Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОЧЕВИНЫ

Изобретение относится к способу получения мочевины по п. 1. Формулы изобретения.

Для синтеза мочевины (H₂N-CO-NH₂) требуется два основных реагента, а именно CО₂ и аммиак (NH₃).

При этом синтез аммиака для получения требуемого аммиака или, соответственно, для синтеза мочевины может быть основан на паровом риформинге, который предоставляет необходимый водород для синтеза аммиака или, соответственно, CО₂ для синтеза мочевины. При этом образующийся CО₂ обычно удаляют с помощью промывки, при этом CО_2, как правило, получают при регенерации насыщенного CО₂ моющего средства. При этом насыщенное моющее средство обычно нагревают при относительно низком давлении, так что возникает высокая потребность в энергии для необходимого при синтезе мочевины сгущения CО₂.

Аммиак и CО₂ являются основными реагентами для синтеза мочевины. Чаще всего аммиак производят с помощью ATR-риформеров с подачей воздуха, при этом образующиеся H₂ и N₂ смешиваются, следуют через реактор конверсии и метанизационный реактор с преобразованием всего CO в метан. CО₂ и метан затем отделяют от смеси H₂-N₂. Затем смесь H₂-N₂ сгущают и преобразуют в реакторе аммиака. В альтернативной схеме аммиак можно получать преобразованием водорода из парового риформера с азотом из воздухоразделительной установки. Эта схема требует дополнительно к воздухоразделительной установке наличия традиционной установки для получения водорода. Водород и азот перед подачей в реактор аммиака смешивают и сгущают. Преимущество второй схемы заключается в низком содержании инертных газов синтеза аммиака.

Образующийся аммиак затем посредством присоединения CО₂ преобразуется в мочевину. Как правило, в обеих схемах образующегося CО₂ не достаточно для того, чтобы образующийся аммиак преобразовался полностью. Поэтому каждый раз CО₂ импортируется из внешних источников, если они имеются.

В основе данного изобретения лежит задача улучшить способ описанного выше типа.

Эту задачу решают с помощью способа с отличительными признаками согласно п. 1 формулы изобретения.

В соответствии с этим согласно данному изобретению предусмотрено, чтобы способ получения мочевины (H₂N-CO-NH₂) включал следующие стадии:

- преобразование содержащего метан, а также предпочтительно обессеренного потока газа (в частности содержащего природный газ или CH₄) с кислородом посредством частичного окисления с образованием потока синтез-газа, содержащего водород и монооксид углерода,

- преобразование монооксида углерода потока синтез-газа в реакции конверсии водяного газа с водой с образованием диоксида углерода и водорода,

- разделение потока синтез-газа на по меньшей мере один первый и второй частичные потоки синтез-газа,

- отделение водорода из первого частичного потока синтез-газа с помощью адсорбции при переменном давлении, и

- отделение диоксида углерода из второго частичного потока синтез-газа с помощью адсорбции при переменной температуре,

- преобразование отделенного от первого частичного потока синтез-газа водорода (H₂) с азотом (N₂) с образованием аммиака (NH₃), и

- преобразование аммиака с отделенным от второго частичного потока синтез-газа диоксидом углерода (CО₂) с образованием мочевины.

В соответствии с этим для получения синтез-газа предпочтительно применять частичное окисление (POX). При этом можно применять как основанное на катализаторах POX, так и POX, при котором не применяют катализаторов.

Исходный поток газа предпочтительно содержит один или несколько из следующих компонентов или, соответственно, углеводородов, которые на стадиях получения синтез-газа преобразуются в синтез-газ, который содержит H₂ и CO: природный газ, CH₄, H₂О, CО₂.

При частичном окислении предпочтительно предварительно очищенный, в частности обессеренный (см. также ниже) исходный поток газа, который содержит, например, природный газ или, соответственно CH₄ или высшие углеводороды, такие как бензино-лигроиновая фракция, LPG, нефть, или также уголь, в частности преобразуется субстехиометрически в экзотермическом процессе. Продукты реакции, прежде всего, содержат образующие синтез-газ вещества - водород и монооксид углерода, которые получаются согласно схеме:

C_nH_m+(n+x)/₂O₂=>(n-x+y/2)CO+(m-y)/2H₂+xCО₂+y/2H₂O

При частичном окислении также добавляют водяной пар в качестве реагента.

При упомянутой реакции конверсии водяного газа, которой подвергают полученный с помощью POX поток синтез-газа, согласно схеме

CO+H₂O <-> CO₂+H₂

cодержащийся в синтез-газе CO преобразуется с водой в диоксид углерода и водород, что здесь особенно предпочтительно, так как с одной стороны водород требуется для синтеза аммиака, а CО₂ для синтеза мочевины.

