CN103819365B

CN103819365B - Co2气提并/串联中压尿素节能增产工艺

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Publication number: CN103819365B
Application number: CN201410052313.1A
Authority: CN
Inventors: 王庆锋; 居晓
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-02-17
Filing date: 2014-02-17
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2034-02-17
Also published as: CN103819365A

Abstract

本发明提供了一种CO₂气提并/串联中压尿素节能增产新工艺。现有CO₂气提尿素工艺装置并联中压分解系统、串联中压预分离器和蒸发预浓缩系统、增加中压甲铵回收系统。尿素合成塔物料按一定比例分两路，一路减压送中压分解系统闪蒸分离、液体精馏、加热分解、CO₂气提；另一路由CO₂气提塔出液减压送中压预分离器闪蒸分离。中压系统尿液减压送低压精馏塔。中压分解气相与低压甲铵液混合后送蒸发预浓缩器热利用段壳程，鼓泡反应热蒸发浓缩管程内的尿液。本发明CO₂气提并/串联中压尿素节能增产新工艺使原CO₂气提尿素装置生产能力增加30～60％以上，工艺流程简单、操作控制方便、蒸汽和电消耗降低、改造投资收益率高。

Description

CO2气提并/串联中压尿素节能增产工艺

技术领域

本发明涉及一种尿素生产工艺及系统，具体说，是一种提高CO₂气提尿素工艺装置生产能力和降低能耗的工艺。

背景技术

60年代中期荷兰Stamicarbon公司成功开发了具有竞争力的CO₂气提尿素生产工艺，当前国内外新建的尿素装置80％以上采用该工艺。90年代以来，CO₂气提尿素生产工艺技术不断创新，先后有传统CO₂气提法(二次洗涤)工艺、改进型CO₂气提法(又称脱氢)工艺、新一代改进型CO₂气提法(池式甲铵冷凝器)工艺和尿素2000^+TM工艺技术开发成功并工业化，使CO₂气提尿素工艺装置在节能、节资、安全及环保等方面具有较强的市场竞争力。

目前，国内运行的CO₂气提尿素装置多数采用传统或改进型CO₂气提法工艺，装置生产规模在30～80万吨/年之间。目前很多应用CO₂气提尿素工艺的企业有一套或几套水溶液全循环尿素工艺装置运行。水溶液全循环尿素装置具有单套装置产量低、蒸汽和电力消耗高等特点，关停水溶液全循环尿素装置提高CO₂气提尿素装置的生产能力成为企业优化资源配置、降低生产成本、提高竞争力的重要措施。

传统的CO₂气提法工艺流程为：原料氨和CO₂经增压14～14.5MPa后送高压合成、分解和回收，出CO₂气提塔含甲铵的尿素溶液经低压精馏回收(0.3～0.4MPa)以及真空蒸发浓缩、造粒等工序加工成固体尿素产品。

为提高装置产能，Stamicabon公司和国内企业院所推出了CO₂气提并联中压工艺，其特点为：比传统的CO₂气提法增加了中压分解回收系统；自尿素合成塔出来的尿液分为两路，一路沿高压系统分解回收，另外一路送中压分解回收系统，两路流体分别减压至0.3～0.4MPa，汇合后再进行低压精馏分解。CO₂气提并联中压工艺装置产量得到提高，但是不同程度的存在蒸汽和电消耗增加、尿素合成塔CO₂转化率偏低等问题。本发明人克服了上述缺点，开发了工艺流程简单、操作控制方便、蒸汽和电力消耗低、装置产量增产大的CO₂气提并/串联中压尿素节能增产新工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对CO₂气提尿素装置进行节能增产改造的新工艺，它是在现有CO₂气提尿素装置并联中压分解回收系统、串联中压预分离和蒸发预浓缩系统，新工艺设备布置占地面积小，安装简单。采用本发明的新工艺可使原CO₂气提尿素装置生产能力提高50％以上，蒸汽和电力消耗下降，新增产能改造费用仅相当于新建装置的20～30％。

