CN1212951A - 用于联合生产氨和尿素的方法 - Google Patents

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Abstract

在包括氨合成反应器(2)、尿素合成反应器(5)和尿素回收工段(21)的装置中联合生产氨和尿素的方法,其特征在于至少使部分来自(21)的含氨基甲酸酯水溶液的物流经部分分解处理,获得含氨和二氧化碳的物流和含氨基甲酸酯稀水溶液物流,将后一物流与含氢、氮和二氧化碳的气流、以及来自(2)含氨物流加至氨基甲酸酯合成工段(3),使氨与二氧化碳反应,得到含氨基甲酸酯水溶液的物流和含氢和氮的气流。然后将含氨基甲酸酯水溶液的物流送至(5)中,而将含氢和氮的气流送至(2)。

Description

用于联合生产氨和尿素的方法
本发明涉及一种用于在一套装置内联合生产氨和尿素的方法，该装置包括一个氨合成反应器，一个尿素合成反应器和一个尿素回收工段。
在下面的说明书和随后的权利要求书中的术语“用于联合生产氨和尿素的方法”是指一种单一的方法，它联合了氨的生产方法和尿素的生产方法。
换句话说，根据本项技术，尿素是通过——至少是部分通过——使一个合成反应器中获得的氨与包含在一种合成原料气流中的二氧化碳反应来生产的，该合成原料气流除含有其它物质外，还含有来自诸如转化工段的氢气和氮气。然后将不合二氧化碳的合成原料气流送至氨合成反应器。
这种方法能够省去——或在任何情况下以显著的程度减少——合成原料气流的脱碳工段、在相应的合成反应器中生产的氨的分离工段，以及二氧化碳的压缩工段。另外，与生产氨和生产尿素的两种分开的方法相比，一种单一的联合的系统可以明显地降低能量消耗和资金投入。
在所有的通过使全部——或在任何情况下大部分——的氨与在合成气制备中作为副产物得到的二氧化碳反应来使氨转化成尿素的情况下，都特别需要提供一种联合的方法。
在下面的说明书和随后的权利要求书中的术语“尿素回收工段”是指尿素合成反应器下游的那部分装置，通常包括一个处于中压(约18绝对巴)的氨基甲酸酯分解器或两个处于中压和低压(约4绝对巴)的氨基甲酸酯分解器以及相关的氨基甲酸酯冷凝器，后者的功能是从来自相应的合成反应器的反应混合物中分离出所生产的尿素，以这种方式能够得到一种60％至75％的浓缩的尿素溶液。
本发明还涉及一种用于实施上述方法的装置，以及一种使氨生产装置和尿素生产装置同时现代化的方法。
在下面的说明书和随后的权利要求书中的术语“同时现代化”是指涉及已存在的用于氨合成的装置和已存在的用于尿素合成的装置的同时的现代化过程，其目的是它们的联合。
氨和尿素生产方法之间的联合——其中使存在于合成原料气中的二氧化碳与合成氨反应以产生一种将被送至尿素合成反应器的氨基甲酸酯水溶液——在一方面涉及装置的简化，特别涉及氨的脱碳和分离工段以及CO2的压缩工段——但在另一方面，涉及与尿素生产有关的工段的明显过载，基本上是由于形成热的缺乏和尿素合成反应器中过量的H2O/CO2摩尔比，伴随的结果是低的转化收率和高的能量消耗。
因此，在联合生产氨和尿素的领域，越来越需要提供能够以一种简单的方式、低的操作费用和资金投入来增加尿素转化收率的方法。
为满足上述要求，本领域中已经提出了数种联合生产氨和尿素的方法。
例如，在US-A-3 303 215和US-A-3 310 376中，公开了一种根据现有技术用于联合生产的方法，其中经适当纯化的液氨被加入一个尿素合成反应器中，在该反应器中使氨与包含在还含有氢气和氮气的合成原料气中的二氧化碳反应。
在尿素合成反应器中，氨和二氧化碳反应形成的氨基甲酸铵随后通过脱水被转化成了尿素。
这种方法的第一个缺点在于氨基甲酸酯生产过程中的高放热以及降低氨和二氧化碳分压的惰性气体(氢气和氮气)的存在，使尿素合成反应器必需在高压下操作以使反应物处于液态，伴随的结果是高的能量消耗和操作费用。
另外，由于在尿素合成反应器中加入了大量的水——例如以氨基甲酸酯水溶液的形式存在——以促进二氧化碳在氨溶液中的吸收以及随后生成氨基甲酸酯的反应，这种合成反应器中的H2O/CO2摩尔比相对较高，而且转化收率不令人满意。
另一个缺点在于实施上述方法所需的尿素合成反应器的结构和操作的复杂性，该反应器必须包括一个特殊的单元用以将惰性气体(氢气和氮气)从气态的二氧化碳和氨中分离。
根据现有技术的这种方法，还提供了一个对由未反应的气体产生的氨的冷凝和分离的步骤，通常是氨的生产过程，从经济和能量消耗的观点来看，这是十分需要的。
在US-A-3 349 126,US-A-4 012 443,US-A-4 013 718，以及US-A-4 320 103中，公开了另外一种根据现有技术的方法，它包括一个用于二氧化碳吸收和氨基甲酸酯合成的分离工段。
根据这种方法，来自相应的合成反应器的氨被从未反应的气体中分离——通常在一个特别的吸收工段中用水吸收——然后被送至氨基甲酸酯合成工段，氨在该工段与来自一个转化工段的合成原料气流中所含的二氧化碳反应，形成氨基甲酸铵，该物质被送至尿素合成反应器。
还是在这种情况下，二氧化碳的吸收和随后生成氨基甲酸酯的反应发生在一个富含水的环境中，然后将水与氨基甲酸酯一同送至尿素合成反应器。
