CN102906067A - 用于改造自汽提尿素设备的方法和合成尿素的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于改造自汽提尿素设备的方法，在该方法中，在现有的高压段与中压段之间安装了一个中间回收段（30）；高压段输出的尿素溶液流（15A）被定向到所述中间段（30），来自所述中间段的浓缩尿素溶液流（15B）被定向到所述中压段，所述中间段在高压段压力与中压段压力之间的压力下操作。本发明还公开了相关的方法和设备。

Description

用于改造自汽提尿素设备的方法和合成尿素的方法
技术领域
本发明涉及一种用于改造自汽提尿素设备的方法。本发明还涉及一种用于合成尿素的新型自汽提方法及相关设备。
背景技术
自汽提或热汽提方法及相关设备已经公开，如在GB 1542371中的公开。这个方法也以其开发者的名字Snamprogetti被提及。在柯克-奥斯莫的《化工技术百科全书》第三版，第23卷，第548-562页（Kirk-Othmer，Encyclopedia of ChemicalTechnology，3rd Ed，Vol 23，p.548-562）中也可找到相应的描述。
自汽提尿素设备包括：高压回路，通常在约140-160bar的压力下操作；中压（MP）段和低压（LP）回收段，在MP段和LP段中，由高压回路输出的尿素溶液被处理来分解氨基甲酸盐和循环氨。作为指示，MP段可以在约10-20bar的压力下进行操作，LP段可以在几个（例如3-4）bar的压力下操作。例如对于高、中及低压段的常用值分别为150-17-3.5bar。
高压回路通常包括合成反应器、蒸汽热式汽提器和卧式釜式冷凝器。所有这些装置基本在相同的压力下操作。
氨与CO2在所述合成反应器中反应得到尿素水溶液，其含有氨及未转化的氨基甲酸铵；所述溶液在高压汽提器中被加热以分解氨基甲酸盐和回收氨；在汽提器中产生的含有氨和CO2的蒸汽相在高压冷凝器中被冷凝，并被循环至所述反应器。汽提过程在热的帮助下进行，例如由热蒸汽提供的热，并且无外部汽提介质如二氧化碳（热汽提）的添加，或使用在溶液中存在的氨的一部分作为汽提剂（氨汽提）。
在本描述中，术语自汽提尿素设备被用于表示含有高压热汽提段或氨汽提段的尿素设备。
在改造现有的自汽提尿素设备方面，人们存在浓厚的兴趣。当改造现有设备时，出于经济的原因，只要有可能，应该尽量保持现有可用的设备。本申请人已经注意到主要瓶颈是中压段和低压段的容量。例如，当高压回路升压时，更大流量的尿素溶液被排出至下游的MP/LP段，这意味着相当大的量的氨基甲酸盐的分解和氨的回收。所述MP段和LP段的现有可用部件，包括分解器、冷凝器等，通常接近其最大容量，不能满足这个增加的负荷。因此，实际上发现了瓶颈在MP段和LP段。改造MP段和/或LP段，连同高压段，将会涉及几个压力釜的添加或更换，继而涉及到相当高的成本，这可能导致整体的干预缺乏吸引力。
发明内容
本发明的目的是解决上述不足，并提供一种用于给自汽提尿素设备升压的有效解决方案。本发明的想法是向尿素溶液的加工处理中增加另一个压力水平，所述尿素溶液是由HP段或反应器输出的。在MP段的上游，即在高于设备的初始中压的条件下，增加进一步的氨基甲酸盐分解和氨基甲酸盐回收步骤。根据本发明的不同实施例，所述进一步的氨基甲酸盐分解步骤可以接收所述反应器输出的尿素溶液的一部分和/或接收由高压汽提得到的浓缩尿素溶液的一部分或全部。
因此提出了一种用于改进自汽提尿素设备的新方法，所述设备包括高压尿素合成段，该段至少具有反应器、热汽提器或氨汽提器和冷凝器，所述设备还包括中压处理段和低压回收段，该方法的特征在于如下步骤：
-安装了中间段，并且将其连接在高压合成段与中压段之间；
-在所述高压段产生的尿素溶液流被定向至所述中间段；
-来自所述中间段的浓缩溶液流被定向至所述中压段；
-所述中间段适于在中间压力下分解氨基甲酸盐并回收所述尿素溶液中含有的氨基甲酸盐，在所述中间压力下得到所述浓缩溶液流，所述中间压力低于所述合成段的工作压力并且高于所述中压段的工作压力。
