CN107108382B - 生产尿素硝酸铵(uan)的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于生产尿素硝酸铵(UAN)的方法和装置。该方法涉及在解离工段和中和工段之间使用冷凝工段，任选地结合中压分解工段。本发明进一步提供改进现有UAN装置的方法。本发明工艺的优势是能够减少CO2的排放，能够提高装置能力以及降低CO2压缩设备所需的高资本性支出。

Description

生产尿素硝酸铵(UAN)的方法和装置
本发明涉及包含尿素的肥料的领域，特别是尿素硝酸铵(UAN)肥料。本发明提供生产UAN肥料的方法和装置以及改进现有UAN装置的方法。
尿素硝酸铵(UAN)是尿素和硝酸铵的水溶液，用作肥料。这些肥料溶液的最常用级别是UAN 32.0.0(32％N)，其由45重量％硝酸铵、35重量％尿素和20重量％水组成。其它级别是UAN 28、UAN 30和UAN 18。
生产UAN的方法和装置在本领域中是已知的。在一些工艺中将硝酸铵和尿素以期望的比例混合，获得UAN组合物。这类工艺在远离尿素生产设施的地方进行。
在其它方法中，UAN生产与尿素装置合并。在典型的方法中，尿素合成溶液在高压尿素合成工段中产生，该工段包括尿素反应器、汽提器和冷凝器。所述尿素合成溶液然后在低压解离工段经受解离以及在尿素浓缩工段进行随后浓缩，产生浓缩的尿素溶液。从尿素合成工段和解离工段释放的气体(CO2和NH3)被送至中和工段，在这里将它们与酸接触，通常是硝酸，形成硝酸铵盐溶液。所述硝酸铵盐溶液和所述浓缩的尿素溶液然后以需要的浓度比例混合在一起，得到液体UAN产物流。
上述工艺的缺点是大量CO2被放至大气。该放出的CO2代表原料的损失，其需要由经由CO2压缩机的新鲜CO2替换。此外，CO2被认为引起全球变暖，它释放至大气因此应当被限制或避免。
本发明目的是减少或消除上述缺点。
在一个方面，本发明提供一种生产UAN的方法，所述方法包括：
a)使CO2和氨气在尿素形成条件下在高压尿素合成工段中反应，以产生包含尿素、水、氨基甲酸铵的第一尿素溶液和第一气流，
b)使所述第一尿素溶液在解离工段中经受解离，从而将氨基甲酸铵分解为第二气流和第二尿素溶液，
c)使在b)中获得的第二尿素溶液经受一个或多个浓缩步骤，以产生浓缩的第三尿素溶液，
d)使在a)中获得的第一气流在至少一个冷凝工段中经受部分冷凝，以形成包含氨基甲酸铵的液体流和第三气流，
e)使包含氨基甲酸铵的液体流再循环至高压尿素合成工段，
f)使第三气流任选地与新鲜氨气一起在中和工段经受用硝酸进行的中和，以产生包含硝酸铵的含水流，以及
g)将f)中产生的所述包含硝酸铵的含水流和c)中产生的所述浓缩的第三尿素溶液合并，以产生UAN。
在另一方面，本发明提供生产尿素硝酸铵(UAN)的装置，其包括相互流体连通的尿素合成工段、解离工段和尿素浓缩工段，以及中和和混合工段，以产生UAN，
进一步包括在解离工段上游的中压处理工段，所述中压处理工段包括分解器和冷凝工段，
其中分解器与冷凝工段流体连通，使得来自分解器和任选地解离工段的气体被送至冷凝工段，
其中冷凝工段与尿素合成工段流体连通，使得在冷凝工段中形成的氨基甲酸盐溶液再循环到尿素合成工段并且来自尿素合成工段的气体供应至冷凝工段，并且
其中冷凝工段与中和工段流体连通，使得未冷凝的气体被送至中和工段，以与硝酸反应，形成硝酸铵。
