CN105008327A - 尿素设备改造方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种增加现有尿素设备的生产能力的方法。参照尿素设备的常规组件，包括包含有高压氨基甲酸盐冷凝器和反应器的合成部以及回收部，该方法包括在回收部与高压氨基甲酸盐冷凝器之间安装另外的反应器。该另外的反应器优选安装为与排出器连接，从而允许在地面放置该另外的反应器。

Description

尿素设备改造方法
技术领域
本发明为尿素生产领域，且具体地涉及增加现有尿素设备的生产能力的方法。
背景技术
尿素通常由氨和二氧化碳生产而来。其可以通过将过量氨与二氧化碳在12～40MPa的压力和150℃～250℃的温度下引入尿素合成区而进行制备。作为结果的尿素形成最好以两个连续反应步骤的形式存在，在第一步骤中，氨基甲酸铵(ammonium carbamate)按照放热反应而形成：
2NH3+CO2→H2N–CO–ONH4
在这之后，形成的氨基甲酸铵在第二步骤中按照吸热平衡反应脱水以产生尿素：
这些反应进行的程度特别取决于所采用的温度和过量的氨。在尿素合成溶液中得到的反应产物基本上由尿素、水、未结合的氨和氨基甲酸铵组成。将氨基甲酸铵和氨从溶液中除去并通常使其返回至尿素合成区。在尿素合成区中，除上述溶液之外，形成由未转化的氨和二氧化碳以及惰性气体组成的气体混合物，其称为反应器废气。尿素合成部可以包含用于形成氨基甲酸铵和尿素的独立区。这些区也可以结合在单个装置中。
在尿素气提设备中，未转化成尿素的氨基甲酸铵的分解以及常见的过量氨的排出大体在基本上与合成反应器中压力相等的压力下发生。这样的分解和排出发生在一个或多个安装在反应器下游的气提塔中，可能在气提气体例如，比如二氧化碳和/或氨的辅助下，且在热量的加入下发生。还可以实施热气提。热气提是指，应用完全由热供应构成以分解氨基甲酸铵并从尿素溶液中除去存在的氨和二氧化碳。离开气提塔的气流包含氨和二氧化碳，该氨和二氧化碳在高压冷凝器中冷凝并随后返回尿素合成区。
在尿素气提设备中，合成区在160～240℃的温度下操作，且优选为170～220℃的温度。合成反应器中的压力为12～21MPa，优选为12.5～20MPa。在本领域中，这些范围通常被视为表示“高压”(也与传统“高压氨基甲酸盐冷凝器”结合使用)。在气提设备的尿素合成区中的氨与二氧化碳的摩尔比(N/C比)通常落在2.2与5之间且优选2.5与4.5mol/mol之间。合成区可以在单个的反应器中或在并联或串联布置的多个反应器中实施。
在气提处理后，气提后的尿素溶液的压力在尿素回收部中降低。在回收部中，将尿素溶液中的未转化的氨和二氧化碳从尿素和水溶液中分离。回收部通常包含加热器、液/气分离部和冷凝器。将进入回收部的尿素溶液加热以使挥发性组分氨和二氧化碳从溶液中蒸发出来。用在加热器中的加热剂通常为蒸汽。将在该加热器中形成的蒸气以液/气从尿素水溶液中分离，随后该蒸气在冷凝器中冷凝形成氨基甲酸盐溶液。释放的冷凝热通常消散在冷却水中。在以低于合成部中压力的压力运行的回收部中形成的氨基甲酸盐溶液优选地返回至以合成压力运行的尿素合成部中。回收部通常是单个的部或者可以是串联布置的多个回收部。
存在许多种尿素生产装置。当面对尿素生产的需求增长时，寻求增加现有设备能力的方法，而不是建设新的。这对于使得尿素设备以更加高能效的方式操作的持续需求也同样适用。设备生产能力的增加有时也意味着“去瓶颈化”。因为人们经常会提高设备的一部分(例如反应器)的生产能力，然后发现得到的提高的生产能力不能被设备的一个或多个其他部分(例如氨基甲酸盐冷凝器)所容纳。本领域中已经提出了多种解决方式以满足一种或多种此前的需求。
