JPS585190B2 - 尿素合成における未反応物の分離回収方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は二酸化炭素およびアンモニアより尿素を合成す
るにあたり、尿素合成液から未反応の過剰のアンモニア
を効率よく、分離回収する方法に関するものである。

二酸化炭素と、これに対し化学量論的に過剰のアンモニ
アとを昇温昇圧下で反応させて得られる尿素合成液中に
は、尿素と水の他に、未反応のアンモニウムカーバメー
トと過剰のアンモニア（以下これらを未反応物と称する
）が含まれる。

尿素の合成を収率よく行うためには、これらの未反応物
を該尿素合成液から分離し、再び尿素合成域へ循環させ
ることが必要である。

通常この未反応物は、尿素合成液を加熱することにより
ガス化して分離される。

この未反応物の尿素合成域からの分離は平衡上高温低圧
程容易であるが、高温に加熱すると、尿素の加水分解が
起り、またビウレット等の不純物の生成量が増加するた
め、尿素合成液の圧力を下げ、その圧力に応じた低い加
熱温度で分離が行われる。

一方分離された過剰のアンモニア、二酸化炭素および水
よりなる未反応物を尿素合成域に再循環するためには、
気体のまゝ圧縮して循環するか、一旦凝縮してから循環
する方法がとられるが、前者は気体の圧縮のため多大の
動力を要する上、腐食性の強いガスを高温のまゝ圧縮す
る必要上、機械的な困難を伴う。

後者は、これらの問題はないが、未反応物が凝縮すると
きに放出する熱を回収する際、その凝縮温度が低いため
、回収された熱を有効に利用し難いという欠点を有して
いる。

また、この場合未反応物を全量凝縮させると、凝縮液は
、アンモニア濃度の非常に高い液とアンモニウムカーバ
メートの濃度の高い液の二液相に分離してしまい、これ
をポンプで合成域へ循環させることは困難である。

これを避けるためには、未反応物中のアンモニアの大部
分を凝縮装置より分離して、別のアンモニア用凝縮装置
で凝縮させなければならないという欠点がある。

したがって本発明の目的は、尿素合成液から過剰アンモ
ニアを回収して尿素合成域に再循環する際、過剰アンモ
ニア回収のために消費したエネルギーを効率よく回収す
る方法を提供することである。

本発明の他の目的は該過剰アンモニアの回収工程により
、生成尿素中の不純物が増加しないような過剰アンモニ
アの回収法を提供することである。

本発明の更に他の目的は該過剰アンモニアを回収する際
、少ない動力で機械的に困難なく過剰アンモニアを分離
回収して尿素合成域に再循環する方法を提供することで
ある。

本発明者らは、上述の目的を達成するために、詳細な研
究を行った結果次のような事実を見出し、本発明を完成
するに至った。

すなわち従来尿素合成液を加熱すると、尿素がビウレッ
トに転化し、不純物が増加するとして、できる限り避け
られているが、アンモニア／二酸化炭素のモル比が５以
上の条件で尿素合成を行えば、尿素合成液を通常の尿素
合成温度より若干高温にまで加熱しても、はとんどビウ
レットの増加は認められなかった。

更に過剰アンモニアを用いた場合、尿素合成域の温度、
王立条件付近では、わずかな温度上昇により、気相アン
モニアの分圧が急激に増大することを見出した。

したがって尿素合成液の圧力を下げることなく、尿素合
成域の圧力と同じかあるいは若干高い圧力下でも、尿素
合成液を尿素合成域の温度よりわずかに加熱昇温するだ
けで、尿素合成液中の過剰アンモニアを分離することが
できる。

