CN101918357B - 尿素制备方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种尿素制备方法，其中，液氨和二氧化碳在高压合成段(100)中反应，并且至少一部分二氧化碳以液相被供给所述合成段(100)。还公开一种根据所述方法进行操作的设备以及相应地改良现有设备的方法。

Description

尿素制备方法及设备
技术领域
本发明涉及尿素制备方法及设备。本发明还涉及改良现有尿素制备设备的方法。
背景技术
根据已知技术，通过使液氨和气态二氧化碳(CO2)在高压反应器中反应而制备尿素，通常是在包括一系列塔盘(tray)的立式不锈钢容器中进行反应以改善反应物的混合。在高压反应器的液相中形成氨基甲酸铵作为中间产物，并且通过将所述氨基甲酸铵脱水，也在液相中制得尿素。从反应器送出的产物实质上是包括尿素、氨基甲酸盐和游离氨的水溶液。
更通常来说，尿素设备包括合成段和回收段。该回收段从合成段接收尿素、氨基甲酸盐、氨和水的液体混合物，并向合成段提供循环的氨基甲酸盐和氨的水溶液。还可以在回收段下游提供尿素精制或纯化段。
目前用于制备尿素的大部分设备使用所谓的汽提方法(stripping process)，其目的在于，在所称高压环路中(即，在与反应器的工作压力实质上相同的压力下)，回收离开高压(HP)反应器的所述水溶液中含有的大部分氨基甲酸盐，从而通过这种方式提高能源效率。
汽提方法已已知数十年，并且实质上包括二氧化碳(CO2)汽提方法和氨汽提(或自汽提)方法。为了进行汽提方法，HP合成段至少包括反应器、汽提塔和冷凝器。
在CO2汽提方法中，借助新鲜二氧化碳原料从尿素溶液中汽提氨基甲酸铵。汽提通常发生在立式的、蒸汽加热的管状热交换器中，在该热交换器中，未转化的氨基甲酸盐离解成气态氨和二氧化碳，然后所述气态氨和二氧化碳在冷凝器中重新结合得到液态氨基甲酸盐。所述液态氨基甲酸盐被循环至反应器。冷凝热还被用来制备低压蒸汽，该低压蒸汽用于下游纯化段，因此使能量消耗最小化。
在自汽提方法中，抽出效应由气态氨提供，该气态氨由反应器中制得的氨基甲酸盐溶液的热分解产生，因此无需汽提剂，并且气态二氧化碳原料通常直接导入反应器。
在图7中示出已知的氨汽提(或自汽提)方法的高压环路的简图示于图7。
HP环路实质上包括反应器10、汽提塔11和壳管式冷凝器12。尿素合成反应在反应器10内进行，得到尿素、氨基甲酸盐和氨的液体混合物，该混合物通过导管20供给至汽提塔11。所述汽提塔11例如为立式的、蒸汽加热的管状热交换器，所述液体混合物在管中流动。
在汽提塔11中得到的液相通过导管21供给到回收/纯化段(未示出)，而从汽提塔送出的水蒸汽通过导管22被送至冷凝器12。来自回收段的循环的氨基甲酸盐通过导管23也被供给至冷凝器12，并且在所述冷凝器12中形成的液体被送至反应器10，该液体包含循环的氨基甲酸盐。
更详细而言，冷凝器12中制得的液体包括一定量的惰性气体，该液体被送至分离器13，以除去所述惰性气体，并且该液相分别通过导管24和25被供给至喷射器14。所述喷射器14由管线15的新鲜氨原料提供动力，使得新鲜氨和循环的氨基甲酸盐通过导管26被送至反应器10。
借助于用于将二氧化碳压力升高至合成环路的操作压力(超过100巴(bar))的多级压缩机17，二氧化碳通过流送管线16被供给至反应器10。
概括而言，液氨输入通过所述喷射器14和管线26被提供给反应器10，而气态CO2输入是通过管线16和压缩机17被提供给同一反应器10的。
在CO2汽提设备中，气态二氧化碳通过多级压缩机而不是反应器被供给至汽提塔。CO2作为汽提剂，该汽提剂引起氨基甲酸盐的分解和游离氨的部分分离。从汽提塔送出的气相被送至冷凝器，该冷凝器生成水溶液和蒸汽流(包括循环的氨基甲酸盐以及氨的和二氧化碳原料)，所述水溶液和蒸汽流被送至反应器。