另外，在用氨溶液吸收二氧化碳时所释放的氨基甲酸酯的形成热会导致氨溶液强烈地蒸发，这涉及在氨基甲酸酯合成工段的出口需要对氨进行额外地回收，伴随的问题是对氨基甲酸酯的过分稀释。同时，由于尿素转化反应器缺乏氨基甲酸酯形成热，在所述反应器内的操作条件变得更加困难。
换一种说法，根据现有技术的这种方法，在尿素合成反应器外生产氨基甲酸酯不仅涉及相关形成热的损失，还需要额外的水，这与随后进行的脱水形成尿素相反，因而不能得到满意的转化收率。
总之，根据现有技术联合生产氨和尿素的方法，除了需要十分复杂的设备来实施、涉及高的投资和操作费用以及高的能量消耗之外，还由于存在于相应合成反应器中的过量的H2O/CO2摩尔比，在任何情况下都不能得到高的尿素转化收率。
由于这些缺点，尽管在该领域内有不断增长的需要，迄今为止还没有发现对上述方法的实际应用。
本发明的基本问题是设计一种用于联合生产氨和尿素的方法，例如在一方面它能够获得高的尿素转化收率，而在另一方面，它能够以低的操作费用和资金投入以及以低的能量消耗来简单地实施。
根据本发明，通过上述类型的方法，上面的问题得到了解决，该方法下列步骤：
——至少使部分来自尿素回收工段的含有氨基甲酸酯水溶液的物流经过一种部分分解处理，以获得一种含有气态氨和二氧化碳的物流以及一种含有稀释的氨基甲酸酯水溶液的物流；
——将所述含有气态氨和二氧化碳的物流加至尿素合成反应器中；
——将所述由所述处理步骤得到的含有稀释的氨基甲酸酯水溶液的物流、一种优选通过烃蒸汽转化得到的含有氢气、氮气和二氧化碳的气流、以及一种来自氨合成反应器含有氨的物流加至一个氨基甲酸酯合成工段；
——在所述的氨基甲酸酯合成工段中使所述的氨与所述的二氧化碳反应，以得到一种含有氨基甲酸酯水溶液的物流以及一种含有氢气和氮气的气流；
——将所述含有氨基甲酸酯水溶液的物流加至所述的尿素合成反应器中；
——将所述含有氢气和氮气的气流加至所述的氨合成反应器中。
有利地，由于本发明的方法，尤其是由于对来自尿素回收工段的氨基甲酸酯的部分分解步骤，就能够将一种富含水的溶液送至氨基甲酸酯合成工段，而且能够在同时将含有氨和基本上无水的二氧化碳的物流送至尿素合成反应器，这样就能够在这种反应器中减小H2O/CO2摩尔比，因而提高尿素的转化收率。
以这种方式，除了能在尿素合成反应器保持低的H2O/CO2摩尔比外，还能够有效地利用含于来自尿素回收工段的氨基甲酸酯水溶液中的至少一部分的水，使其以一种简单和经济的方式循环至氨基甲酸酯合成工段，目的是促进二氧化碳的吸收并使所生产的氨基甲酸酯保持一种水溶液的状态，这样就防止了不希望出现的这种物质的结晶现象。
得自本方法的另一个优点在于，通过将含有氨和二氧化碳的气流送至尿素合成反应，就能够直接从在尿素合成反应器中通过氨和二氧化碳之间的反应所产生的热(氨基甲酸酯形成热)中提供至少一部分尿素合成所需的反应热。即使在包含于合成原料气中的几乎全部二氧化碳都在特别的合成工段中被转化成了氨基甲酸酯的情况下，这样做也能够消除尿素合成反应器中的热平衡问题。
因此，本发明的方法能够以一种十分简单和有效的方式，以低的投资和操作费用以及低的能量消耗和高的尿素转化收率来得到一种联合的氨和尿素的生产方法。
与现有技术不同，本方法还能够有利地消除通过冷凝或通过吸收从未反应的气体中分离氨的繁复步骤。
实际上，根据本发明，氨和二氧化碳被同时从各自的物流中分离，而且利用它们的高的化学反应能力使其在一个单一的氨基甲酸酯合成工段中直接反应，得到了将被送至尿素合成反应器的一种氨基甲酸酯溶液。
优选地，来自氨合成反应器的物流含有气态的氨，这样氨基甲酸铵的合成至少可以部分地在气相中进行，其中氨和二氧化碳之间十分快速地反应，不需要在含有氨的物流中预先吸收二氧化碳。
如果氨基甲酸酯合成工段中所需的水量高于得自处理步骤、含有氨基甲酸酯水溶液的稀释的物流中所含的水量，本发明的方法有利地包括更进一步的步骤，即将来自一个尿素浓缩工段的含有水的物流加至所述的氨基甲酸酯合成工段。
以这种方法，通过使在尿素合成反应器下游的工段之一获得的水循环，就不再需要将来自过程之外的含有水的物流送至氨基甲酸酯合成工段，这样就节省了操作费用。
为了有利地提高尿素转化收率，本发明的方法还包括下述步骤：
——至少使部分得自所述氨基甲酸酯合成工段的含有氨基甲酸酯水溶液的所述物流经过一种部分分解处理，以获得一种含有气态氨和二氧化碳的物流以及一种含有稀释的氨基甲酸酯水溶液的物流；
——将所述含有气态氨和二氧化碳的物流加至所述尿素合成反应器中；
——将所述由所述处理步骤得到的含有稀释的氨基甲酸酯水溶液的物流加至所述氨基甲酸酯合成工段中。
实际上，通过这样做就可以将一种含有氨和二氧化碳的基本上无水的物流送至尿素合成工段，该物流能够进一步降低H2O/CO2摩尔比，从而提高了转化收率，使存在于来自上述工段的氨基甲酸酯物流中的水有利地循环回氨基甲酸酯合成工段。
为了控制尿素合成反应器中的温度和保证尿素转化的最佳操作条件，本发明的方法还包括下述步骤：
——对来自尿素合成工段的含有循环的氨的物流进行预热；
——将所述预热后的含有氨的物流加至所述尿素合成反应器中。
