CN1241910C - 制备尿素的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由氨和二氧化碳制备尿素的方法，该制备方法全部或部分应用合成反应器、冷凝器、洗涤器和汽提塔完成，其中在操作过程中气流排放所经由的汽提塔的出口功能性地连接到冷凝器的进口和反应器的进口上，冷凝器的出口功能性地连接到洗涤器的进口上，获得的反应混合物在汽提塔中通过使用原料中的一种而进行逆流汽提，其中来自于潜管冷凝器顶部的气流在供料给高压洗涤器之前进行额外的洗涤步骤。照原样操作的潜管冷凝器可以是例如水平或者垂直设计的潜管冷凝器，或者被改造成潜管冷凝器的降膜高压氨基甲酸盐冷凝器。本发明还涉及用于改进和/或优化尿素装置的方法以及这样的尿素装置。

Description

制备尿素的方法
本发明涉及一种由氨和二氧化碳制备尿素的方法，这一制备过程全部或者部分通过使用合成反应器(下文中也简称作″反应器″)、冷凝器、洗涤段或″洗涤器″和分解段或″汽提塔″进行，在操作过程中气体混合物排放所经由的汽提塔的出口功能性地连接到冷凝器的进口和反应器的进口上，而冷凝器的出口则功能性地连接到洗涤器的进口上，并且所获得的反应混合物通过使用原料中的一种进行逆流汽提。
在基于汽提原理的方法中，尿素可以通过在适当的压力(例如12-40MPa)和适当的温度(例如160-250℃)下将过量的氨与二氧化碳一起引入到合成反应器(下文简称为″反应器″)或合成区中来制备，这首先会根据以下反应生成氨基甲酸铵：
然后，所述氨基甲酸铵根据以下平衡反应失水生成尿素：
理论上讲，氨和二氧化碳转化为尿素时可达到的转化率是由平衡的热力学状态决定的并且取决于例如NH3/CO2的比例(N/C比)，H2O/CO2的比例和温度。
氨和二氧化碳在合成反应器中转化为尿素的过程中，从合成反应器中获得反应产物，该产物是尿素合成液，主要由尿素、水、氨基甲酸铵和游离氨组成。
除尿素合成液之外，在合成反应器中还可能放出未转化的氨和二氧化碳连同惰性气体在一起的气体混合物，该气体混合物亦称合成气。在这里存在的惰性气体可能来源于例如为了提高装置的耐腐蚀性而向装置中添加空气的系统。例如，气态的惰性组分可以通过原材料(NH3和CO2)而供料到合成反应器中。氨和二氧化碳从合成气中脱除并优选返回到合成反应器中。
合成反应器可以包括独立的用于生成氨基甲酸铵和尿素的区域。但是，这些区域也可以集成在单一设备中。所述合成可以在单一反应器中或者在两个反应器中进行。如果使用两个反应器，则第一个反应器，例如可以使用实际上新鲜的原料操作，而第二个反应器使用的原料则完全或者部分是由例如尿素回收部分循环回来的。
在合成反应器中氨基甲酸铵向尿素和水的转化可以通过确保反应混合物在反应器中有足够长的停留时间来实现。所述停留时间一般说来将比10分钟长，优选长于20分钟。所述停留时间一般说来将比3小时短，优选短于1小时。
根据汽提原理操作的尿素生产装置被认为是这样一种尿素装置，在该装置中，没有转化为尿素的氨基甲酸铵的分解以及通常过量的氨的排出主要地在基本上等于合成反应器压力的压力下进行。这种分解/排出在合成反应器下游的汽提塔中通过加热以及加入或者不加入汽提气来进行。在汽提过程中，二氧化碳和/或氨可以在其被加入到合成反应器中之前作为汽提气使用。在这里也可以使用热汽提，这意味着氨基甲酸铵仅仅被提供的热量分解，并且存在的氨和二氧化碳从尿素溶液中除去。汽提可以分为两步或多步进行。在已知的方法中，首先进行纯粹的热汽提步骤，之后通过进一步加热而进行CO2汽提步骤。从汽提塔排出的含氨和二氧化碳的气流不管是否通过冷凝器都返回到反应器中。
