CN1228416A - 高转化率低能耗的尿素生产方法和装置 - Google Patents

Abstract

尿素生产方法,基本上纯净的氨与二氧化碳在反应区中反应。反应混合物从反应区流出并送往尿素回收段。自回收段获得氨基甲酸酯稀水溶液并通过蒸汽预先冷凝将蒸汽循环回反应区对氨基甲酸酯稀水溶液进行汽提。本方法使得在低能耗和实施费用下能够实现高转化率。

Description

高转化率低能耗的尿素生产方法和装置

本发明总体上涉及尿素生产方法。

更具体地说，本发明涉及这种类型的尿素生产方法，它包括如下步骤：

-将氨与二氧化碳加入反应区；

-使所说的氨与所说的二氧化碳在上述反应区中反应，由此得到含尿素、氨基甲酸酯和游离氨水溶液的反应混合物；

-将所说的混合物加入尿素回收段；

-在上述回收段中使所说的氨基甲酸酯和所说的游离氨水溶液与尿素分离开。

本发明还涉及实施上述方法的装置以及对现有尿素装置进行现代化由此获得根据本发明的装置的方法。

在以下描述和所附权利要求书中，术语“现代化”应理解为意指对先已存在的装置进行现场改造以提高其操作性能并获得例如更大生产能力和/或更高转化率以及能耗的降低。

在尿素生产领域，公知的是一方面对更大生产能力和操作弹性的装置的持续增长的需要，与此同时另一方面要求更低的投资和操作费用，特别是涉及能量时更是如此。

为此目的，在尿素生产领域已提出并应用了多种方法，主要基于在加有氨(NH₃)和二氧化碳(CO₂)的反应区中进行转化反应并将离开反应区的尿素水溶液中所含有的未反应物质，特别是氨、二氧化碳和稀氨基甲酸酯水溶液循环回反应区。

实施这一类方法的装置包括位于反应区下游、用于从尿素水溶液中分离出待循环的未反应物质的尿素回收段。另外，反应区中的合成反应在高压下、通常高于200巴(220-240巴)的压力下采用3.6-4.0之间的高NH₃/CO₂摩尔比进行，转化率范围为64％到70％。

为降低实施此类方法所需的高能耗，因此设计了在具有不同转化率并相互并联设置的两个不同反应区中进行转化反应，例如在EP-A-0 479 103中所公开的方法。

在此情形下也将所有未反应物质循环回其中一个反应区。

一方面，该循环使有价值的物质如氨和二氧化碳几乎完全回收，另一方面，这涉及向反应器输送大量水(H₂O)的需要，这极大限制了二氧化碳转化为尿素的总转化率，该转化率通常在55％-62％之间。

在一基于对离开反应区的反应混合物采用CO₂或NH₃进行汽提的技术并包括位于反应区与尿素回收段之间的氨基甲酸酯分解单元的完全不同类型的尿素生产方法中，这一问题近期已通过将离开尿素回收段的稀氨基甲酸酯水溶液汽提并通过蒸汽预先冷凝将蒸汽循环回反应区而解决，如EP-A-0 796 244所述。

为进行比较，根据这些方法在通常为140-160巴的压力下并采用小于3.2的NH₃/CO₂摩尔比进行尿素合成反应，这些数值显著低于本发明涉及的方法的工作值。

构成本发明基础的技术问题由此在于设计并提供高转化率、技术上实施简单并要求低能耗和操作费用的尿素生产方法。

根据本发明，由上述类型的一种方法获得了上述结果，其特征在于它进一步包括以下步骤：

-将所说的尿素回收段中得到的至少一部分所说的氨基甲酸酯和所说的游离氨水溶液进行氨基甲酸酯部分分解和游离氨部分分离处理，得到一种含气态氨和二氧化碳的物流和一种含残余氨基甲酸酯水溶液的物流；

