CN1980887B - 制备尿素的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在尿素装置中由氨和二氧化碳制备尿素的工艺，所述尿素装置包括高压合成段和一个或更多个在较低压力下的回收段，所述高压合成段包括反应器、汽提器和冷凝器，其中，离开所述高压合成段的气体在0.5-12MPa下的中压冷凝器中被冷凝，而且来自所述回收段之一的氨基甲酸盐流也被供给至所述中压冷凝器，然后，形成的冷凝物的至少部分被供给至所述高压冷凝器。

Description

制备尿素的方法
本发明涉及在尿素装置中由氨和二氧化碳制备尿素的方法，所述尿素装置包含高压合成段和低压回收段，所述高压合成段包括反应器、汽提器和冷凝器。
尿素装置是按照一定的生产能力设计的。因此，增加原材料用量和增大工艺流的通过量，一般只能在一定程度上提高现有尿素装置的生产能力。如果希望通过增大工艺流的通过量来提高工厂的生产能力，则应当确保在增大工艺流的通过量之后，在各个工艺步骤中仍可实现良好的效率。对于在尿素装置的高压部分中进行的工艺步骤，尤其如此。
尿素装置的高压部分基本上由反应器、汽提器、冷凝器和(特定工艺中的)涤气器构成，其中，反应器用于制备尿素合成溶液；汽提器用于使尿素合成溶液用一种原材料和/或热量进行逆流汽提；冷凝器用于将汽提器中释放的气体冷凝；涤气器用于从合成气体中去除氨和二氧化碳。
对于提高生产能力，此高压部分的瓶颈尤其在于，在汽提器中对尿素合成溶液进行的汽提处理以及在冷凝器中对汽提操作所得的气体进行的冷凝。其原因在于，如果汽提区的液体载荷增加太多，则汽提效果会由于液泛而大打折扣。液泛是指汽提器管道内的液膜遭到破坏而使部分液体被逸出的气体流所夹带的现象。这会大大降低汽提效率。提高原材料用量对反应器的生产能力影响很小。提高通过量会缩短停留时间，这因此可在一定程度上提高尿素合成溶液中氨基甲酸铵的含量，从而增大汽提器中使氨基甲酸铵分解所需的蒸汽量。因此，限制因素是汽提器而不是反应器。
通过提高气体混合物进料量，还可能将汽提操作所得的气体混合物在冷凝器冷凝后释放的热量，利用现有的热交换区域转化为可用的蒸汽。可用的蒸汽被理解为压力足够高的饱和蒸汽，可用于尿素装置的回收段和浓缩段。然而，提高生产能力使得待冷凝气体的进料量增加，导致蒸汽压力降低过多，因此此蒸汽无法再用于尿素工艺中的上述目的。
所述瓶颈是造成以下事实的主要原因：如果不改进或更换昂贵的高压设备就只能在一定限度内扩充现有工厂的生产能力。
NL-A-8900152和WO 02/090323公开了制备尿素的方法，该方法可提高按照汽提工艺操作的尿素装置的生产能力，而无需改进尿素合成的高压部分。
这通过根据以下方法制备尿素来实现：在反应器中由二氧化碳和氨形成尿素合成溶液，并将部分尿素合成溶液输送至中压处理区。在此中压处理区中，该尿素合成溶液与一定量的二氧化碳接触。然后将在此中压处理区中形成的气体混合物在中压冷凝区中在中等压力下冷凝。在NL-A-8900152中，离开中压处理区的残余尿素合成溶液被输送至低压回收段，在其中使尚存的氨基甲酸铵大部分被分解，并分离形成的气体混合物。在WO 02/090323中，残余尿素合成溶液被输送至高压涤气器。
以上工艺的缺点是，使尿素装置的生产能力扩充25-40％所必须添加的中压段相当庞大。