在尿素汽提装置中，合成反应器的操作温度为160-240℃，优选170-220℃。合成反应器的压力为12-21MPa，优选12.5-19.5MPa。在尿素汽提装置中，合成反应器中的N/C比为2.5-4。
通过汽提工艺制备尿素时经常使用的实施方案是Stamicarbon®CO2汽提工艺，参见Uhlmann的工业化学百科全书，A27卷，1996年，344-346页。
在汽提操作之后，汽提后的尿素合成液的压力降低到尿素回收部分中的较低压力下，并且溶液通过蒸发进行浓缩，之后释放出尿素，低压的氨基甲酸铵物流循环回合成反应器中。根据所述方法，该氨基甲酸铵可以在单一工序中回收或者在于不同压力下操作的多个工序中回收。
在汽提处理中获得的大部分的气体混合物在冷凝器冷凝并与该方法所需的氨一起被吸附，之后，所得的氨基甲酸铵转移到用于生成尿素的合成反应器中。在标准的Stamicarbon®CO2汽提装置中，在高压下操作的氨基甲酸盐冷凝器通常设计为所谓的″降膜″冷凝器。在这里，液体以薄膜形式沿该热交换器管的内表面流下，而汽提气则以逆流方式流动通过所述液体。
对于氨基甲酸盐冷凝器的改进设计是所谓的″潜管冷凝器″，如NL-A-8400839中所述。与传统的降膜冷凝器相比，这类冷凝器的优点在于液体一般说来具有较长的停留时间，从而导致在冷凝器中有额外的尿素生成，这在没有任何显著投资的情况下增加了装置总的生产能力。潜管冷凝器(在水平放置时亦称″池冷凝器″)可以水平或者垂直放置。
EP-A-1036787描述了一种用于使尿素装置更现代化的方法，其中现有的降膜冷凝器被改造成潜管冷凝器。为此，对于液相需安装溢流堰，以便使装置在操作时冷凝器中充满液体。液体经由溢流堰通向合成反应器。通过将气流从汽提塔引入到冷凝器的底部并通过顶部进行排料，整个操作以潜管冷凝器的方式进行。这种方法的主要优点在于在该方法中改进了传热。因此，尿素反应可以自发开始，使装置的温度另有提高(由于该组成而提高约170℃-183℃)或者使蒸汽压力更高或装置负荷更高。也可能实现这些优点的组合。
使用潜管冷凝器的一个已知的缺陷是由该方法所引起的通过冷凝器的压降大于使用降膜冷凝器时的压降。气体混合物进行潜没冷凝时经受的压降将至少等于气体鼓泡时所通过液柱的高度。这通常意味着压降为10-15米液柱。但是，现有装置合成回路中的推动力，也就是说，连接高压设备并且由汽提塔-冷凝器-反应器-汽提塔组合所形成的回路中的推动力只有8-10米液柱。因为气体在冷凝器中的压降大于合成回路中的推动力，因此从冷凝器中排出的气相不再能参与这一主循环。
在EP-A-1036787中，这一问题是通过将来自于冷凝器的气体通过高压洗涤器而解决的。在高压洗涤器中，从冷凝器排出通过高压洗涤器的可冷凝组分被吸收在来自于尿素回收部分的氨基甲酸盐物流中。然而这意味着，在潜管冷凝器中需要深度冷凝，因为否则高压洗涤器将会过载。以往的经验告诉我们，对于来自于冷凝器的气体来说，它还可能包含有惰性气体，其中允许含有低于5-10％的非可凝气体，因此，如果使用现有的洗涤器的话，EP-A-1036787中所述的优点将会有相当程度的损失。
本发明的目的在于提供一种通过应用照原样操作的潜管冷凝器来制备尿素的改进方法，在该方法中，通过冷凝器的相对大的压降问题得以完全解决或者解决到相当的程度。
根据本发明，已经令人惊奇地发现，通过使来自照原样操作的潜管冷凝器顶部的气流在通过高压洗涤器之前进行额外的洗涤步骤可以克服上述缺陷。
本说明书使用的术语″照原样操作的潜管冷凝器″包括各种的水平与垂直设计的潜管冷凝器，和被改造成潜管冷凝器的降膜冷凝器，例如EP-A-1036787所述的类型。
