CN115175898A - 用于合成尿素的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于由氨和二氧化碳合成尿素的方法，其中：尿素合成是在合成回路中用汽提方法进行的，合成回路至少包括反应器(1)、汽提塔(2)和冷凝器(3)；在汽提塔中处理反应器流出物以去除未反应的氨和二氧化碳；将来自汽提塔的尿素溶液(14)送至低压回收段(4)；将汽提塔蒸汽分成引导至反应器的第一部分(151)和送至冷凝器的第二部分(152)；冷凝器(3)是壳管式釜式冷凝器，其中汽提塔蒸汽的冷凝在管侧(30)中进行；将来自冷凝器的含氨基甲酸酯的流出物(20)返回至反应器。

Description

用于合成尿素的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于合成尿素的方法和设备。特别地，本发明涉及用于合成尿素的CO2汽提方法的改进。

背景技术

用于合成尿素的工业方法的概述可以在Meessen,“Urea”,Ullmann’sEncyclopedia of Industrial Chemistry,Wiley-VCH Verlag,2010中找到。

在从反应器中抽出的含尿素的流出物溶液的处理过程中，使用气态CO2作为汽提助剂，从而命名了CO2汽提方法。该汽提步骤通常在蒸汽加热的壳管式汽提塔中进行，其中反应器流出物以降膜方式流过管侧，并且从管底部逆流进料气态CO2。由热蒸汽提供的热量引起包含在溶液中的未转化的氨基甲酸铵的解离，并且气态CO2降低了氨的分压，有助于氨基甲酸酯的分解。

因此，汽提步骤产生在汽提塔底部收集的尿素溶液，尿素溶液具有降低的未转化的氨基甲酸铵含量，和主要由氨和二氧化碳组成的汽提塔顶部气体流。

在回收段中进一步处理尿素溶液以去除未转化的氨基甲酸酯。顶部气流通常在循环氨基甲酸酯溶液的帮助下在高压冷凝器中冷凝，并且将如此获得的冷凝物送回至反应器。冷凝器的冷却介质通常是被蒸发而产生蒸汽的水。

因此，CO2汽提设备通常包括高压合成段，包括反应器、汽提塔、冷凝器和洗涤器。所述部件形成所谓的高压回路，其中，反应器的流出物进入汽提塔，从汽提塔出来的顶部气体进入冷凝器，并且从冷凝器抽出的冷凝物循环回到反应器。

在CO2汽提设备中遇到的问题是确保在这个高压合成回路中在部件之间的适当循环。为此目的，可能必须将部件安装在不同的高度处，例如，将洗涤器放置在冷凝器上方以确保冷凝物从洗涤器流到冷凝器，并且将冷凝器放置在反应器上方以确保冷凝物从冷凝器流到反应器。然而，这种安装是昂贵的。

EP 2297094公开了CO2汽提方法的演变，其中冷凝器是提供另外的合成空间的卧式釜装置。冷凝器是壳管式装置，其中汽提塔气体的冷凝在壳侧进行，冷却水进料至管侧。

由于冷凝器的水平布局和新鲜CO2在反应器和汽提塔之间的分离，这种设计可以降低装备的高度。然而，该解决方案具有缺点。

第一缺点是在壳侧进行冷凝，这意味着冷凝器的整个压力容器必须抵抗合成压力(远高于100巴)和尿素工艺流体的侵蚀环境。因此，该设计的冷凝器相当昂贵。

第二个缺点是，偏离部分新鲜CO2直接进入反应器不利于汽提塔氨效率。

WO 2019/083367公开了用于尿素汽提设备的高压氨基甲酸酯冷凝器。

发明内容

本发明旨在改进CO2汽提尿素方法和相关设备。特别地，本发明旨在降低装备的成本并提供低高度的合成回路，与现有的解决方案相比，低高度的合成回路的安装更简单并且更便宜。因此，本发明的另一目的是降低CO2汽提设备的合成段的资本成本。

