CN1051075C - 二氧化碳气提法尿素生产工艺及装置 - Google Patents

Abstract

二氧化碳气提法尿素增产新工艺及装置，原高压、低压系统设备不变，增加中压分解塔、冷凝器、分离器，真空预浓缩器、预浓缩表面冷凝器，将合成尾气引入中压分解塔作气提剂。合成条件：NH₃与CO₂摩尔比3.0-3.1，H₂O与CO₂摩糸比0.4，合成转化率53-58%，气提效率73-85%内，低压系统不超压，尾气中NH₃和CO₂放空损失减少。中压分解塔、真空预浓缩器为“三组合”式结构。本发明用于现有设备改造，产量增加15-25%，也适于新建厂。

Description

二氧化碳气提法尿素生产工艺及装置

本发明属于尿素生产工艺及装置类，具体地是采用二氧化碳气提法生产尿素的工艺及装置。

以氨和二氧化碳为原料合成尿素的方法很多，最具代表性的有水溶液全循环法、热循环法、CO₂气提法、氨气提法、IPR和ACES法等，而采用最多的为如图2所示的CO₂气提法。其工艺流程为：CO₂气体加入防腐用空气经压缩机1加压并经脱氢反应器26脱氢后，从气提塔4底部送入。与从塔顶自上而下来的合成反应液逆流接触，进行加热气提分解，气体从顶部导出进入高压冷凝器5上部，在此与由氨泵2打入的液氨和由高压洗涤器7来的甲铵溶液混合一并进行冷凝吸收，反应生成甲铵反应热副产0.34MPa低压蒸汽，供后续工序使用。料从高压冷凝器底部自流导入尿素合成塔3，合成尿素。合成尾气经高压洗涤器回收CO₂和氨后放空。

气提塔底部出液减压至0.24MPa后进入精馏塔9，加热分解。分解出的NH₃、CO₂在低压甲铵冷凝器15，低压甲铵洗涤器16内冷凝吸收，形成甲铵溶液经高压甲铵泵17送高压系统；尿素溶液经减压闪蒸送至尿素溶液槽36，然后由尿素溶液泵20送入一、二段蒸发器21、22，浓缩为99.7％(wt)熔融尿素液，由熔融尿素泵23送造粒塔24造粒，从塔底得产品。图中50分离器、51解吸塔。45水解塔。

上述工艺的合成反应条件为：NH₃与CO₂摩尔比为2.8-2.9，H₂O与CO₂摩尔比为0.34，气提效率80-83％，合成转化率57％。当运行多年或气提管内结垢，影响气提率下降，甲铵分解率下降，而系统内又只有高压系统和低压系统两部分，在前面高压系统未分解的甲铵转移到后面低压系统去分解吸收，负荷后移结果造成低压系统超压，低压尾气放空损失氨和CO₂的量增加，装置内如此恶性循环下去，无法正常操作，导致尾气中NH₃和CO₂的排放量较正常的高于30-58倍，造成很大的损失。

本发明的目的旨在根据上述CO₂气提法存在的问题，设计一种新的二氧化碳气提法尿素生产工艺及装置。本发明对原有高压圈设备及低压和后处理设备基本上不予改动，增加中压分解和真空预浓缩等设备，将合成尾气引入一股至中解分解塔作气提剂。按本发明可提高NH₃和CO₂、H₂O与CO₂的摩尔比，提高气提率和转化率，可使产量增加15-25％。可使生产操作弹性增加。