これらの事実を応用して次のような過剰アンモニアの回
収法を発明するに至った。

すなわち、本発明の方法は二酸化炭素と化学量論的に過
剰のアンモニアとを尿素合成温度および圧力において反
応させ、得られた尿素、水、未反応アンモニウムカーバ
メート、および未反応アンモニアを含有する尿素合成液
から該未反応アンモニウムカーバメートおよび未反応ア
ンモニアを分離して尿素合成域に再循環するに当って、
尿素合成域におけるアンモニア／二酸化炭素のモル比が
５〜１２になるように、過剰のアンモニアを尿素合成域
に導入し、該尿素合成域より出た尿素合成液を該尿素合
成圧よりも高い圧力に昇圧し、該尿素合成温度よりも高
い温度に加熱して該過剰アンモニアを分離し、こうして
分離した過剰アンモニアを差圧によって該尿素合成域に
再循環する尿素合成における未反応物の分離回収方法で
ある。

本発明の方法によれば、尿素合成液を尿素合成液の圧力
よりも若干高い圧力に昇圧して、加熱するだけで、過剰
のアンモニアの大部分および二酸化炭素と水の一部を、
二酸化炭素、アンモニアその他年活性ガス等のストリッ
ピング剤を用いることなく、尿素合成液から分離するこ
とができる。

また、この場合従来加熱の際避けることができないとさ
れてきた尿素の加水分解およびビウレット等の不純物の
生成は、本発明の実施に要する加熱の程度では、はとん
ど無視することができ、高度の過剰なアンモニア雰囲気
では従来の過剰アンモニア回収法を用いる尿素合成法に
比較して、むしろ減少する傾向にある。

本発明の方法によって、尿素合成域の圧力よりも高い圧
力下で分離された少量の二酸化炭素および水を含む、過
剰アンモニアは何の動力も用いることなく、そのまゝ圧
力差によって尿素合成域に循環させることができる。

このため、過剰アンモニアの再循環に必要な動力は、尿
素合成液を、未反応物を分離する分離域の圧力まで高め
るに必要な動力のみで十分であり、分離したガスを圧縮
再循環する動力に比較して、大巾に節減することができ
る。

また分離した過剰アンモニアその他を高温ガス状のまゝ
尿素合成域に循環させるため、分離に要した熱量を尿素
合成域の高い温度レベルにおいて熱回収することが可能
となり、尿素合成のために必要な熱量を大巾に節減する
ことができる。

本発明における未反応物を分離する分離域の圧力は分離
された未反応物を合成域へ循環するための差圧分だけ尿
素合成域の圧力よりも高ければ充分で、通常、尿素合成
域の圧力より０．１〜５ｋｇ／ｃｍ２程度昇圧すればよ
い。

したがって該尿素合成液を分離域の圧力まで昇圧する手
段としては、該分離域の圧力および温度に耐えるポンプ
であれば、遠心式、往復式等の型式を問わず使用するこ
とができる。

またこれらのポンプを使用する代りに、尿素合成域に送
入する液体アンモニアの一部または全部を該分離域の圧
力よりも高い圧力に昇圧した後、該分離域から分離され
る未反応物を用いて加熱し、これを動力源とするエジェ
クターを用いて、該尿素合成液を昇圧することも可能で
ある。

このとき尿素合成液に混合された液体アンモニアは、実
質的に全量が分離域で未反応過剰アンモニアとともに分
離され、尿素合成域へ循環されるが、分離域で尿素合成
液から分離するに要する熱は、エジェクターで尿素合成
液と混合するときに発生する熱とアンモニアの蒸発潜熱
の和に等しく、尿素合成域に直接液体アンモニアを送入
するのと熱的には何ら変りがない。

本発明方法を実施する場合の、尿素合成域におけるアン
モニアと二酸化炭素の比は特に重要である。

アンモニア／二酸化炭素のモル比が５以下では、未反応
過剰アンモニア等を分離する分離域で尿素合成液を加熱
する際、尿素の加水分解およびビウレットの生成が顕著
になり、好ましくない。

逆にアンモニアが大過剰に過ぎると、回収循環すべきア
ンモニア量が増加し、その回収循環に必要な熱および動
力が増加して好ましくない。

したがって好ましいアンモニア／二酸化炭素のモル比は
５〜１２である。

本発明方法における分離域の圧力は、分離域で分離した
未反応物をガス状のま一差圧により、尿素合成域に循環
するに十分な圧力以上であればよい。

通常尿素合成域の圧力よりも０．１〜５に９／ｉ高い圧
力が好ましく用いられる。

該分離域の温度は、その圧力下で過剰アンモニアを気化
分離するに必要な温度以上で、かつ尿素の加水分解、ビ
ウレットの生成が無視しうる温度範囲が用いられ、尿素
合成域の温度より５〜３５℃高い温度において操作する
ことが好ましい。

