak 21 förvärma via 2oo°c, lika med so S: av det stökig- metriska behovet. Sönderdelningsgaserna och en del av överskottet av NH âtercirkuleras tillbaka till reaktorn genom rörledningeâ 3. Lösningen 6 strömmar ut ur värme- växlaren, passerar till en andra värmeväxlare, en tunn- skiktsvärmeväxlare, uppvärmd med ånga ll. l denna andra värmeväxlare avlägsnar 75 % av erforderlig C02, förvärmd till 200°C, nästan all kvarvarande NH3 och lösningen, som strömmar ut ur botten, passerar genom rörledningen 7 till ytterligare och vanligare processteg. I den andra strippningsanläggningen är temperaturen vid den Övre delen ca 2lO°C och trycket ca 200 kp/cmz. Gasströmmen 9 som lämnar den övre delen av den andra strippningsanlägg- ningen strömmar in i en kondensor tillsammans med gaserna 13, som kommer från reaktorns övre del, och en lösning 8, som kommer från efterföljande processteg. Kondensations- värmet medger framställning av ånga 12. Kvarvarande gaser avluftas från kondensorn genom rörledningen 14, medan lösningen som skall återcirkuleras till reaktorn lämnar, beroende på tyngdkraften, kondensorn vid l70°C genom rör- ledningen 5.

Kvarvarande 50 % av NH3-tillförseln, förvärmd vid l40°C, överföres till reaktorn genom rörledningen 1. 446 978 Genom rörledningen 15, avgrenad från huvudledningen 16, tillföres kvarvarande 25 % av erforderlig C02 direkt utan förvärmning till reaktorn. Reaktorn matas med: 3 939 kg ammoniak förvärmd vid 14000, genom rörledningen l, 24 778 kg karbamatlösning vid l70°C, genom rörledningen 5, vilken lösning har följande sammansättning: NH3 51,7 viktæ cøz 39,0 viktæ H20 9,3 v1kt% 13 008 kg ånga vid 2lO°C, genom rörledningen 3, vilken ånga har följande sammansättning: NH3 81,3 vikt% C02 14,5 vikt% __H20 4,2 vikt% 2 537 kg CO vid l00°C, genom rörledningen 15. 2 Genom rörledningen 4 lämnar 43 593 kg urealösning vid 19000 reaktorn, vilken lösning har följande sammansättning: NH3 43,0 vikt% C02 8,0 vikt% H20 16,3 vikt% urea 32,7 vikt% Genom rörledningen 21 kommer en ström av 3 939 kg ammoniak förvärmd vid ZOOOC in i den första strippnings- anläggningen, varifrån 34 523 kg urealösning med följande sammansättning strömmar ut genom rörledningen 6: NH3 35,0 vikt% C02 4,6 vikt% H20 19,0 vikt% urea 41,4 vikt% Förutom urealösningen kommer 7 847 kg C02 in i den " andra strippningsanläggningen genom rörledningen 2, medan genom rörledningen 7 23 043 kg urealösning med den nedan angivna sammansättningen strömmar ut vid 2l0°C: NH3 6,0 vikt% C02 5,0 vikt% H20 27,1 vikt% urea 61,9 vikt% såväl som genom rörledningen 9 19 328 kg ånga vid 2l0°C, 446 978 16 vilken ånga har följande sammansättning: NH3 55,7 vikt% C02 42,7 Vikt% H20 1,6 vikt% Värmebehovet för strippningsæfläggningarna uppnås genom att till dessa genom rörledningen 10 sända 6 300 kg och genom rörledningen ll 2 600 kg mättad ånga vid 20 kp/cmz abs. (12 000 kg ånga vid 6 kp/cmz abs. genereras i karbamatkondensorn). Det totala omvandlingsutbytet är jämförbart med det i exempel 1.

EXEMPEL 9 Exempel 8 upprepades genom att tillföra 100 % erfor- derlig CO2 till den andra strippningsanläggningen. Resul- tat.analoga med dem i exempel 8 erhölls.