在又进一步的方面，本发明提供一种改进现有UAN装置的方法，该方法包括提供UAN装置，其包括相互流体连通的尿素合成工段、解离工段和尿素浓缩工段，以及中和和混合工段，以产生UAN，其中UAN装置通过在合成工段和解离工段之间增加包括分解器和冷凝工段的中压处理工段进行改进，其中来自分解器和合成工段的气体被送至一个或多个冷凝工段，在一个或多个冷凝工段它们被部分冷凝，以形成氨基甲酸盐溶液，该氨基甲酸盐溶液再循环至尿素合成工段，并且其中剩余的气体被送至中和工段并且与硝酸反应以形成硝酸铵。
本发明尤其利用在解离工段和中和工段之间的至少一个冷凝工段。冷凝工段可以在不同温度下操作，这将在本文下面更详细讨论。也可能采用几个冷凝工段，在不同压力下操作，例如中压和低压冷凝工段。
本发明基于下述明确的领悟：通过在它们的浓度增加时部分冷凝从尿素溶液释放的氨气和二氧化碳并且将得到的氨基甲酸盐溶液再循环回到合成工段，降低工艺能耗，提高尿素生产能力，以及减少二氧化碳排放。这里部分冷凝意味着，供应至冷凝工段的气流中存在的仅部分氨气和CO2被冷凝，不发生充分的冷凝。优选地，部分意味着，至少80重量％的氨气和/或CO2被冷凝，更优选地至少90重量％。
更详细地，在根据本发明的步骤a)中，二氧化碳和氨气在尿素形成条件下在高压尿素合成工段中反应，以形成为第一尿素溶液的液体流和第一气流。为此，使用一些原料氨气和二氧化碳，其被压缩至合成期间所需的压力。
优选地，使CO2进料经受处理以从中除去氢气，这可以通过催化转化进行。氢气经常存在于CO2进料中，而且由于它不参与本工艺，它最终存在于尾气中。在现有方法中，从CO2进料除去氢气通常不是必须的，因为排放的蒸气(尤其是来自中和工段的)包括大量的CO2，使得排放的蒸气在可燃范围之外。然而，本发明减少了要排放的CO2量，并且在该情况下，从安全性观点，除去二氧化碳进料中的氢气是优选的。
第一尿素溶液，通常称为尿素合成溶液，通常包括尿素、水和氨基甲酸铵。第一气流通常包括惰性组分、水、氨气和二氧化碳。尿素形成条件是技术人员已知的。第一气流优选地是离开尿素反应器的气流。任选地，如果尿素合成工段中存在的话，该气流也包括离开高压氨基甲酸盐冷凝器的气体。
来自合成工段的第一尿素溶液在解离工段中在步骤(b)经受解离。在解离工段，尿素溶液中包含的氨基甲酸铵被分解，其导致第二气流和第二尿素溶液的形成，第二气流通常包括水、氨气和CO2。该第二尿素溶液经受蒸发，得到基本上没有氨气和CO2的尿素溶液。基本上没有在这里意味着溶液包含少于1重量％氨气和少于0.5重量％CO2。解离工段在低压下操作，通常为2-10巴，优选地2-6巴，例如4巴。
在解离工段中获得的第二尿素溶液在步骤c)经受一个或多个浓缩步骤，以产生浓缩的第三尿素溶液。该浓缩的尿素溶液通常包括至少50重量％尿素。尿素浓度至少95重量％的高度浓缩的尿素溶液通常称为尿素熔体(ureamelt)。
步骤a)中获得的第一气流在步骤d)中在至少一个冷凝工段中经受部分冷凝。冷凝工段的操作压力可以是高压，类似于合成工段中的压力或解离工段中的压力，或者其间的任何压力。也可以使用在不同压力下操作的几个冷凝工段，例如，低压冷凝工段中获得的氨基甲酸盐溶液的压力可以被提高并送至中压冷凝工段或高压冷凝工段，其压力与高压合成反应器中的相同或相似。
作为部分冷凝的结果，形成了包含氨基甲酸铵的液体流和包含氨气的为未冷凝气流的第三气流。第三气流主要包含氨气。特别地，它优选地包含至少60重量％，优选地至少80重量％，更优选地至少90重量％的氨气。在步骤(d)的具体实施方式中，也使第二气流在至少一个冷凝工段中经受部分冷凝。在这种情况下第一和第二气流都在冷凝工段经受冷凝。虽然是任选的，当第一尿素溶液被直接送至解离工段时第二气流在冷凝工段中的冷凝是特别有用的。