在上述两种情况下，中压段包括分解器、汽提器和冷凝器。
本发明的目的是，在不必改进尿素装置的高压部分以及使中压段的设计更简单的情况下，实现尿素装置的生产能力的扩充。
现在令人惊讶地发现，在无需对尿素装置的高压段进行任何改进并且中压段仅包括一两件设备的条件下提高尿素装置的生产能力是可能的。
本发明的特征在于，在0.5-12 MPa下的中压冷凝器中将离开高压合成段的气体冷凝，而且将来自回收段之一的氨基甲酸盐流也供给至所述中压冷凝器，然后将形成的冷凝物的至少部分供给至高压冷凝器。
此方式确保了尿素装置中的冷凝容量上升而无需增大高压冷凝器，结果可使生产能力提高20-40％。第二个优点是，由于在中等压力下的冷凝过程中使用了来自回收段之一的氨基甲酸盐，而没有额外的水被供给至高压段，因此反应器中的尿素转化率与生产能力提高之前的反应器中的转化率相当。
第三个优点是，由于中压段仅包括中压冷凝器，因此尿素装置扩产所需的投资较低。
第四个优点是，中压冷凝器的安装使得可以以任何所需水平控制在高压冷凝器中形成的低压蒸汽的蒸汽压力。这是重要的，原因在于为了能够在尿素装置的低压段使用该蒸汽，特定的最小蒸汽压力是必须的。
本发明涉及在尿素装置中由氨和二氧化碳制备尿素的方法，所述尿素装置包括高压合成段和一个或更多个在较低压力下操作的回收段。高压段通常在12-40 MPa的压力下操作。一般情况下，尿素装置还总是包括一个在低压下操作的回收段，低压是指0.1-0.4 MPa的压力。在某些实施方式中，尿素装置还可包括在0.5-4 MPa的压力下操作的中压回收段。
高压合成段包括反应器、汽提器、冷凝器和可选的涤气器。例如，如果根据CO2汽提工艺或ACES21工艺制备尿素，则存在高压涤气器。
可以通过如下方法制备尿素：将过量的氨与二氧化碳一起引入高压和高温(例如160-250℃)下的反应器中，首先按照以下反应生成氨基甲酸铵：
2NH3+CO2→H2N-CO-ONH4
生成的氨基甲酸铵然后按照以下平衡反应脱水而形成尿素：
H2N-CO-ONH4→H2N-CO-NH2+H2O
氨和二氧化碳合成尿素的理论最大转化率取决于该平衡反应的热力学状态，并且依赖于例如NH3/CO2比(N/C比)、H2O/CO2比(H/C比)以及温度。从上述反应方程式可以推定，在反应器中使用过量的水会对理论最大转化率产生不利影响。
反应器可以由用于形成氨基甲酸铵和尿素的独立的区构成。这些区可以被组合在一个设备中。合成可以在一个或两个反应器中进行。当使用两个反应器时，第一反应器例如可以使用基本上新鲜的原材料来操作，而第二反应器使用从工艺的其它地方全部或部分地获得的循环至反应器的原材料。
通过确保反应混合物在该区中的足够长的停留时间，可以在反应器中实现将氨基甲酸铵转化为尿素和水。停留时间通常大于10分钟，优选大于20分钟。停留时间通常小于3小时，优选小于1小时。