したがって、１８５〜２３５℃の温度が好ましく用いら
れる。

本発明方法によって分離域から分離されるガス状アンモ
ニア中には０．５〜１０ｍｏ１％の二酸化炭素と１〜２
０ｍｏ１％の水蒸気が含まれるが、所望により該分離域
として、精留塔型式の分離塔を用いることにより、水蒸
気含量０．５〜１０ｍｏ１％まで減少させることが可能
である。

過剰アンモニアの分離回収に用いた熱を回収する方法と
しては、該過剰アンモニアを尿素合成域に循環したとき
、該合成域で余剰となる熱の実質的に全量を熱水または
、スチームの形で回収できる方法であればいかなるもの
でもよい。

例えば、分離回収したアンモニア、と二酸化炭素を含む
ガ・スを尿素合成域に循環する前に熱交換器に通す方法
、尿素合成域に熱交換器を設けて合成域を冷却すると同
時にスチーム等の形で熱回収する方法等が用いられる。

また分離域で分離されたアンモニアと二酸化炭素を含む
高温のガスを、尿素水溶液の濃縮工程等の加熱を必要と
する工程中に設けた熱交換器に通して、熱回収すること
も可能である。

尿素の合成設備は腐食作用の激しい高温のアンモニウム
カーバメートを取り扱うため、従来から装置材料の開発
、選定、その他腐食防止技術の開発に多大の労力を費し
てきているが、現在でも腐食防止にともなう設備投資額
の増加や腐食による操業率の低下は非常に大きいもので
ある。

本発明の方法は、高度に過剰なアンモニア雰囲気で尿素
の合成および未反応物の分離を行うため、装置の腐食が
少く、従来の方法に比較して、より安価な材質を使用で
きるという利点を有する。

次に、添付図面によって本発明の実施を、具体的に説明
する。

図面において原料のアンモニアおよび二酸化炭素は、ラ
イン１および２より熱回収装置４に導入される。

熱回収装置４は尿素合成管６よりも０、１ ｋｇ ７ｃ
ｍ２以上高い圧力で尿素合成温度に保たれ、ここで原料
のアンモニアと二酸化炭素が反応して、アンモニウムカ
ーバメートを生成する際に発生する熱量のうち、尿素合
成管６の操業に必要な熱以外の熱量が、スチームの形で
回収される。

熱回収装置４はライン５を経て尿素合成管６に連結され
ている。

尿素合成管６は温度１８０〜２１０℃、圧力１５０〜２
６０ｋｇ／ｃｍ２で操業される。

尿素合成管６において得られる尿素合成液は、出口から
ライン７を経てポンプ８に送られ、ここで０．２ｋｇ／
ｃｍ以上昇圧され、ライン９を経て未反応物分離器１０
に送られる。

未反応物分離器１０は熱回収装置４よりも０．１ ｋｇ
／ｃｍ２以上高い圧力で操作され、ライン１１から導入
され１２から排出される高温の流体により、加温されて
いる。

未反応物分離器１０で分離された未反応物は、ライン１
３を経て熱回収装置４に循環され、一方未反応物を分離
された尿素合成液は、ライン１４を経て取り出され、残
っている少量の未反応物を回収するため、次の中圧分離
器１５および低圧分離器１７にかけられ、最終的にはラ
イン１８から極く微量の未反応物を含む尿素水溶液とし
て取出される。

中圧分離器１５は、ゲージ圧１４〜１８ｋｇ／ｃｍ２温
度１４０〜１７０℃で操作され、ここで合成液中に残存
する未反応物の９０％が、ライン２０よりガス状の二酸
化炭素、アンモニアおよび水蒸気の形で取り出される。