-将所说的含气态氨和二氧化碳的物流至少部分冷凝，由此得到一种含浓氨基甲酸酯水溶液的物流；

-将所说的浓氨基甲酸酯加入所说的反应区。

在以下描述和所附权利要求书中，术语“浓氨基甲酸酯水溶液”应理解为意指含水量极低(仅几个百分点)的氨基甲酸酯水溶液。

根据本发明，离开尿素回收段的至少一部分氨基甲酸酯和游离氨水溶液有利地经部分分解处理，该处理能使未反应的氨和二氧化碳与富含水并含残余氨基甲酸酯的溶液分离开。

结果，待循环的未反应物质含水量极低，因此能够显著限制加入反应区的水量而得以达到高转化率。

令人惊奇的是，已发现根据本发明方法所能达到的转化率不仅高于EP-A-0 479 103中所述方法所能达到的转化率，而且甚至高于上面对于现有技术描述的在高NH₃/CO₂摩尔比和高于200巴压力下进行操作的方法的典型转化率。

实现高转化率使得能够显著降低要从反应混合物中分离出的氨基甲酸酯和未反应物质的数量，由此能够减轻反应区下游工段的负荷并因此能够大大节省设计用以实施此类方法的装置的投资、操作和维修费用并降低能量与物料(如蒸汽)的消耗。

在这方面，通过将至少50％-例如60％-100％的-氨基甲酸酯水溶液经部分分解处理已获得满意的结果。

根据本方法一优选并特别有利的实施方案，至少一部分加入反应区的二氧化碳预先用作氨基甲酸酯部分分解和游离氨部分分离步骤中的汽提剂。

这样，能够甚至在极高压力下，即通常为这类方法所采用的高于200巴的压力下也极为有效地实现氨基甲酸酯的分解和游离氨的分离。

换言之，待加入反应区的二氧化碳的这一特别用法有利地使得能够-与工作压力无关因此可以甚至在极高压力下-改善对来自尿素回收段的氨基甲酸酯的分解和游离氨的分离步骤并因此促进水与循环回反应区的未反应物质的分离。

优选将加入反应区的二氧化碳的至少60％预先作为氨基甲酸酯部分分解和游离氨部分分离步骤中的汽提剂。

由于本发明，氨与二氧化碳之间的反应在反应区中有利地在170-250巴之间的压力下、优选在180-240巴之间的压力下进行。

此外，为达到高水平的氨基甲酸酯分解和游离氨水溶液的分离，分解和部分分离处理优选在大体上相应于反应区压力的压力下进行。

最后，为改善和促进尿素回收段中未反应物质的冷凝和分离步骤，将氨基甲酸酯部分分解和游离氨部分分离处理所得到的含残余氨基甲酸酯水溶液的物流有利地加入该回收段。

参考本发明，值得强调的是在上面对现有技术描述的那类方法中，反应区在高于200巴的压力下工作是根本不能明显地从现有技术的启示推断出的待循环回反应区的氨基甲酸酯水溶液中所含有的氨基甲酸酯的部分分解和游离氨分离的实施条件。

实际上，由于此类方法极其本质的特征，根据现有技术，参照CO₂或NH₃等压汽提方法有效应用EP-A-0 796 244中所述的技术而不由此导致转化率恶化是不可想象的。

如EP-A-0 796 244中所述的方法那样，反应区工作压力降至140-160巴的数值将能够获得来自尿素回收段的氨基甲酸酯的有效分解和游离氨的有效分离，但同时-根据现有技术的不断教导-将导致转化率的相应的显著和不可避免的降低。

另一方面，维持反应区内工作压力不变-即大约为200巴-将基本上如同放弃由额外的循环溶液分解步骤所获得的优点，因为在这样的压力下氨基甲酸酯分解和游离氨分离极为困难并且总是显著降低。

仅按照本申请人所进行的研究，上述技术问题可由一种方法以极其简单、经济并有效的方式且不存在现有技术的上述缺点地得到解决，该方法保证离开尿素回收段并送入反应区的氨基甲酸酯水溶液物流中水的分离。