Кроме того согласно одному варианту осуществления данного изобретения предусмотрено, чтобы отделяемый диоксид углерода после отделения предоставлялся под высоким давлением по меньшей мере 20 бар, предпочтительно по меньшей мере 30 бар, наиболее предпочтительно по меньшей мере 50 бар.

Кроме того согласно одному варианту осуществления данного изобретения предусмотрено, чтобы отделяемый диоксид углерода для преобразования аммиака в мочевину предоставлялся по меньшей мере стехиометрически, чтобы аммиак (NH₃) полностью преобразовывался в мочевину.

Кроме того согласно одному варианту осуществления данного изобретения предусмотрено, чтобы при адсорбции при переменной температуре для отделения CО₂ во время одного технологического цикла CО₂ из второго частичного потока синтез-газа адсорбировался на адсорбере, а затем десорбировался, при этом время одного технологического цикла предпочтительно меньше 360 мин, предпочтительно меньше 240 мин, наиболее предпочтительно меньше 180 мин.

Кроме того согласно одному варианту осуществления данного изобретения предусмотрено, чтобы для отделения водорода из первого частичного потока синтез-газа при адсорбции при переменном давлении содержащиеся в первом частичном потоке синтез-газа CО₂ и CO (а также в частности CH₄) адсорбировались на адсорбере при первом давлении, при этом предпочтительно адсорбер регенерируется при втором давлении, которое ниже, чем первое давление, при этом адсорбированные CО₂ и CO (а также в частности CH₄) десорбируются, и при этом адсорбер для удаления десорбированных CО₂ и CO (а также в частности CH₄) продувают, например, водородом с образованием соответствующих газообразных отходов.

Кроме того, согласно одному варианту осуществления данного изобретения предусмотрено, чтобы газообразные отходы адсорбции при переменном давлении применялись в качестве топлива, при этом предпочтительно газообразные отходы сжигают для нагревания исходного потока газа и/или для получения и/или перегрева водяного пара. Кроме того, газообразные отходы можно сжигать для получения энергии или при необходимости снова сгущать и возвращать в POX.

Кроме того согласно одному варианту осуществления данного изобретения предусмотрено, чтобы при адсорбции при переменной температуре образующиеся газообразные отходы, содержащие H₂ и CO (а также в частности CH₄) также подвергались адсорбции при переменном давлении для того, чтобы дополнительно предоставить водород для получения аммиака, при этом предпочтительно эти газообразные отходы из адсорбции при переменной температуре вместе с первым частичным потоком синтез-газа подвергают упомянутой адсорбции при переменном давлении, и/или чтобы газообразные отходы из адсорбции при переменной температуре с образующимися при адсорбции при переменном давлении газообразными отходами (содержащими CО₂ и CO и в частности CH₄) смешивали и применяли в качестве топлива.

Кроме того согласно одному варианту осуществления данного изобретения предусмотрено, чтобы в CО₂ (отделенном при адсорбции при переменной температуре) содержащиеся загрязнения (например, в форме H₂, CH₄, и/или CO) удалялись на стадии очистки, предпочтительно с помощью каталитического окисления, выше по ходу потока, чем преобразование CО₂ с аммиаком с образованием мочевины.

Кроме того согласно варианту осуществления данного изобретения предусмотрено, чтобы поток синтез-газа охлаждался выше по ходу потока и/или ниже по ходу потока, чем реакция конверсии водяного газа, при этом поток синтез-газа предпочтительно охлаждают водой с образованием технологического пара.

Кроме того согласно одному варианту осуществления данного изобретения предусмотрено, чтобы выделяющееся при охлаждении тепло применялось для регенерации адсорбера при адсорбции при переменной температуре.

Кроме того согласно одному варианту осуществления данного изобретения предусмотрено, чтобы требуемый для POX кислород получали криогенным разложением воздуха, при этом, кроме того, при этом разложении образуется азот, который преобразуется с водородом в аммиак.

Кроме того согласно одному варианту осуществления данного изобретения предусмотрено, чтобы исходный поток газа выше по ходу потока, чем частичное окисление, проходил через адсорбирующий элемент, при этом одно или несколько еще находящихся в исходном потоке газа соединений серы адсорбируются в адсорбирующем элементе и при этом удаляются из исходного потока газа.

Кроме того, согласно одному варианту осуществления данного изобретение предусмотрено, чтобы поток синтез-газа или оба частичных потока синтез-газа сушились ниже по ходу потока, чем реакция конверсии водяного газа, а также выше по ходу потока, чем адсорбция при переменном давлении, а также адсорбция при переменной температуре.