本发明包含中压预分离器5、中压精馏塔6、中压CO₂气提塔7、蒸发预浓缩器9、中压甲铵冷凝器10、中压甲铵液位槽11、蒸发预浓缩气冷凝器12、蒸发预浓缩喷射泵14、中压甲铵泵17的CO₂气提并/串联尿素节能增产新工艺(见图1，原系统设备用虚线表示)，其特征在于：

(1)在CO₂气提塔2和低压精馏塔8之间串联中压预分离器5，来自CO₂气提塔2的尿素溶液减压至1.65～1.85MPaG送中压预分离器5完成闪蒸、分离，出口尿液操作温度110～115℃、过量氨蒸出率为50％～66％、甲铵分解率为10％～15％；气相出口操作温度105～115℃，气相水份含量为4.5％～4.7％(摩尔比)；中压预分离器5出口尿液减压至0.3～0.4MPaG送低压精馏塔8；中压预分离器5顶部出口气相送到蒸发预浓缩器9底部入口。

(2)在尿素合成塔1和低压精馏塔8之间并联中压分解系统，包括中压精馏塔6、中压CO₂气提塔7；比例为10％～40％的尿液经减压至1.55～1.75MPaG送中压精馏塔6，经过闪蒸分离、液体精馏、加热分解和CO₂气提后排出尿液温度155～162℃送中压CO₂气提塔7，尿液中的氨基甲酸铵在中压CO₂气提塔7中进一步气提分解，气提后尿液温度152～158℃减压至0.3～0.4MPaG送低压精馏塔8；压力等级为1.9～2.1MPaG、温度为150～170℃的中压CO₂气体分别从中压精馏塔6和中压CO₂气提塔7底部加入作为气提剂和防腐空气源；中压分解系统总的甲铵分解率为75％～88％、总的过量氨蒸出率为80％～90％，中压分解系统气相中水份含量14％～18％；中压中压精馏塔6和中压CO₂气提塔7出口气相送到蒸发预浓缩器9底部入口。

(3)低压精馏塔8和尿液槽16之间串联蒸发预浓缩系统，蒸发预浓缩系统包括蒸发预浓缩器9、蒸发预浓缩气冷凝器12和蒸发预浓缩喷射泵14；蒸发预浓缩器9分为闪蒸分离段91和蒸发热利用段92，具有闪蒸分离器和降膜式换热器的双重作用；低压精馏塔8出口液相含67％～72％(重量)的尿素减压后送到操作压力为0.038～0.045MPaA 的闪蒸分离段91中，尿液中残余的游离氨、CO₂和一部分水份被闪蒸分离出来经闪蒸分离段91顶部排气口排出；尿液经蒸发热利用段92加热获得尿素浓度78％～85％(重量)、温度约为95～105℃的尿素溶液送到尿液槽16。

(4)增加中压甲铵回收系统，包括中压甲铵冷凝器10、中压甲铵冷凝液位槽11、中压甲铵泵17；低压甲铵液(NH₃/CO₂＝2.1～2.55，H₂O/CO₂＝3.04～3.48)经中压甲铵泵17加压至1.9～2.1MPa与来自中压预分离器5、中压精馏塔6和中压CO₂气提塔7的气相在蒸发预浓缩器9底部气液混合物入口处混合，混合物鼓泡进入蒸发预浓缩器9的蒸发热利用段92(壳程)自下而上流出，其反应热用于加热蒸发热利用段92管程中的尿液；未充分吸收反应的气液混合物进入中压甲铵冷凝器10进一步吸收反应变为高浓度的甲铵液，甲铵液温度控制在85～100℃，多余热量被中压甲铵冷凝器10管程的循环水移走；甲铵液从中压甲铵冷凝器10壳程上部出口管溢流到中压甲铵液位槽11进行气液分离，液相(中压甲铵液NH₃/CO₂＝2.0～2.45，H₂O/CO₂＝1.65～2.0)从中压甲铵液位槽11底部排出经高压甲铵泵13加压至14.5～15MPaG分别加注到高压甲铵冷凝器3和高压洗涤器4，其中进入高压洗涤器4的甲铵液占总甲铵液量的3/4～1/3；惰性气体和未吸收反应的少量氨和CO₂从中压甲铵液位槽11顶部排出减压后送低压尾气回收系统。

