Die Erfindung betrifft die Aufbereitung des bei der Harnstoffsynthese anfallenden Prozesskondensats.

Das in der Harnstoffsynthese anfallende Prozesskondensat enthält als Verunreinigungen sowohl Ammoniak als auch Harnstoff. Daher wird es vor einer weiteren Verwendung in einem dreistufigen Prozess gereinigt. In einem ersten Schritt wird bei Temperaturen oft um 115 bis 140 °C Ammoniak entfernt. Anschließen wird bei Temperaturen um 190 bis 200 °C und üblicherweise mehr als 15 bar und für eine Zeit von 60 bis 120 min eine Hydrolyse durchgeführt, bei der sich Harnstoff zu Ammoniak und Kohlendioxid zersetzt. Das entstehende Ammoniak und Kohlendioxid werden anschließend in einem dritten Schritt entfernt. Die Trennverfahren im ersten und dritten Schritt sind identisch, sodass diese beiden Schritte üblicherweise in einer Kolonne durchgeführt werden, die lediglich in der Mitte geteilt ist, um den zweiten Schritt zwischenzuschalten.

Durch diesen dreistufigen Prozess wird der gesamte Prozesskondensatstrom sehr rein, insbesondere weniger als 3 ppm Ammoniak und weniger als 3 ppm Harnstoff. Dies ist entsprechend aufwändig und benötigt viel Energie. Es gibt insbesondere mit der für die Harnstoffformung, insbesondere Harnstoffgranulation oder Harnstoffprillierung, benötigte Abgaswäsche auch Anwendungen mit weniger hohe Reinheitsanforderungen, zumal dort Harnstoff als Verunreinigung aus dem Abgas eingebracht wird.

Daher ist es energetisch vorteilhaft, für solche Abgaswäschen weniger aufgereinigtes Prozesskondensat zu verwenden. Die US 2019 / 0177180 A1 schlägt hierzu vor, einen Teilstrom nach der ersten Stufe abzutrennen und der Abgaswäsche zuzuführen. Dieses führt aber dazu, dass die Ströme in der ersten Stufe und der dritten Stufe, welche sich in einer gemeinsamen Kolonne befinden, sehr unterschiedliche Mengen aufweisen, was sich als nachteilig auf die Auslegung und den Betrieb auswirken kann.

Aus der US 4 652 678 A ist ein Verfahren zur Rückgewinnung wertvoller Komponenten aus einem Abgasstrom der Harnstoffsynthese bekannt. i Aus der US 4 410 503 A ist ein Verfahren zur Entfernung von Harnstoff, Ammoniak und Kohlendioxid aus einer verdünnten wässrigen Lösung bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Prozesskondensataufbereitung bereitzustellen, welche zum einen die hohe Reinheit für die üblichen Verwendungen als auch eine geringere Reinheit für die Abgaswäsche aufweist und dabei eine optimale Prozessführung bei minimalen Energieverbrauch ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe durch den Anlagenverbund mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung.

