Способ и установка для производства раствора мочевины, используемого в процессе селективного каталитического восстановления nox

Способ и установка для производства раствора мочевины, используемого в процессе селективного каталитического восстановления nox

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу и установке для производства водного раствора мочевины, пригодного для использования в процессе селективного каталитического восстановления оксидов азота, а именно для удаления оксидов азота, содержащихся в газообразном потоке.

Уровень техники

Селективное каталитическое восстановление (СКВ) является известным процессом удаления оксидов азота (NO_x) из газообразного потока, образующегося, например, при сжигании ископаемого топлива. СКВ можно, например, применить для удаления оксидов азота из отработавших (выхлопных) газов транспортного средства.

В основном, СКВ конвертирует оксиды азота, например NO и NO₂, в экологически инертные соединения, такие как азот (N₂) и пар. Оптимальным температурным диапазоном для процесса СКВ обычно является диапазон от 180 до 350°С. Для конверсии необходимо некоторое количество аммиака (NH₃), которое обеспечивается вводом водного раствора мочевины в газообразный поток, так что аммиак образуется при разложении мочевины in situ (на месте). Применение этого раствора помогает избежать риска и недостатков транспортировки и хранения чистого аммиака или его раствора. В этом описании термин "раствор СКВ" будет применен для обозначения водного раствора мочевины, пригодного для использования в процессе СКВ.

Раствор СКВ обычно имеет концентрацию от 30 до 35 мас.% мочевины. Предпочтительная концентрация составляет около 32 мас.%. Производство путем растворения имеющейся в продаже твердой мочевины в воде невыгодно с экономической точки зрения из-за стоимости мочевины и возможного содержания добавок, таких как формальдегид. Поэтому в уровне техники были предложены альтернативные способы. WO 2006/096048 описывает способ приготовления водного потока, содержащего мочевину, пригодный для использования в устройстве восстановления NO_x в дымовых газах, в котором водный поток, содержащий мочевину, отделяют непосредственно в секции извлечения или после нее в процессе производства мочевины и после этого разбавляют водой до тех пор, пока поток, содержащий мочевину, не будет содержать 30-35 мас.% мочевины.

В соответствии с известным уровнем техники процесс производства мочевины имеет место в секции синтеза, где реагируют аммиак и диоксид углерода под высоким давлением с получением водного раствора, содержащего мочевину, карбамат аммония и свободный аммиак; раствор подают в секцию извлечения, включающую ряд единиц оборудования, работающего под средним и/или низким давлением, где карбамат диссоциирует при нагреве и/или отпарке раствора для того, чтобы рециркулировать аммиак и диоксид углерода в секцию синтеза. Ниже по потоку от секции извлечения раствор мочевины обычно содержит около 70 мас.% мочевины с низким процентным содержанием остаточного аммиака. Затем этот раствор концентрируют выпариванием для получения чистого расплава мочевины.

Однако на практике водный раствор мочевины, получаемый простым разбавлением продукта из секции извлечения современной установки для производства мочевины, не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к качеству раствора СКВ, главным образом в отношении содержания аммиака.

Требуемое содержание аммиака должно быть меньше 2000 част./млн., однако на практике необходимо поддерживать содержание аммиака ниже порога обоняния, что означает очень низкую концентрацию, предпочтительно от 200 до 500 част./млн. и более предпочтительно менее чем 200 част./млн. Раствор, отбираемый из секции извлечения на современной установке для производства мочевины, содержит низкое, но не пренебрежимо малое, количество аммиака, около 1-2% (10000-20000 част./млн.) при 65-70% мочевины. Поэтому разбавление водой до 30-35 мас.% мочевины не позволяет удовлетворить вышеприведенное требование по аммиаку менее 2000 част./млн. и предпочтительно менее 200 част./млн.

Проблема особенно ощутима, но не только, когда раствор СКВ предназначен для очистки отработавших газов транспортных средств, таких как автомобили большой грузоподъемности с дизельным двигателем. В этом случае с раствором СКВ может обращаться неквалифицированный персонал, хранить его в баке транспортного средства в течение продолжительного времени, подвергать действию летних температур и т.п.; в этих условиях риск выброса паров, очевидно, необходимо исключить.

