Концентрування розчину сечовини в способі синтезу сечовини

Реферат: У заявці описані спосіб і відповідна установка для синтезу сечовини, при здійсненні якого в секції (10) синтезу одержують розчин (13), що містить сечовину, зазначений розчин очищають у секції (14) вибирання й одержуваний із зазначеної секції вибирання водний розчин (15), що містить в основному сечовину й воду, піддають концентруванню за допомогою контакту з водовибірковою мембраною. UA 112596 C2 (12) UA 112596 C2 UA 112596 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Галузь техніки, до якої відноситься винахід Даний винахід відноситься до галузі синтезу сечовини. Більш конкретно, даний винахід відноситься до стадії концентрування водяного розчину сечовини, який одержують із секції вибирання на установці для синтезу сечовини. Рівень техніки Відомі способи синтезу сечовини включають в основному контур синтезу під високим тиском, секцію вибирання, що працює під середнім і (або) низьким тиском, секцію концентрування й секцію остаточної обробки. У контурі синтезу взаємодіють вихідні матеріали аміак і діоксид вуглецю, утворюючи розчин сечовини, воду й карбамат амонію; цей розчин піддають очищенню в секції, що працює під середнім або низьким тиском, розташованої нижче за потоці, в основному для вибирання аміаку й діоксиду вуглецю, що утворюються при розкладанні карбамату. Потік, що виходить із секції вибирання, звичайно являє собою водяний розчин сечовини, що містить приблизно 50-90 мас. % сечовини, на сучасних установках -звичайно 70-80 мас. %. Однак у деяких випадках застосування потрібно набагато більш висока концентрація. Наприклад, способи остаточної обробки для гранулювання й одержання гранул затвердінням крапельок розпиленого розчину з метою перетворення сечовини у твердий продукт, вимагають використання розплаву сечовини, що має чистоту 95-99,8 мас. %. На відомому рівні техніки таку більш високу концентрацію одержують або концентруванням під вакуумом, або кристалізацією розчину сечовини. Наведений вище загальний опис відноситься до більшої частини сучасних установок для одержання сечовини, зокрема, також до способів із самовідпарюванням і способам з відпарюванням діоксидом вуглецю, і до конструкції нових установок для синтезу сечовини. Всебічний розгляд цих способів і відповідних установок для одержання сечовини можна знайти в літературних джерелах, наприклад, Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology (Енциклопедія хімічної технології), 3-е вид., т. 23, стор. 548-562 або Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (Енциклопедія Ульмана з промислової хімії), вид-во Wiley-VCH Verlag. Слід зазначити, що постійно виникаючою проблемою в способах синтезу сечовини є видалення води з потоку, що виходить із контуру високого тиску або секції вибирання, оскільки на кожну грам-молекулу сечовини одержують одну грам-молекулу води. Як повідомлялося вище, потребу в концентруванні потоку, що виходить із секції вибирання, у цей час реалізують, використовуючи випарювання або кристалізацію. Кристалізація означає фізичний розділення твердої фази (кристалізованої сечовини) і рідкої фази (води), а недоліком цього способу є використання великогабаритних і складних установок, що вимагають значного обсягу робіт з технічного обслуговування з погляду потреби в робочій силі й фінансових витрат. Вакуум-випарні апарати також мають ряд недоліків. По-перше, через їх низький тиск (вакуум) для них потрібні більші й дорогі ємності. Крім того, установки, що працюють під вакуумом, створюють проблему герметизації щоб уникнути підсмоктування повітря ззовні. Ще одним недоліком є низька енергоефективність. Вакуум-випарний апарат вимагає підведення тепла, яке звичайно доставляє гарячу водяну пару, одержуваний на установці десь в іншім місці; більше того, вакуум створюють за допомогою парових ежекторів, які не є цілком ефективним устаткуванням. Разом з тим, потік газу, що виходить із випарного апарата, поряд з рушійною (енергетичною) парою ежекторів потрібно конденсувати, скидаючи менш корисне тепло, яке більше не можна повторно використовувати в цьому способі. Зазначене тепло звичайно відводять за допомогою повітряного або водяного охолодження й розсіюють в атмосфері. Тому