ITMI980700A1

ITMI980700A1 - Dispositivo e procedimento per migliorare la conversione in urea nella reazione fra anidride carbonica e ammoniaca

Info

Publication number: ITMI980700A1
Application number: IT98MI000700A
Authority: IT
Inventors: Claudio Gatti; Vincenzo Lagana
Original assignee: Siirtec Nigi S P A
Priority date: 1998-04-01
Filing date: 1998-04-01
Publication date: 1999-10-01
Also published as: WO1999050235A1; IT1299000B1

Description

Descrizione del Brevetto per Invenzione Industriale avente per titolo “DISPOSITIVO E PROCEDIMENTO PER MIGLIORARE LA CONVERSIONE IN UREA NELLA REAZIONE FRA ANIDRIDE CARBONICA E AMMONIACA”

La presente invenzione concerne un procedimento migliorato per la sintesi di urea a partire da ammoniaca e anidride carbonica nonché un dispositivo che permette di realizzare tale procedimento.

La reazione fra ammoniaca ed anidride carbonica viene condotta a temperature comprese fra 150 e 250°C sotto pressioni comprese tra 150 e 400 bar. L’ammoniaca che, in queste condizioni, si trova allo stato liquido reagisce con l’anidride carbonica a dare, come prodotto intermedio, il carbammato d’ammonio che, per disidratazione si trasforma in urea secondo gli schemi di reazione seguenti:

Queste reazioni avvengono in un reattore all’ interno del quale la fase liquida può procedere in equicorrente o in controcorrente con la fase gassosa.

Mentre la reazione fra ammoniaca liquida e anidride carbonica gassosa è molto rapida e raggiunge immediatamente l’equilibrio, la disidratazione del carbammato è molto lenta e richiede pertanto lunghi tempi di residenza nel reattore. E’ necessario quindi disporre di un volume di reazione sufficiente a garantire che la reazione raggiunga valori che si avvicinano all’equilibrio.

Inoltre si deve tenere presente che la reazione di formazione del carbammato ammonico è esotermica, mentre la disidratazione del carbammato per dare urea è endotermica. Si può quindi concludere che il processo per la sintesi di urea da ammoniaca e anidride carbonica è governato da fenomeni di trasferimento di massa, di calore, da fattori termodinamici e dalla cinetica della reazione.

Allo scopo di assicurare un adeguato periodo di residenza della miscela di reazione e il trasferimento della stessa, i reattori industriali per la produzione di urea sono disposti verticalmente e presentano una struttura a tubo, hanno cioè una dimensione molto più sviluppata rispetto airaltra. Normalmente il rapporto tra diametro del reattore e la sua lunghezza è compreso tra 1 : 10 e 1 : 30. Questa configurazione se, da un lato, assicura un sufficiente tempo di permanenza della miscela nelle condizioni di reazione, favorisce, dall’altro, lo stabilirsi di fenomeni di mescolamento dei prodotti e dei reagenti (backmixing) e di passaggio della fase gassosa attraverso percorsi preferenziali (channeling). Infatti la fase gassosa (sostanzialmente CO2), avente una densità molto inferiore, tende a salire velocemente verso l’alto sotto forma di grosse bolle seguendo preferenzialmente un cammino vicino alla parete del reattore, che non reagiscono facilmente con l’ammoniaca, mentre la fase liquida, che con la formazione di carbammato e di urea aumenta la propria densità, tende a discendere verso il basso rendendo meno favorito lo spostamento delle reazioni verso la formazione dei prodotti.

E’ bene ricordare che si definisce efficienza della reazione, ovvero resa di conversione della C02 in urea, il rapporto molare tra le moli di C02 trasformate in urea nel reattore e le moli totali di C02 entranti nel reattore, siano esse entranti come C02 gassosa siano esse entranti come carbammato liquido di riciclo.