Согласно следующему аспекту данного изобретения предлагается устройство для получения мочевины с отличительными признаками согласно п.15 формулы изобретения.

В соответствии с этим устройство для получения мочевины включает:

- POX-реактор, который сконструирован для преобразования содержащего метан, а также предпочтительно обессеренного исходного потока газа с кислородом с помощью частичного окисления с образованием потока синтез-газа, содержащего водород и монооксид углерода,

- реактор для конверсии водяного газа ниже по ходу потока, чем POX-реактор, который сконструирован для преобразования монооксида углерода потока синтез-газа в реакции конверсии водяного газа с водой с образованием диоксида углерода и водорода, при этом данное устройство, кроме того, сконструировано для того, чтобы исходящий из реактора для конверсии водяного газа поток синтез-газа разделялся на по меньшей мере один первый и второй частичные потоки синтез-газа,

- устройство для адсорбции при переменном давлении, которое сконструировано для того, чтобы подвергать первый частичный поток синтез-газа адсорбции при переменном давлении, при этом водород отделяют от первого частичного потока синтез-газа, и

- устройство для адсорбции при переменной температуре, которое сконструировано для того, чтобы второй частичный поток синтез-газа подвергать адсорбции при переменной температуре, при этом диоксид углерода отделяют от второго частичного потока синтез-газа,

- реактор аммиака, который сконструирован для преобразования отделенного от первого частичного потока синтез-газа водорода с азотом с образованием аммиака, и

- реактор мочевины, который сконструирован для преобразования аммиака с отделенным от второго частичного потока синтез-газа диоксидом углерода с образованием мочевины.

В остальном устройство по изобретению в других вариантах осуществления характеризуется соответствующими вариантами осуществления способа по изобретению. Соответственно устройство предпочтительно в каждом случае сконструировано для того, чтобы выполнять соответствующие технологические стадии соответствующего варианта осуществления способа по изобретению.

Другие отличительные признаки и преимущества данного изобретения подробнее разъясняются дальше в описаниях примеров осуществления данного изобретения с помощью фигур.

На фигурах представлено:

Фиг.1: схематическое изображение способа получения мочевины по изобретению; и

Фиг.2 схематическое изображение отделения CО₂ и H₂ из образующегося при проведении способа по изобретению синтез-газа.

На фигуре 1 представлено схематическое изображение устройства или, соответственно, способа получения мочевины.

При этом, например, содержащий CH₄ исходный поток газа NG (например, в виде природного газа) перед преобразованием в синтез-газ (содержащий H₂ и CO) S посредством частичного окисления 20 подвергают обессериванию 30 и затем с помощью частичного окисления 20 в присутствии кислорода, а также в частности водяного пара W, преобразуют в поток синтез-газа S, который содержит H₂ и CO, а также, кроме этого, в частности CH₄, H₂О и CО₂.

Поток синтез-газа S подвергают реакции конверсии водяного газа 40 (см. выше) и охлаждают водой, при этом может образовываться упомянутый водяной пар W. Принципиально можно возникающее при охлаждении синтез-газа S тепло также применять для регенерации адсорбера в описанной выше стадии адсорбции при переменной температуре 51 (фиг.2).

Поток синтез-газа S затем сушат, затем отделяют водород и диоксид углерода от потока синтез-газа S (50), при этом водород с азотом преобразуется в аммиак (60), и при этом диоксид углерода с образовавшимся аммиаком в заключении преобразуется в мочевину.

Кислород для POX 20 получают с помощью криогенного разложения 10 кислорода L, при этом также образуется тот азот, который требуется для синтеза аммиака 60.

Согласно фигуре 2 отделение 50 водорода и диоксида углерода предпочтительно происходит таким образом, что поток синтез-газа S после конверсии разделяется на первый и второй частичные потоки синтез-газа S', Sʺ, при этом первый частичный поток синтез-газа S' подвергают адсорбции при переменном давлении 51, при этом отделяется водород от первого частичного потока синтез-газа S', и при этом второй частичный поток синтез-газа Sʺ подвергают адсорбции при переменной температуре 52 (см. выше), при этом адсорбер предпочтительно по меньшей мере частично не напрямую, например, с помощью теплоносителя, который не находится в непосредственном контакте с адсорбентом, нагревают и/или охлаждают, при этом отделяется диоксид углерода от второго частичного потока синтез-газа Sʺ. Продолжительность технологического цикла такой адсорбции при переменной температуре чаще всего небольшая и находится в области от 2 до 6 часов. Отделенный водород затем вместе с азотом преобразуют в аммиак 60, который в свою очередь преобразуют с отделенным CО₂ в мочевину 70. Предпочтительно выходящий после адсорбции при переменной температуре 52 CО₂ V выше по ходу потока, чем синтез мочевины 70 дополнительно очищают 53, в частности для того, чтобы удалить содержащиеся в нем загрязнения, такие как, например, H₂, CH₄ и CO, метанол.

