CN104321305A - 由氨和二氧化碳制备尿素的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于在尿素设备中由氨和二氧化碳制备尿素的方法，该尿素设备包含具有水平池式冷凝器的高压合成部，其中该方法包括将热量从在池式冷凝器的壳部中容纳的高压工序介质交换至在池式冷凝器中设置的第一热交换部中容纳的含有中压尿素的溶液，以至少将氨基甲酸铵分解为NH3和CO2，其中该方法还包括将热量从高压工序介质交换至在池式冷凝器中设置的第二热交换部中容纳的低压蒸汽冷凝物，以产生低压蒸汽。本发明还涉及由氨和二氧化碳制备尿素的装置。

Description

由氨和二氧化碳制备尿素的方法和装置
技术领域
本发明涉及在包含高压合成部的尿素设备中由氨和二氧化碳制备尿素的领域。
背景技术
已知在尿素设备中由氨和二氧化碳制备尿素的方法。这样的方法例如从WO 2009/141344中得知。尿素设备可以包括高压汽提器、高压氨基甲酸盐冷凝器和池式冷凝器或池式反应器。方法可以基于所谓的n＝2热集成概念，在该概念中，供应至尿素设备的热量被使用两次。将蒸汽用于加热汽提器。在回收高压氨基甲酸盐冷凝器、池式冷凝器或池式反应器中的热量之后，将热量以低压蒸汽的形式再用于尿素设备的其他工序部中，或者(部分地)输出到尿素设备外部的使用者。
因为不断提升的能源成本以及由此引起的不断提升的由氨与二氧化碳制备尿素的成本，需要改善尿素设备的能量效率。
因此，本发明的目的是提供在尿素设备中由氨和二氧化碳制备尿素的改进方法。更具体而言，本发明的目的是提供以减少的能量消耗操作的在尿素设备中由氨和二氧化碳制备尿素的方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供在包含高压合成部的尿素设备中由氨和二氧化碳制备尿素的方法，其中高压合成部具有水平池式冷凝器。该方法包括将热量从在池式冷凝器的壳部中容纳的高压工序介质交换到在池式冷凝器中设置的第一热交换部中容纳的含有中压尿素的溶液，以至少将氨基甲酸铵分解成NH3和CO2。该方法还包括将热量从高压工序介质交换至在池式冷凝器中设置的第二热交换部中容纳的低压蒸汽冷凝器，以产生低压蒸汽。
使用这样的方法，紧接于产生低压蒸汽，氨基甲酸盐冷凝以释放热量，该热量用于将氨基甲酸盐分解成NH3和CO2。通过集成这两个功能，用于制备尿素的尿素设备的蒸汽消耗减少。结果，能量消耗低于例如前述的由氨和二氧化碳制备尿素的现有技术方法。结果，获得能量效率，且降低尿素制备的成本。应该注意的是，贯穿该说明书，应将池式冷凝器理解为液相是连续相的冷凝器。这样的池式冷凝器也可以称为浸没式冷凝器。
还应当注意的是，贯穿说明书，高压通常可以定义为高于100巴(10MPa)的压力，例如120巴(12MPa)。中压通常可以定义为10～35巴(1～3.5MPa)的压力，例如10～25巴(1～2.5MPa)。中等压力通常可以定义为20～100巴(2.0～10MPa)的压力，例如25～100巴(2.5～10MPa)，且低压通常可以定义为2～10巴(0.2～1MPa)的压力。
为集成上述功能，根据本发明的另一方面的池式冷凝器是壳管式热交换器，其中第一和第二热交换部各自包括基本上U形的管束。该壳管式热交换器可以是水平放置的浸没式冷凝器。换言之，壳管式热交换器可以包括容器，该容器基本上水平地放置，至少容器的中心轴基本上水平地延伸，以能够执行本发明的方法。