根据本发明的另一方面，上述技术问题由设计用于实施上述尿素生产方法的装置而解决，该装置包括：

-尿素合成反应器；

-将氨和二氧化碳加入所说尿素合成反应器的装置；

-离开所说的尿素合成反应器的含尿素、氨基甲酸酯和游离氨的水溶液的反应混合物的回收段以使尿素与氨基甲酸酯和游离氨的水溶液分离；

特征在于它包括：

-将在所说的尿素回收段中得到的至少一部分所说的氨基甲酸酯和所说的游离氨的水溶液进行氨基甲酸酯部分分解和游离氨部分分离处理由此获得一种含气态氨和二氧化碳的物流和一种含残余氨基甲酸酯水溶液的物流的汽提单元；

-将离开所说汽提单元的蒸汽至少部分冷凝由此获得一种含浓氨基甲酸酯水溶液的物流的装置；

-将所说的浓氨基甲酸酯加入所说的尿素合成反应器的装置。

根据本发明，用于实施尿素生产方法的装置可以是新装置或对现有装置加以改造提高生产能力并同时在能耗方面性能得以改善的装置。

根据另一方面，本发明据此提供了一种对如下类型的尿素生产装置进行现代化的方法，该装置包括：

-尿素合成反应器；

-将氨和二氧化碳加入所说的尿素合成反应器的装置；

-离开所说的尿素合成反应器的含尿素、氨基甲酸酯和游离氨的水溶液的反应混合物的回收段以使尿素与氨基甲酸酯和游离氨的水溶液分离；

本方法特征在于它包括以下步骤：

-提供一个汽提单元，用于将所说的尿素回收段中得到的至少一部分所说的氨基甲酸酯和所说的游离氨的水溶液进行氨基甲酸酯部分分解和游离氨部分分离处理，由此获得一种含气态氨和二氧化碳的物流和一种含残余氨基甲酸酯水溶液的物流；

-提供将离开所说的汽提单元的蒸汽至少部分冷凝由此获得一种含浓氨基甲酸酯水溶液的物流的装置；

-提供将所说的浓氨基甲酸酯加入所说的尿素合成反应器的装置。

参考附图，本发明进一步的特征和优势由以下给出的优选实施方案的详细描述来说明。

图1示意地部分表示新建的或通过改造常规装置而得到的用于实施本发明方法的尿素生产装置。

仅出于简化本发明描述的目的，图1中仅示意表示尿素生产装置的一部分，省略部分对理解本发明意义不大。

此外，将对下文所述并示于图1的不同装置部件的连接管道明确标号。本来就为常规部件的仅在严格需要时给出。

参考图1,1从总体上表示本发明的全循环式即其中各反应物循环回反应区的尿素生产装置。

有利地，装置1包括尿素合成反应器2(或反应区)，生成的尿素的回收段3，其本身又包括工作于高、低压二者下的数台设备-后面将更详细地描述-和氨基甲酸酯分解和冷凝段4。

后面将看到，根据本发明的尿素生产方法使得在尿素合成反应器2中能够达到70％-78％的转化率。

本发明所能达到的尿素合成反应器2的操作条件的一个实例为：NH₃/CO₂摩尔比3.8,H₂O/CO₂摩尔比0.1，转化率75％，压力220巴，温度195℃。

图1未示出作为尿素回收段3的一个整体部件的真空段和位于回收段3下游的浓尿素水溶液处理和精制段。以上工段为已知类型并对本发明目的无影响。

尿素回收段3包括中压(约18巴)氨基甲酸酯分解器5和冷凝单元6，低压(约4巴)氨基甲酸酯分解器7和冷凝单元8，以及氨蒸馏塔。

氨基甲酸酯分解和冷凝段4本身包括对来自尿素回收段3的氨基甲酸酯部分分解和游离氨水溶液部分分离的高压(170-250巴)汽提单元或汽提塔10以及氨基甲酸酯分解器11(任选的)和氨基甲酸酯冷凝器12，分别对来自汽提塔10的含残余氨基甲酸酯水溶液的物流进行分解和对离开汽提塔10的蒸汽进行吸收。

