Способ получения раствора карбамида

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАСТВОРА КАРБАМИДА(71) Заявитель Открытое акционерное общество Гродно Азот(72) Авторы Сиротин Андрей Вячеславович Пугач Федор Владимирович Огурцов Николай Константинович Тарновецкий Анатолий Васильевич Последняя Тамара Ивановна Борисов Михаил Константинович Барсань Иван Владимирович Лакомкин Александр Андреевич Сильченко Александр Анатольевич(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество Гродно Азот(57) Способ получения раствора карбамида, предназначенного для каталитической очистки выхлопных газов двигателей, включающий десорбцию растворенных газов из раствора,образующегося в производстве карбамида, с последующей утилизацией в производстве карбамида выделенных из раствора газов, разбавление полученного очищенного раствора очищенной водой до требуемой концентрации с получением продукционного раствора,отличающийся тем, что в качестве раствора, образующегося в производстве карбамида,используют раствор, подаваемый на стадию выпаривания, десорбцию растворенных газов проводят с подводом тепла в виде острого водяного пара низкого потенциала, в качестве очищенной воды используют технологический конденсат, образующийся в производстве карбамида на стадии гидролиза, и разбавление очищенного раствора осуществляют в несколько ступеней, в частности в две ступени, при этом количество поданного технологического конденсата уменьшают от первой ступени ко второй. Изобретение относится к процессам химической технологии и может быть использовано в производстве минеральных азотных удобрений, в частности карбамида, для получения раствора карбамида, применяемого в системах каталитической очистки от окислов азота выхлопных газов двигателей. Наиболее близким к изобретению и выбранным в качестве прототипа является способ получения раствора карбамида, предназначенного для каталитической очистки выхлопных газов двигателей, включающий разбавление очищенной водой до требуемой концен 16892 1 2013.02.28 трации раствора, образующегося в производстве карбамида, с десорбцией растворенных газов, получением продукционного раствора 1. Недостатками прототипа являются недостаточное качество продукта и значительная стоимость. Недостаточное качество продукта обусловлено высоким остаточным содержанием аммиака в продукционном растворе. Это обусловлено следующим. Так как первоначально осуществляется смешивание исходного раствора, содержащего аммиак, близкого к равновесному значению, с очищенной водой, не содержащей аммиака, то происходит снижение концентрации аммиака в разбавленном растворе. При этом концентрация аммиака становится существенно ниже равновесного значения, но выше значения, предъявляемого к продукционному раствору. Процесс последующего выделения из разбавленного раствора аммиака, находящегося существенно ниже равновесного значения, является энергоемким, т.е. для его реализации требуются высокие энергетические затраты, что существенно увеличивает стоимость установки. В прототипе для выделения аммиака используют продувку раствора воздухом. Это не может обеспечить требуемое содержание аммиака в продукционном растворе, так как продувка производится без нагрева воздуха,т.е. воздух будет охлаждать раствор и снижать его температуру - одну из движущих сил процесса десорбции. При этом сам воздух должен быть тщательно очищенным, т.к. воздух из среды предприятия (например, производства карбамида) загрязнен химическими и механическими примесями. Для обеспечения требуемой очистки воздуха также требуются значительные капитальные и эксплуатационные затраты, что увеличивает стоимость установки. В прототипе для очистки загрязненного воздуха из десорбера используют процесс адсорбции. Для непрерывной работы установки требуется одновременное протекание противоположных процессов адсорбции и регенерации адсорбента, т.е. наличие двух работающих аппаратов, что также увеличивает материальные и эксплуатационные затраты установки. Задача, на решение которой направлено изобретение, - повышение качества продукционного раствора и повышение экономичности способа. Поставленная задача решается в способе получения раствора карбамида, предназначенного для каталитической очистки выхлопных газов двигателей, включающем разбавление очищенной водой до требуемой концентрации раствора, образующегося в производстве карбамида, с десорбцией растворенных газов, получением продукционного раствора, в котором, согласно изобретению, перед разбавлением проводят десорбцию из раствора растворенных газов с получением очищенного раствора, выделенные из раствора газы утилизируют в производстве карбамида, а очищенный раствор разбавляют очищенной водой до требуемой концентрации раствора. В качестве раствора, образующегося в производстве карбамида, используют раствор, подаваемый на стадию выпаривания, а в качестве очищенной воды используют технологический конденсат, образующийся в производстве карбамида на стадии гидролиза. Разбавление очищенного раствора очищенной водой осуществляют в несколько ступеней, например в две ступени, при