Спосіб приготування розчину карбаміду

1. Спосіб приготування розчину карбаміду, який використовується для очистки від оксидів азоту спрацьованих газів двигунів внутрішнього згорання, що включає розведення знесоленою водою до потрібної концентрації розчину, що утворюється в основній технологічній лінії виробництва карбаміду, з наступними, спочатку десорбцією розчинених в згаданому розведеному розчині газових домішок, потім знешкодженням токсичного аміаку, присутнього в газовій суміші після стадії десорбції, який відрізняється тим, що стадію десорбції проводять в апараті для розведення і масообміну розчину карбаміду зі знесоленою водою, при цьому в згаданому апараті утворюється розрідження за рахунок відсмоктування з нього газової фази за допомогою інжектора, що створює згадане розрідження за рахунок дозування в нього ви U 2 (19) 1 3 домішка, впливає на якість і довговічність роботи двигуна. Суттєвим недоліком цього способу є виробництво продукції з нестабільними показниками якості, що обумовлене протіканням неконтрольованого процесу гідролізу карбаміду в розчині в процесі його зберігання. Відомий також спосіб приготування розчину карбаміду, призначений для очистки від оксидів азоту спрацьованих газів двигунів внутрішнього згорання, що включає розведення водного розчину карбаміду, що утворюється в основній технологічній лінії виробництва карбаміду, знесоленою водою до потрібної концентрації [Dr.Wolf-Peter Trautwein.Ad Blue as a Reducing Agent for the Decrease of Nox Emissions from Diesel Engines of Commercial Vehicles, Part 2,DGMK-Research Report616-2,Hamburg, 2004]. При використанні цього способу вихідний розчин карбаміду має концентрацію 60-70 % мас. або менше, наприклад 40-50 % мас. Отриманий в результаті розведення розчин визначеної концентрації транспортують на автозаправні станції, де його використовують для заправки відповідних пристроїв, установлених на автомобілях. Суттєвим недоліком виготовлених цим способом розчинів карбаміду є їх нестабільність в процесі зберігання. При зберіганні розчинів карбаміду в них протікають процеси гідролізу, які супроводжуються зменшенням вмісту карбаміду і накопиченням розчиненого аміаку, надмірна надлишкова присутність якого в розчині небажана з точки зору безпеки водіїв і пасажирів, що перебувають в автомобілях. Згадані процеси можуть вивести показники якості розчину за межі регламентованих величин (не менше 31,8 % мас. карбаміду і не більше 0,2 % мас. аміаку по ISO22241-1). Відомий також, найбільш близький до запропонованого, спосіб приготування розчину карбаміду, призначеного для очистки від оксидів азоту спрацьованих газів двигунів внутрішнього згорання, що включає розведення знесоленою водою до потрібної концентрації розчину, що утворюється в основній технологічній лінії виробництва карбаміду, з наступними, спочатку десорбцією розчинених в розведеному розчині газових домішок шляхом його продувки повітрям, а потім поглинанням із забрудненого повітря згаданих домішок за допомогою твердого адсорбенту (Патент РФ № 2289471, Бюл. № 35,20.12.2006р. - прототип). Недоліками цього способу є: - десорбція розведеного розчину шляхом його продувки повітрям, що не виключає утворення пожежовибухонебезпечної аміачно-повітряної суміші; - використання як десорбуючого агента повітря обумовлює збільшення об'єму газу, який вміщує токсичні компоненти, і тому підлягає санітарному очищенню, що в зв'язку зі збільшенням об'єму ускладнює згаданий процес; - використання адсорбційного способу очистки газової суміші після стадії десорбції від аміаку вимагає додаткових витрат на регенерацію твердого поглинача і на утилізацію газоподібного аміаку, 61600 4 який буде видалений зі згаданого поглинача в процесі його регенерації; - виробництво продукції, показники