这些目的通过根据权利要求的方法和设备来实现。

在本发明中，进料至汽提塔的气态CO2表示输入到合成回路的全部量的新鲜CO2，即，没有CO2直接进料至反应器。相关的优点是汽提塔的效率最佳。

汽提塔顶部气体(也称为汽提塔蒸汽)，即从汽提塔出来的含氨和二氧化碳的气体分成送入反应器的第一部分和送入冷凝器的第二部分。汽提塔蒸汽的这种划分可以根据EP1 036 787进行。相关的优点是，惰性气体在反应器中的积聚保持到最小。

冷凝器是具有管侧和壳侧的壳管式釜式冷凝器，并且将所述汽提塔顶部气体的第二部分送至管侧用于冷凝。相关的优点是将高压和侵蚀性工艺流体限制在冷凝器的管侧中。壳侧和特别是大压力容器必须不能设计成抵抗含氨基甲酸酯的尿素溶液的高压和腐蚀侵蚀。这降低了冷凝器的资本成本。

从冷凝器中抽出的含氨基甲酸酯的冷凝物流随后循环到反应器中。

根据本发明的合成段需要用于安装的减小的高度。在优选实施例中可以进一步减小高度，例如通过提供喷射器以将冷凝物流进料至反应器中，和/或通过采用具有改进的设计的立式反应器，该立式反应器具有减小的高度和增加的尺寸(例如直径)。因此，合成段的装备的制造和安装的资金成本是有竞争力的。

本发明的优选实施例

从冷凝器的管侧抽出的含氨基甲酸酯的冷凝物流可以原样或通过氨基甲酸酯分离器循环到反应器。可以提供所述氨基甲酸酯分离器来将冷凝器的流出物(典型地是双相混合物)分离成含氨基甲酸酯的液体和蒸汽相。然后将液体送至反应器。蒸汽相可以主要由不可冷凝的气体组成并且可以被排出。

含有氨基甲酸酯的液体，优选在上述氨基甲酸酯分离器中相分离之后，可以经由喷射器进料至反应器。更优选地，喷射器的驱动流为新鲜氨流。在替代实施例中，含氨基甲酸酯的液体可以通过重力流向反应器。具有喷射器的实施例是优选的，因为它不需要将冷凝器安装在反应器上方，因此降低了装备的高度。

进料至喷射器的新鲜氨可表示输入至合成回路的新鲜氨的大部分，优选输入新鲜氨的至少80％。剩余部分的新鲜氨可通过与送至冷凝器的部分汽提塔顶部气体混合而进入回路中。

根据各种实施例，可以将引导至冷凝器的汽提塔顶部气体与以下的一种或更多种混合：从反应器排出的惰性气体流；新鲜氨流；来自回收段的含氨基甲酸酯的循环溶液。混合可以在引入冷凝器的管侧之前进行。

在实施例中，尿素合成段(高压回路)不包括高压洗涤器。因此，将从反应器排出的惰性气体流在将所述汽提塔蒸汽引入冷凝器的管侧之前与汽提塔蒸汽的第二部分混合。

在优选的实施例中，将引导至冷凝器的汽提塔顶部气体的部分与新鲜氨、来自反应器的排气和来自回收段的氨基甲酸酯循环溶液混合。如此引入到冷凝器中的新鲜氨可以是输入到合成回路的氨的较小部分，例如20％或约20％。剩余部分可以例如经由喷射器(当提供时)直接引入到反应器中。

必须去除反应器的顶部气体以避免惰性气体在反应器本身中积聚。然而，可以从反应器顶端排出的顶部气体包含一些氨和二氧化碳。将这个反应器排气与引导至冷凝器的汽提塔气体混合具有以下优点：包含在排气中的反应物(氨和二氧化碳)可以经由冷凝回收。

这个实施例的又一个优点是，通过将废热传递至进料至该合成回路的新鲜氨，以预热所述新鲜氨，可以提高该方法的总效率。提供给该流的所有热量最终在冷凝器中作为可用于回收段的低压蒸汽回收。这可以将汽提塔MP流消耗降低至预热器中传递至氨的热的大约一半的机会。

