Применение нержавеющей стали, выплавленной дуплекс-процессом, при отпарке аммиаком на установках для синтеза мочевины

Изобретение относится к созданию или модернизации установок для синтеза мочевины способом с отпаркой аммиаком и самоотпаркой. Установка для синтеза мочевины способом с отпаркой аммиаком или термической отпаркой, включающая контур высокого давления для синтеза, который включает реактор для синтеза, кожухотрубное отпарное устройство и конденсатор, указанное отпарное устройство включает кожух и пучок труб с возможностью обеспечить отпарку раствора карбамата, подаваемого в указанные трубы путем нагрева, и необязательно с использованием аммиака в качестве средства для отпарки, при этом трубы указанного отпарного устройства изготовлены из нержавеющей стали, выплавленной дуплекс-процессом по одному из нижеуказанных вариантов:

А) сталь Safurex^®, а именно 29Cr-6,5Ni-2Mo-N, которую по системе кодирования Американского общества инженеров-механиков (ASME) обозначают также 2295-3 и по Единой системе нумерации (UNS) - S32906, или

Б) сталь DP28W™, а именно 27Cr-7,6Ni-1Mo-2,3W-N, которую по системе кодирования ASME обозначают также 2496-1 и по UNS - S32808. Способы модернизации установки для синтеза мочевины. Способ синтеза мочевины по процессу с самоотпаркой или отпаркой аммиаком. Технический результат - повышение эффективности процесса синтеза мочевины за счет использования нержавеющей стали выплавленной дуплекс-процессом. 5 н. и 6 з.п. ф-лы.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к созданию или модернизации установок для синтеза мочевины способом с отпаркой аммиаком и самоотпаркой.

Уровень техники

Обзор способов синтеза мочевины и соответствующих установок можно найти в Ullman’s Encyclopedia of Industrial Chemistry (Энциклопедия промышленной химии), изд-во Wiley-VCH Verlag, т. А27.

Способы с отпаркой были внедрены в 1960-х гг. и в настоящее время доминируют в производстве мочевины во всем мире. В способе с отпаркой получаемый в результате синтеза раствор, выходящий из реактора, подвергают нагреву под высоким давлением, которое в основном такое же, как в реакторе. В результате карбамат аммония разлагается на аммиак и диоксид углерода в жидкой фазе, и часть выделившегося аммиака и диоксида углерода переходит из жидкой фазы в газовую фазу. После улавливания из отпарного устройства газовая фаза, содержащая не превращенный аммиак и диоксид углерода, конденсируется и возвращается на повторную переработку в реактор.

Для ускорения вышеуказанного процесса в способе с отпаркой аммиаком в качестве средства для отпарки используется аммиак. В способе с самоотпаркой средство для отпарки не используют, отпарка раствора обеспечивается только путем подачи тепла.

Способ с отпаркой аммиаком и способ с самоотпаркой широко известны, а вместе их также называют способом Снампроджетти (Snamprogetti) по названию компании-разработчика. Способ с самоотпаркой называют также способом с термической отпаркой, так как для отпарки раствора мочевины определяющим является тепло.

Другим способом отпарки является способ отпарки диоксидом углерода, в котором в качестве средства для отпарки используют газообразный диоксид углерода. Примерами известных способов отпарки диоксидом углерода являются способ компании Стамикарбон (Stamicarbon) и способ ACES.

Настоящее изобретение касается способа Снампроджетти и соответствующей установки. В настоящем описании и пунктах формулы изобретения любую ссылку на установку или способ с самоотпаркой следует равным образом понимать как ссылку на установку или способ с отпаркой аммиаком, и наоборот.

Установка для синтеза мочевины способом с самоотпаркой включает в основном контур высокого давления для синтеза, секцию среднего давления и секцию низкого давления для извлечения. Контур высокого давления обычно включает реактор для синтеза, отпарное устройство с паровым обогревом и горизонтальный конденсатор типа автоклава, который в основном работает при таком же давлении, обычно около 140-160 бар. Водный раствор мочевины, выходящий из реактора и содержащий аммиак и непрореагировавший карбамат аммония, подвергают отпарке, получая паровую фазу, содержащую аммиак и CO₂, которую конденсируют в конденсаторе высокого давления и возвращают на повторную переработку в указанный реактор. В следующих секциях среднего и низкого давления происходит разложение непрореагировавшего карбамата и рециркуляция аммиака из водного раствора мочевины, выходящего из секции высокого давления.

В контуре синтеза имеет место совокупность высокого давления, высокой температуры и присутствие коррозионных растворов. В особенности, карбамат аммония считают наиболее агрессивным по отношению к стали. Таким образом, выбор подходящих материалов является сложной задачей, и трубы отпарного устройства представляют собой один из наиболее критических компонентов, так как они работают при высокой температуре и высоком давлении, высокой концентрации карбамата и низкой концентрации кислорода.

