提高现有尿素生产方法的生产能力的方法

摘要

提高现有尿素生产方法的生产能力的方法,现有尿素生产方法包括反应器(R)、减压部分(SC)和尿素回收部分(U),本发明方法特征是:(i)增加一个汽提塔(S);(ii)增加一个冷凝器(C);和(iii)增加一个洗涤器(SCR)。详情见说明书及附图。

说明书

本发明是关于提高现有尿素生产方法的生产能力的方法。一种现有尿素生产方法包括在高压(P)下将氨和二氧化碳加入反应器(R)中，生成含有氨基甲酸铵、氨、水和尿素的反应混合物(M₁)。然后从反应器中排除反应混合物并加入到减压部分(SC)，在此处经单级或多级降低压力，供给热以便从反应混合物中分离气体氨和氨基甲酸铵，得到液体混合物(M₂)。气体氨和氨基甲酸铵一经分离就冷凝和分离得到氨(M3’)和氨基甲酸铵的氨水溶液(M3)，再利用生成尿素混合物(M₂)，在尿素回收部分(U)中从尿素混合物中回收尿素。

在Kirk-Othmer，Encyclopedia of Chemical Engineering，thirdedition，Volume 23，pages553-556中描述了上述现有尿素生产方法。在该文献中所述方法称为“溶液循环法”。根据该文献所述方法的例子是通常所说的Mitsui-Toatsu全循环C-改进法，Montedison尿素法和UTI热循环法。上述尿素制备方法的特征是将氨和二氧化碳直接加入反应器中。该方法另外的特征是通过减压和同时加热将过量氨和氨基甲酸铵与尿素分离。与通常所说的高压气体—汽提法，例如Stamicarbon CO₂汽提法和Snamprogretti NH₃汽提法相反，其中通过用氨、二氧化碳或不同气体(在几乎与尿素反应器压力相同的压力下)汽提，从反应混合物中回收氨基甲酸铵，然后气体混合物经冷凝并返回反应区。

本技术领域技术熟练的人员已知的实际上提高上述“溶液循环法”生产能力的方法是用更大的设备代替该方法中构成阻碍生产流程的瓶颈的设备。被代替的设备例子是尿素反应器(R)和减压部分(SC)的中压步骤(第一步骤)的设备。当这些设备用更大设备代替时，昂贵的用于氨和氨基甲酸铵高压泵也通常必须代替或增加。

上述方法的缺点是费用很大。这部分地由高的基建投资费用引起的，包括替换尿素反应器，中压步骤的设备和有关的高压泵的费用。

本发明的目的是通过消除或减少替代昂贵设备的需要，提供能实际上提高现有的“溶液循环法”类尿素生产方法的生产能力的方法。

上述目的通过下面改进达到：

(i)增加一个汽提塔(S)，在实际上不降低压力至反应器(R)的压力(P)以下的情况下，用二氧化碳或热从反应混合物(M1)中汽提氨基甲酸铵，得到气体混合物(G1)和液体混合物(M4)，然后将液体混合物(M4)加入减压部分(SC)中；

(ii)增加一个冷凝器(C)，向其中加入气体混合物(G1)、氨，和任选的二氧化碳，其中在实际上不降低压力至反应器(R)的压力(P)以下的情况下，气体混合物(G1)被冷凝，形成含有尿素、水和氨基甲酸铵的液体混合物(M5)，其中尿素含量至少是在冷凝条件下可得到的尿素平衡量的30％，和气体混合物(G2)，同时液体混合物(M5)返回反应器(R)的底部；和

(iii)增加一个洗涤器(SCR)，其中气体混合物(G2)与氨基甲酸铵的氨水溶液(M3)接触，形成液体混合物(M6)和洗涤过的气体混合物(G3)，然后将液体混合物(M6)加入冷凝器(C)中。

已经发现在使用本发明的方法时，使用相同的尿素反应器(R)可以得到较大的尿素生产能力。其他优点是在某些条件下不需要替换现有装置的中压步骤的设备。同样，在本发明的优选实施方案中，现有的高压氨泵和高压氨基甲酸铵泵不需要替换。已经发现使用本发明可使尿素生产能力提高至现有尿素生产方法的三倍。