існує потреба забезпечити більш придатний процес концентрування розчину сечовини, що надходить із секції вибирання на відомих установках для синтезу сечовини. Розкриття винаходу У даному винаході пропонують відокремлювати воду й, можливо, інші відмінні від сечовини компоненти сечовини, що містяться в розчині, що виходить із секції вибирання на установці для синтезу сечовини, за допомогою вибіркової мембрани. Відповідно, першою особливістю винаходу є спосіб синтезу сечовини, у якому у секції синтезу сечовини одержують водяний розчин, що містить сечовину з деякою кількістю залишкового аміаку й діоксиду вуглецю, зазначений розчин очищають у секції вибирання, а водяний розчин, що містить в основному сечовину й воду, який одержують зі згаданої секції вибирання, піддають процесу концентрування, що відрізняється тим, що зазначений процес концентрування містить щонайменше одну стадію відділення за допомогою вибіркової мембрани. 1 UA 112596 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Зазначену стадію відділення за допомогою вибіркової мембрани здійснюють із використанням однієї або більше мембран. Мембрана для здійснення даного винаходу, поперше, має проникну здатність для переносу води й (або) для переносу інших забруднюючих домішок, а, по-друге, - спеціальною проникною здатністю для переносу сечовини. Зазначену стадію переважно здійснюють із використанням щонайменше водо-вибіркової мембрани, пристосованої для відділення води від сечовини й концентрування розчину. Наприклад, придатна водо-виборча мембрана є проникною для води й по суті непроникною для інших складових розчину, а саме, сечовини. Це можна розуміти так, що, наприклад, при контакті водяного розчину сечовини з водо-вибірковою мембраною на стороні подачі воду збирають на стороні виходу, таким чином, підвищуючи концентрацію розчину на стороні подачі. Мембрана забезпечує розділення першої сторони (сторона подачі) і другої сторони (сторона виходу). Із цією метою зазначена мембрана може являти собою плоску мембрану або мати іншу форму, наприклад, являти собою мембрану, скручену спіраллю. У деяких варіантах здійснення винаходу для поліпшення цього способу тиск на стороні подачі й на стороні виходу може бути різним. Концентрування на основі використання мембрани може бути не єдиним способом концентрування. До або після зазначеної стадії відділення за допомогою вибіркової мембрани водяний розчин можна концентрувати іншим способом (наприклад, випарюванням або кристалізацією). Відповідно до різних варіантів здійснення винаходу водяний розчин, який піддають розділенню за допомогою вибіркової мембрани, - це розчин, що виходить із секції вибирання, або розчин, концентрований раніше звичайним способом, таким як випарювання або кристалізація. У такий же спосіб, концентрований розчин, що виходить при здійсненні способу відділення за допомогою мембрани, можна (на розсуд) додатково концентрувати іншим способом, якщо це необхідно або є доцільним. У деяких варіантах здійснення винаходу зазначений спосіб концентрування містить використання більше ніж однієї вибіркової мембрани й, можливо, декількох мембран різної природи для відділення води й інших забруднюючих домішок з водяного розчину сечовини. Згадані забруднюючі домішки можуть охоплювати аміак або солі, наприклад, карбонати, які в малих кількостях можна виявити в розчині. Концентрація розчину, що надходить у мембрану, переважно становить 50-90 мас. % сечовини. Після концентрування розчин переважно містить більше 85 мас. % сечовини, а більш переважно - 95-100 мас. %. Другою особливістю винаходу є установка для синтезу сечовини, що містить секцію синтезу й секцію вибирання, і яка відрізняється секцією концентрування для обробки водяного розчину сечовини, причому зазначена секція концентрування містить щонайменше одну стадію концентрування за допомогою мембрани, що містить вибіркову мембрану. Зазначена мембрана переважно являє собою водо-вибіркову мембрану для відділення води з водяного розчину сечовини. Ще однієї особливістю винаходу є модернізація існуючої установки для синтезу сечовини, при якій існуючу секцію концентрування переробляють, включаючи стадію концентрування за допомогою мембрани. Відділення за допомогою мембрани може повністю