якості якої нестабільні і суттєво змінюються в процесі зберігання розведеного розчину за рахунок неконтрольованого протікання в ньому процесу гідролізу карбаміду. Технічна задача, на вирішення якої спрямований винахід, полягає в створенні безпечного способу, який не матиме зазначених недоліків. Ця задача вирішується тим, що в відомому способі, що включає розведення знесоленою водою до потрібної концентрації розчину, що утворюється в основній технологічній лінії виробництва карбаміду, з наступними, спочатку десорбцією розчинених в згаданому розведеному розчині газових домішок, потім знешкодженням токсичного аміаку, присутнього в газовій суміші після стадії десорбції, стадію десорбції проводять в апараті для розведення і масообміну розчину карбаміду зі знесоленою водою, при цьому в згаданому апараті утворюється розрідження за рахунок відсмоктування з нього газової фази за допомогою інжектора, що створює згадане розрідження за рахунок дозування в нього визначеної кількості водяної пари, яка змішується з відсмоктаною газовою фазою і надходить до барометричного конденсатора, де відбувається конденсація водяної пари з подальшим спрямуванням отриманого конденсату, в якому співвідношення розчинених в ньому компонентів аміаку до діоксиду вуглецю складає не менше 5:1, частково на утилізацію, а частково в голову процесу на розведення вихідного розчину карбаміду з попереднім виділенням зі згаданого конденсату газової суміші, яку спрямовують на стадію знешкодження токсичного аміаку, присутнього в згаданій газовій суміші шляхом його каталітичного розкладу до нетоксичних компонентів. Сукупність суттєвих, ознак запропонованого способу, має наступний причинно-наслідковий зв'язок: 1. Завдяки експериментальним дослідженням визначені умови проведення в одному апараті сукупного процесу розведення розчину карбаміду знесоленою водою з одночасною десорбцією розчинених газів із згаданого розчину. Це значно спрощує технологію і, крім того, дозволяє відмовитись від використання повітря на стадії десорбції. 2. Використання водяної пари з подальшою її конденсацією в барометричному конденсаторі разом з газовою фазою, що утворилась після стадії десорбції, сприяє отриманню парового конденсату з розчиненими в ньому аміаком і діоксидом вуглецю в співвідношенні не менше 5:1. Цей конденсат спрямовують на розведення вихідного розчину карбаміду, що завдяки згаданому співвідношенню розчинених в ньому компонентів забезпечує виробництво товарного розчину карбаміду з надлишковим вмістом розчиненого в ньому аміаку. Це в свою чергу гальмує протікання процесу гідролізу в розчині і, таким чином, забезпечує стабільність його складу в часі. Суть корисної моделі ілюструється технологічною схемою установки, зображеної на фіг. 1. 5 Установка включає приймальну ємність 1 для вихідного розчину карбаміду, апарат 2, обладнаний диспергуючим і масообмінним пристроями, інжектор 3, барометричний конденсатор 4, насос 5 для подачі розчину карбаміду із ємності 1 в апарат 2, насос 6 для рециркуляції розчину карбаміду із апарата 2 в ємність 1, насос 7 для подачі знесоленої води із ємності 9 в апарат 2, трубопровід 10 для подачі розчину карбаміду в ємність 1, трубопровід 11 для подачі водяної пари в інжектор 3, трубопровід 12 для спрямування в атмосферу газової суміші із каталітичного реактора 8, трубопровід 15 для подачі охолоджуючої води в конденсатор 4, трубопровід 13 для передачі розчину карбаміду в пристрій для заправки автомобілів, трубопровід 14 для рециркуляції карбаміду із ємності 2 в ємність 1, трубопровід 16 для подачі знесоленої води із ємності 9 в апарат 2, трубопровід 17 для передачі знесоленої води з домішками вуглеамонійних солей на утилізацію. Установка, технологічна схема якої зображена на фіг. 1 в