Сущность изобретения

В основу настоящего изобретения положена техническая задача - предложить подходящий и рентабельный способ для получения водного раствора мочевины, пригодного для использования в качестве добавки в процессе СКВ для удаления оксидов азота, с надлежащим содержанием аммиака путем применения водного потока, содержащего мочевину, полученного в секции извлечения установки для производства мочевины.

Задача решена с помощью способа приготовления водного раствора мочевины, пригодного для использования в процессе СКВ для удаления оксидов азота, в котором для приготовления этого раствора используют водный поток, содержащий мочевину, полученный в секции извлечения установки для производства мочевины, способ отличается тем, что:

а) водный поток подвергают по меньшей мере одной технологической стадии выпаривания, отделяя паровой поток, содержащий воду и аммиак, и получая концентрированный раствор, по существу не содержащий аммиак;

в) затем концентрированный раствор разбавляют для получения раствора с концентрацией мочевины, пригодной для использования в процессе СКВ.

Концентрация раствора СКВ предпочтительно составляет от 1 до 35 мас.% мочевины и более предпочтительно около 30-35 мас.%.

Термин "не содержащий аммиак" подразумевает очень низкое содержание аммиака, так что содержание аммиака в разбавленном растворе удовлетворяет требованиям к растворам СКВ и предпочтительно ниже порога обоняния. Более предпочтительно, содержание NH₃ в растворе, полученном в вышеупомянутом пункте а), таково, что после разбавления до 30-35% мочевины концентрация NH₃ менее 2000 част./млн., более предпочтительно от 200 до 500 част./млн. и еще более предпочтительно менее 200 част./млн.

Выпаривание предпочтительно включает фазу нагрева и последующее разделение в вакууме, при котором отделяют паровой поток, содержащий воду и аммиак, и получают концентрированный раствор в жидкой фазе. Предпочтительно упомянутое разделение в вакууме проводят под давлением 0,2-0,4 бар (абс.) и более предпочтительно под упомянутым давлением и при температуре около 110°C.

В соответствии с вариантами осуществления изобретения с целью производства раствора СКВ можно применить полный водный поток, полученный в секции извлечения, или только его часть.

Входным потоком упомянутой фазы выпаривания может быть водный поток, полученный в секции извлечения, или поток, полученный на последующем технологическом шаге удаления части аммиака из этого водного потока. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения имеются две последовательные стадии выпаривания, причем при первом выпаривании получают концентрированный раствор и по меньшей мере часть этого раствора далее выпаривают на второй стадии выпаривания, получая более концентрированный раствор, по существу не содержащий аммиак,

Соответственно и в предпочтительном варианте осуществления изобретения водный поток из секции извлечения процесса производства мочевины подвергают первой стадии выпаривания с получением паровой фазы, содержащей воду и аммиак, и концентрированного раствора мочевины в жидкой фазе, затем по меньшей мере часть концентрированного раствора мочевины подвергают второй стадии выпаривания, отделяя паровую фазу, содержащую воду и аммиак, и получая дополнительный концентрированный раствор, по существу не содержащий аммиак; этот дополнительный концентрированный раствор мочевины затем разбавляют водой до заданной концентрации мочевины.

Этот вариант осуществления изобретения предлагает чрезвычайно эффективное двухстадийное удаление аммиака.

Выпаривание можно проводить в обычном теплообменнике(ах), предпочтительно в кожухотрубном теплообменнике(ах) с непрямым обогревом, в трубное пространство которого подают раствор мочевины. Предпочтительно применяют трубчатый теплообменник, обогреваемый паром, раствор мочевины подают в трубное или пластинчатое пространство, и пар конденсируется в межтрубном пространстве, действуя как тепловой источник.

Задачей изобретения также является обеспечение установки, адаптированной к производству раствора СКВ в соответствии с вышеуказанным способом. Одна и та же установка может применяться для получения других продуктов, таких как мочевина.

