Спосіб та обладнання для виробництва сечовини з високим виходом продукту та низьким енергоспоживанням і спосіб модернізації існуючого обладнання

Винахід стосується хімічної технології, а саме способу виробництва сечовини з високим виходом продукту та низьким енергоспоживанням, обладнання для виробництва сечовини і способу модернізації існуючого обладнання. В галузі виробництва сечовини, з одного боку, все ще зростає необхідність в більш потужних установках, пристосованих до різних експлуатаційних вимог, а з іншого боку, які потребують зменшення капітальних та експлуатаційних витрат, особливо у відношенні споживання енергії. Дотепер в галузі виробництва сечовини було запропоновано та впроваджено ряд способів виробництва сечовини, які базуються, головним чином, на проведенні головної реакції конверсії в реакційному просторі з подаванням аміаку (NH3) та диоксиду вуглецю (СО2) , і куди повертаються речовини, що не прореагували, які містяться в розчині сечовини, яка виходить із зони реакції, зокрема, аміак, диоксид вуглецю та розведений карбамат у водному розчині. Такий спосіб включає розташовану внизу в напрямку потоку секцію регенерації сечовини для відділення від сечовини сполук, які не вступили до реакції і мають бути повернені до основної зони. Як альтернативу, було запропоновано способи виробництва сечовини, які в основному базуються на проведенні реакцій конверсії у двох реакційних зонах, які відрізняються виходом продукту, розташованих паралельно одна до одної, як описано, наприклад, в Європейській патентній заявці ЕР-А-0479103. В такому разі, речовини, які не прореагували, всі просторово повертаються до одної з реакційних установок. Якщо, з одного боку, таке повертання дозволяє майже повністю проводити регенерацію цінних речовин, таких як аміак і диоксид вуглецю, з іншого боку, воно також включає подання до реактора великих кількостей води (Н20), що зашкоджує загальному виходові продукту конверсії диоксиду вуглецю в сечовину з виходом в межах 55 - 62%. Як прототип способу виробництва сечовини з високим виходом продукту та низьким енергоспоживанням обрано спосіб, за яким провадять реакції між аміаком та диоксидом вуглецю в першій зоні реакції з отриманням реакційної суміші, яка містить сечовину, карбамат та вільний аміак у водному розчині, подають цю суміш до секції регенерації сечовини, в якій відокремлюють карбамат та вільний аміак у водному розчині від сечовини [1]. Недоліком описаного способу є те, що вихід продукту конверсії недостатньо високий, що призводить до зайвих витрат енергії та експлуатаційних витрат. Як прототип обладнання для виробництва сечовини з високим виходом продукту та низьким енергоспоживанням обране обладнання для виробництва сечовини, яке містить перший реактор синтезу сечовини, секцію регенерації реакційної суміші, яка містить сечовину, карбамат та вільний аміак у водному розчині, яка виходить з першого реактора синтезу сечовини, призначену для відокремлення сечовини від карбамату та вільного аміаку в водному розчині [2]. Але вищеописане обладнання складне за технічним втіленням, що обумовлює підвищені витрати енергії та експлуатаційні витрати. Як прототип способу модернізації існуючого обладнання для виробництва сечовини обрано спосіб модернізації існуючого обладнання, в якому використовують комплект обладнання, яке містить реактор синтезу сечовини; секцію регенерації реакційної суміші, яка містить сечовину, карбамат та вільний аміак у водному розчині, яка надходить із першого реактора синтезу сечовини, для відокремлення сечовини від карбамату та вільного аміаку в водному розчині [3]. В основу групи винаходів поставлено задачу створення доступного способу і обладнання для виробництва сечовини і способу модернізації існуючого обладнання сечовини, в якому досягається високий вихід продукту конверсії і який би був простим в технічному втіленні, а також включав низький рівень витрачання енергії та експлуатаційних витрат. Згідно з даним винаходом, ця задача вирішується за допомогою способу згаданого вище типу, який характеризується тим, що принаймні частину згаданого карбамату та вільного аміаку в водному розчині, отриманих у секції регенерації сечовини, піддають обробці з частковим розкладом карбамату та частковим відокремленням вільного аміаку для утворення потоку, який включає аміак та диоксид вуглецю в паровій фазі та потоку, який містить залишковий карбамат у водному розчині, подають потік, який містить аміак та диоксид вуглецю в паровій фазі, принаймні