JP4928740B2 - 尿素合成方法および装置 - Google Patents

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Description

本発明は、アンモニアと二酸化炭素を原料として尿素を合成する尿素合成方法および装置に関する。
尿素製造プラントにおいては、プロセスの相違により尿素合成圧力、尿素合成温度、Ｎ／Ｃ（アンモニア成分の二酸化炭素成分に対するモル比）、Ｈ／Ｃ（水成分の二酸化炭素成分に対するモル比）等の尿素合成条件の相違はあっても、プラントの運転状況を把握することは重要である。特にＮ／Ｃは尿素合成プラント運転上の重要なパラメータであるため、Ｎ／Ｃを把握すること有効である。
例えば、特許文献１には、尿素合成域の出口において尿素合成液の密度をリアルタイムに測定し、得られた密度の値から尿素合成液のＮ／Ｃ値を決定することが開示されている。
特許文献２には、尿素合成プロセスの種々のストリームの組成を超音波によって測定することが記載される。
特許文献３には、ＮＨ3およびＣＯ2の水溶液の組成を、濃度および飽和温度の測定値に基づいて知ることが記載され、この濃度測定のために振動型デンシメータを用いることが記載される。
特許第３２７０７００号公報 国際公開ＷＯ ０１／３０７４８Ａ１号公報 特開昭５９−１３３４５１号公報
尿素合成液の組成、特にはＮ／Ｃを密度を利用して決定する方法は、簡易かつリアルタイムに測定を行えるという点で優れている。
しかし、従来の方法ではプラントの運転状況、特にはＮ／Ｃを知るために、合成管出口の尿素合成液を測定対象としていた。この場合、合成管出口の尿素合成液が気液二相流である場合がある。気液二相流の密度を精度良く測定することは難しい。つまり、従来の方法では密度を精度良く測定することは必ずしも容易ではなく、その結果、プラントの運転状況、特にはＮ／Ｃを精度良く把握することが必ずしも容易ではなかった。
本発明の目的は、気液二相流が測定対象となることを避け、精度の良い密度測定を容易に行うことが可能な、その結果容易に精度良く運転状況を把握することを可能とする尿素合成方法および装置を提供することである。
本発明により、アンモニアと二酸化炭素とを反応させて、尿素、未反応アンモニア、未反応二酸化炭素および水を含む尿素合成液を得る反応工程；
該尿素合成液を、原料二酸化炭素の少なくとも一部を用いてストリッピングし、該未反応アンモニアおよび未反応二酸化炭素を含む混合ガスを分離するストリッピング工程；
冷却下に、該混合ガスをアンモニウムカーバメイトを含む水溶液である吸収媒体中に凝縮させて凝縮液を得る凝縮工程；
該凝縮液を該反応工程に循環する循環工程；および
該凝縮液の密度を測定する工程
を有する尿素合成方法が提供される。
また本発明により、この尿素合成方法を行う尿素合成工程と、
該尿素合成工程のストリッピング工程から得られる尿素含有液中に含まれる未反応アンモニアおよびカーバメイトをそれぞれ気化および分解し、アンモニアおよび二酸化炭素を含むガスとして分離する分解工程と、
分解工程で分離されたガスを水と接触させることにより、アンモニアおよび二酸化炭素を水に吸収させて、アンモニウムカーバメイトを含む水溶液である回収液を回収する回収工程と
を含む尿素製造方法であって、
前記吸収媒体が、該回収工程から得られる回収液である
尿素製造方法が提供される。
上記方法において、さらに、前記凝縮液の温度を測定し、
前記温度および密度の測定値を用いて前記凝縮液のＮ／Ｃ値を求めることが好ましい。ただしＮ／Ｃはアンモニア成分の二酸化炭素成分に対するモル比を意味し、アンモニア成分のモル量は、尿素のモル量の２倍と、アンモニウムカーバメイトのモル量の２倍と、アンモニアのモル量との合計値であり、二酸化炭素成分のモル量は、尿素のモル量と、アンモニウムカーバメイトのモル量と、二酸化炭素のモル量との合計値であり、
Ｎ／Ｃ値は、次式で表される前記温度ｔ（℃）および前記密度ｄ（ｋｇ／ｍ 3 ）とＮ／Ｃ値との相関
Ｎ／Ｃ＝Ｃ1ｄ＋Ｃ2ｔ＋Ｃ3
（ここで、Ｃ 1 、Ｃ 2 およびＣ 3 は実測値に基づいて求められた定数である）
から求められる。
この方法において、さらに、前記凝縮液のＮ／Ｃ値と凝縮液の二酸化炭素成分の流量を用いて該凝縮液のアンモニア成分流量を求め、これら凝縮液の二酸化炭素成分流量およびアンモニア成分流量と、凝縮器とは別に反応工程に供給される原料アンモニアおよび原料二酸化炭素の流量とから、反応工程におけるＮ／Ｃ値を算出することが好ましい。
この方法において、さらに、原料アンモニアおよび／または原料二酸化炭素の流量を調節して、前記反応工程におけるＮ／Ｃを目標値に制御することが好ましい。
前記密度を測定するために、凝縮液と接触することなく密度を測定可能な非接触型の密度計を用いることが好ましい。
前記非接触型の密度計が、放射線型密度計であることが好ましい。
本発明により、アンモニアと二酸化炭素とを反応させて、尿素、未反応アンモニア、未反応二酸化炭素および水を含む尿素合成液を得る合成管；
該尿素合成液を、原料二酸化炭素の少なくとも一部を用いてストリッピングし、該未反応アンモニアおよび未反応二酸化炭素を含む混合ガスを分離するストリッパー；
冷却下に、該混合ガスをアンモニウムカーバメイトを含む水溶液である吸収媒体中に凝縮させて凝縮液を得る凝縮器；
該凝縮液を該合成管に循環する循環手段；および
該凝縮液の密度を測定する密度計
を有する尿素合成装置が提供される。
また本発明により、この尿素合成装置と、
該尿素合成装置のストリッパーから得られる尿素含有液中に含まれる未反応アンモニアおよびカーバメイトをそれぞれ気化および分解し、アンモニアおよび二酸化炭素を含むガスとして分離する分解装置と、
分解装置で分離されたガスを水と接触させることにより、アンモニアおよび二酸化炭素を水に吸収させて、アンモニウムカーバメイトを含む水溶液である回収液を回収する回収装置と
を含む尿素製造装置であって、
前記吸収媒体が、該回収装置から得られる回収液である
尿素製造装置が提供される。
上記装置が、さらに、前記凝縮液の温度を測定する温度計；および前記温度および密度の測定値を用いて前記凝縮液のＮ／Ｃ値を算出する演算手段を有することが好ましい。ただしＮ／Ｃはアンモニア成分の二酸化炭素成分に対するモル比を意味し、アンモニア成分のモル量は、尿素のモル量の２倍と、アンモニウムカーバメイトのモル量の２倍と、アンモニアのモル量との合計値であり、二酸化炭素成分のモル量は、尿素のモル量と、アンモニウムカーバメイトのモル量と、二酸化炭素のモル量との合計値であり、
Ｎ／Ｃ値は、次式で表される前記温度ｔ（℃）および前記密度ｄ（ｋｇ／ｍ 3 ）とＮ／Ｃ値との相関
Ｎ／Ｃ＝Ｃ1ｄ＋Ｃ2ｔ＋Ｃ3
