CN85101946A - 制备尿素的方法 - Google Patents
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Abstract
由二氧化碳和过量的氨在压力为130—250巴的反应区中反应，生成含有氨基甲酸盐和游离氨的尿素合成溶液，该氨基甲酸盐在至少两个分解区域中分解，其操作压力，第一分解区为130-250巴，第二分解区压力较低，所形成的分解产物，随同未反应掉的氨一起从上述溶液中脱除。该方法的特征是第二分解区的操作压力为85-125巴，从该区所得到的含有氨和二氧化碳的气体混合物在操作压力与第二分解区压力相同的冷凝区中冷凝，在通常条件下可以生成40-80％平衡量的尿素。
Description
本发明涉及以氨和二氧化碳为原料制备尿素的方法。
把氨和二氧化碳送入到一个合成装置中，在适当的压力（例如125-350大气压）和适当的温度（例如170-250℃）下，根据下列的反应，首先生成氨基甲酸铵。
然后，根据下列的可逆反应，使生成的氨基甲酸铵，通过脱水变成了尿素。
由氨基甲酸铵转化成尿素的程度，在各种许多因素中，主要是取决于反应温度和反应中加入的过量氨。通过反应，取得了作为反应产物的一种溶液，即主要是由尿素、水、氨基甲酸铵和游离氨组成的产品溶液。随后，把其中的氨基甲酸铵和氨从该溶液中分离出来，而且绝大部分地送回合成装置。
根据目前已知的方法（请阅英国专利说明书2，087，381），在合成装置中制备尿素的反应压力是控制在180-250巴，装置内进行反应的NH3∶CO2的克分子比率是5-8，在装置内进行反应后生成的尿素合成溶液，送入两个相继的分解装置中进行解吸处理。第一个分解装置中的操作压力，实际上维持在与合成装置内压力相同的水平上，装置中的温度控制在180-215℃，溶液中存在的过量氨作为一种解吸剂用于解吸氨基甲酸盐分解的产物。第二分解装置中的操作压力维持在比第一个分解装置低30-50巴的压力上，装置中温度控制在160-210℃，用二氧化碳作为解吸剂。在第一个分解装置中，经过解吸后形成的含有氨和二氧化碳的混合气，不用经过进一步处理就送回合成装置。而从第二个分解装置中，经过解吸后形成的含有氨和二氧化碳的混合气体，在与第二个分解装置压力相同的压力下冷凝下来。然后把生成的冷凝物用氨基甲酸盐泵提压到与合成装置压力相同的压力上，又循环送回合成装置。
根据另一个已知方法（请阅英国专利说明书2，107，311）。其中，不仅包括了在两个分解装置中进行了没有转化成尿素的氨基甲酸盐的分解反应，和从溶液中解吸了包括存在的过量氨在内的混合气体，而且还包括了在两个反应装置中进行了具有不同的NH3∶CO2克分子比率的尿素合成。第二个反应装置的操作压力最好与第一个分解装置的压力相同，而第一个反应装置的操作压力与第二个分解装置的压力相同，实施例中的说明，指出了第二个分解装置的压力以160巴为佳。
这些目前已知的方法，都有一个共同的缺点，即不能在第二个分解装置中得到最佳的分解效率，这是因为在高温和高压下分解氨基甲酸盐的过程中，为了避免难以接受的尿素水解和生成缩二脲，就必须保持很短的停留时间。这样，不仅对尿素合成的效率，带来了不利的影响，而且使得生成的尿素合成液中的缩二脲的含量增加到我们所不需要的地步。在有两个分解装置的流程中，由于在第一个分解装置中，经过解吸反应后，脱除了部分的过量氨，因此在第二个分解装置中，加剧发生了上述的付反应。
本发明的目的是提供一个好的方法，据该方法，能取得高的分解效率，而且在氨基甲酸胺的分解过程中，能够使尿素的水解以及缩二脲的形成限制在最低量。依据本发明，上述方法能通过使得第二分解装置中的氨基甲酸胺的操作压力以及操作温度比上述已知方法中，相对应的压力和温度都低的设计而加以实施。
利用在更低温度和更低压力条件下的氨基甲酸胺分解成含有氨和二氧化碳混合气的冷凝，从而实现了回收该冷凝放出的足够高温度的冷凝热，因此能够利用该冷凝热以生成有用的低压蒸汽。例如，4巴压力的蒸汽，据本发明，在氨基甲酸胺冷凝装置中也形成了尿素。