частковій конденсації для отримання потоку концентрованого карбамату в водному розчині, подають принаймні частину отриманого концентрованого карбамату до другої зони реакції, проводять реакції між аміаком та диоксидом вуглецю у другій зоні реакції для отримання реакційної суміші, яка містить сечовину, карбамат та вільний аміак у водному розчині. Крім того, задача досягається тим, що обробку з частковим розкладом карбамату та частковим відокремленням вільного аміаку в водному розчині здійснюють під тиском, який практично відповідає тискові в другій зоні реакції, а також тим, що подають потік, який містить залишковий карбамат у водному розчині, який утворюється в результаті обробки з частковим розкладом карбамату та частковим відокремленням вільного аміаку в водному розчині, до секції регенерації сечовини. Задача досягається також тим, що реакційну суміш, отриману в другій зоні реакції, подають до секції регенерації сечовини. В наступному описі та формулі винаходу під терміном «концентрат» карбамату, або те ж саме «концентрований» карбамат, у водному розчині слід розуміти розчин карбамату з дуже низьким вмістом (кілька відсотків) води. Згідно з даним винаходом, принаймні частина карбамату та вільного аміаку в водному розчині, що виходить із секції регенерації сечовини, здебільшого піддається обробці з частковим розділенням непрореагованого аміаку та диоксиду вуглецю і розчину, збагаченого водою, що містить залишковий карбамат. В такий спосіб, речовини, що не вступили до реакції і що повинні повернутись до конверсії, мають вельми низький вміст води, і, таким чином, є можливим суттєво обмежити подавання води до зони реакції з можливістю досягнути високого виходу конверсії. Здебільшого, ці речовини, що не вступили до реакції, повертаються в другу зону реакції, там де проводять реакцію між аміаком та диоксидом вуглецю. Завдяки присутності в обладнанні першої зони реакції, куди подають практично чисті реагенти, і другої зони реакції, куди подають концентрований карбамат з вельми низьким вмістом води, є можливим отримати подальше зростання загального виходу конверсії. Для того, щоб отримати високу ступінь розкладу карбамату та відокремлення вільного аміаку в водному розчині, обробку з частковим розкладом та відокремленням бажано проводять під тиском, що в основному відповідає тискові в другій зоні реакції. Для того, щоб поліпшити та полегшити стадії конденсації та відокремлення непрореагованих речовин в секції регенерації сечовини, потік, що містить залишковий карбамат у водному розчині, що він утворюється в результаті обробки з частковим розкладом карбамату і частковим відокремленням вільного аміаку, переважно подають до згаданої секції регенерації сечовини. Згідно з іншим аспектом даної групи винаходів, задача, що означена вище, вирішується за допомогою описаного вище обладнання, призначеного для втілення згаданого вище способу виробництва сечовини, в яке встановлено другий реактор синтезу сечовини, модуль стрипінгу для піддавання принаймні частини карбамату та вільного аміаку в водному розчині, що отримані в секції регенерації сечовини, обробці з частковим розкладом карбамату та частковим відокремленням вільного аміаку для утворення потоку, що містить аміак та диоксид вуглецю в паровій фазі, та потоку, що містить залишковий карбамат у водному розчині, засоби для конденсації, принаймні частково, парів, що виходять з модуля стрипінгу для отримання потоку концентрованого карбамату в водному розчині, засоби для подавання принаймні частини згаданого концентрованого карбамату до другого реактора синтезу сечовини. Задача створення нового обладнання досягається також тим, що до обладнання включені засоби для подачі потоку, який містить залишковий карбамат у водному розчині від модуля стрипінгу до секції регенерації та крім того засоби для подачі реакційної суміші, яка містить сечовину, карбамат та вільний аміак у водному розчині, яка виходить з другого реактора синтезу до секції регенерації сечовини. Згідно із ще одним аспектом даної групи винаходів, задача, що означена вище, вирішується за допомогою згаданого вище способу модернізації обладнання для виробництва сечовини, за яким додатково встановлюють: другий реактор синтезу сечовини, модуль стрипінгу для подачі принаймні частини карбамату та вільного аміаку у водному розчині, які отримані в секції регенерації сечовини, обробці з частковим розкладом карбамату та частковим відокремленням вільного аміаку для утворення потоку, який містить аміак