增加的中间段优选至少包括分解段和回收段，例如分别用分解器和冷凝器来实现。将尿素溶液重新定向至所述中间段的步骤，以及将浓缩溶液定向至下游MP段的步骤，是根据本身公知的技术，通过提供必要的管道、阀门、泵及辅助设备来实施的。
根据一些实施例，由所述高压段输出的并且原来被定向至所述中压段的尿素溶液流，至少部分被重新定向至所述中间段。在优选的实施例中，所述高压段输出的尿素溶液流全部被重新定向至新安装的中间段。
根据其他的实施例，由所述反应器输出的并且原来被定向至所述高压热汽提器或氨汽提器的尿素溶液流，部分被重新定向至所述中间段。
上述实施例可以进行结合，即本发明包括如下实施例，在这些实施例中，由所述反应器输出的尿素溶液和由所述高压汽提器输出的较浓缩的尿素溶液两者都被定向至所述中间段。最终，所述尿素溶液和浓缩的（汽提的）尿素溶液在进入所述中间段之前可进行混合。在本发明的又一些实施例中，所述中间段与所述高压汽提段相并列。例如，由所述反应器输出的尿素溶液被分成两部分；第一部分被定向至高压汽提器，第二部分被定向至所述中间段。
在一些实施例中，可以增加所述高压合成段的容量。容量的增加可以通过改进所述合成段的任一部件来实现，所述部件例如反应器、汽提器和冷凝器，或通过向所述合成段增加更多的设备来实现。
所述中间段的公称压力优选在30-100bar范围内，更优选70-80bar。在一个优选的实施例中，所述中间段的设备至少包括分解器、冷凝器和精馏塔。
本发明的优点在于，通过将来自所述高压汽提器或来自所述反应器的尿素溶液的至少一部分重新定向至所增加的中间段，克服了所述MP段和LP段的瓶颈问题。如果合成段被加压，所述合成段的容量可被持续的增加，而同时，由于额外的负荷由新安装的中间段完成了，下游MP段和LP段的负荷被保持基本不变。也就是说，本发明允许以显著的方式给所述HP段加压，并允许通过增加中间段来克服下游MP段和LP段的瓶颈。根据本发明的一些实施例，安装与所述高压汽提器并列的中间段所具有的优点在于，来自反应器的尿素溶液流的加工被分流在所述HP汽提器和所述新的中间段之间。这个优点是有用的，例如在反应器的容量被增加的案例中，或在HP汽提器为设备的瓶颈的案例中，或在安装了另一个或多个反应器的案例中。
在实践中，与常规的方法相比，改进的设备使用改进的具有另一个压力水平的自汽提方法操作。所述方法是本发明的又一个方面。本发明的另一个方面是根据新的操作方法而设计的尿素设备，如所附权利要求中所述。
更具体地，本发明的一个方面是用于合成尿素的自汽提方法，包括高压反应、高压热汽提或氨汽提，以及中压和低压回收，该方法的特征在于：尿素溶液流在中间压力下进行分解的工艺步骤，所述尿素溶液流包括由所述反应器输出的尿素溶液和/或由所述热汽提或氨汽提输出的浓缩尿素溶液，所述中间压力低于所述高压并高于所述中压，从而得到处于中间压力的浓缩溶液，并且，所述处于中间压力的浓缩溶液被定向至所述中压下的进一步处理。
相关的尿素设备，包括：高压段，所述高压段至少具有尿素反应器、热汽提器或氨汽提器以及冷凝器；中压尿素回收段和低压尿素回收段；中间段，所述中间段安装并连接在所述高压段与所述中压段之间，所述中间段至少包括分解段和回收段，所述分解段和所述回收段在中间压力下操作，所述中间压力低于所述合成段的工作压力并高于所述中压段的工作压力，所述中间段与所述高压段和所述中压段连接以便于所述分解段接收尿素溶液流，所述尿素溶液流包括由所述反应器输出的尿素溶液和/或由所述热汽提或氨汽提输出的浓缩尿素溶液，并且，所述中间分解段输出的浓缩溶液被定向至所述中压段。
在本发明的所有实施例中，所述高压段可包括一个或多个反应器、一个或多个汽提器或一个或多个冷凝器。
通过以下结合附图对具体实施方式的描述，本发明的其他特征和优点将会更加清楚。
附图说明
图1为常规的自汽提设备的示意图。
图2为图1设备根据本发明第一个实施例改进后的示意图。
图3为本发明第二个实施例的示意图。
图4为本发明第三个实施例的示意图。
