CN87107625A - 浓缩尿素溶液的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明介绍以薄膜形式沿着立式管束管道内壁通过的尿素溶液的浓缩方法，所需热量基本上由气体混合物冷凝作用产生，而气体混合物处于管束周围形成的加热区，将气体混合物输送到接近管束一端的加热区，使尿素溶液输送到该管束的另一端，并汽体混合物基本向上通过该加热区，保证气体混合物或冷凝物不会回流。在进行该方法的装置中，用水平隔板使加热区分割成室，使气体混合物和冷凝物流朝向上面。

Description

本发明涉及通过蒸发尿素溶液中的水来达到浓缩尿素溶液的方法。本发明还涉及实施本方法的装置。

在用二氧化碳和过量的氨制备尿素的情况下，首先在合成区形成含氨基甲酸酯和游离氨的尿素合成溶液。氨基甲酸酯分解成氨和二氧化碳，用许多步骤将分解产物连同溶液中存在的另外部分氨和水一起从溶液中去除。最终得到的尿素水溶液含有大约70-75%（重量）尿素，而且其中仍然有氨和二氧化碳。此溶液并不适合于起到肥沃土壤的目的，也不适合用于树脂的制造。通常，必须将其加工成固体尿素。在此方法中，通过蒸发将还有大约25-30%重量的水、氨和二氧化碳去除掉，或使溶液中的尿素结晶并使晶体变软，将由此而得到的软化尿素制成颗粒。由于尿素溶液在高温下会引起尿素分解和产生缩二脲，而缩二脲不能起到肥沃土壤的作用，以及不能用于树脂的制造，因此一般采用减压条件蒸发尿素而避免非常高的蒸发温度。除此以外，由于经济的缘故，基本上用二级或更多级完成蒸发过程，其中在最初级中，用中等的减压将大部分存在的水除掉，其后，在最终的级中，在很低的压力下继续蒸发，直至获得软化的尿素，此时尿素实际上已不含水份，其含水量＜0.5%（重量）。

在实际使用中，该操作主要是采用通常所说的立式单通道蒸发器，其中将溶液和所得到的蒸汽通过立式管束的管道向上输送，在管束周围形成的壳体空间中，冷凝低压蒸汽来供给蒸发所需的热量。

有人已经提出能够利用从气体和液体的生产流中所产生的热量，这气体和液体的生产流是在尿素合成的第一蒸发级中浓缩尿素溶液所获得的，例如，参见欧洲专利申请145，054号。该专利所介绍的方法涉及尿素的合成，其中在125至350巴的合成压力下，尿素合成溶液除了含尿素和水之外，还含有氨基甲酸酯，并且在合成区中首先形成游离氨，其后，采用三个分解级处理这种尿素合成溶液，在第一分解级中使用合成压力，在第二分解级中采用4-40巴的压力，在第三分解级中采用1-10巴压力，使氨基甲酸酯分解和从溶液去除掉分解产物、以及存在于该溶液中的游离氨和相当数量的水，剩余的溶液在二个蒸发级中进行最终浓缩。第一蒸发级所需热量由第二分解级中冷凝4-40巴压力的气体混合物来提供，如果提高气体混合物的露点，例如，向冷凝的气体混合物添加在第三分解级中所形成的氨基甲酸酯水溶液，那么将从较高的温度开始进行冷凝，这样就可在该较高的温度水平下获得所释放出的吸收热和冷凝热。如果以逆流形式进行热交换，则根据施加于蒸发器管道内的压力，可以从第一蒸发级中得到浓度约95%（重量）和温度约130℃的尿素溶液。然而，如果在立式单通道蒸发器中进行此方法，其中将待浓缩的尿素溶液是通过蒸发器的管道上输送，将待冷凝的气体混合物和氨基甲酸酯水溶液是通过壳体向下输送，则在壳体空间中的管道外面的上方，气体混合物存在有实际上润湿不足和分布不够均匀的缺陷。由于这个原因，就不能保证将热量均匀地传递给待浓缩的尿素溶液。

本发明的目的是提供一种蒸发尿素溶液的方法，以及应用此方法的装置，其利用生产流程所产生的热量如欧洲专利申请号145，054所介绍的，并且避免了上述的缺点。当将待冷凝的气体混合物对流于待浓缩的尿素溶液向上通过加热区时，便可达到本发明目的。这里将加热区设计成潜管冷凝器，其中气体混合物和多少有所形成的冷凝物的流动外形相当于所谓柱形的流动外形，这样在加热区不会发生向前流动的气流与试剂的回混。

