WO2025252595A1 - System und verfahren zur bereitstellung von dampf in einer harnstoffproduktionsanlage sowie harnstoffproduktionsanlage - Google Patents

System und verfahren zur bereitstellung von dampf in einer harnstoffproduktionsanlage sowie harnstoffproduktionsanlage

Info

Publication number
WO2025252595A1
WO2025252595A1 PCT/EP2025/064938 EP2025064938W WO2025252595A1 WO 2025252595 A1 WO2025252595 A1 WO 2025252595A1 EP 2025064938 W EP2025064938 W EP 2025064938W WO 2025252595 A1 WO2025252595 A1 WO 2025252595A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
steam
pressure level
drum
condensate
steam drum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2025/064938
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
René Marschner
Marc Wieschalla
Torben Hector
Kerstin Steimann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Uhde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102024115538.8A external-priority patent/DE102024115538A1/de
Priority claimed from LU103310A external-priority patent/LU103310B1/de
Application filed by ThyssenKrupp AG, ThyssenKrupp Uhde GmbH filed Critical ThyssenKrupp AG
Publication of WO2025252595A1 publication Critical patent/WO2025252595A1/de
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C273/00—Preparation of urea or its derivatives, i.e. compounds containing any of the groups, the nitrogen atoms not being part of nitro or nitroso groups
    • C07C273/02—Preparation of urea or its derivatives, i.e. compounds containing any of the groups, the nitrogen atoms not being part of nitro or nitroso groups of urea, its salts, complexes or addition compounds
    • C07C273/04—Preparation of urea or its derivatives, i.e. compounds containing any of the groups, the nitrogen atoms not being part of nitro or nitroso groups of urea, its salts, complexes or addition compounds from carbon dioxide and ammonia