一个另外的重要优点是生产每吨尿素的蒸汽量低于现有方法的蒸汽量。已经发现能量负荷减少每吨尿素至少500kg高压蒸汽。

可以用本发明有利地提高尿素生产能力的尿素生产方法是，例如，上述的Mitsui-Toatsu全循环C-改进法、Montedison尿素法、UTI热-循环法、通用的Stamicarbon法，和Chemico法。这些方法的特征是(用图1示意地表示，其中使用下列符号)：

(a)反应区，其中在压力18-30MPa和温度180-220℃下将氨和二氧化碳加入反应器(R)中；

(b)减压部分(SC)，通常由两个或多个步骤组成，其中用同时加热(水蒸汽)降低压力，可以包括中压步骤，其中压力降低至1.5-8.0MPa，和低压步骤，其中压力降低至0.2-1.0MPa，接着产生的气体混合物冷凝，形成氨基甲酸铵水溶液(M₃)和液体氨物流(M3)并返回尿素反应器(R)中；和

(c)尿素回收部分(u)，其中回收尿素，分离水，得到氨基甲酸铵，将氨基甲酸铵(M3)返回反应区(任选经过减压部分(SC)的冷凝器)。

对于“溶液循环法”的不同的实施方案，尿素回收部分(U)可以有不同的结构。参考上述大全。但是，已经发现本发明的优点不取决于尿素回收部分(U)的实际结构。

根据本发明改进的尿素生产方法的例子是图2示意表示的，其中使用的符号在下面指出。为简单起见，图2不包括水蒸汽物流。

汽提塔(S)和其操作方法对于本领域技术熟练的人员通常是已知的，例如在US-A-3356723中描述了关于二氧化碳的汽提。这里使用“热汽提”来描述氨基甲酸铵的热分解和从溶液(M1)中除去生成的二氧化碳和氨。例如在上述的大全第559-562页描述的Snamprogetti NH₃汽提法中包括热汽提。但是，优选用二氧化碳作汽提气达到更大的汽提效率。汽提塔装备供热设备。汽提塔通常设计成含有立管的立式塔，其中进行汽提，所述管在壳程用蒸汽加热。所述蒸汽优选具有1.5-4.0MPa压力。汽提气加入汽提塔的底部，反应器流出物，反应混合物(M1)加入顶部。气体混合物(G1)在汽提塔(S)顶部回收。回收的气体混合物基本上由氨和二氧化碳组成。在汽提塔(S)底部收集的混合物(M4)基本上由尿素、水和剩余的氨基甲酸铵组成。

进行汽提的压力几乎等于尿素反应器(R)的压力。在该工艺设备的竖直配置上这些压力功能差异可能有些不同。如果用二氧化碳作为汽提气，压力差一般小于0.3Mpa。

气体混合物(G1)在冷凝器(C)中冷凝，形成氨基甲酸铵。将氨水溶液(M6)与氨一起加入冷凝器中。通过保证在冷凝器中足够的停留时间，一般10-30分钟，在冷凝条件下可得到至少30％，优选50-80％平衡量的尿素。已经发现通常所说的N/C比对得到最佳的尿素收率是重要的。N/C比定义如下：其中NH₃摩尔数等于游离氨加氨基甲酸铵中结合的氨，CO₂摩尔数等于游离的二氧化碳加氨基甲酸铵中结合的二氧化碳。优选的N/C比是2.7-4.0，更优选2.8-3.5。N/C比可通过调整二氧化碳和氨进料进行调节。如果使用二氧化碳作为汽提气，则二氧化碳进料等于或几乎等于用作汽提气体的二氧化碳量。氨进料是加入冷凝器中的氨量。