根据本发明方法的一个选择性的实施方案，对尿素合成反应器中温度的控制还有赖于进一步包括下列步骤：
——将得自所述氨基甲酸酯部分分解处理的含有气态氨和二氧化碳的物流冷却；
——将所述冷却后的物流加至所述尿素合成反应器中。
上面的两种选择都能够对尿素合成反应器中的温度进行直接和有效的控制，能够准确地提供高转化收率所需的热量。
在第一种情况下，向尿素合成反应器中加入的是一种含有循环的氨的适当预热的物流，而在第二种情况下，在被加至尿素合成反应器中之前，含有气态氨和二氧化碳的物流被适当地冷却。
为了上述方法的实施，本发明有利地提供了一种用于联合生产氨和尿素的装置，包括：
——一个氨合成反应器，一个氨基甲酸酯合成反应器，一个尿素合成反应器，一个尿素回收工段和一个氨基甲酸酯分解工段；
——用于将一种来自所述尿素回收工段的含有氨基甲酸酯水溶液的至少一部分物流加至所述分解工段的设备；
——用于将一种在所述分解工段中得到的含有气态氨和二氧化碳的物流加至所述尿素合成反应器中的设备；
——用于将一种在所述分解工段中得到的含有稀释的氨基甲酸酯水溶液的物流、一种优选地来自一个烃蒸汽转化工段的含有氢气、氮气和二氧化碳的气流、以及一种来自所述氨合成反应器含有氨的物流加至所述氨基甲酸酯合成工段的各个设备；
——用于将一种在所述氨基甲酸酯合成工段中得到的含有氨基甲酸酯水溶液的物流加至所述尿素合成反应器的设备；
——用于将一种在所述氨基甲酸酯合成工段中得到的含有氢气和氮气的气流加至所述氨合成反应器中的设备。
在本发明的另一方面，还提供了一种用于使一种氨合成装置和一种尿素合成装置同时现代化的方法，所述装置分别包括一个氨合成反应器和一个尿素合成反应器以及一个尿素回收工段，该方法的特征在于包括如下步骤：
——提供一个氨基甲酸酯合成工段和一个氨基甲酸酯分解工段；
——提供用于将一种来自所述尿素回收工段的含有氨基甲酸酯水溶液的至少一部分物流加至所述分解工段的设备；
——提供用于将一种在所述分解工段中得到的含有气态氨和二氧化碳的物流加至所述尿素合成反应器中的设备；
——提供用于将一种在所述分解工段中得到的含有稀释的氨基甲酸酯水溶液的物流、一种优选地来自一个烃蒸汽转化工段的含有氢气、氮气和二氧化碳的气流、以及一种来自所述氨合成反应器含有氨的物流加至所述氨基甲酸酯合成工段的各个设备；
——提供用于将一种在所述氨基甲酸酯合成工段中得到的含有氨基甲酸酯水溶液的物流加至所述尿素合成反应器的设备；
——提供用于将一种在所述氨基甲酸酯合成工段中得到的含有氢气和氮气的气流加至所述氨合成反应器中的设备。
由于使用了上述将一种现有的氨装置和一种现有的尿素装置联合的现代化方法，就能够以一种简单和经济的方式获得高的尿素转化收率，并同时能获得操作费用和能量消耗的明显降低。
通过下面参照附图的非限定性的实施例，在对这个实施方案的描述中给出了本发明的特点和优点。
图1大略示出了一套根据本发明的用于联合生产尿素和氨的装置，或是通过新的装置实现，或是通过使现有的常规型式的氨生产装置和尿素生产装置的现代化来实现。
出于使对本发明的描述更为简单这一唯一的目的，除了对装置的不同部分之间的连接导管进行标记外，对于下面描述的、在图1中示出的装置的同一部分也进行标记，通常是在它们自身中，只有在严格地需要它的地方才标出。
参照图1，它大致示出了一个根据本发明用于联合生产氨和尿素的装置1。
有利地，装置1包括一个氨合成反应器2，一个氨基甲酸酯合成工段3，一个尿素合成工段4，一个尿素回收工段21，以及一个氨基甲酸酯分解工段23。
尿素合成工段4包括彼此之间被串联安置的一个尿素合成反应器5和一个高压(约180绝对巴)汽提塔6，用于氨基甲酸酯的部分分解和分离存在于来自反应器5的反应混合物中的水溶液中的自由氨。
正如下面将看到的，根据本发明的联合生产氨和尿素的方法在尿素合成反应器5中得到的收率与根据现有技术的尿素生产装置所能得到的收率相当，即在62％和70％之间的收率。
一个本发明所能获得的尿素合成反应器5的操作条件的实例是：NH3/CO2摩尔比3.8,H2O/CO2摩尔比0.8,64％的转化收率，压力180绝对巴，温度190℃。
在图1的实施例中，装置中用于尿素生产的部分是全部循环型的，即将反应物循环回合成反应器5中。然而，本发明并不限于尿素合成方法的某一特定类型，在使用诸如部分循环型，或没有反应物循环的“一次通过”型尿素合成方法进行操作的装置中，也可能有利地实施。
图中还示出了分别用于将一种含有氢气、氮气和二氧化碳的气流、一种含有氨的物流、一种含有水的物流、以及一种含有稀释的氨基甲酸酯水溶液的物流送至氨基甲酸酯合成工段3的导管7、8、9a和9b。
含有氢气、氮气和二氧化碳的气流优选来自一个烃蒸汽转化工段10，该工段包括在图1中没有示出的一个初级转化单元和一个次级转化单元，它们是本领域的技术人员已知的常规类型。
在下面的说明书和随后的权利要求书中，使用的术语“烃”是为了一般性地表示一种原料，它是氢和碳的来源，例如甲烷或一种液态和/或气态烃的混合物，例如天然气和石脑油。
将含有烃和水蒸汽的气流通过导管11加至工段10的初级转化单元，在其中发生初级的烃蒸汽分解，导致氢气、一氧化碳和二氧化碳的形成。然后，在次级转化步骤中继续进行分解，还向其中加入了含有氮气的气流(通常是空气)。
