CN103570588A - 一种尿素合成装置及合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及尿素生产领域，尤其涉及一种尿素合成装置及合成方法。其包括卧式冷凝器和卧式反应器，该冷凝器入口接受高压液氨泵和高压铵甲铵泵来的液氨、碳铵液及从汽提塔来的NH₃、CO₂和水三元物系混合气体，进入冷凝器进行冷凝并发生化学反应，NH₃和CO₂反应生成氨基甲酸铵；卧式反应器，与冷凝器连接，用于氨基甲酸铵发生脱水反应生成尿素；汽提塔，与反应器和CO₂压缩机连接，将从反应器来的混合尿液加热分解和汽提，将氨基甲酸铵分解成NH₃和CO₂，并将游离的NH₃、CO₂和水汽提出来。本发明提供的合成装置，通过采用卧式反应器和卧式冷凝器，提高尿素合成转化率，减少物料输送所需要的能耗、建设投资及尿素生产成本。

Description

一种尿素合成装置及合成方法

技术领域

本发明涉及尿素生产领域，尤其涉及一种尿素合成装置及合成方法。

背景技术

尿素人工合成技术早在20世纪初就已经开发成功。尿素合成方法很多，主要有尿素水溶液循环法、油溶液循环法、汽提法、美国的UTI（热法合成）工艺。其中，汽提法是目前世界上普遍采用的尿素生产工艺。汽提法主要分为二氧化碳汽提（荷兰）、氨汽提（意大利）和双汽提工艺（意大利）以及ACES（日本）。现有技术中应用汽提法的合成装置普遍采用立式+多层塔板内件的尿素合成塔，由于立式+多层塔板内件尿素合成塔存在反应液乱流返混现象，导致尿素合成转化率低，并且采用高框架布置增加了物料输送所需要的能耗，而且立式合成塔结构和高框架布置也不便于操作管理和维修。此外，由于立式+多层塔板内件尿素合成塔需要设置高框架，所以增加了建构筑物及管道材料的用量及建造费用，投资成本大。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种尿素合成装置及合成方法，以克服现有技术中的尿素合成装置合成转化率低、物料输送能耗高以及投资大、不便于操作和维修的缺陷。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种尿素合成装置，其包括：

（1）冷凝器，该冷凝器分别与汽提塔、用于将液氨加压的高压液氨泵以及用于将碳铵液加压的高压甲铵泵连接，用于将从所述汽提塔顶出的NH₃、CO₂和水三元系混合气体以及由所述高压液氨泵来的液氨和由所述高压甲铵泵来的碳铵液进行冷凝、反应生成氨基甲酸铵；

（2）卧式反应器，与所述冷凝器连接，用于将从所述冷凝器出来的氨基甲酸铵溶液发生脱水反应，生成含有合成尿素及未反应的氨基甲酸铵、NH₃、CO₂和水的尿素混合液；

（3）汽提塔，与所述卧式反应器和二氧化碳压缩机连接，从所述卧式反应器来的尿素混合液被所述汽提塔的壳程蒸汽加热使碳铵盐分解成NH₃、CO₂和水，并在二氧化碳压缩机来的CO₂的汽提作用下进一步促使碳铵盐分解并将游离的NH₃、CO₂和部分水汽提至气相从所述汽提塔顶引出。

其中，所述卧式反应器在竖直方向上布置在与所述汽提塔的上端等高或比其更低的位置上。

其中，所述卧式反应器采用由若干反应管联接组成的集成管束模块，在所述每个反应管设有调温介质夹套。

其中，所述反应管的数量是可以调节的。

其中，在所述每个反应管内设置有静态混合器。

其中，所述卧式反应器放置在地面上或低框架布置。

其中，所述冷凝器为卧式冷凝器。

其中，所述卧式冷凝器包括变径壳体以及位于变径壳体内水平布置的U形换热管束，在所述U形换热管束外设置有锅炉给水，在所述卧式冷凝器的变径壳体上部设有用于蒸汽和水分离的分离空间。

其中，所述卧式冷凝器放置在低框架布置。

本发明还提供了一种利用上述技术方案所述的尿素合成装置合成尿素的方法，其包括以下步骤：

（1）外部送来的液氨经高压液氨泵加压后和外部送来的碳铵液经高压甲铵泵加压后一起送入冷凝器，经混合、冷却、冷凝、反应生成氨基甲酸铵；

（2）从所述冷凝器出来的氨基甲酸铵溶液进入卧式反应器，在适宜的温度和压力条件下发生脱水反应生成尿素；

（3）从所述卧式反应器出来的尿素、未生成尿素的氨基甲酸铵，以及游离的NH₃、CO₂和水的尿素混合液进入汽提塔顶部并均匀进入所述汽提塔中的各汽提管，然后在重力的作用下自上向下流动，通过所述汽提塔的壳程蒸汽加热使碳铵盐分解成NH₃和CO₂，CO₂经二氧化碳压缩机加压进入所述汽提塔底部并均匀进入所述汽提塔中的各汽提管自下向上流动，促使尿素混合液中的碳铵盐进一步分解成NH₃和CO₂，并将游离的NH₃、CO₂和水从液相中汽提出来，混合气体自汽提塔顶部引出去冷凝器，尿素混合液经所述汽提塔汽提后得到纯度高的尿素液，从所述汽提塔底部引出经减压后送到下一工序加工成尿素成品；