冷凝器(C)优选结构是所谓潜管冷凝器，正如NL-A-8400839中所公开的冷凝的气体混合物加入管壳热交换器的壳程中。热交换器中的液体水平面可简单地由溢流档板得到。释放的溶解热和冷凝热由流过管程的介质例如水带出，工艺过程中的水转变为低压蒸汽，或用汽提塔中得到的液体混合物(M₄)带出。潜管冷凝器可以安装成卧式的或立式的。

在卧式安装的潜管冷凝器中进行冷凝是特别有利的。冷凝器优选安装在高于尿素反应器(R)顶部或与尿素反应器(R)顶部相同的水平上。这样的优点是离开冷凝器(C)的混合物(M5)可以在重力作用下加入反应器(R)中。

使用本发明的方法，冷凝区的温度可以提高5-10℃，这取决于使用的压力(P)和生成的尿素和水量。这样，例如通过用适当大小的热交换面积在冷凝器压力约16MPa时可能产生0.5-1MPa的低压蒸汽。当然，通过实际上较小的热交换面积在更一般的压力0.3-0.5Mpa下也可能得到低压蒸汽。

氨，和任选的二氧化碳，也可以加入冷凝器(C)中。如果在汽提塔中进行热汽提则加入二氧化碳。用确保与反应混合物充分混合的方法将这些气体加入冷凝器中是有利的。优选在整个卧式冷凝器中在反应混合物底部加入气体。

因为受平衡条件的限制，在冷凝器(C)中冷凝全部气体组分是不可能的，所以部分气体混合物(G₂)必须放掉。除了情性气体外，该气体混合物(G2)还含有二氧化碳和氨，这两种气体优选返回工艺过程中。通过在洗涤器(SCR)中使该气体混合物与氨基甲酸铵的氨水溶液(M₃)接触可以回收适量的这些有用的气体。吸收了部分氨和二氧化碳的液体混合物(M₆)离开洗涤器，加入冷凝器(C)中的反应混合物中。优选用氨驱动喷射器(E)以便吸入混合物(M6)。得到的氨和氨基甲酸铵的液体混合物(M₇)接着加入上述的冷凝器(C)中。还发现将洗涤器放在冷凝器的压力容器内部是有利的。因此，在高压(P)下操作洗涤器的措施是不太激烈的，这导致了显著的费用效益。

本发明也涉及上述冷凝器，其中洗涤器放在冷凝器的压力壳内部。如图3b所示，所述冷凝器设计成卧式潜管冷凝器，洗涤器(a)放在冷凝器压力壳(b)的内部，该冷凝器装备有将物流加入其壳程底部的设备(C)，保证该冷凝器中足够液面和液体停留时间的设备(d)，保证液面上的气体可以通过洗涤器离开冷凝器的设备(e)，保证可将液体进料加入洗涤器中的设备(f)，和用于从冷凝器的洗涤器中放出液体混合物的设备(g)。根据本发明的上述冷凝器(C)示意地由图3a表示，其中洗涤器(SCR)放在冷凝器的压力容器内部。图3a中(S1)表示锅炉给水和(S2)表示得到的水蒸汽。

在本发明中尿素反应器(R)不必替换。根据由本发明提供的改进的设备布置，反应器操作方法的某些调整是必须的和有其他益处。如上所述，向反应器加入氨基甲酸铵水溶液(旧的：(M3)，新的：(M5))。新的原料流即混合物(M5)的组成与旧的原料流即混合物(M3)的组成不同，其还含有在冷凝器(C)中形成的大量尿素。在反应器中氨基甲酸铵转化为尿素和水。该反应需要的能量可以通过将热气体加入反应器的底部供给。所述热气体可以是例如氨、二氧化碳或部分从汽提塔(S)放出的气体混合物(G1)。为此目的优选使用二氧化碳。在优选的实施方案中，部分热的压缩的二氧化碳进料通入反应器(R)的底部，其余二氧化碳作为汽提气通入汽提塔(S)中。已有的加入二氧化碳的方法可以便利地用于向反应器(R)加入二氧化碳。直接加入反应器的二氧化碳和加入汽提塔的二氧化碳量的比例优选1∶5-1∶20。

