способ синтеза карбамида и колонна для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ синтеза карбамида из аммиака и углекислоты в колонне синтеза с газожидкостным рециклом, при котором поток водного раствора углеаммониевых солей (УАС), образовавшийся в начальной стадии процесса, направляют в середину колонны синтеза небольшими струйками под углом 20-60° к центральной оси колонны.

2. Колонна синтеза карбамида с газожидкостным рециклом, содержащая вертикальный цилиндрический корпус, размещенную на внутренней поверхности футеровку из коррозионностойкого материала, штуцеры для ввода и выхода реагентов, при этом колонна имеет расположенный внутри перфорированный трубопровод, отверстия которого размещены попарно по периметру трубопровода и находятся на уровне середины колонны под углом 20-60° к центральной оси колонны.

3. Колонна синтеза по п.2, в которой перфорированый трубопровод для подачи водного раствора УАС прикреплен к штуцеру входа или выхода реагентов или установлен в крышке колонны синтеза.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к синтезу карбамида из аммиака и диоксида углерода при повышенных температуре и давлении и аппаратурному оформлению проведения процесса в газожидкостной среде.

Все промышленные способы получения карбамида основаны на его образовании по реакции аммиака с диоксидом углерода:

2NH ₃+CO₂=CO(NH₂ )₂+Н₂O

В условиях синтеза при высоких давлениях (около 200 атм) и температурах (150-200°С) образующаяся при реакции вода, в основном, находится в жидкой фазе и оказывает значительное влияние на смещение реакции в сторону исходных веществ, особенно в начале процесса синтеза, снижая тем самым его эффективность.

Известны способы использования для смещения реакции в сторону образования карбамида водоотнимающих веществ, например безводный сульфат магния, хлорид кальция, кремнезем (B.Neumann, A.Sonntag, Z.Elektrochem., 37,805 (1931) или гидрат окиси алюминия и закиси железа (Б.И.Леви, ЖХП, 11, №9, 38 (1934).

Однако в условия синтеза карбамида продукты взаимодействия этих агентов с водой нестойки и не сдвигают реакцию в сторону образования карбамида.

Известны способы синтеза карбамида с рециркуляцией углеаммонийных солей (УАС) в виде водного раствора или суспензии (Горловский Д.М. и др. Технология карбамида. - Л.: Химия, 1981, Патент США №3091637, кл.260-555, 1963; патент RU 1774623, кл. С07С 273/04, 1996; патент RU 2071467, кл. С07С 273/04, 1997).

Недостатком данных способов является значительное количество воды, образующейся при синтезе в зоне основной реакции, которая вместе с водным раствором углеаммониевых солей (УАС) возвращается в колонну синтеза, что не позволяет повысить степень конверсии исходных компонентов.

В промышленных агрегатах синтеза карбамида производительностью 90 тыс./год с жидкостным рециклом возвратные углеаммонийные соли (УАС) содержат 20-25 мас.%. Воды и после промывной колонны попадают в смеситель на смешение с аммиаком и углекислотой и далее в нижнюю часть колонны синтеза, именно в начальную стадию процесса синтеза карбамида, увеличивая количества воды и снижая при этом степень конверсии.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения карбамида при повышенных температуре и давлении, при котором из зоны реакции выводят плав синтеза, который разделяют на жидкие продукты и газообразную смесь непрореагировавших компонентов нагреванием под давлением синтеза в отпарной зоне. Отделившийся газовый поток направляют в дополнительную реакционную зону, в которую также подают свежие диоксид углерода и аммиак и которая работает в адиабатическом режиме при температуре, равной температуре в зоне синтеза. Затем в полученные газообразные продукты добавляют разбавленный водный раствор углеаммонийных солей со стадии концентрирования раствора мочевины и смесь направляют на стадию конденсации газа и абсорбции карбамата аммония, насыщенный абсорбент сепарируют и возвращают в зону синтеза (SU 1774623, кл. С07С 273/04, опубл. 1996.05.20).

К недостаткам данного способа относятся сложности осуществления разделения УАС и многостадийность введения их в цикл реакции.

Техническим результатом настоящего изобретения является снижение негативного влияния избытка воды, возвращаемого при жидкостном рецикле в виде водного раствора УАС в начальную стадию реакции, и повышение степени конверсии до 70-75%.

Указанный технический результат достигается тем, что поток водного раствора УАС из зоны основной реакции направляют в середину колонны синтеза небольшими струйками под углом 20-60° к центральной оси колонны.

Истечение водного раствора УАС через отверстия, расположенные попарно на разной высоте трубопровода под углом 20-60° к центральной оси колонны, происходит под разным напором и с разной скоростью. На более высоких уровнях струйки УАС выходят с меньшей скоростью, нежели из нижних. Это позволяет равномерно распределить во внутреннем пространстве колонны водный раствор УАС и обеспечить интенсивное равномерное контактирование вводимых компонентов в зоне реакции с доведением степени конверсии исходных компонентов выше 70%.

Сущность изобретения поясняется на чертежах. На фиг.1 показана колонна синтеза карбамида (первый вариант), где 1 - вертикальный цилиндрический корпус колонны, 2 - трубопровод выхода плава карбамида, 3 - штуцер ввода исходных реагентов, 4 - перфорированный трубопровод для ввода УАС, 5 - крышка колонны синтеза, 6 отверстия трубопровода 4. На фиг.2 показана колонна синтеза карбамида (второй вариант) с вертикальным цилиндрическим корпусом 1, трубопроводом для выхода плава карбамида 2, штуцером ввода исходных реагентов 3, перфорированным турбопроводом для ввода УАС 4, крышкой колонны синтеза 5, отверстиями 2 - в верхней части перфорированного трубопровода 4. На фиг.3 показан разрез по А-А перфорированного трубопровода 4, предназначенного для подачи в колонну синтеза карбамида возвратных водных растворов УАС небольшими струйками под углом к центральной оси колонны через отверстия 6.