Definitions

  • the invention relates to a system and a method for providing steam in a urea production plant, as well as a urea production plant with such a system.
  • urea which is known to be produced by a urea synthesis process.
  • Urea is synthesized by the reaction of ammonia ( NH3 ) and carbon dioxide (CO2).
  • An example of urea production is known from EP 3 656 759 Al, which uses a stripping process in which a carbamate-containing solution of urea exiting a reactor is processed in a steam-heated stripper.
  • a natural gas-fired steam generator such as a boiler
  • This steam is typically used in a high-pressure synthesis process for a stripper, such as an NH3 or CC stripper.
  • burning natural gas to generate steam has the disadvantage of releasing a large amount of CO2.
  • urea plants are equipped with a cooling system because they require large amounts of cooling capacity, typically around 630 kilowatts per ton of the produced urea. presented products. In such existing plants, unused energy is usually released into the environment via cooling towers.
  • the invention is therefore based on the objective of providing a system for supplying steam in a urea production plant in which CO2 emissions are at least reduced and which exhibits increased efficiency through heat recovery for steam generation.
  • the invention is further based on the objective of providing a urea production plant with such a system, as well as a method for supplying steam in a urea production plant.
  • this problem is solved with regard to the system by the subject matter of claim 1.
  • the aforementioned problem is solved by the subject matter of claim 12 (urea production plant) and claim 13 (process), respectively.
  • a system for providing steam in a urea production plant, in particular for urea synthesis comprising the following:
  • At least one first steam drum adapted to receive steam of a first pressure level and supply it to a stripper, in particular an NH3 or CO2 stripper, for urea synthesis;
  • the system further comprises:
  • At least one compressor unit connected to the second steam drum and adapted to increase the steam of the second pressure level to the first, higher pressure level by compression, with the compressor unit being located upstream of the first steam drum in the direction of flow;
  • At least one heat transfer unit in particular a heat pump, which supplies at least one second steam drum is installed upstream and adapted to transfer heat, in particular from at least one cooling water circuit and/or at least one media stream, to steam condensate from a collection tank of the system in such a way that steam of the second pressure level is produced for further use.
  • a key advantage of the invention is that the compressor unit uses and compresses steam from a lower, second pressure level, resulting from the urea synthesis process, to raise it to a higher, first pressure level.
  • the compressor unit is connected to the second steam drum, which contains the steam from the second pressure level.
  • the compressed steam from the first pressure level is then fed to the first steam drum, which in turn supplies the stripper for a stripping process.
  • This corresponds to the normal operation of the system, in which the urea production plant is preferably operating at full capacity.
  • the system may be temporarily connected to an external steam generator, which is then switched off after the start-up phase or once the urea production plant has been ramped up. Additionally or alternatively, the system may draw steam from an ammonia production plant during the start-up phase, for example, until the urea production plant is fully operational.
  • the compressor unit is preferably designed to generate steam of a first pressure level with an absolute pressure of 12 bar a to 20 bar a, more preferably an absolute pressure of 15 bar a to 19 bar a.
  • the compression ratio is preferably 1:4.
  • the steam of the second pressure level which the compressor unit draws from the second steam drum and compresses to steam of the first pressure level, preferably has an absolute pressure of 2.5 bar a to 6 bar a, in particular 3 bar a to 5 bar a, more preferably approximately 4 bar a.
  • the steam of the second pressure level is conventionally referred to as low-pressure steam.
  • the compression process also results in a temperature increase of the steam at the second pressure level.
  • the steam In particular, superheated steam from the first, elevated pressure level is present. This steam is then fed to the first steam drum and exists there as saturated steam.
  • the compressor unit is configured such that the compression of the steam at the second pressure level to steam at the first pressure level is carried out by several compressor stages.
  • the compressor unit can therefore comprise several, in particular at least two, preferably at least three, and most preferably at least four, steam compressors, which are, for example, connected in series.
  • the steam compression it is possible for the steam compression to be carried out in a single stage, namely by a single steam compressor.
  • the compression unit and the use of steam generated in the urea synthesis process eliminate the need for an external steam generator, which, as is known from the prior art, is powered by the combustion of natural gas. This has the significant advantage of drastically reducing or even completely eliminating CC emissions associated with steam generation. Furthermore, the system's efficiency is increased by reusing steam generated in the process.
  • the system includes a heat transfer unit that transfers heat from a fluid stream of the urea production plant to steam condensate from a collection tank of the system for the formation of steam at the second pressure level.
  • the heat transfer unit is preferably adapted to extract heat from at least one cooling water circuit and transfer it to steam condensate from the system's collection tank for the formation of steam at the second pressure level.
  • the system can be coupled to at least one cooling water circuit of the urea production plant via the heat transfer unit, which preferably includes at least one heat pump.
  • the cooling water circuit comprises cooling water used for cooling in the urea synthesis process.
  • the cooling water serves as the heat transfer medium, with the heat transfer unit extracting heat from the cooling water after a cooling process in the urea synthesis, during which the cooling water is heated, and transferring this heat to steam condensate, which, for example, has a temperature of approximately 99°C, from a collection tank.
  • the heat transfer unit heats the steam condensate in such a way that steam of the second pressure level is produced. It is possible that the heat transfer unit is coupled to several cooling water circuits, which, for example, operate at different temperature levels within the urea production plant.
  • the system can, for example, have several heat transfer units coupled to several cooling circuits, which, for example, operate at different temperature levels within the urea production plant, for heat transfer to the steam condensate from the collection tank.
  • the heat transfer unit can be coupled to at least one condensate system carrying process condensates from the urea plant and/or to at least one media system carrying media flows from the urea plant in order to transfer heat to the steam condensate from the collection tank for the formation of the steam at the second pressure level.
  • the heat transfer unit can therefore be adapted to extract heat from at least one condensate system and/or at least one media system of the urea production plant and transfer it to steam condensate from the system's collection tank for the formation of the steam at the second pressure level.
  • the heat transfer unit preferably comprises at least one heat pump.
  • the heat pump can include at least one water heat exchanger on the cooling water circuit side, particularly on the condensate system and/or the media system, to extract heat from the cooling water and transfer it to a heat transfer medium of the heat pump.
  • the heat pump can include a further (water) heat exchanger that transfers the absorbed heat to the steam condensate from the collection tank in such a way that it evaporates into steam at the second pressure level.
  • the heat pump can have at least one compressor for compressing the heat transfer medium and at least one expansion valve for reducing the pressure of the heat transfer medium.
  • the heat transfer unit is located upstream of the second steam drum, so that the steam generated by the heat transfer at the second pressure level is fed into the second steam drum.
  • the heat transfer unit thus recovers heat, which is used to provide low-pressure steam for other consumers or for the To provide a compressor unit. This reduces energy loss in the urea production plant and significantly increases the system's efficiency, particularly because it generates additional quantities of low-pressure steam that can be used throughout the entire urea production plant. This has a positive impact on CC emissions, among other things.
  • compressor unit and/or the heat transfer unit can be integrated into existing plants, i.e., into existing urea production plants, with minimal effort, without requiring any significant modification of the plants or the synthesis process.
  • the compressor unit comprises at least one steam compressor, and in particular several steam compressors, driven by an electric motor, which uses, and preferably exclusively uses, electricity from renewable energy sources for its operation.
  • the electric motor of the steam compressor is preferably powered by electricity generated from renewable energy sources.
  • the electric motor is powered by electricity from solar energy, wind energy, and/or hydropower, in particular from run-of-river power plants and/or pumped-storage power plants.
  • the electric motor can be powered by electricity from marine energy, such as wave and/or tidal power plants.
  • the power input for a urea production plant with a production volume of 3900 tons per day is approximately 18.4 megawatts, i.e., approximately 114 kilowatts per ton of product (urea) produced, to provide a required steam quantity of approximately 129 tons per hour at an absolute pressure of 19 bar a.
  • the compressor unit with its electrically driven steam compressor is designed accordingly to generate the required steam quantity.
  • the heat transfer unit in particular the heat pump, uses, and in particular exclusively uses, electricity from renewable energy sources for its operation.
  • the heat transfer unit is operated with electricity from at least one or more of the renewable energy sources described above, which further reduces CC emissions.
  • the first steam drum is adapted to collect steam condensate from the stripper and make it available for further use.
  • the first steam drum is further adapted to saturate the (superheated) steam of the first pressure level before it is fed to the stripper.
  • the steam condensate has a first pressure level and is made available for further processing by a downstream unit, in particular a third steam drum.
  • a further steam drum can be provided and adapted to collect steam condensate of a first pressure level from the stripper and make it available for further use.
  • the collected steam condensate can be partially evaporated by pressure reduction, particularly expansion, to provide steam for other steam consumers.
  • the (respective) steam drum is preferably connected to the stripper via a supply line for steam and/or a return line for the steam condensate.
  • the second steam drum is adapted to receive steam of the second pressure level and/or steam condensate and to reduce the pressure level of the steam condensate, in particular to expand it, so that steam of the second pressure level is produced.
  • the steam drum reduces the pressure such that a portion of the received steam condensate evaporates.
  • this results in steam of the second pressure level, which is then compressed by the compressor unit to the first pressure level to supply steam to the stripper.
  • the second steam drum preferably has at least one first connection for receiving steam of the second pressure level and a second connection for receiving steam condensate from an upstream unit, in particular the third and/or first steam drum. Steam generation to supply the stripper thus uses condensate from the system itself, without obtaining steam from an external steam generator.
  • At least two first steam drums and/or at least two second steam drums can be provided.
  • a heat transfer unit particularly of the type described above, can be connected upstream of each second steam drum.
  • the two second steam drums can operate at the same pressure level. It is possible for the two second steam drums to be identical.
  • At least the first and second steam drums and the compressor unit form a closed circuit, particularly during normal operation.
  • the second steam drum provides steam at the second pressure level, i.e., low-pressure steam.
  • the compressor unit is located downstream of the second steam drum in the direction of flow and is connected to it for steam extraction, for example, via a steam line. Furthermore, the compressor unit is located upstream of the first steam drum in the direction of flow and is connected to it for steam supply, for example, via a line.
  • the compressor unit extracts steam at the second pressure level from the second steam drum and increases its pressure, so that the compressor unit supplies steam at the first pressure level to the first steam drum.
  • the first steam drum supplies the stripper with compressed steam at the first pressure level and directs the steam condensate generated during heat transfer at the stripper towards the second steam drum. This can be done directly, i.e., without an intervening third steam drum, or indirectly with an intervening third steam drum.
  • the expansion of the steam condensate in the second steam drum produces low-pressure steam, which is then recirculated as described above. Therefore, no external steam generators are necessary to supply the stripper with sufficiently compressed steam.
  • steam flows from the second steam drum to the compressor unit and from the compressor unit to the first steam drum, in particular exclusively. as a medium and between the steam drums, in particular exclusively, steam condensate.
  • the second steam drum is coupled or can be coupled to a urea synthesis condenser, in particular a carbamate condenser, such that the condenser evaporates at least a portion of the steam condensate contained in the second steam drum into steam at the second pressure level, which is then returned to the second steam drum.
  • a urea synthesis condenser in particular a carbamate condenser
  • the condenser evaporates at least a portion of the steam condensate contained in the second steam drum into steam at the second pressure level, which is then returned to the second steam drum.
  • This allows the remaining steam condensate in the second steam drum, after expansion, to be fed to the condenser and used to generate low-pressure steam. This increases the efficiency of steam supply in the system.
  • the evaporation of the remaining steam condensate preferably occurs through exothermic heat of reaction from the condenser.
  • the collection tank is preferably connected to the second steam drum by a pipe, with the heat transfer unit arranged between the second steam drum and the collection tank.
  • the heat transfer unit is coupled to the cooling water circuit on one side and to the steam condensate line from the collection tank on the other.
  • the heat transfer unit is particularly preferably integrated into the pipe near the second steam drum to feed the generated low-pressure steam into the second steam drum with minimal loss.
  • This third steam drum is adapted to receive steam condensate from the first steam drum and to reduce the pressure level of the steam condensate, in particular by expanding it, so that steam of a third pressure level is produced.
  • the third steam drum enables the utilization of the steam condensate from the first steam drum, forming an intermediate stage.
  • the steam condensate from the first steam drum is thus expanded stepwise before reaching the second steam drum. This allows for improved utilization of the steam condensate at the first pressure level.
  • the third steam drum can reduce the steam condensate from the first steam drum to... This allows steam to be produced at an absolute pressure of approximately 9 bar a. Other pressure ranges between 19 bar a and 4 bar a are possible.
  • the second and/or third steam drum can each be connected to at least one steam consumer unit, in particular a heat exchanger, with the steam consumer unit(s) being connected to a collection tank for draining steam condensate.
  • the steam drums thus supply steam at different pressure levels to the corresponding steam consumers of the urea production plant.
  • the resulting steam condensate from the steam consumers is collected in the collection tank and fed to the heat transfer unit for steam generation.
  • the steam condensate from the other steam consumers in the plant is also used to generate low-pressure steam for the compression unit or other consumers.
  • the system comprises at least one further compressor unit connected to the second steam drum and adapted to increase a portion of the steam contained therein at the second pressure level by compression to a fourth, higher pressure level and to supply it for further use to at least one external steam consumer, in particular one independent of the urea production plant.
  • This makes it possible to compress the low-pressure steam from the second steam drum and supply it to further steam consumers outside the urea production plant.
  • the additional compressor unit can be arranged downstream of the compressor unit in the direction of flow, in particular downstream of it, and increase a diverted partial flow of the compressed steam to a further pressure level.
