CN1141287A - 制备尿素的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制备尿素的方法和设备，尤其是在尿素反应器中在约125巴至约350巴的压力下在尿素合成溶液中由从二氧化碳和氨制备的氨基甲酸铵得到尿素。反应器带有一个水平放置的冷凝区域，并含有一个热交换器。根据本发明的方法，将NH3和CO2输入反应器中，并大部分吸收在尿素合成溶液中。在冷凝过程中形成的大部分热量通过热交换器排出。在反应器中尿素合成溶液的停留时间优选这样选择从而制备至少约85％的理论上可得到量的尿素。随后，尿素合成溶液可加工成尿素溶液或固体尿素。

Description

制备尿素的方法
本发明涉及由氨和二氧化碳制备尿素的方法。
当氨和二氧化碳在适当的压力(例如125-350atm)和适当的温度(例如170-250℃)下引入尿素装置的合成区域时，根据如下放热反应首先形成氨基甲酸铵：
         
随后由得到的氨基甲酸铵根据如下吸热平衡反应通过脱水制备尿素。
         H2N-CO-ONH4< >H2N-CO-NH2+H2O
发生转化成尿素的程度部分地取决于所采用的温度和压力和所使用的过量氨的量。得到的反应产物是主要由尿素、水、氨基甲酸铵和游离的氨组成的溶液。通常将氨基甲酸铵和氨从溶液中除去，并在大多数情况下返回合成区域。合成区域可由用于形成氨基甲酸铵和尿素的独立的区域组成。然而，这些区域也可以结合于一个单独的设备。
一种时常使用的制备尿素的方法描述在European ChemicalNews，Urea Supplement，of 1969年1月17日，第17-20页中。根据该方法，将在高压和高温合成区域中形成的尿素合成溶液转移至汽提区域。在那里，合成溶液在基本上与合成区域中相同的压力下通过使溶液与气体二氧化碳逆流接触进行汽提处理，期间供热，使得溶液中存在的大部分氨基甲酸铵分解成氨和二氧化碳。这些分解产物以气体形式从溶液中汽提，并与少量水蒸汽和用于汽提的二氧化碳一起排出。在汽提处理过程中得到的气体混合物输送到冷凝区域，其中大部分混合物被冷凝和吸收在通过进一步处理含尿素溶液产生的水溶液中。随后，在该过程中形成的氨基甲酸铵水溶液和未冷凝的气体混合物由冷凝区域输送至用于形成尿素的合成区域。用于氨基甲酸铵转化成尿素所需的热量通过进一步冷凝气体混合物释放的冷凝过程的热量得到。
EP-B-155,735描述了一种制备尿素的方法，据报道得到了良好的合成效率，在汽提处理中缩二脲的形成和尿素的水解保持在可接受的限度内。此外，据报道，在汽提处理过程中得到的气体混合物被冷凝至这样温度，即使得相当小的热交换表面积足以排出所释放的热量，形成低压，例如3-5巴的蒸汽，或得到较高压力，例如5-10巴的蒸汽，或释放的热量直接用于加热方法中的物流。
根据EP-B-155.735，当在汽提操作中得到的气体混合物被冷凝时，在冷凝区域中形成尿素。由于在冷凝区域中在水中存在相对大量的尿素，该介质用作通过在汽提中得到的气体混合物的冷凝而形成的氨基甲酸铵的溶剂，冷凝的热量和溶液的热量变得可在高于该介质未被使用的温度下获得。当可获得的平衡量的尿素的30％形成时，热效率已经变得明显地引入注意。根据EP-B-155,735，尿素形成过程优选地进行至平衡的50-80％。
根据EP-B-155,735，冷凝区域可垂直地或水平地安装。EP-B-155,735还提到，垂直安装冷凝区域可使合成区域和垂直冷凝区域合并在一个单独的设备中成为可能。
JP-A-122,452/84披露了水平安装的反应器可用于尿素生产过程。然而，JP-A-122,452/84未提到合并冷凝和合成区域。相反，它描述了一种制备尿素的方法，其中使用一个水平的反应器和一个单独的汽提器和冷凝器，未自汽提器的气体在冷凝器冷凝后，冷凝液重新输入反应器。
US 3024280描述了一种制备尿素的方法，其中使用了总长度约为140m的长管状卷绕的反应器。CO2在沿着反应管的不同位置加入尿素合成溶液中，而溶液用通过管道夹套的冷却水冷却。
本发明的一个目的是提供用于制备尿素的改进方法。
本发明的另一个目的是提供一种仅需较低投资成本的制备尿素的方法。