本发明的目的是以下述方式实现的，二氧化碳气提法尿素生产工艺及装置，本工艺为：摩尔浓度≥98.5％、压力0.103MPa、温度为～40℃的原料CO₂气体，经CO₂压缩机1、脱氢系统26、进入气提塔4底部。在塔内与合成塔3出来的反应混合液进行等压加热气提分解。气体从顶部导出送至高压冷凝器5，在此与氨泵2打入的液氨和高压洗涤器7来的甲铵溶液混合一并进行冷凝吸收，反应生成甲铵，反应副产0.4MPa低压蒸汽，供后续工序使用。高压冷凝器出料自流入合成塔3，反应生成尿素，合成反应温度183-187℃，压力13.54-14.5MPa。气提塔出液温度165～170℃，经减压到1.76-2.45MPa进入中压分解塔8进行加热气提分解，出高压洗涤器7的合成塔尾气，其量为尾气量的50-100％，引入中压分解塔进入加热分解，分解压力1.76-2.45MPa、分解温度135-150℃。中压分解后的尿素溶液减压至0.294MPa进精馏塔9，在循环加热器11内对残留的甲铵进行加热分解，经低压分离器12后尿素溶液送真空预浓缩器10，低压分解气在低压冷凝器15冷凝，用甲铵泵18泵入真空预浓缩器10的壳侧，壳侧操作压力1.7-2.4MPa、温度105-150℃，与中压分解气一起冷凝，释出热量用于浓缩管内尿素溶液。冷凝甲铵液经甲铵泵17加压后返回高压洗涤器7，出塔尿素溶液减压至0.0392MPa送入真空预浓缩器中部热回收段管内，在操作压力1.76-2.45MPa、温度100-105℃下，利用中压分解气冷凝放出的热量，将尿素溶液由重量百分浓度为68-70％浓缩至80-85％，由尿素溶液泵20送入一、二段蒸发器21、22，一段蒸发压力0.02MPa、温度130-135℃、二段蒸发压力0.0033MPa、温度140-145℃、出口尿素溶液重量百分浓度为99.7-99.8％，成为熔融尿素，经熔融尿素泵23送入造粒塔24造粒。

二氧化碳提法尿素生产装置，包括高压系统、低压系统和后处理设备，高压系统的合成塔3、气提塔4、高压冷凝器5，高压洗涤器7依次用管道连通，低压系统的低压冷凝器15、低压甲铵洗涤器16用管道连通，后处理设备的一、二段蒸发器21、22、解吸塔、尿素水解塔45、造粒塔24依次用管道连通，在高、低压系统之间设中压系统，高压系统的气提塔4、中压系统的中压分解塔8、精馏塔9、循环加热器11、低压分离器12依次用管道连通，低压分离器12上、下部分别与低压冷凝器15、中压系统的真空预浓缩器10连通，中压分解塔8上部、真空预浓缩器10、中压冷凝器13、中压冷凝分离器14、中压甲铵泵18、高压洗涤器7依次用管道连通，真空预浓缩器10、真空预浓缩表面冷凝器27、一段蒸发表面冷凝器(28)依次用管道连通。

下面参照附图详述本发明内容。

图1本发明工艺流程及装置示意图

图2现有CO₂气提工艺流程及装置示意图

参照图1，图中6高压喷射泵、11循环加热器。在气提塔4内，CO₂与从合成塔3出来的反应混合液进行等压加热气提分解，气提效率73-85％。出液经减压进入中压分解塔8上部填料蒸馏段进行气-液分离，并洗涤由中部加热段分解上升的热气流。液相经填料蒸馏段后、再均匀分布进入中部降膜式热交换管内，由管外1.32MPa中压蒸汽加热，同时引入经高压洗涤器7的合成塔尾气，进行加热气提分解，该尾气为含少量NH₃、CO₂的惰性气体，其量为尾气量的50-100％，引入中压分解塔8，与从精馏段下流的液相进行加热分解，分解压力1.76-2.45MPa，分解温度135-150℃、甲铵总的分解率达80％以上。尾气引入中压分解塔既有利于中压分解，又可利用其所含的氧气作为中压系统设备和管道的防腐钝化用氧，保护设备和管件。

从中压分解塔出的含大量NH₃、CO₂的中压分解气进入真空预浓缩器的热回收段与低压冷凝器16来的稀甲铵液进行冷凝吸收。未冷凝气体约50％进入中压冷凝器13，进一步冷凝吸收。真空预浓缩器10和中压冷凝器内形成的甲铵液，重量百分浓度65-70％、其组分：CO₂ 38-39％(wt)、NH₃ 35-36％(wt)，经中压冷凝分离器14进行气流分离，尾气送吸收塔38后放空，甲铵液经高压甲铵泵17加压后返回高压洗涤器7顶部，一小部分约10％直接引到高压冷凝器上部。为调节适宜的甲铵浓度，控制NH₃和CO₂摩尔比，将原料液氨自高压液氨泵2出口引小量至浓缩器10热回收段壳侧。