  • the invention relates to a urea production plant with at least one system of the type described above, wherein the urea production plant comprises at least one stripper, in particular an NH3 or CC stripper, or a recirculation heater for heating recycled carbamate, at least one reactor in which ammonia ( NH3 ) and carbon dioxide (CO2) react at a specific reaction pressure to form an aqueous urea solution, and comprising at least one condenser for condensing a gaseous phase, wherein the stripper, the reactor and the condenser form a synthesis cycle.
  • the urea production plant comprises at least one stripper, in particular an NH3 or CC stripper, or a recirculation heater for heating recycled carbamate, at least one reactor in which ammonia ( NH3 ) and carbon dioxide (CO2) react at a specific reaction pressure to form an aqueous urea solution, and comprising at least one condenser for condensing a gaseous phase, wherein
  • the recirculation heater preferably heats the recycled carbamate before it is fed to the reactor or the carbamate condenser.
  • the reactor and the condenser can form a single unit. This may be the case, in particular, for some, e.g., smaller, plant types.
  • the invention relates to a method for providing steam in a urea production plant, in particular for urea synthesis, in which
  • a stripper in particular an NH3 or CO2 stripper, for urea synthesis, is supplied with steam of a first, in particular high, pressure level, which is used for a stripping process;
  • the steam of the second pressure level is compressed by at least one compressor unit to steam of the first, in particular higher, pressure level, which in turn is fed to the stripper for the stripping process;
  • Heat is transferred by at least one heat transfer unit, in particular a heat pump, to steam condensate from a collection tank of the urea production plant in such a way that steam of the second pressure level is produced, which in turn is made available for further use, in particular the compression unit and/or other steam consumers.
  • a heat transfer unit in particular a heat pump
  • the method is carried out using a system of the type described above.
  • the method is then preferably carried out such that - at least one first steam drum takes in steam of a first pressure level and supplies it to a stripper, in particular an NH3 or CC stripper, for urea synthesis;
  • At least one compressor unit increases the steam of the second pressure level from the second steam drum to the first, higher pressure level by at least one compression step and supplies this to the first steam drum for the steam supply of the stripper;
  • At least one heat transfer unit in particular a heat pump, transfers heat to steam condensate from a collection tank of the urea production plant in such a way that steam of the second pressure level is produced, which in turn is fed to the second steam drum for further use.
  • the heat transfer unit extracts heat from a cooling water circuit and/or at least one media stream, in particular process condensates and/or process streams, of the urea production plant and transfers this heat to the steam condensate from the collection tank to form steam of the second pressure level.
  • urea production plant and the process are described in relation to the system.
  • the urea production plant and the process may alternatively or additionally exhibit one or a combination of several of the features previously mentioned in relation to the system.
  • FIG. 1 shows a process flow diagram of a system 10 for providing of steam in a urea production plant 100 according to a preferred embodiment according to the invention.
  • Fig. 1 shows a part of a urea production plant 100 with a system 10 according to the invention, which relates to the steam management in the plant 100.
  • the urea production plant 100 hereinafter referred to as urea plant 100, comprises a stripper 101, in particular an NH3 or CO2 stripper, a reactor (not shown) in which ammonia (NH3 ) and carbon dioxide (CO2 ) react at a specific reaction pressure to form an aqueous urea solution, and a condenser 103, in particular a carbamate condenser, for condensing a gaseous phase, wherein the stripper 101, the reactor, and the condenser 103 form a synthesis cycle.
  • the prevailing condensation pressure in the condenser 103 is between 120 bar and 180 bar, preferably between 130 bar and 160 bar.
  • the processes are preferably isobaric.
  • the urea plant 100 comprises system 10.
  • System 10 serves to provide steam in the urea plant 100 without using a natural gas-powered steam generator, in particular a natural gas-powered boiler, for steam generation.
  • system 10 is optimized in such a way that, through heat recovery from a cooling water system 102, in particular a residual heat distribution system or a cooling water system (102) and a process condensate-carrying system, steam condensate from the system 100 is evaporated and thus steam of a further specific pressure level, in particular low-pressure steam, is generated for further use in the urea plant 100 or in external steam consumers independent of the urea plant 100.
  • System 10 comprises a first steam drum 11, which receives steam Dl at a first pressure level and supplies it to the stripper 101 for urea synthesis.
  • the first steam drum 11 also collects steam condensate DK1 (at a first pressure level) generated in or on the stripper 101 and makes it available for further use in system 10.
  • the steam condensate DK1 is produced by heat transfer from the steam Dl to the stripper 101.
  • the first steam drum 11 is connected to the stripper 101 by a supply line 22 and a return line 23.
  • the vapor Dl of the first pressure level is preferably a saturated vapor with an absolute pressure of 12 bar a to 20 bar a, preferably an absolute pressure of 15 bar a to 19 bar a.
  • System 10 comprises a compressor unit 13 for compressing low-pressure steam, or steam D2 of a second pressure level, which is located upstream of the first steam drum 11 in the flow direction SR.
  • the compressor unit 13 is connected to the first steam drum 11 by a first steam line 26, preferably directly.
  • the compressor unit 13 is designed to generate steam D1 of a first pressure level with an absolute pressure of 12 bar a to 20 bar a, preferably an absolute pressure of 15 bar a to 19 bar a.
  • the compression ratio is preferably 1:4.
  • the steam D2 of the second pressure level which the compressor unit 13 draws from a second steam drum 12 and compresses to the first pressure level to form steam D1 has an absolute pressure of 2.5 bar a to 6 bar a, preferably 3 bar a to 5 bar a, and preferably substantially 4 bar a.
  • the steam D2 of the second pressure level is referred to as low-pressure steam.
  • the second steam drum 12 and the generation of steam D2 (low-pressure steam) will be discussed in more detail later.
  • the compressor unit 13 is designed such that the compression of the steam D2 from the second pressure level to the first pressure level is carried out by several compressor stages.
  • the compressor unit 13 can comprise several, in particular at least two, preferably at least three, and most preferably at least four, steam compressors, which are, for example, connected in series. Alternatively, it is possible for the steam compression to take place in a single stage, namely by a single steam compressor.
  • Each steam compressor has an electric motor as its drive.
  • System 10 comprises two further steam drums 12, 17, which are connected downstream of the first steam drum 11 in the flow direction SR. Specifically, as can be seen in Fig. 1, system 10 has a second steam drum 12 and a third steam drum 17, which is arranged between the first and the second steam drums 11, 12. The first steam drum 11 is connected to the second steam drum 12 via the third steam drum 17 for the purpose of transferring steam condensate.
  • the third steam drum 17 is directly connected downstream of the first steam drum 11 in the flow direction SR, with the first steam drum 11 being connected to the third steam drum 17 by a first condensate line 24 for transferring the steam condensate DK1 of the first pressure level collected in the first steam drum 11.
  • the steam condensate DK1 of the first pressure level has, for example, a pressure of 10 bar to 20 bar, in particular from 12 bar to 19 bar or from 14 bar to 16 bar.
  • the steam condensate DK1 from the first steam drum 11 is gradually depressurized, i.e., the pressure of the steam condensate DK1 is progressively reduced to provide steam D2, D3 at different pressure levels for further use in the urea plant 100. This process is also referred to as pressure depressurization.
  • the pressure of the steam condensate DK1 of the first pressure level in the third steam drum 17 is reduced such that the steam condensate DK1 partially evaporates.
  • the steam D3 of the third pressure level is preferably steam with an absolute pressure of 6 bar a to 12 bar a, in particular 8 bar a to 10 bar a, but preferably of approximately 9 bar a.
  • the third steam drum 17 is further adapted to collect the steam condensate DK3 remaining after the pressure reduction of the steam condensate DK1 from the first steam drum 11, which has a lower, third pressure level than the steam condensate DK1 from the first steam drum 11.
  • the second and third steam drums 12, 17 are connected to each other for transferring the steam condensate DK3 of the third pressure level.
  • the second steam drum 12 is directly downstream of the third steam drum 17 in the flow direction SR, with the third being connected to the second steam drum 17, 12 by a second condensate line 25 for transferring the steam condensate DK3 of the third pressure level collected in the third steam drum 17.
  • the second steam drum 12 is indirectly downstream of the first steam drum 11 in the flow direction SR.
  • the second steam drum 12 is adapted to reduce the pressure of the absorbed steam condensate DK3 of the third pressure level such that the steam condensate DK3 partially evaporates.
  • the steam D2 of the second pressure level is preferably steam with an absolute pressure of 2 bar a to 6 bar a, in particular 3 bar a to 5 bar a, but preferably of approximately 4 bar a.
  • Steam condensate DK2 in the second steam drum 12 is collected.
  • Steam condensate DK2 has a second pressure level that is lower than the pressure level of steam condensate DK3 from the third steam drum 17.
  • the second steam drum 12 is heat-transferred coupled to the condenser 103 of the urea plant 100. Specifically, the second steam drum 12 is connected to the condenser 103 in such a way that the steam condensate DK2 collected in the steam drum 12 at the second pressure level is fed to the condenser 103. The fed steam condensate DK2 is reacted by exothermic reactions. The heat from the condenser 103 evaporates, producing steam D2 at the second pressure level, which is then returned to the second steam drum 12. This results in a particularly high utilization rate for the steam condensate DK1, DK2, and DK3 produced in system 10.
  • a pump 104 is provided between the steam drum 12 and the condenser 103 to extract the remaining steam condensate DK2 from the second steam drum 12.
  • the compressor unit 13 draws steam D2 of the second pressure level from the second steam drum 12 in order to compress it to steam D1 of the first pressure level, i.e., to increase its pressure level to the first pressure level, and supply it to the first steam drum 11.
  • the compressor unit 13 can extract at least a portion of the steam D2, or low-pressure steam, contained in the second steam drum 12 to generate the necessary motive steam, i.e., the steam D1 of the first pressure level.
  • the compressor unit 13 is connected to the second steam drum 12 by a second steam line 33, in particular directly.
  • the compressor unit 13 is thus located downstream of the second steam drum 12 in the flow direction SR and upstream of the first steam drum 11 in the flow direction SR. In other words, the compressor unit 13 is arranged between the second and first steam drums 11, 12.
  • the steam drums 11, 12, 17 and the compressor unit 13 thus form a closed circuit, in particular a steam circuit, to supply the stripper 101 for the stripping process with steam D1, which is generated exclusively from steam D2 from the system 10.
  • Figure 1 further shows that the system 10 includes a collection tank 16 for steam condensate DK V , which is generated in other steam consumers 18.
  • Figure 1 shows that, in addition to the compressor unit 13, at least one other steam consumer 18 is supplied, or can be supplied, with low-pressure steam, with the resulting steam condensate DK V being discharged into the collection tank 16 via a third condensate line 27. Alternatively, several steam consumers 18 can be supplied with the low-pressure steam.
  • the steam condensate DK V from one or more other steam consumers 18, which is supplied with steam D3 by the third steam drum 17, is also discharged via a The third condensate line 27 is connected to the collection tank 16 to drain the resulting steam condensate DK V.
  • System 10 further comprises a heat transfer unit 14, which includes a heat pump 15.
  • the heat pump 15 is coupled to a cooling water circuit 102 of the urea plant 100.
  • the cooling water circuit 102 contains cooling water used for cooling in the urea synthesis process.
  • the cooling water serves as a heat transfer medium, whereby the heat pump 15 extracts heat from the cooling water after a cooling process in the urea synthesis, during which the cooling water is heated, and transfers this heat to the vapor condensate DK V , e.g., at a temperature of approximately 99°C, from the collection tank 16.
  • the heat pump 15 thereby heats the vapor condensate DK V to such an extent that vapor D2 of the second pressure level is produced.
  • the heat pump 15 can be coupled with at least one condensate system carrying process condensates from the urea plant 100, and/or with at least one media system carrying media flows from the urea plant 100, in order to transfer heat to the steam condensate DK V from the collection tank 16 to form the steam D2 of the second pressure level.
  • the heat pump 15 comprises at least one first (water) heat exchanger 28 on the cooling water circuit 102 side to extract heat from the cooling water and transfer it to a heat transfer medium of the heat pump 15.
  • the heat pump 15 has a second (water) heat exchanger 29, which transfers the absorbed heat to the vapor condensate DK V from the collection tank 16 such that it evaporates to form vapor D2 of the second pressure level, i.e., low-pressure vapor.
  • the heat pump 15 has a compressor 31 for compressing the heat transfer medium and an expansion valve 32 for expanding the heat transfer medium. Since the basic principle of a heat pump is generally known, it will not be discussed in detail here.
  • the heat pump 15 is connected upstream of the second steam drum 12, so that the steam D2 generated by heat transfer at the second pressure level is fed into the second steam drum 12.
  • the collection tank 16 is connected to the second steam drum 12 via a line 21 for the steam condensate DK V , to which the second heat exchanger 29 of the heat pump 15 is coupled for heat transfer.
  • heat recovery is carried out by the heat pump 15. recovery from the cooling water circuit 102, which is used to provide low-pressure steam for other consumers or for the compressor unit 13.
  • Figure 1 shows a further compressor unit 19, depicted in dashed lines.
  • This unit is connected to the second steam drum 12 for steam transfer.
  • the further compressor unit 19 is designed to compress a portion of the quantity of steam D2 of the second pressure level contained in the second steam drum 12 and to supply it for further use to at least one external steam consumer, in particular one independent of the urea plant 100.
  • the further compressor unit 19, like the compressor unit 13, comprises one or more steam compressors driven by an electric motor.
  • the further compressor unit 19 is arranged downstream of the compressor unit 13 in the flow direction SR, in particular that it may be connected downstream of the latter, and increases a diverted partial flow of the compressed steam Dl of the first pressure level to a further pressure level.
  • System 10 a key aspect is that the electric motor of the respective steam compressor is powered by electricity from renewable energy sources. The same applies to the operation of the heat pump 15.
  • System 10 not only saves CO2 emissions by eliminating the need for natural gas-powered steam generators, but also, and in particular, through the exclusive use of green electricity from renewable energy sources.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (10) zur Bereitstellung von Dampf in einer Harnstoffproduktionsanlage (100) umfassend: - wenigstens eine erste Dampftrommel (11), die dazu angepasst ist, Dampf eines ersten Druckniveaus (Dl) aufzunehmen und einem Stripper (101) für die Harnstoffsynthese zuzuführen; und - wenigstens eine zweite Dampftrommel (12), die der ersten Dampftrommel (11) in Strömungsrichtung (SR) nachgeschaltet und mit dieser zum Überführen von Dampfkondensat (DK1, DK3) verbunden ist, wobei die zweite Dampftrommel (12) dazu angepasst ist, Dampf (D2) und/oder Dampfkondensat (DK2) eines zweiten, niedrigeren Druckniveaus zu enthalten, wobei das System (10) ferner - wenigstens eine Kompressoreinheit (13) aufweist, die mit der zweiten Dampftrommel (12) verbunden und dazu angepasst ist, den Dampf (D2) des zweiten Druckniveaus durch Komprimieren auf das erste, höhere Druckniveau zu erhöhen, wobei die Kompressoreinheit (13) in Strömungsrichtung (SR) der ersten Dampftrommel (11) vorgeschaltet ist; und/oder - wenigstens eine Wärmeübertragungseinheit aufweist, die der wenigstens einen zweiten Dampftrommel (12) vorgeschaltet und dazu angepasst ist, Wärme auf Dampfkondensat (DKS) aus einem Sammelbehälter (16) des Systems (10) so zu übertragen, dass Dampf (D2) des zweiten Druckniveaus zur weiteren Nutzung entsteht.