增加反应器体积的常规方式是本领域已知的。例如可以通过扩大反应器本身来提高现有反应器的反应器体积。这可以通过切割反应器上部的半个盖并在现在的半个盖和反应器底部之间置入一个圆柱形部分来实现。随后可以在适当的部位焊接这些部件。该方法的缺点是扩张可能性因高度显著增加而受限，这通常受法规以及另外的增强支撑反应器的结构的需求所限。另一已知方法是以串联方式增加额外的反应器，但是这具有类似的缺点。增加生产能力的第三种方法是通过用池式冷凝器来替换HPCC，但这需要复杂的装置设计。
作为进一步的背景技术，参考WO 96/20170。在本文中，在用于尿素生产的方法中，在主反应场所中获得尿素反应混合物。使反应混合物进行气提并然后送至回收部。将来自回收部的氨基甲酸盐物流再循环至副反应场所。在副反应场所中，将氨基甲酸盐转化为尿素。将来自副反应场所的尿素液体物流运送至气提塔。将来自气提塔的整个气体物流运送至冷凝器。
发明内容
为更好地解决一种或多种前述需求，本发明提供一种提高现有尿素设备的生产能力的方法，该现有设备包括高压氨基甲酸盐冷凝器、反应器、气提塔和回收部，其中：
-冷凝器包括与反应器的液体入口流体连通的液体出口；
-反应器包括与气提塔流体连通的液体出口；
-气提塔包括与冷凝器的气体入口流体连通的气体出口以及与回收部流体连通的液体出口；
-回收部包括与冷凝器的液体入口流体连通的液体出口；
该方法包括安装另外的反应器和流送线路，使得该另外的反应器具有与回收部的液体出口流体连通的液体入口；该另外的反应器包括与冷凝器的冷凝腔室的入口流体连通的液体出口。
附图说明
图1和图2是在图1中示出常规设备且在图2中示出由本发明的改造方法得到的相应设备的框图；
图3和图4是在图3中示出常规设备且在图4中示出由本发明的改造方法得到的相应设备的示意图；
图5和图6是在图5中示出常规设备且在图6中示出由本发明的改造方法得到的相应设备的示意图；
图7和图8是在图7中示出常规设备且在图8中示出由本发明的改造方法得到的相应设备的示意图。
具体实施方式
广义而言，本发明基于以下明智洞察，即现有尿素设备的生产能力可以以相较于扩大合成部而言完全不同的方式而提高。扩大合成部是在解决提高生产能力的问题中的典型方式。一种是在尿素设备中已经存在的反应器的下游安装额外的反应器。这相当于扩大了尿素合成部的生产能力。这样的额外的反应器成为单单建造具有更大的反应器的新设备的替代改造方案。另一种这样的替代单单建造新反应器的改造方案是将现有反应器扩展(由此实际上是将其扩大)。本发明在尿素设备的完全不同的区部中增加了反应器，即，直接在回收部之后增加。而且，本发明并非只是增加了基于尿素设备的典型进料物流运作的尿素反应器，而是对其特定供应氨基甲酸盐溶液的反应器(即，运转而仅进行第二阶段的尿素合成，如上所概述)。
本发明不仅仅在提高尿素生产能力的意义上提供了益处。令人惊奇地发现，根据本发明安装另外的尿素反应器使得高压氨基甲酸盐冷凝器(HPCC)中的蒸汽压提高。不希望束缚于理论，发明人相信这是由于HPCC中存在显著量的尿素而引起的，从而使HPCC的工作温度升高。结果HPCC中的压力将更高。较高压力的蒸汽可以被交换以提高生产能力或用于节约能量。此外观察到了更高的尿素转化率。
前述体现在以下要求中，即上述另外的反应器包含与冷凝器的冷凝腔室的入口流体连通的液体出口。
应理解的是，冷凝腔室是这样的冷凝器空间，气体通常进入该空间中并随后在该冷凝腔室中冷凝成液体。上述另外的反应器的液体出口因而与冷凝器的入口(通常是气体入口)流体连通。例如，在壳管式冷凝器的情况中，冷凝腔室通常是其壳侧。通常会认识到，液体(即，冷却液)被运送至冷凝器的管侧，(要冷凝的)气体被运送至壳侧。在本发明中，所确定的具体液体，即在上述另外的反应器中生产的尿素溶液，被运送至冷凝腔室例如壳管式冷凝器的壳侧。
此外，在本发明的方法中，优选仅将一部分气提气体运送至冷凝器，将剩余的运送至另外的反应器。这用来向另外的反应器提供热并提高尿素的转化率。
本发明的尿素方法的具体蒸汽消耗将会更低。本发明的特别优势是上述另外的反应器可以置于地面上。这减少对显著结构支撑物的需求。另外的优点是上述另外的反应器可以具有简单设计，例如具有托盘的垂直塔。