可对所述设备构造进行很多改进，但根据已知技术，二氧化碳始终是以气态被供给至汽提塔或合成段的反应器。换句话说，现有技术教导向合成段、即CO2汽提设备的汽提塔或自汽提设备的反应器本身提供气态二氧化碳原料。
发明内容
本发明的技术问题是提高已知的尿素制备方法和设备的能源效率。在实际上，能源效率被需要能量的各部件和/或辅助装置所降低，尤其是被气态CO2的多级压缩机降低。
本发明的基本构思是至少一部分二氧化碳以液相被供给合成段。
因此，利用下述尿素制备方法解决上述问题，在该方法中，液氨和二氧化碳被供给合成段，并在所述合成段中进行反应以生成尿素，特征在于，至少一部分二氧化碳以液相被供给所述合成段。
根据本发明的第一实施例，供给合成段的一部分二氧化碳为液相，剩余部分的二氧化碳为气态。
根据本发明的第二实施例，到合成段的全部二氧化碳输入为液相，并且没有气态CO2输入提供给合成段。该第二实施例可应用于自汽提方法，其中，汽提不需要气态CO2。
尿素设备的合成段通常至少包括形成高压环路的反应器、汽提塔和冷凝器。根据本发明的实施例，液态CO2被供给合成段的所述高压环路的反应器和/或冷凝器。因为反应器和/或冷凝器在操作过程中已经含有液体，所以优选向反应器和/或冷凝器供给液态CO2。
更详细而言，根据本发明的一个实施例，全部的液态CO2被导入反应器。根据另一实施例，全部的液态CO2被导入冷凝器，根据又一实施例，液态CO2被部分导入反应器，并且被部分导入冷凝器。在所有以上实施例中，可以另外输入气态CO2。在自汽提方法中，所述另外输入气态CO2是任选的，并优选将其导入反应器；在CO2汽提方法中，要求所述气态CO2导入汽提塔。
根据本发明的另一方面，液态二氧化碳输入与至少一部分液氨输入混合，所得的混合物然后被供给合成段的反应器和/或冷凝器。
本发明的目的还在于一种设备，该设备用于利用上述方法制备尿素，所述设备至少包括：
-合成段；
-供给装置，该装置向所述合成段提供新鲜氨输入和新鲜二氧化碳输入；
特征在于，所述供给装置用于将至少一部分所述二氧化碳输入以液相供给所述合成段。
优选地，所述供给装置包括混合装置，该混合装置用于将至少一部分液氨与液态二氧化碳混合，并将如此得到的液体混合物供给合成段的适当部件。
在优选实施例中，所述混合装置包括所谓的T-混合器或喷嘴，优选地，所述喷嘴具有：第一部分，带有用于液态二氧化碳和液氨的分离的共轴导管；第二部分，作为用于所述液态二氧化碳和液氨的混合区域。更详细而言，混合器具有内导管，该内导管具有与外导管的收敛部分实质上对应的收敛出口，从而得到在轴向上横截面逐渐减小的混合区域。喷嘴的所述混合区域之后是横截面不变的部分和分散部分，以减慢液体。
本发明的另一目的是用于提高现有尿素制备设备的效率的方法，所述方法的特征在于：提供额外装置，该装置用于将至少所述二氧化碳输入的至少一部分以液相供给合成段。
根据所述方法的一个实施例，对CO2汽提单元进行改造，保留对于汽提塔的现有气态CO2供给装置，并且提供被引导至HP环路中的反应器和/或冷凝器的另一液态二氧化碳供给装置。
在另一实施例中，对自汽提单元进行改造，用本发明的液态CO2供给装置代替现有的气态CO2供给装置。这些液态CO2装置能被引导至HP环路中的反应器和/或冷凝器。
优选地，用于提高现有尿素设备效率的所述方法中使用的液态二氧化碳供给装置包括以上定义的混合器。根据本发明的等效方面，提供新的供给装置，用于向合成段的反应器和/或冷凝器供给液态二氧化碳。
在所有上述实施例中，根据本身已知的技术，可以提供用于液化和抽吸二氧化碳的合适的装置。
还应当说明的是，可以根据需要将反应、汽提和冷凝在单个单元或并行的多个单元中进行。