Description

System und Verfahren zur Bereitstellung von Dampf in einer Harnstoffproduktionsanlage sowie Harnstoffproduktionsanlage
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Bereitstellung von Dampf in einer Harnstoffproduktionsanlage sowie eine Harnstoffproduktionsanlage mit einem solchen System.
Generell besteht das Bestreben Produktionsanlagen, die fossile Brennstoffe als Energiequelle nutzen, umweltfreundlicher zu gestalten. Dies betrifft auch die Produktion von Harnstoff, der bekannter Weise durch einen Harnstoffsyntheseprozess hergestellt wird. Harnstoff wird dabei durch die Reaktion von Ammoniak „NH3" und Kohlendioxid „CO2" synthetisiert. Ein Beispiel für die Produktion von Harnstoff ist aus der EP 3 656 759 Al bekannt, wobei ein Strippingverfahren genutzt wird, bei dem eine karbamathaltige Lösung eines aus einem Reaktor austretenden Harnstoffs in einem mit Dampf beheizten Stripper verarbeitet wird.
Um also eine Harnstoffproduktionsanlage betreiben zu können, muss diese mit Dampf versorgt werden. Bei den bisher bekannten Harnstoffanlagen ist häufig ein erdgasbetriebener Dampferzeuger, bspw. in Form eines Boilers, vorgesehen, um den notwendigen Dampf für die Harnstoffanlage bzw. für die im Herstellungsprozess benötigte Energie bei der Produktaufarbeitung zur Verfügung zu stellen. Dieser Dampf wird üblicherweise in einer Hochdrucksynthese für einen Stripper, bspw. einen NH3- oder CC -Stripper benötigt. Die Verbrennung von Erdgas zur Dampferzeugung hat den Nachteil, dass eine große Menge von CO2 freigesetzt wird.
Ein wesentlicher Nachteil von „älteren" bestehenden Harnstoffanlagen liegt im ungenutzten Potential möglicher Wärmerückgewinnung. Beispielsweise sind Harnstoffanlagen mit einem Kühlsystem ausgestattet, da diese große Mengen an Kühlleistung benötigen, typischerweise etwa 630 Kilowatt pro Tonne des herge- stellten Produkts. In derartigen Bestandsanlagen wird meist ungenutzte Energie über Kühltürme an die Umwelt abgegeben.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein System zur Bereitstellung von Dampf in einer Harnstoffproduktionsanlage anzugeben, bei dem die CO2- Emissionen zumindest reduziert sind und das eine erhöhte Effizienz durch Wärmerückgewinnung zur Dampferzeugung aufweist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, eine Harnstoffproduktionsanlage mit einem solchen System sowie ein Verfahren zur Bereitstellung von Dampf in einer Harnstoffproduktionsanlage anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf das System durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich der Harnstoffproduktionsanlage und des Verfahrens wird die vorstehend genannte Aufgabe jeweils durch den Gegenstand des Anspruchs 12 (Harnstoffproduktionsanlage) und des Anspruchs 13 (Verfahren) gelöst.
Konkret wird die Aufgabe durch ein System zur Bereitstellung von Dampf in einer Harnstoffproduktionsanlage, insbesondere für eine Harnstoffsynthese, gelöst, wobei das System folgendes umfasst:
- wenigstens eine erste Dampftrommel, die dazu angepasst ist, Dampf eines ersten Druckniveaus aufzunehmen und einem Stripper, insbesondere NH3- oder CO2-Stripper, für die Harnstoffsynthese zuzuführen; und
- wenigstens eine zweite Dampftrommel, die der ersten Dampftrommel in Strömungsrichtung nachgeschaltet und mit dieser zum Überführen von Dampfkondensat verbunden ist, wobei die zweite Dampftrommel dazu angepasst ist, Dampf und/oder Dampfkondensat eines zweiten, niedrigeren Druckniveaus zu enthalten, wobei das System ferner umfasst:
- wenigstens eine Kompressoreinheit, die mit der zweiten Dampftrommel verbunden und dazu angepasst ist, den Dampf des zweiten Druckniveaus durch Komprimieren auf das erste, höhere Druckniveau zu erhöhen, wobei die Kompressoreinheit in Strömungsrichtung der ersten Dampftrommel vorgeschaltet ist; und/oder
- wenigstens eine Wärmeübertragungseinheit, insbesondere eine Wärmepumpe, die der wenigstens einen zweiten Dampftrommel vorgeschaltet und dazu angepasst ist, Wärme, insbesondere aus wenigstens einem Kühlwasserkreislauf und/oder wenigstens einem Medienstrom, auf Dampfkondensat aus einem Sammelbehälter des Systems so zu übertragen, dass Dampf des zweiten Druckniveaus zur weiteren Nutzung entsteht.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Kompressoreinheit Dampf eines niedrigen, zweiten Druckniveaus, resultierend aus dem Harnstoffsyntheseprozess, verwendet und verdichtet, um diesen auf ein höheres, erstes Druckniveau zu bringen. Dazu ist die Kompressoreinheit mit der zweiten Dampftrommel verbunden, die den Dampf des zweiten Druckniveaus enthält. Der verdichtete Dampf des ersten Druckniveaus wird anschließend der ersten Dampftrommel zugeführt, die wiederum den Stripper für ein Strippingverfahren damit versorgt. Dies entspricht einem Regelbetrieb des Systems, bei dem sich vorzugsweise die Harnstoffproduktionsanlage sich in einem hochgefahrenen Betriebszustand befindet.
In einer Startphase kann es notwendig sein, das System mit extern erzeugtem Dampf zu versorgen, um einen Regelbetrieb zu ermöglichen. Es ist daher möglich, dass das System mit einem externen Dampferzeuger temporär verbunden ist, der nach der Startphase bzw. nach dem Hochfahren der Harnstoffproduktionsanlage abgeschaltet wird. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass das System in der Startphase Dampf von einer Ammoniakproduktionsanlage bezieht, bspw. solange bezieht, bis die Harnstoffproduktionsanlage hochgefahren ist.
Die Kompressoreinheit ist vorzugsweise dazu ausgelegt, Dampf eines ersten Druckniveaus mit einem absoluten Druck von 12 bar a bis 20 bar a, bevorzugt einem absoluten Druck von 15 bar a bis 19 bar a zu erzeugen. Das Kompressionsverhältnis beträgt vorzugsweise 1:4. Der Dampf des zweiten Druckniveaus, den die Kompressoreinheit aus der zweiten Dampftrommel bezieht und zu Dampf des ersten Druckniveaus verdichtet, weist vorzugsweise einen absoluten Druck von 2,5 bar a bis 6 bar a, insbesondere 3 bar a bis 5 bar a, bevorzugt von zirka 4 bar a, auf. Der Dampf des zweiten Druckniveaus wird herkömmlicherweise als Niederdruckdampf bezeichnet.
Durch den Kompressionsvorgang erfolgt zusätzlich eine Temperaturerhöhung des Dampfes des zweiten Druckniveaus. Nach dem Kompressionsvorgang liegt Dampf, insbesondere überhitzter Dampf, des ersten, erhöhten Druckniveaus vor. Dieser Dampf wird dann der ersten Dampftrommel zugeführt und liegt in dieser als gesättigter Dampf vor.
Bevorzugt ist die Kompressoreinheit derart angepasst, dass die Verdichtung des Dampfes des zweiten Druckniveaus zu Dampf des ersten Druckniveaus durch mehrere Kompressorstufen erfolgt. Die Kompressoreinheit kann dazu mehrere, insbesondere wenigstens zwei, bevorzugt wenigstens drei, besonders bevorzugt wenigstens vier, Dampfkompressoren umfassen, die bspw. in Serie geschaltet sind. Alternativ ist es möglich, dass die Dampfverdichtung einstufig erfolgt, nämlich durch einen einzigen Dampfkompressor.
Durch die Kompressionseinheit und die Nutzung von im Harnstoffsyntheseprozess entstandenen Dampf ist somit die Verwendung von einem externen Dampferzeuger, der, wie aus dem Stand der Technik bekannt, durch Verbrennung von Erdgas betrieben wird, hinfällig. Dies hat den großen Vorteil, dass durch die Dampferzeugung bedingte CC -Emissionen in sehr großen Mengen eingespart sind oder sogar komplett vermieden werden. Durch die Wiederverwendung von im Prozess entstandenen Dampf ist ferner die Effizienz des Systems erhöht.
Zusätzlich oder alternativ weist das System eine Wärmeübertragungseinheit auf, die Wärme von einem Medienstrom der Harnstoffproduktionsanlage auf Dampfkondensat aus einem Sammelbehälter des Systems zur Bildung von Dampf des zweiten Druckniveaus überträgt. Die Wärmeübertragungseinheit ist vorzugsweise dazu angepasst, wenigstens einem Kühlwasserkreislauf Wärme zu entziehen und auf Dampfkondensat aus dem Sammelbehälter des Systems zur Bildung des Dampfes des zweiten Druckniveaus zu übertragen. Das System kann dazu über die Wärmeübertragungseinheit, die vorzugsweise wenigstens eine Wärmepumpe umfasst, mit wenigstens einem Kühlwasserkreislauf der Harnstoffproduktionsanlage gekoppelt sein. Der Kühlwasserkreislauf umfasst Kühlwasser, dass zum Kühlen in dem Harnstoffsyntheseprozess eingesetzt wird. Das Kühlwasser dient dabei als Wärmeträger, wobei dem Kühlwasser durch die Wärmeübertragungseinheit nach einem Kühlvorgang in der Harnstoffsynthese, bei dem das Kühlwasser erwärmt wird, Wärme entzieht und diese auf Dampfkondensat, das bspw. eine Temperatur von zirka 99°C aufweist, aus einem Sammelbehälter überträgt. Die Wärmeübertragungseinheit erwärmt dadurch das Dampfkondensat derart, dass Dampf des zweiten Druckniveaus entsteht. Es ist möglich, dass die Wärmeübertragungseinheit mit mehreren Kühlwasserkreisläufen, die bspw. mit unterschiedlichen Temperaturniveaus innerhalb der Harnstoffproduktionsanlage arbeiten, gekoppelt ist. Das System kann bspw. mehrere Wärmeübertragungseinheiten aufweisen, die mit mehreren Kühlkreisläufen, die bspw. mit unterschiedlichen Temperaturniveaus innerhalb der Harnstoffproduktionsanlage arbeiten, zur Wärmeübertragung auf das Dampfkondensat aus dem Sammelbehälter gekoppelt sind.
Zusätzlich oder alternativ kann die Wärmeübertragungseinheit mit wenigstens einem Kondensatsystem, das Prozesskondensate der Harnstoffanlage führt, und/oder mit wenigstens einem Mediensystem, das Medienströme der Hanrstoffanlage führt, gekoppelt sein, um Wärme auf das Dampfkondensat aus dem Sammelbehälter zur Bildung des Dampfes des zweiten Druckniveaus zu übertragen. Die Wärmeübertragungseinheit kann daher dazu angepasst sein, Wärme wenigstens einem Kondensatsystem und/oder wenigstens einem Mediensystem der Harnstoffproduktionsanlage zu entziehen und auf Dampfkondensat aus dem Sammelbehälter des Systems zur Bildung des Dampfes des zweiten Druckniveaus zu übertragen.
Die Wärmeübertragungseinheit umfasst bevorzugt wenigstens eine Wärmepumpe. Die Wärmepumpe kann auf der Seite des Kühlwasserkreislaufs, insbesondere und/oder des Kondensatsystems und/oder des Mediensystems, wenigstens einen Wasserwärmetauscher umfassen, um einen Wärmeanteil dem Kühlwasser zu entziehen und einem Wärmeübertragungsmedium der Wärmepumpe zu übertragen. Die Wärmepumpe kann einen weiteren (Wasser-)Wärmetauscher umfassen, der die aufgenommene Wärme auf das Dampfkondensat aus dem Sammelbehälter derart überträgt, dass dieses zu Dampf des zweiten Druckniveaus verdampft wird. Ferner kann die Wärmepumpe wenigstens einen Kompressor zum Verdichten des Wärmeübertragungsmediums und wenigstens ein Expansionsventil zur Druckentspannung des Wärmeübertragungsmediums aufweisen.