（ここで、Ｃ 1 、Ｃ 2 およびＣ 3 は実測値に基づいて求められた定数である）
から算出する。
この演算手段が、分散制御システムまたはコンピュータであることができる。
この装置が、さらに、前記凝縮液のＮ／Ｃ値と凝縮液の二酸化炭素成分の流量を用いて該凝縮液のアンモニア成分流量を求め、これら凝縮液の二酸化炭素成分流量およびアンモニア成分流量と、凝縮器とは別に合成管に供給される原料アンモニアおよび原料二酸化炭素の流量とから、前記合成管におけるＮ／Ｃ値を算出する第二の演算手段を有することが好ましい。
前記第二の演算手段が、分散制御システムまたはコンピュータであることができる。
この装置が、さらに、原料アンモニアおよび／または原料二酸化炭素の流量を調節して、前記合成管におけるＮ／Ｃを目標値に制御する制御手段を有することが好ましい。
前記密度計が、凝縮液と接触することなく密度を測定可能な非接触型の密度計であることが好ましい。
前記非接触型の密度計が、放射線型密度計であることが好ましい。
本発明によれば、気液二相流が測定対象となることを避け、精度の良い密度測定を容易に行うことが可能な、その結果容易に精度良く運転状況を把握することを可能とする尿素合成方法および装置が提供される。
本発明においては、凝縮器で得られる凝縮液の密度をオンラインで測定する。凝縮液は二相流ではないので、容易に精度良く密度測定を行うことができる。
さらに、凝縮液の温度もオンラインで測定し、凝縮液の密度と温度を用いて凝縮液のＮ／Ｃを求めることができる。これにより凝縮液のＮ／Ｃを実質的にリアルタイムで監視することができる。
さらに、凝縮液のＮ／Ｃを用いて、反応工程もしくは合成管におけるＮ／Ｃを算出することができる。このためには合成管におけるアンモニア成分及び二酸化炭素成分について物質収支を計算すればよく、従って実質的にリアルタイムに反応工程もしくは合成管におけるＮ／Ｃを監視することが可能となる。
さらに、原料アンモニアおよび／または原料二酸化炭素の流量を調節して、反応工程もしくは合成管におけるＮ／Ｃを所定の値に制御することができる。合成管出口液の密度を測定し、この密度から求めた合成管におけるＮ／Ｃを制御しようとする場合、原料の供給量を操作しても、合成管における滞留時間が例えば３０分前後と長いため、応答時間が長くなってしまう。しかし、凝縮液（合成管入口側の流体）の密度に基づいて算出した合成管におけるＮ／Ｃを制御対象とすることにより、滞留時間に影響されることなく、応答時間を短くすることができる。
なお、Ｎ／Ｃはアンモニア成分の二酸化炭素成分に対するモル比を意味し、Ｈ／Ｃは水成分の二酸化炭素成分に対するモル比を意味する。アンモニア成分は、実際に存在するアンモニアに加え、アンモニウムカーバメイトに転化したアンモニアおよび尿素に転化したアンモニアも含む。従って、アンモニア成分のモル量は、尿素のモル量の２倍と、アンモニウムカーバメイトのモル量の２倍と、アンモニアのモル量との合計値である。また、二酸化炭素成分は、実際に存在する二酸化炭素に加え、アンモニウムカーバメイトに転化した二酸化炭素および尿素に転化した二酸化炭素も含む。従って、二酸化炭素成分のモル量は、尿素のモル量と、アンモニウムカーバメイトのモル量と、二酸化炭素のモル量との合計である。水成分は、実際に存在する水から、尿素合成に伴い生成した水を除いたものである。従って、水成分のモル量は、水のモル量から尿素のモル量を減じた値となる。
合成管に供給される、凝縮器から得られる液（凝縮液）の温度ｔ（℃）および密度ｄ（ｋｇ／ｍ3）と、合成管で得られる尿素合成液のＮ／Ｃ値との相関関係を以下に説明する。
凝縮器から得られる液のＮ／Ｃは、上記ｔおよびｄを用いて、次の簡易式を用いることによって決定できる。
Figure 0004928740
このようにして求めた凝縮液のＮ／Ｃに加え、凝縮液とは別に合成管に供給されるアンモニアと二酸化炭素の流量を用いれば、尿素合成液のＮ／Ｃを計算することができる。
凝縮器から得られる液の温度および密度をオンラインで測定し、これらに基づいて尿素合成液のＮ／Ｃ値を算出すれば、合成管の運転条件を一定の運転範囲内に保持する制御の制御性を向上させることができる。例えば、算出された尿素合成液のＮ／Ｃ値を用いて合成管に供給されるアンモニア成分の流量を算出し、合成管に供給されるアンモニア成分の流量が所定のＮ／Ｃ値に対応する流量となるように、尿素合成装置に供給する原料アンモニアの流量を調節することによって、合成管におけるＮ／Ｃを所定の値に制御することが容易となる。
合成管、ストリッパー、凝縮器および循環手段を有する尿素合成装置には、凝縮器で使用する吸収媒体が供給される。この吸収媒体としては、尿素合成装置とは別に設けられる回収装置で得られる回収液（アンモニウムカーバメイト水溶液）を用いることができる。
上記合成管におけるＮ／Ｃの算出に加えて、回収液の流量もオンラインで測定すれば、合成管のＮ／ＣだけでなくＨ／Ｃも知ることができ、さらには、尿素合成装置のマテリアル・バランスをリアル・タイムに推算することがでる。その結果、さらに安定かつ制御性良く尿素合成装置を運転することができる。なお、尿素合成装置には、この吸収媒体（回収液）の他に、アンモニアや二酸化炭素を供給することもあるが、これらの供給量は必要に応じてリアルタイムに監視されて尿素合成液のＮ／Ｃ値算出に利用され、また尿素合成装置のマテリアル・バランスを計算するためにも利用される。
尿素合成液は気体を含む場合があり、すなわち気液二相流である場合がある。しかし、本発明では、合成管に循環される、凝縮器から得られる液相の密度を測定するので、気相の存在によって測定精度が影響を受けることがない。
さらに、例えば後述する図１〜４に示されるスキームのように、凝縮器から排出されるガスで合成圧力が制御される場合、合成圧力は凝縮器内のＮ／Ｃに大きく影響されるので、凝縮液の密度および温度を測定して凝縮器のＮ／Ｃを算出することにより、尿素合成圧力の制御が容易になる。
加えて、何らかの異常やオペレーションミスにより合成管に凝縮液が供給されなくなった場合でも、凝縮器の出口配管に密度計を設置することにより、このような事態をすぐに検知できる。合成管の入口ではなく出口を監視していると、応答の遅れによってこのような事態を検知するまでに時間がかかることがある。
凝縮液の密度を測定する密度計としては、尿素合成液による腐食や詰まりを防止する観点から、尿素合成液と接触することなく密度を測定しうる非接触型の密度計を用いることが好ましい。