在不同的实施例中，反应器排气可在高压洗涤器中与氨基甲酸酯循环溶液接触，从而获得被送至冷凝器的管侧的溶液。

优选地，冷凝器的壳侧在压力不大于6巴、优选地2至6巴下被冷却流体穿过，该冷却流体优选地是沸水。冷凝器的管优选地是U形管束。

在冷凝器的管侧(即，工艺侧)中进行的冷凝优选地是总冷凝。该术语表示除了不可避免的不可冷凝的部分之外，气相几乎完全冷凝成液态。

在优选的实施例中，尿素反应器是具有小于20米、优选地在12至18米范围内并且更优选地12至16米的高度的立式反应器。这个高度显著小于尿素反应器的通常高度(20至35米)。根据本发明的方面，该减小的高度由高度与直径(h/D)的增加的比率来补偿。

与现有技术的通常的45至60米相比，支撑高压合成部的部件的所得结构可具有不大于40米(例如30至38米)的最大高度。这在安装成本方面是相当大的优势。

优选的实施例包括：将从冷凝器抽出的冷凝物流通过喷射器进料至尿素合成反应器中；从反应器去除顶部气体以避免在反应器本身中惰性气体的累积；将反应器排气与引导至冷凝器的汽提塔气体混合，以便回收包含在该排气中的氨和二氧化碳；汽提塔是在与反应器相同的压力下操作的壳管式立式装置；冷凝器是在与反应器和汽提塔相同的压力下操作的高压装备，反应器、汽提塔和冷凝器相互连接以形成高压合成回路。

以下详细说明涉及优选实施例，这些优选实施例通过非限制性示例的方式描述。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的尿素合成方法和设备的方案。

具体实施方式

图1示出了以下主要部件：

尿素反应器 1

高压汽提塔 2

高压冷凝器 3

低压回收段 4

氨基甲酸酯分离器 5

喷射器 6

控制阀 7。

尿素是在高压例如140巴下在反应器1中形成的。尿素反应器1是内部由板分隔的立式装置。含尿素溶液用下导管10收集，并通过管线11进入汽提塔2。

汽提塔2是在与反应器1基本相同的压力下操作的管壳式垂直装置。将反应器流出物11进料至汽提塔2的管侧。气态CO2经由管线12进料到管侧的底部。因此，流出物溶液以与气态CO2逆流的降膜方式下降到管。管周围的壳侧由在管线13处进入的蒸汽加热。

在汽提塔2中，包含在反应器流出物中的一些未反应的氨基甲酸酯被分解成气态氨和二氧化碳。

来自汽提塔2的溶液流出物经由管线14送至回收段4。

通过管线15从汽提塔2的顶部抽出汽提塔顶部气体，该汽提塔顶部气体主要由氨和二氧化碳组成。

管线15分成通向反应器1的第一管线151和通向冷凝器3的第二管线152。管线152的流率由阀7控制。

因此，汽提塔顶部气体的第一部分返回至反应器1，第二剩余部分送至冷凝器3用于冷凝。优选调节阀7使得引导至反应器1的管线151的流为在管线15中从汽提塔中抽出的总流的20-40％。

冷凝器3是具有U形管束30的卧式釜装置。冷凝器3也是在基本等于反应器1和汽提塔2压力的压力下操作的高压装备。

所述汽提塔顶部气体的第二部分(管线152)送至冷凝器3的管侧，如图所示。

更具体地，管线152的汽提塔顶部气体的第二部分与反应器排气16、新鲜氨流17和来自回收段4的循环溶液流18混合。

汽提塔蒸汽152与任何所述流16(反应器排气)、17(新鲜氨)和18(氨基甲酸酯循环)，或它们的组合的混合是任选的；图1示出优选实施例，其中汽提塔蒸汽152与所有所述流16、17和18混合。