або частково замінити звичайну секцію вакуумного випарювання або кристалізації. Можна забезпечити високу концентрацію, наприклад, не нижче 95-99,5 мас. %, що підходить для здійснення способів остаточної обробки для гранулювання або одержання гранул затвердінням розпилених крапельок без використання дорогих і великогабаритних працюючих під вакуумом установок для звичайних секцій. Більше того, концентрування за допомогою мембран не вимагає значних енерговитрат або підведення тепла, що підвищує енергоефективність цього способу в цілому. Опис переважного варіанта здійснення винаходу На фіг. показана блок-схема конкретного варіанта здійснення винаходу. Посилальним номером 10 позначена секція синтезу під високим тиском, у якій взаємодіють аміак 12 і діоксид вуглецю 11. Відповідно до відомого рівня техніки в ряді варіантів здійснення винаходу зазначений секція 10 може містити реактор, відпарювальний апарат і конденсатор, що утворюють контур високого тиску. Вихідний із секції 10 потік 13 обробляють у секції 14 вибирання в основному для виділення аміаку й діоксиду вуглецю. Водяний розчин 15 сечовини із секції 14 вибирання направляють у секцію 16 концентрування, що містить водо-вибіркову мембрану. Наприклад, до першої сторони мембрани подають розчин 15, а з іншої сторони (сторони виходу) мембрани одержують потік 17, що складається в основному з води. Для одержання по 2 UA 112596 C2 суті чистої води W зазначений потік 17 переважно очищають у секції 18. Концентрований розчин 19, що має концентрацію, наприклад, приблизно не нижче 95-99,5 мас. %, пропускають у секцію 20 остаточної обробки для одержання по суті чистої сечовини U. 5 10 15 20 25 30 35 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб синтезу сечовини, у якому у секції (10) синтезу одержують розчин (13), який містить сечовину, зазначений розчин очищають у секції (14) вибирання й водний розчин (15), що містить в основному сечовину й воду, який одержують зі згаданої секції вибирання, піддають процесу концентрування, який відрізняється тим, що зазначений процес концентрування містить стадію відділення за допомогою вибіркової мембрани. 2. Спосіб за п. 1, причому зазначена стадія відділення за допомогою вибіркової мембрани здійснюється з використанням щонайменше однієї водовибіркової мембрани. 3. Спосіб за п. 1, причому до або після зазначеної стадії відділення за допомогою вибіркової мембрани концентрування водного розчину із секції вибирання здійснюють іншим методом, таким як випарювання або кристалізація. 4. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, причому зазначену стадію концентрування за допомогою вибіркової мембрани здійснюють із використанням цілого ряду мембран. 5. Спосіб за п. 4, причому зазначену стадію концентрування за допомогою вибіркової мембрани здійснюють із використанням цілого ряду мембран різної природи для видалення з водного розчину сечовини води й інших забруднюючих домішок, таких як аміак і (або) карбонати. 6. Установка для синтезу сечовини, що містить секцію (10) синтезу, секцію (14) вибирання й секцію (16) концентрування для видалення води з водного розчину сечовини, що випускається із секції вибирання, яка відрізняється тим, що зазначена секція (16) концентрування містить щонайменше одну вибіркову мембрану. 7. Установка за п. 6, на якій зазначена секція (16) концентрування містить водовибіркову мембрану. 8. Установка за п. 7, на якій зазначена водовибіркова мембрана є проникною для води й, у значній мірі, непроникною для інших складових водного розчину; зазначена мембрана забезпечує розділення сторони подачі й сторони виходу мембрани; водний розчин сечовини приймають на згаданій стороні подачі мембрани, а на згаданій стороні виходу одержують потік (17), в основному, що складається з води. 9. Спосіб модернізації установки для синтезу сечовини, що містить секцію (10) синтезу, секцію (14) вибирання й секцію (16) концентрування для видалення води з водного розчину сечовини, що випускається із секції вибирання, який відрізняється тим, що в секції (16) концентрування встановлюють щонайменше одну вибіркову мембрану для відділення з водного розчину сечовини води й (або) інших забруднюючих домішок. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3