在将氨和二氧化碳在反应器中转化为尿素的过程中，作为反应产物，得到基本上由尿素、水、氨基甲酸铵和游离氨组成的尿素合成溶液。除尿素合成溶液之外，反应器中还可形成未转化的氨和二氧化碳以及惰性气体的气体混合物，即所谓的合成气体。合成气体中存在的惰性气体通常来自供给到工厂的空气，用于提高工厂的抗腐蚀能力。在合成气体被排入大气之前，可在涤气器中将氨和二氧化碳从其中去除。优选地，经由高压冷凝器，将此氨和二氧化碳返回至反应器。尿素合成溶液被输送至汽提器，在其中，尿素合成溶液用一种原材料(CO2或NH3)和/或热量进行逆流汽提。然后在冷凝器中，将汽提器中释放的气体冷凝到来自涤气器的氨基甲酸盐流中，并返回至反应器(可选地通过使用喷射器)。作为冷凝器，可以使用NL-A-8400839中描述的降膜冷凝器或浸没式冷凝器。浸没式冷凝器可以水平或垂直设置。还可以使用将反应器与冷凝器的功能相结合的所谓的组合反应器。
根据本发明，离开高压合成段的气体在0.5-12 MPa的压力下的中压冷凝器中被冷凝。中压冷凝器中的压力优选为1-7 MPa。
离开高压合成段的气体可来源于反应器和/或汽提器。
中压冷凝器还接收氨基甲酸盐流。此氨基甲酸盐流来自尿素装置的中压回收段或低压回收段。理想的是，从回收段供给的氨基甲酸盐流的压力低于中压冷凝器中的压力，以使此氨基甲酸盐具有特定的氨和二氧化碳吸收容量。当氨基甲酸盐来自较低的压力时，此吸收容量较高。因此，氨基甲酸盐流优选从低压回收段供给。在中压冷凝器中，来自高压合成段的废气中尚存的氨和二氧化碳被冷凝，然后将形成的冷凝物的至少部分供给至高压冷凝器。也可以将形成的冷凝物的部分返回至高压反应器。优选地，将形成的冷凝物的全部进料至高压冷凝器。
如果高压合成段包括涤气器，则至少部分气体通过高压涤气器离开高压合成段。这些气体可以在中压冷凝器中被冷凝。当高压合成段包括涤气器时，形成的冷凝物的至少部分被进料至高压涤气器，并从那里进料至高压冷凝器。形成的冷凝物还可以部分地返回至高压冷凝器和/或高压反应器。优选地，形成的冷凝物全部进料至高压涤气器。
氨基甲酸盐可以从形成的冷凝物中结晶出来。这例如依赖于压力、温度，并且依赖于氨基甲酸盐流中的水量。因此，中压冷凝器中的温度优选为70-140℃，更优选80-115℃。尿素装置优选包括高压合成段和低压回收段。
为了进一步从废气流中去除氨和二氧化碳，还可以在中压涤气器中吸收离开中压冷凝器的气体流。如果使用中压涤气器，则不将氨基甲酸盐流供给至中压冷凝器，而是供给至中压涤气器。然后将形成的冷凝物排放至中压冷凝器，进一步用作氨和二氧化碳的溶剂。如果中压涤气器在与中压冷凝器基本上相同的压力下操作，则氨基甲酸盐流可通过重力从中压涤气器流至中压冷凝器。如果中压涤气器在比中压冷凝器低的压力下操作，则需要用泵来将氨基甲酸盐流从中压涤气器输送至中压冷凝器。
本发明还涉及包括高压合成段和一个或更多个回收段的尿素装置，高压合成段包括反应器、汽提器和冷凝器，而且尿素装置包括连接至高压合成段的气体出口的中压冷凝器。
如果尿素装置的高压合成段还包括涤气器，则中压冷凝器可以被连接至高压涤气器的气体出口。中压冷凝器还可以被连接至汽提器的气体出口。
尿素装置还可以包括连接至中压冷凝器的气体出口的中压涤气器。
本发明还进一步涉及优化尿素装置的方法，所述尿素装置包括高压合成段和一个或更多个回收段，高压合成段包括反应器、汽提器、冷凝器和可选的涤气器，其中在尿素装置增加中压冷凝器，在所述中压冷凝器中，来自高压合成段的气体被冷凝，并且高压汽提器的容量增大。
通过另外安装额外的汽提器或通过加大现有的汽提器，可以例如提高高压汽提器的容量。
在优化过程中，还可以另外安装吸收来自中压冷凝器的气体的中压涤气器。
下面通过实施例来阐述本发明，但是本发明不限于这些实施例。