非接触型の密度計としては放射線型密度計が好ましく用いられる。放射線型密度計は市販品で充分であり、例えばＯｈｍａｒｔ社製のＤＥＮＳ ＡＲＴ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｓｅｒｉｅｓ Ｄ−３０００（商品名）、Ｂｅｒｔｈｏｌｄ社製のＬＢ４９１（商品名）を挙げることができる。放射線型密度計は配管の片側から放射線を照射し、反対側の受信部でこれを受信し、受信した放射線の強度から密度を算出するものである。放射線型密度計は例えば凝縮器から得られる液が流れる配管の外側にクランプを用いて取り付けることができる。
また、振動式の密度計を用いることもできる。振動式の場合、サンプル液を取り出す分岐管、サンプル液を希釈する装置や冷却する装置等の密度計に付帯する装置を適宜設けることができる。振動式密度計は、コリオリ力を利用した接触型であり、オーバル社製のマイクロモーションＥシリーズ（商品名）などの市販品を用いることができる。
また、合成管に循環される凝縮器から得られる液の温度は、この液が流れるラインもしくは凝縮器に設置した熱電対や測温抵抗体等公知の温度計を用いて測定することができる。
凝縮液の温度および密度の測定値から凝縮液のＮ／Ｃを算出するための演算手段（第一の演算手段）、および凝縮液のＮ／Ｃ値を用いて合成管におけるＮ／Ｃ値を算出する演算手段（第二の演算手段）としては、いずれも分散制御システムやコンピュータなど公知の演算手段を用いることができる。
また、尿素合成装置に供給される原料アンモニアおよび／または原料二酸化炭素の流量を調節して、前記反応工程におけるＮ／Ｃを所定の値に制御する制御手段は、分散制御システムやコンピュータなどの公知の演算手段、原料アンモニアの流量を調節する自動流量調節弁や原料二酸化炭素の流量を調節する自動流量調節弁などの公知の流量調節手段を適宜利用して形成することができる。
一つの分散制御システムもしくはコンピュータが、第一の演算手段、第二の演算手段および制御手段に備わる演算手段のうちの二以上を兼ねてもよい。
計装配線や、信号変換器などの計装機器は適宜設ければよい。
以下に図面を用いて本発明を説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。なお図１〜４には各機器の鉛直方向の位置関係を示してある。
図１は、本発明の尿素合成装置の一形態を示すフロー図である。この装置は、合成管Ａ、凝縮器Ｂ、合成管出口の合成液４中の未反応成分を処理するストリッパーＣ、凝縮器と一体化された、未凝縮ガスを吸収させるスクラバーＤおよび昇圧のためのエジェクターＥを有する。
ここでは凝縮器として縦型サブマージ凝縮器を用いているが、必ずしもその限りではない。凝縮器は横型であってもよいし、サブマージ型以外にも、管内を凝縮液が通過する縦型液膜流下式凝縮器、または横型のケトル型凝縮器（図２に示される）、横置サブマージ型凝縮器（図３および４に示される）などを用いることもできる。
これらの機器は、個別に設置しても良く、また、所望により合成管と凝縮器、凝縮器とスクラバー等を組み合わせても良い。また、合成管は縦型でも横型でもよく、経済性などの観点から適宜決定される。
合成管では、下記式１および式２に示されるように、アンモニアと二酸化炭素の反応によるアンモニウムカーバメイト（以下場合によりカーバメイトと称す。）が生成し、生成したカーバメイトの脱水により尿素が生成する。カーバメイト生成の反応速度は速く、また、カーバメイトの脱水による尿素の生成反応は平衡反応である。凝縮器でこれらの反応が起こってもよい。
Figure 0004928740
原料の液体アンモニア１は、所望の圧力までアンモニアポンプ（図示せず）で昇圧され、その一部１ａが熱交換器Ｇによって加熱されてエジェクターＥに供給される。エジェクターには、凝縮器Ｂから得られる液６が供給され、昇圧される。一方、原料のガス状二酸化炭素２は、不図示の炭酸ガス圧縮機により所望の圧力まで昇圧され、その大半２ａがストリッパーＣに供給される。残りの二酸化炭素２ｂは、合成管の温度制御と防食酸素を供給する目的で、合成管Ａに供給される。防食酸素として、防食空気を、炭酸ガス圧縮機の一段目吸い込み側または中間段に供給してもよい（不図示）。なお熱交換器Ｇとしては、原料アンモニアを加熱することのできる構造を有する公知の熱交換器を適宜採用することができる。熱交換器Ｇにおける加熱用の熱媒体としては、所望の温度レベルを有する流体を適宜使用することができる。
全アンモニア原料のごく一部を、防食用アンモニア１ｂとして、凝縮器管板の溶接部の防食用に凝縮器に供給するこができる。この原料アンモニア１ｂの供給ラインはなくてもよい。
エジェクターＥからのアンモニアを含む合成液８は、二酸化炭素と同様に合成管に供給される。
このエジェクターは、凝縮器Ｂから得られる液６を合成管Ａに循環する循環手段を構成するものである。図１では、循環手段は凝縮器内部に設けられた気液界面下方に入口を有するダウンパイプ、エジェクターＥ、並びにライン６および８を有し、またライン６には密度計Ｉが設けられる。循環のために、エジェクターに替えて、ポンプなど他の昇圧手段を用いることもできるが、構造が簡単であり、耐久性やメンテナンス性に優れるためエジェクターが好ましい。エジェクターの運転条件（ライン６と８の差圧）は、例えば０．２Ｍｐａ以上１ＭＰａ以下とすることができる。
また、循環手段はエジェクター等の昇圧手段を有さなくても良い。機器の配置によっては、重力のみによって液６を合成管に循環することが可能である。ただし、液６を昇圧する昇圧手段を設ければ、凝縮器を比較的低い位置、特には地表近くに設置可能となり、据え付け工事やメンテナンスの観点から好ましい。
合成管内部では、好ましくは平衡合成率近くまで尿素合成反応が進み、尿素が合成される。合成管内部では、圧力が１３ＭＰａＧ以上２５ＭＰａＧ以下（圧力単位におけるＧはゲージ圧を意味する。）、温度が１７０℃以上２１０℃以下、Ｎ／Ｃが３．０以上４．５以下、Ｈ／Ｃが１．０以下、滞留時間が１０分以上４０分以下にて尿素を合成することが好ましい。
合成温度は、例えば、エジェクターを駆動するアンモニア１ａの予熱温度および／または合成管へ供給する二酸化炭素２ｂの量によって制御できる。合成管で得られる合成液４のＮ／Ｃは、密度計Ｉおよび不図示の温度計によって測定した合成液６の密度および温度から決定できる。この温度計は、密度計が設けられる配管に、好ましくは密度計に近い位置に設けることができる。Ｎ／Ｃの調整は、例えば、エジェクターに供給する原料アンモニア１ａの量を調整することで行うことができ、そのために原料アンモニア１の量を調整することができる。Ｈ／Ｃは合成管から排出される未反応物（アンモニアと二酸化炭素）を回収する回収装置（図１には不図示）にてその吸収に必要な水の量で決まる場合が多い。水は平衡上、尿素合成反応を阻害する（合成平衡上は、Ｈ／Ｃは低いほどよい）ので、この回収装置に供給される水の量は必要最小限とすることが好ましい。なお回収装置については後述する。