12、13和14分别显示了一个含烃物流的脱硫工段、用于将一氧化碳转化为二氧化碳的一个高温转化工段和一个低温转化工段。
工段12、13、14是常规类型的，因而在下面的叙述中将不对它们进行更详细的描述。
为了达到本发明的目的，通过导管7加至氨基甲酸酯合成工段3的含有氢气、氮气和二氧化碳的气流可通过任何已知的其它技术生产，作为烃蒸汽转化的替代方式。
含有氨的物流来自氨合成反应器2，它通过导管8被加至工段3。
根据图1的实施例，值得注意的是，导管8直接将氨合成反应器2连至氨基甲酸酯合成工段3。这样，就能够向后面的工段加入含有气态自由氨的物流，这种自由氨能与存在于工段3中的二氧化碳立即反应，促进了氨基甲酸酯的合成。
有利地，加入氨基甲酸酯合成工段3中以促进二氧化碳的吸收以及它与氨的立即反应的至少一部分水，是含在含有稀释的氨基甲酸酯水溶液的物流中的，该物流来自——通过导管9b——一个氨基甲酸酯分解工段23，在后面将对该工段进行更为详细的描述。
在图1的实施例中，还通过导管9a将预定量的水加至氨基甲酸酯合成工段。这些水——或其中的一部分——可以来自装置1之外的来源，或者有利地来自一个尿素浓缩工段22。
然而，通过导管9a加入含有水的物流完全是任选的，其主要作用是增加氨基甲酸酯合成工段3中的水含量。
实际上，本发明提供了一种——但没有示出——实施方案，其中所有的水都通过导管9b被加至工段3并来自氨基甲酸酯分解工段23。根据另一个没有示出的本发明的实施方案，只通过导管9b向氨基甲酸酯合成工段3中加入附加量的水，它来自装置1以外的来源或来自尿素浓缩工段22。
优选地，送至氨基甲酸酯合成工段3的水的总量的大约30-40％是通过导管9a加入的，大约60-70％(例如65％)是通过导管9b加入的。
从氨基甲酸酯合成工段3分出来导管15和16，分别用于将含有氨基甲酸酯水溶液的物流送至尿素合成反应器5和将含有氢气和氮气的物流送至氨合成反应器2。
在被加入氨合成反应器2之前，使含有氢气和氮气的气流通过导管16进入常规类型的甲烷化工段17和干燥工段18，气流在其中被适当地净化。
特别地，在甲烷化工段17中，可能存在的微量一氧化碳和/或二氧化碳被适当地转化成了甲烷。反之，在干燥工段18中，含有氢气和氮气的气流被用液氨洗涤来脱水以除去可能存在的微量水。
有鉴于此，含有液氨的物流通过导管19被导入导管16，然后与含有氢气和氮气的气流一同被送至通常包括一个气/液分离器的干燥工段18。
在分离器中，存在于气流中的水被氨所吸收以得到一种氨的水溶液，通过导管20和25，该溶液被有利地循环回尿素合成工段4；同时，含有氢气和氮气的不含水的气流被通过导管16送至氨合成反应器2。
氨合成反应器2中的压力和温度操作条件是本领域的技术人员已知的常规类型氨合成装置中的典型条件。
除了合成工段4之外，装置中用于尿素生产的部分还包括一个尿素回收工段21，一个尿素浓缩工段22并有利地包括一个氨基甲酸酯分解工段23。
在图1的实施例中，尿素回收工段21是这样一种类型，它包括一个处在中压(约18绝对巴)的氨基甲酸酯分解器24，一个处在低压(约4绝对巴)的氨基甲酸酯分解器25和一个氨蒸馏柱26。
尿素浓缩工段22包括一对真空蒸馏釜，依次是27和28，以及在图1中以虚线表示的一个真空单元29。
尿素合成反应器5在其底部末端分别通过导管15和30与氨基甲酸酯合成工段3以及加有含氨物流的导管19相连。
在氨基甲酸酯合成工段3和尿素合成反应器5之间提供了一个分离器31以通过导管32从含有氨基甲酸酯水溶液的物流中提取可能存在的氢气和氮气夹带物。
反应器5还——总是在其底部通过导管33——与汽提塔6相连，来自该塔的气相(包括氨、二氧化碳和水蒸汽)通过导管34被循环回反应器5，来自该塔的液相(包括一种经部分纯化的尿素的溶液)通过导管35被加至尿素回收工段21的氨基甲酸酯分解器24。
导管35通过尿素浓缩和回收工段21和22，以在出口处从蒸馏釜28中得到一种纯化的尿素物流，该物流——总是通过导管35——被送至整理设备中，它们是常规类型的，因而在这里没有描述。
通过36显示了用于将含有氨的气体送至真空单元29的导管，其中这类气体被通过众所周知的方法冷凝。
将所获得的含有一些残余的氨水溶液的冷凝液通过导管37送至一个水处理工段(未示出)。
根据本发明的一个特点，用于将含有水的物流送至氨基甲酸酯合成工段3的导管9a通过导管38(在图1中以虚线表示)与导管37流体连通。
以这种方式，就能够向氨基甲酸酯合成工段3中加入来自尿素浓缩工段22的含有水的物流，这样就使已经存在于装置中的部分水有利地循环。
将在氨基甲酸酯分解器24和25中得到的含有水、氨和二氧化碳的气体送至——在经过至少部分冷凝后——氨蒸馏柱26，该柱从氨基甲酸酯水溶液中分离出基本上纯净的氨。
将通过蒸馏得到的氨冷凝，并至少使其中的一部分分别通过导管19和30循环回尿素合成反应器5，通过导管19和16循环回干燥工段18。