本发明与现有技术相比具有很多优点。
已经发现将至少一部分二氧化碳以液相供给合成段在方法的能源效率方面获得令人惊奇的提高。
应当说明的是，尿素生成反应在包含氨基甲酸盐的液相中进行。在现有技术的方法和设备中，进入反应器、即反应器内的反应区域的液氨和气态CO2与目标物混合以在两相(液体和气体)之间产生密切接触，并促进所述反应物之间的质量交换和热交换。但是，反应的收率受制于由气相到液相的质量传递速度，在该质量传递中反应实际发生。
本发明通过以液相提供两种反应物，即氨和CO2，收率不再受制于气液质量传递。换言之，反应物在反应区域内以更有效的方式混合，并且对反应收率也有利。
还应当说明的是，由于抽吸液态CO2比压缩气态CO2需要更少的能量，所以，二氧化碳的多级压缩机的能量消耗(该能量消耗在现有技术中是不可避免的)减少或消除。在CO2汽提装置中，由于部分CO2以液态供给，所以需要压缩的气态CO2的量减少；在自汽提单元中不再需要压缩机，并且全部CO2输入能够以液体形式被抽吸到合成段。减少的能量消耗补偿液化和抽吸CO2所需的额外的能量和装置。
本发明的更多特征和优点将从下面参照附图进行的对本发明各实施例的非限定性描述中得到更清楚的体现。
附图说明
图1为根据本发明的尿素装置的总的方框图。
图2和图3为根据本发明实施例的用于制备尿素的自汽提设备的高压环路的简图。
图4和图5为根据本发明实施例的用于制备尿素的CO2汽提设备的高压环路的简图。
图6为根据本发明优选方面的、用于供给液氨和二氧化碳混合流的喷嘴的简化横截面。
具体实施例
参照图1，尿素设备包括在高压下操作的合成段100、回收段200和可任选的精制段300。图1在最通常情况下是指尿素设备，例如自汽提设备、CO2汽提设备或其它。
通过输入管线101向合成段100供给新鲜液氨，并且通过管线102向合成段100供给新鲜液态二氧化碳。如果需要，例如如果该设备根据CO2汽提方法进行操作并且合成段100包括接收气态二氧化碳输入的汽提塔，则可以设置气态CO2的另外输入管线103。
管线102与用于获得液态二氧化碳的适当装置连接，该装置本身是已知的，故不作详细描述。
氨和二氧化碳是尿素制备反应的反应物，该制备反应在所述合成段100内进行。在合成段100中得到包括尿素、氨基甲酸盐和未反应的氨的水溶液，并且该混合物通过管线104被供给回收段200，所述回收段200获到包含循环的氨基甲酸盐和氨的溶液，该溶液经管线105被循环到合成段。
所述回收段200通过流送管线201、202与精制段300连接，在精制段处，制备得到尿素并且氨基甲酸盐和氨的溶液被送回到回收段。纯化后的尿素U通过管线301被排出。
回收段200和精制段300是常规的，而非本发明的实质，故不作详细描述。
参考图2，其中示出根据本发明的一个实施例的自汽提设备的合成段100的主要部件。
HP环路基本包括反应器100、汽提塔112和冷凝器114。汽提塔112例如为立式的、蒸汽加热的壳管式热交换器，而冷凝器114是水平的壳管式热交换器。
在反应器110中制备得到实质上包括尿素、氨基甲酸盐和未反应的氨的溶液，并且该溶液从所述反应器110的顶部经由流送管线(或导管)120被送至汽提塔112。
从汽提塔112送出的液相包含氨基甲酸盐和尿素，并经由流送管线121被送至回收/精制段(未示出)。来自汽提塔112的气相通过管线122被送至冷凝器114。来自回收段的循环的氨基甲酸盐经管线123也被供给冷凝器114。
冷凝器114的输出为液体混合物(除一些惰性气体之外)，该混合物被送至氨基甲酸盐分离器116(流送管线127)，并通过喷射器118被循环至反应器110，该喷射器118由液氨原料供以动力。惰性气体通过管线129从分离器116中排出，而液相经由流送管线128被送至喷射器118，所述喷射器还从管线101接收新鲜氨。实质上包括新鲜氨和循环的氨基甲酸盐的液流通过管线126被供给反应器110。