Wie vorstehend beschrieben, ist die Wärmeübertragungseinheit der zweiten Dampftrommel vorgeschaltet, sodass der durch den Wärmeübergang erzeugte Dampf des zweiten Druckniveaus in die zweite Dampftrommel geführt wird. Durch die Wärmeübertragungseinheit erfolgt somit eine Wärmerückgewinnung, die genutzt wird, um Niederdruckdampf für weitere Verbraucher bzw. für die Kompressoreinheit bereitzustellen. Dies reduziert den Energieverlust in der Harnstoffproduktionsanlage und erhöht die Effizienz des Systems erheblich, insbesondere deswegen, weil weitere Mengen an Niederdruckdampf erzeugt werden, die in der gesamten Harnstoffproduktionsanlage nutzbar sind. Dies wirkt sich unter anderem positiv auf die CC -Emissionen aus.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Kompressoreinheit und/oder die Wärmeübertragungseinheit mit geringem Aufwand in Bestandsanlagen, d.h. in bereits bestehende Harnstoffproduktionsanlagen, integrierbar ist, ohne dass eine wesentliche Anpassung der Anlagen bzw. des Syntheseprozesses notwendig ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kompressoreinheit wenigstens einen mit einem Elektromotor betriebenen Dampfkompressor, insbesondere mehrere solche Dampfkompressoren, auf, der für den Betrieb, insbesondere ausschließlich, Strom aus regenerativen Energiequellen nutzt. Mit anderen Worten wird der Elektromotor des Dampfkompressors vorzugsweise mit Strom betrieben, der aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt wird. Beispielsweise wird der Elektromotor mit Strom aus Sonnenenergie, Windenergie und/oder Energie aus Wasserkraft, insbesondere Flusskraftwerken und/oder Pumpspeicherkraftwerken, betrieben. Zusätzlich oder alternativ kann der Elektromotor mit Strom aus Meeresenergie, wie zum Beispiel Wellen- und/oder Gezeitenkraftwerken, betrieben werden. Durch die Nutzung von erneuerbaren Energiequellen zur Stromerzeugung sind die COz-Emissionen weiter reduziert.
Beispielsweise beträgt die Leistungsaufnahme bei einer Harnstoffproduktionsanlage mit einem Produktionsvolumen von 3900 Tonnen pro Tag zirka 18,4 Megawatt, d.h. zirka 114 Kilowatt pro Tonne erzeugtes Produkt (Harnstoff), um eine benötigte Dampfmenge von zirka 129 Tonnen pro Stunde mit einem absoluten Druck von 19 bar a bereitzustellen. Vorzugsweise ist also die Kompressoreinheit mit ihrem elektrobetriebenen Dampfkompressor entsprechend ausgelegt, um die benötigte Dampfmenge zu erzeugen. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform nutzt die Wärmeübertragungseinheit, insbesondere die Wärmepumpe, für den Betrieb, insbesondere ausschließlich, Strom aus regenerativen Energiequellen. Beispielsweise wird die Wärmeübertragungseinheit mit Strom aus wenigstens einer oder mehreren der vorstehend beschrieben erneuerbaren Energiequellen betrieben, was die CC -Emissionen weiter senkt.
Vorzugsweise ist die erste Dampftrommel dazu angepasst, Dampfkondensat von dem Stripper zu sammeln und zur weiteren Nutzung bereitzustellen. Vorzugsweise ist die erste Dampftrommel ferner dazu angepasst, den (überhitzten) Dampf des ersten Druckniveaus vor der Zuführung zu dem Stripper zu sättigen. Das Dampfkondensat weist ein erstes Druckniveau auf und wird zur weiteren Verarbeitung einer nachgeschalteten Einheit, insbesondere einer dritten Dampftrommel, bereitgestellt. Zusätzlich oder alternativ kann eine weitere Dampftrommel vorgesehen und dazu angepasst sein, Dampfkondensat eines ersten Druckniveaus von dem Stripper zu sammeln und zur weiteren Nutzung bereitzustellen.
Das gesammelte Dampfkondensat kann durch eine Druckreduzierung, insbesondere Entspannung, in einer Teilmenge verdampft werden, um Dampf für weitere Dampfverbraucher zur Verfügung zu stellen. Die (jeweilige) Dampftrommel ist vorzugsweise mit dem Stripper durch eine Vorlaufleitung zum Dampfzuführen und/oder eine Rücklaufleitung für das Dampfkondensat verbunden.
Weiter vorzugsweise ist die zweite Dampftrommel dazu angepasst, Dampf des zweiten Druckniveaus und/oder Dampfkondensat aufzunehmen und das Druckniveau des Dampfkondensats derart zu verringern, insbesondere zu entspannen, dass Dampf des zweiten Druckniveaus entsteht. Mit anderen Worten reduziert die Dampftrommel den Druck derart, dass das eine Teilmenge des aufgenommenen Dampfkondensats verdampft. Vorzugsweise entsteht dadurch Dampf des zweiten Druckniveaus, der wiederum durch die Kompressoreinheit zur Dampfversorgung des Strippers auf das erste Druckniveau verdichtet wird. Die zweite Dampftrommel weist vorzugsweise wenigstens einen ersten Anschluss für die Aufnahme des Dampfes des zweiten Druckniveaus und einen zweiten Anschluss zur Aufnahme von Dampfkondensat einer vorgeschalteten Einheit, insbesondere der dritten und/oder ersten Dampftrommel, auf. Für die Dampferzeugung zur Versorgung des Strippers wird somit Kondensat aus dem System selbst verwendet, ohne Dampf von einem externen Dampferzeuger zu beziehen.
Bei einer Ausführungsform können wenigstens zwei der ersten Dampftrommel und/oder wenigstens zwei der zweiten Dampftrommel vorgesehen sein. Bei der Variante mit wenigstens zwei zweiten Dampftrommeln, kann jeder der zweiten Dampftrommeln eine Wärmeübertragungseinheit, insbesondere der vorstehenden Art, vorgeschaltet sein. Die beiden zweiten Dampftrommeln können auf demselben Druckniveau arbeiten. Es ist möglich, dass die beiden zweiten Dampftrommeln identisch sind.
Besonders bevorzugt bilden zumindest die erste und zweite Dampftrommel und die Kompressoreinheit, insbesondere im Regelbetrieb, einen geschlossenen Kreislauf. Die zweite Dampftrommel stellt Dampf des zweiten Druckniveaus, d.h. Niederdruckdampf, zur Verfügung. Die Kompressoreinheit ist der zweiten Dampftrommel in Strömungsrichtung nachgeschaltet und, bspw. durch eine Dampfleitung, mit dieser zur Dampfentnahme verbunden. Des Weiteren ist die Kompressoreinheit der ersten Dampftrommel in Strömungsrichtung vorgeschaltet und, bspw. über eine Leitung, mit dieser zur Dampfzuführung verbunden. Im Regelbetrieb entnimmt die Kompressoreinheit Dampf des zweiten Druckniveaus aus der zweiten Dampftrommel und erhöht diesen, sodass die Kompressoreinheit Dampf des ersten Druckniveaus der ersten Dampftrommel zuführt.
Die erste Dampftrommel versorgt den Stripper mit dem verdichteten Dampf ersten Druckniveaus und leitet das bei dem Wärmeübergang am Stripper entstehende Dampfkondensat in Richtung der zweiten Dampftrommel ab. Dies kann direkt, d.h. ohne dazwischengeschaltete dritte Dampftrommel, oder indirekt mit dazwischengeschalteter dritter Dampftrommel erfolgen. Durch eine entsprechende Entspannung des Dampfkondensats in der zweiten Dampftrommel entsteht wieder Niederdruckdampf, der wie vorstehend beschrieben wieder im Kreislauf geführt wird. Somit sind keine externen Dampferzeuger notwendig, um den Stripper mit ausreichend verdichtetem Dampf zu versorgen.
Somit strömt von der zweiten Dampftrommel zur Kompressoreinheit und von der Kompressoreinheit zur ersten Dampftrommel, insbesondere ausschließlich, Dampf als Medium und zwischen den Dampftrommeln, insbesondere ausschließlich, Dampfkondensat.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Dampftrommel mit einem Kondensator der Harnstoffsynthese, insbesondere einem Karbamatkondensator, derart gekoppelt oder koppelbar, dass der Kondensator zumindest einen Teil des in der zweiten Dampftrommel enthaltenen Dampfkondensats zu Dampf des zweiten Druckniveaus verdampft, der wiederum in die zweite Dampftrommel rückgeführt wird. Dadurch kann das restliche nach der Entspannung verbleibende Dampfkondensat in der zweiten Dampftrommel dem Kondensator zugeführt und daraus Niederdruckdampf erzeugt werden. Dies erhöht die Effizienz der Dampfbereitstellung im System. Das Verdampfen des restlichen Dampfkondensats erfolgt vorzugsweise durch exotherme Reaktionswärme des Kondensators.
Der Sammelbehälter ist vorzugsweise mit der zweiten Dampftrommel durch eine Leitung verbunden, wobei die Wärmeübertragungseinheit zwischen der zweiten Dampftrommel und dem Sammelbehälter angeordnet ist. Die Wärmeübertragungseinheit ist einerseits mit dem Kühlwasserkreislauf und andererseits mit der Leitung des Dampfkondensats aus dem Sammelbehälter wärmeübertragend gekoppelt. Besonders bevorzugt die Wärmeübertragungseinheit in der Nähe der zweiten Dampftrommel in die Leitung eingebunden, um den erzeugten Niederdruckdampf möglichst verlustfrei in die zweite Dampftrommel einzuspeisen.
Es ist von Vorteil, wenn wenigstens eine dritte Dampftrommel zwischen der ersten und der zweiten Dampftrommel angeordnet ist und mit diesen zum Überführen bzw. Aufnehmen von Dampfkondensat verbunden ist, wobei die dritte Dampftrommel dazu angepasst ist, Dampfkondensat von der ersten Dampftrommel aufzunehmen und das Druckniveau des Dampfkondensats so zu verringern, insbesondere entspannen, dass Dampf eines dritten Druckniveaus entsteht. Durch die dritte Dampftrommel ist die Nutzung des Dampfkondensats aus der ersten Dampftrommel realisiert, was eine Zwischenstufe bildet. Das Dampfkondensat von der ersten Dampftrommel wird also bis hin zur zweiten Dampftrommel stufenweise entspannt. Dies ermöglicht die verbesserte Ausnutzung des Dampfkondensats ersten Druckniveaus. Beispielsweise kann die dritte Dampftrommel das Dampfkondensat aus der ersten Dampftrommel so zu entspannen, dass Dampf mit einem absoluten Druck von zirka 9 bar a entsteht. Andere Druckbereiche zwischen 19 bar a und 4 bar a sind möglich.
Die zweite und/oder die dritte Dampftrommel können jeweils mit wenigstens einer Dampfverbrauchereinheit, insbesondere einem Wärmetäuscher, dampfübertragend verbunden sein, wobei die Dampfverbrauchereinheit(en) mit einem Sammelbehälter zum Ableiten von Dampfkondensat verbunden ist/sind. Die Dampftrommeln liefern somit Dampf unterschiedlicher Druckniveaus, um entsprechende Dampfverbraucher der Harnstoffproduktionsanlage zu versorgen. Das entstehende Dampfkondensat der Dampfverbraucher wird in dem Sammelbehälter gesammelt und der Wärmeübertragungseinheit zur Dampferzeugung zugeführt. Somit wird auch das Dampfkondensat der weiteren Dampfverbraucher der Anlage genutzt, um wiederum Niederdruckdampf für die Kompressionseinheit oder weitere Verbraucher zu erzeugen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das System wenigstens eine weitere Kompressoreinheit auf, die mit der zweiten Dampftrommel verbunden ist und dazu angepasst ist, einen Teil der darin enthaltenen Menge des Dampfes des zweiten Druckniveaus durch Komprimieren auf ein viertes, höheres Druckniveau zu erhöhen und zur weiteren Nutzung wenigstens einem externen, insbesondere von der Harnstoffproduktionsanlage unabhängigen, Dampfverbraucher bereitzustellen. Dies ermöglicht es, den Niederdruckdampf aus der zweiten Dampftrommel zu verdichten und weiteren Dampfverbrauchern außerhalb der Harnstoffproduktionsanlage bereitzustellen.