В течение длительного времени на установках с отпаркой аммиаком и самоотпаркой для отпарного устройства использовали титановые трубы. Для преодоления проблем эрозии внутренней части титановых труб были внедрены биметаллические трубы, состоящие из наружной трубы, изготовленной из аустенитной нержавеющей стали, и внутренней трубы, изготовленной из циркония. Дальнейшие разработки в этом направлении привели к изготовлению труб полностью из циркония или биметаллических труб из титана и циркония (Ti-Zr). В этом отношении в ЕР-А-1577632 описаны трубы, изготовленные из титана или титанового сплава, покрытого слоем циркония, или циркониевого сплава, подходящие для использования в отпарном устройстве на установке для синтеза мочевины способом Снампроджетти.

В отличие от этого, в способах с отпаркой диоксидом углерода использовали специальную нержавеющую сталь, в том числе высоколегированную нержавеющую сталь и нержавеющую сталь, выплавленную дуплекс-процессом. Указанная сталь, выплавленная дуплекс-процессом, отличается двухфазной структурой, показывающей содержание и феррита, и аустенита, и обычно имеет высокое содержание хрома.

В итоге, известный уровень техники к настоящему моменту подсказал идею использования высококачественной стали для труб отпарного устройства на установках с отпаркой диоксидом углерода и более сложные решения (титановые трубы, циркониевые или биметаллические трубы) для труб отпарного устройства на установках с отпаркой аммиаком или самоотпаркой.

Поскольку на установки компании Снампроджетти приходится большая часть мировой мощности по производству мочевины, то имеется стимул к разработке эффективного способа повышения их производительности, в частности к модернизации действующих установок. Настоящее изобретение направлено на решение этой задачи.

Раскрытие изобретения

Заявитель неожиданно обнаружил, что определенную нержавеющую сталь, выплавленную дуплекс-процессом, можно также успешно применять на установках с самоотпаркой и отпаркой аммиаком для изготовления труб отпарного устройства. В настоящем изобретении используется нержавеющая сталь, выплавленная дуплекс-процессом, по одному из нижеуказанных вариантов:

А) сталь Safurex^®, а именно 29Cr-6,5Ni-2Mo-N, которую по системе кодирования ASME (Американское общество инженеров-механиков) обозначают также 2295-3 и по UNS (Единая система нумерации) - S32906,

или

Б) сталь DP28W™, а именно 27Cr-7,6Ni-1Mo-2,3W-N, которую по системе кодирования ASME обозначают также 2496-1 и по UNS - S32808.

Вышеуказанное обозначение подходящих материалов дано в соответствии с известными нормами, которые хорошо известны специалисту в данной области техники, т.е. по системе условных обозначений DIN (Германский промышленный стандарт), системе кодирования ASME и Единой системе нумерации (UNS).

Нержавеющая сталь, выплавленная дуплекс-процессом, по указанному варианту А), т.е. сталь Safurex^®, предпочтительно имеет следующий состав (мас.%):

С: макс. 0,05,

Si: макс. 0,8,

Mn: 0,3-4,0,

Cr: 28-35,

Ni: 3-10,

Mo: 1,0-4,0,

N: 0,2-0,6,

Cu: макс. 1,0,

W: макс. 2,0,

S: макс. 0,01,

Се: 0-0,2.

Содержание феррита предпочтительно составляет 30-70 об.% и более предпочтительно - 30-55 об.%.

Более предпочтительно указанная сталь по варианту А) содержит (мас.%): макс. 0,02 С, макс. 0,5 Si, 29-33 Cr, 1,0-2,0 Мо, 0,36-0,55 N, 0,3-1,0 Mn.

Нержавеющая сталь, выплавленная дуплекс-процессом, по указанному варианту Б), т.е. сталь DP28W™, предпочтительно имеет следующий состав (мас.%):

С: не более 0,03,

Si: не более 0,5,

Mn: не более 2,

Р: не более 0,04,

S: не более 0,003,

Cr: не менее 26, но менее 28,

Ni: 6-10,

Мо: 0,2-1,7,

W: более 2, но не более 3,

N: более 0,3, но не более 0,4,

остальное - Fe и примеси, в которых содержание Cu в виде примеси составляет не более 0,3 мас. %.

Более предпочтительно, если указанная сталь по варианту Б) содержит 27-27,9% хрома (Cr); 7%-8,2% никеля (Ni); 0,8%-1,2% молибдена (Мо); 2%-2,5% вольфрама (W); 0,3-0,4% азота (N).

Представленный выше процентный состав указан в мас.%.