所述第一和第二U形管束从池式冷凝器的管板开始至少部分地通过池式冷凝器的内部空间延伸。第二U形管束配置成用于产生低压蒸汽。第一U形管束用于与中压再循环部的热集成。第一束在使用时填充有来自于所述中压再循环部的工序介质。因此，第一束在管侧以及其壳侧与工序介质接触。优选地，将氧化剂添加至用于制备尿素的工序中，以保护设备的不同部件的材料免受腐蚀。通过这样做，在金属表面上形成氧化物表皮。该氧化剂可以是氧，以空气的形式或作为过氧化物、或释氧化合物进行添加。此外，与工序介质接触的部件可以由具有抗腐蚀特性的奥氏体-铁素体双相不锈钢级制成。在这种情况下，在本发明的制备尿素的工序中可以减少或者甚至省略掉氧化剂的使用。
由于上述功能的集成，即，氨基甲酸盐的冷凝以及随后用于将氨基甲酸盐分解为NH3和CO2的热量的释放，而无任何中间热量传递介质，两个工序侧的可得温差能够使得各个U形管束相对较小。这对于使用本发明方法来制备尿素的装置的制造成本而言是有利的。
在本发明的更详细说明中，将在池式冷凝器的壳部中容纳的高压工序介质供应到池式冷凝器下游设置的后反应器。优选地，将新鲜的CO2供应至后反应器，以向后反应器内部的吸热尿素反应提供热量，以形成尿素合成溶液。
根据本发明的另一个方面，方法还包括将至少在第一热交换部中产生的气体供应至中压冷凝蒸发器，在该中压冷凝蒸发器中，所述气体至少部分地、任选完全地冷凝。在进入池式冷凝器的第一U管束前，将尿素/氨基甲酸盐溶液闪蒸至中等压力。将所得液体进一步降低到中压并在池式冷凝器的第一U管束中加热，从而第一次有效地再利用该热量，以将液体分解成CO2和NH3。在中压冷凝蒸发器中，至少来自于第一U形管束下游设置的分离器的气体在蒸发器的壳侧进行冷凝。在此释放的冷凝热量基本上用于从尿素水溶液中蒸发水，其中该尿素水溶液供应至中压冷凝蒸发器的管侧。因此，第二次再利用热量以在管侧从尿素水混合物中蒸发水。
根据本发明的另一方面，可以在中压冷凝蒸发器中于真空条件下蒸发来自尿素-水混合物的水。
优选地，根据本发明的另一个方面，中压冷凝蒸发器是降膜蒸发器。通过将中压冷凝蒸发器设计为降膜蒸发器，可以获得高效的逆流操作。沿着冷凝轨迹的某处，例如，冷凝轨迹的中间，可以经由中压洗涤器添加来自于低压再循环部的氨基甲酸盐。通过这样做，可以在壳侧与管侧之间保持充分的温差，以获得中压冷凝蒸发器的高效设计。
本发明还涉及优选地使用前述权利要求中任一项的方法由氨和二氧化碳制备尿素的装置，其中该装置包括高压合成部，该高压合成部具有配置成在其壳侧容纳高压工序介质的平行池式冷凝器，其中该装置包括第一热交换部，该第一热交换部用于将热量从高压工序介质交换至在所述第一热交换部中容纳的中压尿素溶液以将氨基甲酸铵分解为NH3和CO2，其中池式冷凝器包括第二热交换部，该第二热交换部用于将热量从高压工序介质交换至在所述第二热交换部中容纳的低压蒸汽冷凝物以将所述冷凝物转移到低压蒸汽中。
这样的装置提供与本发明方法相似的效果和优势。
根据以下本发明某些实施方式的详细描述，结合附图，将更完全地理解本发明的上述和其他特征和优点，其中实施方式和附图意在说明而不限制本发明。
附图说明
图1示出根据本发明实施方式的由氨和二氧化碳制备尿素的方法的示意图。
具体实施方式
参照图1，根据本发明的在尿素设备中由氨和二氧化碳制备尿素的方法的实例将参照用于制备尿素的装置1的不同元件进行描述。尿素设备包括装置1，装置1包含具有水平池式冷凝器4(即所谓的壳管式热交换器)的高压部2。池式冷凝器4包括容器，在使用时基本上水平地放置，并具有第一热交换部6和第二热交换部8。在所示的实施方式中，热交换部6、8包括基本上U形的管束10、12。第一U形管束10配置成用于氨基甲酸盐的冷凝以及用于随后通过所述冷凝过程中释放的热量将氨基甲酸铵分解成NH3和CO2。
第二U形管束12配置成产生低压蒸汽。U形束10、12均从池式冷凝器4的管板16开始至少部分地通过由池式冷凝器4的壳14所界定的内部空间延伸。