Der erfindungsgemäße Anlagenverbund dient zur Herstellung eines Harnstoffformmaterials, insbesondere eines Harnstoffgranulats oder eines Harnstoffprills. Es werden üblicherweise die Begriffe Granulat oder Prill verwendet, es handelt sich um partikuläres, agglomeriertes Material, welches eine für die Aufbringung als Düngemittel geeignete Partikelgröße aufweist und üblicherweise in einen sich an die Synthese anschließenden Formungsschritt, der Granulation oder Prillierung, hergestellt wird. Der Anlagenverbund weist wenigstens eine Harnstoffsynthesevorrichtung und eine Harnstoffformungsvorrichtung auf. Üblicherweise weist der Anlagenverbund zusätzlich auch eine Vorrichtung zur Synthese von Ammoniak und in vielen Fällen einen Reformer zur Herstellung des Wasserstoffs auf. Aus Wasserstoff und Stickstoff wird in der Vorrichtung zur Synthese von Ammoniak Ammoniak hergestellt. Aus diesem Ammoniak wird mit Kohlendioxid in der Harnstoffsynthesevorrichtung Harnstoff hergestellt und teilweise mit weiteren Komponenten, beispielsweise Ammoniumnitrat, Schwefelverbindungen, Kalk und dergleichen mehr, in der Harnstoffformungsvorrichtung zu einem Granulat verarbeitet, welches insbesondere als Düngemittel breite Verwendung findet. Der Anlagenverbund kann optional auch eine Salperersäuresynthesevorrichtung und optional zusätzlich eine Ammoniumnitratsynthesevorrichtung aufweisen. In diesem Fall kann beispielsweise Ammoniumnitrat als weitere Komponente mit dem Harnstoff gemischt und gemeinsam geformt, insbesondere granuliert, werden. Der Anlagenverbund weist eine Prozesskondensataufreinigungsvorrichtung auf, wobei die Prozesskondensataufreinigungsvorrichtung zur Abtrennung von Ammoniak und Harnstoff aus dem Prozesskondensat der Harnstoffsynthesevorrichtung ausgebildet ist. Hierdurch wird eine weitere Verwendung des Wassers innerhalb oder außerhalb des Anlagenverbunds oder auch dessen Entsorgung ermöglicht. Die Prozesskondensataufreinigungsvorrichtung weist einen Aufreinigungsstrom bis zum Prozesskondensatausgang auf. Der Aufreinigungsstrom führt das Prozesskondensat durch üblicherweise drei Stufen, um eine hohe Reinheit des Prozesskondensatats zu erreichen, Dadurch kann das aufgereinigte Prozesskondensat vielfältig verwendet werden. Der Anlagenverbund weist eine Formungsabluftwäschevorrichtung auf, die mit der Harnstoffformungsvorrichtung verbunden ist und zur Reinigung der Abgase dieser dient. Die Formungsabluftwäschevorrichtung dient dazu, den in die Abluft gelangten Harnstoff durch Auswaschen mit Wasser zu entfernen und so die Emission von Stickstoff zu reduzieren. Oft weist die Formungsabluftwäschevorrichtung eine zweite Stufe auf, in der eine Wäsche mit einem sauren Medium Ammoniak entfernt.

Erfindungsgemäß weist der Anlagenverbund zusätzlich zur Prozesskondensataufreinigungsvorrichtung eine Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung auf. Die Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung weist einen Grobreinigungsstrom auf. Im Grobreinigungsstrom erfolgte eine einfachere Aufreinigung im Vergleich zur Prozesskondensataufreinigungsvorrichtung, sodass das grob aufgereinigte Prozesskondensat eine geringere Reinheit aufweist, wobei aber die für die Grobaufreinigung benötigte Aufwand entsprechend reduziert ist. Der Grobreinigungsstrom ist von dem Aufreinigungsstrom getrennt und verschieden. Die Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung und die Prozesskondensataufreinigungsvorrichtung sind somit zwei getrennte Vorrichtungen und die Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung ist eben nicht nur beispielsweise die erste Stufe der Prozesskondensataufreinigungsvorrichtung. Die Harnstoffsynthesevorrichtung ist mit der Prozesskondensataufreinigungsvorrichtung und der Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung zur Überführung von Prozesskondensat verbunden. Die Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung ist mit der