因此，本发明涉及一个制备尿素的方法。据该方法，在操作压力是130-250巴的反应装置中，经过过量氨和二氧化碳的反应，生成了含有氨基甲酸铵和游离氨的尿素合成溶液，生成的氨基甲酸胺在至少有两个不同压力的、串联的分解装置中分解，生成的分解产物和未反应掉的氨一起由该溶液脱除。其中，第一分解装置的操作压力维持在130-250巴，而第二分解装置的操作压力则较低些。之后，第二分解装置出来的生成的含尿素溶液进一步加工成不含氨基甲酸胺的尿素液体或固体尿素。该方法的特征是：在第二分解装置中的操作压力维持在85-125巴，在第二分解装置形成的含有氨和二氧化碳的混合气送往冷凝器中，并在与第二分解装置相同的压力下冷凝。据该优越的方法，冷凝后约40-80%平衡量的尿素形成了。然后把生成的氨基甲酸胺和尿素，送回反应装置。
在第二分解塔中，最好维持110-120巴的压力，因为在这条件下，由于相对来说比较低的温度和比较低的压力下相当量的氨基甲酸胺分解了，只有少量的尿素水解或转化成缩二脲。当操作压力低于85巴时，就会取得很高的分解效率，当把在氨基甲酸胺中分解生成的含氨和二氧化碳混合气冷凝时，那么，较低的冷凝温度将导致生成其压力低于3.5巴的蒸汽，这种低压力的蒸汽将难于在本方法中加以利用。由于这个理由，在第二分解装置中，采取85巴的操作压力将是不适宜的。然而，当操作压力超过125巴时，则需要相当高的温度，而在缺氨的贫液中，随着温度和压力的上升，则相应加剧了尿素的水解和缩二脲的生成。
据本发明的方法，氨基甲酸盐的反应生成热，在冷凝装置中，通过使得在第二分解装置中取得的含有氨和二氧化碳和混合气体，在相当大量的尿素和水的存在下，进行冷凝而加以回收。其结果，通过这种冷凝能够在比不存在这种溶剂的情况下的更高的温度水平上回收量。在冷凝装置中，由于反应混合物的停留时间足够长，因此，对氨基甲酸盐转化成尿素和水的反应也是有利的，为了进一步提高温度，那么可以把冷凝装置设计成带有充分混合的反应器，其中限制顶部和底部的温度之差，至少是5℃。最好这种温度差能控制在至多2℃之内。冷凝也可能发生在垂直的管式热交换器的管际空间中，冷凝释放出的热量能被冷凝器中的管子里的水吸收，然后生成低压蒸汽。也可以采用其尺寸大小，能满足反应混合物有足够停留时间的其他的冷凝装置，该装置内装有水管式盘管组，管内的冷却水回收了冷凝热。最好能采用所谓的浸没式冷凝器，其中混合气体送入稀氨基甲酸盐溶液时进行冷凝，释放的溶解热和冷凝热被水吸收了，由此生成了蒸汽。实施所叙述的方法，使含有氨和二氧化碳的混合气进行冷凝，则冷凝装置中的操作温度，根据尿素和水的生成量，能增加平均4-10℃，在冷凝装置压力是85-125巴的条件下，就能由此生成35-45巴的低压蒸汽。生成的尿素量可以达到在该反应条件下所能实现的尿素生成量的40-80%。最佳情况是能达到该反应条件下所能实现的尿素生成量的50-60%。
本发明将基于附图和实例加以发明，当然不是只局限于此。
图中，A表示一个合成反应装置，B表示第一个分解装置，C表示第二个分解装置，D是冷凝装置，E是气-液分离器，F是洗涤装置，G和H分别表示用以压缩空气和二氧化碳气体的压缩机，J是喷射泵，K是氨基甲酸盐泵，L，M和N是膨胀阀。