Bei einer Ausführungsform kann die weitere Kompressoreinheit in Strömungsrichtung nach der Kompressoreinheit angeordnet sein, insbesondere dieser nachgeschaltet sein, und einen abgezweigten Teilstrom des verdichteten Dampfes auf ein weiteres Druckniveau erhöht.
Nach einem nebengeordneten Aspekt betrifft die Erfindung eine Harnstoffproduktionsanlage mit wenigstens einem System der vorstehen beschriebenen Art, wobei die Harnstoffproduktionsanlage wenigstens einen Stripper, insbesondere NH3- oder CC -Stripper, oder einem Rezirkulationserhitzer zur Erwärmung von rückgeführtem Karbamat, wenigstens einen Reaktor, in dem Ammoniak (NH3) und Kohlenstoffdioxid (CO2) bei einem bestimmten Reaktionsdruck zur Bildung einer wässrigen Harnstofflösung reagieren, und wenigstens einen Kondensator zum Kondensieren einer gasförmigen Phase aufweist, wobei der Stripper, der Reaktor und der Kondensator einen Synthesekreislauf bilden.
Der Rezirkulationserhitzer erwärmt vorzugsweise das rückgeführte Karbamat bevor es dem Reaktor oder dem Karbamatkondensator zugeführt wird. In einer Ausführungsform können der Reaktor und der Kondensator eine Einheit bilden. Insbesondere kann dies bei manchen, bspw. kleineren Anlagentypen der Fall sein.
Nach einem weiteren nebengeordneten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung von Dampf in einer Harnstoffproduktionsanlage, insbesondere für eine Harnstoffsynthese, bei dem
- einem Stripper, insbesondere NH3- oder CO2-Stripper, für die Harnstoffsynthese Dampf eines ersten, insbesondere hohen, Druckniveaus zugeführt wird, der für eine Strippingverfahren genutzt wird;
- durch die Nutzung des Dampfes des ersten Druckniveaus Dampfkondensat eines ersten, insbesondere hohen, Druckniveaus entsteht, wobei das erste Druckniveau des Dampfkondensats derart reduziert wird, dass Dampf eines zweiten, niedrigeren Druckniveaus entsteht, wobei bei dem Verfahren ferner
- der Dampf des zweiten Druckniveaus durch wenigstens eine Kompressoreinheit zu Dampf des ersten, insbesondere höheren, Druckniveaus verdichtet wird, der wiederum dem Stripper für das Strippingverfahren zugeführt wird; und/oder
- Wärme durch wenigstens eine Wärmeübertragungseinheit, insbesondere eine Wärmepumpe, auf Dampfkondensat aus einem Sammelbehälter der Harnstoffproduktionsanlage so übertragen wird, dass Dampf des zweiten Druckniveaus entsteht, der wiederum zur weiteren Nutzung, insbesondere der Kompressionseinheit und/oder weiteren Dampfverbrauchern, zur Verfügung gestellt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahrens durch Verwendung eines Systems der vorstehend beschriebenen Art ausgeführt. Das Verfahren wird dann vorzugsweise so ausgeführt, dass - wenigstens eine erste Dampftrommel Dampf eines ersten Druckniveaus aufnimmt und einem Stripper, insbesondere NH3- oder CC -Stripper, für die Harnstoffsynthese zuführt;
- wenigstens eine zweite Dampftrommel, die der ersten Dampftrommel in Strömungsrichtung nachgeschaltet und Dampfkondensat aus der ersten und/oder einer weiteren, insbesondere dritten, Dampftrommel aufnimmt, wobei die zweite Dampftrommel Dampf und/oder Dampfkondensat eines zweiten, niedrigeren Druckniveaus enthält, wobei bei dem Verfahren ferner
- wenigstens eine Kompressoreinheit den Dampf des zweiten Druckniveaus aus der zweiten Dampftrommel auf das erste, höhere Druckniveau durch wenigstens einen Kompressionsschritt erhöht und diesen der ersten Dampftrommel zur Dampfversorgung des Strippers zuführt; und/oder
- wenigstens eine Wärmeübertragungseinheit, insbesondere eine Wärmepumpe, Wärme auf Dampfkondensat aus einem Sammelbehälter der Harnstoffproduktionsanlage so überträgt, dass Dampf des zweiten Druckniveaus entsteht, der wiederum der zweiten Dampftrommel zur weiteren Nutzung zugeführt wird.
Bei einer Ausführungsform entzieht die Wärmeübertragungseinheit einem Kühlwasserkreislauf und/oder wenigstens einem Medienstrom, insbesondere Prozesskondensaten und/oder Prozessströmen, der Harnstoffproduktionsanlage Wärme und überträgt diese auf das Dampfkondensat aus dem Sammelbehälter zur Bildung von Dampf des zweiten Druckniveaus.
Zu den Vorteilen der Harnstoffproduktionsanlage und des Verfahrens wird auf die im Zusammenhang mit dem System erläuterten Vorteile verwiesen. Darüber hinaus können die Harnstoffproduktionsanlage und das Verfahren alternativ oder zusätzlich einzelne oder eine Kombination mehrerer zuvor in Bezug auf das System genannte Merkmale aufweisen.
Die Erfindung wird nachstehend mit weiteren Einzelheiten unter Bezug auf die beigefügte einzige Zeichnung näher erläutert. Die dargestellte Ausführungsform stellt ein Beispiel dar, wie das erfindungsgemäße System ausgestaltet sein kann. In dieser zeigt Fig. 1 ein Verfahrensfließbild eines Systems 10 zur Bereitstellung von Dampf in einer Harnstoffproduktionsanlage 100 nach einem bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche oder gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
Konkret ist in Fig. 1 ein Teil einer Harnstoffproduktionsanlage 100 mit einem erfindungsgemäßen System 10, das die Dampfwirtschaft in der Anlage 100 betrifft. Die Harnstoffproduktionsanlage 100, im Folgenden Harnstoffanlage 100 genannt, umfasst einen Stripper 101, insbesondere NH3- oder CO2-Stripper, einen nicht dargestellten Reaktor, in dem Ammoniak NH3 und Kohlenstoffdioxid CO2 bei einem bestimmten Reaktionsdruck zur Bildung einer wässrigen Harnstofflösung reagieren, und einen Kondensator 103, insbesondere Karbamatkondensator, zum Kondensieren einer gasförmigen Phase, wobei der Stripper 101, der Reaktor und der Kondensator 103 einen Synthesekreislauf bilden. Der in dem Kondensator 103 vorherrschende Kondensationsdruck liegt zwischen 120 bar bis 180 bar, bevorzugt zwischen 130 bar bis 160 bar. In der Harnstoffsynthese sind die Prozesse vorzugsweise isobar.
Um den Stripper 101 mit Dampf, insbesondere gesättigten, (Antriebs-)Dampf mit einem bestimmten für die Harnstoffsynthese erforderlichen Druckniveau sowie weitere Dampfverbraucher mit Dampf unterschiedlicher Druckniveaus zu versorgen, umfasst die Harnstoffanlage 100 das System 10. Das System 10 dient dazu Dampf in der Harnstoffanlage 100 bereitzustellen, ohne einen erdgasbetriebenen Dampferzeuger, insbesondere einen erdgasbetriebenen Boiler, für die Dampferzeugung einzusetzen bzw. zu nutzen.
Des Weiteren ist das System 10 dahingehend optimiert, dass durch Wärmerückgewinnung aus einem Kühlwassersystem 102, insbesondere Restwärmeverteilsystem oder einem Kühlwassersystem (102) und einem Prozesskondensat führenden System, der Harnstoffanlage 100 anfallendes Dampfkondensat aus dem System 10 verdampft und so wiederum Dampf eines weiteren bestimmten Druckniveaus, insbesondere Niederdruckdampf, zur weiteren Verwendung in der Harnstoffanlage 100 oder in externen von der Harnstoffanlage 100 unabhängigen Dampfverbrauchern erzeugt wird. Das System 10 umfasst eine erste Dampftrommel 11, die Dampf Dl eines ersten Druckniveaus aufnimmt und dem Stripper 101 für die Harnstoffsynthese zuführt. Die erste Dampftrommel 11 sammelt ferner in oder an dem Stripper 101 anfallendes Dampfkondensat DK1 (eines ersten Druckniveaus) und stellt dieses für die weitere Nutzung im System 10 bereit. Das Dampfkondensat DK1 entsteht durch einen Wärmeübergang des Dampfes Dl auf den Stripper 101. Zum Zuführen des Dampfes Dl und zum Aufnehmen des Dampfkondensats DK1 ist die erste Dampftrommel 11 durch eine Vorlaufleitung 22 und eine Rücklaufleitung 23 mit dem Stripper 101 verbunden.
Der Dampf Dl des ersten Druckniveaus ist vorzugsweise ein gesättigter Dampf mit einem absoluten Druck von 12 bar a bis 20 bar a, bevorzugt einem absoluten Druck von 15 bar a bis 19 bar a.
Das System 10 weist eine Kompressoreinheit 13 zum Verdichten von Niederdruckdampf bzw. Dampf D2 eines zweiten Druckniveaus auf, die in Strömungsrichtung SR der ersten Dampftrommel 11 vorgeschaltet ist. Die Kompressoreinheit 13 ist mit der ersten Dampftrommel 11 durch eine erste Dampfleitung 26, insbesondere direkt, verbunden. Die Kompressoreinheit 13 ist dazu ausgelegt, Dampf Dl eines ersten Druckniveaus mit einem absoluten Druck von 12 bar a bis 20 bar a, bevorzugt einem absoluten Druck von 15 bar a bis 19 bar a zu erzeugen. Das Kompressionsverhältnis beträgt vorzugsweise 1:4. Der Dampf D2 des zweiten Druckniveaus, den die Kompressoreinheit 13 aus einer zweiten Dampftrommel 12 bezieht und auf das erste Druckniveau zur Bildung von Dampf Dl verdichtet, weist einen absoluten Druck von 2,5 bar a bis 6 bar a, insbesondere 3 bar a bis 5 bar a, bevorzugt von im Wesentlichen 4 bar a, auf. Der Dampf D2 des zweiten Druckniveaus wird als Niederdruckdampf bezeichnet. Auf die zweite Dampftrommel 12 und die Erzeugung des Dampfes D2 (Niederdruckdampf) wird später näher eingegangen.
Bei dem Kompressionsvorgang durch die Kompressoreinheit 13 erfolgt zusätzlich eine Temperaturerhöhung des Dampfes D2 zweiten Druckniveaus. Nach dem Kompressionsvorgang liegt Dampf, insbesondere überhitzter Dampf, des ersten, erhöhten Druckniveaus vor. Dieser Dampf wird dann der ersten Dampftrommel 11 zugeführt und liegt in dieser als gesättigter Dampf vor. Die Kompressoreinheit 13 ist derart angepasst, dass die Verdichtung des Dampfes D2 des zweiten Druckniveaus auf das erste Druckniveau durch mehrere Kompressorstufen erfolgt. Die Kompressoreinheit 13 kann dazu mehrere, insbesondere wenigstens zwei, bevorzugt wenigstens drei, besonders bevorzugt wenigstens vier, Dampfkompressoren umfassen, die bspw. in Serie geschaltet sind. Alternativ ist es möglich, dass die Dampfverdichtung einstufig erfolgt, nämlich durch einen einzigen Dampfkompressor. Die Dampfkompressoren weisen jeweils einen Elektromotor als Antrieb auf.
Das System 10 umfasst zwei weitere Dampftrommeln 12, 17, die der ersten Dampftrommel 11 in Strömungsrichtung SR nachgeschaltet sind. Konkret, wie in Fig. 1 zu sehen ist, weist das System 10 eine zweite Dampftrommel 12 und eine dritte Dampftrommel 17, die zwischen der ersten und der zweiten Dampftrommel 11, 12 angeordnet ist. Die erste Dampftrommel 11 ist über die dritte Dampftrommel 17 mit der zweiten Dampftrommel 12 zum Überführen von Dampfkondensat verbunden.
Somit ist also die dritte Dampftrommel 17 der ersten Dampftrommel 11 in Strömungsrichtung SR direkt nachgeschaltet, wobei die erste mit der dritten Dampftrommel 11, 17 durch eine erste Kondensatleitung 24 zum Überführen des in der ersten Dampftrommel 11 gesammelten Dampfkondensats DK1 des ersten Druckniveaus verbunden ist. Das Dampfkondensat DK1 des ersten Druckniveaus weist bspw. einen Druck von 10 bar bis 20 bar, insbesondere von 12 bar bis 19 bar oder von 14 bar bis 16 bar auf.