本发明涉及通过尿素溶液中的水蒸发而使尿素溶液浓缩的方法。在此方法中，尿素溶液以薄膜形式沿着立式管束的管道内壁通过，蒸发水分所需热量基本上由冷凝加热区中含NH₃、CO₂和H₂O的气体混合物所提供该气体混合物处于管束周围形成的加热区，将含NH₃、CO₂和H₂O的气体混合物输送到接近管束管道一端的加热区，而且将尿素溶液输送到管束管道的另一端。本方法的特征在于使含NH₃、CO₂和H₂O的气体混合物基本上向上通过加热区，并且保证气体混合物或冷凝物不会回流。

向加热区中含NH₃、CO₂和H₂O的气体混合物中添加氨基甲酸酯水溶液是有好处的，因为这提高了气体混合物的露点，由于这一个结果，冷凝就可开始于较高的温度。最好把氨基甲酸酯水溶液输送到加热区这样的位置，即处于尿素溶液输送到管束管道和含NH₃、CO₂和H₂O的气体混合物输送到加热区之间的位置。

可以在加热区使用一些穿孔的水平隔板防止反应混合物的回混，这些隔板将加热区分割成各自处于上下位置的一些室，同时相对于尿素流，这样选择含NH₃、CO₂和H₂O的气体混合物的输送速度，使得在每个室的顶部构成气体缓冲垫，从那里气体通过孔隙流进上面的一些室，在那里气体混合物对存在于孔隙附近的液体施加压力，因此防止了该液体通过孔隙而回流。当采取特殊的措施时，气体缓冲垫能够使含NH₃、CO₂和H₂O的气体混合物和冷凝物分别通过隔板上不同的孔隙而到达上面的室。

本发明还提供了一种用于上述方法的装置。此装置由加热区包围的立式管束组成，而且装有能使尿素溶液以薄膜的形式沿着管束管道内壁向下流动的装置。本装置的特征在于用穿孔的水平隔板将加热区分割成各自处于上下位置的一些室，以及具有使含NH₃、CO₂和H₂O的气体混合物和冷凝物基本上向上通过这些室的装料管线与出料管线。

隔板孔的数目和位置至少相当于管束管道的数目和位置。如果隔板孔的数目和位置相当于管束管道的数目和位置，那末试剂将仅仅通过这样的间隙从一个室流到紧接着的较高的室，该间隙是在管束管道通过隔板孔的安装时，由于隔板孔的公差结果留下的间隙。如果要实现通过加热区的气流同待蒸发的尿素溶液具有有效的热交换，那末一般在室之间需要较大的流动面积。在这种情况下，隔板应该装有额外的隔板孔。至少部分的额外隔板孔设有向下凸起的凸缘，这样将可简化室内维持缓冲垫，因为设有凸缘的隔板孔不会影响气相的流动面积。在隔板孔周围有凸缘还提供了实现分离液相和气相的可能性，这些液相和气相通过不同的孔到达上方的室内，从而大大地减少了二相回流的危险性。

根据本发明的最佳实施例，隔板设有至少管束管道能延伸通过的第一组隔板孔，以及交替地位于隔板的中央和圆周附近的第二组隔板孔。如果只是第二组孔设有向下凸出的凸缘，那末含NH₃，CO₂和H₂O的气体混合物将至少大体上通过管束管道周围的间隙流入较高的室。冷凝物将交替地流过中央和圆周附近的隔板孔。这样的设计将保证隔室起到泡式洗涤器的作用，即在气相和液相之间实现充分的接触，同时流及整个加热区的试剂流显示出柱形流的所有特征。隔离室内气相和液相之间的充分接触，以及管束管道中相当冷的尿素溶液的冷却作用引起部分含NH₃、CO₂和H₂O的气体混合物在隔离室内快速吸收和冷凝。通过管壁把在此过程中释放出的热量传递给待蒸发的沿管内壁向下流动的尿素溶液。

本发明方法可用于尿素工艺方法，其包括在4-40巴压力范围的分解级，因为在此分解级中所得到的上述气体混合物的压力范围内，利用氨基甲酯酯溶液在冷凝时所得到的吸收热和冷凝热通常具有这样的温度水平，可以使大约70%（重量）的尿素溶液浓缩到大约95%（重量）的尿素溶液。

很显然，可以把加热区的下部设计成为蒸汽套。如果从4-40巴压力操作的分解级中产生的气体混合物可以在相当低的压力得到（例如4-12巴），或者如果要求至少在130℃温度下带走第一蒸发级的尿素溶液，那末最好将加热区的下部设计成为蒸汽套。

图和下面的实例将对本发明加以说明，但并不限制本发明。

该图给出了部分加热区的示意的横截面，其显示二个隔板和一根管束管道。

1表示加热区的外壳，2表示管束管道，3表示为隔板，4为中央孔，5为圆周附近的孔，6为向下凸的凸缘和7为气体缓冲垫。箭头8表示液相流动的方向，箭头9表示气相流动的方向。