L’efficienza della reazione è funzione dei rapporti molari NH3/CO2, H2O/CO2 e della temperatura finale di reazione, infatti aumenta all’ aumentare del rapporto molare NH3/CO2 e della temperatura finale mentre diminuisce all’aumentare del rapporto molare H20/C02.

I reatori industriali attuali, basati sui processi tecnologici più avanzati operano generalmente nei seguenti campi:

Pressione 140-190 bar

Temperatura 185-195°C

Rapporti molari

Resa di conversione

E = 55% - 75%

Per migliorare la conduzione della reazione è stato proposto e applicato il miglioramento che consiste nell’installare airintemo del reattore per la sintesi dell’urea una serie di piati forati per suddividere il reatore in diversi stati uniformemente sovrapposti in modo da ridurre al massimo i fenomeni indesiderati sopra descriti e in particolare per ridurre le dimensioni aumentando pertanto la superfice specifica di interfaccia delle bolle di gas che si sviluppano dalla miscela di reazione e che possono essere più facilmente assorbite nella fase liquida.

II numero degli stadi dipende dall’altezza del reattore e può variare da cinque a venti. Per favorire ulteriormente la ridistribuzione della fase liquida sono stati proposti piati forati il cui diametro dei fori per la ridistribuzione della fase vapore all’interno della fase liquida è dell’ordine dei millimetri allo scopo di otenere bolle di vapore aventi anch’esse un diametro dell’ordine dei millimetri.

Con questa soluzione si migliora notevolmente il grado di ridistribuzione della fase gassosa all’interno della miscela liquida di reazione, tuttavia la realizzazione di piatti forati con un numero elevato di fori di dimensioni ridote presenta il problema di un costo elevato e di una ridotta resistenza meccanica del piato stesso.

Scopo della presente invenzione è quello di installare all’interno del reatore di sintesi di urea da ammoniaca ed anidride carbonica un dispositivo capace di ridistribuire la fase gassosa all’ interno della fase liquida aumentando al massimo la superficie interfacciale tra le bolle di gas e la fase liquida in modo da raggiungere il massimo trasferimento di massa e di calore ottenibile e ridurre al minimo i fenomeni di channeling e di backmixing pur mantenendo il costo dell’ apparecchiatura ad un livello accettabile.

Secondo la presente invenzione la reazione di sintesi di urea da ammoniaca e anidride carbonica viene condotta in un reattore munito di piatti forati convenzionali opportunamente disposti lungo l’asse del reattore aventi fori di dimensioni dell’ordine di 5-20 millimetri, ma che possono anche presentare dimensioni superiori, caratterizzato dal fatto che al di sopra della parte forata di ciascun piatto è installata una apparecchiatura, capace di frammentare ulteriormente le bolle provenienti dal piatto forato sottostante.

In tal caso il piatto forato secondo la presente invenzione ha la sola funzione di smiscelatore per generare una fase liquida ed una fase vapore e di distributore della fase gassosa che si sviluppa.

L’apparecchiatura capace di frammentare le bolle provenienti dal piatto forato sottostante è costituita da strati di reti sovrapposte presentanti maglie di 50-7 mesh. Il numero degli strati di reti sarà scelto in modo da garantire statisticamente la formazione di passaggi per il gas aventi dimensioni di 0.4-3 mm .

La rete può essere costituita da un solo strato in tal caso la dimensione di ogni singola maglia deve essere di non più di 10 mesh.

Il pacco di reti può essere fissato all’ intemo del reattore con qualunque mezzo noto. Secondo una realizzazione il pacco di reti viene sostenuto da un pannello di grigliato metallico a maglia relativamente larga. In questo caso il pannello di grigliato metallico può agire da piatto forato convenzionale.

Il pacco di reti può essere agevolmente rimosso e sostituito senza dover ricorrere ad onerose operazioni di smontaggio necessarie nel caso della manutenzione di piatti forati a fori di dimensioni ridotte.