Formungsabluftwäschevorrichtung verbunden. Somit wird erfindungsgemäß der Strom des Prozesskondensats der Harnstoffsynthesevorrichtung in zwei Teilströme geteilt. Ein erster Teilstrom geht in die Prozesskondensataufreinigungsvorrichtung nach dem Stand der Technik. Da dieser Strom vollständig gereinigt wird, sind die erste Stufe und die dritte Stufe für den gleichen Volumenstrom ausgelegt und werden auch so betrieben. Parallel zur herkömmlichen Prozesskondensataufreinigungsvorrichtung ist die neue Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung angeordnet, in die ein zweiter Teilstrom geführt wird. Je nach Umgebungsbedingungen kann beispielsweise der Bedarf an dem ersten Teilstrom und dem zweiten Teilstrom in etwa gleich groß sein. Der für die Formungsabluftwäschevorrichtung, beispielsweise der Granulation oder der Prillierung, benötigte Wasserstrom wird in der Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung nur für diese Anwendung ausreichend und damit sehr viel energiesparender gereinigt. Eine Entfernung des Harnstoffs aus dem Prozesskondensat ist für dessen Verwendung in der Abluftwäsche nicht notwendig. Insbesondere weist die Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung nur eine Stufe und damit vor allem keine Hydrolyse in einem zweiten Schritt auf. Die Menge an Ammoniak im Prozesskondensat kann durch den separaten Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung gezielt eingestellt werden. Nach Stand der Technik wird das in der Formung, insbesondere der Granulation beziehungsweise der Prillierung, freigesetzte Ammoniak aus der Abluft vorzugsweise durch eine saure Wäsche, zum Beispiel mit Salpetersäure oder Schwefelsäure, entfernt. Dabei entsteht abhängig von der eingesetzten Säure das dazugehörige Ammoniaksalz, welches ebenfalls als Düngermittel oder als Einsatzstoff für weitere Prozesse, zum Beispiel für die Herstellung von Harnstoff-Ammoniumnitrat (UAN), genutzt werden kann. Das nach der Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung im für die Abluftwäsche genutzten Prozesskondensatstrom verbleibende Ammoniak wird in der sauren Waschstufe der Abluftwäsche ausgewaschen. Nach dem Stand der Technik wird die für die Prozesskondensataufreinigungsvorrichtung benötigte Wärmemenge in Form von Dampf bereitgestellt, der überwiegend direkt in den Prozess eingespeist und somit selbst zum Prozesskondensat wird. Findet die Prozesskondensataufreinigung energiesparender statt, kann diese Menge an eingespeisten Dampf reduziert werden. Dies führt zu einer Reduktion der anfallenden Prozesskondensatmenge, da durch den eingesparten Dampf kein zusätzliches Wasser eingetragen wird, welches die Prozesskondensatmenge steigern würde.