为完成这些和其他的目的，本发明的一个实验方案提供了一种制备尿素的方法，尿素由氨基甲酸铵而生成，而氨基甲酸铵由二氧化碳和氨之间的反应来制备，反应优选在约125巴至约350巴的压力下在尿素反应回中的尿素合成区域中进行。尿素反应器优选地包括一个水平安装的冷凝区域，其中包括一个热交换器。根据本发明的方法，将氨(NH3)和二氧化碳(CO2)输入反应器中，并大部分吸收进入尿素合成溶液中。通过冷凝过程产生相当大部分的热量。该热量通过，例如热交换器排出。在反应器中尿素合成溶液的停留时间如此选择从而使得能制得至少约85％的理论上可得到的尿素，随后尿素合成溶液可加工成尿素溶液或固体尿素。
本发明的方法的优点还在于，除了其它许多东西之外，该方法可在投资成本明显较低的设备中进行，这是因为热交换器/冷凝器结合在单一的反应器中。此外，需要较少的设备和管道-它们必须是在高腐蚀环境下耐高压的。由于本发明可适合于(并且优选是)具有水平方位的冷凝器/热交换器部分，需要较小(较短)装置和整套装置，这进一步有利于投资成平和促进了安全。
整个反应器优选设计成水平安装的反应器。
此外，根据本发明，气相(CO2和NH3)的供给根据需要。可分布于整个反应器，从而可得到较高的转化率。也可以在较低压力下得到特定的转化率。由于使用了该方式，在本发明方法中汽提器的操作被简化了。完全水平安装的反应器的另一个优点是，它可以简单的方式开工，因为当反应器仅部分充满时整个反应器也可以操作。
结合附图，由下文的详细说明可明显看出本发明的这些和其它的目的、特征和优点，附图以举例的方式说明了本发明的原理。
结合附图说明本发明，其中：
附图1是适用于本发明方法的实施方案的尿素装置的高压部分的示意图。
附图2是附图1的尿素装置的反应器(沿附图1的X-X)的截面图，尤其是反应器的冷凝区域。
附图3是反应器和热交换器(沿附图1的Y-Y)的截面图，尤其是反应器的冷凝区域。
本发明的实施方案，提供了由氨基甲酸铵制备尿素的方法，其中氨基甲酸铵由二氧化碳和氨制备。该方法包括将NH3和CO2输入在125巴至约350巴的压力下操作的反应器的合成区域中。反应器包括一个合成区域和一个其中带有热交换器的水平安装的冷凝区域。氨和二氧化碳被输入反应器，使氨和二氧化碳进行冷凝过程，并充分地吸收在尿素合成溶液中，该溶液在反应器中保持所选择的停留时间，以制得至少约85％的理论上可得到的尿素。相当大部分的冷凝过程产生的热量可释放至流过热交换器的流体中。
根据本发明的另一个实验方案，至少一部分氨基甲酸铵从反应器中排出，在汽提区域分解形成氨基甲酸盐分解产物。这些产物随后输入反应器在冷凝区域进行冷凝，由冷凝过程产生大部分的热量释放至流过热交换器的流体中。
理论上可得到的尿素的量由平衡的热动力学位置确定，取决于例如NH3/CO2比率、H2O/CO2比率和温度，可由借助于例如Bull.ofthe Chem.Soc.of Japan 1972第45卷，第1339-1349页和J.Applied Chem.of the USSR(1981)，第54卷第1898-1901页中所述的方式计算，上述两篇文献列为本文参考文献。
尿素合成溶液的停留时间优选这样选择以制得至少约90％的理论上可得到尿素，更优选超过约95％。
在反应器中氨基甲酸盐至尿素和水的转化可通过确保在反应器中反应混合物的停留时间足够地长而实现。停留时间通常将超过10分钟，优选超过约20分钟。另一方面，停留时间通常也应短于约2小时，优选短于约1小时。在较高的反应器温度和压力，短的停留时间通常将足以得到高的转化率。
反应器的压力优选在约130巴至约210巴，温度优选在约170℃至约200℃。
反应器通常设计成具有宽的管道的形状，直径在约1m至约5m，优选约2m至约4m。反应器的长度通常为约5m至约40m，优选约10m至约25m％
反应器通常装有确保使液体基本上以活塞式流动流过反应器的装置。为此，反应器装有例如结构填料(在一个或多个位置)或隔板，其将反应器分成各个间隔。间隔有些类似于串联排列的″连续搅拌罐反应器″(CSTRs)。尽管本文提到CSTRs和间隔，但是使用这些术语只是为了简便起见，不是想限制本发明的范围。