В частности, в настоящем изобретении предлагается установка, содержащая по меньшей мере: секцию синтеза для конверсии аммиака и диоксида углерода в первый водный поток, содержащий мочевину, карбамат аммония и непрореагировавший свободный аммиак; секцию извлечения, пригодную для диссоциации карбамата и рециркуляции аммиака и диоксида углерода в секцию синтеза и получения второго водного потока, по существу содержащего мочевину, воду и остаточный аммиак; и установка отличается наличием дополнительной секции, пригодной для конверсии по меньшей части упомянутого второго водного потока в раствор с более низкой концентрацией мочевины для использования в процессе СКВ, причем дополнительная секция включает:

- по меньшей мере один выпарной аппарат, адаптированный к выполненный с возможностью получения более концентрированного раствора мочевины в жидкой фазе, по существу не содержащего аммиак, и

- смеситель, выполненный с возможностью разбавления водой концентрированного раствора.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения дополнительная секция включает два выпарных аппарата, действующих последовательно, причем первый выпарной аппарат дает концентрированный раствор, по меньшей мере часть этого раствора подают во второй выпарной аппарат.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагается первый выпарной аппарат, в котором получают паровую фазу, содержащую воду, аммиак, и концентрированный раствор мочевины в жидкой фазе, и второй выпарной аппарат, куда поступает по меньшей мере часть концентрированного раствора мочевины из первого аппарата с получением дополнительного концентрированного раствора мочевины, по существу не содержащего аммиак. Первый аппарат предпочтительно включает испаритель и резервуар мгновенного испарения; второй аппарат предпочтительно включает испаритель и вакуумный сепаратор. В смеситель подают концентрированный раствор, не содержащий аммиак, полученный во втором аппарате, и добавляют воду до достижения надлежащей концентрации мочевины.

В настоящем изобретении также предлагается способ модификации действующей установки для производства мочевины для работы по вышеуказанному способу.

Соответственно объектом изобретения также является способ модификации действующей установки для производства мочевины, включающей секцию синтеза, секцию извлечения и секцию концентрирования, в секции извлечения получают водный поток, по существу содержащий мочевину, воду и остаточный аммиак, который подают в секцию концентрирования для получения мочевины с высокой чистотой; способ включает обеспечение по меньшей мере дополнительной секцией, выполненный с возможностью конверсии по меньшей мере части упомянутого водного потока в раствор с более низкой концентрацией мочевины для использования в процессе СКВ, дополнительная секция включает по меньшей мере один выпарной аппарат, выполненный с возможностью получения концентрированного раствора мочевины, по существу не содержащего аммиак, и смеситель, выполненный с возможностью разбавления водой концентрированного раствора.

Главным преимуществом предложенного изобретения является эффективное удаление аммиака из раствора мочевины, отбираемого из секции извлечения установки для производства мочевины, так что разбавленный раствор может удовлетворить жесткие требования к применению в качестве добавки в системах СКВ, главным образом в транспортных средствах.

Следует заметить, что изобретение предусматривает, что раствор, отбираемый из секции извлечения, вначале выпаривают и концентрируют, удаляя свободный NH₃ и воду, и затем разбавляют водой. Установлено, что предложенный способ, а не простое разбавление (например, с 70 до 32 мас.%), адаптирован к удовлетворению требований к качеству растворов СКВ и получению высококачественного раствора с остаточным содержанием NH₃ ниже порога обоняния. Этот способ также выгоден с экономической точки зрения, позволяя исключить более дорогой способ растворения твердой мочевины.

Другие особенности и преимущества изобретения будут ясны из нижеследующего описания его предпочтительного варианта, данного как показательный и не ограничивающий, со ссылкой на приложенные чертежи.

Краткое описание чертежей

на фиг.1 показана упрощенная схема установки, пригодной для производства раствора СКВ в соответствии с предложенным в изобретении способом;

на фиг.2 показана схема предпочтительного варианта предложенного в изобретении способа;

на фиг.3 показан более подробно пример предпочтительного выполнения схемы, представленной на фиг.2.