图1示出了根据现有技术(Stamicarbon CO2汽提工艺)的尿素合成工艺的流程框图。来自高压反应器(R)的尿素合成溶液被供给至高压汽提器(ST)。此外，二氧化碳(g)被供给至高压汽提器。在该汽提器中，通过热量和作为促进剂的二氧化碳使未转化的氨基甲酸盐分解，以形成氨和二氧化碳气体。供给的二氧化碳包含空气，其作用是防止高压合成段中的材料受到腐蚀。
被汽提的尿素溶液(U)被输送至后续的低压回收段，在其中进行进一步纯化。来自高压汽提器的废气与经由喷射器(E)的氨进料一起被输送至高压冷凝器(HPCC)。在高压冷凝器中，发生由氨和二氧化碳生成氨基甲酸铵的放热的氨基甲酸盐反应。该反应释放的热量被用于生成压力为0.4-0.5 MPa的饱和蒸汽。通过高压冷凝器中进行的冷凝程度来控制高压合成段中的压力。形成的氨基甲酸盐和未反应的氨和二氧化碳被输送至高压反应器(R)，在其中发生吸热的尿素反应。来自此高压反应器的废气流进入高压涤气器(SC)，在其中，目前尚存于废气中的较大部分氨和二氧化碳通过冷却水而被冷凝。低压回收段(LP)中形成的氨基甲酸盐流作为溶剂和/或吸收剂被添加至此高压涤气器中，以纯化惰性流中的氨和二氧化碳。在远低于合成压力的压力下操作的下游吸收器(A)中，对这些惰性气体进行进一步的纯化。通常，在此吸收器中，使用氨水和/或蒸汽冷凝物作为吸收剂。通过高压喷射器(E)吸入高压涤气器中形成的氨基甲酸盐，并且将其与氨进料一起输送至高压氨基甲酸盐冷凝器。
图2示出了根据本发明的制备尿素的方法。在这里，同样，离开反应器(R)的尿素合成溶液被供给至高压汽提器(ST)。以与图1所示类似的方式处理未转化的氨基甲酸盐，以使高压汽提器中的尿素合成溶液被纯化。来自此高压汽提器的废气被供给至高压冷凝器(HPCC)，在其中发生放热的氨基甲酸盐反应。与图1所示的工艺不同，这里将形成的饱和蒸汽的压力值控制在0.35-0.55 MPa。形成的氨基甲酸盐与未反应的氨和二氧化碳一起被输送至高压反应器(R)，用于转化为尿素。来自此高压反应器的废气比图1所示的现有技术的工艺包含更多的氨和二氧化碳，将此废气供给至高压涤气器(SC)。在此涤气器中，通过冷却水使氨和二氧化碳冷凝。来自高压涤气器的废气被输送至新安装的中压冷凝器(MPC)。在此工艺中，通过增加或减少废气流来控制高压合成段中的压力，所述废气流来自容许通过的高压涤气器而流向中压冷凝器。在中压冷凝器中，惰性流中的氨和二氧化碳被冷凝，并且将所释放的热量传递至冷却水。在低压回收段(LP)形成的氨基甲酸盐流被用作溶剂和/或吸收剂。在此中压冷凝器中形成的冷凝物被泵送至高压涤气器(SC)。在高压冷凝器中使用如此形成的氨基甲酸盐作为溶剂和/或吸收剂。以与图1所示类似的方式，在吸收器(A)中纯化离开中压冷凝器的惰性流。通过高压喷射器(E)吸入高压涤气器中形成的氨基甲酸盐，并且将其与氨进料一起输送至高压氨基甲酸盐冷凝器(HPCC)。