13和14分别表示含氨物流和含二氧化碳物流的进料管道。

由管道14分叉出15所示的管道将含二氧化碳的气体物流加入低压氨基甲酸酯分解器7。

加入反应器2的二氧化碳有利地分别经管道14a和14b进入汽提单元10和氨基甲酸酯冷凝器12。管道14b完全是任选的，因为-根据本发明一实施方案-待送往反应器2的所有二氧化碳可有利地进入汽提塔10，因此在图1中由虚线表示管道14b。

反应器2下端经管道16和17与氨基甲酸酯冷凝器12(含浓氨基甲酸酯水溶液的物流从中流出)和冷凝单元6(含氨基甲酸酯和游离氨水溶液的物流从中流出)相连。

反应器2顶端经管道18与高压氨基甲酸酯分解器5相连。含尿素、氨基甲酸酯和游离氨水溶液的反应混合物进入高压氨基甲酸酯分解器5。

氨基甲酸酯分解器5中得到的基本上含水、氨和二氧化碳的蒸汽经管道19送往相应的冷凝单元6，而所得的尿素水溶液经管道20送往第二氨基甲酸酯分解器7。

尿素水溶液在氨基甲酸酯分解器7中进一步浓缩并经管道21送往真空段(未示出)。与此同时，第二次分解得到的蒸汽经管道22进入相应的冷凝单元8。

单元8中获得的含氨基甲酸酯和游离氨水溶液的物流流经氨蒸馏塔9经管道23送往冷凝单元6。该物流与来自分解器5的蒸汽经冷凝得到的含氨基甲酸酯和游离氨水溶液的物流一起经管道17自单元6循环回反应器2并有利地经管道24循环回氨基甲酸酯分解和冷凝段4，更确切地说循环回汽提塔10。

将至少50％、优选50-70％离开冷凝单元6的含氨基甲酸酯和游离氨水溶液的物流加入氨基甲酸酯分解和冷凝段4已获得特别满意的结果。

标号24-27分别表示将含气态氨-相应液相的物流加入或循环到氨蒸馏塔9的管道。

标号28-30分别表示将来自浓尿素水溶液处理段(未示出)的含H₂O、CO₂和NH₃的蒸汽物流、来自真空段(未示出)的含CO₂和NH₃的水溶液以及含NH₃、CO₂和H₂O的蒸汽物流加入真空段的管道。

管道24-30本身是常规的，因此在以下描述中将不再更详细地描述。

对经管道24有利地进入汽提塔10的含氨基甲酸酯和游离氨水溶液的物流进行氨基甲酸酯的部分分解和游离氨的部分分离处理。这样就获得了含气态氨与二氧化碳的物流和含残余氨基甲酸酯水溶液的物流。含气态氨与二氧化碳的物流经管道31加入氨基甲酸酯冷凝器12，含残余氨基甲酸酯水溶液的物流优选循环回尿素回收段3。

根据图1的实施例，来自汽提塔10的含残余氨基甲酸酯水溶液的物流适宜地经管道32进入氨基甲酸酯分解器11，由此得到含CO₂和NH₃、经管道33和19循环回冷凝单元6的气体物流和含极稀氨基甲酸酯水溶液、经管道34进入真空段(未示出)的物流。

含气态氨和二氧化碳的物流在冷凝器12中有利地冷凝-至少部分冷凝-由此得到含浓氨基甲酸酯水溶液、经管道16加入反应器2的物流。

这样就可能显著降低待送往反应区(反应器2)的循环水量，使反应区能够在极低的H₂O/CO₂摩尔比下操作而完全实现高的二氧化碳生成尿素的总体转化率。

反应器2中达到高转化率也涉及氨基甲酸酯生成量的减少并因此-有利地-降低下游工段的负荷、特别是尿素回收段的负荷，因而可在比设计条件温和得多的操作条件下进行，确保了高节能效果。