图5为本发明另一个实施例的示意图。
图6为本发明又一个变换实施例的示意图。
具体实施方式
参考图1中常规设备的示意图，该设备的高压（HP）段包括反应器1、热汽提器或氨汽提器2以及冷凝器3。该设备的中压（MP）段包括分解段4和以方框5表示的氨回收段。低压段包括分解段6和低压回收段7。方框8代表真空浓缩段。
二氧化碳进料通过管线10被送至合成反应器1。喷射器11向反应器1供给新鲜氨12和从MP段及LP段回收的氨13。含有尿素、未转化的氨基甲酸盐和游离氨的尿素溶液14从反应器1流出。在一些实施例中，新鲜氨12可供给到回收段5，这样管线13中含有新鲜的和回收的氨。
尿素溶液14被送至汽提器2，在汽提器2中所述溶液14在热量的帮助下进行分解。在汽提器2中产生的并且含有残留氨基甲酸盐和氨的浓缩尿素溶液15被供给到MP分解段4；进一步浓缩的尿素溶液16被供给到LP分解段6。由LP段输出的溶液17进一步在真空段8中进行处理，得到尿素产品U。
在MP分解段4分离出的并且主要含有CO2、氨和水的蒸汽相18在氨回收段5进行处理，输出氨液体流13和含有残留氨基甲酸盐的溶液19。为了这个目的，所述氨回收段5可包括，例如精馏塔和氨冷凝器，在精馏塔中蒸汽18中过量的氨被分离，在氨冷凝器中产生氨液体流13。来自所述精馏塔的底部液体形成氨基甲酸盐溶液19。
所述氨基甲酸盐溶液19与HP汽提器2释放出的塔顶蒸汽20混合；形成的混合蒸汽21在高压冷凝器3中冷凝，得到的冷凝物流通过喷射器11送回至反应器1。
在LP分解段6分离出的蒸汽相22在LP回收段7中冷凝，得到氨溶液23并将其泵送至MP氨回收段5，或最终与蒸汽相18混合。另外的氨通过管线24由真空段8循环至设备的LP段。
冷凝器3的输出流25中的非冷凝气体在分离器（图中未示出）中去除，该分离器位于喷射器11的上游。
汽提器2通常为管束式、蒸汽热交换器。来自反应器1的尿素溶液14在管束中的管内形成液膜，而在管外流动的热蒸汽提供必要的热量以分解溶液中含有的氨基甲酸盐。在汽提器顶部，蒸汽相20中的氨和二氧化碳被回收。冷凝器3通常为卧式管壳式釜式单元，在该单元中，冷凝作用在管侧，冷凝热被用来产生蒸汽。
以上细节对于本领域技术人员是公知的，无需进一步描述。
图2公开了一种根据本发明改进的设备的示意图。来自汽提器2的尿素溶液现在表示为流15A，在高压合成段的容量被增加的实施例中，流15A可能比原来的流15的流量大。
来自HP汽提器2的浓缩溶液，即尿素溶液15A，其原来被定向至MP分解段4，现在其被重新定向至新安装的中间段30，所述中间段30包括分解段31和回收段32。在图2中，来自升压的高压段1的尿素溶液的全部输出被重新定向至所述中间段30，但本发明的其他实施例提供了尿素溶液的一部分被重新定向至新的段30，剩余部分由汽提器2传送至MP段（图5）。
所述中间段30的工作压力在高压段压力与MP段压力之间，例如30-100bar，更优选70-80bar。例如反应器1、汽提器2和冷凝器3的压力大于100bar，中压在10-20bar的范围，低压小于5bar。一个段的设备在一定的压力下操作，如反应器1、汽提器2和冷凝器3，基本都在相同的压力下操作，可能会由于连接、阀门等处的压力损失而略有不同。
分解段31至少包括分解器并且以MP分解段4基本相同的方式操作，产生浓缩溶液15B和含有CO2、氨及水的蒸汽相33，蒸汽相33在回收段32中被冷凝。来自MP氨回收段5的液态氨基甲酸盐溶液被偏离并泵送至所述中间回收段32，以提供所述蒸汽相33的冷凝。冷凝液34为含有氨的氨基甲酸盐溶液；该溶液34随后被定向至冷凝器3（如图所示），或者如果合适，被定向至反应器1。将一些液态氨基甲酸盐溶液定向至反应器而不是冷凝器可以是适当的，以避免喷射器11中的液体量过多。
在一些实施例中，所述氨基甲酸盐溶液流19被分成两部分。第一部分被定向至中间回收段32，剩余部分被定向至冷凝器或反应器，优选与氨基甲酸盐溶液34混合。图6是这种实施方案之一的一个例子，在该例子中，由MP回收段5输出的氨基甲酸盐溶液19的一部分19A被偏离至新回收段32。冷凝液34与所述氨基甲酸盐溶液19的剩余部分19B混合，混合物随后被定向至冷凝器或反应器。