Выше упоминалось, что применение нержавеющей стали, выплавленной дуплекс-процессом, на установках для синтеза мочевины было предложено в соответствующей литературе и на известных установках только в сочетании со способом с отпаркой диоксидом углерода, таким как вышеупомянутые способы Стамикарбон или ACES.

Следует отметить, что трубы отпарного устройства на установке для синтеза мочевины способом Снампроджетти работают при более высокой температуре в сравнении с трубами для отпарки на установке с отпаркой диоксидом углерода. Отпарное устройство на установке с отпаркой аммиаком или самоотпаркой обычно работает с температурой на выходе примерно не ниже 205°C (например, 205-210°C), тогда как отпарное устройство на установке с отпаркой диоксидом углерода работает с температурой на выходе около 160°C. Более того, СО₂, подаваемый в нижнюю часть отпарного устройства, содержит О₂, который является пассиватором для защиты поверхности стали от коррозии. До настоящего времени из-за вышеуказанных различий нержавеющую сталь, выплавленную дуплекс-процессом, считали неподходящей для использования в отпарном устройстве на установках для синтеза мочевины способом с отпаркой аммиаком или самоотпаркой.

В противоположность этому предубеждению, заявитель пришел к заключению, что определенную нержавеющую сталь, выплавленную дуплекс-процессом в соответствии с указанными химическими требованиями, можно использовать для изготовления труб для отпарки на установках для синтеза мочевины способом с отпаркой аммиаком или самоотпаркой.

В соответствии с вышеизложенным, в первом аспекте настоящего изобретения предлагается кожухотрубное отпарное устройство для использования на установке для синтеза мочевины способом с отпаркой аммиаком или самоотпаркой, причем указанное отпарное устройство включает кожух и пучок труб с возможностью обеспечить отпарку раствора карбамата, подаваемого в указанные трубы путем нагрева и необязательно с использованием аммиака в качестве средства для отпарки, и причем трубы отпарного устройства изготовлены из указанной нержавеющей стали, выплавленной дуплекс-процессом.

Во время работы в пучок труб указанного отпарного устройства подают выходящий из реактора поток (раствор мочевины), проходящий внутри труб. Тепло для процесса отпарки поступает, например, с горячим водяным паром, который подают во внетрубную зону, нагревая, таким образом, пучок труб.

Указанное отпарное устройство предпочтительно представляет собой вертикальное отпарное устройство с падающей пленкой (пленочного типа). В этом варианте раствор мочевины подают так, чтобы образовалась жидкая пленка, спускающаяся книзу внутри труб, в то время как отпаренная газовая фаза, содержащая аммиак и диоксид углерода, проходит в противотоке через центральную часть труб и собирается в верхней части отпарного устройства. Горячий водяной пар, проходящий с наружной стороны труб, подводит тепло, необходимое для разложения карбамата, содержащегося в растворе.

В частности, предпочтительно подавать в нижнюю часть отпарного устройства поток, содержащий кислород (О₂), чтобы обеспечить пассиватор для защиты труб. Это можно выполнить, например, с использованием специально для этого предназначенного потока воздуха или, что более предпочтительно, посредством отделения газа от жидкости в верхней части реактора. Если в реактор подают кислород для пассивации, можно использовать этот второй вариант осуществления изобретения.

Выходящий газовый поток, полученный из верхней части реактора, содержит непрореагировавший диоксид углерода и аммиак вместе с некоторым количеством кислорода для пассивации. Поэтому указанный выходящий поток можно использовать для защиты отпарного устройства.

Во втором аспекте настоящего изобретения предлагается установка для синтеза мочевины, которая работает по процессу с отпаркой аммиаком или термической отпаркой. Такая установка включает контур высокого давления для синтеза, включающий реактор для синтеза, кожухотрубное отпарное устройство и конденсатор, и отличается тем, что отпарное устройство включает трубы, изготовленные из нержавеющей стали, выплавленной дуплекс-процессом в соответствии с вышеуказанными вариантами.

Еще один аспект настоящего изобретения касается модернизации действующих установок для синтеза мочевины способом с отпаркой аммиаком или самоотпаркой с использованием нержавеющей стали, выплавленной дуплекс-процессом в соответствии с вышеуказанными вариантами, в качестве материала для труб отпарного устройства. Например, вместо прежнего стандартного отпарного устройства (с трубами, изготовленными из обычной стали, или с титановыми трубами, или с биметаллическими трубами) может быть установлено новое отпарное устройство с трубами, изготовленными из стали по одному из вышеуказанных вариантов. Если это целесообразно, то кожух отпарного устройства можно сохранить, заменяя только прежние трубы новыми трубами из нержавеющей стали, выплавленной дуплекс-процессом.