та диоксид вуглецю в паровій фазі, та потоку, який містить залишковий карбамат у водному розчині, засоби для конденсації, принаймні частково, парів, які виходять з модуля стрипінгу для отримання потоку концентрованого карбамату в водному розчині, засоби для подачі принаймні частини концентрованого карбамату до другого реактора синтезу сечовини. Крім того за заявленим способом модернізації встановлюють засоби для подачі потоку, який містить залишковий карбамат у водному розчині від модуля стрипінгу до секції регенерації, а також засоби для подачі реакційної суміші, яка містить сечовину, карбамат та вільний аміак у водному розчині та яка виходить із другого реактора синтезу до секції регенерації сечовини. Подальші характеристики та переваги даної групи винаходів пояснюються в докладному описі його втілення, наведеному нижче, за допомогою прикладу, що не обмежує ці винаходи, з посиланням до доданої фігури. На фіг. зображено блок-схему способу виробництва сечовини, згідно з даним винаходом. Детальний опис прийнятного втілення. На фіг. блоки 1 та 2 показують зони реакції високого тиску для синтезу сечовини. Типові експлуатаційні параметри для проведення реакції в першій зоні такі: мольне співвідношення NH3/СO2 на вході - 3,6; мольне співвідношення Н2O/СO2 на вході - 0; вихід конверсії СO2 у сечовину - 75%; тиск - 240бар; температура - 195°С. Зона реакції 1 є переважно типу «один-раз-наскрізь», туди подаються потоки газів 21 та 22, що містять практично чисті аміак та диоксид вуглецю відповідно. В наступному описі під терміном тип зони реакції «один-раз-наскрізь» мають на увазі зону реакції здебільшого без повертання до неї непрореагованих реагентів, зокрема карбамату в водному розчині. В більшості випадків, перед подаванням до зони реакції газові потоки 21 та 22 проходять крізь предконденсатор (не показано) типу Кетла з метою відводу надлишку тепла та виробництва пари з тиском 6 - 9бар. Типові експлуатаційні параметри для проведення реакції в другій зоні такі: мольне співвідношення NH3/CO2 на вході - 3,2; мольне співвідношення Н2O/СO2 на вході - 0,1; вихід конверсії СO2 у сечовину - 72%; тиск - 150бар; температура - 190°С. В більшості випадків, до зони реакції 2 подають газові потоки 21 та 30, що містять в основному чисті аміак та концентрований карбамат у водному розчині відповідно. Як показано на фіг., зони реакції 1 та 2 експлуатуються паралельно. В цьому прикладі біля 75% загальної реакції конверсії відбувається в першій зоні 1 і відповідно 25% - у зоні реакції 2. Блоки 5 та 9 показують відповідно секцію гранулювання або обкатування і модуль конденсації високого тиску. Модуль конденсації 9 є переважно типу Кетла і слугує для видалення надлишку тепла з продукуванням пари тиску 5 - 6бар. Він експлуатується під тим самим тиском, що і зона реакції 2. Секція регенерації сечовини загалом зображена в блоках З, 4, 6 та 7. Зокрема, блоки 3 та 4 показують модуль дистиляції, а блоки 6 та 7 - модуль конденсації. Блок 4 також показує остаточний модуль, де отримують розчин сечовини з концентрацією до 99,7%. Блок 7 також показує модуль обробки стічної води, де очищають воду перед виведенням її з способу виробництва сечовини. Типовим є те, що блоки 3 та 6 експлуатують під помірним тиском (біля 18бар) , в той час, як блоки 4 та 7 під низьким тиском (біля 3бар) . Згідно з альтернативним втіленням даного способу, блок 6 далі включає колону відокремлення аміаку для отримання в цілому чистого рідкого аміаку, який надсилається до зон реакції 1 та 2, як додаток до потоку 21, як зображено лінією потоку 29. Згідно з даним винаходом, блок 8 показує модуль розкладу високого тиску, що експлуатується під таким самим тиском, як і зона реакції 2. Цей модуль розкладу 8 звичайно включає стрипер-апарат. Лінії потоку 23 та 24 репрезентують рідинний потік реакційної суміші, що надходить з блоків відповідно 1 і 2, і включає сечовину поряд з непрореагованими речовинами, в основному карбаматом та вільним аміаком у водному розчині. Лінія потоку 24 приєднується до потоку 23, який проходить модулі дистиляції секції регенерації сечовини, що зазначено блоками 3 та 4. Тут карбамат разом з вільним аміаком розкладається і відокремлюється від розчину сечовини. Взагалі, вміст сечовини в рідкому потоці 23 після блоку З становить 70 - 72%, а після блоку 4 - біля 99%. Лінії потоку 26 та 27 репрезентують газовий потік, що містить аміак та диоксид вуглецю в газовій фазі, отриманий у блоках 3 та 4 відповідно. Потік 27 проходить модуль