液态二氧化碳从输入管线102经由管线124被供给反应器110。另一流送管线125将液态CO2输入提供给冷凝器114，在冷凝器的导管侧，液态CO2与来自汽提塔的气相以及循环的氨基甲酸盐混合。因此，液态CO2经由管线124被部分供给反应器110，并且经由平行于管线124的管线125被部分供给冷凝器114。
在其它实施例(未示出)中，全部的液态CO2或被供给反应器110或冷凝器114。
还能够向反应器110提供另一CO2输入，但是其为气相。但是，在自汽提单元中，优选是如图2所示将全部二氧化碳以液相供给反应器和/或冷凝器。
根据图3所示的变型例，一部分液氨利用流送管线101a被供给喷射器118以提供动力，并且一部分液氨经由流送管线101b被供给混合器150，在该混合器中，所述液氨和来自管线102的液态二氧化碳混合，所得到的混合物经由流送管线124和125被输送至反应器110和冷凝器114。如上所述，本发明的其它实施例提出：混合器150中制备得到的混合物被单独供给反应器110或冷凝器114，还可以向反应器110提供另一气相CO2输入。
参考图4，其中示出CO2汽提单元的应用。HP环路包括反应器130、汽提塔132和壳管式冷凝器134。
在反应器130中制备得到包含尿素、氨基甲酸盐和氨的溶液，该溶液经由导管140被输送至汽提塔132。通过流送管线103和压缩机137向所述汽提塔132供给气态CO2，该气态CO2为汽提剂。
气态CO2作为汽提剂，以促进氨基甲酸铵的分解。来自汽提塔132的液相包含部分纯化的尿素溶液，该液相经由流送管线141被输送至回收/精制段，而气相经由管线142被输送至冷凝器134。
来自反应器130顶部的气体经由管线145被输送至涤气器136，所述气体被供给到所述涤气器136中被经由导管149来自回收段的稀释的循环氨基甲酸盐溶液吸收。
来自涤气器136的液相被输送至喷射器135，该喷射器由通过管线101进入的液氨提供动力，从所述喷射器135送出的流包括新鲜氨原料和循环的氨基甲酸盐，并通过流送管线146被引导到冷凝器134。
来自冷凝器134的液相和气相经由流送管线143(气相)和144(液相)被分别送至反应器130。
根据本发明的实施例，液态二氧化碳被供给反应器130或冷凝器134，或者被供给这二者。图4示出一个实施例，在该实施例中，流送管线147将部分液态CO2供给反应器130，流送管线148将部分液态CO2供给冷凝器134。
参照图5的变型例，在液态CO2供给管线上提供混合器150，并且液氨经由流送管线101a和101b被供给喷射器135和所述混合器150。因此，部分液氨用于向喷射器提供动力，而部分液氨与液态二氧化碳混合。所述混合器150中制备得到的液氨/二氧化碳混合物被输送至反应器或冷凝器，或者被输送至这二者。
应当说明的是，图2至图5是简图，未示出本领域技术人员已知的细节以及辅助设备(例如泵、阀门等)。还应当说明的是，可以对所述方案进行很多变化，这在本领域中也是已知的。
参照图6，在优选的实施例中，混合器150是喷嘴，该喷嘴包括用于液氨的外导管151和用于液态CO2的内部共轴导管152。液氨在围绕导管152的环形空间内流动，且与离开导管152的液态CO2密切混合。所述导管152具有开口收敛部分153，对应于外导管的收敛部分154。所述收敛部分154减小喷嘴的横截面，使液体流加速，并改善液氨和CO2的混合。因此，在导管151和152之间，围绕内导管的出口153并在其下游形成横截面逐渐减小的混合部分。
随后的、横截面不变的部分155被设置用于传递液流。所述部分155之后为发散出口156，使混合流变慢。