上述额外的洗涤步骤适宜在第二洗涤器中完成，所述第二洗涤器优选位于照原样操作的潜管冷凝器的气体出口与高压洗涤器之间，所述高压洗涤器在下文中还被称为第一洗涤器。作为上述额外洗涤步骤的冲洗液，可以使用新鲜的氨和/或从高压洗涤器流出流向照原样操作的潜管冷凝器中的氨基甲酸盐溶液。但是，同时使用上述两种冲洗液进行洗涤步骤是有利的。特别有利的是，首先用氨基甲酸盐溶液然后用氨洗涤所述气体。这些洗涤步骤可以用所述气体作为连续相，例如在填料床、规整填料塔或带有筛板的塔中进行。还可以使用所述流体作为连续相，比如在鼓泡洗涤塔中实施的那样。洗涤步骤可以物理上位于现有冷凝器的内部或者外部。
此外，该方法特别适合于改进以及优化包括有照原样操作的潜管冷凝器的现有尿素装置，这可通过使来自潜管冷凝器顶部的气流在通过高压洗涤器之前进行额外的洗涤步骤来实现。用这种方法可以避免第一洗涤器过载和获得更有效的工艺。在待整改的现有装置中，洗涤器将具有较少的尾气，因此最终的洗涤将会比较便宜和/或对环境的污染将会降低。另外，在根据本发明进行整改的装置中，装置的生产能力将整体提高，因为原则上(第一)洗涤器不是一个约束因素。
本发明还涉及一种用于改进和/或优化尿素装置的方法，所述尿素装置基本上包括合成反应器、冷凝器、洗涤器和汽提塔，其中在操作过程中气体混合物排放所经由的汽提塔的出口功能性地连接到冷凝器的进口与反应器的进口上，其中冷凝器的出口功能性连接到洗涤器的进口上，其中得到的反应混合物在汽提塔中用原料中的一种进行逆流汽提，其中来自于潜管冷凝器顶部的气流在供料给洗涤器之前进行额外的洗涤步骤。
本发明也涉及一种尿素装置，其包括基本上由合成反应器组成的高压区，照原样操作的潜管冷凝器，第一洗涤器和汽提塔，其中冷凝器的出口功能性地连接到第一洗涤器的进口上，其中第二洗涤器位于冷凝器的所述出口和第一洗涤器的所述进口之间，其中来自于冷凝器的气流进行额外的洗涤步骤。照原样操作的冷凝器优选是水平或者垂直设计的潜管冷凝器，或者是被改造成潜管冷凝器的降膜高压氨基甲酸盐冷凝器。
本发明的上述原理可以适用于所有的现有尿素汽提工艺中。显然可以进行改进和改型，这种改进和改型在本领域普通技术人员的知识领域范围之内。
可以在其中实施本发明的尿素汽提工艺的实例是Stamicarbon®CO2汽提工艺，氨汽提工艺，自汽提工艺，ACES工艺(对于成本与节能来说是比较高级的工艺)和IDR(等压双循环)工艺。
现在将参考以下附图通过实施例进一步详细说明本发明，这些实施例不以任何方式限定本发明的范围。
图1是根据目前工艺水平，例如如EP-A-1036787所述的尿素装置一部分的示意图。
图2是根据本发明的尿素装置一部分的示意图。
在图1中，R表示基本上如EP-A-1036787所述的反应器，二氧化碳和氨在其中转化为尿素。来自于反应器的尿素合成液(USS)通过CO2汽提塔(S)，在其中，通过用CO2对USS进行汽提而使USS转化为气流(SG)和液流(SUSS)。来自于CO2汽提塔的气流(SG)基本上由氨和二氧化碳组成，其部分返回到反应器(R)中，部分进入到冷凝器(C)中。含汽提后的尿素合成液的物流SUSS通过尿素回收段(UR)，其中尿素被释放出来，水被排卸掉。在UR中，得到低压氨基甲酸铵(LPC)物流，它被循环回高压洗涤器(SCR)中。在该(第一)洗涤器中，LPC与来自于反应器的气流(RG)接触，该气流基本上由氨和二氧化碳组成，但是还另外包含存在于二氧化碳原料和氨原料中的惰性组分(不凝的组分)。来自于SCR的富氨基甲酸盐的物流(EC)任选与可以来自于反应器的物流结合并通过氨驱动的喷射器到达高压氨基甲酸盐冷凝器(C)中，在这里，来自于汽提塔的SG物流通过EC冷凝。得到的高压氨基甲酸盐物流(HPC)返回到反应器中，而来自于冷凝器的气流(CG)，在这种情况下与来自于反应器的气流(RG)结合供给高压洗涤器。在该实施例中，新鲜的氨通过喷射器供给高压氨基甲酸盐冷凝器(C)，但是当然也可以供料到R→S→C→R回路或者R→SCR→C→R回路中的其它地方。