合成管において、二酸化炭素基準での尿素合成率は化学平衡によって決まり、Ｎ／Ｃが３．０以上４．５以下の範囲では、６０％以上７５％以下程度となる。
なお、二酸化炭素基準の合成率とは、考慮対象としている機器もしくは領域に供給された二酸化炭素のモル数と、供給された二酸化炭素のうち尿素に転化したモル数の比（二酸化炭素転化率）であり、通常％で示される。
合成圧力を１３ＭＰａＧ以上とすることは、尿素の合成に好ましい温度（１７０℃以上）における合成平衡圧力に対して余裕のある運転圧を採用可能とする観点、およびガス化による合成率の低下を防止する観点から好ましい。合成圧力を２５ＭＰａＧ以下とすることは、原料アンモニア、原料炭酸ガス、および回収液１１を昇圧するためのエネルギーを抑制することができる観点から、また、設備コストの観点から好ましい。
合成温度を１７０℃以上とすることは、尿素生成の反応速度が遅くなることを防止する観点から好ましい。また、２１０℃以下とすることは、腐食速度の増加に加えていわゆる活性腐食のリスクが高まることを防止する観点から、好ましい。
合成管におけるＮ／Ｃは、平衡合成率の観点から３．０以上が好ましく、また、アンモニア蒸気圧が上がって気相が生成しやすくなることを防止する観点から４．５以下が好ましい。
前記式１および２に示すように、尿素合成におけるアンモニアと二酸化炭素の量論比（Ｎ／Ｃ）は２であるが、実際には、尿素平衡合成率を上げるため、過剰のアンモニアが供給され、過剰の未反応アンモニアが存在する状態にあることが好ましい。
また、尿素合成率の観点からＨ／Ｃは１．０以下が好ましく、０．７以下がより好ましい。Ｈ／Ｃはゼロであってもよいが、Ｈ／Ｃは尿素合成装置を出る未反応物（アンモニアと二酸化炭素）を回収する回収装置（図１には不図示）にてその吸収に必要な水の量で決まる場合が多く、実際には多少の水が存在することが多い。例えばＨ／Ｃは０．４以上とすることができる。
合成管におけるプロセス流体の滞留時間を１０分以上とすることは、尿素合成反応を進行させる観点から好ましい。滞留時間が４０分を越えても、既に平衡合成率近くに達しており、それ以上の合成率の上昇はほとんど期待できないので、４０分以下が好ましい。
凝縮器Ｂと合成管Ａで尿素が合成され、合成管を出た尿素を含む流出物４は、ストリッパーＣへ供給される。合成管出口の流出物４中には、合成された尿素、水、カーバメイト、未反応のアンモニアが液相として、また、一部の未反応のアンモニアと二酸化炭素はイナートガスとともに気相として存在する。
ここで、イナートガスとは、例えば合成管、ストリッパー、凝縮器、スクラバーおよびそれらを結合する配管などで構成される尿素合成装置の腐食を防止するために導入された空気と原料二酸化炭素中に含まれている水素、窒素等の不純物の総称である。
ストリッパーＣに供給された合成管流出物４は、加熱用蒸気１５によって加熱され、合成管流出物に含まれるカーバメイトが加熱分解される。また、供給された原料二酸化炭素２ａによって合成管流出物中の未反応アンモニアや未反応二酸化炭素がＣＯ2ストリッピングされ、二酸化炭素、アンモニアおよびイナートガスを含むガス状成分５と合成液１０に分離される。この合成液の尿素濃度は通常４０質量％以上６０質量％以下である。
ストリッピングとは、溶液中に溶存する成分を、加熱および／またはストリッピング剤（通常はその溶液に溶解しない、またはしづらいガス）との接触により液中から放散させ、気相として分離する操作のことを言う。
ストリッパーＣは、シェルアンドチューブ型の熱交換構造を有し、シェル側では加熱用蒸気１５が供給され、この蒸気が凝縮した凝縮水１６が排出される。合成管流出物はチューブ側を通過する際に、加熱される。前述のように、加熱によるストリッピングと二酸化炭素によるストリッピングの両者を行うことが、ストリッピング効果に優れるのみならずカーバメイト分解効果もあるため好ましい。なお、ストリッパーＣは気液分離の機能も有するので、合成管流出物４を気液分離する気液セパレータを別途設ける必要はない。
ストリッパーからのガス状成分５は、凝縮器に供給される。一方、ストリッパーからの合成液１０は、分解装置（図１では不図示）に送られ、さらに尿素成分が精製される。
スクラバーＤには吸収媒体が供給される。この吸収媒体として回収装置（図１では不図示）で回収された回収液１１を用いる。回収装置および回収液については後に詳述する。なお、回収装置から回収液を尿素合成装置に戻し、吸収媒体として用いる場合、この回収液はリサイクルカーバメイト液と呼ばれる。
ここではスクラバーＤが凝縮器Ｂ内部、特には凝縮器上部の気相部に設けられている。また、凝縮器の上部に気相部分を設けることで、凝縮器内で気液分離を行っている。場合によっては、凝縮器には気相部を設けず、スクラバーおよび気液セパレータを凝縮器外部に別個に配置し、同様の機能を果たすことができる。
ここでは、吸収媒体として上記リサイクルカーバメイト液１１がスクラバーＤに供給される。リサイクルカーバメイト液は、スクラバーにおいて、凝縮器内で気液分離され気液界面から上昇してくるガス状成分と接触し、このガス状成分に含まれるアンモニアと炭酸ガスの一部を吸収し、ダウンパイプを通って凝縮器下部に供給される。リサイクルカーバメイト液１１に吸収されなかったアンモニア、炭酸ガス、イナートガスは、ライン１２から回収装置に送られる。
スクラバーから排出されるガスが流れるライン１２には、尿素合成装置の圧力を調節するための調節弁が設けられる（不図示）。本発明では、凝縮器Ｂ出口の合成液ラインに密度計を設けて応答性よく尿素合成装置の制御を行うことが可能であり、従って凝縮器の運転も安定し、その結果、上記調節弁による圧力制御も容易に安定させることができる。
スクラビングとは、ガス中のある成分を、ガスと液を接触させることで、液中に吸収させ、ガスを浄化する操作をいう。
凝縮器は、圧力が１３ＭＰａＧ以上２５ＭＰａＧ以下、温度が１６０℃以上２００℃以下、Ｎ／Ｃが２．５以上４．０以下、Ｈ／Ｃが１．０以下、滞留時間が１０分以上３０分以下で運転することが好ましい。
凝縮器のＮ／Ｃは、合成管のＮ／Ｃと密接に関連する。つまり、合成管のＮ／Ｃで、ストリッパー出口ガス５の組成が概ね決まり、凝縮器のＮ／Ｃも決まってくる。凝縮器のＮ／Ｃが決まれば合成管のＮ／Ｃも決まる。凝縮器のＨ／Ｃは尿素合成装置を出る未反応物（アンモニアと二酸化炭素）を回収する回収装置にてその吸収に必要な水の量で決まる。
凝縮部とストリッパーは、実質的に合成管と同じ圧力で運転される。
凝縮器内のプロセス流体の温度は尿素生成の反応速度の観点から１６０℃以上が好ましく、蒸気圧の上昇に伴う凝縮率の低下および機器材料の腐食を抑制する観点から２００℃以下が好ましい。