Das Dampfkondensat DK1 aus der ersten Dampftrommel 11 wird stufenweise entspannt, d.h. der Druck des Dampfkondensats DK1 wird schrittweise reduziert, um Dampf D2, D3 unterschiedlicher Druckniveaus für die weitere Nutzung in der Harnstoffanlage 100 bereitzustellen. Dieser Vorgang wird auch als Druckentspannung bezeichnet.
Beispielsweise wird der Druck des Dampfkondensat DK1 des ersten Druckniveaus in der dritten Dampftrommel 17 so verringert, dass das Dampfkondensat DK1 teilweise verdampft. Dadurch entsteht Dampf D3 eines dritten, niedrigeren Druckniveaus, der in der dritten Dampftrommel 17 aufgenommen ist und wenigstens einem weiteren Dampfverbraucher 18, bspw. einem Wärmetauscher, der Harnstoffanlage 100 zur Verfügung gestellt wird. Der Dampf D3 des dritten Druckniveaus ist vorzugsweise Dampf mit einem absoluten Druck von 6 bar a bis 12 bar a, insbesondere 8 bar a bis 10 bar a, bevorzugt aber von zirka 9 bar a. Die dritte Dampftrommel 17 ist ferner dazu angepasst, das nach der Druckentspannung des Dampfkondensats DK1 aus der ersten Dampftrommel 11 verbleibende Dampfkondensat DK3, das ein niedrigeres, drittes Druckniveaus als das Dampfkondensat DK1 aus der ersten Dampftrommel 11 aufweist, zu sammeln.
Wie vorstehend beschrieben, sind die zweite und dritte Dampftrommel 12, 17 zum Überführen des Dampfkondensates DK3 des dritten Druckniveaus miteinander verbunden. Konkret ist die zweite Dampftrommel 12 der dritten Dampftrommel 17 in Strömungsrichtung SR direkt nachgeschaltet, wobei die dritte mit der zweiten Dampftrommel 17, 12 durch eine zweite Kondensatleitung 25 zum Überführen des in der dritten Dampftrommel 17 gesammelten Dampfkondensats DK3 des dritten Druckniveaus verbunden ist. Mit anderen Worten ist die zweite Dampftrommel 12 der ersten Dampftrommel 11 in Strömungsrichtung SR indirekt nachgeschaltet.
Die zweite Dampftrommel 12 ist so angepasst, dass diese den Druck des aufgenommenen Dampfkondensat DK3 des dritten Druckniveaus so verringert, dass das Dampfkondensat DK3 teilweise verdampft. Dadurch entsteht Dampf D2 eines zweiten Druckniveaus, das niedriger als das dritte Druckniveau des Dampfkondensates DK3 aus der dritten Dampftrommel 17 ist. Der Dampf D2 des zweiten Druckniveaus ist vorzugsweise Dampf mit einem absoluten Druck von 2 bar a bis 6 bar a, insbesondere 3 bar a bis 5 bar a, bevorzugt aber von zirka 4 bar a.
Es ist generell möglich, dass die Reduzierung der Druckniveaus des Dampfkondensats DK1, DK3 alternativ oder zusätzlich durch Druckentspannungsventile, bspw. in den Kondensatleitungen 24, 25 durchgeführt werden kann.
Das restliche in der zweiten Dampftrommel 12 verbleibende Dampfkondensat DK2 wird gesammelt. Das Dampfkondensat DK2 weist ein zweites Druckniveau auf, das niedriger als das Druckniveaus des Dampfkondensats DK3 aus der dritten Dampftrommel 17 ist.
Die zweite Dampftrommel 12 ist mit dem Kondensator 103 der Harnstoffanlage 100 wärmeübertragend gekoppelt. Konkret ist die zweite Dampftrommel 12 mit dem Kondensator 103 derart verbunden, dass das in der Dampftrommel 12 gesammelte Dampfkondensat DK2 des zweiten Druckniveaus dem Kondensator 103 zugeführt. Das zugeführte Dampfkondensat DK2 wird durch exotherme Reakti- onswärme aus dem Kondensator 103 verdampft, sodass Dampf D2 des zweiten Druckniveaus entsteht, der wiederum in die zweite Dampftrommel 12 rückgeführt wird. Dadurch ergibt sich ein besonders hoher Ausnutzungsgrad zur Verwendung des im System 10 entstandenen Dampfkondensates DK1, DK2, DK3. Zur Entnahme des restlichen Dampfkondensates DK2 aus der zweiten Dampftrommel 12 ist eine Pumpe 104 zwischen der Dampftrommel 12 und dem Kondensator 103 vorgesehen.
Wie bereits erwähnt, bezieht die Kompressoreinheit 13 Dampf D2 des zweiten Druckniveaus aus der zweiten Dampftrommel 12, um diesen zu Dampf Dl des ersten Druckniveaus zu verdichten, d.h. dessen Druckniveau auf das erste Druckniveau zu erhöhen, und der ersten Dampftrommel 11 zuzuführen. Die Kompressoreinheit 13 kann dazu zumindest eine Teilmenge des in der zweiten Dampftrommel 12 enthaltenen Dampfes D2 bzw. Niederdruckdampfes entnehmen, um den notwenigen Antriebsdampf, d.h. den Dampf Dl des ersten Druckniveaus, zu erzeugen. Die Kompressoreinheit 13 ist dazu mit der zweiten Dampftrommel 12 durch eine zweite Dampfleitung 33, insbesondere direkt verbunden. Die Kompressoreinheit 13 ist somit der zweiten Dampftrommel 12 in Strömungsrichtung SR nachgeschaltet und der ersten Dampftrommel 11 in Strömungsrichtung SR vorgeschaltet. Mit anderen Worten ist die Kompressoreinheit 13 zwischen der zweiten und ersten Dampftrommel 11, 12 angeordnet.
Die Dampftrommeln 11, 12, 17 und die Kompressoreinheit 13 bilden somit einen geschlossenen Kreislauf, insbesondere Dampfkreislauf, um den Stripper 101 für das Strippingverfahren mit Dampf Dl zu versorgen, der ausschließlich aus Dampf D2 aus dem System 10 erzeugt wird.
Aus der Fig. 1 geht des Weiteren hervor, dass das System 10 einen Sammelbehälter 16 für Dampfkondensat DKV umfasst, das in weiteren Dampfverbrauchern 18 entsteht. Fig. 1 zeigt, dass neben der Kompressoreinheit 13 zumindest ein weiterer Dampfverbraucher 18 mit Niederdruckdampf versorgt wird bzw. werden kann, wobei das entstehende Dampfkondensat DKV durch eine dritte Kondensatleitung 27 in den Sammelbehälter 16 abgeleitet wird. Alternativ können mehrere Dampfverbraucher 18 mit dem Niederdruckdampf versorgt werden. Auch das Dampfkondensat DKV von einem oder mehreren anderen Dampfverbraucher 18, der durch die dritte Dampftrommel 17 mit Dampf D3 versorgt wird, ist über eine dritte Kondensatleitung 27 mit dem Sammelbehälter 16 verbunden, um entstehendes Dampfkondensat DKV abzuleiten.
Das System 10 weist ferner eine Wärmeübertragungseinheit 14 auf, die eine Wärmepumpe 15 umfasst. Die Wärmepumpe 15 ist mit einem Kühlwasserkreislauf 102 der Harnstoffanlage 100 gekoppelt. Der Kühlwasserkreislauf 102 umfasst Kühlwasser, dass zum Kühlen in dem Harnstoffsyntheseprozess eingesetzt wird. Das Kühlwasser dient dabei als Wärmeträger, wobei dem Kühlwasser durch die Wärmepumpe 15 nach einem Kühlvorgang in der Harnstoffsynthese, bei dem das Kühlwasser erwärmt wird, Wärme entzieht und diese auf das Dampfkondensat DKV, bspw. mit einer Temperatur von ca. 99°C, aus dem Sammelbehälter 16 überträgt. Die Wärmepumpe 15 erwärmt dadurch das Dampfkondensat DKV derart, dass Dampf D2 des zweiten Druckniveaus entsteht. Zusätzlich oder alternativ kann die Wärmepumpe 15 mit wenigstens einem Kondensatsystem, das Prozesskondensate der Harnstoffanlage 100 führt, und/oder mit wenigstens einem Mediensystem, das Medienströme der Hanrstoffanlage 100 führt, gekoppelt sein, um Wärme auf das Dampfkondensat DKV aus dem Sammelbehälter 16 zur Bildung des Dampfes D2 des zweiten Druckniveaus zu übertragen.
Die Wärmepumpe 15 umfasst auf der Seite des Kühlwasserkreislaufs 102 wenigstens einen ersten (Wasser-)Wärmetauscher 28, um einen Wärmeanteil dem Kühlwasser zu entziehen und einem Wärmeübertragungsmedium der Wärmepumpe 15 zu übertragen. Die Wärmepumpe 15 weist einen zweiten (Wasser-) Wärmetauscher 29 auf, der die aufgenommene Wärme auf das Dampfkondensat DKV aus dem Sammelbehälter 16 derart überträgt, dass dieses zur Bildung von Dampf D2 des zweiten Druckniveaus, d.h. zu Niederdruckdampf verdampft wird. Ferner weist die Wärmepumpe 15 einen Kompressor 31 zum Verdichten des Wärmeübertragungsmediums und ein Expansionsventil 32 zum Entspannen des Wärmeübertragungsmediums aufweisen. Da das Grundprinzip einer Wärmepumpe allgemein bekannt ist, wird hier nicht näher darauf eingegangen.
Die Wärmepumpe 15 ist der zweiten Dampftrommel 12 vorgeschaltet, sodass der durch den Wärmeübergang erzeugte Dampf D2 des zweiten Druckniveaus in die zweite Dampftrommel 12 geführt wird. Der Sammelbehälter 16 ist durch eine Leitung 21 für das Dampfkondensat DKV mit der zweiten Dampftrommel 12 verbunden, mit der der zweite Wärmetauscher 29 der Wärmepumpe 15 wärmeübertragend gekoppelt ist. Durch die Wärmepumpe 15 erfolgt somit eine Wärmerück- gewinnung aus dem Kühlwasserkreislauf 102, die genutzt wird, um Niederdruckdampf für weitere Verbraucher bzw. für die Kompressoreinheit 13 bereitzustellen.
In Fig. 1 ist gestrichelt gezeichnet eine weitere Kompressoreinheit 19 gezeigt. Diese ist mit der zweiten Dampftrommel 12 dampfübertragend verbunden. Die weitere Kompressoreinheit 19 ist dazu angepasst, einen Teil der in der zweiten Dampftrommel 12 enthaltenen Menge des Dampfes D2 des zweiten Druckniveaus zu verdichten und zur weiteren Nutzung wenigstens einem externen, insbesondere von der Harnstoffanlage 100 unabhängigen, Dampfverbraucher bereitzustellen. Es ist möglich, dass die weitere Kompressoreinheit 19, wie die Kompressoreinheit 13, einen oder mehrere mit einem Elektromotor betriebene Dampfkompressoren umfasst.
Es ist möglich, dass die weitere Kompressoreinheit 19 in Strömungsrichtung SR nach der Kompressoreinheit 13 angeordnet ist, insbesondere dieser nachgeschaltet sein kann, und einen abgezweigten Teilstrom des verdichteten Dampfes Dl des ersten Druckniveaus auf ein weiteres Druckniveau erhöht.
Bei dem System 10 ist es ein wesentlicher Aspekt, dass der Elektromotor des jeweiligen Dampfkompressors mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen betrieben wird. Gleiches gilt für den Betrieb der Wärmepumpe 15. Das vorliegende System 10 spart somit nicht nur durch den Verzicht auf erdgasbetriebene Dampferzeuger COz-Emissionen ein, sondern auch durch die, insbesondere ausschließliche, Verwendung von grünem Strom aus erneuerbaren Energiequellen.
Bezuqszeichenliste
10 System
11 erste Dampftrommel
12 zweite Dampftrommel
13 Kompressoreinheit
14 Wärmeübertragungseinheit
15 Wärmepumpe
16 Sammelbehälter
17 dritte Dampftrommel
18 Dampfverbrauchereinheit
19 weitere Kompressoreinheit 21 Leitung
22 Vorlaufleitung
23 Rücklaufleitung
24 erste Kondensatleitung
25 zweite Kondensatleitung
26 erste Dampfleitung
27 dritte Kondensatleitung
28 erster Wärmetauscher
29 zweiter Wärmetauscher
31 Kompressor
32 Expansionsventil
33 zweite Dampfleitung
100 Harnstoffproduktionsanlage
101 Stripper
102 Kühlwasserkreislauf
103 Kondensator
104 Pumpe
Dl Dampf eines ersten Druckniveaus
D2 Dampf eines zweiten Druckniveaus
D3 Dampf eines dritten Druckniveaus
DK1 Dampfkondensat eines ersten Druckniveaus
DK2 Dampfkondensat eines zweiten Druckniveaus
DK3 Dampfkondensat eines dritten Druckniveaus
DKV Dampfkondensat der Verbraucher SR Strömungsrichtung