未反応物を分離された合成液は、ライン１６を経て低圧
分離器１７に入り、ここで合成液中の残存未反応物の実
質的に全量を分離して、ライン１８から尿素水溶液とし
て取り出される。

低圧分離器１７はゲージ圧０．０５〜３．５ ｋｇ ７
ｃｍ２゜１１０〜１４５℃で操作され、ここで二酸化炭
素アンモニアおよび水蒸気の混合ガスが分離される。

この混合ガスはライン２１を経て低圧凝縮器２２に導入
され、ここで３０〜６０℃に冷却されて凝縮され、アン
モニウムカーバメート含有水溶液となる。

この水溶液はポンプ２３によって中圧凝縮器２４に圧送
され、ライン２０より送られてくる二酸化炭素、アンモ
ニアおよび水蒸気の混合ガスを５０〜１２０℃の温度で
吸収し、ポンプ２５およびライン３を経て熱回収装置４
に循環される。

以下に実施例を拳げて、本発明の実施方法を更に具体的
に説明する。

実施例１ ライン１および２からアンモニアおよび二酸化炭素をそ
れぞれ５６．８ｔ／日および７４．０ｔ／日の割合で熱
回収装置４に補給し、ライン１３および３からの未反応
物とともに、ライン５を経て尿素合成管６に送入した。

尿素合成管６は、１８５℃、１８０ｋｇ／ｃｍ２ｇで操
作されており、出口の尿素合成液組成は、重量部で尿素
１０２．１、アンモニウムカーバメート４３．４、アン
モニア１７７．１、水４７．１、ビウレット０．４であ
った。

この尿素合成液をライン７を経てポンプ８で１８３ｋｇ
／ｃｍ２に昇圧し、ライン９より未反応物分離器１０に
送入した。

未反応物分離器１０は１８３ ｋｇ／ｃｍ２．１９０℃
で操作され、ここで１０７．２ｔ／日のアンモニア、６
．７ｔ／日の二酸化炭素および５．５ｔ／日の水を分離
し、ライン１３を経て熱回収装置４へ循環した。

この未反応物分離器１０は２０ｋｇ／ｃｍ２のスチーム
で加温されており、下部から得られる液は重量部で、尿
素１００．４、アンモニウムカーバメート３３．５、ア
ンモニア１４．９、水４１．２、ビウレット０．６の組
成であった。

この尿素合成液は次に１８ ｋｇ／ｃｍ２１７０℃で操
作されている中圧分離器で、残存する未反応物の大部分
を分離し、更に０．５ｋｇ／ｃｍ２．１４０℃で操作さ
れている低圧分離器で、残存する未反応物の実質的に全
量を分離した後、ライン１８から７６％の尿素水溶液と
してとり出した。

一方、分離した未反応物は低圧凝縮器２２および中圧凝
縮器２４で凝縮し、ライン３から重量部でアンモニウム
カーバメート３３．７、アンモニア１５．４、水１０．
８の水溶液として、熱回収装置４へ循環した。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明方法の一具体例を示す工程系統図である。 ４・・・・・・熱回収装置、６・・・・・・尿素合成管
、１０・・・・・・未反応物分離器、１５・・・・・・
中圧分離器、１７・・・・・・低圧分離器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 二酸化炭素と化学量論的に過剰のアンモニアとを尿
   素合成温度および圧力において反応させ、得られた尿素
   、水、未反応アンモニウムカーバメートおよび未反応ア
   ンモニアを含有する尿素合成液から、該未反応アンモニ
   ウムカーバメートおよび未反応アンモニアを分離して尿
   素合成域に再循環するに当って、尿素合成域におけるア
   ンモニア／二酸化炭素のモル比が５〜１２になるように
   過剰のアンモニアを尿素合成域に導入し、該尿素合成域
   より出た尿素合成液を該尿素合成圧よりも高い圧力に昇
   圧し、該尿素合成温度よりも高い温度に加熱して、該過
   剰アンモニアを分離し、こうして分離した過剰アンモニ
   アを差圧によって該尿素合成域に再循環することを特徴
   とする尿素合成における未反応物の分離回収法。