在反应器中串联排列的间隔或CSTRs的数目通常大于2，优选大于5。间隔(CSTRs)的数目通常小于40，优选小于20。
间隔优选由基本上垂直的隔板确定。隔板优选具水平放置的反应器的垂直截面积的面积的至少约50％的表面积，更优选至少为反应器垂直截面积的至少约85％。隔板的面积优选至多为水平放置的反应器的垂直截面积的约98％。
优选在反应器的间隔中通过经分布装置，例如经具有孔的管道到气体提湍流，上述管道安装在或接近于反应器的底部。氨、二氧化碳和/或惰性气体可用作被引入的气体。
优选在同时含有冷凝区域和热交换器的反应器部分引入液氨。CO2和任何存在的气态氨被输入反应器的所有间隔中，但较大部分，优选超过约60％，优选被输入同时包含冷凝区域和热交换器的反应器部分。惰性气体可输入所有或任何间隔中，惰性气体将通常与CO2和气态氨一起存在于循环物流中。
输入反应器的气相可通过适当尺寸的分布装置在串联安装的CSTRs之间最佳地分配。这样使得能够，例如在最后CSTRs的废气中的不可冷凝的气体的量降至最少。以这种方式，在接近于热动力学确定的平衡的反应器部分中可冷凝组分的蒸汽压达到最大。这意味着，在一定的总压力(即可冷凝组分的蒸汽压加上不可冷凝组分的蒸汽压的总和)下，在该反应区域的温度达到最大，结果得到较高的转化率。此外，这种排列方式也适用于在一定的温度下使总压力达到最小，从而可以实现例如较佳的汽提操作性能。
在反应器的热交换器中释放出的热量或能量通常为超过每生产一吨尿素125KWh。通常，能量将小于每生产一吨尿素约800KWh。
在反应器中释放的热量可随后被流过热交换器管子的水或其他流体转移和释放，在该方法中转化成优选地约3巴至约10巴的，更优选地约4巴至约7巴的低压蒸汽。热量也可以通过流过热交换器的打算被加热的过程物流释放，例如，上述过程物流是在约2巴至约8巴下想要蒸发的尿素溶液或打算在约15巴至约40巴膨胀的尿素溶液。热交换器优选安装在反应器的冷凝器部分。冷凝器部分优选地占反应器总长度的约10％至约70％，更优选为约反应器总长度的约30％至约50％。
反应器的冷凝区域和热交换器优选设计成所谓的潜管冷凝器，其中一部分将被冷凝的气体混合物、氨和汽氨基甲酸盐溶液输入热交换器的管壳式热交换器的壳程，溶液和冷凝释放的热量由流过管程的介质，例如水转移和释放出，水被转化成低压蒸汽。
本发明的方法可用于所谓的常规尿素方法，但优选用于如ECNUrea Supplement，1969年1月17日，第17-20页、HydrocarbonProcessing，1975年7月，第102-104页或Nitrogen，1990年5-6月，第22-29页中描述的汽提过程，上述文献列为本文参考文献。在本发明方法的优选实施方案中，将在反应器中生成的尿素合成溶液输入汽提器，使氨基甲酸盐溶液在其中分解，随后得到的气体返回反应器。
在尿素合成溶液中存在氨基甲酸铵的分解通常通过供给热量进行。如果仅供给热量，该方法现有技术中称为热汽提。然而，分解过程优选通过在加热条件下用汽提气体逆流汽提尿素合成溶液完成。氨、二氧化碳和惰性气体，单独的或任何组合的，可用作汽提气体。
汽提操作可在与合成压力相同的压力下，或在稍高或略低的压力下进行。优选的是，在反应器和汽提区域中使用大致相同的压力，因为这样能够以不复杂的方式使在汽提区域形成的气体返回反应器。
在本发明的另一个实施方案中，汽提器的气体被用于将水转化为蒸汽或用于加热在反应器外安装的第一热交换器中的加工物流，随后根据本发明的方法，部分冷凝的气体输送到反应器。以这种方式，至多约70％，优选至多约50％由冷凝过程释放的热量在该第一热交换器中排出；相应地，至少约30％，优选超过约50％的冷凝过程的热量在反应器中的热交换器中排出。该实施方案，当例如一种加工物流需要被加热(例如将被浓缩的尿素溶液)和需要产生副产蒸汽时是有利的。
本发明尤其有利的实施方案包括在带有冷凝区域和热交换器的反应器中制备尿素，其中来自汽提器的气体直接返回冷凝区域。在这种情况下，所有释放的能量在反应器的热交换器中排出。由于简便和设计便宜，它是尤其优选的。