换言之，根据本发明的方法，尿素回收段3中得到的至少一部分氨基甲酸酯和游离氨的水溶液(经工段4，汽提单元10)进行氨基甲酸酯部分分解和游离氨部分分离处理，由此得到含气态氨和二氧化碳的物流和含残余氨基甲酸酯水溶液的物流。含气态氨和二氧化碳的物流之后(经工段4，冷凝器12)进行至少部分冷凝，由此得到含浓氨基甲酸酯水溶液的物流，该物流有利地被加入反应区(反应器2)。

如上所强调指出的，根据图1所示的一个优选且特别有利的实施方案，加入反应区(反应器2)的至少一部分二氧化碳预先作为氨基甲酸酯部分分解和游离氨部分分离步骤(工段4，汽提单元10)的汽提剂。

以此方式实现对要循环回反应器2的水溶液的极有效的分解而与操作压力无关，因而在高于200巴的压力下也可实现有效分解。

通过在优选180-240巴之间的压力下在反应区内操作获得了特别满意的转化率和节能结果。

此外，氨基甲酸酯分解和冷凝段4有利地在与反应区相同的压力下工作。

特别地，在180-240巴之间的压力下并通过将二氧化碳加入汽提单元10，能够实现有效的氨基甲酸酯分解和随后的含CO₂和NH₃的蒸汽的冷凝。

图1的装置可以是新建装置或-根据本发明的一个优选实施方案-可以是现有尿素生产装置经现代化后的装置。

有利地，对包括尿素合成反应器2、来自反应器2的含尿素、氨基甲酸酯和游离氨水溶液的反应混合物的回收段3以使尿素与氨基甲酸酯和游离氨水溶液分离的此类尿素生产装置进行现代化的方法的特征在于如下步骤：

-提供一个汽提单元10，用于将尿素回收段3中得到的至少一部分氨基甲酸酯和游离氨水溶液进行氨基甲酸酯部分分解和游离氨部分分离处理，由此获得一种含气态氨和二氧化碳的物流和一种含残余氨基甲酸酯水溶液的物流；

-提供将离开汽提单元10的蒸汽至少部分冷凝由此获得一种含浓氨基甲酸酯水溶液的物流的装置(氨基甲酸酯冷凝器12)；和

-提供将浓氨基甲酸酯加入尿素合成反应器2的装置(管道16)。

根据本发明的一个特别有利的特征，现代化方法进一步包括这样的步骤：提供把待加入合成反应器(2)的至少一部分二氧化碳加入汽提单元(10)的装置(14a)。

这种方法优选还包括以下步骤：

-提供把来自汽提单元10、含残余氨基甲酸酯水溶液的物流加入尿素回收段3的装置(管道32-34)。

在以下描述和所附权利要求书中，术语“加料装置”应理解为总体上意指装置的各种部件如管道、泵和压缩机等，用于将液体或气体物流从装置一部分输送到另一部分。

此外，术语“冷凝装置”应理解为意指装置的用于将大体上为气态的物流(至少部分)冷凝的设备，例如氨基甲酸酯冷凝器12。

Claims (13)

1．尿素生产方法，包括以下步骤：

-将氨和二氧化碳加入反应区；

-使所说的氨与所说的二氧化碳在上述的反应区中反应，由此得到含尿素、氨基甲酸酯和游离氨水溶液的反应混合物；

-将所说的混合物加入尿素回收段；

-在所说的回收段中使所说的氨基甲酸酯和所说的游离氨水溶液与尿素分离；

其特征在于它进一步包括以下步骤：

-将在所说的尿素回收段中得到的至少一部分所说的氨基甲酸酯和所说的游离氨水溶液进行氨基甲酸酯部分分解和游离氨部分分离处理，获得一种含气态氨和二氧化碳的物流和一种含残余氨基甲酸酯水溶液的物流；