EXEMPEL lO ' Följande data hänför sig till en anläggning med ett utlopp av 240 t/dag av urea.

Enligt fig 4 syntetiseras urea vid 200 kp/cmz och vid l90°C i en vertikal cylindrisk reaktor uppdelad i två överliggande sektioner, försedda med gallerbottnar, vilka håller ett homogent axialflöde, vilket undviker retnr- :C02 i den övre sektionen i reaktorn är ca 5, medan molförhâl- blandning av reaktionsvätskan. Molförhållandet NH3 landet H20:C02 är ca 0,5. Den vätskeformiga mellanproduk- ten strömmar över genom tyngdkraften in i den underlig- gande sektionen genom rörledningen 18 och därifrån passe- rar den genom rörledningen 4 och efter en uppehållstid av ca 6 min in i en vertikal tubbuntsvärmeväxlare av tunn- skiktstyp, uppvärmd med ånga till 2l0°C, i vilken åter- stående karbamat nästan fullständigt sönderdelas, även med hjälp av en ammoniakström Zl, förvärmd vid l80°C, lika med ca 50 % av det stökiometriska behovet. Sönder- delningsgaserna och en del av NH3-överskottet strömmar tillbaka till reaktorn genom rörledningen 3. Lösningen 6, som strömmar ut genom botten av värmeväxlaren, passerar in i en andra värmeväxlare, likaså av tunnskiktstyp, förvärmd med ånga ll. I denna andra värmeväxlare avlägsnas ca 80 % av erforderlig C02, förvärmd vid 200°C, nästan all kvar- 446 978 17 varande NH3 och lösningen, som strömmar ut ur botten, passerar genom rörledningen 7 till ytterligare och vanliga processteg. I den andra värmeväxlaren är den översta tem- peraturen ca 2l0°C och trycket ca 200 kp/cmz. Gasströmmen 9, som lämnar den övre delen av den andra värmeväxlaren, passerar till en kondensor tillsammans med avluftnings- gaser 13, som kommer från den övre delen av reaktorn, och en lösning 8, som kommer från ytterligare processteg.

Kondensationsvärmet medger framställning av ånga 12.

Kvarvarande gaser avluftas genom rörledningen 14, medan lösningen som skall återcirkuleras tillbaka till reaktorn lämnar kondensorn genom tyngdkraften vid l70°C genom rör- ledningen 5. Hela den kvarvarande delen av NH3-tillför- seln, förvärmd vid l40°C, sänds till reaktorn genom rör- ledningen l. Medelst rörledningen 15, som går från huvud- ledningen 16, tillföres kvarvarande 20 % av erforderlig C02 direkt in i reaktorn utan någon förvärmning. Reaktorn matas med: 3 O00 kg förvärmd ammoniak vid 140°C, genom rörledningen 1, 16 210 kg karbamatlösning vid l70oC, genom rörledningen 5, vilken lösning har följande sammansättning: NH3 47,8 Vikt% C02 42,1 vikt% H O 10,1 Vikt% 2 8 900 kg ånga vid 200°C, genom rörledningen 3, med föl- jande sammansättning: NH3 83,2 vikt% C02 11,9 vikt% H20 4,9 vikt% 1 500 kg C02 vid lO0°C, genom rörledningen 15.

Från reaktorn, genom rörledningen 4, strömmar ut 29 610 kg urealösning vid l90°C med följande samman- sättning: NH3 42,2 vikt% C02 6,9 vikt% H20 17,1 vikt% urea 33,8 vikta 446 978 18 En ström av 2 evo kg ammøniak, förvärma vid 1so°c, kommer in genom rörledningen 21 till den första stripp- ningsanläggningen, från vilken utströmmar genom rörled- ningen 6 23 380 kg urealösning med följande sammansättning: NH3 32,1 vikt% _CO2 4,3 vikt% H20 20,8 vikt% urea 42,8 vikt% Förutom urealösningen kommer 5 830 kg C02, som ström- mar in genom ledningen 2, in i den andra strippningsan- läggningen, medan från samma strippningsanläggning ström- mar ut vid 200°C, genom rörledningen 7, 16 080 kg urea- lösning med följande sammansättning: ' NH3 6,0 vikt% C02 5,0 vikt% H20 26,8 vikt% urea 62,2 vikt% och 13 l30 kg ånga vid 200°C, följande sammansättning: genom rörledningen 9, med NH3 51,7 Vikt% C02 45,6 Vikt% H20 2,3 Vikt% Värmebehovet för strippningsanläggningarna uppnås genom att sända 3 600 kg mättad ånga vid 20 kp/cmz (abs.) genom rörledningen 10 och 2 000 kg genom rörledningen ll.