在步骤(e)，包含氨基甲酸铵的液体流被再循环至高压尿素合成反应工段。由于该液体流在比尿素合成工段中的压力典型地更低的压力下产生，因此实际中应当提高包括氨基甲酸盐的流的压力。
为未冷凝的包含氨气的流的第三气流在步骤f)中任选地与新鲜氨气一起在中和工段中经受用硝酸进行的中和，以产生包含硝酸铵的含水流。通过使尿素装置的尾气——其包含氨气等组分——与硝酸接触，根据下列方程形成了硝酸铵：
HNO3+NH3→NH4NO3
中和工段在类似于解离工段中的压力或甚至更低的低压下操作，例如在大气压下。优选地，中和工段在大气压和10巴之间操作，典型地在10mm水柱和5巴绝对压力之间。中和工段类型可以包括管反应器、虹吸管型或导流管型反应器，等等。离开中和器的尾气典型地包括惰性组分和少量的二氧化碳并且在气体纯化处理之后可以被送至大气。
获得的硝酸铵含水流在步骤g)与步骤c)产生的浓缩的第三尿素溶液合并，以产生UAN。将流以期望的组合物需要的合适比例合并。
在一个实施方式中，高压尿素合成工段包括高压尿素反应器、高压汽提器和高压氨基甲酸盐冷凝器。典型地，来自尿素反应器的尿素溶液被送至汽提器，在此在加热下与汽提气例如二氧化碳接触，使得尿素溶液中的氨基甲酸盐分解。可选地氨气可以用作汽提气，或者可以仅采用加热，其经常被称为“自汽提”工艺。该目的所需的热可以通过使流经过所述高压汽提器的管的周围供应。
包括二氧化碳和氨气的来自高压汽提器的尾气典型地与原料氨气一起被送至高压冷凝器，在此它们部分冷凝。剩余的未冷凝的气体(第一气流)被送至冷凝工段，任选地经由反应器，在此包含氨气和CO2的供应的气体冷凝，以将释放的冷凝热用于吸热的尿素反应。合成工段中的高压氨基甲酸盐冷凝器可以是壶型、降膜型或潜没型冷凝器。潜没型冷凝器可以垂直或水平安装。水平型潜没换热器在Ullmann's Encyclopedia of IndustrialChemistry,Vol.A27,1996,pp 333-350中描述。在高压氨基甲酸盐冷凝器中，发生吸热的氨基甲酸盐反应，并且通常地释放的冷凝热用于产生蒸气，其用作尿素装置下游处理中的加热剂。形成的也包括一些尿素和未冷凝蒸气的氨基甲酸盐从该冷凝器送至尿素合成反应器，在此几乎平衡发生氨基甲酸盐吸热转化为尿素。潜没型冷凝器提供大量的停留时间，导致大量产生尿素。反应器流出物流至高压汽提器。
来自汽提器的第一尿素溶液被送至解离工段。在解离工段中形成的第二气流被直接送至中和工段，或者可选地，该气流被送至冷凝工段，其中第二气流与第一气流一起在类似于解离工段中压力的压力下部分冷凝。可使用在不同压力下操作的几个冷凝工段，例如，可以提高在低压冷凝工段中获得的氨基甲酸盐溶液的压力并送至中压冷凝工段或至压力与高压合成反应器中相同或相似的高压冷凝工段。
在另一实施方式中，中压工段存在于尿素合成工段和解离工段之间。在该实施方式中，来自合成工段的第一尿素合成溶液被送至中压处理工段，然后送至解离工段。该中压处理工段包括分解器(例如绝热闪蒸)并在中压下操作，典型地在10-50巴的范围，优选地15-30巴，例如约20巴。尿素反应溶液在中压下经受分解，并分离为中压液体流和中压气流。液体流是更浓的液体流，其包括尿素、水和氨基甲酸铵，同时气流通常包含氨气、CO2和水。中压液体流被进一步供应至解离工段，同时中压气流被送至冷凝工段，与来自尿素合成工段的第一气流(和任选地其它流)一起部分冷凝，并再循环至尿素合成工段。未冷凝的气体被送至中和工段。