конденсації, представлений блоком 7, в якому аміак та диоксид вуглецю в паровій фазі конденсуються з отриманням потоку карбамату в водному розчині, а далі подається до модуля конденсації 7, де він сприяє конденсації газового потоку 26. Аналогічно, потік 26 проходить модуль конденсації, представлений блоком 6, в якому аміак та диоксид вуглецю в паровій фазі конденсуються з отриманням потоку карбамату та вільного аміаку в водному розчині з високим вмістом води, а далі подається до модуля розкладу 8, де він більшою частиною зазнає часткового розкладу карбамату з частковим відокремленням вільного аміаку. Частина води, яка міститься в водному розчині, отриманому е модулі конденсації блоку 7), далі очищається майже від слідів аміаку і сечовини в секції, що також зображена блоком 7. Лінія потоку 28, що відходить від блоку 7, є лінією сточної води, що виводиться з способу виробництва сечовини. Потік розчину сечовини 23, що виходить з блоку 4, проходить секцію гранулювання або обкатування, показану блоком 5, де він перетворюється в кінцевий продукт, що залишає спосіб виробництва сечовини за лінією потоку 25. На виході з блоку 8, показані лінії потоку 30 та 31, які репрезентують відповідно газовий потік, що містить аміак та диоксид вуглецю в паровій фазі, та рідинний потік, що містить сечовину та залишковий карбамат у водному розчині. Газовий потік 30, що добре збагачений на аміак та диоксид вуглецю та збіднений на воду (тільки кілька відсотків), проходить модуль конденсації, що представлено блоком 6, тут аміак та диоксид вуглецю зазнають конденсацію з утворенням концентрованого водного розчину карбамату, який повертається до зони реакції 2 по лінії потоку 30. В прикладі на фіг. весь карбамат у водному розчині, відокремлений від сечовини в секції регенерації піддається розкладові в блоці 8. Проте задовільні результати можна отримати також подаванням до блоку 8 тільки частини карбамату, що виходить з секції регенерації сечовини. Наприклад, до блоку 8 може бути спрямовано від 50 до 90% цього карбамату. Згідно із способом, що є предметом даного винаходу, реакція між аміаком та диоксидом вуглецю провадиться в першій зоні реакції 1, з утворенням реакційної суміші, що містить сечовину, карбамат та вільний аміак у водному розчині, яка подається до секції регенерації сечовини (блоки 3, 4, 6, 7), де сечовина відокремлюється від карбамату та вільного аміаку в водному розчині (лінія потоку 26). Переважно, згідно з іншими стадіями способу в даному винаході, принаймні частина потоку 26 далі в блоці 8 піддається обробці з частковим розкладом для отримання потоку 30, що містить аміак та диоксид вуглецю в паровій фазі, і потоку 31, що містить залишковий карбамат у водному розчині. Потік 30 потім принаймні частково конденсується в блоці 9 для отримання потоку концентрованого карбамату в водному розчині, який повертається до другої зони реакції 2 по лінії потоку 30. Потік концентрованого карбамату 30, що подається до блоку 2 звичайно якнайліпше містить вільний аміак. Діючи таким чином, можна отримати високий вихід конверсії в першій 1, а також відповідно і в другій зоні реакції 2, оскільки непрореаговані реагенти переважно повертаються до другої зони реакції суттєво звільненими від води. Згідно з даним способом виробництва сечовини, можливо довести загальний вихід конверсії диоксиду вуглецю у сечовину в межах 70 - 76%, що помітно вище, ніж можна досягнути у відомих в даній галузі способах. Більш того, цей високий вихід продукту і практична відсутність води, яка повинна повертатися до зони реакції 2, також призводить до зменшення потоку речовин, що їх треба відокремлювати від розчину сечовини, і в такий спосіб результатом цього є збільшення ефективності модулів дистиляції 3 та 4 секції регенерації. У відповідності до даного винаходу, рідинний потік 31, що містить велику кількість води, переважно повертається до секції регенерації, щоб сприяти конденсації і виділенню непрореагованих речовин, що вивільняються у модулях дистиляції 3 та 4. Потік 31 переважно проходить модуль дистиляції, показаний блоком 10, де залишковий карбамат далі піддається розкладові для утворення розчину з великим вмістом води, який подають до блоку 7. З блоку 10 також виходить лінія потоку 32 збідненої водяної пари, що містить залишкові аміак та диоксид вуглецю. Вона подається до модуля конденсації, зображеного блоком 6 секції регенерації сечовини. Таким чином отримують окрему петлю циркуляції води в способі, яка суттєво сприяє конденсації парів