将如此获得的混合流19(其包括管线152的一部分汽提塔蒸汽)在冷凝器3的管侧30中冷凝。冷却流体(例如沸水(未示出))穿过壳侧31。

将冷凝器流出物经由管线20送至氨基甲酸酯分离器5。管线20中的冷凝器流出物通常为双相混合物。在氨基甲酸酯分离器5中将该混合物分离成液体部分和气体部分。液体部分通过管线21离开分离器5并借助于喷射器6及其输出管线23返回至反应器1。新鲜氨流22驱动喷射器6。在分离器5中分离的气体部分主要由不可冷凝的气体制成并且可以通过管线25排出。

回收段4在低压下操作，例如2至6巴。回收段4是已知的并且不需要详细描述。基本上，该段包括至少低压氨基甲酸酯分解器和低压冷凝器；气态氨和二氧化碳从分解器中的尿素溶液中去除，并且所述气体在低压冷凝器中冷凝成含氨基甲酸酯的循环溶液。

因此，回收段4产生含氨基甲酸酯的溶液18和基本上由尿素和水组成的尿素溶液24。如上所述，氨基甲酸酯溶液18优选与汽提塔蒸汽的部分152一起返回冷凝器3。氨基甲酸酯溶液18可帮助所述汽提塔蒸汽在冷凝器中冷凝。

可以注意到，反应器1、汽提塔2和冷凝器3相互连接以形成高压合成回路。在一些实施例中，该回路还可以包括洗涤器。在合成回路中的部件在相同或基本上相同的压力下操作，该压力优选地在120至180巴的范围内。

图1示出了优选实施例，其中高压回路不包括洗涤器。因此，从反应器1抽出的排气16在与部分汽提塔蒸汽152混合之后直接进入冷凝器3中。

还可以注意到，新鲜CO2仅经由连接至汽提塔2的管线12进入所述回路。换言之，新鲜物质的唯一输入是作为汽提介质进入汽提塔2的CO2。

新鲜氨从连接至喷射器6的管线22并且可能从管线17进入回路，新鲜氨在冷凝器3之前与流152混合。在氨从两个位置进入的情况下，优选的是大部分氨经由喷射器进入，即，来自管线22。

在变体中，经由管线16从反应器1排出的气体可以送至高压洗涤器并用氨基甲酸酯溶液(例如溶液18的一部分)洗涤。来自洗涤器的液体流出物可以被送至冷凝器3的管侧。

Claims (16)

1.一种用于由氨和二氧化碳合成尿素的方法，其中：

所述尿素合成是在合成段中用汽提方法进行的，所述合成段至少包括反应器(1)、汽提塔(2)和冷凝器(3)；

在所述反应器(1)中在合成压力下进行氨和二氧化碳至尿素的转化，同时形成含尿素和未转化的氨基甲酸铵的水状流出物(11)；

在所述汽提塔(2)中进行所述反应器流出物(11)的汽提步骤，其中所述反应器流出物被加热并且与作为汽提助剂的气态二氧化碳(12)接触，同时形成含尿素的溶液(14)和主要包含氨和二氧化碳的汽提塔蒸汽(15)；