本发明CO₂气提并/串联中压尿素节能增产新工艺，其中所述的中压预分离器5，其顶部气体出口有除沫器、下部液体出口有防涡挡板。

本发明的中压精馏塔6自上而下分为四段，包括闪蒸分离段61、液体精馏段62、加热分解段63和CO₂气提段64；闪蒸分离段61有一个槽盘式气液分离分布器，液体精馏段62为规整填料，加热分解段63为降膜式换热器，CO₂气提段64有多孔直管式CO₂气体分布器。

本发明的中压CO₂气提塔7自上而下分为三部分，包括槽盘式液体分布器71、规整填料层72、CO₂气提分布器73。

本发明的蒸发预浓缩器9分为二段，上部为闪蒸分离段91(旋涡式气液分离器)，下部为蒸发热利用段92(降膜式换热器)；其中，闪蒸分离段91为旋涡式气液分离器，蒸发热利用段92为降膜式换热器，降膜式换热器上部有齿形溢流堰分布器和换热管切向进料分布器。

本发明的中压CO₂气体用量和增产比例有关，加入中压CO₂气提塔7和中压精馏塔6底部的CO₂气量为合成尿素所需CO₂气量的5％～20％(摩尔比)。

本发明的CO₂气提并/串联中压尿素节能增产新工艺，尿素合成塔1出液NH₃/CO₂＝2.98～3.15，H₂O/CO₂＝0.45～0.65。

与现有CO₂气提并联中压尿素工艺相比，本发明新工艺的优势如下：

(1)增产效果显著。本发明在CO₂气提塔2和低压精馏塔8之间串联一台中压预分离器5；在尿素合成塔1和低压精馏塔8之间并联中压分解系统；低压精馏塔8和尿液槽16之间串联蒸发预浓缩系统；增加中压甲铵回收系统，形成CO₂气提并/串联中压尿素节能增产新工艺。可根据不同企业CO₂气提尿素装置现状及用户需求将生产能力提高30％～60％。

(2)节能效果显著。本发明中压预分离器5能够降低低压精馏塔8大约35％～50％的生产负荷，中压预分离器5气相中压甲铵回收比低压甲铵回收降低30％～40％的系统循环水量；采用中压精馏塔6和中压CO₂气提塔7组合两步法气提工艺路线，CO₂气提效率高，甲铵分解率高，蒸汽消耗低；采用蒸发预浓缩工艺，充分利用中压甲铵吸收反应热，不仅降低中压甲铵冷凝器10的热负荷，而且可以大幅度降低中压甲铵冷凝器10循环冷却水量，从而降低尿素单位耗电量。采用本发明工艺改造现有CO₂气提尿素装置，在增加产量30％～60％的情况下，每吨尿素蒸汽消耗降低30～60kg；电耗降低8～12千瓦时；循环冷却水消耗也大幅度降低。

(3)改造费用低。按照增产量计算，改造费用仅相当于新建产能装置费用的20～30％。

在尿素市场竞争日趋激烈的现实环境中，水溶液全循环尿素生产装置和CO2气提尿素生产装置全有的企业，关停中小型水溶液全循环尿素生产装置，提高CO₂气提尿素生产装置的产量可以大幅度降低生产成本、提高产品质量。采用本发明技术进行节能增产改造是提高企业竞争力的强有力措施，因此本发明技术具有十分广阔的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明的CO₂气提并/串联中压尿素节能增产新工艺流程图；