Подробное описание осуществления изобретения

На фиг.1 показана общая блок-схема установки для производства мочевины. Установка включает, в основном, секцию 1 синтеза высокого давления (ВД), секцию 2 извлечения и секцию 3 концентрирования. Секция 1 синтеза ВД конвертирует вводимые потоки аммиака 4 и диоксида углерода 5 в водный поток 6, содержащий мочевину, карбамат аммония (NH₃)₂СO₂ и свободный аммиак; секция извлечения включает оборудование среднего и/или низкого давления, пригодное для диссоциации карбамата и затем рециркуляции аммиака и диоксида углерода в секцию 1 синтеза в виде потока 7 и получения водного потока 8, по существу содержащего мочевину, воду и остаточный свободный аммиак; секция 3 концентрирования включает оборудование для удаления воды и получения расплава мочевины 9 с высокой чистотой, например, 99% или более в зависимости от применения.

На всех установках для производства мочевины применяют главную схему, представленную на фиг.1; оборудование секций 1, 2 и 3 подробно не описано, так как оно хорошо известно в уровне техники.

Как правило, поток 8 содержит около 65-70% мочевины и около 30% воды с остатком 1-2% свободного аммиака. В соответствии с предлагаемым в изобретении способом по меньшей мере часть водного потока 8 подают в дополнительную секцию 10 для получения раствора СКВ 14, содержащего 30-35% мочевины и адаптированного к применению в процессе СКВ восстановления NO_x.

Как видно из фиг.1, первую часть 8а потока 8 применяют для производства раствора СКВ 14, тогда как оставшуюся вторую часть 8b подают в секцию 3 концентрирования. Первую часть 8а подают в аппарат Е выпаривания и вакуумного разделения, где отделяют и концентрируют паровую фазу 15, содержащую воду и аммиак, и получают концентрированный раствор 11, не содержащий аммиак, в жидкой фазе. Раствор 11 подают в смеситель 12, разбавляют водой 13 до надлежащей концентрации мочевины, которая предпочтительно составляет от 30 до 35 мас.%.

Поток 8b является необязательным. В одном варианте осуществления изобретения весь поток 8 подают в аппарат Е, и поток 8b отбирают из аппарата Е согласно пунктирной линии на фиг.1. В других вариантах осуществления изобретения поток 8b можно использовать иначе, чем для концентрирования в секции 3.

Поток 13 предпочтительно представляет собой деминерализованную воду. Также можно применить очищенный конденсат, извлеченный в любом месте схемы в процессе производства мочевины.

Фиг.1 относится к установке, приспособленной к производству раствора СКВ 14 наряду с расплавом мочевины 9. На установке, специально предназначенной для производства раствора СКВ, весь поток 8 можно направить в секцию 10, а секция 3 концентрирования может отсутствовать.

На фиг.2 показан предпочтительный вариант осуществления изобретения. Водный поток 8 или его часть, например часть 8а, подают в первый выпарной аппарат Е1, получая паровой поток 102, содержащий NH₃ и воду, и концентрированный раствор 103. Часть 107 концентрированного раствора подают во второй выпарной аппарат Е2, получая паровую фазу 112 и дополнительный концентрированный раствор с очень низким содержанием аммиака, обозначенный как поток 11. Поток 11 подают в смеситель 12. Остальную часть 114 концентрированного раствора из первого выпарного аппарата Е1 предназначают для другой(их) области применения, например образования потока 8b, показанного в виде пунктирной линии на фиг.1. В других вариантах осуществления изобретения весь поток 103 можно подать во второй выпарной аппарат Е2.

Паровые потоки 102 и 112 можно объединить и направить, например, в вакуумный блок установки (не показан). Этот вариант осуществления изобретения особенно эффективен, обеспечивая по существу два последовательных шага концентрирования и удаления свободного NH₃ в выпарных аппаратах Е1 и Е2 соответственно.