将来自所述汽提塔的所述含尿素的溶液(14)流出物送至低压回收段(4)用于进一步处理；

进料至所述汽提塔的所述气态二氧化碳(12)表示新鲜二氧化碳完全输入至所述合成段；

将所述汽提塔蒸汽(15)分成被送到所述反应器中的第一部分(151)和被送到所述冷凝器的第二部分(152)，

所述冷凝器(3)是具有管侧(30)和壳侧(31)的壳管式釜式冷凝器，并且所述汽提塔蒸汽的第二部分(152)被送至所述管侧(30)用于冷凝；

含氨基甲酸酯的冷凝物流(20)从所述冷凝器的管侧被抽出并返回至所述反应器。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述含氨基甲酸酯的冷凝物流(20)经由氨基甲酸酯分离器(5)返回至所述反应器，所述氨基甲酸酯分离器(5)将含氨基甲酸酯的液体(21)与所述冷凝器的流出物分离，并且将所述液体送至所述反应器。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，将在所述氨基甲酸酯分离器中获得的所述含氨基甲酸酯的液体(21)与新鲜氨(22)一起经由喷射器(6)送至所述反应器。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，进料至所述喷射器(6)的所述新鲜氨(22)表示输入至所述合成段的新鲜氨的大部分，优选地输入的所述新鲜氨的至少80％。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在引入所述冷凝器的所述管侧中之前，将所述汽提塔蒸汽的第二部分(152)与新鲜氨流(17)和/或与来自所述回收段(4)的含氨基甲酸酯的循环溶液(18)混合。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述尿素合成段不包括高压洗涤器，并且在将所述汽提塔蒸汽引入所述冷凝器的管侧之前，将从所述反应器排出的惰性气体流(16)与所述汽提塔蒸汽的第二部分(152)混合。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述合成段输入的所述新鲜氨经被所述喷射器部分地引入所述反应器中，并在引入所述冷凝器的管侧之前部分地与所述汽提塔蒸汽混合。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述冷凝器的所述壳侧(31)在不大于6巴、优选2至6巴的压力下由冷却流体穿过，所述冷却流体优选为沸水。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在120巴至180巴的压力下合成尿素，并且在2巴至6巴、优选4巴的压力下进行所述低压回收。

10.一种用于进行权利要求1所述的方法的CO2汽提尿素设备，包括：

合成回路，所述合成回路至少包括反应器(1)、汽提塔(2)和冷凝器(3)；

管线(11)，所述管线(11)被布置成将含尿素的反应器流出物从所述反应器进料至所述汽提塔，以及管线(12)，所述管线(12)被布置成将作为汽提介质的新鲜CO2进料至所述汽提塔；

管线(14)，所述管线(14)被布置成将含尿素的溶液流出物从所述汽提塔送至低压回收段(4)用于进一步处理，

被布置成将新鲜CO2进料至所述汽提塔的所述管线(12)是所述合成段的唯一CO2进料，

管线(151)，所述管线(151)被布置成将第一部分汽提塔顶部蒸汽进料至所述反应器中，以及管线(152)，所述管线(152)被布置成将所述汽提塔蒸汽的第二部分进料至所述冷凝器中，

所述冷凝器是具有管侧(30)和壳侧的壳管式釜式冷凝器，并且所述汽提塔蒸汽的第二部分的所述管线(152)连接至所述冷凝器的管侧，使得所述汽提塔蒸汽的第二部分进料至所述冷凝器的管侧中用于冷凝，

管线(20)，所述管线(20)被布置成将含氨基甲酸酯的冷凝物流进料回至所述反应器，所述冷凝物流从所述冷凝器抽出。

11.根据权利要求10所述的设备，进一步包括氨基甲酸酯分离器(5)，所述氨基甲酸酯分离器(5)被布置成将从所述冷凝器的管侧抽出的冷凝物分离成含氨基甲酸酯的液体和蒸汽相或气相，所述含氨基甲酸酯的液体被循环至所述反应器。

12.根据权利要求11所述的设备，进一步包括：喷射器(6)，所述喷射器(6)被布置成将所述含氨基甲酸酯的液体从所述氨基甲酸酯分离器进料至所述尿素反应器；以及被布置成将作为驱动流的新鲜氨进料至所述喷射器的管线。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的设备，进一步包括一个或更多个管线，所述一个或更多个管线被布置成在将所述汽提塔蒸汽的第二部分引入所述冷凝器的管侧之前，将所述汽提塔蒸汽的第二部分与新鲜氨流和/或与来自所述回收段的含氨基甲酸酯的循环溶液混合。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的设备，其中，所述合成回路不包括高压洗涤器，并且管线被布置成在所述冷凝器的管侧中引入所述汽提塔蒸汽之前，将从所述反应器排出的惰性气体流(16)与所述汽提塔蒸汽的第二部分(152)混合。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的设备，其中，所述尿素反应器是具有小于20米、优选地在12至18米范围内的高度的立式反应器。

16.根据权利要求10至15中任一项所述的设备，包括用于支撑所述反应器(1)、所述汽提塔(2)和所述冷凝器(3)的结构，其中所述结构的最大高度不大于40米并且优选在30至38米的范围内。

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