凝縮器内のプロセス流体のＮ／Ｃは、尿素合成液の二酸化炭素分圧の上昇による凝縮率の低下を抑制する観点から２．５以上が好ましく、アンモニアの蒸気圧が上昇し凝縮率が低下することを抑制する観点から４．０以下が好ましい。
また、尿素合成率の観点からＨ／Ｃは１．０以下が好ましい。
尿素合成率の低下による蒸気圧の上昇と凝縮率の低下を抑制する観点から、凝縮器内の滞留時間は１０分以上が好ましい。また３０分を越えても、尿素合成率の顕著な上昇は望めないので、３０分以下が好ましい。
ストリッパーＣから凝縮器内を経由してスクラバーＤに供給されるガス状成分の一部を吸収したリサイクルカーバメイト液１１は、凝縮器内部に設けられたダウンパイプを通して凝縮器下部に供給される。凝縮器では、このカーバメイト液とガス状成分５が接触し、アンモニアおよび二酸化炭素がカーバメイト液に吸収されかつ凝縮し、さらに式１に示されるカーバメイトの生成反応と、式２で示されるカーバメイトの脱水反応により尿素が生成される。
凝縮器での二酸化炭素基準の転化率は、通常２０％以上６０％以下である。
凝縮器内で凝縮しなかったアンモニアおよび二酸化炭素はイナートガスとともに凝縮器の頂部もしくは気液セパレータにて分離され、回収装置もしくはスクラバーに送られる。ここでは、これらの混合ガスが凝縮器頂部で分離され、さらにその上に凝縮器に一体的に設けられたスクラバーに送られる。
一方、凝縮器内の気液界面において気液分離して得られた液６は、凝縮器内部の気液界面の下方に入口を有するダウンパイプからエジェクターＥに供給され、原料アンモニアを駆動源として、合成管に送られ、さらなる尿素合成反応に供せられる。
以下に、それぞれの構成機器の詳細について説明する。
合成管Ａは、縦型あるいは横型で、内部にバッフルプレート、ガス分散器等が設置されたものとすることができる。また、所望により、凝縮器等と一体化された構造を採用することもできる。ただし、合成管と凝縮器とが一体構造とされる場合でも、合成管と凝縮器とは仕切板などによって仕切られ、独立している。
ストリッパーは、気液接触を行いうる構造および／または加熱により合成液４中のカーバメイト分解と溶解ガスの放出ができる構造を適宜採用できる。
ストリッパーは、例えば、図１に示すように縦型のシェルアンドチューブ型熱交換構造を有することができる。この場合、シェル側にスチーム等の熱媒体を供給し、チューブ側に合成液４を供給し、シェル側からチューブ側へ熱が供給できる。このような構造以外にもストリッパーに、棚段塔、充填塔を用いることもできる。これらの組み合わせを採用してもよい。
スクラバーの構造としては、スクラビングしうる構造を適宜採用でき、充填物の充填された充填塔、シェルアンドチューブ構造、棚段塔およびそれらの組み合わせを採用することができる。スクラバーは、合成管と実質的に同圧力で運転され、温度は通常１００℃以上１８０℃以下で運転される。スクラバーでは、ガスの吸収による吸収熱が発生するが、シェルアンドチューブ構造とすれば、冷却媒体により吸収熱を除去、回収することも可能となる。
また、スクラバーは、適宜、凝縮器に組み込んでも良くまた凝縮器と一体化しても良い。
凝縮器としては、ガス状成分の凝縮、アンモニアおよび二酸化炭素の吸収が行える構造であればよく、さらに反応式１および反応式２による尿素合成反応をおこすことができる構造としてもよい。凝縮器が縦型であると、ガスが凝縮器内を均一分散しやすく、設置面積が小さく、ガスの滞留時間を長くとりやすいというメリットがある。また、尿素合成反応は液相で起こるため、液の中に冷却管を挿入することが望まれる。従って、縦型サブマージ凝縮器が好ましい。
凝縮器として、例えば、図１に示すように、冷却手段としてＵチューブが設置されている構造を採用することができる。この構造はサブマージ型とするに好適である。つまり、Ｕチューブを完全に液相に浸っている状態にすることが容易である。チューブ側には、ボイラー水等の冷却媒体を供給することができる。また、冷却媒体として液体アンモニア、尿素液などのプロセス流体を流すことで、シェル側流体の冷却と同時にこれらプロセスの予熱や加熱を行うこともできる。
Ｕチューブを用いれば、管板は一枚でよい。これは、軽量化のために効果的である。
また、所望により、凝縮器を合成管と一体化してもよい。
昇圧された原料アンモニア１ａと凝縮器から得られる液６はエジェクターＥに供給され、これらの混合流体８が合成管Ａの下部に供給される。空気（例えば不図示の二酸化炭素圧縮機の中間段から供給される）を含む昇圧された原料二酸化炭素の一部２ｂが、合成管に供給される。これら供給された原料は、合成管内を上昇し、この間に合成管内で反応式１および反応式２に従った反応が起こり、尿素等が生成する。合成管内には、混合と反応を促進するためにバッフルプレートが設置されていることが好ましい。反応が好ましくはほぼ平衡に達した合成液４は、合成管上部からストリッパー上部に供給される。昇圧された原料二酸化炭素２ａは、ストリッパー下部より供給され、合成液４中の未反応アンモニアとカーバメイトの分解生成物をストリッピングする。
図１に示すストリッパーは、縦型シェルアンドチューブ型熱交換構造を有する。チューブ側では、合成管からの合成液４と原料二酸化炭素２ａとの向流接触により、合成液４中の未反応物（カーバメイト）と過剰アンモニアがガス成分（アンモニアと炭酸ガス）としてストリッピングされる。シェル側には、スチームが供給され、カーバメイト分解の熱源として使われる。
ストリッパー上部からのガス成分５は、凝縮器下部に供給される。スクラバーからのリサイクルカーバメイト液も凝縮器内に設けられたダウンパイプを通って凝縮器下部に供給される。
凝縮器内には、冷却手段としてＵチューブが設置され、冷却用の水（ボイラ水）１３がＵチューブに供給され、冷却に供された流体１４（ボイラ水とスチームの混合流体）がＵチューブから排出される。
凝縮器シェル部に吸収媒体として供給されダウンパイプを出たリサイクルカーバメイト液およびストリッパーからのガス成分５は、凝縮器内部を上昇しつつ互いに接触し、冷却され、ガス成分が凝縮しかつリサイクルカーバメイト液に吸収され、アンモニウムカーバメイトが生成し、さらに尿素合成反応を起こす。
なお、合成管で得られる尿素合成液については、合成管の頂部で気液分離することができ、あるいは合成管内には気液分離手段は設けず、尿素合成液を気液混相のままでストリッパーに供給することもできる。