图3同样示出了根据本发明的制备尿素的方法。离开反应器(R)的尿素合成溶液被供给至高压汽提器(ST)。以与图1所示类似的方式处理未转化的氨基甲酸盐，以使高压汽提器中的尿素合成溶液被纯化。来自此高压汽提器的废气被部分地供给至高压冷凝器(HPCC)，并部分地供给至新安装的中压冷凝器(MPC)。与图1所示的工艺不同，这里将在HPCC中形成的饱和蒸汽的压力值控制在0.35-0.55 MPa。形成的氨基甲酸盐与未反应的氨和二氧化碳一起被输送至高压反应器(R)，用于转化为尿素。来自此高压反应器的废气比图1所示的现有技术的工艺包含更多的氨和二氧化碳，将此废气供给至高压涤气器(SC)。在此涤气器中，通过冷却水使氨和二氧化碳冷凝。在此方法中，通过增加或减少废气流来控制高压合成段中的压力，所述废气流来自容许通过的高压涤气器而流向中压冷凝器。在中压冷凝器中，氨和二氧化碳被冷凝，并且将所释放的热量传递至冷却水。在低压回收段(LP)形成的氨基甲酸盐流被用作溶剂和/或吸收剂。在此中压冷凝器中形成的冷凝物被部分地泵送至高压涤气器(SC)，并部分地泵送至高压冷凝器(HPCC)。在高压冷凝器中使用如此形成的氨基甲酸盐作为溶剂和/或吸收剂。在作用与图1中的吸收器类似的吸收器(A)中，对来自高压涤气器的废气进行纯化。通过高压喷射器(E)吸入高压涤气器中形成的氨基甲酸盐，并且将其与氨进料一起输送至高压氨基甲酸盐冷凝器(HPCC)。

Claims (11)

1.在尿素装置中由氨和二氧化碳制备尿素的方法，所述尿素装置包括高压合成段和一个或更多个低压回收段，所述高压合成段包括高压反应器、高压汽提器、高压冷凝器和高压涤气器，其特征在于，离开所述高压合成段的气体在0.5-12MPa下的中压冷凝器中被冷凝，而且来自所述回收段之一的氨基甲酸盐流也被供给至所述中压冷凝器，然后，所形成的冷凝物的至少部分被供给至所述高压涤气器，并从所述高压涤气器被供给至所述高压冷凝器。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，所述形成的冷凝物还被部分地返回至所述高压冷凝器和/或所述高压反应器。
3.如权利要求1的方法，其特征在于，所述形成的冷凝物被全部供给至所述高压涤气器。
4.如权利要求1的方法，其特征在于，所述中压冷凝器中的温度为70-140℃。
5.如权利要求1的方法，其特征在于，供给至所述中压冷凝器的所述氨基甲酸盐来自尿素装置的所述低压回收段。
6.如权利要求1的方法，其特征在于，离开所述中压冷凝器的气体流在0.5-12MPa下的中压涤气器中被冷凝，来自尿素装置的所述回收段之一的氨基甲酸盐流被供给至所述中压涤气器，然后，所形成的冷凝物的至少部分被供给至所述中压冷凝器。
7.包含高压合成段和一个或多个回收段的尿素装置，所述高压合成段包括高压反应器、高压汽提器、高压冷凝器和高压涤气器，其特征在于，所述尿素装置包括中压冷凝器，所述中压冷凝器被连接至所述高压涤气器的气体出口。
8.如权利要求7的尿素装置，其特征在于，所述尿素装置还包括中压涤气器，所述中压涤气器被连接至所述中压冷凝器的气体出口。
9.优化包含高压合成段和一个或多个回收段的尿素装置的方法，所述高压合成段包括高压反应器、高压汽提器、高压冷凝器和高压涤气器，其特征在于，在所述尿素装置中增加中压冷凝器，在其中，来自所述高压合成段的气体被冷凝，并且所述高压汽提器的容量被提高。
10.如权利要求9的方法，其特征在于，所述高压汽提器的容量通过另外安装额外的汽提器而被提高。
11.如权利要求9或10的方法，其特征在于，还另外安装了中压涤气器，在其中，来自所述中压冷凝器的气体被吸收。
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