喷嘴150可以被安装在例如反应器112或冷凝器116上游，使得液氨/CO2混合物被供给所述反应器或所述冷凝器。
本发明同样可以用于很多不同的尿素设备，包括对图1所示总的框图有利的设备。本发明还适用于改良现有尿素设备，其中，除现有的气态CO2供给装置之外还提供液态CO2供给装置，或者提供液态CO2供给装置取代现有的气态CO2供给装置。

Claims (13)

1.一种尿素制备方法，其中，液氨和二氧化碳被供给合成段，并在所述合成段中反应以制备尿素，其特征在于，所述合成段至少包括形成高压环路的反应器、汽提塔和冷凝器，并且至少部分所述二氧化碳以液相被供给所述合成段。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，一部分所述二氧化碳以液相被供给合成段，并且剩余部分以气相被供给合成段。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，到所述合成段的全部二氧化碳输入为液态。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，液相的所述至少部分二氧化碳被供给所述反应器或所述冷凝器。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，一部分液相的所述至少部分二氧化碳被供给反应器，一部分液相的所述至少部分二氧化碳被供给冷凝器。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，液相的所述至少部分二氧化碳与至少部分所述液氨混合，得到被供给所述合成段的液体混合物。
7.一种用于利用上述权利要求中任一项所述的方法制备尿素的设备，所述设备至少包括：
-合成段；
-供给装置，该供给装置向所述合成段提供新鲜氨输入和新鲜二氧化碳输入；
其特征在于，所述合成段至少包括形成高压环路的反应器、汽提塔和冷凝器，并且所述供给装置用于将至少部分所述输入的新鲜二氧化碳以液相供给至所述合成段。
8.根据权利要求7所述的设备，还包括混合装置，该混和装置被布置用于混合液相的所述至少部分输入的新鲜二氧化碳和液相的至少部分所述新鲜氨输入。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述混和装置包括喷嘴，该喷嘴包括：第一部分，该第一部分具有用于液态二氧化碳和液氨的分离的共轴导管；以及第二混合部分，在该第二混合部分中，液态二氧化碳和氨进行混合。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述喷嘴包括外导管和共轴的内导管，该内导管具有与外导管的收敛部分实质上对应的收敛出口，获得在轴向上横截面逐渐减小的混合区域，喷嘴的所述混合区域之后为横截面不变的部分以及用于减慢液体混合物的发散部。
11.一种用于提高尿素制备设备的效率的方法，所述设备是至少包括合成段的自汽提设备或CO2汽提设备，该合成段包括高压环路中的反应器、汽提塔和冷凝器，与氨供给装置和气态二氧化碳供给装置连接，所述方法的特征在于，提供与所述合成段连接的液态二氧化碳供给装置。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征还在于，提供混和装置，该混和装置用于将液氨输入和液态二氧化碳输入混合，并将得到的液体混合物供给所述合成段。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，设有液态二氧化碳供给装置，用于向所述反应器和/或所述冷凝器供给液态二氧化碳。
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