优选二氧化碳(CO2)用作汽提气体，以致汽提气体用作输入反应器所有间隔的含CO2气体。除CO2之外，汽提气体含有NH3和惰性气体。除了输入所有额外的液氨之外，优选超过约60％的该汽提气体，尤其是超过约70％的汽提气体输入反应器的冷凝区域。
本发明由如下附图和实施例举例说明，但附图和实施例不是限制本发明。
如附图1中所示，A表示带有冷凝区域和热交换器的反应器，B表示汽提区域，C表示蒸汽储罐，D、E、F和G表示泵或压缩器。
用泵E经导管(1)和带有孔的管道(4)向反应器的冷凝区域中供给压缩的液氨。在本发明方法的其他地方得到的，尤其是通过用尿素溶液的蒸发过程中得到的水溶液洗涤废气得到的甲氨基甲酸盐溶液通过泵D经导管(2)和(3)输入。含有氨和二氧化碳的气体混合物经带有孔的管道(5)，输入液体中。经管道(15)供给的气体混合物是通过使在反应器(A)中形成的尿素合成溶液在汽提区域(B)中在附加的加热下与经管道(13)供给的汽提气体，例如二氧化碳逆流接触进行汽提处理得到的。在所示的实验方案中，反应器(A)和汽提区域(B)中的压力是相同的。例如约140巴。然而，在这些区域中的压力也可彼此不同。选择反应器(A)的尺寸使得反应混合物在反应器中的停留时间足够地长以确保在反应器中形成至少约85％的理论上可能量的尿素。反应器(A)装有隔板(16)(或在附图2和3中为(23))，其将反应器分成若干间隔。最后的隔板(即位于附图1所示反应器的最左端)仅在其上部有孔隙以确保控制在最后间隔中缩合物的液面的高度。在开工时，倒数第二个和最后一个间隔必须通过旁路管(17)彼此(临时地)连接，以便在反应器充满一半时已经能够排出尿素合成溶液。
在反应器(A)中释放的热量借助于水排出，该水由导管(6)供给，通过泵G经导管(7)流过安装在反应器(A)中热交换器(8)。在该过程中水被转换成低压蒸汽，形成的蒸汽经导管(9)输送到蒸汽储罐C，由导管(10)从其中排出至低压蒸汽消耗装置(未示出)，它们可以是，例如循环和/或蒸发部分。不同于蒸汽形成过程的另一种排出热量的方法，也可以是使其通过一种需要加热的加工物流，例如，通过冷却部件流经要浓缩的尿素水溶液，例如物流(12)。
含有氨和CO2的惰性气体经出口(14)由反应器(A)排出。NH3和CO2以已知的方法从这些气体中除去。尿素合成溶液由反应器(A)经导管(11)输送到汽提区域(B)。汽提后的尿素合成溶液经物流(12)排出，并可以进一步形成尿素水溶液和通过已知的方法浓缩，随后，如果需要可将浓缩的溶液转化为固体尿素。
在表示反应器A的剖面的附图2和3中，(21)代表反应器壁，出于实际的理由，在将反应器分隔成若干间隔的隔板(23)和壁(21)之间设置了开口(22)。来自汽提器的气体通过分布装置(24)输入反应器A。出于实际的理由，在每块隔板上有舱口(25)和(25′)。当反应器处于操作状态时，舱口可以是打开或关闭的，这取决于尿素合成溶液的所需的流量。在靠近热交换器(29)的隔板上的舱口优选是关闭的，而每块其余的隔板优选仅一个舱口是打开的。打开的舱口以交错的方式交替，以致得到曲折的液流。隔板(23)的顶部有一开口(26)，用作气体排出区域。隔板可装有垂直的挡板(27)，但它不是必需的。在附图3中，NH3通过位于冷凝器/热交换器高度上的分布装置(28)输入反应器热交换器用(29)表示。
制备尿素的一种方法在NL1000416中公开，其列为本文参考文献。
如下非限制性的实施例用于更详细地解释本发明的实施方案。
                    实施例
带有如附图1中所示的高压合成设备的装置用于每小时生产70吨尿素。反应压力是144巴；在这些条件下，相对于理论平衡值，转化率是95％。在热交换器中，由78.7吨175℃的缩合物每小时产生78.7吨4.5巴(148℃)的蒸汽；这相当于每吨尿素约600KWh。
通过各管道的物流如下。
                        量·吨/小时
组分   1    2   11     12   13    14     15
尿素   75.2     70.0
NH3  39.7   20.8   62.9     8.7   12.1     57.1