图2示出根据本发明对目前工艺水平进行改进的方案，其中在从冷凝器的气体出口(CG)到高压洗涤器(SCR1)的管路中包括有第二洗涤器(SCR2)，在此进行额外的洗涤步骤。如该实施例所举例说明的，所述额外的洗涤步骤用新鲜的氨和来自于高压氨基甲酸盐冷凝器(SCR1)的氨基甲酸盐溶液(EC1)进行。来源于第二洗涤器(SCR2)的氨基甲酸盐物流(EC2)通过氨驱动的喷射器供料给冷凝器(C)，在这种情况下，气流RCG与来自于反应器的气流(RG)结合并供料给高压氨基甲酸盐洗涤器(SCR1)。
显然，在本说明书以及本领域技术人员专业知识的基础上，在本领域技术人员的知识范围内，可以对本发明及所述实施方案进行很多变化与改进。这些变化均在本发明的范围内并由以下的权利要求给以定义。

Claims (10)

1.一种由氨和二氧化碳制备尿素的方法，该制备方法全部或部分应用合成反应器、冷凝器、洗涤器和汽提塔进行，其中在操作过程中气流排放所经由的汽提塔的出口功能性地连接到冷凝器的进口与反应器的进口上，其中冷凝器的出口功能性连接到洗涤器的进口上，其中得到的反应混合物在汽提塔中用原料中的一种进行逆流汽提，其特征在于来自于潜管冷凝器顶部的气流在供料给洗涤器之前进行额外的洗涤步骤。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于照原样操作的潜管冷凝器是潜管冷凝器或者被改造成潜管冷凝器的降膜冷凝器。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于用于额外洗涤步骤的洗涤流体是新鲜的氨。
4.根据权利要求1或2的方法，其特征在于用于额外洗涤步骤的洗涤流体是从高压洗涤器流出流向冷凝器的氨基甲酸盐溶液。
5.根据权利要求1或2的方法，其特征在于气流同时用新鲜的氨和氨基甲酸盐溶液进行额外的洗涤步骤。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于气流首先用氨基甲酸盐溶液然后用新鲜的氨进行洗涤。
7.一种用于改进和/或优化尿素装置的方法，所述尿素装置基本上包括合成反应器、冷凝器、洗涤器和汽提塔，其中在操作过程中气体混合物排放所经由的汽提塔的出口功能性地连接到冷凝器的进口与反应器的进口上，其中冷凝器的出口功能性地连接到洗涤器的进口上，其中得到的反应混合物在汽提塔中用原料中的一种进行逆流汽提，其特征在于来自于潜管冷凝器顶部的气流在供料给洗涤器之前进行额外的洗涤步骤。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于照原样操作的潜管冷凝器是水平或者垂直设计的潜管冷凝器，或者被改造成潜管冷凝器的降膜高压氨基甲酸盐冷凝器。
9.一种尿素装置，其包括基本上由合成反应器组成的高压区，照原样操作的潜管冷凝器，第一洗涤器和汽提塔，其中冷凝器的出口功能性地连接到第一洗涤器的进口上，其特征在于第二洗涤器位于冷凝器的所述出口和第一洗涤器的所述进口之间，其中来自于冷凝器的气流进行额外的洗涤步骤。
10.根据权利要求9的尿素装置，其特征在于照原样操作的潜管冷凝器是水平或者垂直设计的潜管冷凝器，或者被改造成潜管冷凝器的降膜高压氨基甲酸盐冷凝器。
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