液６の温度および密度の測定値から該尿素合成液のＮ／Ｃ値を算出する演算手段、および、尿素合成液のＮ／Ｃ値を用いて合成管に供給されるアンモニア成分の流量を算出し、アンモニア成分の流量が所定のＮ／Ｃ値に対応する流量となる原料アンモニアの流量を算出する第二の演算手段として、プロセスコンピュータを用いることができる。例えば、これら密度、温度等のデータを、分散制御システムや信号変換器などを介し、光ファイバーを用いて中央制御室に設置された１台のプロセスコンピュータに送り、このプロセスコンピュータにおいてＮ／Ｃを算出し、また合成管に供給されるアンモニア成分の流量を算出し、合成管に供給されるアンモニア成分の流量が所定のＮ／Ｃ値に対応する流量となる原料アンモニアの流量を計算することができる。また、この原料アンモニア量に基づいて、合成管に原料アンモニアを供給するラインに設けた流量調節弁の開度を調節することができる。
ここで、凝縮器出口液の温度および密度を用いて合成管における尿素合成液のＮ／Ｃを算出する方法について説明する。
まず凝縮器出口におけるＮ／Ｃを求める。凝縮器出口（図１においてはライン６）におけるＮ／Ｃ、すなわち（Ｎ／Ｃ）Coutは、次式で表されるように凝縮器出口液の密度ｄ（ｋｇ／ｍ3）と温度ｔ（℃）の関数である。
Figure 0004928740
ここで、式中のｃ1、ｃ2、ｃ3は、例えば、相異なる３点以上のＮ／Ｃおよび温度の実測値を用いて最小二乗法により求めることができる。
この相関関係を利用して、密度および温度を監視するだけで凝縮器出口におけるＮ／Ｃをオンラインで知ることが可能となる。
次に、凝縮器出口の二酸化炭素成分の質量流量（ｔ／ｈ）を求める。プラントロード１００％のときの凝縮器出口の二酸化炭素成分の質量流量ＦCO2,Cout,100%（ｔ／ｈ）はシミュレーションもしくは設計物質収支によって決定されるので、任意のプラントロード時における凝縮器出口の二酸化炭素成分の質量流量ＦCO2,Cout（ｔ／ｈ）は次式により簡易的に求められる。ここで、ＰLはプラントロード（％）である。プラントロードは設計生産量に対する実生産量の割合であるが、簡易的には、１００％負荷時の原料二酸化炭素流量に対する実際の原料二酸化炭素流量の割合として求めてもよい。
Figure 0004928740
次に凝縮器出口のアンモニア成分の質量流量ＦNH3,Cout（ｔ／ｈ）は次式で求められる。
Figure 0004928740
図１に示す形態では、合成管に供給されるアンモニア成分としては、凝縮器出口液に含まれるアンモニア成分に加えてエジェクターに供給される原料アンモニア１ａがあり、合成管に供給される二酸化炭素成分としては、凝縮器出口液に含まれる二酸化炭素成分に加えて原料二酸化炭素２ｂがある。従って、合成管に供給されるアンモニア成分の質量流量ＦNH3,R（ｔ／ｈ）、合成管に供給される二酸化炭素成分の質量流量ＦCO2,R（ｔ／ｈ）、および合成管におけるＮ／Ｃ、すなわち（Ｎ／Ｃ）Rは次式から求められる。ここで、ＭＷCO2は二酸化炭素の分子量、ＭＷNH3はアンモニアの分子量である。
Figure 0004928740
以上のようにして合成管におけるＮ／Ｃが求められる。
次に、合成管におけるＮ／Ｃを目標値となるように制御する方法について説明する。目標とするＮ／Ｃを（Ｎ／Ｃ）R,0と表すと、合成管に供給されるアンモニア成分の質量流量が次式で表されるＦNH3,R,0のとき、合成管におけるＮ／Ｃがこの目標値となる。
Figure 0004928740
従って、合成管に供給されるアンモニア成分がＦNH3,R,0になるように原料アンモニア１ａの量を調節すれば、合成管におけるＮ／Ｃを（Ｎ／Ｃ）R,0にすることができる。
また、回収装置から尿素合成装置に送られるリサイクルカーバメイト（ライン１１）の質量流量を測定すれば、凝縮器出口における水成分の質量流量ＦH2O,Cout（ｔ／ｈ）を求めること、そして、合成管、ストリッパーおよび凝縮器を有する尿素合成装置全体のマテリアルバランスをとることもできる。
凝縮器出口におけるＨ／Ｃ、すなわち（Ｈ／Ｃ）Coutは、次式のように求められる。式中、ＦRCは、リサイクルカーバメイト（ライン１１）の質量流量（ｔ／ｈ）である。ｃ4およびｃ5は実測又は設計物質収支（シミュレーション）により決定できる。例えば、相異なる２点以上のＨ／ＣおよびＦRCの実測値を用いて最小二乗法で求めることができる。
Figure 0004928740
従って、凝縮器出口における水成分の質量流量は、次のように求められる。
Figure 0004928740
図１に示す形態では、合成管に供給される水成分は凝縮器出口液に含まれる水成分だけなので、合成管に供給される水成分の流量も、ＦH2O,Coutである。また、合成管においては、アンモニア成分、二酸化炭素成分、水成分の増減はない。
ここで、尿素合成装置を含む尿素製造装置の例について説明する。図５に尿素製造装置の概略を示す。尿素製造装置は、尿素合成装置、回収装置、分解装置、濃縮装置および製品化装置を有する。尿素合成装置には原料アンモニア１および原料二酸化炭素２が供給される。尿素合成装置からストリッピングを経た尿素合成液１０が分解装置に送られる。
分解装置では、供給された尿素合成液を減圧下で加熱することにより、尿素合成液中に含まれる未反応アンモニアおよびカーバメイトがそれぞれ気化および分解され、アンモニアおよび二酸化炭素を含むガス２１として分離される。残りの液相は、例えば６８質量％程度の尿素水溶液２２となり、分解装置下流の濃縮装置に送られる。
濃縮装置では、分解装置で得られた尿素水溶液２２を真空下で加熱することにより、水分をほぼ完全に蒸発分離し、例えば９９．７質量％程度の溶融尿素２３を得る。この溶融尿素は、濃縮装置下流の製品化装置に送られて冷却および固化され、粒状尿素２４として製品化される。
一方、分解装置で分離されたアンモニアおよび二酸化炭素を含むガス２１と、アンモニア、炭酸ガスおよびイナートガスを含むガス１２は、回収装置にて水と接触する。これによってこれらのガスに含まれていたアンモニアおよび二酸化炭素が水に吸収され、アンモニウムカーバメイト水溶液である回収液が回収される。この回収液が昇圧されたうえでリサイクルカーバメイト液１１として尿素合成装置に戻される。
図２に、本発明の別の形態を示す。この形態では、凝縮器Ｂは横型とされ、またシェルアンドチューブ構造を有するが、プロセス流体はチューブ側を流れ、冷却媒体がシェル側を流れる。プロセス流体の凝縮器における滞留時間は短く、この凝縮器においては反応はほとんど起きない。またストリッパーには二酸化炭素は供給されず、加熱媒体１５による加熱によって合成液４のストリッピングが行われる。