безперервному режимі працює наступним чином. В приймальну ємність 1 по трубопроводу 10 вводять розчин карбаміду, що надходить від виробника карбаміду, наприклад, в автоцистернах. З цією метою може бути використаний розчин концентрацією 60-70 % мас, що утворюється в основній технологічній лінії виробництва карбаміду. Із ємності 1 розчин насосом 5 постійно подають в апарат 2, підтримуючи за допомогою рециркуляційного трубопроводу 14 стабільність параметра подачі розчину в апарат 2. В апарат 2 по трубопроводу 16 подають знесолену воду в кількості, необхідній для підтримки заданої концентрації карбаміду в розчині (31,8-33,3 % мас). Як знесолену воду може були використано паровий конденсат. Розчин, що надходить в апарат 2, перебуває в режимі постійної циркуляції. Крім того, в апараті 2 за допомогою інжектора 3 підтримується розрідження в діапазоні 0,15-0,20 ата. В процесі переміщення розчину карбаміду по апарату 2 послідовно на диспергуючих пристроях відбуваються процеси часткового випарювання води із розчину і десорбції, утворених в результаті реакції гідролізу карбаміду і розчинених в цьому розчині аміаку і діоксиду вуглецю. На внутрішніх масообмінних пристроях апарата 2 відбувається процес розділення фаз. Готовий розчин карбаміду потрібної якості по трубопроводу 13 надходить в пристрій для заправки автомобілів, а потік водяної пари, вміщуючий десорбовані аміак і діоксид вуглецю, надходить в інжектор 3, де змішується з водяною парою, що надходить в інжектор 3 по трубопроводу 11. Відведена із інжектора 3 водяна пара з домішками аміаку і діоксиду вуглецю конденсується в барометричному конденсаторі 4 за рахунок холоду, що передається через стінку охолоджуючою водою, яка надходить до барометричного конденсатора по трубопроводу 15. В процесі конденсації в зв'язку з різним показником розчинності в воді аміаку і діоксиду вуглецю відбувається збагачення конденсату аміаком, в той час як діоксид вуглецю збагачує парову фазу. 61600 6 Залишковий аміак, який входить до складу парової фази, надходить в реактор каталітичної очистки 8, де при контактуванні з каталізатором відбувається його дисоціація на водень і кисень, після чого газову суміш, що складається із діоксиду вуглецю, водяної пари, водню і кисню, розбавляють до безпечних концентрацій і по трубопроводу 12 спрямовують в атмосферу. Паровий конденсат, який вміщує в розчиненому стані аміак і діоксид вуглецю в відповідному їх співвідношенні не менше ніж 5:1, насосом 7 частково по трубопроводу 17 спрямовують на утилізацію, а частково по трубопроводу 18 спрямовують на розведення розчину карбаміду в апараті 2. Це сприяє насиченню аміаком розчину карбаміду в апараті 2, що сприяє гальмуванню до мінімуму реакції гідролізу карбаміду, а це в свою чергу забезпечує збереження стабільності складу розчину карбаміду як готового продукту в процесі його зберігання. З метою дослідної перевірки запропонованої технології була виготовлена лабораторна установка, схема якої зображена на фіг. 2. До складу цієї установки входять: 1 - апарат для приготування розчину карбаміду 2 - конденсатор 3 - інжектор 4 - електропідігрівач 5 - масообмінний насад 6 - апарат для десорбції розчину і його масообміну зі знесоленою водою і конденсатом 7 - розподільчий пристрій 8 - змішувач 9 - сепаратор. Установка працює наступним чином. В апарат 1 дозують вихідні речовини із розрахунку: вода знесолена 3,95 л/год. розчин карбаміду концентрацією 70 % мас 1,73 л/год. В інжектор 3 дозують водяну пару із розрахун3 ку 2 м /год. і в конденсатор 2 охолоджуючу воду із розрахунку 8-10 л/год. В апараті 1 відбувається змішування і гомогенізація розчину за допомогою змішувача 8, який приводять в рух за допомогою електродвигуна. Гомогенізовану суміш розчину карбаміду зі знесоленою водою і