如图所示，通过1把液氨送入合成反应装置;通过2把来自第一解吸装置B，含有氨和二氧化碳的混合气送入合成反应装置;通过15把在冷凝装置中形成的，经泵K提压到比合成反应装置A的压力，130-250巴还要高些的压力，例如，160巴的含有氨基甲酸盐和尿素的溶液也送入合成反应装置，生成的尿素溶液通过4流入第一分解装置B，如图中示，是一种蒸汽加热的加热器-分解装置在B中处理尿素合成溶液，由于加热而解吸出来的含有氨和二氧化碳的气体在同一个方向上，通过加热器管中流出，压缩机G压入少量的空气，通过5送入第一分解装置B，使得在高温下与含有氨基甲酸盐溶液接触的物质或材料钝化，通过2和22把解吸气体由第一分解装置送入合成反应装置A，在A中它们反应生成氨基甲酸盐，而尿素反应所需的温度由生成氨基甲酸盐释放的热所维持。如果需要，其中部分的解吸后混合气可以通过21和膨胀阀N送入冷凝装置D。而已被部分分解和解吸的尿素合成溶液，通过图中所示6和膨胀阀M，把压力降低到85-125巴。例如，100巴送入第二分解装置C，在C该溶液也是受到蒸汽加热，在第二分解装置C中，要处理的溶液是用二氧化碳气体解吸的，该二氧化碳气体是由压缩机H按所需的压力通过7压入C，其中也压入少量的空气以形成使物质钝化的条件。两次解吸处理后的尿素合成溶液由3排出，用已知的方法进一步加工成尿素液或固体尿素。而由第二分解装置C解吸后的混合气体，与作为解吸气的二氧化碳一起通过8流入冷凝装置D，这种冷凝装置可以是一种浸没式装置，还可以把在洗涤装置F中，排除惰性气后洗涤得来的氨基甲酸盐溶液送入D。该氨基甲酸盐溶液由F通过10通入喷射泵J，用通过11的液态氨启动，通过9一起引入冷凝装置D。冷凝装置的容积要保证反应混合物在装置内的足够停留时间。利用该方法，能使存在的氨基甲酸盐转化成尿素与水时，达到40-80%的可能实现的尿素生成量。冷凝放出的热量由水吸收，水是通过13送入，而且生成了大约是4巴压力的低压蒸汽，通过14离开冷凝装置。含有尿素和氨基甲酸盐的气-液混合物，通过12送入气-液分离器E，通过分离后，液相部分通过15经由氨基甲酸盐泵K压入合成反应装置A。在A中发生了生成尿素的反应，而气-液分离后的气相部分，通过16和18送入洗涤装置F，同时由A排出的，经由膨胀阀L，使压力降至气-液分离装置压力的通过17的气体，也一起送入F。在洗涤装置F中，含有氨和二氧化碳的惰性气体用来自19的氨基甲酸盐的溶液洗涤。这种溶液是在把已解吸过的尿素合成溶液进一步加工成尿素液和固体尿素的过程中取得的。在冷凝装置中，释放的冷凝热和吸收热，至今一直用冷却水或任何一种合适的冷却物质吸收，加以利用。而惰性气体通过20排出。
实例：
用已在上面叙述过的方法，根据附图中已介绍过的实际流程，以每日1500吨生产能力的工厂为实例。流程中各物质量是用每小时公斤数作为计算单位，在合成反应装置A中的压力和第一分解装置B中的压力都是176.5巴，然而，在第二分解装置C中，冷凝装置D中和洗涤装置F中的压力均是107.9巴。
通过1，把13.432公斤/小时33℃的液氨送入合成反应装置A，通过11，把21，185公斤/小时液氨送入冷凝装置D，生产过程所需的二氧化碳与1，469公斤/小时主要是空气的惰性组分，在120℃的温度下，以45.833公斤/小时的量送入第二分解装置C，另外，把292公斤/小时的起钝化作用的空气送入分解装置B。
把下列物质送入冷凝装置D：
a）从洗涤装置F来的32.016公斤/时氨基甲酸盐溶液，它是由13.380公斤/时NH3，12，694公斤/时CO2，5.942公斤/时H2O组成的，与21，185公斤/时新鲜的液氨一起送入D。
b）从第二分解装置C来的95.110公斤/时的混合气体，它它是由36，539公斤/时NH3，53，802公斤/时CO2，3，300公斤/时H2O和1，469公斤/时惰性气组成的。
c）从第一分解装置B来的6，010公斤/时混合气体，它是由3，616公斤/时NH3，2，105公斤/时CO2，237公斤/时H2O，和52公斤/时惰性气组成的。