-将所说的含气态氨和二氧化碳的物流至少部分冷凝，由此获得一种含浓氨基甲酸酯水溶液的物流；

-将所说的浓氨基甲酸酯加入所说反应区。

2．根据权利要求1的方法，其特征在于至少一部分所说的加入上述反应区的二氧化碳预先作为氨基甲酸酯部分分解和游离氨部分分离步骤中的汽提剂。

3．根据权利要求1和2的方法，其特征在于所说的氨与二氧化碳之间的反应在上述反应区中于170-250巴之间的压力，优选在180-240巴之间的压力下进行。

4．根据权利要求1和2的方法，其特征在于氨基甲酸酯的部分分解和游离氨的部分分离处理在大体上相应于上述反应区压力的压力下操作。

5．根据权利要求1的方法，其特征在于它进一步包括以下步骤：

-将由氨基甲酸酯部分分解和游离氨部分分离处理所得到的含残余氨基甲酸酯水溶液的上述物流加入所说的尿素回收段。

6．根据权利要求1的方法，其特征在于至少50％所说的氨基甲酸酯水溶液经部分分解处理。

7．根据权利要求2的方法，其特征在于至少60％加入上述反应区的所说的二氧化碳预先用作氨基甲酸酯部分分解和游离氨部分分离步骤中的汽提剂。

8．尿素生产装置，它包括：

-尿素合成反应器(2)；

-将氨与二氧化碳加入上述尿素合成反应器(2)的装置(13,14)；

-离开上述尿素合成反应器(2)的含尿素、氨基甲酸酯和游离氨水溶液的反应混合物的回收段(3)，以使尿素与氨基甲酸酯和游离氨水溶液分离；

其特征在于它包括：

-将在所说的尿素回收段(3)中得到的至少一部分所说的氨基甲酸酯和所说的游离氨水溶液进行氨基甲酸酯部分分解和游离氨部分分离处理由此获得一种含气态氨和二氧化碳的物流和一种含残余氨基甲酸酯水溶液的物流的汽提单元(10)；

-将离开所说汽提单元的蒸汽至少部分冷凝由此获得一种含浓氨基甲酸酯水溶液的物流的装置(12)；

-将所说的浓氨基甲酸酯加入所说的尿素合成反应器的装置(16)。

9．根据权利要求8的装置，其特征在于它进一步包括：

-把要加入合成反应器(2)的至少一部分所说的二氧化碳加入所说汽提单元(10)的装置(14a)。

10．根据权利要求8的装置，其特征在于它进一步包括：

-把来自所说汽提单元(10)的含残余氨基甲酸酯水溶液的上述物流加入所述尿素回收段(3)的装置(32-34)。

11．对尿素生产装置进行现代化方法，这种类型的尿素生产装置包括：

-尿素合成反应器(2)；

-将氨和二氧化碳加入所说尿素合成反应器(2)的装置(13,14)；

-离开上述尿素合成反应器(2)的含尿素、氨基甲酸酯和游离氨水溶液的反应混合物的回收段(3)，以使尿素与氨基甲酸酯和游离氨水溶液分离；

该方法的特征在于它包括：

-提供一个汽提单元(10)，用于将在所说的尿素回收段(3)中得到的至少一部分所说的氨基甲酸酯和所说的游离氨水溶液进行氨基甲酸酯部分分解和游离氨部分分离处理，由此获得一种含气态氨和二氧化碳的物流和一种含残余氨基甲酸酯水溶液的物流；

-提供将离开所说汽提单元的蒸汽至少部分冷凝由此获得一种含浓氨基甲酸酯水溶液的物流的装置(12)；

-提供将所说的浓氨基甲酸酯加入所说的尿素合成反应器的装置(16)。

12．根据权利要求11的方法，其特征在于它进一步包括以下步骤：

-提供把待加入合成反应器(2)的至少一部分所说的二氧化碳加入所说汽提单元(10)的装置(14a)。

13．根据权利要求11的方法，其特征在于它进一步包括以下步骤：

-提供把来自所说汽提单元(10)的含残余氨基甲酸酯水溶液的所说物流加入上述尿素回收段(3)的装置(32-34)。

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