原料二酸化炭素ガス２が合成管Ａの底部に供給される。また原料液体アンモニア１が凝縮器から得られる液６をエジェクターＥで吸引し、これらの混合流体が合成管の底部に供給される。合成管で得られる合成液４は、合成管内の頂部近くに入口を有するダウンパイプを通り、ストリッパーＣに供給される。ストリッパーＣはシェルアンドチューブ構造を有し、加熱媒体である加熱用蒸気１５がシェル側を流れ、その凝縮水１６が排出される。一方、合成液４は加熱されてガス成分５が頂部から分離され、残りの合成液１０は図２には不図示の分解装置へ送られる。ガス成分５はリサイクルカーバメイト液１１と混合されて凝縮器Ｂに供給され、冷却媒体１３によって冷却されて未凝縮分が凝縮する。凝縮器を経たカーバメイト液３は気液セパレータＦで気液分離され、ガス成分１２は図２には不図示の回収装置に送られ、液成分６はエジェクターに供給される。
凝縮器から得られる液成分６の密度は密度計Ｉによりオンラインで測定される。この液の温度も不図示の温度計によってオンラインで測定される。Ｎ／Ｃの算出や、合成管におけるアンモニア保持量の計算、また合成管に供給するアンモニア量の調整などは図１の形態と同様に行うことができる。
図３には、本発明のさらに別の形態を示す。この形態では、凝縮器ＢはスクラバーＤが内部に組み込まれた横型サブマージ凝縮器である。また凝縮器が合成管Ａより高い位置に設けられ、凝縮器から合成管への液の循環は重力を利用して行われ、エジェクター等の昇圧手段は用いられない。
原料二酸化炭素ガス２の一部２ｂと、凝縮器から得られる液６とが合成管Ａの底部に供給される。合成管で得られる合成液４はストリッパーＣに供給され、原料二酸化炭素の残り２ａにより、また加熱媒体による加熱によりストリッピングされる。ガス成分５はストリッパーの頂部から凝縮器へ供給され、残りの合成液１０は図３には不図示の分解装置へ送られる。合成管とストリッパーとの間の合成液４が流れるラインには凝縮器Ｂの液面調整のために調節弁が設けられる。凝縮器Ｂにはガス成分５、原料液体アンモニア１が供給され、またリサイクルカーバメイト液１１がスクラバーＤを経て凝縮器に供給される。また凝縮器内部には冷却媒体が流れるＵチューブが横向きに配される。ガス成分５が冷却されて凝縮し、未凝縮ガスがさらにスクラバーでリサイクルカーバメイト液に吸収され、最終的に残ったガス成分１２が図３には不図示の回収装置に送られる。一方、液成分６は合成管に循環される。
凝縮器から得られる液成分６の密度は密度計Ｉによりオンラインで測定される。この液の温度も不図示の温度計によってオンラインで測定される。Ｎ／Ｃの算出や、合成管におけるアンモニア保持量の計算、また合成管に供給するアンモニア量の調整などは図１の形態と同様に行うことができる。
図４に、本発明のさらに別の形態を示す。この形態は、図３に示した形態に比べて凝縮器Ｂがやや低い位置に設けられ、合成管上端の高さと凝縮器上端の高さがほぼ同じとされる（合成管上端より凝縮器上端を低くすることもできる）。凝縮液６を合成管に循環するためにエジェクターＥが用いられ、原料液体アンモニア１がエジェクターにて凝縮液６を吸引して合成管Ａに入る。凝縮器Ｂの液面調整のため、ライン６に調節弁が設置される。
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。
〔実施例１〕
図１に示す形態の尿素合成装置を用いた場合の、尿素１７２５ｔ／日の生産例につき、定格時の、すなわちプラントロード１００％における物質収支と温度、圧力を表１に示す。なお、表１においてアンモニウムカーバメイトはアンモニアと二酸化炭素として示してある。
圧力２３ＭＰａＧ、温度３０℃の原料アンモニア１のうち、３９．７ｔ／ｈを熱交換器Ｇで加熱して１４０℃にしたうえでライン１ａからエジェクターＥに供給し、１．０ｔ／ｈをライン１ｂを通して凝縮器Ｂに供給した。一方、圧力０．１ＭＰａＧ、温度４０℃の二酸化炭素２を圧縮機（不図示）で昇圧して圧力１６ＭＰａＧ、温度１２０℃の二酸化炭素とし、ライン２ａ通して４１．２ｔ／ｈをストリッパーＣに、ライン２ｂを通して９．１ｔ／ｈを合成管Ａへ供給し、尿素を生産した。
供給されたアンモニア１ａは、凝縮器Ｂからの圧力１５．２ＭＰａＧの合成液６とエジェクターＥで混合され、圧力１５．５ＭＰａでライン８から合成管Ａへ供給された。
合成管Ａは、圧力：１５．５ＭＰａ、温度：１８２℃、Ｎ／Ｃ：３．７、Ｈ／Ｃ：０．５８、滞留時間：２０分で運転され、尿素が合成された。合成管における二酸化炭素基準の転化率は、６３％であった。
合成管Ａの上部からの尿素を含む合成液４は、ストリッパーＣに供給された。ストリッパーＣのシェル側には、中圧蒸気１５が供給され、カーバメイト分解のための熱を供給し、凝縮水１６となって出ていく。ストリッパーＣのチューブ側では、上部温度：１８４℃、下部温度：１７１℃、圧力：１５．５ＭＰａＧでカーバメイトの分解とストリッピングが行われ、ガス状成分が上部で分離され、ガス状成分５は、凝縮器Ｂへ送られ、ストリッパーＣの底部を出た合成液１０は、分解装置へ送られた。
ストリッパーＣからのガス状成分１３４．６ｔ／ｈ（ライン５）とリサイクルカーバメイト液６２．２ｔ／ｈ（ライン１１）が凝縮器に送られる。凝縮器では、温度：１８０℃、圧力：１５．２ＭＰａＧ、Ｎ／Ｃ：２．９、Ｈ／Ｃ：０．６５、滞留時間：２０分で運転され、尿素等が合成された。凝縮器における二酸化炭素基準の転化率は、４６％であった。
凝縮液の密度はライン６に設置された放射線型密度計Ｉ（Ｏｈｍａｒｔ社製、商品名：ＤＥＮＳＡＲＴＤ−３０００により測定された。凝縮液密度は１０２５ｋｇ／ｍ3であった。また密度測定時の凝縮液の温度は１８０℃であった。その他の運転条件は表１に示す。
凝縮液６のＨ／Ｃはリサイクルカーバメイトの液量とプラントロードの簡易式から０．６５と推定された。このときの凝縮器出口流体の流量は、アンモニア成分：９１．１ｔ／ｈ、二酸化炭素成分：８１．２ｔ／ｈ、水成分：２１．５ｔ／ｈと計算された。ここで二酸化炭素成分の流量は１００％負荷時の物質収支と同じであると仮定した。
凝縮器出口流体のＮ／Ｃを３．０に上げるための計算を行った。
（８１．２／４４）×３．０×１７＝９４．１（ｔ／ｈ）のアンモニア成分が必要である。
従って、９４．１−９１．１＝３．０ｔ／ｈだけアンモニアを増量すればよい。原料アンモニアを４０．７ｔ／時から４３．７ｔ／ｈに増量した結果、４０分後に凝縮器のＮ／Ｃは３．０に上昇した。この結果、合成管におけるＮ／Ｃを３．７から、３．８に上昇させることができた。
Figure 0004928740
本発明の尿素合成方法および装置は、アンモニアおよび二酸化炭素から尿素を製造する尿素製造方法および装置にそれぞれ好適に用いられる。
本発明の尿素合成装置の一形態を示すフロー図である。 本発明の尿素合成装置の別の形態を示すフロー図である。 本発明の尿素合成装置のさらに別の形態を示すフロー図である。 本発明の尿素合成装置のさらに別の形態を示すフロー図である。 尿素製造装置を説明するためのフロー図である。
符号の説明
Ａ：合成塔
Ｂ：凝縮器
Ｃ：ストリッパー
Ｄ：スクラバー
Ｅ：エジェクター
Ｆ：気液セパレータ