另外的反应器有时也被描述为“预反应器”或者“尿素预反应器”(UPR)。
在本发明的优选实施方式中，上述另外的反应器以逆流模式工作；即，液体在顶部进入并向下流动，而气体进料在底部进入并相对于下降的液体逆流上升。令人惊奇地发现，该运行模式使得在上述另外的反应器中可以有相较于对垂直尿素反应器更普遍的并流运行模式而言更高的转化率。相信这样的更高转化率的主要原因在于下述事实，即在逆流运行模式中，液体从反应器的底部被收取，而在底部气相包含最低量的非冷凝物并且观察到气相中最低含量的轻组分。
在本发明的改造设备中，对回收的氨基甲酸盐溶液施加尿素形成条件。这些条件通常需要12～18MPa之间的操作压力，以及160℃～210℃之间的温度，优选175℃～190℃。压力优选为13～16MPa之间。
在本发明设计的基础上建立新的设备(有时意味着“基层”设备)是可能的。这将提供前述就蒸汽效率和尿素转化率而言的优点。然而，应理解尿素生产能力的提高在基层设备的情况下并不起作用。其通常在现有设备的改造中起作用。
本发明的改造方法尤其用于使得改造后尿素设备的生产能力相较于改造前相同设备的生产能力而言提高。其关键在于，根据本发明，安装如上所概述的另外的反应器，即，置于存在于现有设备的回收部与高压氨基甲酸盐冷凝器之间的另外的反应器。
在本说明书中提及了尿素设备的生产能力。这是指在给定时间段内能产出的尿素的体积。更具体地，本发明涉及通过增加尿素合成可用的反应器体积来提高尿素设备的生产能力。
在设备的定义中，有时提及术语“液体出口”、“气体出口”和对应的入口。将理解的是，“液体出口”是可以使液体流过的出口，“气体出口”是能够使气体流过的出口。各个入口同理。本领域技术人员非常熟知可用于这些目的之一或全部目的的出口和入口类型。
用于气体和/或液体的流送线路通常以合适的管道形式提供。
流体连通是指设备的两个部分经由气体或液体流送线路连接以此方式使得流体(气体、液体或超临界液体)能够从一者传输至另一者的设置。
本发明的特别优势在于，上述另外的反应器可以位于地面上。这减少对显著结构支撑物的需求。为此，在上述另外反应器的下游放置排出器。该排出器(本领域技术人员已知其用于提供抽吸功能而无需机械构件)置于另外反应器的下游，即，具体是在另外的反应器与高压氨基甲酸盐冷凝器之间。
在本发明得到的设备的另一优选实施方式中，使高压洗涤器位于尿素回收部与另外的反应器之间。在该实施方式中，本发明有利地将氨基甲酸盐再循环物流用作洗涤液的应用与另外反应器中的尿素生产相结合。氨基甲酸盐再循环物流在作为洗涤液时将通过从反应器上空气体物流吸收二氧化碳和氨而变得富含二氧化碳和氨。由此，氨基甲酸盐再循环物流将有效地变得更加浓缩。结果，该物流进而在另外的反应器中产生更多的尿素。
上述另外的反应器(与常规反应器相似)优选是垂直反应器。这提供空间优势，因为这样的反应器提供能想到的最小占用空间。另外的尿素反应器可以具有简单设计，例如是具有塔盘的垂直塔。
在本发明的优选实施方式中，另外的反应器以逆流模式工作；即，液体在顶部进入并向下流动，而气体进料在底部进入并相对于下降的液体逆流上升。令人惊奇地发现，该运行模式使得在上述另外的反应器中可以有相较于对垂直尿素反应器更普遍的并流运行模式而言更高的转化率。相信这样的更高转化率的主要原因在于下述事实，即在逆流运行模式中，液体从反应器的底部被收取，而在底部气相包含最低量的非冷凝物并且观察到气相中最低含量的轻组分。
除另外的反应器之外，本发明的尿素设备可以是任何基于氨或二氧化碳的气提的尿素设备。同时热气提设备可以用作起始设备。用于生产尿素的商用方法的综述在例如Ullmann Encyclopedia,2005Wiley-VCH Verlag,Weinheim,Germany,“Urea”(尿素)章节中给出。