冷凝装置的容积量的选择，也就是物质的反应停留时间的选择，应能满足在107.9巴压力和164℃温度条件下取得气-液混合体，并使得在该温度和压力条件下的液相中，大约有50%平衡量的应得的尿素生成。这种液相包含有33，063公斤/时尿素，48，380公斤/时NH3，37，794公斤/时CO2和19，036公斤/时H2O，气相部分都包含有7，604公斤/时NH3，6，561公斤/时CO2，362公斤/时H2O和1，521公斤/时惰性气。所取得的液相部分，经由泵K提压到176.5巴的压力和通过1送入的液氨，在合成反应装置中，在190℃温度条件下，一起反应生成尿素合成溶液，该溶液的组成是66，125公斤/时尿素，58，292公斤/时NH3，22，324公斤/时CO2和29，977公斤/时H2O。通过17从合成反应装置中排放2，370公斤/时混合气体，其组成是1，259公斤/时NH3，815公斤/时CO256公斤/时H2O和240公斤/时惰性气。在合成反应装置中生成的尿素合成溶液，送入第一分解装置B中，进行第一次氨基甲酸盐的分解，该装置B是蒸汽加热的加热器-分解装置，通过该装置能使一部分存在的氨基甲酸盐分解成NH3和CO2，这些分解生成的气体被一部分溶液中存在的游离氨和H2O解吸，并一起从溶液中脱除。通过21，把上述脱除的混合气体，以6，101公斤/时的量在它们的压力降低到107.9巴后送入冷凝装置D，剩余的部分，其组成是16，474公斤/时NH3，9，591公斤/时CO2，1，078公斤/时H2O和240公斤/时惰性气，循环送回合成反应装置A。留在第一分解装置B中的液相部分，其组成是66，1.25公斤/时尿素，38，202公斤/时NH3，10，628公斤/时CO2和28，662公斤/时H2O，经过降压到107.9巴压力后，送入到第二分解装置C中，发生解吸生成CO2，与此同时，也向该装置C提供热量。经过这装置C，取得了95，809公斤/时解吸过的尿素合成溶液，其组成中，除了63，480公斤/时尿素和24，568公斤/时H2O以外，也包含3，162公斤/时NH3和4599公斤/时CO2，在第二分解装置C中，经过解吸处理后取得的混合气体，通过8直接送入冷凝装置D。
在洗涤装置F中，由合成反应装置A中和冷凝装置D中来的含惰性气的混合气体用15，605公斤/时的氨基甲酸盐溶液洗涤，其组成含有4，649公斤/时NH3，5，432公斤/时CO2和5，524公斤/时H2O。其量为2，007公斤/时的惰性气通过20向外排除。在整个生产过程中操在第一分解装置B中，需要441公斤/时的245巴（265℃）的高压蒸汽，而在第二分解装置C中则需要340公斤/时的空压蒸汽，在冷凝装置D中，生成了907公斤/时的4巴（144℃）低压蒸汽。
Claims (6)
1、一个制备尿素的方法，由二氧化碳和过量的氨在其操作压力是130-250巴的合成反应装置中反应，生成含有氨基甲酸盐和游离氨的尿素合成溶液，该氨基甲酸盐在彼此不等压的、串联的、至少两个分解装置中分解，该分解产物随同未反应掉的氨一起从上述溶液中脱除，其中，在第一分解装置中的操作压力维持在130-250巴，而在第二分解装置中的操作压力维持在较低的压力上，然后，把从第二分解装置中出来的含尿素溶液进一步加工成不含氨基甲酸盐的尿素溶液或固体溶液，该方法的特征是第二分解装置的压力维持在85-125巴，把从第二分解装置中出来的含氨和二氧化碳的混合气体，送入其操作压力和第二分解装置压力相同的冷凝装置中冷凝，根据本方法的以上条件能够生成40～80%平衡量的尿素，把生成的氨基甲酸盐和尿素，送回合成反应装置中。
2、由权利要求1的方法，其特征是含有氨和二氧化碳的混合气体是在110-120巴的压力下冷凝。
3、由权利要求1-2的方法，其特征是在本方法的以上条件下能生成50-60%平衡量的尿素。
4、由权利要求1-3的任何一个方法，其特征是在冷凝装置中发生的含有氨基甲酸盐和尿素的混合物进行气-液分离，氨和二氧化碳由混合气中回收并分离，排除混合气体中不能冷凝的气体，而剩下的含有氨基甲酸盐和尿素的溶液送入合成反应装置。
5、由本文附图及实例叙述并解释的制备尿素的方法。
6、由上述权利要求中任何一个或更多的方法制备的尿素和尿素溶液。
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