При осуществлении способа возвратные УАС при выходе из колонны синтеза из зоны основной реакции направляют небольшими струйками сверху (фиг.1) или снизу (фиг.2) в середину колонны через отверстия 6 (фиг.3), расположенные по периметру трубопровода 4 под углом 20-60° к центральной оси колонны.

Известна колонна синтеза мочевины, содержащая вертикальный цилиндрический корпус, внутренняя поверхность которого футерована коррозионно-стойким материалом. Корпус имеет штуцеры ввода и вывода реагентов, смешивающее устройство и расположенные внутри корпуса горизонтальные перегородки с изменяющимся свободным сечением по высоте колонны (SU 808122, кл. B01J 19/00, 1976).

Недостатком данной колонны является недостаточная степень конверсии двуокиси углерода.

Известна конструкция футерованной колонны синтеза, применяемой в производстве с жидкостным рециклом. Колонна выполнена в виде цилиндрического сосуда с размещенным внутри смесителем (Кучерявый В.И., Лебедев В.В. Синтез и применение карбамида. М.: Химия, 1970, с.316-317).

К недостатку этой конструкции следует отнести трудность и длительность ремонта футеровки, а также необходимость соблюдения определенного температурного режима при разогреве и охлаждении колонны.

Известен реактор для проведения процесса в газожидкостной среде, содержащий вертикальный корпус и вертикальные контактные устройства, состоящие из наружного и внутреннего элементов, концентрично расположенных один в другом, каждый имеет отверстие (щель) для входа среды в верхней его части (SU 215883, кл. B01J 37/02, 1968).

Однако плотность среды в таком реакторе синтеза карбамида в центральной его части меньше, чем у стенок, поэтому в центральной части проходит большее количество реакционной среды, в том числе воды, содержащейся в возвратных УАС, сдвигающих реакцию в сторону исходных веществ.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является колонна синтеза карбамида, содержащая вертикальный цилиндрический корпус, размещенную на внутренней поверхности футеровку из коррозионного материала, массообменное устройство, выполненное в виде соединенных последовательно сопла, приемной и смешивающей камер, диффузора, установленных на штуцере ввода реагентов и заключенных в перфорированный кожух (RU 2173212, кл. В01J 10/00, 2001).

Недостатком данной конструкции колонны является относительно быстрое разрушение футеровки из коррозионно-стойкого материала и недостаточная степень конверсии двуокиси углерода - в пределах 65%.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение степени конверсии исходных реагентов выше 70-71%, уменьшение поверхности активного контакта внутренней футеровки колонны синтеза с агрессивными исходными реагентами и водными растворами УАС.

Для достижения указанного технического результата колонна синтеза карбамида в газожидкостной среде, состоящая из вертикального корпуса со штуцерами для ввода и выхода реагентов, имеет расположенный внутри перфорированный трубопровод, отверстия которого расположены попарно по периметру трубопровода в верхней его части на уровне середины колонны под углом 20-60° к его центральной оси.

Размещение отверстий попарно по периметру трубопровода на разной его высоте под углом 20-60° обеспечивает нахождение водного раствора УАС в этих отверстиях под разным напором из-за различной глубины погружения этих отверстий в пространстве колонны. Поэтому движущая сила истечения УАС через данные отверстия будет переменной по высоте трубопровода вследствие изменения напора.

В разных сечениях трубопровода скорость истечения струек УАС будет различна: из более верхних уровней струи УАС выходят с меньшей скоростью, нежели из нижних.

Это позволяет равномерно распределить в пространстве колонны поток УАС и интенсифицировать процесс контактирования исходных компонентов.

Расположение отверстий под углом 20-60° позволяет получить попеременный падающий напор в трубопроводе, уменьшить во времени скорость движения водного раствора УАС и тем самым увеличить время контактирования компонентов реакции.

На фиг.1 показана колонна синтеза с перфорированным трубопроводом 4, расположенным в центре колонны в верхней ее части. На фиг.2 показана колонна синтеза карбамида с трубопроводом 4, расположенным в центре колонны в нижней ее части. На фиг.3 показан срез трубопровода 4 по его диаметру, по периферии которого расположены попарно под углом 20-60° к его центральной оси отверстия 6.

Трубопровод прикрепляется к штуцеру входа или выхода реагентов 3, 2 (фиг.2) или устанавливается в крышке 5 вертикального цилиндрического корпуса 1 колонны синтеза (фиг.1).

В процессе синтеза карбамида образовавшийся в начальной стадии синтеза водный раствор УАС, направляют через помещенный внутри колонны по ее центру перфорированный трубопровод 4, в верхней части которого имеются отверстия 6, расположенные под углом 20-60° к его центральной оси.

Использование предлагаемого способа синтеза карбамида и колонны для его осуществления позволяет повысить степень конверсии синтеза карбамида до 70-71% вместо 64-65% в настоящее время, увеличить производительность агрегата на 8-10 тыс.т/год при одновременном снижении себестоимости готовой продукции за счет снижения условно-постоянных расходов и энергозатрат на стадиях ректификации растворов карбамида.