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明的工艺方法。

本发明的CO₂气提并/串联中压尿素节能增产新工艺流程：见图1，来自CO₂气提塔2的尿素溶液减压至1.65～1.85MPaG送中压预分离器5完成闪蒸和气液分离，液相减压至0.3～0.4MPaG送低压精馏塔8，气相送蒸发预浓缩器9的气液混合物入口；中压预分离器5液相出口操作温度110～115℃，气相出口操作温度105～115℃；经中压预分离器5，尿液过量氨蒸出率为50％～66％、甲铵分解率为10％～15％。

本发明的CO₂气提并/串联中压尿素节能增产新工艺流程：见图1，尿素合成塔1出口10％～40％的尿液经减压至1.55～1.75MPaG送中压精馏塔6上部的闪蒸分离段61，经气液闪蒸分离，尿液均匀分布在液体精馏段62上部，尿液自上而下与来自加热分解段63自下而上较高温度的中压分解气进行传热传质交换；尿液经换热管切向进料器呈膜状自上而下流入到加热分解段63管程，管程尿液用壳程0.9～1.2MPa的饱和蒸汽加热，尿液温度升高到155～162℃；压力1.9～2.1MPaG、温度为150～170℃、比例为20％～30％的中压CO₂气从中压精馏塔6的CO₂气提段64底部加入，一方面作为CO₂气提剂促进尿液中氨基甲酸铵分解，另一方面提供防腐空气降低液体精馏段62和加热分解段63在高温下的腐蚀速率；中压精馏塔6气相送蒸发预浓缩器9的气液混合物入口。温度155～162℃尿液进入中压CO₂气提塔7上部经槽盘式液体分布器71均匀地分布到规整填料层72上面，总量70％～80％、温度为150～170℃的中压CO₂气作为气提剂从底部CO₂气提分布器73加入，CO₂和尿液在规整填料层72填料表面传热传质，尿液中的氨基甲酸铵进一步分解。温度152～158℃的尿液自中压CO₂气提塔7底部排出，经减压至0.3～0.4MPaG与中压预分离器5的出液汇合到一起送入低压精馏塔8。中压分解系统总的甲铵分解率为75％～88％、总的过量氨蒸出率为80％～90％，中压分解系统气相中水份含量在14％～18％之间。

本发明的CO₂气提并/串联中压尿素节能增产新工艺流程：见图1，低压精馏塔8出口液相含尿素67％～72％(重量)的尿素溶液经减压送到操作压力为0.038～0.045MPaA的蒸发预浓缩器9上部的闪蒸分离段91，尿液中残余的的游离氨、CO₂和一部分水份被闪蒸、分离出去，气相送到蒸发预浓缩气冷凝器12冷凝，冷凝液回收到碳铵液槽；尿液汇集在蒸发预浓缩器9的蒸发热利用段92上部，经过齿形溢流堰分布器和换热管二级切向进料分布器进入蒸发热利用段92换热管内，尿液呈膜状自上而下流淌过程中与壳程甲铵反应混合物进行热交换，尿液浓缩到78％～85％(重量)；温度约为95～105℃尿液离开蒸发预浓缩器9进入尿液槽16。蒸发预浓缩喷射泵14利用工艺冷凝液为动力，抽去蒸发预浓缩气冷凝器12中的不凝气体和少量的氨和CO₂气，维持蒸发预浓缩器9上部闪蒸分离段91压力在0.038～0.045MpaA范围内。