Частный вариант осуществления изобретения более подробно показан на фиг.3. Первый аппарат Е1 включает обогреваемый паром испаритель 100 и резервуар 101 мгновенного испарения. В примере испаритель 100 представляет собой кожухотрубный теплообменник, в трубы которого, обогреваемые паром 120, конденсирующимся в межтрубном пространстве, подают раствор 8, содержащий мочевину, который извлекают в виде конденсата 121.

Поток из трубного пучка испарителя 100 поступает в резервуар 101 мгновенного испарения, где отделяется паровая фаза 102, содержащая аммиак и воду, с получением концентрированного раствора 103, который хранят в резервуаре 104. Из этого резервуара отбирают поток 105 и подают в насос 106. Выпуск насоса разделяют на поток 107 для производства раствора СКВ и поток 114 для другого(их) применения, такого как производство расплава мочевины в секции 3 концентрирования.

Поток 107 концентрированного раствора подают во второй выпарной аппарат Е2, включающий теплообменник 108, соединенный трубой 109 с вакуумным сепаратором 110. В сепараторе 110 также отделяют паровую фазу 112, содержащую воду и мочевину, получая дополнительный концентрированный раствор 113, по существу не содержащий аммиак, подаваемый в смеситель 12.

Второй выпарной аппарат Е2 включает кожухотрубный теплообменник, в трубы которого подают поток 107, нагреваемый паром 122, подаваемым в межтрубную зону, и извлекают в виде конденсата 123.

В резервуаре 101 предпочтительно устанавливают надлежащий сепаратор для извлечения жидкой фазы 103 из паров 102. В нижней части сепаратора 110 предпочтительно имеется в отстойник 111 для сбора жидкой фазы, образующей концентрированный раствор 113.

Следует отметить, что кожухотрубные теплообменники являются предпочтительными для теплообменного устройства(в) 100 и/или 108, однако можно применить любой традиционный теплообменник.

Пример

Поток 8, содержащий 68 мас.% мочевины, выпаривали в испарителе 100 и подавали в резервуар 101 мгновенного испарения под давлением 0,5 бар абс. и при температуре 95°С, получая концентрированный жидкий поток 103 с 71 мас.% мочевины. Поток 113, полученный во втором выпарном аппарате Е2, содержит 90 мас.% мочевины и 430 част./млн. свободного аммиака, этот поток затем разбавляли водой 13 в смесителе 12, получая поток 14, содержащий 32 мас.% мочевины и менее 200 част./млн. аммиака. Поток 14 адаптирован к применению в качестве раствора СКВ, т.е. для удаления NO_x в процессе СКВ. Ниже по потоку от смесителя 12 можно установить холодильник для раствора.

Как видно из фиг.1, традиционную установку для производства мочевины, включающую секцию синтеза 1, секцию извлечения 2 и секцию концентрирования 3, можно модифицировать с целью использования по меньшей мере части продукции секции 2 для получения раствора СКВ 14. Модификация включает обеспечение по меньшей мере секцией 10, соответствующей системой труб и вспомогательным оборудованием, таким как насосы, клапаны и т.п. Секция 10, в свою очередь, может включать аппараты Е1 и Е2, как на фиг.2-3 и описано выше. Таким образом, на модифицированной установке для производства мочевины можно получать раствор СКВ 14.

1. Способ приготовления водного раствора мочевины, пригодного для использования в процессе селективного каталитического восстановления (СКВ) для удаления оксидов азота, в котором для приготовления упомянутого раствора используют содержащий мочевину водный поток (8, 8а), полученный в секции (2) извлечения установки для производства мочевины, отличающийся тем, чтоуказанный водный поток (8, 8а) подвергают по меньшей мере одной технологической стадии выпаривания, отделяя паровой поток (15), содержащий воду и аммиак, и получая концентрированный раствор (11), по существу не содержащий аммиак; изатем разбавляют этот концентрированный раствор (11) для получения раствора (14) с концентрацией мочевины, пригодной для использования в процессе СКВ.

2. Способ по п.1, в котором выпаривание включает нагрев и последующее разделение в вакууме на паровой поток, содержащий воду и аммиак, и концентрированный раствор.

3. Способ по п.2, в котором упомянутое разделение в вакууме проводят при давлении от 0,2 до 0,4 бар.