装置1还可以包括后反应器，在所示实施方式中为垂直反应器18，用于尿素转换的最终反应。在另一实施方式(未示出)中，后反应器可以与池式冷凝器结合。优选地，垂直反应器18位于地面水平。在垂直反应器18的底部，设置有进口19以用于将新鲜CO2供应至反应器使吸热尿素反应能够进行。装置1也可以包括CO2汽提器20和中压再循环系统22。后一系统22可以包括布置在第一U形管束10的下游的分离器24、中压精馏塔26和中压冷凝蒸发器28。
中压冷凝蒸发器28可以是使得能够进行高效逆流(counter current)操作的降膜蒸发器。已发现，所示实施方式的中压部22的最佳操作压力可以为15～35巴(1.5～3.5MPa)，更优选为20～30巴(2～3MPa)，例如，约22.5巴(2.25MPa)。在本发明所示实施方式的装置1的低压部32中，最佳操作压力可以为2～7巴(0.2～0.7MPa)，优选为4～6巴(0.4～0.6MPa)，例如，约5.8巴(0.58MPa)。同时，相比于前述现有技术方法的压力，汽提器20的壳上的所需蒸汽压可以显著更低。这可以使得总能量消耗得以进一步降低，因为涡流抽汽的压力可以显著降低。
根据本发明的方法包括向垂直反应器18供应一定量的二氧化碳。在垂直反应器18中，形成尿素合成溶液，其供应(箭头B)至汽提器20。在汽提器20中，该溶液通过添加热量并在所供应的作为汽提气体(箭头E)的二氧化碳下进行汽提。在汽提过程中，得到混合气流，该气流供应至池式冷凝器4(箭头J)。同时将新鲜的氨供应至池式冷凝器4(箭头K)。将池式冷凝器4的容器中形成的尿素溶液供应至垂直反应器18(箭头L)。优选地，合成压力保持在125～175巴(12.5～17.5MPa)的操作水平，更优选为140～150巴(14～15MPa)，例如，约144巴(1.44MPa)。
分离器24布置在第一U形管束10的下游，并将来自于所述管束10的气相与液相分离。在中压再循环系统22中，还设置有中间闪蒸罐30，该中间闪蒸罐可以向中压精馏塔26供应富含CO2的气体(箭头C)，以调整来自于第一U形管束10的液体的NH3/CO2比率。中间闪蒸罐中使用的操作压力可以例如为20～80(2～8MPa)，更优选为30～70巴(3～7MPa)，甚至更优选为50～60巴(5～6MPa)，例如为55巴(5.5MPa)。随后，将液体排出到低压再循环部32(箭头D)。
来自于中压精馏塔26的气体、来自于分离器24的气体和来自于合成的气体(箭头F)进行合并并在中压冷凝蒸发器28的壳侧冷凝。结果，第二次有效地再利用热量以在管侧从尿素熔融溶液中蒸发水。中压再循环系统22还可以包括中压洗涤器34。沿着冷凝轨迹的某处，例如所述轨迹的中间，将来自于低压再循环部32的氨基甲酸盐经由中压洗涤器34添加到中压冷凝蒸发器28(壳侧)。通过这样做，在中压冷凝蒸发器28的壳侧与管侧之间保持充分的温差，得到高效的热交换器设计。
使用高压氨基甲酸盐泵36，将来自于中压冷凝蒸发器28的壳侧的浓缩氨基甲酸盐溶液供应至池式冷凝器4(箭头G)。未冷凝的气体以及惰性气体在中压洗涤器34中使用来自于低压再循环部32的氨基甲酸盐(箭头H)进行洗涤。将所得的气体供应到低压吸收器38(箭头I)。
尽管本发明的示例说明的实施方式在以上部分地参照附图进行了描述，应该理解的是，本发明不限于这些实施方式。根据对附图、公开内容和所附权利要求的研究，对所公开实施方式的变动可以被本领域技术人员在实施要求保护的发明时所理解并实现。
贯穿本说明书，“一个实施方式”或“实施方式”是指，结合实施方式所描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，贯穿说明书，短语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”在多个地方的出现并不必然地述及同一实施方式。此外，应该注意到，一个或更多个实施方式的特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式进行组合，以形成新的没有明确描述的实施方式。