本发明的CO₂气提并/串联中压尿素节能增产新工艺流程：见图1，操作压力为1.55～1.75MPaG的中压预分离器5、中压精馏塔6和中压CO₂气提塔7的出口气相混合物汇合成为一股流体，在蒸发预浓缩器9蒸发热利用段92气液混合物入口管前与中压甲铵泵17送来的1.7～1.9MPaG的低压甲铵液(NH₃/CO₂＝2.1～2.55，H₂O/CO₂＝3.04～3.48)混合后进入蒸发热利用段92的壳程内，气液混和物自下而上通过鼓泡吸收反应，低压甲铵液浓度升高并放出大量的反应热，热量用来加热蒸发热利用段92管程的尿液，未充分反应的氨、CO₂和较低浓度甲铵液的混合物离开蒸发预浓缩器9送到中压甲铵冷凝器10的壳程内进一步鼓泡吸收反应生成高浓度的中压甲铵液，多余反应热被中压甲铵冷凝器10管程内的循环水移走，甲铵液温度维持在85～100℃从中压甲铵冷凝器10上部溢流到中压甲铵液位槽11内，惰性气体和少量氨、CO₂的混合气体从中压甲铵液位槽11上部出口减压后送低压尾气吸收系统；中压甲铵液浓度控制在NH₃/CO₂＝2.0～2.45、H₂O/CO₂＝1.65～2.0，中压甲铵液从中压甲铵液位槽11底部排出送到高压甲铵泵13的入口，经高压甲铵泵13加压至14.5～15MPaG，甲铵液分别注入到高压甲铵冷凝器3和高压洗涤器4内进行回收，其中进入高压洗涤器4的甲铵液占总中压甲铵液量的3/4～1/3。

实施例1

以本发明的方法对国内现有40万吨/年CO₂气提尿素装置进行节能增产改造，生产能力由1350吨/天增产到2000吨/天，改造投资费用3200万元；改造后每吨尿素蒸汽消耗降低30～60kg，实现单耗 940～970kg；电耗降低8～12千瓦时，实现单耗78千瓦时；循环冷却水消耗也大幅度降低；40万吨/年CO₂气提尿素装置改造成功后，企业关停了20万吨/年水溶液全循环尿素生产装置，水溶液装置关停前平均每吨尿素蒸汽消耗为1250kg、电耗160千瓦时。按照市场价格，以每吨尿素降低蒸汽消耗300kg、节电80千瓦时计算，尿素生产成本可降低111元/吨，按照增产20万吨/年计算可降低总成本2900万元/年，不到1.5年即可收回全部投资费用。

Claims

1.一种CO₂气提并/串联中压尿素节能增产工艺，包含有中压预分离器(5)、中压精馏塔(6)、中压CO₂气提塔(7)、蒸发预浓缩器(9)、中压甲铵冷凝器(10)、中压甲铵液位槽(11)、蒸发预浓缩气冷凝器(12)、蒸发预浓缩喷射泵(14)、中压甲铵泵(17)，其特征在于：

(1)在CO₂气提塔(2)和低压精馏塔(8)之间串联中压预分离器(5)，来自CO₂气提塔(2)的尿素溶液减压至1.65～1.85MPaG送中压预分离器(5)完成闪蒸和气液分离，液相减压至0.3～0.4MPaG送低压精馏塔(8)，气相送蒸发预浓缩器(9)的气液混合物入口；

(2)在尿素合成塔(1)和低压精馏塔(8)之间并联中压分解系统，包括中压精馏塔(6)、中压CO₂气提塔(7)；尿素合成塔(1)出口尿液经减压至1.55～1.75MPaG送中压精馏塔(6)，在中压精馏塔(6)内完成气液闪蒸分离、液体精馏、加热分解和CO₂气提，尿液加热到155～162℃送到中压CO₂气提塔(7)进一步气提分解，温度152～158℃的尿液从中压CO₂气提塔(7)底部排出减压至0.3～0.4MPaG与中压预分离器(5)的出液汇合到一起送入低压精馏塔(8)，中压精馏塔(6)出口气相和中压CO₂气提塔(7)出口气相汇集在一起送到蒸发预浓缩器(9)的气液混合物入口；