При адсорбции при переменном давлении 51 для отделения водорода из первого частичного потока синтез-газа S', в первом частичном потоке синтез-газа, содержащиеся CО₂ и CO, а также необязательно другие компоненты (такие как, например, CH₄) адсорбируются на адсорбере при первом давлении, при этом предпочтительно адсорбер регенерируется при втором давлении, которое ниже, чем первое давление, при этом адсорбированные компоненты десорбируются, и при этом адсорбер для удаления десорбированных компонентов продувают с образованием газообразных отходов A. Предпочтительно применяют несколько, в частности два или четыре адсорбера для адсорбции при переменном давлении 51 для того, чтобы по возможности всегда работал адсорбер в адсорбционном модуле, так чтобы получать водород как бы непрерывно.

Газообразные отходы A из адсорбера при переменном давлении 51 можно, например, применять как топливо, при этом, например, газообразные отходы A можно сжигать для нагрева исходного потока газа NG и/или для образования и/или перегрева водяного пара.

При адсорбции при переменной температуре 52 CО₂ при более низкой первой температуре адсорбируется на адсорбере, а при более высокой второй температуре десорбируется, для чего предоставляется необходимая энергия E. Образующиеся при адсорбции CО₂ остаточные газы или, соответственно, газообразные отходы A', которые содержат H₂ и CO, можно вместе с первым частичным потоком синтез-газа S' направлять в адсорбер при переменном давлении 51 или можно смешивать с газообразными отходами A из адсорбции при переменном давлении 51 и применять вместе с ними в качестве топлива.

В результате соответствующего данному изобретению отделения CО₂, он после отделения находится предпочтительно под высоким давлением, предпочтительно по меньшей мере 20 бар, так что можно экономить соответствующую энергию для необходимого в ином случае сгущения CО₂ для синтеза мочевины. Это преимущественно основано на том, что при адсорбции при переменной температуре адсорбент регенерируется с помощью нагревания, так что по сравнению с регенерацией адсорбера с переменным давлением предотвращается потеря давления.

Кроме того, при наличии очистки CО₂ 53 посредством каталитического окисления, предпочтительно поступающий из адсорбции при переменной температуре CО₂ не должен охлаждаться, так как он должен иметь соответствующую для каталитического окисления повышенную температуру.

Применение соответствующего каталитического окисления может выравнивать образующиеся при десорбции колебания состава и таким образом обеспечивать по возможности однородное качество CО₂. Например, можно подобрать настройки таким образом, чтобы учитывать потребность в кислороде для каталитического окисления, и таким образом поддерживать всегда по возможности постоянную концентрацию кислорода в CО₂, например, менее 0,7 об.%, в частности менее 0,6 об.% или в частности <0,35 об.%. Этот вариант регулирования является предпочтительным для стабильности и эффективности использования энергии в конечном устройстве для получения мочевины. Для регулирования содержания О₂ в СO₂ можно заранее предусмотреть десорбцию горючих компонентов на основе нагревания. В соответствии с этим можно устанавливать количество воздуха. Существует также возможность, например, дополнительно измерять содержание О₂ в CО₂ и регулировать.

В результате данное изобретение представляет собой интеграцию известных технологий, таких как, например, POX, ASU (криогенное разложение воздуха), адсорбция при переменном давлении и адсорбция при переменной температуре, в устройство или схему способа, которые могут предоставить достаточно CО₂ для синтеза мочевины, так что возможно полное преобразование образующегося аммиака, при этом требуемый CО₂ предоставляется под высоким давлением, так что можно отказаться от дополнительной дорогостоящей компрессии.

Список обозначений

10 Разложение воздуха

20 POX

30 Обессеривание

40 Реакция конверсии водяного газа и охлаждение синтез-газа

50 Отделение Н₂ и СО₂

51 Адсорбция при переменном давлении

52 Адсорбция при переменной температуре

53 Очистка СО₂

60 Синтез аммиака

70 Синтез мочевины

А,А' Газообразные отходы

E Энергия для нагревания

L Воздух

NG Исходный газ

S Синтез-газ

S' Первый частичный поток синтез газа

Sʺ Второй частичный поток синтез газа

R Рециркуляция синтез газа после конверсии

V СО₂ с загрязнениями ниже по ходу потока, чем адсорбция при переменной температуре

W Водяной пар