根据本发明一个特别有利的特点，来自氨蒸馏柱26底部的含有氨基甲酸酯水溶液的物流被通过导管39送至氨基甲酸酯分解工段23。以这种方式就得到了一种含有气态氨和二氧化碳的基本上无水的物流，它被通过导管40和34循环回尿素合成反应器5，还得到了一种非常稀的氨基甲酸酯水溶液的物流，它被通过导管9b有利地循环回氨基甲酸酯合成工段3中。
有利地，根据本发明的联合生产氨和尿素的方法，使至少一部分来自尿素回收工段21(通过导管39)的含有氨基甲酸酯水溶液的物流经过一种部分分解处理，产生一种含有气态氨和二氧化碳的物流和一种含有稀释的氨基甲酸酯水溶液的物流。将含有气态氨和二氧化碳的物流加至(通过导管40、34)尿素合成反应器5，而将含有稀释的氨基甲酸酯水溶液的物流与一种含有氢气、氮气和二氧化碳的气流以及一种来自氨合成反应器2的含有氨的物流一同加至(通过导管9b、7和8)一个氨基甲酸酯合成工段，氨和二氧化碳在其中反应以得到一种含有氨基甲酸酯水溶液的物流和一种含有氢气和氮气的气流。然后将含有氨基甲酸酯水溶液的物流加至(通过导管15)尿素合成反应器5，而含有氢气和氮气的气流被加至(通过导管16)氨合成反应器2。
由于本发明，可以控制——并维持在低水平——送至尿素合成反应器5中的水量，它可以有利地被循环回氨基甲酸酯合成工段3，以这种方法——以一种简单和有效的方式——就能够得到高的尿素转化收率。
换一种说法，氨基甲酸酯的部分分解步骤提供了高的过程灵活性，因为即使水量很大，它也能够在氨基甲酸酯合成工段3中操作，同时不因此而不利地影响尿素合成反应器5中的H2O/CO2摩尔比，从而也不影响转化收率。
根据本发明一个特别优选的实施方案，可以进一步减小尿素合成反应器5中的H2O/CO2摩尔比，从而提高转化收率，方法是将来自工段3的至少一部分含有氨基甲酸酯水溶液的物流通过导管41(在图1中以虚线表示)加至氨基甲酸酯分解工段23，得到一种将通过导管40和34送至尿素合成反应器5的含有气态氨和二氧化碳的基本上无水的物流，以及一种通过导管9b有利地循环回氨基甲酸酯合成工段3的非常稀的氨基甲酸酯水溶液物流。
因此，用于联合生产氨和尿素的方法另一个特点在于，使至少一部分来自(通过导管15)氨基甲酸酯合成工段3的含有氨基甲酸酯水溶液的物流有利地经过一种部分分解处理，以得到一种含有气态氨和二氧化碳的物流和一种含有稀释的氨基甲酸酯水溶液的物流，分别将它们送至(通过导管40、34)尿素合成反应器5和送至(通过导管9b)氨基甲酸酯合成工段3。
有利地，根据来自工段3和21的含有氨基甲酸酯水溶液的物流中的水含量，将或多或少的大部分这些物流送至氨基甲酸酯分解工段23，目的是使水循环回氨基甲酸酯合成工段3并将基本上无水的反应物送至尿素合成反应器5。
包含于分别来自氨基甲酸酯合成工段3的物流中和来自尿素回收工段21的物流中的氨基甲酸酯的部分分解可以在两个分开的分解单元或——如图1所示——在一个构成工段23的单一的分解单元中进行。
优选地，氨基甲酸酯分解工段23在与汽提塔6相同的压力和温度条件下操作，该条件也与尿素合成反应器5中的条件相同。
根据本发明一个十分有利的特点，氨基甲酸酯合成工段3含有用两个膜式吸收器45和46分开的三个室42、43和44。
在图1的实施例中，室42-44和膜式吸收器45-46是包含在一个单一的基本上垂直的管状设备中的。
第一室42位于工段3的底部末端并分别与导管7和导管15流体连通，导管7将含有氢气、氮气和二氧化碳的气流送至氨基甲酸酯合成工段3，导管15将得自氨基甲酸酯合成工段3的含有氨基甲酸酯水溶液的物流送至尿素合成反应器5。
第二室45位于工段3的中部并与导管8流体连通，该导管将来自氨合成反应器2的含有氨的物流加至氨基甲酸酯合成工段3中。
第三室44位于工段3的顶部末端并与导管9a和9b流体连通，这两个导管分别将一种含有水的物流和一种含有稀释的氨基甲酸酯水溶液的物流送至氨基甲酸酯合成工段3，该工段还与导管16流体连通，导管16将得自氨基甲酸酯合成工段3的含有氢气和氮气的气流送至氨合成反应器2。
第一膜式吸收器45位于第一和第二室42、43之间，它包括许多相对两端分别与第一和第二室流体连通的管。
第二膜式吸收器46位于第二和第三室43、44之间，它包括许多相对两端分别与第二和第三室流体连通的管。
由于这种结构的氨基甲酸酯合成工段3，能够在体积小、结构简单的设备中以低的实施和操作费用使氨基甲酸酯和二氧化碳之间进行快速和有效的反应。
来自尿素回收工段21的含有稀释的氨基甲酸酯水溶液的物流被优选地通过导管9b加至邻近第二膜式吸收器46的第三室44中。
另外，通过将所述含有稀释的氨基甲酸酯水溶液的物流加至第三室44中得到了非常另人满意的结果，加入部位邻近氨基甲酸酯合成工段3的顶端，在图1中以虚线表示。
以同样的方法，通过导管9a将含水的物流加至邻近氨基甲酸酯合成工段3的顶端的第三室44中。
有利地，第三室44——它优选在绝热条件下操作——包含许多常规型式的水平孔板，它们能够提高吸收收率。
根据图1中氨基甲酸酯合成工段3的特别结构，将来自烃蒸汽转化工段10的含有氢气、氮气和二氧化碳的物流通过导管7送至第一室42。
使所述物流从室42通过管程进入第一膜式吸收器45，在其中它与来自第二室43的含有氨和氨基甲酸酯水溶液的物流逆向流动。