CO2   17.1   35.8     11.7   51.3   5.4     79.2
H2O   9.7   36.5     30.2   0.6     4.8
N2   1.3   1.3     1.3
O2   0.2   0.2     0.2
总共  39.7   47.6   210.3    120.5   52.9   19.7     142.7
温度(℃)   20   186    173   120   176     187
由管道(12)得到的汽提的尿素合成溶液以本领域技术人员已知的方法加工成固体尿素。
尽管本发明是参考优选的实施方案详细描述的，但本领域的熟练技术人员应理解，本发明的各种变化和改进对本领域的技术人员来说是显而易见的。此外，除了所附的权利要求书之外，说明书并不打算限制本发明的范围。

Claims (20)

1.一种制备尿素的方法，所述尿素由氨基甲酸铵生成，而氨基甲酸铵由至少二氧化碳和氨在合成区域中在约125巴至约350巴的压力下制备，所述方法包括如下步骤：
提供一反应器，其包括合成区域、一个水平放置的冷凝区域和一个热交换器；
把氨和二氧化碳输入反应器中，使氨和二氧化碳充分地吸收在尿素合成溶液中，
使尿素合成溶液在反应器维持所选的停留时间，从而制备至少约85％的理论上可得到量的尿素；和
在冷凝区域将冷凝过程形成的大部分热量传递给流过热交换器的流体。
2.根据权利要求1的方法，其中选择尿素合成溶液的停留时间，从而制备至少约90％的理论上可得到量的尿素。
3.根据权利要求1的方法，其中反应器是水平放置的。
4.根据权利要求3的方法，其中反应器装有确保液体以大致的活塞式流动流过反应器的装置。
5.根据权利要求2的方法，其中反应器为管道形状，其直径为约1m至约5m，长度约5m至约40m。
6.根据权利要求5的方法，其中反应器装有结构填料或将反应器分成间隔的隔板。
7.根据权利要求6的方法，其进一步包括将气体输入间隔中以产生湍流的步骤。
8.根据权利要求1的方法，其还包括将液氨输入同时包含冷凝区域和热交换器的反应器部分的步骤。
9.根据权利要求1的方法，其还包括将至少约60％的二氧化碳输入同时包含凝区域和热交换器的反应器部分的步骤。
10.一种制备尿素的方法，所述尿素由氨基甲酸铵生成，而氨基甲酸铵由至少二氧化碳和氨在合成区域中在约125巴至约350巴的压力下制备，所述方法包括如下步骤：
提供反应器，其包括合成区域、一个水平放置的冷凝区域和一个热交换器；
把氨和二氧化碳输入反应器中，使氨和二氧化碳充分地吸收在尿素合成溶液中，
使尿素合成溶液在反应器维持所选的停留时间，从而制备至少约85％的理论上可得到量的尿素；
从反应器中除去至少一部分氨基甲酸盐，在汽提区域分解氨基甲酸盐形成氨基甲酸盐分解产物；
将氨基甲酸盐分解产物输送到反应器，在冷凝区域中用于冷凝过程；
在冷凝区域将冷凝过程形成的大部分热量传递给流过热交换器的流体。
11.根据权利要求10的方法，其中含CO2气体是在汽提区域中得到的气体，并返回反应器。
12.根据权利要求11的方法，其中在反应器中的热交换器中释放的热量达到每生产一吨尿素超过约125KWh。
13.根据权利要求10的方法，其中选择尿素合成溶液的停留时间，从而制备至少约90％的理论上可得到量的尿素。
14.根据权利要求10的方法，其中反应器是水平放置的。
15.根据权利要求14的方法，其中反应器装有确保液体以大致的活塞式流动流过反应器的装置。
16.根据权利要求13的方法，其中反应器为管道形状，其直径为约1m至约5m，长度约5m至约40m。
17.根据权利要求16的方法，其中反应器装有结构填料或将反应器分成间隔的隔板。
18.根据权利要求17的方法，其进一步包括将气体输入间隔中以产生湍流的步骤。
19.根据权利要求10的方法，其还包括将液氨输入同时包含冷凝区域和热交换器的反应器部分的步骤。
20.根据权利要求10的方法，其还包括将至少约60％的二氧化碳输入同时包含凝区域和热交换器的反应器部分的步骤。
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