(3)低压精馏塔(8)和尿液槽(16)之间串联蒸发预浓缩系统，蒸发预浓缩系统包括蒸发预浓缩器(9)、蒸发预浓缩气冷凝器(12)和蒸发预浓缩喷射泵(14)；低压精馏塔(8)出口尿素重量百分数为67％～72％的尿素溶液减压送到操作压力为0.038～0.045MPaA的闪蒸分离段(91)，尿液经闪蒸、气液分离后进入蒸发热利用段(92)的管程，尿液呈膜状自上而下流淌过程中与蒸发热利用段(92)壳程甲铵反应混合物进行热交换，尿液浓缩到尿素重量百分数为78％～85％、温度95～105℃，尿液靠重力离开蒸发预浓缩器(9)进入尿液槽(16)；蒸发预浓缩喷射泵(14)利用工艺冷凝液为动力，抽去蒸发预浓缩气冷凝器(12)中的不凝气体和少量的氨和CO₂气，使蒸发预浓缩器(9)上部压力保持在0.038～0.045MPaA；

(4)增加中压甲铵回收系统，包括中压甲铵冷凝器(10)、中压甲铵冷凝液位槽(11)、中压甲铵泵(17)；低压甲铵液经中压甲铵泵(17)加压至1.9～2.1MPa与来自中压预分离器(5)、中压精馏塔(6)和中压CO₂气提塔(7)的气相在蒸发预浓缩器(9)底部气液混合物入口处混合鼓泡进入蒸发热利用段(92)的壳程，反应热用于加热蒸发热利用段(92)管程中的尿液；未充分吸收反应的气液混合物进入中压甲铵冷凝器(10)进一步吸收反应变为高浓度的甲铵液，甲铵液温度控制在85～100℃，多余热量被中压甲铵冷凝器(10)管程的循环水移走；甲铵液从中压甲铵冷凝器(10)壳程上部出口管溢流到中压甲铵液位槽(11)进行气液分离，液相从中压甲铵液位槽(11)底部排出经高压甲铵泵(13)加压至14.5～15MPaG分别送到高压甲铵冷凝器(3)和高压洗涤器(4)；惰性气体和少量氨和CO₂从中压甲铵液位槽(11)顶部排出减压后送低压尾气回收系统。

2.按权利要求1所述的CO₂气提并/串联中压尿素节能增产工艺，其特征在于：中压分解采用中压精馏塔(6)和中压CO₂气提塔(7)两步法CO₂气提工艺，其中进入中压CO₂气提塔(7)的CO₂气提剂与中压CO₂气体总量的摩尔百分比为70％～80％。

3.按权利要求1所述的CO₂气提并/串联中压尿素节能增产工艺，其中所述的中压精馏塔(6)分为闪蒸分离段(61)、液体精馏段(62)、加热分解段(63)和CO₂气提段(64)；加热分解段(63)为降膜式换热器。

4.按权利要求1所述的CO₂气提并/串联中压尿素节能增产工艺，其中所述的蒸发预浓缩器(9)分为闪蒸分离段(91)和蒸发热利用段(92)；闪蒸分离段(91)为旋涡式气液分离器，蒸发热利用段(92)为降膜式换热器。

5.按权利要求1所述的CO₂气提并/串联中压尿素节能增产工艺，其中所述的中压CO₂气体压力等级为1.9～2.1MPaG、温度为150～170℃；中压CO₂气体用量和装置增产比例有关，加入中压CO₂气提塔(7)和中压精馏塔(6)底部的CO₂气量与合成尿素所需CO₂气量的摩尔百分比为5％～20％。

6.按权利要求1所述的CO₂气提并/串联中压尿素节能增产工艺，其中所述的高压甲铵泵(13)注入到高压洗涤器(4)的甲铵液占中压甲铵液总量的3/4～1/3。

7.按权利要求1所述的CO₂气提并/串联中压尿素节能增产工艺，其中所述的尿素合成塔(1)出液NH₃/CO₂＝2.98～3.15，H₂O/CO₂＝0.45～0.65。