在这个部分，大部分的二氧化碳与自由氨反应——以气体或液体状态都是优选的——形成了在室42中收集的氨基甲酸酯。
离开室42的含有氨基甲酸酯水溶液的物流的组成的一个实施例——可根据本发明的方法得到——如下：氨37.7wt％，二氧化碳43.7wt％，水19.0wt％。
离开第一膜式吸收器45的气流在室43中与通过导管8来自氨合成反应器2的氨物流混合，并通过管程进入第二膜式吸收器46，其中大部分的气态二氧化碳和氨都被一种来自第三室44的稀释的氨溶液所吸收。
通过导管9a和9b分别将一种来自尿素浓缩工段22的含有水的物流和一种来自尿素回收工段21的含有氨基甲酸酯水溶液的物流加入其中的第三室44能够最终除去残余的氨和二氧化碳。
由于本发明，举例来说，可以得到一种来自室44(通过导管16)含有氢气和氮气的气流，该气流的组成中含有大约1％mol的残余氨，以及大约0.05％mol的残余二氧化碳。
在氨基甲酸酯合成工段3中形成的反应热被有利地通过用冷却流体(例如水)进行间接热交换而移走，优选使冷却流体在膜式吸收器45和46中通过壳程。
以这种方法，能够将氨基甲酸酯合成工段3中的温度控制在这样一个范围内，它可以防止在膜式吸收器45和46的管内出现任何氨基甲酸酯的结晶。
举例来说，氨基甲酸酯合成工段3中最佳的压力和温度值分别在140至200绝对巴之间(优选180绝对巴)以及110至150℃之间(优选130℃)。
从氨合成反应器2出来的富含诸如氮气和甲烷等惰性物质的废气被适当地与反应后的气体分离，并在一个洗涤工段47中用通过导管9a送至氨基甲酸酯合成工段3的含有水的物流洗涤。洗涤后，将该废气送至一个常规类型的回收装置中(未示出)。
通过这样做，就能够通过洗水回收大部分夹带在废气中的氨，再将氨有利地送至氨基甲酸酯合成工段3。
50示出了一个冷却设备，它能够使来自合成反应器2的含有氨的物流冷却至低于大约100℃。
根据本发明一个特别有利的特点，在用于联合生产氨和尿素的装置中提供了用于冷却含有氢气、氮气和二氧化碳的气流的设备，方法是与尿素回收工段21中的含有尿素水溶液的物流进行间接热交换。
特别地，如图1中所示，使来自转化工段10的含有氢气、氮气和二氧化碳的气流通过(通过导管7)尿素回收工段21的氨基甲酸酯分解器24和25，在其中用部分净化的尿素物流通过间接热交换使该气流冷却。
以这种方法就有利地获得双重作用，一方面，将来自转化工段10的将被送至氨基甲酸酯合成工段3的气流冷却；另一方面，不需要有外部的热量来源，向包含于部分净化的尿素物流中的氨基甲酸酯的分解过程提供所需的能量，因此从能量消耗和操作费用的角度来看有明显的节省。
根据本发明的另一个特点，通过向反应器5中加入一种适当预热的含氨物流，氨合成反应温度被有利地控制。
为此，还另外向用于联合生产氨和尿素的装置中提供了用于预热来自(通过导管29和30)尿素回收工段21的含有循环的氨的物流的设备(在图1中以热交换器48示出)，以及用于将这种被加热的含氨物流送至尿素合成反应器5的设备(导管30)。
如果被送至尿素合成反应器5的氨和二氧化碳的量是不可忽略的，就不再(仅仅)通过预热含氨物流控制反应温度，而是通过适当冷却含有氨和二氧化碳的物流来控制。
实际上，在这种情况下，尿素合成反应所需的热量至少一部分是由在反应器5中所产生的氨基甲酸酯形成热所提供的。
结果是，依加入反应器5中的氨和二氧化碳的量而定，或需要通过热交换器48提供额外的热量，或需要通过将多余的热量移走来减少反应器5中的热量。
后面一种情况通常可能会发生在这种情况下，即除了有尿素合成工段4的汽提塔6外，还有氨基甲酸酯分解工段23。
在这种情况下，本发明的装置有利地包括用于冷却一种来自氨基甲酸酯分解工段(图标6和23)的含有气态氨和二氧化碳的物流的设备(在图1中以热交换器49示出)，以及用于将这种冷却的物流送至尿素合成反应器5的设备(导管40和34)。
优选地使用水流作为冷却流体，这样可以在高的热水平上生产回收蒸汽，例如5绝对巴。
图1的装置可以是一套新装置，也可以通过将用于氨生产的现存的装置和用于尿素生产的现存的装置现代化的方法来实现。
根据本发明，用于使分别包括一个氨合成反应器(2)、一个尿素合成反应器(5)、以及一个尿素回收工段(21)的氨合成装置和尿素合成装置同时现代化的方法有利地包括如下步骤：分别提供一个氨基甲酸酯合成工段(3)和一个氨基甲酸酯分解工段(23)，用于将至少一部分来自所述尿素回收工段(21)的含有氨基甲酸酯水溶液的物流送至所述分解工段的设备，用于将在所述分解工段得到的含有气态氨和二氧化碳的物流送至所述尿素合成反应器(5)的设备(40,34)，用于将一种在所述分解工段得到的含有稀释的氨基甲酸酯水溶液的物流、一种优选来自一个烃蒸汽转化工段的含有氢气、氮气和二氧化碳的物流、以及一种来自所述氨合成反应器(2)含有氨的物流送至所述氨基甲酸酯合成工段(3)的各个设备(9b,7和8)，用于将在所述氨基甲酸酯合成工段(3)中得到的含有氨基甲酸酯水溶液的物流加至所述尿素合成反应器(5)的设备(15)，以及将在所述氨基甲酸酯合成工段(3)中得到的含有氢气和氮气的气流送至所述氨合成反应器(2)的设备(16)。