Ｇ：アンモニア予熱器
Ｉ：密度計
１：原料アンモニア
２：原料二酸化炭素
３：凝縮器出口流体（気液分離前）
４：合成管出口合成液
５：ストリッパートップ出口ガス
６：凝縮器から得られる液（気液分離後）
８：エジェクター出口液
１０：ストリッパー出口液
１１：リサイクルカーバメイト液
１２：凝縮器から得られるガス
１３：凝縮器入り口冷却媒体（ボイラ水）
１４：凝縮器出口冷却媒体（ボイラ水および蒸気）
１５：ストリッパー加熱用蒸気
１６：ストリッパー出口凝縮水

Claims (16)

  1. アンモニアと二酸化炭素とを反応させて、尿素、未反応アンモニア、未反応二酸化炭素および水を含む尿素合成液を得る反応工程；
    該尿素合成液を、原料二酸化炭素の少なくとも一部を用いてストリッピングし、該未反応アンモニアおよび未反応二酸化炭素を含む混合ガスを分離するストリッピング工程；
    冷却下に、該混合ガスをアンモニウムカーバメイトを含む水溶液である吸収媒体中に凝縮させて凝縮液を得る凝縮工程；
    該凝縮液を該反応工程に循環する循環工程；および
    該凝縮液の密度を測定する工程
    を有する尿素合成方法。
  2. 請求項１に記載される尿素合成方法を行う尿素合成工程と、
    該尿素合成工程のストリッピング工程から得られる尿素含有液中に含まれる未反応アンモニアおよびカーバメイトをそれぞれ気化および分解し、アンモニアおよび二酸化炭素を含むガスとして分離する分解工程と、
    分解工程で分離されたガスを水と接触させることにより、アンモニアおよび二酸化炭素を水に吸収させて、アンモニウムカーバメイトを含む水溶液である回収液を回収する回収工程と
    を含む尿素製造方法であって、
    前記吸収媒体が、該回収工程から得られる回収液である
    尿素製造方法。
  3. さらに、前記凝縮液の温度を測定し、
    前記温度および密度の測定値を用いて前記凝縮液のＮ／Ｃ値を求め、
    ただしＮ／Ｃはアンモニア成分の二酸化炭素成分に対するモル比を意味し、アンモニア成分のモル量は、尿素のモル量の２倍と、アンモニウムカーバメイトのモル量の２倍と、アンモニアのモル量との合計値であり、二酸化炭素成分のモル量は、尿素のモル量と、アンモニウムカーバメイトのモル量と、二酸化炭素のモル量との合計値であり、
    Ｎ／Ｃ値は、次式で表される前記温度ｔ（℃）および前記密度ｄ（ｋｇ／ｍ 3 ）とＮ／Ｃ値との相関
    Ｎ／Ｃ＝Ｃ1ｄ＋Ｃ2ｔ＋Ｃ3
    （ここで、Ｃ 1 、Ｃ 2 およびＣ 3 は実測値に基づいて求められた定数である）
    から求められる、
    請求項１または２記載の方法。
  4. さらに、前記凝縮液のＮ／Ｃ値と凝縮液の二酸化炭素成分の流量を用いて該凝縮液のアンモニア成分流量を求め、これら凝縮液の二酸化炭素成分流量およびアンモニア成分流量と、凝縮器とは別に反応工程に供給される原料アンモニアおよび原料二酸化炭素の流量とから、反応工程におけるＮ／Ｃ値を算出する請求項３記載の方法。
  5. さらに、原料アンモニアおよび／または原料二酸化炭素の流量を調節して、前記反応工程におけるＮ／Ｃを目標値に制御する請求項４記載の方法。
  6. 前記密度を測定するために、凝縮液と接触することなく密度を測定可能な非接触型の密度計を用いる請求項１〜５の何れか一項記載の方法。
  7. 前記非接触型の密度計が、放射線型密度計である請求項６記載の方法。
  8. アンモニアと二酸化炭素とを反応させて、尿素、未反応アンモニア、未反応二酸化炭素および水を含む尿素合成液を得る合成管；
    該尿素合成液を、原料二酸化炭素の少なくとも一部を用いてストリッピングし、該未反応アンモニアおよび未反応二酸化炭素を含む混合ガスを分離するストリッパー；
    冷却下に、該混合ガスをアンモニウムカーバメイトを含む水溶液である吸収媒体中に凝縮させて凝縮液を得る凝縮器；
    該凝縮液を該合成管に循環する循環手段；および
    該凝縮液の密度を測定する密度計
    を有する尿素合成装置。
  9. 請求項８に記載される尿素合成装置と、
    該尿素合成装置のストリッパーから得られる尿素含有液中に含まれる未反応アンモニアおよびカーバメイトをそれぞれ気化および分解し、アンモニアおよび二酸化炭素を含むガスとして分離する分解装置と、
    分解装置で分離されたガスを水と接触させることにより、アンモニアおよび二酸化炭素を水に吸収させて、アンモニウムカーバメイトを含む水溶液である回収液を回収する回収装置と
    を含む尿素製造装置であって、
    前記吸収媒体が、該回収装置から得られる回収液である
    尿素製造装置。
  10. さらに、前記凝縮液の温度を測定する温度計；および
    前記温度および密度の測定値を用いて前記凝縮液のＮ／Ｃ値を算出する演算手段
    を有し、
    ただしＮ／Ｃはアンモニア成分の二酸化炭素成分に対するモル比を意味し、アンモニア成分のモル量は、尿素のモル量の２倍と、アンモニウムカーバメイトのモル量の２倍と、アンモニアのモル量との合計値であり、二酸化炭素成分のモル量は、尿素のモル量と、アンモニウムカーバメイトのモル量と、二酸化炭素のモル量との合計値であり、
    Ｎ／Ｃ値は、次式で表される前記温度ｔ（℃）および前記密度ｄ（ｋｇ／ｍ 3 ）とＮ／Ｃ値との相関
    Ｎ／Ｃ＝Ｃ1ｄ＋Ｃ2ｔ＋Ｃ3
    （ここで、Ｃ 1 、Ｃ 2 およびＣ 3 は実測値に基づいて求められた定数である）
    から算出する、
    請求項８または９記載の装置。
  11. 前記演算手段が、分散制御システムまたはコンピュータである請求項１０記載の装置。
  12. さらに、前記凝縮液のＮ／Ｃ値と凝縮液の二酸化炭素成分の流量を用いて該凝縮液のアンモニア成分流量を求め、これら凝縮液の二酸化炭素成分流量およびアンモニア成分流量と、凝縮器とは別に合成管に供給される原料アンモニアおよび原料二酸化炭素の流量とから、前記合成管におけるＮ／Ｃ値を算出する第二の演算手段を有する請求項１０または１１記載の装置。
  13. 前記第二の演算手段が、分散制御システムまたはコンピュータである請求項１２記載の装置。
  14. さらに、原料アンモニアおよび／または原料二酸化炭素の流量を調節して、前記合成管におけるＮ／Ｃを目標値に制御する制御手段を有する請求項１２または１３記載の装置。
  15. 前記密度計が、凝縮液と接触することなく密度を測定可能な非接触型の密度計である請求項８〜１４の何れか一項記載の装置。
  16. 前記非接触型の密度計が、放射線型密度計である請求項１５記載の装置。
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