La rete che costituisce rapparecchiatura di ridistribuzione della fase gassosa della presente invenzione può essere costituita da acciaio inox adatto per impianti urea (grado urea) oppure da titanio.

La fase liquida dalla quale si è liberata la fase vapore per smiscelamento negli stadi del reattore passa nei successivi stadi attraverso perforazioni praticate sulla parete cilindrica del piatto distributore al disotto del livello del liquido in ciascun stadio allo scopo di creare un battente di liquido che impedisce il passaggio del gas attraverso queste aperture.

Il liquido che sale allo stadio superiore incrocia il vapore che è passato attraverso Tapparecchiatura di ridistribuzione e si miscela di nuovo con detta fase vapore. La fase vapore, trovandosi allo stato di minutissime bollicine, presenta il massimo di superficie interfacciale con la fase liquida e favorisce il completamento della reazione tra la C02 gassosa e Γ ammoniaca libera della fase liquida. Quindi con il procedere della miscela di reazione lungo il reattore la composizione di quest' ultima si approssima sempre di più al valore di equilibrio.

La presente invenzione può applicarsi sia al rifacimento (revamping) di reattori di sintesi di urea esistenti che reattori di nuova costruzione.

L’invenzione verrà descritta in maggior dettaglio con riferimento al disegno allegato e agli esempi di realizzazione che seguono fomiti a titolo illustrativo, ma non limitativo della presente invenzione.

Nella figura 1 viene illustrato in sezione un tratto o stadio di un reattore per la sintesi dell’urea provvisto dell’ apparecchiatura di frammentazione delle bolle di vapore sviluppate dalla miscela di reazione.

Il fluido bifase 1 di uno stadio del reattore 6, che nell’esempio procede in equicorrente

con la fase gassosa, sale dal basso verso l’alto.

Quando il fluido bifase 1 incontra il piatto distributore 2, a causa della perdita di carico generata dai fori, si smiscela in una fase liquida bifase, povera di vapore, ed in una fase vapore che si posiziona al di sopra del livello della fase liquida residua.

La fase vapore passando attraverso i fori 5 del piatto distributore 2, incontra un pacco di reti 3, che suddivide il flusso di vapore in modo uniformemente distribuito su tutta la sezione del pacco di reti stesso; quindi passa nello stadio di reazione sovrastante per miscelarsi nuovamente con la fase liquida precedentemente separata.

La fase liquida separatasi dalla fase vapore attraverso una serie di fori 4 posizionati sulla parete cilindrica, passa nello stadio di reazione sovrastante per miscelarsi nuovamente con la fase vapore precedentemente separata.

Questo procedimento inizia nella parte inferiore del reattore dove entrano i reagenti freschi ed il carbammato di riciclo e termina nella parte superiore dove escono la soluzione di urea e carbammato unitamente ad una fase vapore all’equilibrio con la fase liquida contenente ammoniaca, C02, acqua ed inerti.

Indicando con D il diametro interno del reattore 6, le dimensioni dell’apparecchiatura utilizzata nell’esempio sono le seguenti:

Diametro del distributore del vapore DI = 0,95*D

Diametro del pacco reti D2 = 0,67*D

Altezza della parte cilindrica del distributore H = 0,1 *D

Altezza della parte cilindrica del pannello grigliato HI = 100 min

Diametro dei fori del distributore vapore dv = 10 mm

Diametro dei fori di scarico liquido di - 10 mm

ESEMPIO 1

Per meglio mostrare i vantaggi dell’invenzione diamo il seguente esempio dove vengono confrontati i valori ottenuti in un reattore senza alcuna apparecchiatura all’interno ed i valori ottenuti dopo avere installato l’apparecchiatura oggetto del trovato.