Claims (15)

1.一种用于在尿素设备中由氨和二氧化碳制备尿素的方法，所述尿素设备包含具有水平池式冷凝器的高压合成部，其中所述方法包括将热量从在所述水平池式冷凝器的壳部中容纳的高压工序介质交换到在所述水平池式冷凝器中设置的第一热交换部中容纳的含有中压尿素的溶液，以至少将氨基甲酸铵分解为NH3和CO2，其中所述方法还包括将热量从所述高压工序介质交换至在所述池式冷凝器中设置的第二热交换部中容纳的低压蒸汽冷凝物，以产生低压蒸汽。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述池式冷凝器是壳管式热交换器，其中所述第一热交换部和所述第二热交换部各自包括基本上U形的管束。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将在所述池式冷凝器的壳部中容纳的高压工序介质供应至所述池式冷凝器的下游设置的后反应器。
4.根据权利要求3所述的方法，其中将新鲜的CO2供应至所述后反应器，以向所述后反应器内部的吸热尿素反应提供热量。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法还包括将至少在所述第一热交换部中产生的气体供应至中压冷凝蒸发器，在所述中压冷凝蒸发器中，所述气体至少部分地冷凝。
6.根据权利要求5所述的方法，其中在所述中压冷凝蒸发器中，来自于尿素-水混合物的水在真空条件下蒸发。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中所述中压冷凝蒸发器包括降膜蒸发器。
8.一种由氨和二氧化碳制备尿素的装置，优选地使用前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述装置包括高压合成部，所述高压合成部具有配置成在其壳侧容纳高压工序介质的水平池式冷凝器，其中所述装置包括第一热交换部，所述第一热交换部用于将热量从所述高压工序介质交换至在所述第一热交换部中容纳的中压尿素溶液以将氨基甲酸铵分解成NH3和CO2，其中所述池式冷凝器包括第二热交换部，所述第二热交换部用于将热量从所述高压工序介质交换至在所述第二热交换部中容纳的低压蒸汽冷凝物以将所述冷凝物转移到低压蒸汽中。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述第一和/或第二热交换部包括U形束，分别配置成用于容纳含有中压尿素的溶液和/或所述低压蒸汽冷凝物。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其中所述池式冷凝器为壳管式热交换器。
11.根据权利要求8～10中任一项所述的装置，其中所述装置包括设置于所述池式冷凝器的下游的后反应器。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述后反应器还包括用于将CO2供应至所述后反应器的CO2进口。
13.根据权利要求11或12所述的装置，其中所述后反应器是垂直反应器。
14.根据权利要求8～13中任一项所述的装置，其中所述装置还包含中压冷凝蒸发器，其设置在所述第一热交换器的下游并与所述第一热交换器流体连接，以便将所述第一热交换器中产生的气体冷凝并在真空条件下从尿素-水混合物中蒸发水。
15.根据权利要求8～14中任一项所述的装置，其中所述中压冷凝蒸发器是降膜蒸发器。
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