I karbamatkondensorn produceras 92 000 kg ånga vid 6 kp/cm2 (abs.). Hela omvandlingsutbytet i reaktorn är ca 78 %.

EXEMPEL ll Exempel l0 upprepades med tillförsel av 100 % av C02- mängden in i den andra strippningsanläggningen. Man erhöll nästan samma resultat som i exempel 10.

EXEMPEL l2 Exempel 10 upprepades genom att tillföra 50 % av NH3- tillförseln, förvärmd vid l70°C, till basen i den lägre sektionen i reaktorn, genom rörledningen 19. Därigenom var det möjligt att uppnå ett molförhâllande NH3:CO2 i denna lägre sektion lika med 7:1, varvid erhölls ett 446 978 19 utbyte av ca 80 %.

EXEMPEL l 3 Exempel lO upprepades varvid 25 % av ammoniaktillför- seln, förvärmd vid l70°C, sändes till basen i den lägre sektionen i reaktorn och samma mängd ammoniak, förvärmd vid l40°C, till basen i den övre sektionen. Man erhöll sålunda medelresultat som låg mellan resultaten i exempel och resultaten i exempel 12.

Claims (11)

446 978 10 15 20 25 30 20 PATENTKRAV
1. l. Isobariskt dubbelàtercirkulationsförfarande för synteti- sering av urea under bildning av ammoniumkarbamat som mellanprodukt, omfattande reaktion mellan ammoniak och koldioxid vid 170-205°C och 100-250 kg/cmz med höga förhållanden NH3:CO2, en värmebehandling av syntespro- dukten, huvudsakligen vid samma tryck som syntesen och i närvaro av en strippningsgas, och två distinkta iso- bariska återcirkulationer av kvarvarande ämnen och av ämnen och av ämnen i överskott, som frigjorts från syntes- produkten, vilket förfarande k ä n n e t e c k n a s av att a) behandlingen av syntesprodukten genomföres i två på varandra följande steg, vilka är isobariska i för- hållande till syntesen, varvid i det första steget produk- ten värmes, varigenom huvusakligen allt kvarvarande karbamat sönderdelas och sönderdelningsprodukterna av- lägsnas tillsammans med en del av NH3-överskottet, medan i det andra steget den kvarvarande delen av NH3-över- skottet avlägsnas genom att tillföra ytterligare värme och genom att injicera en C02-ström, som ligger inom området 10-100 % av syntesens behov, b) gasfasen som avdragits i det första steget omedelbart återcirkuleras till syntesen och gasfasen som avdragits i det andra steget utsättes för en kondensation och för en avluftning av kvarvarande gas innan denna också åter- cirkuleras, i vätskeformigt tillstånd, till syntesen, och c) det höga molförhállandet NH3:CO2 ligger inom området 2,5-10, och företrädesvis 4-7. _
2. 2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att C02-strömmen, som tillföres till det andra behand- lingssteget (andra avdragningen) är 50-90 % av syntesens behov, varvid den kvarvarande delen tillföres direkt till syntesen eller det första behandlingssteget (första avdragningen). 10 15 20 25 30 35 446 978 21
3. 3. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att syntesen av urea genomföres i tvá olika, efter varandra följande och på varandra belägna zoner, varvid till den första av dessa, som ligger över den andra, två isobariska àtercirkulationer tillföres, varigenom dehydratiseringen till urea av den största delen av karbamatet genomföres, medan i den andra zonen, varvid man opererar vid förhållanden NH3:CO2 som är lika med eller högre än dem i föregående zon, avslutningen av dehydratiseringen genomföres huvudsakligen tills man när jämnviktsnivån. k ä n n e t e c k n a t i det
4. 4. Förfarande enligt krav l, av att under avdragningen av överskottet av NH3 första steget av den isobariska behandlingen injiceras en viss mängd ammoniak in i lösningen som skall avdragas.