Si considera un impianto per la produzione di 1000 t/d di urea, pari a 41667 kg/h, che impiega un reattore che opera nelle seguenti condizioni:

Pressione di reazione 150 bar

Rapporti molari

RISULTATO OTTENUTO

SENZA PIATTI CON DODICI PIATTI CON RIDISTRIBUTORE DEL VAPORE

Come si può notare a parità di condizioni operative del reattore si ottengono due temperature di uscita differenti e di conseguenza due rese di conversione diverse.

La temperatura aumenta grazie all’aumento della superficie specifica di interfaccia delle piccole bolle di vapore che permettono alla C02 gassosa non ancora reagita di trasformarsi in carbammato con generazione di calore, grazie alTesotermicità della reazione, quindi viene favorita la produzione di urea che essendo la reazione endotermica è favorita dall’aumento della temperatura.

Un’ultima importante osservazione è che la quantità di soluzione uscente dal reattore è inferiore nel caso in cui sono stati installati i piatti e ciò è dovuto al fatto che avendo il reattore una maggiore resa rimpianto ha un minore riciclo di carbammato quindi minori volumi di sostanze in gioco.

Poiché il volume del reattore è rimasto costante il tempo di residenza della soluzione aumenta di conseguenza, con un ulteriore vantaggio nella produzione di urea.

ESEMPIO 2

Nello stesso impianto dell’esempio precedente, provvisto di reattore munito di 12 piatti perforati, ma in assenza delle apparecchiature di ridistribuzione del vapore (cioè senza il pacco di rete disposto al di sopra dei piatti) si è ottenuta una resa di conversione del 62,34% ad una temperatura di 186,5 C°.

Come si può notare in questo esempio la portata di C02 uscente dal reattore è di 820 kg/h superiore alla portata riportata nell’esempio in cui si applicano i piatti secondo la presente invenzione.

Questo valore superiore comporta un maggiore consumo di energia per riciclare il carbammato al reattore.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Apparecchiatura per la sintesi di urea da ammoniaca ed anidride carbonica comprendente un reattore avente più stadi di reazione separati caratterizzata dal fatto che gli elementi di separazione fra i vari stadi sono costituiti da uno o più strati di rete attraverso i quali passa la fase gassosa che si sviluppa dalla miscela di reazione sotto forma di minutissime bollicine e che si ridistribuisce nella fase liquida nello stadio successivo.
2. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1 , caratterizzata dal fatto che gli elementi di separazione sono disposti al di sopra di piatti forati che favoriscono lo smiscelamento della fase vapore dalla fase liquida.
3. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che gli elementi dì separazione sono sostenuti da pannelli di griglie metalliche che favoriscono lo smiscelamento della fase vapore dalla fase liquida.
4. Apparecchiatura secondo le rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che le maglie della rete che costituisce gli elementi di separazione ha le dimensioni comprese tra 50 e 7 mesh.
5. Apparecchiatura secondo le rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che il materiale con cui è costituito Io o gli strati di reti è acciaio inox, adatto per urea (grado urea) oppure titanio.
6. Apparecchiatura secondo le rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che la miscela liquida di reazione passa nei successivi stadi attraverso perforazioni praticate al disotto del livello del liquido in ciascun stadio allo scopo di creare un battente che impedisce il passaggio del gas attraverso queste aperture.
7. Procedimento perfezionato per la sintesi di urea da anidride carbonica e ammoniaca allo stato liquido a temperature comprese tra fra 150 e 250°C sotto pressioni comprese tra 150 e 400 bar con rapporti molari fra ammoniaca e anidride carbonica compresi tra 2,5 e 5 e rapporti molari fra acqua e anidride carbonica compresi tra 0 e 2 in un reattore a stadi opportunamente sovrapposti caratterizzato dal fatto che la fase gassosa, separata in ciascuno stadio dalla miscela di reazione sotto forma di grosse bolle viene suddivisa mediante passaggio attraverso uno più strati di rete in minuscole bollicine per raggiungere lo stadio successivo, dette bollicine essendo ridistribuite all’ interno della fase liquida nello stadio successivo.