аміаку та диоксиду вуглецю в модулях конденсації 6 та 7 без повертання їх до зон реакції 1 та 2, і, таким чином, без негативного впливу цього фактору на реакцію між аміаком та диоксидом вуглецю. Для подальшого розкладу потоку 31, що містить велику кількість води і виходить з блоку 10, поміж блоками 10 та 7 може бути встановлено додатковий модуль дистиляції (не показаний). В такому разі, збіднений на воду паровий потік, що містить залишковий аміак та диоксид вуглецю, подається до модуля конденсації, зазначеного блоком 7, в той час як розчин, додатково збагачений водою подається до модуля обробки сточної води, також зазначеного в блоці 7. Переважно, модуль дистиляції 10 та додатковий модуль дистиляції експлуатують під середнім та низьким тиском відповідно. Секція регенерації сечовини може також включати додатковий модуль дистиляції та конденсації низького тиску (1 - 2бар), розташовані вниз за потоком від блоків 4 та 7 відповідно. Тепер буде зроблено посилання на обладнання для виробництва сечовини, спеціально виконане для проведення способу за даним винаходом. Обладнання для виробництва сечовини здебільшого включає два реактори синтезу сечовини, зазначені блоками 1 та 2, секцію регенерації сечовини, зазначену блоками 3, 4, 6 та 7, модуль стрипінгу, зазначений блоком 8, та відповідні засоби для конденсації та повернення до реактора 2 парів, що надходять з модуля стрипінгу (блок 9, лінія потоку 30). З посиланням на фіг., обладнання здебільшого включає засоби для подавання потоку, що містить залишковий карбамат у водному розчині, від модуля стрипінгу до секції регенерації. Модуль дистиляції, зазначений блоком 10, переважно розташований між модулем стрипінгу та секцією регенерації. Більш того, обладнання також включає засоби (лінія потоку 24) для подавання реакційної суміші, що містить сечовину, карбамат та вільний аміак у водному розчині, яка виходить з другого реактора до секції регенерації сечовини. Обладнання, що призначене для проведення способу виробництва сечовини згідно з даним винаходом може бути якісним новим обладнанням або обладнанням, отриманим модернізацією вже існуючого раніше. Згідно з даним винаходом, така модернізація відбувається в наступні етапи: встановлення другого реактора синтезу сечовини (блок 2); встановлення модуля стрипінгу (блок 8) для піддавання принаймні частини згаданого карбамату та вільного аміаку в водному розчині (лінія потоку 26), що отримані в секції регенерації сечовини (блоки 3, 4, 6 та 7), обробці з частковим розкладом карбамату та частковим відокремленням вільного аміаку з утворенням потоку, що включає аміак та диоксид вуглецю в паровій фазі та потоку, що містить залишковий карбамат у водному розчині (лінії потоку 30 та 31 відповідно); встановлення засобів для конденсації (блок 9), принаймні частково, парів, що виходять з модуля стрипінгу з отриманням потоку концентрованого карбамату в водному розчині; встановлення засобів для подавання (лінія потоку 30), принаймні частини згаданого концентрованого карбамату до другого реактора синтезу сечовини (блок 2) . Здебільшого, спосіб модернізації вже існуючого раніше обладнання доповнюють наступними операціями: встановлююить засоби для подавання (лінія потоку 31), потоку, що містить залишковий карбамат у водному розчині від модуля стрипінгу (блок 8) до секції регенерації (блоки 3, 4, б та 7). Згідно з подальшим втіленням даного винаходу, за способом модернізації встановлюють засоби для подавання (лінія потоку 24) , реакційної суміші, що містить сечовину, карбамат та вільний аміак у водному розчині, яка виходить з другого реактора синтезу (блок 2) до згаданої секції регенерації сечовини (блоки 3, 4, 6 та 7). Завдяки способу модернізації в даному винаході, може бути радикально збільшено не тільки вихід продукту конверсії у вже існуючому раніше реакторі синтезу сечовини, але й потужність останнього. Фактично, до раніше існуючого реактора може бути спрямовано більший потік реагентів без перевищення його потужності, так само, як і до модулів дистиляції в секції регенерації сечовини. Більш того, додатковий реактор синтезу сечовини, до якого в основному повертаються всі непрореаговані речовини, також можна експлуатувати з високим виходом конверсії, оскільки до нього подаються неістотно малі кількості води. З причини цього високого виходу конверсії, здебільшого є можливим регенерувати сечовину, що утворюється в другому реакторі, прямо в раніше існуючій секції регенерації без перевищення потужності модулів дистиляції.