从精馏塔9上部引出的气体在低压甲铵冷凝器15内冷凝形成温度55℃、压力0.294MPa的稀甲铵液经中压甲铵泵18加压至1.82-2.5MPa送入真空预浓缩器10中部热回收段。低压分解尾气经低压洗涤器16被洗涤吸收未冷凝的NH₃和CO₂，再经吸收塔39吸收后放空。

精馏塔9出口尿素溶液送真空预浓缩器10上部分离段经气流分离后，进入中部降膜式热回收段，沱缩重量百分浓度为80-85％后流出，进尿素溶液贮槽19，再由尿素溶液泵20送一、二段蒸发器21、22，成重量百分浓度为99.7-99.8％的熔融尿素，由熔融尿素泵23送造粒塔24，由喷头25进行喷洒造粒。真空预浓缩器管内操作压力0.0392MPa、温度100-105℃，壳侧操作压力1.7-2.4MPa，温度105-150℃。预浓缩尿素溶液无需蒸汽加热，节约能源。

真空预浓缩蒸发气先经预浓缩表面冷凝器27冷凝，然后与一段蒸发气一并进入一段蒸发表面冷凝器28冷凝，未冷凝气由一段蒸发喷射器29抽吸至最终冷凝器35并排入放空管。二段蒸发气经升压器30、二段蒸发第一冷凝器31、二段蒸发第一喷射器32、二段蒸发第二冷凝器33、二段蒸发第二喷射器34、最终经冷凝器35后，尾气放空。

从真空预浓缩表面冷凝器出来的含NH₃、CO₂较多的冷凝液经工艺冷凝液泵49送至低压洗涤器16作吸收液、一段蒸发表面冷凝器28的冷凝液主要送到吸收塔38作吸收液，多余的贮存在氨水槽36内，然后由解吸塔给料泵37送解吸换热器40与来自第二解吸塔42底部出液换热后进第一解吸塔41上部，塔顶出气送塔顶回流冷凝器46冷凝，冷凝液进回流冷凝液贮槽47经回流泵48一部分作回流液，大部分送至低压甲铵冷凝器15。

第一解吸塔41出液由水解给料泵43送水解换热器44加热到220℃后进尿素水解器45，用2.45MPa蒸汽直接加热，使尿素在233℃下水解成NH₃和CO₂。水解液经与水解换热器换热后进第二解吸塔42上部，第二解吸塔底部用0.343MPa蒸汽直接加热，出塔废液含NH₃和尿素1-3PPm，经与解吸进料换热器40换热后排出，作为锅炉给水回收利用。第二解吸塔和尿素水解器排出气体进入第一解吸塔，利用其热量将液相中NH₃和CO₂从溶液中蒸出。

本发明适于新建尿素生产厂家，也可以用于改造现有采用CO₂气提法生产尿素的厂家。用于改造旧厂，保留原有高压圈设备合成塔，CO₂气提塔，高压冷凝器等，低压部分和后处理尿液蒸发浓缩系统不变，只在靠近CO₂气提塔一侧增加中压回收段设备：中压分解塔，中压冷凝器、分离器，中压甲铵泵及真空预浓缩器、预浓缩表面冷凝器等，取消原闪蒸槽，可使产量增加15-25％，而所需设备投资仅为新建同规模尿素装置所需费用的1/3。

采用本发明，合成反应条件可调整为：NH₃与CO₂摩尔比从原2.8～2.9提高到3-3.1，H₂O与CO₂摩尔比由0.34上升到0.4，操作压力13.54MPa-14.5MPa，反应温度183-187℃，合成转化率达53-58％，气提效率可在73-85％较大范围内操作，以维持全部装置的稳定运行，克服原低压系统超压，负荷后移所造成的恶性循环，减少尾气中氨和CO₂的放空损失。