另外，根据本发明的所述现代化方法的另一个实施方案，还有利地提供了另外的工段或设备，这在所附的从属权利要求18-22中进行了描述。
在本说明书和下面的权利要求书中，术语“将……送至……的设备”通常是指装置中的不同部分，例如导管、泵和压缩机，其作用是将液体或气体从装置的一部分运输到另一部分。
从上面的描述中明显地看到了本发明所带来的许多优点；特别地，它得到了一种以高收率、简单的实施方法、低的投资和操作费用和低的能量消耗用于联合生产氨和尿素的方法。

Claims (23)

1．用于在一套装置内联合生产氨和尿素的方法，所述装置包括一个氨合成反应器、一个尿素合成反应器和一个尿素回收工段，该方法包括如下步骤：
——至少使部分来自所述尿素回收工段的含有氨基甲酸酯水溶液的物流经过一种部分分解处理，以获得一种含有气态氨和二氧化碳的物流以及一种含有稀释的氨基甲酸酯水溶液的物流；
——将所述含有气态氨和二氧化碳的物流加至所述尿素合成反应器中；
——将所述由所述处理步骤得到的含有稀释的氨基甲酸酯水溶液的物流、一种优选通过烃蒸汽转化得到的含有氢气、氮气和二氧化碳的气流、以及一种来自所述氨合成反应器的含有氨的物流加至一个氨基甲酸酯合成工段中；
——在所述的氨基甲酸酯合成工段中使所述的氨与所述的二氧化碳反应，以得到一种含有氨基甲酸酯水溶液的物流以及一种含有氢气和氮气的气流；
——将所述含有氨基甲酸酯水溶液的物流加至所述的尿素合成反应器中；
——将所述含有氢气和氮气的气流加至所述的氨合成反应器中。
2．根据权利要求1的方法，其特征在于所述来自所述氨合成反应器的物流含有气态的氨。
3．根据权利要求1的方法，其特征在于它还包括对所述含有氢气、氮气和二氧化碳的气流进行冷却的初始步骤，方法是在所述尿素回收工段中与含有尿素水溶液的物流进行间接热交换。
4．根据权利要求1的方法，其特征在于它还包括如下步骤：
——至少使部分得自所述氨基甲酸酯合成工段的所述含有氨基甲酸酯水溶液的物流经过一种部分分解处理，以获得一种含有气态氨和二氧化碳的物流以及一种含有稀释的氨基甲酸酯水溶液的物流；
——将所述含有气态氨和二氧化碳的物流加至所述尿素合成反应器中；
——将所述由所述处理步骤得到的含有稀释的氨基甲酸酯水溶液的物流加至所述氨基甲酸酯合成工段中。
5．根据权利要求1的方法，其特征在于它还包括如下步骤：
——对来自尿素合成工段、含有循环的氨的物流进行预热；
——将所述预热后的含有氨的物流加至所述尿素合成反应器中。
6．根据权利要求1或4的方法，其特征在于它还包括如下步骤：
——将得自所述氨基甲酸酯部分分解处理的含有气态氨和二氧化碳的物流冷却；
——将如此冷却后的物流加至所述尿素合成反应器中。
7．根据权利要求1的方法，其特征在于它还包括将来自一个尿素浓缩工段的含有水的物流送至所述氨基甲酸酯合成工段的步骤。
8．用于联合生产氨和尿素的装置，包括：
——一个氨合成反应器(2)、一个氨基甲酸酯合成工段(3)、一个尿素合成反应器(5)、一个尿素回收工段(21)和一个氨基甲酸酯分解工段(23)；
——用于将至少一部分来自所述尿素回收工段(21)的含有氨基甲酸酯水溶液的物流送至所述分解工段(23)的设备(39)；
——用于将在所述分解工段(23)得到的含有气态氨和二氧化碳的物流送至所述尿素合成反应器(5)的设备(40,34)；
——用于将一种在所述分解工段(23)得到的含有稀释的氨基甲酸酯水溶液的物流、一种优选来自一个烃蒸汽转化工段(10)的含有氢气、氮气和二氧化碳的气流、以及一种来自所述氨合成反应器(2)的含有氨的物流送至所述氨基甲酸酯合成工段(3)的各个设备(9b,7和8)；
——用于将在所述氨基甲酸酯合成工段(3)中得到的含有氨基甲酸酯水溶液的物流加至所述尿素合成反应器(5)的设备(15)；
——用于将在所述氨基甲酸酯合成工段(3)中得到的含有氢气和氮气的气流送至所述氨合成反应器(2)的设备(16)。
9．根据权利要求8的装置，其特征在于它还包括用于将含有水的物流送至所述氨基甲酸酯合成工段(3)的设备(9a)，该设备与一个尿素浓缩工段(22)流体连通。
10．根据权利要求8的装置，其特征在于所述氨基甲酸酯合成工段(3)包括：
——一个第一室(42)，分别与所述用于将一种含有氢气、氮气和二氧化碳的气流送至所述氨基甲酸酯合成工段(3)的设备(7)、以及与所述用于将一种在所述氨基甲酸酯合成工段(3)中得到的含有氨基甲酸酯水溶液的物流送至所述尿素合成反应器(5)的设备(15)流体连通；
——一个第二室(43)，与所述用于将一种来自所述氨合成反应器(2)的含有氨的物流送至所述氨基甲酸酯合成工段(3)的设备(8)流体连通；
——一个第三室(44)，分别与所述用于将一种含有稀释的氨基甲酸酯水溶液的物流送至所述氨基甲酸酯合成工段(3)的设备(9b)、与所述用于将一种在所述氨基甲酸酯合成工段(3)得到的含有氢气和氮气的气流送至所述氨合成反应器(2)的设备(16)流体连通；
——一个第一膜式吸收器(45)，位于所述第一和所述第二室(42,43)之间，含有许多相对两端分别与所述第一和所述第二室(42,43)流体连通的管；
——一个第二膜式吸收器(46)，位于所述第二和所述第三室(43,44)之间，含有许多相对两端分别与所述第二和所述第三室(43,44)流体连通的管。