在该实施方式中，形成的液体流中残留二氧化碳的量显著地减少，并且随后的解离工段因此将主要除去氨气和仅痕量的CO2。来自解离工段的气流因此可以是基本无CO2的，并且优选地被直接送至中和工段。其优势在于来自解离工段的低压气流(第二气流)不必提高压力以在中压冷凝工段冷凝，并且已经具有送至中和工段的合适的组成。如已知，供应了不同气流的冷凝工段需要在所有供应流的最低压力下操作。
采用绝热闪蒸的进一步的优势在于冷凝工段也可在中压下操作(如果第二气流送至中和工段的话)以及冷凝热可以在冷凝器中回收。该回收的热可用于尿素浓缩工段，从而减少浓缩尿素溶液所需的能耗。
可选地，来自解离工段的气体可以在低压下操作的冷凝器中冷凝，形成低压氨基甲酸盐流，其然后(在增加压力后)可以与在中压冷凝器中的氨基甲酸盐流合并。
在解离工段之后，第二尿素溶液被送至尿素浓缩工段。从尿素浓缩工段放出的气体典型地被冷凝并送至低压(例如4巴)下操作的处理工段，并且从该处理工段释放的蒸气然后可以被送至冷凝工段或中和工段。
本发明方法的优势在于，与现有技术相比，CO2排放可以减少大约90％以及装置能力可以提高至少10％，因为更多的CO2可以反应而不必增加CO2压缩机的体积。以此方式，CO2压缩设备所需的高资本性支出得到减少。
而且，本发明允许减少或消除不利环境的温室气体问题，以及提供环境友好的生产UAN的工艺。除了创造了环境友好的UAN工艺之外，总体UAN装置的能耗还降低了至少5％。
本发明也提供生产尿素硝酸铵(UAN)的装置，其包括相互流体连通的尿素合成工段、解离工段和尿素浓缩工段，以及中和和混合工段，以产生UAN。
进一步包括在解离工段上游的中压处理工段，所述中压处理工段包括分解器和冷凝工段，
其中分解器与冷凝工段流体连通，使得来自分解器和任选地解离工段的气体被送至冷凝工段，
其中冷凝工段与尿素合成工段流体连通，使得冷凝工段中形成的氨基甲酸盐溶液再循环至尿素合成工段并且来自尿素合成工段的气体被供应至冷凝工段，并且
其中冷凝工段与中和工段流体连通，使得未冷凝的气体被送至中和工段，以与硝酸反应，形成硝酸铵。
本发明的原理也可以用于改进现有UAN装置的设计。因此，在另一方面，本发明提供一种改进现有UAN装置的方法。该方法包括提供UAN装置，其包括相互流体连通的尿素合成工段、解离工段和尿素浓缩工段，以及中和和混合工段，以产生UAN，其中UAN装置通过增加中压处理工段进行改进，中压处理工段包括分解器，优选地绝热闪蒸，以及冷凝工段，其中来自分解器和来自尿素合成工段的气体被送至一个或多个冷凝工段，在一个或多个冷凝工段它们被部分冷凝，以形成氨基甲酸盐溶液，该溶液再循环至尿素合成工段，并且其中剩余气体被送至中和工段，并与硝酸反应，形成硝酸铵。分解器与尿素合成工段流体连通，冷凝工段与分解器和尿素合成工段流体连通。“流体连通”理解为液体或气体的连接，其可以包括进一步的设备，例如泵或阀。如果仅进行中压冷凝，可以使用一个冷凝工段。这是在来自解离工段的低压气流不必冷凝并直接送至中和工段的情况。如果来自解离工段的低压气流需要先进行冷凝——这在低压冷凝器中发生，然后可以是中压冷凝，则会需要更多的冷凝工段。
通过描述的设计原理改进现有的UAN装置，装置能力可以提高至少10％，而没有用于改造现有大投资设备例如CO2压缩机或高压合成设备的必须的投资花费。
基于图1-3中所示的下面非限制性实施方式，进一步阐明本发明。
图1显示现有技术中已知工艺的工艺方案。在该工艺中，CO2(a)和NH3(b)供应至尿素装置的尿素合成工段。高压尿素合成工段通常包括尿素合成反应器、高压汽提器和高压冷凝器(未示出)。
包括惰性组分、二氧化碳和氨气的尿素反应器的顶部蒸气被送至(d)中和工段，中和工段在大气压和10巴之间操作，典型地在10mm水柱和4巴绝对压力之间。