4. Способ по любому из пп.1-3, в котором водный поток (8) из секции (2) извлечения подвергают первой стадии выпаривания, получая паровую фазу (102), содержащую воду и аммиак, и концентрированный раствор мочевины (103) в жидкой фазе, затем по меньшей мере часть (107) концентрированного раствора мочевины подвергают второй стадии выпаривания, отделяя паровую фазу (112), содержащую воду и аммиак, и получая дополнительный концентрированный раствор мочевины (11), по существу не содержащий аммиак, который затем разбавляют водой (13) до заданной концентрации мочевины.

5. Способ по п.1, в котором выпаривание проводят в кожухотрубном теплообменнике(ах) с непрямым обогревом, в трубное пространство которого подают раствор мочевины.

6. Способ по п.1, в котором концентрация раствора после разбавления водой составляет от 30 до 35 мас.% мочевины.

7. Способ по п.1, в котором содержание NH₃ в разбавленном растворе составляет менее чем 2000 част./млн. и предпочтительно менее чем 200 част./млн.

8. Установка для производства водного раствора мочевины, пригодного для использования в процессе селективного каталитического восстановления (СКВ) для удаления оксидов азота, содержащая по меньшей мере: секцию (1) синтеза для конверсии аммиака и диоксида углерода в первый водный поток (6), содержащий мочевину, карбамат аммония и непрореагировавший свободный аммиак; секцию (2) извлечения, выполненную с возможностью обеспечения диссоциации карбамата и рециркуляции аммиака и диоксида углерода в секцию синтеза и получения второго водного потока (8), по существу содержащего мочевину, воду и остаточный аммиак, отличающаяся тем, что она содержит дополнительную секцию (10), выполненную с возможностью конверсии по меньшей мере части (8а) упомянутого второго потока (8) в раствор (14) с низкой концентрацией мочевины для использования в процессе СКВ, причем эта дополнительная секция (10) включает по меньшей мере один выпарной аппарат (Е), выполненный с возможностью получения концентрированного раствора мочевины (11), по существу не содержащего аммиак, и смеситель (12), выполненный с возможностью разбавления водой концентрированного раствора (11).

9. Установка по п.8, в которой дополнительная секция (10) включает по меньшей мере первый выпарной аппарат (Е1) и второй выпарной аппарат (Е2), действующие последовательно.

10. Установка по п.9, в которой дополнительная секция (10) включает первый выпарной аппарат (Е1) для получения паровой фазы, содержащей воду и аммиак, и концентрированного раствора мочевины в жидкой фазе, и второй выпарной аппарат (Е2) с возможностью подачи в него по меньшей мере части концентрированного раствора мочевины из первого аппарата и получения дополнительного концентрированного раствора мочевины, по существу не содержащего свободный аммиак, который разбавляется для получения раствора, используемого в процессе СКВ.

11. Установка по п.10, в которой первый выпарной аппарат (Е1) содержит испаритель и резервуар мгновенного испарения, а второй выпарной аппарат (Е2) содержит испаритель и вакуумный сепаратор.

12. Способ модификации действующей установки для производства мочевины с целью ее адаптации к производству раствора мочевины, пригодного для использования в процессе селективного каталитического восстановления (СКВ), причем установка включает секцию (1) синтеза, секцию (2) извлечения и секцию (3) концентрирования, где в секции извлечения (2) получают водный поток (8), по существу содержащий мочевину, воду и остаточный аммиак, подаваемые в секцию (3) концентрирования для производства мочевины высокой чистоты; и способ включает обеспечение установки по меньшей мере дополнительной секцией (10), выполненной с возможностью конверсии по меньшей мере части (8а) водного раствора (8) в раствор (14) с низкой концентрацией мочевины для использования в процессе СКВ, причем эта дополнительная секция (10) содержит по меньшей мере один выпарной аппарат (Е), выполненный с возможностью получения концентрированного раствора мочевины (11), по существу не содержащего аммиак, и смеситель (12), выполненный с возможностью разбавления водой концентрированного раствора (11).