Следующий аспект настоящего изобретения - модернизация обычного контура с полной рециркуляцией для осуществления современного способа с самоотпаркой, с использованием в отпарном устройстве стали, выплавленной дуплекс-процессом в соответствии с вышеуказанными вариантами. Термин "полная рециркуляция" обозначает прежние установки без отпарки, на которых все количество непрореагировавшего диоксида углерода возвращали на повторную переработку в виде водного раствора.

Способ модернизации установки для синтеза мочевины с полной рециркуляцией без отпарки в целях создания контура высокого давления включает, например, установку кожухотрубного отпарного устройства высокого давления, работающего в основном под давлением действующего реактора, и установку конденсатора. Таким образом, обычная установка с полной рециркуляцией преобразуется в более эффективную установку с отпаркой. Новое отпарное устройство имеет трубы, изготовленные из нержавеющей стали, выплавленной дуплекс-процессом в соответствии с вышеуказанными вариантами.

Еще в одном аспекте настоящего изобретения предлагается способ синтеза мочевины по процессу с самоотпаркой или отпаркой аммиаком, включающий стадию отпарки потока, выходящего из реактора, в кожухотрубном отпарном устройстве, причем трубы указанного отпарного устройства изготовлены из нержавеющей стали, выплавленной дуплекс-процессом в соответствии с вышеуказанными вариантами.

1. Установка для синтеза мочевины способом с отпаркой аммиаком или термической отпаркой, включающая контур высокого давления для синтеза, который включает реактор для синтеза, кожухотрубное отпарное устройство и конденсатор,

указанное отпарное устройство включает кожух и пучок труб с возможностью обеспечить отпарку раствора карбамата, подаваемого в указанные трубы путем нагрева, и необязательно с использованием аммиака в качестве средства для отпарки,

отличающаяся тем, что трубы указанного отпарного устройства изготовлены из нержавеющей стали, выплавленной дуплекс-процессом по одному из нижеуказанных вариантов:

А) сталь Safurex^®, а именно 29Cr-6,5Ni-2Mo-N, которую по системе кодирования Американского общества инженеров-механиков (ASME) обозначают также 2295-3 и по Единой системе нумерации (UNS) - S32906,

или

Б) сталь DP28W™, а именно 27Cr-7,6Ni-1Mo-2,3W-N, которую по системе кодирования ASME обозначают также 2496-1 и по UNS - S32808.

2. Установка по п. 1, в которой указанное отпарное устройство предназначено для работы при температуре около 205°C и давлении 140-160 бар.

3. Установка по одному из предшествующих пунктов, в которой указанное отпарное устройство представляет собой отпарное устройство с падающей пленкой.

4. Установка по одному из пп. 1-3, включающая в нижней части отпарного устройства питательную линию с возможностью подачи потока, содержащего кислород.

5. Установка по п. 4, в которой указанная линия для подачи потока, содержащего кислород, является линией, предназначенной для подачи воздуха, направленной в нижнюю часть отпарного устройства.

6. Установка по п. 5, в которой в контуре указанная линия для подачи потока, содержащего кислород, является линией для выходящего из реактора потока, отбираемого из сепаратора для отделения газа от жидкости в верхней части указанного реактора для синтеза.

7. Применение нержавеющей стали, выплавленной дуплекс-процессом, по варианту А) или варианту Б) п. 1, для изготовления пучка труб для отпарного устройства установки для синтеза мочевины способом с отпаркой аммиаком или установки для синтеза мочевины способом с термической отпаркой.

8. Способ модернизации установки для синтеза мочевины способом с отпаркой аммиаком или термической отпаркой, отличающийся тем, что для изготовления труб кожухотрубного отпарного устройства указанной установки используют нержавеющую сталь, выплавленную дуплекс-процессом, причем указанная сталь соответствует варианту А) или варианту Б) п. 1.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что первоначальные трубы действующего отпарного устройства заменяют новыми трубами, изготовленными из нержавеющей стали, выплавленной дуплекс-процессом.

10. Способ модернизации установки для синтеза мочевины с полной рециркуляцией без отпарки, отличающийся тем, что устанавливают кожухотрубное отпарное устройство высокого давления, причем указанное отпарное устройство имеет трубы, изготовленные из нержавеющей стали, выплавленной дуплекс-процессом, и указанная сталь соответствует варианту А) или варианту Б) п. 1, и причем отпарное устройство работает по способу с отпаркой аммиаком или термической отпаркой.

11. Способ синтеза мочевины по процессу с самоотпаркой или отпаркой аммиаком, включающий стадию отпарки выходящего из реактора потока в кожух отрубном отпарном устройстве, причем трубы указанного отпарного устройства изготовлены из нержавеющей стали, выплавленной дуплекс-процессом по варианту А) или варианту Б) п. 1.