этом подача очищенной воды уменьшается от первой ступени ко второй. Десорбцию из раствора растворенных газов проводят с подводом тепла, например, в виде острого водяного пара низкого потенциала. Существенность отличительных признаков изобретения заключается в следующем. Перед разбавлением проводят десорбцию из раствора растворенных газов и получение очищенного раствора. Такое решение обеспечивает первоначально очистку исходного раствора от основных растворенных загрязнителей (аммиака и др.) с низкими энергетическими затратами за счет того, что концентрация растворенных газов в исходном растворе близка к их равновесным значениям, определяемым условиями термодинамического парожидкостного равновесия. Процесс очистки такого раствора обеспечивает в результате получение продукционного раствора существенно более высокого качества за счет практически отсутствия растворенных газов в продукционном растворе, и для осуществления 2 16892 1 2013.02.28 этого процесса очистки существенно снижаются необходимые энергетические затраты и капитальные затраты, что повышает экономичность способа. Выделенные из раствора газы утилизируют в производстве карбамида. Такое решение предотвращает загрязнение воздушного бассейна предприятия и исключает затраты по очистке продуктов процесса десорбции. Очищенный раствор разбавляют очищенной водой до требуемой концентрации раствора. Реализация процесса разбавления раствора после его очистки позволяет получить раствор с заданной концентрацией без существенных энергозатрат, что повышает качество и экономичность установки. Так как после процесса термической десорбции раствор карбамида имеет высокую температуру, близкую к температуре кипения раствора, то его плотность снижается и становится близкой к плотности очищенной воды, поступающей на смешение. Близость плотностей смешиваемых жидкостей обеспечивает высокую эффективность перемешивания (за счет исключения процесса расслаивания в полях массовых сил - центробежных, инерционных и др.) в распространенных низкозатратных смесителях, например, статического типа, что снижает эксплуатационные затраты способа. В качестве раствора, образующегося в производстве карбамида, используют раствор,подаваемый на стадию выпаривания. Это позволяет использовать раствор с низким содержанием биурета (продукт разложения карбамида), наличие которого в продукционном растворе регламентировано, что обеспечивает получение продукта заданного качества без дополнительных затрат на очистку исходного раствора от биурета, что повышает экономичность способа. В качестве очищенной воды используют технологический конденсат, образующийся в производстве карбамида на стадии гидролиза. Это позволяет использовать отход действующего производства карбамида и существенно снизить стоимость способа, так как затраты на получение очищенной воды (деминерализованной воды - в прототипе) значительные, что повышает экономичность способа. Разбавление очищенного раствора очищенной водой осуществляют в несколько ступеней, например в две ступени, при этом подача очищенной воды уменьшается от первой ступени ко второй. Ступенчатое разбавление раствора позволяет более точно управлять процессом разбавления раствора до требуемой концентрации (диапазона концентраций) и выпускать продукционный раствор в нижнем диапазоне допустимых концентраций, что повышает экономичность способа. Также это обеспечивает стабильность качества продукта и технологическую надежность установки, особенно в условиях колебаний входных параметров исходного раствора (нагрузки, концентрации и др.). Десорбцию из раствора растворенных газов проводят с подводом тепла. Подвод тепла организует процесс термической десорбции и обеспечивает сдвиг термодинамического парожидкостного равновесия в сторону снижения содержания растворенных газов в растворе, что позволяет получать раствор с содержанием растворенных газов существенно ниже значений, предъявляемых к продукционному раствору. Это обеспечивает получение продукционного раствора требуемого качества и повышает технологическую надежность установки, особенно в условиях колебаний нагрузки по исходному раствору и его физических параметров (концентрации, температуры, содержания растворенных газов и др.). Тепло подается в виде острого водяного пара низкого потенциала. Острый водяной пар низкого потенциала обеспечивает протекание процесса термической десорбции в мягких температурных условиях, т.