11．根据权利要求10的装置，其特征在于所述第三室(44)与用于加入一种来自尿素浓缩工段(22)的含有水的物流的设备(9a)流体连通。
12．根据权利要求10的装置，其特征在于所述室(42-44)和所述吸收器(45-46)是包含在一个单一的基本上垂直的管状设备中的，第一室(42)和第三室(44)分别位于所述设备的底端和顶端。
13．根据权利要求8的装置，其特征在于所述用于加入所述含有氨的物流的设备(8)将所述氨合成反应器(2)与所述氨基甲酸酯合成工段(3)直接相连。
14．根据权利要求8的装置，其特征在于它还包括用于冷却所述含有氢气、氮气和二氧化碳的物流的设备(24,25)，方法是与所述尿素回收工段(21)中的含有尿素水溶液的物流进行间接热交换。
15．根据权利要求8的装置，其特征在于它还包括：
——用于将至少一部分的所述来自所述氨基甲酸酯合成工段(3)的含有氨基甲酸酯水溶液的物流送至所述氨基甲酸酯分解工段(23)的设备(41)。
16．根据权利要求8的装置，其特征在于它还包括：
——用于预热一种来自一个尿素回收工段(22)的含有循环的氨的物流的设备(48)；
——用于将所述加热后的含有氨的物流送至所述尿素合成反应器(5)的设备(30)。
17．根据权利要求8或15的装置，其特征在于它还包括：
——用于冷却所述来自所述氨基甲酸酯分解工段(23)的含有气态氨和二氧化碳的物流的设备(49)；
——用于将所述冷却后的物流送至所述尿素合成反应器(5)的设备(34)。
18．用于使一种用于氨合成的设备和一种用于尿素合成的设备同时现代化的方法，所述设备分别包括一个氨合成反应器(2)和一个尿素合成反应器(5)和一个尿素回收工段(21)，其特征在于它包括如下步骤：
——提供一个氨基甲酸酯合成工段(3)和一个氨基甲酸酯分解工段(23)；
——提供用于将一种来自所述尿素回收工段(21)的含有氨基甲酸酯水溶液的至少一部分物流加至所述分解工段(23)的设备(39)；
——提供用于将一种在所述分解工段(23)中得到的含有气态氨和二氧化碳的物流加至所述尿素合成反应器(5)的设备(40,34)；
——提供用于将一种在所述分解工段(23)中得到的含有稀释的氨基甲酸酯水溶液的物流、一种优选地来自一个烃蒸汽转化工段(10)的含有氢气、氮气和二氧化碳的气流、以及一种来自所述氨合成反应器(2)的含有氨的物流加至所述氨基甲酸酯合成工段(3)的各个设备(9b,7和8)；
——提供用于将一种在所述氨基甲酸酯合成工段(3)中得到的含有氨基甲酸酯水溶液的物流加至所述尿素合成反应器(5)的设备(15)；
——提供用于将一种在所述氨基甲酸酯合成工段(3)中得到的含有氢气和氮气的气流加至所述氨合成反应器(2)的设备(16)。
19．根据权利要求18的现代化方法，其特征在于所述氨基甲酸酯合成工段包括：
——一个第一室(42)，分别与所述用于将一种含有氢气、氮气和二氧化碳的气流送至所述氨基甲酸酯合成工段(3)的设备(7)、以及与所述用于将一种在所述氨基甲酸酯合成工段(3)中得到的含有氨基甲酸酯水溶液的物流送至所述尿素合成反应器(5)的设备(15)流体连通；
——一个第二室(43)，与所述用于将一种来自所述氨合成反应器(2)的含有氨的物流送至所述氨基甲酸酯合成工段(3)的设备(8)流体连通；
——一个第三室(44)，分别与所述用于将一种含有稀释的氨基甲酸酯水溶液的物流送至所述氨基甲酸酯合成工段(3)的设备(9b)、与所述用于将一种在所述氨基甲酸酯合成工段(3)得到的含有氢气和氮气的气流送至所述氨合成反应器(2)的设备(16)流体连通；
——一个第一膜式吸收器(45)，位于所述第一和所述第二室(42,43)之间，含有许多相对两端分别与所述第一和所述第二室(42,43)流体连通的管；
-——一个第二膜式吸收器(46)，位于所述第二和所述第三室(43,44)之间，含有许多相对两端分别与所述第二和所述第三室(43,44)流体连通的管。
20．根据权利要求18的现代化方法，其特征在于它还包括提供用于冷却含有氢气、氮气和二氧化碳的气流的设备(24,25)的步骤，方法是与所述尿素回收工段(21)中的含有尿素水溶液的物流进行间接热交换。
21．根据权利要求18的现代化方法，其特征在于它还包括如下步骤：
——提供用于将至少一部分的所述来自所述氨基甲酸酯合成工段(3)的含有氨基甲酸酯水溶液的物流送至所述氨基甲酸酯分解工段(23)的设备(41)。
22．根据权利要求18的现代化方法，其特征在于它还包括如下步骤：
——提供用于预热一种来自一个尿素回收工段(22)的含有循环的氨的物流的设备(48)；
——提供用于将所述加热后的含有氨的物流送至所述尿素合成反应器(5)的设备(30)。
23．根据权利要求18的现代化方法，其特征在于它还包括如下步骤：
——提供用于冷却所述来自所述氨基甲酸酯分解工段(23)的含有气态氨和二氧化碳的物流的设备(49)；
——提供用于将所述冷却后的物流送至所述尿素合成反应器(5)的设备(34)。
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