离开高压汽提器的尿素溶液(c)被送至解离工段。在该工段中，通过加热，氨气和二氧化碳与尿素水级分分离。离开分解工段的尿素溶液(e)进一步在尿素浓缩工段中浓缩。离开解离工段并包含氨气和二氧化碳的尾气也被送至(f)所述中和工段。
在中和工段，尿素装置的尾气与经由(n)供应的硝酸接触。离开中和器(k)的形成的含水硝酸铵与离开尿素装置的形成的尿素溶液(g)以所需的和期望的组成混合，形成尿素硝酸铵(UAN)溶液。离开中和器的尾气(l)——包括惰性组分和二氧化碳——在气体纯化处理之后被送至大气。离开浓缩工段的尾气被冷凝，之后形成的包括水、氨气和CO2的冷凝物(h)在处理工段进行处理，以纯化工艺冷凝物(j)。通过该水处理(i)获得的释放的氨气和CO2被直接送至中和工段，或者先部分冷凝，然后剩余的蒸气被送至所述中和工段。
图2显示根据本发明实施方式的工艺方案。
与图1中的工艺相比，现在低压冷凝工段存在于解离工段和中和工段之间。
从尿素合成工段获得的第一气流(d)被送至在低压下操作的冷凝工段。在解离工段获得的包括水、氨气和CO2的第二气流(f)也被送至冷凝工段。第一和第二气流然后在冷凝工段中部分冷凝，形成液体氨基甲酸铵流和未冷凝的包含氨气的流。液体氨基甲酸铵流然后再循环至(p)高压尿素合成反应工段，这通常在提高氨基甲酸铵流的压力之后。未冷凝的流(q)与新鲜氨气(r)一起被送至具有硝酸(n)的中和工段，产生硝酸铵。硝酸铵流(k)与浓缩的尿素溶液在混合工段中混合，这产生UAN的流(m)。也在此实施方式中，处理工段(i)中释放的气体可以被送至中和工段，并且优选地在冷凝工段中冷凝之后送至该中和工段。
图3显示根据本发明的另一实施方式。在该实施方式中，存在中压分解器，并且冷凝工段包括中压冷凝器。
特别地，离开尿素合成工段中的汽提器的尿素溶液(s)的压力降低至中压1-8MPa。通过此压力降低，所述尿素溶液被闪蒸，由此获得浓缩的中压尿素溶液。释放的中压气流(u)与离开合成工段的包括二氧化碳的气流(d)一起被送至在与发生所述闪蒸的压力相似的压力下操作的冷凝工段。在该冷凝工段，发生吸热的氨基甲酸盐形成。释放的冷凝热可以被扩散至冷却水中，或者可用于预浓缩尿素溶液以在装置的浓缩工段中节省蒸气。包括至少一个冷凝器的冷凝工段中形成的氨基甲酸盐被传输(p)至尿素合成工段，优选地至该尿素合成工段中的高压氨基甲酸盐冷凝器。
离开压力在1-8MPa的闪蒸容器的浓缩尿素溶液的压力进一步降低至约0.2和0.6MPa并供应(t)至包括至少一个液/气分离器和加热器的解离工段，以进一步纯化尿素溶液。来自解离工段的第二气流(f)的二氧化碳是低的并且含有氨气，被送至包括中和器的中和工段(f)，或者可以在低压冷凝工段(未示出)中冷凝，形成氨基甲酸盐，其再循环至在中压下操作的冷凝工段。
离开(e)解离工段的尿素溶液优选地但不是必须首先在大约大气压下经受闪蒸，然后通过使用所述氨基甲酸盐冷凝的所述冷凝热将尿素溶液预浓缩。该尿素溶液可以进一步浓缩至需要的浓度，以用于获得UAN肥料最终溶液产品的所需组成。
通过以所需比例加入氨气(优选地蒸发的氨气)进料连同硝酸至中和工段的中和器，获得硝酸铵。获得的硝酸铵的组成可以进行pH控制。在含有氨气的废流在尿素装置中存在的情况下，这些废流也可以被送至所述中和器。中和器中获得的硝酸铵与离开尿素装置的尿素溶液混合，以其期望的组成得到所需的UAN肥料溶液最终产品。
因为二氧化碳不再在离开中和工段的蒸气中显著排放，因此作为原料供应至合成工段的二氧化碳的量显著减少，并且因此要压缩的二氧化碳的量也降低。这导致驱动二氧化碳压缩机的能量显著减少。

Claims (5)