конденсатом водяної пари подають в апарат 6. Згадана суміш надходить спочатку на розподільчий пристрій 7, що являє собою хрестовину, виконану із труб діаметром 8 мм з отворами діаметром 0,5 мм, що просвердлені в нижній частині згаданих труб. Після цього пристрою розчин зрошує масообмінний насад 5, виконаний із шматочків металевого дроту діаметром 0,5 мм. На ту частину апарата, де розміщений насад 5, намотаний ніхромовий дріт електропідігрівача, за допомогою якого можна забезпечити потрібну температуру в зоні контактування розчину карбаміду з насадом. Внаслідок руху розчину карбаміду по апарату 6 на насаді відбувається процес часткового випарювання води із розчину і процес десорбції утворених в результаті реакції гідролізу карбаміду, а також розчинених в розчині аміаку і діоксиду вуглецю. Ці процеси відбуваються в потоці водяної пари. На внутрішніх масообмінних 7 пристроях апарата 6 відбувається процес розділення фаз. Готовий розчин карбаміду потрібної якості надходить в ємність для накопичення деякої кількості дослідних зразків і подальшого визначення їх фізико-хімічних параметрів. В апараті 6 за рахунок відсмоктування з нього газової фази підтримували розрідженість в межах 0,15-0,20 ата. Температуру в зоні масообмінного насаду 5 підтримували в діапазоні 60-70 °C за допомогою електропідігрівача, електричну спіраль якого намотували на корпус апарата 6. Для цього корпус спочатку обмотують шаром ізоляційного матеріалу, потім з визначеним кроком намотують електричну спіраль, яку ізолюють для зменшення витрат тепла в навколишнє середовище за допомогою теплоізоляційних матеріалів. Розрідженість в апараті 6 підтримували за допомогою інжектора 3. З метою утворення розрідженості в інжектор подавали визначену кількість водяної пари, яку в суміші з відсмоктаною із апарата 6 газовою фазою подавали на конденсатор 2. За рахунок теплообміну через стінку трубки згаданої парогазової суміші з охолоджуючою водою відбувався процес конденсації парової фази і розчинення в ній аміаку і діоксиду вуглецю із газової фази. Завдяки значно більшому показнику розчинності аміаку, в порівнянні з діоксидом вуглецю, процес конденсації супроводжувався насиченням сконденсованої фази аміаком і діоксидом вуглецю в співвідношенні не менше 5:1. Сконденсована газорідинна суміш надходила в сепаратор 9, де рідинну фазу відділяли від газо 61600 8 вої. Рідинну фазу подавали на розведення розчину карбаміду в апарат 6, а газову фазу спрямовували в атмосферу. Розведення розчину карбаміду конденсатом з надлишковим вмістом в ньому аміаку сприяло гальмуванню в отриманому готовому продукті реакції гідролізу карбаміду. Це стабілізує склад розчину в часі і сприяє можливості його зберігання протягом більш-менш прийнятного проміжку часу. Проведеними лабораторними дослідженнями було доведено, що оптимальними умовами проведення процесу є підтримання параметрів процесу на рівні: розрідженість в апараті 6-0,15-0,20 ата; температура в зоні масообмінного насаду 60-70 °C; надлишок знесоленої води на розведення розчину карбаміду не менше 5 % мас. Крім того, порівняльні аналізи дослідних зразків, виготовлених на лабораторній установці, зображеній на фіг. 2, і продукту по прототипу показали, що дослідні зразки орієнтовно в 1,5-2 рази більш стабільні в часі. Це говорить про стабілізаційний вплив надлишкового аміаку в дослідному розчині на його стабільність в процесі зберігання. Розрахунки показують, що внаслідок цього фактора, а також через зменшення експлуатаційних витрат, в порівнянні з прототипом, річний економічний ефект в розрахунку на установку потужністю 15000 тонн на рік складає біля 300000 грн. 9 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 61600 Підписне 10 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601