5. 5. Förfarande enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t av att syntesen genomföres i tvâ olika (över varandra belägna) är 4-7 i den första och översta zonen och 5-8 i den andra zonen. zoner och vari molförhállandet NH3:CO2
6. 6. Förfarande enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a t av att överskottet av ammoniak som är lösligt i vätske- fasen utvinnes i det första av de båda strippningsstegen och därefter tillföres till den översta synteszonen, varvid ett medelvärde av molförhàllandet NH3:CO2 av 5:1-8:1 erhålles genom att tillföra en del av den för- värmda ammoniaken till den översta zonen och en del till den understa zonen.
7. 7. Förfarande enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t av att temperaturen för NH3-tillförseln till den understa zonen är högre än till den översta zonen.
8. 8. Apparat för genomförande av förfarandet enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att den omfattar a) en cylindrisk och vertikal reaktor försedd med anord- ningar för inlopp, genom en rörledning (1), av en till- förselström, med ett annat valfritt inloppsmunstycke förbundet med en rörledning (15) pà reaktorbotten med ett vätskeâtercirkuleringsmunstycke förbundet med en 446 978 10 15 20 25 30 35 22 rörledning (5) pà reaktorbotten, med ett gasàtercirku- leringsmunstycke förbundet med en rörledning (3) på reaktorbasen, med ett avluftningsmunstycke förbundet med en rörledning (13) vid reaktorns övre del och med ett bräddavloppsfallrör, som förbinder reaktorns övre del med strippningsanläggningen (b) nedan, b) en första strippningsanläggning, bestående av en verti- kal tubbuntsvärmeväxlare med inlopp från botten, förbunden med en separeringstank (17), där separationen av en gasfas från vätskefasen uppträder, c) en andra strippningsanläggning, bestående av en andra värmeväxlare, försedd med ett munstycke för inlopp av strippningsmedlet, förbundet med en rörledning (2) och an- ordnat i den nedre delen av apparaten, vilken andra stripp- ningsanläggning företrädesvis är en tunnskiktsvärmeväxlare av tubbunttyp, d) en kondensor för gaserna som strömmar frán den andra strippningsanläggningen.
9. 9. Apparat enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d av att reaktorn under a) är uppdelad i två över varandra belägna sektioner och är försedd med lämpliga medel för alternativt eller samtidigt inlopp in i de båda sektio- nerna, genom rörledningar (l och/eller 19), av en till- förselström som kommer från huvudledningen (20), med ett annat inloppsmunstycke förbundet med en rörledning (l5) på botten av den övre sektionen, med ett vâtskeàtercirku- leringsmunstycke förbundet med en rörledning (5) på botten av den övre sektionen, med ett gasátercirkuleringsmun- stycke förbundet med en rörledning (3) vid botten av den övre sektionen, med ett avluftningsmunstycke förbundet med en rörledning (13) vid den övre delen av den övre sektio- nen, med ett utloppsmunstycke för produkten förbundet med en rörledning (4) vid den övre delen av den nedre sektio- nen och med ett bräddavloppsfallrör (18), som direkt för- binder den övre delen av den övre sektionen med botten av den nedre sektionen. 446 978 23
10. 10. Apparat enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d av användningen av en tunnskiktsvärmeväxlare för den första strippningsanläggningen (b).
11. ll. Apparat enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a d av att den första strippningsanläggningen (b), bestående av en tunnskiktsvärmeväxlare, är försedd med ett mun- stycke i den nedre delen och förbundet med en rörledning (21) för extra injektion av ammoniak eller C02, om sådan önskas.