本发明真空预浓缩器、中压分解塔采取上部分离段或填料蒸馏段，中部为降膜式列管换热段以及下部锥形液位槽三组合式结构，有利于缩短物料停留时间、提高产品质量、强化传质传热过程。真空预浓缩器上部代替传统的闪蒸槽，中部利用中压分解气的冷凝吸收反应热浓缩尿素溶液至80-85％(wt％)。中压冷凝最终形成的甲铵溶液浓度由CO₂气提法一般重量％浓度的60％提高到65-70％，操作温度由70℃提高到100℃-105℃。

本发明中压设备采用316L或304L不锈钢，制造容易、操作方便、投资节省。将合成尾气引一股至中压系统有利于分解操作和防止设备腐蚀。中压设备可独立布置及自成旁路系统、便于安装和管理，并使生产更具灵活性。

Claims (4)

1、二氧化碳气提法尿素生产工艺为：摩尔浓度≥98.5％、压力0.103MPa、温度为～40℃的原料CO₂气体，经CO₂压缩机(1)、脱氢系统(26)、进入气提塔(4)底部，在塔内与合成塔(3)出来的反应混合液进行等压加热气提分解，气体从顶部导出送至高压冷凝器(5)，在此与氨泵(2)打入的液氨和高压洗涤器(8)来的甲铵溶液混合一并进行冷凝吸收，反应生成甲铵，反应副产0.4MPa低压蒸汽，供后续工序使用，高压冷凝器出料自流入合成塔(3)，反应生成尿素，合成反应温度183-187℃，压力13.54-14.5MPa，其特征在于气提塔出液温度165-170℃，经减压到1.76-2.45MPa进入中压分解塔(8)进行加热气提分解，出高压洗涤器(7)的合成塔尾气，其量为尾气量的50-100％，引入中压分解塔进入加热分解，分解压力1.76-2.45MPa、分解温度135-150℃，中压分解后的尿素溶液减压至0.294MPa进精馏塔(9)。在循环加热器(11)内对残留的甲铵进行加热分解，经低压分离器(12)后尿素溶液送真空预浓缩器(10)，低压分解气在低压冷凝器(15)冷凝。用甲铵泵(18)泵入真空预浓缩器(10)的壳侧，壳侧操作压力1.7-2.4MPa、温度105～150℃，与中压分解气一起冷凝，释出热量用于浓缩管内尿素溶液，冷凝甲铵液经甲铵泵(17)加压后返回高压洗涤器(7)，出塔尿素溶液减压至0.0392MPa送入真空预浓缩器中部热回收段管内，在操作压力1.76-2.45MPa，温度100-105℃下，利用中压分解气冷凝放出的热量，将尿素溶液由重量百分浓度为68-70％浓缩至80-85％，由尿素溶液泵(20)送入一、二段蒸发器(21)、(22)，一段蒸发压力0.02MPa、温度130-135℃、二段蒸发压力0.0033MPa、温度146-145℃。出口尿素溶液重量百分浓度为99.7-99.8％，成为熔融尿素，经熔融尿素泵(23)送入造粒塔(24)造粒。

2、二氧化碳提法尿素生产装置，包括高压系统、低压系统和后处理设备，高压系统的合成塔(3)、气提塔(4)、高压冷凝器(5)，高压洗涤器(7)依次用管道连通。低压系统的低压冷凝器(15)、低压甲铵洗涤器(16)用管道连通，后处理设备的一、二段蒸发器(21)、(22)、解吸塔、尿素水解塔(45)、造粒塔(24)依次用管道连通，其特征在于在高、低压系统之间设中压系统，高压系统的气提塔(4)、中压系统的中压分解塔(8)、精馏塔(9)、循环加热器(11)、低压分离器(12)依次用管道连通，低压分离器(12)上、下部分别与低压冷凝器(15)、中压系统的真空预浓缩器(10)连通，中压分解塔(8)上部、真空预浓缩器(10)、中压冷凝器(13)、中压冷凝分离器(14)、中压甲铵泵(18)、高压洗涤器(7)依次用管道连通，真空预浓缩器(10)、真空预浓缩表面冷凝器(27)、一段蒸发表面冷凝器(28)依次用管道连通。

3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于真空预浓缩器(10)、中压分解塔(8)采取上部为填料蒸馏段，中部为降膜式列管换热段、下部锥形液位槽的三组合式结构。

4、根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于中压系统设备采用316L或304L不锈钢制造。

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