待浓缩的尿素溶液以薄膜形式沿着管2内壁向下流动。

实例

根据欧洲专利申请号145，054图中所示意的实施例制造尿素，条件是用本发明介绍的方法设计和操作该图中数字12所示的第一蒸发级。管道周围的加热区由一些隔板分割成十个室。在隔板的中央和圆周附近交替地施加一些隔板孔，这些隔板孔设有向下凸的凸缘，实现向上流的液相通过这些隔板孔流过这些室。含NH₃、CO₂和H₂O的气体混合物通过管道和隔板之间的间隙流到H₂O的气体混合物通过管道和隔板之间的间隙流到那些依次较高的室中。此外，在依次的隔板中的管道之间施加额外的用于气体流的孔。

下面的资料介绍了具有日生产能力1500吨的装置。用每小时公斤数表示数量。将35414公斤NH₃和45863公斤CO₂输到该装置的高压部分。该高压部分的压力等于140巴，其高压部分包括合成区、第一分解级、冷凝区和惰性气体的洗涤区。第二分解级和第一蒸发级的加热区的压力等于17.7巴。第三分解级的压力是3.9巴。将含14，139公斤CO₂、8711公斤NH₃和3，301公斤H₂O的第二分解级的气体混合物输送到管束周围加热区的底室。该气体混合物的温度为158.6℃，其露点为143.4℃。通过该气体混合物与以薄膜形式向下流过管道的86，623公斤尿素溶液进行热交换（尿素溶液的输送温度为95℃并且含63，525公斤尿素，210公斤缩二脲、28公斤CO₂、377公斤NH₃，其余为水），使该气体混合物冷却和冷凝。利用由第三分解级产生的20，944公斤氨基甲酸酯溶液（含4，294公斤CO₂、7400公斤NH₃、9，229公斤H₂O和21公斤尿素）继续使气体混合物冷凝和吸收，将该气体混合物输送到温度为47℃的加热区的第三室。从加热区的顶室放出温度93.7℃、47，079公斤氨基甲酸酯溶液（含18，427公斤CO₂、16，102公斤NH₃、12，529公斤H₂O和21公斤尿素）。此外，从该室放出的45公斤气体混合物仍然含有6.3公斤CO₂、9.1公斤NH₃、0.8公斤H₂O，其余为惰性气体。

从管束底部输出温度122.5℃、67，833公斤浓缩的尿素溶液。该溶液含63，144公斤尿素、264公斤缩二脲、0.02公斤CO₂、4.7公斤NH₃和4420公斤H₂O。

Claims (12)

1、通过蒸发水分浓缩尿素溶液的方法，在该方法中，使尿素溶液以薄膜形式沿着立式管束管道内壁通过，蒸发水分所需要的热量基本上由冷凝含NH₃、CO₂和H₂O的气体混合物来提供，气体混合物处于管束周围形成的加热区，将含NH₃、CO₂和H₂O的气体混合物输送到接近管束管道一端的加热区，而且将尿素溶液输送到管束管道的另一端，其特征在于使含NH₃、CO₂和H₂O的气体混合物基本上向上通过加热区，并且保证气体混合物或冷凝物不会回流。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于将氨基甲酸酯水溶液在加热区的这样一个位置添加到加热区中的含NH₃、CO₂和H₂O的气体混合物中，该位置是处于尿素溶液输送到管束管道和含NH₃、CO₂和H₂O的气体混合物输送到加热区之间的位置。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于用穿孔的水平隔板将加热区分割成各自处于上下位置的一些室，并且相对于尿素流、选择含NH₃、CO₂和H₂O的气体混合物的输送速度使得在每个室顶部形成气体缓冲垫。

4、根据权利要求1-3中的任何一个所述的方法，将含NH₃、CO₂和H₂O的气体混合物与冷凝物各自通过不同的隔板孔输送到较高的室。

5、实施上述权利要求中任一个所述方法的装置，其由加热区包围的立式管束组成，该装置装有保证尿素溶液以薄膜的形式沿着管束管道内壁向下流动的装置，其特征在于用穿孔的水平隔板将加热区分割成各自处于上下位置的一些室，以及具有使含NH₃、CO₂和H₂O的气体混合物和冷凝物基本上向上通过这些室的装料线和出料线。

6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于隔板孔数量和位置至少相当于管束管道的数量和位置。

7、根据权利要求5所述的装置，其特征在于一些隔板孔设有向下凸的凸缘。

8、根据权利要求5至7中的任何一个所述的装置，其特征在于隔板装置有管束管道可以延伸通过的第一组孔，在隔板中央和圆周附近交替地施加第二组孔。

9、根据权利要求8所述的装置，其特征在于只是第二组孔设有向下凸的凸缘。

10、如利用实例与图所介绍和说明的使尿素溶液浓缩的方法。

11、如利用图所介绍和说明的使尿素溶液浓缩的装置。

12、应用根据上述权利要求中任何一个或更多权利要求所述的方法和装置所得到的浓缩尿素溶液。

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