1.用于生产尿素硝酸铵(UAN)的方法，所述方法包括：
a)使CO2和氨气在尿素形成条件下在高压尿素合成工段中反应，以产生第一尿素溶液和第一气流，所述第一尿素溶液包含尿素、水、氨基甲酸铵，所述第一气流是离开尿素反应器的气流，
b)使所述第一尿素溶液在解离工段中经受解离，从而将氨基甲酸铵分解为第二气流和第二尿素溶液，
c)使在b)中获得的所述第二尿素溶液经受一个或多个浓缩步骤，以产生浓缩的第三尿素溶液，
d)使在a)中获得的所述第一气流在至少一个冷凝工段中经受部分冷凝，以形成包含氨基甲酸铵的液体流和第三气流，
e)使所述包含氨基甲酸铵的液体流再循环至所述高压尿素合成工段，
f)使所述第三气流任选地与新鲜氨气一起在中和工段中经受用硝酸进行的中和，以产生包含硝酸铵的含水流，以及
g)将f)中产生的所述包含硝酸铵的含水流和c)中产生的所述浓缩的第三尿素溶液合并，以产生UAN。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(d)中，在步骤b)中获得的所述第二气流也在所述至少一个冷凝工段中经受部分冷凝，并且其中在步骤d)中，所述冷凝工段是中压冷凝工段；
其中在步骤a)中，将来自所述尿素反应器的所述尿素溶液送至汽提器，其中在加热下使所述尿素溶液在所述汽提器中与汽提气体二氧化碳接触，以使所述尿素溶液中的氨基甲酸盐分解；
其中在步骤b)中，所述解离工段在2-10巴下操作；
其中，所述方法进一步包括在所述尿素合成工段和所述解离工段之间的中压分解器中进行的步骤H，其中在所述步骤H中，所述第一尿素溶液被分离为中压液体流和中压气流，其中来自步骤H的所述液体流被供应至所述解离工段并且来自步骤H的所述中压气流被供应至所述中压冷凝工段以部分冷凝并再循环至所述尿素合成工段，同时来自所述中压冷凝工段的未冷凝的气体被供应至所述中和工段；
其中来自所述解离工段的所述第二气流被送至所述中和工段；
并且其中所述中压分解器包括绝热闪蒸。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中使步骤(a)中使用的二氧化碳进料经受处理以除去其中包含的氢气。
4.一种用于生产尿素硝酸铵(UAN)的装置，其包括相互流体连通的尿素合成工段、解离工段和尿素浓缩工段，以及中和和混合工段，以产生UAN，
进一步包括在所述解离工段上游的中压处理工段，所述中压处理工段包括分解器和冷凝工段，
其中所述分解器与所述冷凝工段流体连通，使得来自所述分解器的气体被送至所述冷凝工段，
其中所述冷凝工段与所述尿素合成工段流体连通，使得所述冷凝工段中形成的氨基甲酸盐溶液再循环至所述尿素合成工段并且来自所述尿素合成工段的反应器的气体被供应至所述冷凝工段，并且
其中所述冷凝工段与所述中和工段流体连通，使得未冷凝的气体被送至所述中和工段，以与硝酸反应，形成硝酸铵。
5.一种改进现有UAN装置的方法，所述方法包括提供UAN装置，所述UAN装置包括相互流体连通的尿素合成工段、解离工段和尿素浓缩工段，以及中和和混合工段，以产生UAN，其中所述UAN装置通过在所述合成工段与所述解离工段之间增加中压处理工段进行改进，所述中压处理工段包括分解器和冷凝工段，其中来自所述分解器和所述合成工段的反应器的气体被送至一个或多个冷凝工段，在所述一个或多个冷凝工段它们被部分冷凝，以形成氨基甲酸盐溶液，所述氨基甲酸盐溶液再循环至所述尿素合成工段，并且其中剩余气体被送至所述中和工段，并与硝酸反应，形成硝酸铵。
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