按气提法制备尿素经常使用的方法是二氧化碳气提法，如记载于Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry,Vol.A27,1996,pp333-350中的。在该方法中，合成部后接一个或多个回收部。合成部包含反应器、气提塔、冷凝器和洗涤器，其中操作压力在12与18MPa之间且优选在13与16MPa之间。在合成部中，将离开尿素反应器的尿素溶液供应至气提塔，在气提塔中，大量未转化的氨和二氧化碳从尿素水溶液中分离。这样的气提塔可以是壳管式热交换器，在热交换器中，将尿素溶液供应至管侧的顶部并将供应用于合成的二氧化碳加至气提塔的底部。在壳侧，加入蒸汽以加热溶液。尿素溶液从热交换器的底部离开，而蒸气相从气提塔的顶部离开。离开该气提塔的蒸气包含氨、二氧化碳和少量水。该蒸气在可以是水平式或垂直式的降膜式热交换器或浸没式冷凝器中冷凝。水平式浸没热交换器在Ullmann'sEncyclopedia of Industrial Chemistry,Vol.A27,1996,pp 333-350中记载。在该冷凝器中通过放热氨基甲酸盐冷凝反应释放的热通常用于产生蒸汽，该蒸汽用于下游尿素加工部以加热并浓缩尿素溶液。由于在浸没式冷凝器中产生有特定的液体停留时间，部分尿素反应已经在该冷凝器中发生。形成的溶液，包含冷凝的氨、二氧化碳、水和尿素连同未冷凝的氨、二氧化碳和惰性蒸气被运送至反应器。在反应器中，上述从氨基甲酸盐到尿素的反应接近平衡。在离开反应器的尿素溶液中，氨与二氧化碳的摩尔比通常在2.5与4mol/mol之间。也可以将冷凝器和反应器结合在一个仪器中。该仪器的实例在Ullmann's Encyclopediaof Industrial Chemistry,Vol.A27,1996,pp 333-350中有记载。将离开尿素反应器的所形成尿素溶液供给气提塔，并将包含未冷凝的氨和二氧化碳的惰性蒸气运送至以与反应器相似压力操作的洗涤部。在该洗涤部中，将氨和二氧化碳从惰性蒸气中洗去。将来自下游回收系统的所形成氨基甲酸盐溶液用作洗涤部的吸附剂。在该合成部中，离开气提塔的尿素溶液需要至少45重量％、优选为至少50重量％的尿素浓度在气提塔下游的一个单回收系统中处理。回收部包含加热器、液/气分离器和冷凝器。该回收部中的压力在200至600kPa之间。在回收部的加热器中，通过加热尿素溶液将大量氨和二氧化碳从尿素和水相中分离出来。通常而言，将蒸汽用作加热剂。尿素和水相包含少量离开回收部并被运送至下游尿素加工部的溶解的氨和二氧化碳，在下游尿素加工部中，尿素溶液通过从溶液中蒸发水而进行浓缩。
本发明不限于任何特定的尿素生产方法。其他方法和设备包括基于例如由Urea Casale开发的HEC法、由Toyo Engineering Corporation开发的ACES法和Saipem(原来为Snamprogetti)开发的方法等技术的那些。
根据本发明而放置的另外的反应器可以是标准型的。反应器通常是具有合适的入口和出口以及控制温度和压力的规定的容器。具体而言，本发明的另外的反应器制备成在前述的高压尿素合成条件下操作。鉴于常见的腐蚀环境，另外的反应器优选由高度耐腐蚀型钢制备。后者特别是指双相钢，且更特别地是指Cr和N的含量高且Ni的含量低的双相铁素体奥氏体不锈钢。这方面参考WO 95/00674。在另一优选的实施方式中，另外的反应器(且特别是其内部)由双相不锈钢制备，双相不锈钢以重量百分比计由以下成分构成：C：0.03％或更低，Si：0.5％或更低，Mn：2％或更低，P：0.04％或更低，S：0.003％或更低，Cr：26％或更高但低于28％，Ni：7.3～10％，Mo：0.2～1.7％，W：高于2％但不高于3％，N：高于0.3％但不高于0.4％，余量为Fe和杂质，其中作为杂质的Cu的量不高于0.1％。这样的钢记载于US 7,347,903中。
优选的另外的反应器由双相不锈钢合金制成，该双相不锈钢合金以重量百分比计包含以下成分：