（4）从所述汽提塔顶部引出的混合气体进入所述冷凝器冷却、冷凝并反应生成氨基甲酸铵，然后进入所述卧式反应器循环再利用。

（三）有益效果

上述技术方案所提供的尿素合成装置，通过采用卧式反应器取代传统的立式+多层塔板内件尿素合成塔，从而使反应器内不存在反应液乱流返混现象，使得尿素合成转化率大大提高，减少了物料循环量和降低输送所需要的能耗，而且便于操作和管理；此外，该卧式反应器不需要设置高框架，从而减少了建构筑物及管道材料的用量及建造费用，大大降低了投资成本。进一步地，冷凝器采用卧式冷凝器，以进一步降低投资成本。

附图说明

图1是尿素合成装置示意流程图；

图2是卧式反应器示意简图；

图3是卧式冷凝器示意简图。

其中：1-高压液氨泵；2-二氧化碳压缩机；3-高压甲铵泵；4-卧式反应器；5-汽提塔；6-卧式冷凝器；7-集成管束模块；8-调温介质夹套；9-静态混合器；10-第一工艺物料入口；11-工艺物料出口；12-入口管箱；13-蒸汽出口；14-U形换热管束；15-分离空间；16-第二工艺物料入口；17-工艺液出口；18-变径壳体；19-锅炉给水入口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例用于说明本发明，但不限制本发明的范围。

图1所示为本发明的尿素合成装置的一个优选实施例。根据该实施例，本发明的尿素合成装置包括高压液氨泵1、二氧化碳压缩机2、高压甲铵泵3、卧式反应器4、汽提塔5和卧式冷凝器6。

其中，高压液氨泵1与卧式冷凝器6连接，用于将外来的液氨加压后输送至卧式冷凝器6；高压甲铵泵3也与卧式冷凝器6连接，用于将外来的碳铵液加压后输送至卧式冷凝器6。

汽提塔5与卧式冷凝器6连接，由汽提塔5顶出来的NH₃、CO₂和水三元系混合气体与循环利用的碳铵液以及高压液氨泵送入的氨一起送入卧式冷凝器6冷却、冷凝并发生反应生成氨基甲酸铵，同时放出大量热（反应式1）。

NH₃(氨)+CO₂（二氧化碳）=NH₂COONH₄(氨基甲酸铵)+Q₁(放热)……………………………………………………（1）

卧式反应器4与卧式冷凝器6连接，在卧式冷凝器6中反应生成的氨基甲酸铵，以及未反应物从卧式冷凝器6出来进入卧式反应器4，在适宜的温度和压力条件下氨基甲酸铵进一步发生脱水反应（反应式2）生成尿素。其中，未反应物主要包括未反应的氨基甲酸铵、NH₃、CO₂和水。为了便于将卧式反应器4反应物料送入汽提塔5的顶部和降低设备框架高度，优选卧式反应器4布置在与汽提塔5上端等高或比其更低的位置上。

NH₂COONH₄(氨基甲酸铵)=(NH₂)₂CO（尿素）+H₂O（水）-Q₂(吸热)……………………………………………………（2）

在该实施例中，卧式反应器4的工艺参数如下：合成压力13.8-14.5MPa(g)，合成温度185-188℃，氨碳比ＮＨ₃/ＣＯ₂(mol)2.9-3.1，水碳比Ｈ₂Ｏ/ＣＯ₂(mol)0.4-0.5。