因为在冷凝器中已经形成部分尿素，当例如尿素的生产能力增加至未改进的方法的生产能力的三倍时，可同时保持反应混合物(M₁)中的平衡位置。而且，由于安装了汽提搭(S)，已经发现在混合物(M4)中二氧化碳和氨的转化度达到70-80％，而在现有方法中二氧化碳转化度一般约65％，氨转化度约40％。二氧化碳转化度和氨转化度定义如下：其中CO₂摩尔数等于游离二氧化碳摩尔数加上在氨基甲酸铵中结合的二氧化碳的摩尔数：其中NH₃摩尔数等于游离氨摩尔数加上氨基甲酸铵中结合的氨摩尔数。

因为混合物(M4)比老方法的混合物M₁含有较多尿素和较少氨和二氧化碳，所以在减压部分(SC)中为了分离这些组分每吨尿素需要的能量较少。特别是所谓中压步骤具有该优点。这表明在使用现有的减压部分(SC)的设备，特别是使用中压步骤时，用该装置可以生产更多的尿素。混合物(M₄)含有比较少的氨和二氧化碳也表明每生产一吨尿素经(M3)返回的氨基甲酸铵较少。结果是泵送混合物(M3)返回冷凝器(C)的现有的高压氨基甲酸铵泵有特别大的能力。该特别大的能力也可以用于提高现有装置的尿素生产能力。

氨和二氧化碳转化度的提高和N/C比的降低(与现有方法比较)消除了对返回的氨物流(M3’)的需要。得到的高压氨泵特别大的能力(图1中泵送NH₃和M3’的泵)可用于输送大量氨以保持用本发明的改进方法所得到的提高的尿素生产能力。

由于安装了汽提塔，因而便于在下列条件下操作反应器。尿素转化度和汽提塔效率最佳时存在最佳压力(P)。压力优选是15-18MPa。温度取决于选择的压力，是180-190℃。

本发明参考下列非限制性的实施例进行说明。

实施例

根据本发明调整图1中示意地表示的尿素生产方法，得到图2中示意地表示的方法。

现有方法包括体积55m³的反应器。在现有方法中压力和温度分别是20MPa和190℃。根据混合物(M1)的组成计算，二氧化碳的转化度是64％，氨的转化度是32％。现有尿素装置的总的尿素生产能力是每天550公吨尿素。该装置的能力消耗是每生产1吨尿素1500kg水蒸汽(1.3MPa)。在该生产能力下该装置的中压步骤(减压部分(SC)中)需要的热量是11百万千卡/h。

几个不同物流的流量作为说明表示如下：

物流

(见图1)    (kg/hr)

CO₂   16,900

NH₃   30,900

M1     77,400

M3     29,600

尿素   22,900

在调整的方法(图2)中保留现有的反应器和减压部分(SC)的中压步骤。试图用现有反应器提高尿素生产能力，并限制中压步骤中的热量不超过11百万千卡/h(参见上述)。已经发现根据本发明通过安装汽提塔、冷凝器和洗涤器，生产能力可提高至每天1650公吨尿素。反应器、汽提搭和冷凝器中的压力(P)是16MPa，反应器温度是187℃。冷凝器中的N/C比是3.3。新装置的能量消耗是每生产1吨尿素1003kg水蒸汽(其中约一半是1.3MPa水蒸汽和另一半是2.5MPa水蒸汽)。这导致过剩约10吨/h 0.53Mpa水蒸汽，可用在别处。根据混合物(M4)的组成计算，二氧化碳的转化度是68％，氨的转化度是65％。

几个不同物流的流量作为说明表示如下：

 物流

(见图2)         (kg/hr)

CO₂(至反应器)   4,700

CO₂(至反应器)   46,000

NH₃             39,300

M3               62,700

M4               149,800

尿素             68,750

从上图清楚地看出，可以将尿素生产能力提高到3倍并减少每吨尿素消耗的能量。同时可保留现有的昂贵的设备，如反应器和中压步骤。现有方法的备用泵可方便地用于较高流量的(M3)。