-C：最多0.05％，优选为最多0.03％；
-Si：最多0.8％，优选为最多0.5；
-Mn：0.3～4％，优选为0.3～1％；
-Cr：28～35％，优选为29～33％；
-Ni：3～10％；
-Mo：1.0～4.0％，优选为1.0～1.3％；
-N：0.2～0.6％，优选为0.36～0.55％；
-Cu：最多1.0％；
-W：最多2.0％；
-S：最多0.01％；
-Ce：0～0.2％；
剩余部分为Fe和通常出现的杂质和添加剂，铁素体的量为30～70体积％，优选为33～35体积％。
本发明在下文中参考附图进行说明。附图用于示例说明的目的，并不意在限制本发明。
图的说明
在附图中，大写字母(A～E)表示尿素设备的组件。小写字母(a～f)表示物流。图的说明如下：
A＝高压氨基甲酸盐冷凝器
B＝高压反应器
C＝高压气提塔
D＝尿素回收部
E＝尿素预反应器(UPR)
F＝高压洗涤器
a＝氨
b＝二氧化碳
c＝再循环的氨基甲酸盐
d＝气提气体
e＝尿素
f＝通往UPR的气提气体
g＝浓缩的再循环氨基甲酸盐
h＝来自UPR的尿素物流
图1和图2是在图1中示出常规设备且在图2中示出由本发明的改造方法得到的相应设备的框图。在图1中示出常规运作，其中将来自回收部(D)的氨基甲酸盐物流(c)再循环回到合成部中，即，循环至高压氨基甲酸盐冷凝器(A)。与之相比，图2示出加入反应器(E)，该反应器(E)中被引入氨基甲酸盐再循环物流(c)，由此，将形成的尿素物流(h)引至高压氨基甲酸盐冷凝器(A)。
图3是常规尿素设备的示意图(与图1框图所示的构造类似)。同样地，图4是根据本发明改造的尿素设备的示意图(与图2框图所示的构造类似)。
图5是具有并联的两个高压氨基甲酸盐冷凝器(A)这一类型的常规尿素设备的示意图。图6是示出根据本发明改造的图5尿素设备的示意图，即具有另外的反应器(E)，形成的尿素物流(h)从该另外的反应器(E)被引至冷凝器(A)。
图7是具有位于回收部(D)下游的高压洗涤器(F)这一类型的常规尿素设备的示意图。图8是示出根据本发明改造的图7尿素设备的示意图，即具有位于洗涤器(F)下游的另外的反应器(E)。从该洗涤器中，将浓缩的氨基甲酸盐物流(g)供应至另外的反应器(E)。

Claims (6)

1.一种提高现有尿素设备的生产能力的方法，所述现有设备包括高压氨基甲酸盐冷凝器、反应器、气提塔和回收部，其中：
-所述冷凝器包括与所述反应器的液体入口流体连通的液体出口；
-所述反应器包括与所述气提塔流体连通的液体出口；
-所述气提塔包括与所述冷凝器的气体入口流体连通的气体出口以及与所述回收部流体连通的液体出口；
-所述回收部包括与所述冷凝器的液体入口流体连通的液体出口；
所述方法包括安装另外的反应器和流送线路，使得所述另外的反应器具有与所述回收部的液体出口流体连通的液体入口；所述另外的反应器包括与所述冷凝器的冷凝腔室的入口流体连通的液体出口。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，高压洗涤器位于所述尿素回收部与所述另外的反应器之间。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述另外的反应器包括垂直反应器。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述另外的反应器与所述高压氨基甲酸盐冷凝器之间存在有排出器。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述另外的反应器放置在地平面上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述另外的反应器设计成用于逆流操作。
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