汽提塔5分别与二氧化碳压缩机2、卧式反应器4以及卧式冷凝器6连接，从卧式反应器4出来的尿素混合液进入汽提塔5顶部，然后均匀分布送入汽提塔5中的各汽提管，并在重力的作用下自上向下流动。CO₂经二氧化碳压缩机加压进入汽提塔5的底部，均匀分布送入汽提塔5中的各汽提管，并自下向上流动，以对尿素混合液进行汽提，汽提塔5壳程在汽提管外利用2.06MPa饱和蒸汽加热，促使尿素混合液中未转化成尿素的碳铵盐在CO₂汽提和蒸汽加热的作用下分解成NH₃和CO₂，并和未反应的NH₃（游离氨）、未反应的CO₂和部分水一起被汽提进入气相，然后从汽提塔5顶部出来进入卧式冷凝器6循环利用。从汽提塔5底部出来的经汽提后的高浓度尿素液经减压送入低压系统蒸发造粒生产尿素成品。由于在不同条件下，NH₃、CO₂和/或水可发生不同的反应，生成不同的产物，例如氨基甲酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵。因此，在本文中的碳铵盐除了包含氨基甲酸铵外，还包含其它由NH₃、CO₂和/或水生成的碳酸铵、碳酸氢铵等（统称碳酸盐）。

上述技术方案所提供的尿素合成装置，通过采用卧式反应器4取代传统的庞大复杂的立式+多层塔板内件尿素合成塔，从而使卧式反应器4内不存在反应液乱流返混现象，使得尿素合成转化率大大提高，减少了物料循环量，降低了物料输送所需要的能耗，而且便于操作和管理、安全可靠。

如图2所示，卧式反应器4包括由若干反应管联接组成的集成管束模块7，氨基甲酸铵以及未反应游离的NH₃、未反应的CO₂等物料从卧式反应器4的第一工艺物料入口10进入卧式反应器4，在集成管束模块7反应管内发生脱水反应生成尿素，然后从卧式反应器4的工艺物料出口11排出。

优选地，在卧式反应器4的反应管上设有调温介质夹套8，通过该调温介质夹套8，可即时调整物料温度使其反应按照最佳反应曲线进行，以提高尿素合成反应速度和提高尿素合成转化率。

此外，该卧式反应器4还可根据尿素生产能力和物料停留时间，方便灵活增减集成管束模块7中的反应管的数量，以确保达到尿素设计能力和高转化率。

优选地，在卧式反应器4反应管内设置有静态混合器9，以使反应物料（NH₃、氨基甲酸铵、CO₂及水等）在卧式反应器4内充分混合，迅速发生脱水反应生成尿素，生成物快速扩散，新的合成反应连续进行，避免物料乱流和返混造成转化率下降。

卧式反应器4可放置在地面上或低框架布置，由于卧式反应器4不需要设置高框架，从而减少了建构筑物及管道材料的用量及建造费用，大大降低了投资成本。

优选地，卧式冷凝器6包括变径壳体18以及位于变径壳体18内水平布置的U形换热管束14，在所述U形换热管束14外设置有锅炉给水，在所述卧式冷凝器6的变径壳体的上部设有用于蒸汽和水分离的分离空间15。汽提塔5顶出来的混合气体经冷凝器6的第二工艺物料入口16进入入口管箱12，均匀进入U形换热管束14各单管内，物料在U形换热管束14内冷却、冷凝、反应生成氨基甲酸铵，伴随化学反应及冷凝相变过程，放出大量热由管外锅炉给水移走。壳程的锅炉给水经给水入口19进入冷凝器6的壳程中，并与U形换热管束14内物料进行热交换，产生蒸汽从蒸汽出口13外送供用户使用。而在U形换热管束14内冷却、冷凝、反应生成的氨基甲酸铵混合液经工艺液出口17排出送入卧式反应器4循环再利用。

卧式冷凝器6通过低框架放置在较低的位置，由于卧式冷凝器6不需要设置高框架，因此减少了建构筑物及管道材料的用量及建造费用，降低了投资成本。

利用上述技术方案所提供的尿素合成装置合成尿素的方法，其包括以下步骤：

（1）外部送来的液氨经高压液氨泵1加压后和循环回收的碳铵液经高压甲铵泵3加压后一起送入冷凝器6，经混合冷却、冷凝、反应生成氨基甲酸铵；

（2）从冷凝器6出来的氨基甲酸铵溶液进入卧式反应器4，在适宜的温度和压力条件下发生脱水反应生成尿素；

（3）从卧式反应器4出来的尿素、未生成尿素的氨基甲酸铵，以及游离NH₃、CO₂和水的混合液进入汽提塔5顶部并均匀进入汽提塔5中的各汽提管，然后在重力的作用下自上向下流动，CO₂经二氧化碳压缩机2加压进入汽提塔5底部并均匀进入所述汽提塔5中的各汽提管自下向上流动，以对尿素混合液进行汽提，汽提塔5壳程在汽提管外利用2.06MPa饱和蒸汽加热，促使碳铵盐分解生成NH₃、CO₂。尿素混合液中游离NH₃和未反应的CO₂及部分水一起被汽提进入气相自汽提塔5顶部引出。从汽提塔5底部出来的经汽提后的高浓度尿素液经减压送入低压系统蒸发造粒生产尿素成品。