为钝化而引入的氧气也优选通过新工段30传送。例如，含氧气流（图中未示出）通常由冷凝器3定向至MP分解段4，并最终由氨回收段5排出；在该改进的设备中，这个气流将由冷凝器3被定向至分解段31，然后由分解段31定向到回收到32，再定向到MP段4和5。
氨基甲酸盐溶液34在中间段30的压力下（例如70bar）是可用的，在冷凝器3或反应器1的更高的压力下必须被加压。为了这个目的，本发明的一个选择是使用高压泵，这些高压泵已经在现场可用，并且原本被用于将流19由MP回收段5泵送至冷凝器3。由于较高的吸入压力，所述泵可能需要略微调整，但它们的使用可帮助节约成本。安装新泵以将溶液的压力由中压水平升高至中间压力水平（例如，由20bar升高至70bar）；无论如何，这些泵较那些适于达到合成回路的高压力的泵更便宜。
图3示出了一个实施例，在该实施例中，反应器输出的尿素溶液的一部分被直接送至中间压力分解段，绕过高压汽提。来自反应器1的尿素溶液流14被分成两部分。第一部分14A绕过HP汽提器2并被定向至中间段30，例如定向至分解段31。所述尿素溶液的第一部分14A在进入工段31前可与汽提过的溶液15A合并，或第一部分14A可被单独送至工段31，这两种变换方式是同样适用的。反应器流出物14的剩余部分14B被送至HP汽提器2。所述分解段31输出的浓缩溶液15B被随后定向到MP段4。
图4示出了一个实施例，在该实施例中，高压汽提段和中间压力段是基本并行操作的。尿素溶液14的第一部分14A被定向到中间压力段30；所述尿素溶液14的第二部分14B被定向到HP汽提器2。高压浓缩溶液15与所述工段30输出的中间压力浓缩溶液15B合并形成流15C并被定向至MP段4。
图5示出了又一个实施例，在该实施例中，定向至中间段30的尿素溶液15A是来自HP汽提器2的浓缩尿素溶液的一部分；所述尿素溶液的剩余部分15从汽提器2传送到MP段4。例如，所述剩余部分15与来自工段31的浓缩尿素溶液合并。图5的实施例基本是图2实施例的一个变换方式；相同的变换方式也适用于本发明的其他实施例，如图3或图4的实施例。
膨胀阀和泵/压缩机没有在图中示出。本领域的技术人员可以显而易见地看出，由较高压力设备传送至在较低压力下操作的设备时，任何流将被适当地膨胀。反之亦然，被传送至较高压力的设备时将需要压缩/泵抽。应当指出的是，图1至图6的示意图是简化的方框示意图，并且辅助设备以及压缩机、泵和阀没有在图中示出。

Claims (13)

1.一种用于改造自汽提尿素设备的方法，所述设备包括高压尿素合成段，其至少具有反应器、热汽提器或氨汽提器和冷凝器，所述设备还包括中压处理段和低压回收段，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
-安装中间回收段（30），并且将其连接在所述高压合成段与所述中压段之间；
-在所述高压段产生的尿素溶液流（14A，15A）被定向至所述中间段（30）；
-来自所述中间段的浓缩溶液流（15B）被定向至所述中压段；
-所述中间回收段（30）适于分解氨基甲酸盐并回收来自所述尿素溶液流的氨基甲酸盐溶液，所述中间回收段（30）在中间压力下操作，所述中间压力低于所述合成段的工作压力并且高于所述中压段的工作压力，在所述中间压力下得到所述浓缩溶液流（15B）。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，由所述高压段输出的并且原来被定向至所述中压段的尿素溶液流（15A），至少部分被重新定向至所述中间段（30）。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述尿素溶液流（15A）全部被重新定向至所述中间段（30）。