е. исключается локальный перегрев раствора (имеющий место на поверхности кипятильников, обогреваемых высокотемпературным теплоносителем) и тем самым исключается разложение карбамида и увеличение количества примесей, что обеспечивает стабильность качества продукционного раствора. Использование пара низкого потенциала позволяет использовать отход действующего производства карбамида для процесса очистки исходного раствора методом термической десорбции, 3 16892 1 2013.02.28 что существенно снижает стоимость процесса очистки и повышает экономичность способа. Сущность изобретения поясняется фигурами. На фиг. 1 показан способ с разбавлением раствора в одну ступень, на фиг. 2 показан способ с разбавлением раствора в две ступени. Способ получения раствора карбамида, предназначенного для каталитической очистки выхлопных газов двигателей, реализуется в установке, включающей емкость 1 исходного раствора карбамида, соединенную линией 2 с десорбером 3, выполненном в виде тепломассообменного насадочного или тарельчатого аппарата. В верхней зоне десорбера 3 подключена линия 4 для отвода газопаровой смеси в производство карбамида. В нижней зоне к десорберу 3 подключены линия 5 греющего пара низкого потенциала из производства карбамида и линия 6 очищенного раствора, подключенная последовательно к смесителю 7, холодильнику 8 и сборнику 9. К смесителю 7 подключена линия 10 очищенной воды технологического конденсата со стадии гидролиза производства карбамида. К холодильнику 8 подключена линия 11 охлаждающей воды, например оборотной воды. К сборнику 9 подключен циркуляционный контур 12, содержащий циркуляционный насос 13. К циркуляционному контуру 12 подключены линии вывода продукционного раствора 14 и линия 10 очищенной воды. Примеры осуществления способа получения раствора карбамида концентрацией 32,50,75 мас. , предназначенного для каталитической очистки выхлопных газов двигателей. Пример 1. С разбавлением раствора в одну ступень до концентрации 33,07 мас. . Исходный водный раствор карбамида в количестве 1617 кг/ч с температурой 95 С с концентрацией 70 мас. , содержащий растворенный аммиак в количестве 0,64 мас. , из емкости 1 по линии 2 подается в десорбер 3, где контактирует в противотоке с восходящим потоком водяного пара, поступающего в десорбер 3 по линии 5 в количестве 400 кг/ч с температурой 125 С, на поверхности насадки или тарелках. При этом происходит нагрев раствора до 113 С и переход растворенного аммиака из раствора в поток пара (начальное содержание аммиака в паре отсутствует) по условию газопарожидкостного термодинамического равновесия. Нагрев раствора за счет контакта с паром до температуры кипения приводит к дополнительному сдвигу газопарожидкостного термодинамического равновесия в сторону снижения остаточного содержания аммиака в растворе. Выделившиеся растворенные газы в несущем потоке водяного пара с концентрацией 2,6 мас.выводятся из верхней зоны десорбера 3 и по линии 4 в количестве 375 кг/ч отводятся в производство карбамида для утилизации аммиака. Из нижней зоны десорбера 3 очищенный раствор карбамида с содержанием аммиака 0,038 мас.поступает по линии 6 в смеситель 7, куда также поступает очищенная вода по линии 10 в количестве 1781 кг/ч с температурой 20 С из производства карбамида со стадии гидролиза. В результате смешивания происходит разбавление раствора до концентрации карбамида 33,07 мас. , аммиака до 0,018 мас.в количестве 3423 кг/ч и снижение его температуры до 54,7 С. Окончательное охлаждение разбавленного раствора температуры до 28 С происходит в холодильнике 8 охлаждающей водой, поступающей по линии 11. Охлажденный раствор с концентрацией карбамида 33,07 мас.и аммиака 0,018 мас.направляется в сборник 9, и насосом 13 через циркуляционный контур 12 выдается в количестве 3423 кг/ч по линии 14 потребителю. Пример 2. С разбавлением раствора в две ступени до концентрации 31,9 мас. . Процесс очистки раствора в десорбере 3, разбавление раствора в смесителе 7 до концентрации 33,07 мас.и охлаждение раствора в холодильнике 8 осуществляются аналогично, как это описано выше в примере. В циркуляционный контур 12 непрерывно подается по линии 10 очищенная вода в количестве 126 кг/ч, что приводит к снижению концентрации в циркулирующем растворе до величины 31,9 мас. . Продукционный раствор с концен 4 16892 1 2013.02.28 трацией карбамида 31,9 мас. , аммиака 0,018 мас.в количестве 3549 кг/ч выдается по линии 14 потребителю. Сопоставительные результаты способа получения раствора карбамида по прототипу и по изобретению (пример 1) приведены в таблице. Объект исследования Содержание аммиака, мас.прототип изобретение 1. В исходном растворе 0,64 0,64 2. После смешивания с очищенной водой 0,3 0,018 3. После десорбционной очистки 0,22 0,038 4. В продукционном растворе 0,22 0,018 Примечание к таблице 1 - допустимое содержание аммиака в продукционном растворе - 0,15 мас.2 - постоянные процесса концентрация карбамида и аммиака в исходном растворе 70 мас.и 0,64 мас. , соответственно нагрузка и температура исходного раствора 1617 кг/ч и 95 С соответственно концентрация карбамида в продукционном растворе 33,07 мас.расход воздуха и его начальная температура при десорбции в прототипе 400 кг/ч и 20 С расход пара давлением 1,5 атм и его начальная температура при десорбции в изобретении - 400 кг/ч и 125 С. Использование изобретения позволяет получать продукционный раствор более высокого качества за счет существенного снижения содержания аммиака ниже нормы, а также получать продукционный раствор в нижнем диапазоне допустимых концентраций по карбамиду - около 31,9 мас. , что обеспечивает повышение экономичности. Источники информации 1. Патент 2289471, 2006. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6