（4）从汽提塔5顶部引出的混合气体再返回冷凝器6冷凝反应生成氨基甲酸铵，然后进入卧式反应器4再利用。

以CO₂汽提工艺为例示出尿素合成回路各单元设备的工艺参数如下：

Ⅰ.卧式反应器4：a.压力14.0MPa(g)；b.温度185℃；c.氨碳比NH₃/CO₂(mol)2.95；d.水碳比H₂O/CO₂(mol)0.4-0.5；e.CO₂转化率63%。

Ⅱ.汽提塔5：a.压力14.0MPa(g)；b.温度（顶/底）187/167℃；c.汽提塔出液（底部）NH₃含量6-7%（Wt），CO₂含量8-10%（Wt）；e.加热蒸汽压力1.90-2.06MPa（g）。

Ⅲ.卧式冷凝器6：a.压力14.0MPa(g)；b.副产蒸汽压力0.39MPa(g)。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (10)

1.一种尿素合成装置，其特征在于，包括：

（1）冷凝器，该冷凝器分别与汽提塔、用于将液氨加压的高压液氨泵以及用于将碳铵液加压的高压甲铵泵连接，用于将从所述汽提塔顶出的NH₃、CO₂和水三元系混合气体以及由所述高压液氨泵来的液氨和由所述高压甲铵泵来的碳铵液进行冷凝、反应生成氨基甲酸铵；

（2）卧式反应器，与所述冷凝器连接，用于将从所述冷凝器出来的氨基甲酸铵溶液发生脱水反应，生成含有合成尿素及未反应的氨基甲酸铵、NH₃、CO₂和水的尿素混合液；

（3）汽提塔，与所述卧式反应器和二氧化碳压缩机连接，从所述卧式反应器来的尿素混合液被所述汽提塔的壳程蒸汽加热使碳铵盐分解成NH₃、CO₂和水，并在二氧化碳压缩机来的CO₂的汽提作用下进一步促使碳铵盐分解并将NH₃、CO₂和部分水汽提至气相中从所述汽提塔顶引出。

2.根据权利要求1所述的尿素合成装置，其特征在于，所述卧式反应器在竖直方向上布置在与所述汽提塔的上端等高或比其更低的位置上。

3.根据权利要求1所述的尿素合成装置，其特征在于，所述卧式反应器采用由若干反应管联接组成的集成管束模块，在所述每个反应管设有调温介质夹套。

4.根据权利要求3所述的尿素合成装置，其特征在于，所述反应管的数量是可以调节的。

5.根据权利要求3所述的尿素合成装置，其特征在于，在所述每个反应管内设置有静态混合器。

6.根据权利要求1所述的尿素合成装置，其特征在于，所述卧式反应器放置在地面上或低框架布置。

7.根据权利要求1所述的尿素合成装置，其特征在于，所述冷凝器为卧式冷凝器。

8.根据权利要求7所述的尿素合成装置，其特征在于，所述卧式冷凝器包括变径壳体以及位于变径壳体内水平布置的U形换热管束，在所述U形换热管束外设置有锅炉给水，在所述卧式冷凝器的变径壳体上部设有用于蒸汽和水分离的分离空间。

9.根据权利要求7所述的尿素合成装置，其特征在于，所述卧式冷凝器放置在低框架布置。

10.利用权利要求1-9中任一项所述的尿素合成装置合成尿素的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）外部送来的液氨经高压液氨泵加压后和外部送来的碳铵液经高压甲铵泵加压后一起送入冷凝器，经混合、冷却、冷凝、反应生成氨基甲酸铵；

（2）从所述冷凝器出来的氨基甲酸铵溶液进入卧式反应器，在适宜的温度和压力条件下发生脱水反应生成尿素；

（3）从所述卧式反应器出来的尿素、未生成尿素的氨基甲酸铵，以及游离的NH₃、CO₂和水的尿素混合液进入汽提塔顶部并均匀进入所述汽提塔中的各汽提管，然后在重力的作用下自上向下流动，通过所述汽提塔的壳程蒸汽加热使碳铵盐分解成NH₃和CO₂，CO₂经二氧化碳压缩机加压进入所述汽提塔底部并均匀进入所述汽提塔中的各汽提管自下向上流动，促使尿素混合液中的碳铵盐进一步分解成NH₃和CO₂，并将游离的NH₃、CO₂和水从液相中汽提出来，混合气体自汽提塔顶部引出去冷凝器，尿素混合液经所述汽提塔汽提后得到纯度高的尿素液，从所述汽提塔底引出经减压后送到下一工序加工成尿素成品；

（4）从所述汽提塔顶部引出的混合气体进入所述冷凝器冷却、冷凝并反应生成氨基甲酸铵，然后进入所述卧式反应器循环再利用。

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