4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，由所述反应器输出的并且原来被定向至所述高压热汽提器或氨汽提器的尿素溶液流（14A），部分被被重新定向至所述中间段（30）。
5.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，包括至少安装分解段（31）和回收段（32）以构成所述中间段（30）的步骤。
6.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：将在所述中压段得到的、含有循环的氨基甲酸盐的中压液体流（19）或至少所述中压液体流的一部分（19A），偏离至中间段（30）的所述回收段（32），并将所述回收段输出的氨基甲酸盐溶液（34）定向至所述高压段，且优选定向至所述高压冷凝器（3）。
7.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，还包括提高所述设备高压合成段的容量的步骤。
8.根据权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，所述中间段适于在30-100bar的压力范围内操作。
9.一种用于合成尿素的自汽提方法，在该方法中，氨与二氧化碳在至少一个反应器（1）内在给定的高压下反应生成尿素；对于所述反应器内产生的尿素溶液（14）进行热汽提或氨汽提，由所述汽提分离出的含有氨和二氧化碳的蒸汽相（20）被冷凝并循环至所述反应器，所述汽提和冷凝基本在所述反应的高压下进行，并且此时尿素溶液被进一步浓缩，反应物在中压和低压下、分别在中压回收段和低压回收段进行回收，其特征在于：
-尿素溶液流（14A，15A）在中间压力下进行分解工艺步骤（31），所述尿素溶液流（14A，15A）包括由所述反应器输出的尿素溶液（14A）和/或由所述热汽提或氨汽提输出的浓缩尿素溶液（15A），所述中间压力低于所述高压并高于所述中压，从而得到处于中间压力的浓缩溶液（15B），并且，
-所述处于中间压力的浓缩溶液（15B）被定向至所述中压下的进一步处理。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，中间压力下分解得到的蒸汽相（33）被冷凝，得到处于中间压力的氨基甲酸盐溶液（34），所述液体流被供给至所述高压段。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述高压大于100bar，所述中压在10-20bar的范围内，所述低压小于5bar，所述中间压力为30-100bar。
12.一种根据所述自汽提方法操作的尿素设备，该设备包括高压段，所述高压段具有尿素反应器（1）、热汽提器或氨汽提器（2）及冷凝器（3），
该设备还包括中压尿素回收段（4，5）和低压尿素回收段（6，7），
其特征在于：还包括中间段（30），所述中间段（30）被安装并连接在所述高压段与所述中压段之间，所述中间段至少含有分解段（31）和回收段（32），所述分解段（31）和所述回收段（32）在中间压力下操作，所述中间压力低于所述合成段的工作压力并高于所述中压段的工作压力，所述中间段（30）与所述高压段和所述中压段连接以便于所述中间段的分解段（31）接收尿素溶液流（14A，15A），所述尿素溶液流（14A，15A）包括由所述反应器输出的尿素溶液（14A）和/或由所述热汽提或氨汽提输出的浓缩尿素溶液（15A），其中，由所述中间分解段输出的浓缩溶液（15B）被定向至所述中压段。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述回收段（32）的连接是为了接收中压液体流（19）的一部分（19A）或全部，所述中压液体流（19）在所述中压段得到并含有循环的氨基甲酸盐，所述回收段（32）的连接还为了将氨基甲酸盐溶液（34）输送至高压段，优选输送至所述高压段的冷凝器（3）。
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