Claims

Ansprüche
1. System (10) zur Bereitstellung von Dampf in einer Harnstoffproduktionsanlage (100), insbesondere für eine Harnstoffsynthese, umfassend:
- wenigstens eine erste Dampftrommel (11), die dazu angepasst ist, Dampf (Dl) eines ersten Druckniveaus aufzunehmen und einem Stripper (101), insbesondere NH3- oder CO2-Stripper, für die Harnstoffsynthese zuzuführen; und
- wenigstens eine zweite Dampftrommel (12), die der ersten Dampftrommel (11) in Strömungsrichtung (SR) nachgeschaltet und mit dieser zum Überführen von Dampfkondensat (DK1, DK3) verbunden ist, wobei die zweite Dampftrommel (12) dazu angepasst ist, Dampf (D2) und/oder Dampfkondensat (DK2) eines zweiten, niedrigeren Druckniveaus zu enthalten, wobei das System (10) ferner
- wenigstens eine Kompressoreinheit (13) aufweist, die mit der zweiten Dampftrommel (12) verbunden und dazu angepasst ist, den Dampf (D2) des zweiten Druckniveaus durch Komprimieren auf das erste, höhere Druckniveau zu erhöhen, wobei die Kompressoreinheit (13) in Strömungsrichtung (SR) der ersten Dampftrommel (11) vorgeschaltet ist; und/oder
- wenigstens eine Wärmeübertragungseinheit (14), insbesondere eine Wärmepumpe (15), aufweist, die der wenigstens einen zweiten Dampftrommel (12) vorgeschaltet und dazu angepasst ist, Wärme, insbesondere von wenigstens einem Kühlwasserkreislauf und/oder wenigstens einem Medienstrom, auf Dampfkondensat (DKS) aus einem Sammelbehälter (16) des Systems (10) so zu übertragen, dass Dampf (D2) des zweiten Druckniveaus zur weiteren Nutzung entsteht.
2. System (10) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kompressoreinheit (13) wenigstens einen mit einem Elektromotor betriebenen Dampfkompressor, insbesondere mehrere solche Dampfkompressoren, aufweist, der für den Betrieb, insbesondere ausschließlich, Strom aus regenerativen Energiequellen nutzt.
3. System (10) nach Anspruch 1 oder 2, dad u rch geken nzei ch net, dass die Wärmeübertragungseinheit (14), insbesondere die Wärmepumpe (15), für den Betrieb, insbesondere ausschließlich, Strom aus regenerativen Energiequellen nutzt.
4. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzei ch net, dass die erste Dampftrommel (11) dazu angepasst ist, Dampfkondensat (DK1) eines ersten Druckniveaus von dem Stripper (101) zu sammeln und zur weiteren Nutzung bereitzustellen und/oder eine weitere Dampftrommel vorgesehen und dazu angepasst ist, Dampfkondensat (DK1) eines ersten Druckniveaus von dem Stripper (101) zu sammeln und zur weiteren Nutzung bereitzustellen.
5. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzei ch net, dass die zweite Dampftrommel (12) dazu angepasst ist, Dampf (D2) des zweiten Druckniveaus und/oder Dampfkondensat (DK1, DK3) aufzunehmen und das Druckniveau des Dampfkondensats (DK1, DK3) derart zu verringern, dass Dampf (D2) des zweiten Druckniveaus entsteht.
6. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzei ch net, dass zumindest die erste und zweite Dampftrommel (11, 12) und die Kompressoreinheit (13), insbesondere im Regelbetrieb, einen geschlossenen Dampfkreislauf bilden.
7. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzei ch net, dass die zweite Dampftrommel (12) mit einem Kondensator (103) der Harnstoffsynthese, insbesondere einem Karbamatkondensator, derart gekoppelt oder koppelbar ist, dass der Kondensator (103) zumindest einen Teil des in der zweiten Dampftrommel (12) enthaltenen Dampfkondensats (DK2) zu Dampf (D2) des zweiten Druckniveaus verdampft, der wiederum in die zweite Dampftrommel (12) rückgeführt wird.
8. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzei ch net, dass der Sammelbehälter (16) mit der zweiten Dampftrommel (12) durch eine Leitung (21) verbunden ist, wobei die Wärmeübertragungseinheit (14) zwischen der zweiten Dampftrommel (12) und dem Sammelbehälter (16) angeordnet ist.
9. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzei ch net, dass wenigstens eine dritte Dampftrommel (17) zwischen der ersten und der zweiten Dampftrommel (12) angeordnet ist und mit diesen zum Überführen bzw. Aufnehmen von Dampfkondensat (DK1, DK3) verbunden ist, wobei die dritte Dampftrommel (17) dazu angepasst ist, Dampfkondensat (DK1) von der ersten Dampftrommel (11) aufzunehmen und das Druckniveau des Dampfkondensats (DK1) so zu verringern, dass Dampf (D3) eines dritten Druckniveaus entsteht.
10. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 9, dad u rch geken nzei ch net, dass die zweite und/oder die dritte Dampftrommel (12, 17) jeweils mit wenigstens einer Dampfverbrauchereinheit (18), insbesondere einem Wärmetäuscher, dampfübertragend verbunden sind, wobei die Dampfverbrauchereinheit (18) mit einem Sammelbehälter (16) zum Ableiten von Dampfkondensat (DKV) verbunden ist/sind.
11. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzei ch net, dass wenigstens eine weitere Kompressoreinheit (19) vorgesehen ist, die mit der zweiten Dampftrommel verbunden ist und dazu angepasst ist, einen Teil der darin enthaltenen Menge des Dampfes (D2) des zweiten Druckniveaus durch Komprimieren auf ein viertes, höheres Druckniveau zu erhöhen und zur weiteren Nutzung wenigstens einem externen, insbesondere von der Harnstoffproduktionsanlage (100) unabhängigen, Dampfverbraucher bereitzustellen.
12. Harnstoffproduktionsanlage (100) mit wenigstens einem System (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, wenigstens einem Stripper (101), insbesondere NH3- oder CO2-Stripper, oder einem Rezirkulationserhitzer zur Erwärmung von rückgeführtem Karbamat, wenigstens einem Reaktor, in dem Ammoniak (NH3) und Kohlenstoffdioxid (CO2) bei einem bestimmten Reaktionsdruck zur Bildung einer wässrigen Harnstofflösung reagieren, und wenigstens einem Kondensator (103) zum Kondensieren einer gasförmigen Phase, wobei der Stripper (101) oder der Rezirkulationserhitzer, der Reaktor und der Kondensator (103) einen Synthesekreislauf bilden.
13. Verfahren zur Bereitstellung von Dampf in einer Harnstoffproduktionsanlage (100), insbesondere für eine Harnstoffsynthese, bei dem
- einem Stripper (101), insbesondere NH3- oder CO2-Stripper, für die Harnstoffsynthese Dampf (Dl) eines ersten, insbesondere hohen, Druckniveaus zugeführt wird, der für eine Strippingverfahren genutzt wird;
- durch die Nutzung des Dampfes (Dl) des ersten Druckniveaus Dampfkondensat (DK1) eines ersten, insbesondere hohen, Druckniveaus entsteht, wobei das erste Druckniveau des Dampfkondensats (DK1) derart reduziert wird, dass Dampf (D2) eines zweiten, niedrigeren Druckniveaus entsteht, wobei bei dem Verfahren ferner
- der Dampf (D2) des zweiten Druckniveaus durch wenigstens eine Kompressoreinheit (13) zu Dampf (Dl) des ersten, insbesondere höheren, Druckniveaus verdichtet wird, der wiederum dem Stripper (101) für das Strippingverfahren zugeführt wird; und/oder
- Wärme durch wenigstens eine Wärmeübertragungseinheit (14), insbesondere eine Wärmepumpe (15), auf Dampfkondensat (DKV) aus einem Sammelbehälter (16) der Harnstoffproduktionsanlage (100) so übertragen wird, dass Dampf (D2) des zweiten Druckniveaus entsteht, der wiederum zur weiteren Nutzung, insbesondere der Kompressionseinheit (13) und/oder weiteren Dampfverbrauchern, zur Verfügung gestellt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dad u rch geken nzei ch net, dass die Wärmeübertragungseinheit (14) einem Kühlwasserkreislauf (102) und/oder wenigstens einem Medienstrom, insbesondere Prozesskondensaten und/oder Prozessströmen, der Harnstoffproduktionsanlage (100) Wärme entzieht und auf das
Dampfkondensat (DKV) aus dem Sammelbehälter (16) zur Bildung von Dampf (D2) des zweiten Druckniveaus überträgt.
PCT/EP2025/064938 2024-06-04 2025-05-28 System und verfahren zur bereitstellung von dampf in einer harnstoffproduktionsanlage sowie harnstoffproduktionsanlage Pending WO2025252595A1 (de)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102024115538.8A DE102024115538A1 (de) 2024-06-04 2024-06-04 System und Verfahren zur Bereitstellung von Dampf in einer Harnstoffproduktionsanlage sowie Harnstoffproduktionsanlage
LULU103310 2024-06-04
LU103310A LU103310B1 (de) 2024-06-04 2024-06-04 System und Verfahren zur Bereitstellung von Dampf in einer Harnstoffproduktionsanlage sowie Harnstoffproduktionsanlage
DE102024115538.8 2024-06-04

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2025252595A1 true WO2025252595A1 (de) 2025-12-11

Family

ID=95983436

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2025/064938 Pending WO2025252595A1 (de) 2024-06-04 2025-05-28 System und verfahren zur bereitstellung von dampf in einer harnstoffproduktionsanlage sowie harnstoffproduktionsanlage

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2025252595A1 (de)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0417830B1 (de) * 1989-09-15 1995-02-01 SNAMPROGETTI S.p.A. Verfahren mit hoher Energieleistung zur Herstellung von Harnstoff
EP3656759A1 (de) 2018-11-22 2020-05-27 Casale Sa Verfahren zur synthese von harnstoff
WO2024078669A1 (de) * 2022-10-14 2024-04-18 Lübbers FTS GmbH Wärmepumpenvorrichtung zum energieeffizienten erzeugen einer prozesswärme, trocknervorrichtung zum trocknen eines zu trocknenden gutes und verfahren zum betreiben einer wärmepumpenvorrichtung

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0417830B1 (de) * 1989-09-15 1995-02-01 SNAMPROGETTI S.p.A. Verfahren mit hoher Energieleistung zur Herstellung von Harnstoff
EP3656759A1 (de) 2018-11-22 2020-05-27 Casale Sa Verfahren zur synthese von harnstoff
WO2024078669A1 (de) * 2022-10-14 2024-04-18 Lübbers FTS GmbH Wärmepumpenvorrichtung zum energieeffizienten erzeugen einer prozesswärme, trocknervorrichtung zum trocknen eines zu trocknenden gutes und verfahren zum betreiben einer wärmepumpenvorrichtung

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1613841B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur ausführung eines thermodynamischen kreisprozesses
EP1649146B1 (de) Verfahren zur erhöhung des wirkungsgrades einer gasturbinenanlage sowie dafür geeignete gasturbinenanlage
DE60033889T2 (de) Verfahren zur Energieerzeugung mit einem thermochemischen Rückgewinnungskreislauf
EP0674099A1 (de) Verfahren zur Kühlung von thermische belasteten Komponenten einer Gasturbogruppe
DE102010042792A1 (de) System zur Erzeugung mechanischer und/oder elektrischer Energie
DE102013225543B3 (de) Dampfspeicherung mit Latentwärmespeicher und Dampf-Thermokompressor
EP0039907A1 (de) Verfahren zur Wärmeerzeugung unter Verwendung einer Wärmepumpe
EP2199671A1 (de) Verfahren und Anordnung zur Erzeugung von Wasserdampf
EP1870646B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Rückgewinnung von Kondensationswärme aus einem thermodynamischen Kreisprozess
EP0856104A1 (de) Verfahren zur erzeugung von energie und kraftwerksanlage zur durchführung des verfahrens
LU103310B1 (de) System und Verfahren zur Bereitstellung von Dampf in einer Harnstoffproduktionsanlage sowie Harnstoffproduktionsanlage
DE19943782C5 (de) Gas- und Dampfturbinenanlage
EP0851971A1 (de) Verfahren und anordnung zum vorwärmen des speisewassers eines dampferzeugers in kraftwerksprozessen
WO2025252595A1 (de) System und verfahren zur bereitstellung von dampf in einer harnstoffproduktionsanlage sowie harnstoffproduktionsanlage
DE102024115538A1 (de) System und Verfahren zur Bereitstellung von Dampf in einer Harnstoffproduktionsanlage sowie Harnstoffproduktionsanlage
WO2022233582A2 (de) Verfahren zum betreiben einer speicheranlage, speicheranlage, steuerungsprogramm und computerlesbares medium
DE102014105067A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Flexibilisierung von mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen befeuerten Kraftwerken mittels der Produktion kohlenstoffhaltiger Energieträger
EP1584798B1 (de) Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung von Kraft und Wärme
EP4177446B1 (de) Verfahren zum betreiben einer chemischen anlage
LU103261B1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Nutzung von mit erneuerbaren Energien betriebenen Ammoniaksyntheseanlagen
WO2015117821A1 (de) Energiespeicher zur zwischenspeicherung elektrischer energie
DE102014202275A1 (de) Energiespeicher zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie
DE102024107086A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Nutzung von mit erneuerbaren Energien betriebenen Ammoniaksyntheseanlagen
WO1995025880A1 (de) Verfahren zum betreiben eines abhitzedampferzeugers sowie danach arbeitender abhitzedampferzeuger
WO2025190985A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur nutzung von mit erneuerbaren energien betriebenen ammoniaksyntheseanlagen

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 25730037

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1