Durch die strikte Trennung der Prozesskondensataufreinigungsvorrichtung und des Aufreinigungsstroms von der Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung und des Grobreinigungsstroms ergeben sich zwei grundlegende Vorteile. Der erste Vorteil ist, dass insbesondere die Prozesskondensataufreinigungsvorrichtung für einen konstanten durchlaufenden Aufreinigungsstrom ausgelegt ist. Somit sind alle Stufen für einen identischen Volumenstrom ausgelegt, was vorteilhaft ist. Der zweite Vorteil ist, dass somit eine Nachrüstung im Rahmen einer Kapazitätserweiterung leicht möglich ist. Wird beispielsweise ein entsprechender bestehender Anlagenverbund so umgerüstet, dass die Produktionskapazität erweitert wird, so kann eine bestehende Prozesskondensataufreinigungsvorrichtung weiter betrieben werden und zusätzlich wird eine neue zusätzliche und getrennte Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung installiert, die den durch die Kapazitätserweiterung hinzugekommenen Prozesskondensatstrom in einfacher und reduzierter Weise reinigt und für entsprechende Anwendungen, insbesondere die Formungsabluftwäschevorrichtung zur Verfügung stellt. Somit kann auf eine Kapazitätserweiterung der Prozesskondensataufreinigungsvorrichtung in vorteilhafter Weise verzichtet werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung einstufig zur Entfernung von Ammoniak ausgebildet. Insbesondere ist die Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung in Form einer Kolonne, insbesondere einer Bodenkolonne oder einer Füllkörperkolonne, ausgebildet. Eine zweite Stufe zur Hydrolyse von Harnstoff zu Ammoniak und CO2 ist somit bevorzugt eben nicht Bestandteil der Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung einen ersten Wärmetauscher auf. Der erste Wärmetauscher ist zur Vorwärmung des von der Harnstoffsynthesevorrichtung kommenden Prozesskondensatestroms ausgebildet. Dieses erfolgt dadurch, dass der Wärmetauscher zur Abkühlung des aus der Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung austretenden grobgereinigten Prozesskondensatestroms ausgebildet ist. Somit kann die Prozesswärme in der Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung gehalten werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung einen zweiten Wärmetauscher auf. Der zweite Wärmetauscher ist zur Kondensation des aus der Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung austretenden Gasstromes ausgebildet. Insbesondere kann hier das Gasgemisch, welches insbesondere Wasser, Ammoniak und Kohlendioxid enthält, kondensiert werden. Dieses Prozesskondensat kann auch als Carbamatlösung bezeichnet werden, da das dort enthaltene Ammoniak und Kohlendioxid in wässriger Lösung teilweise miteinander reagieren, unter anderem zu Carbamat. Bevorzugt sind der zweite Wärmetauscher und die Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung mit einer Carbamatrückführungsleitung verbunden. Hierdurch kann ein Teilstrom der Carbamatlösung zurück in die Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung geführt werden. Mit dieser Rückführung kann der Wasseranteil in der Carbamatlösung bei Bedarf reduziert werden um die Konzentration an Ammoniak und Kohlendioxid zu steigern. Dies ist vorteilhaft, da diese Carbamatlösung der Harnstoffsynthesevorrichtung zugeführt wird, wo ein geringer Wassereintrag vorteilhaft für die Reaktionsführung ist.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung einen dritten Wärmetauscher auf. Die Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung weist weiter eine Rezirkulationsleitung für einen Teilstrom des grobgereinigten Prozesskondensatestroms auf. Der dritte Wärmetauscher ist in der Rezirkulationsleitung angeordnet und zur Erwärmung des rezirkulierten Teilstroms ausgebildet. Um die benötigte Wärme der Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung zuzuführen, könnte man alternativ auch Dampf direkt einleiten. Diese Dampfdirekteinspeisung erhöht aber die Wassermenge des grobgereinigten Prozesskondensatestroms. Die indirekte Wärmeeinbringung durch einen Wärmetauscher lässt die Gesamtmenge jedoch unverändert. In dem dritten Wärmetauscher oder dem nachgelagert, beispielsweise nach einem entsprechenden Druckventil, kann insbesondere auch eine Verdampfung des Teilstroms erfolgen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Anlagenverbund ein Prozesskondensatspeicher auf. Der Prozesskondensatspeicher ist nach der Harnstoff- synthesevorrichtung und vor der Prozesskondensataufreinigungsvorrichtung und der Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung angeordnet.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung und die Harnstoffsynthesevorrichtung über eine erste Leitung zur Rückführung des in der Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung entstehenden Carbamatlösung verbunden. Insbesondere sind die Prozesskondensataufreinigungsvorrichtung und die Harnstoffsynthesevorrichtung über eine zweite Leistung zur Rückführung des aus der Prozesskondensataufreinigungsvorrichtung austretenden Carbamatlösung verbunden. Die erste Leitung und die zweite Leitung sind miteinander verbunden. Insbesondere können diese ineinander münden und als eine gemeinsame Leitung in die Harnstoffsynthesevorrichtung geführt werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Harnstoffformungsvorrichtung eine oder mehrere Feinabluftwäschevorrichtung auf, beispielsweise eine Tropfenabscheidung mittels eines Demisters. Da dies der letzte Reinigungsschritt vor Abgabe der Abluft an die Umgebung ist, werden an die dabei verwendete Waschlösung besondere Reinheitsanforderungen gestellt. Falls diese Anforderung vom grobgereinigten Prozesskondensat aus der Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung nicht erfüllt wird, muss für diesen letzten Reinigungsschritt eine andere Quelle für die Waschlösung gewählt werden. Üblicherweise wird dann wie zuvor bereits das saubere Prozesskondensat aus der Prozesskondensataufreinigungsvorrichtung verwendet. Die Wassermenge der Feinabluftwäschevorrichtung ist üblicherweise klein im Vergleich zum Gesamtwasserbedarf der Wäsche. Daher bleiben die aufgeführten positiven Effekte der Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung auch in dieser Ausführungsform erhalten.

Nachfolgend ist der erfindungsgemäße Anlagenverbund anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 beispielhafte Ausführungsform

Die Darstellung ist rein schematisch und stark vereinfacht zur Verdeutlichung der Erfindung. Übliche Komponenten, wie zum Beispiel Ventile, Wärmetauscher, Fördervorrichtungen, wie zum Beispiel Pumpen und dergleichen sind zur Vereinfachung weggelassen und sind dem Fachmann für solche Anlagen ausreichend bekannt. Ziel der Darstellung ist es, den erfindungsgemäßen Gedanken zu verdeutlichen. In Fig. 1 ist ein Ausschnitt eines Anlagenverbunds gezeigt. Ammoniak und Kohlendioxid werden am Edukteingang 30 der Harnstoffsynthesevorrichtung 1 zugeführt und dort zu Harnstoff umgesetzt. Der Harnstoff wird dann in die Harnstoffformungsvorrichtung 2 überführt. Die Abluft aus der Hamstoffformungsvorrichtung 2 wird in die Formungsabluftwäschevorrichtung 4 überführt. Das Prozesskondensat, welches bei der Synthese von Harnstoff aus Ammoniak und Kohlendioxid entsteht, wird aus der Harnstoffsynthesevorrichtung 1 in einen Prozesskondensatspeicher 3 überführt. Hier wird der Prozesskondensatstrom erfindungsgemäß aufgeteilt. Ein Teilstrom, beispielsweise 50 %, werden in die Prozesskondensataufreinigungsvorrichtung 10 überführt, wie diese aus dem Stand der Technik für einen solchen Anlagenverbund bekannt und üblich ist. Das Prozesskondensat wird zunächst durch den vierten Wärmetauscher 14 in die erste Stufe 11 geführt und dort bei zum Beispiel 140 °C und 3 bar Ammoniak abgetrennt. Nach dem Durchlaufen der ersten Stufe 11 gelangt das Prozesskondensat durch den fünften Wärmetauscher 15 in die zweite Stufe 12, beispielswiese für 60 min bei 200 °C und 16 bar. Hierdurch wird der Harnstoff mit Wasser in Ammoniak und Kohlendioxid umgesetzt. Durch den fünften Wärmetauscher 15 gelangt das Prozesskondensat in die dritte Stufe 13, wo bei den gleichen Bedingungen der ersten Stufe 11 (in einer gemeinsamen Kolonne) Ammoniak abgetrennt wird. Dieses gelangt dann über eine zweite Leitung 41 zurück in die Harnstoffsynthesevorrichtung 1. Das gereinigte Prozesskondensat gelangt aus der dritten Stufe 13 durch den vierten Wärmetauscher 14 zum Prozesskondensatausgang 32 und kann an andere Prozesse übergeben werden.

Ein weiterer Teilstrom, beispielsweise 50 %, des Prozesskondensats werden aus dem Prozesskondensatspeicher 3 in die Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung 20 überführt. Dort gelangt das Prozesskondensat zunächst in den ersten Wärmetauscher 22 und wird dort vorgewärmt und in die Kolonne 21 , beispielsweise eine Füllkörperkolonne, überführt. Der am oberen Ende der Kolonne 21 austretende Gasstrom wird durch den zweiten Wärmetauscher 23 geleitet und kondensiert. Ein Teilstrom davon wird zurück in die Kolonne 21 geführt, der restliche Teilstrom durch die erste Leitung 40 in die Harnstoffsynthesevorrichtung 1 geführt. Das am unteren Ende der Kolonne austretende grobgereinigte Prozesskondensat wird geteilt und ein Teilstrom durch die Prozesskondensatrückführungsleitung und den dritten Wärmetauscher 24 erwärmt, zumindest teilweise verdampft, und erneut der Kolonne 21 zugeführt. Der restliche Teilstrom des grobgereinigten Prozesskondensats wird über den ersten Wärmetauscher 22 zur Rückgewinnung der Wärme geführt und anschließend in die Formungsabluftwäschevorrichtung 4 geführt, um dort weiteren Harnstoff aus der Abluft aufzunehmen.

Bezugszeichen

1 Harnstoffsynthesevorrichtung

2 Harnstoffformungsvorrichtung

3 Prozesskondensatspeicher

4 Formungsabluftwäschevorrichtung

10 Prozesskondensataufreinigungsvorrichtung

11 erste Stufe

12 zweite Stufe

13 dritte Stufe

14 vierter Wärmetauscher

15 fünfter Wärmetauscher

20 Grobprozesskondensataufreinigungsvorrichtung

21 Kolonne

22 erster Wärmetauscher

23 zweiter Wärmetauscher

24 dritter Wärmetauscher

30 Edukteingang

31 Produktausgang

32 Prozesskondensatausgang

40 erste Leitung

41 zweite Leitung