專利名稱：用于制備尿素的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由氨和二氧化碳制備尿素的工藝。
尿素可通過將過量氨與二氧化碳一起在合適的壓力(例如12-40MPa)和合適的溫度(例如160-250℃)下引入合成區(qū)而制成，首先根據(jù)以下反應(yīng)導(dǎo)致形成氨基甲酸銨
所形成的氨基甲酸銨根據(jù)以下的平衡反應(yīng)隨后脫水導(dǎo)致形成尿素
理論上可得到的氨和二氧化碳至尿素的轉(zhuǎn)化由平衡的熱力學(xué)位置決定且例如取決于NH3/CO2比率(N/C比率)、H2O/CO2比率和溫度。
在合成區(qū)中氨和二氧化碳至尿素的轉(zhuǎn)化過程中，反應(yīng)產(chǎn)物由合成反應(yīng)器得到，該產(chǎn)物是一種基本上由尿素，水，氨基甲酸銨和未結(jié)合氨組成的尿素合成溶液。
除了前述尿素合成溶液，可能在合成區(qū)中出現(xiàn)未轉(zhuǎn)化的氨和二氧化碳與惰性氣體的氣體混合物，該氣體混合物也稱為合成氣體。存在其中的惰性氣體可例如源自將空氣加入成套設(shè)備以提高成套設(shè)備耐腐蝕性的體系。例如，惰性氣態(tài)組分可通過原料(NH3和CO2)供給至合成區(qū)。氨和二氧化碳從合成氣體中被除去并優(yōu)選返回至合成區(qū)。
合成區(qū)可包括用于形成氨基甲酸銨和尿素的單獨(dú)的區(qū)。但這些區(qū)也可整合在單個(gè)裝置中。合成可在單個(gè)反應(yīng)器或在兩種反應(yīng)器中進(jìn)行。如果采用兩種反應(yīng)器，第一反應(yīng)器例如可用基本上新鮮的原料操作，而第二反應(yīng)器使用從例如尿素回收中完全或部分再循環(huán)的原料操作。
在合成反應(yīng)器中氨基甲酸銨至尿素和水的轉(zhuǎn)化可通過保證反應(yīng)器中的反應(yīng)混合物具有足夠長的停留時(shí)間而進(jìn)行。停留時(shí)間一般來說長于10min，優(yōu)選長于20min。停留時(shí)間一般來說短于3小時(shí)，優(yōu)選短于1小時(shí)。
實(shí)際上，各種工藝用于制備尿素。最初，尿素在所謂的常規(guī)高壓尿素成套設(shè)備中制備，它在20世紀(jì)六十年代末被在所謂的尿素汽提成套設(shè)備中進(jìn)行的工藝接替。
常規(guī)高壓尿素成套設(shè)備理解為一種尿素成套設(shè)備，其中沒有轉(zhuǎn)化成尿素的氨基甲酸銨的分解和常規(guī)過量氨的排出在明顯低于合成反應(yīng)器自身壓力的壓力下進(jìn)行。在常規(guī)高壓力尿素成套設(shè)備中，合成反應(yīng)器通常在溫度180-250℃和壓力15-40MPa下操作。在常規(guī)高壓尿素成套設(shè)備中，在壓力1.5-10MPa下膨脹、分解和縮合之后，沒有轉(zhuǎn)化成尿素的原料作為氨基甲酸銨物流返回至尿素合成。另外，在常規(guī)高壓尿素成套設(shè)備中，氨和二氧化碳直接加料到合成反應(yīng)器。在常規(guī)高壓尿素工藝中，尿素合成中的N/C比率是3-5。
最初，這些常規(guī)尿素成套設(shè)備設(shè)計(jì)為所謂的′一次通過′工藝。在此，未轉(zhuǎn)化的氨用酸(例如硝酸)中和并轉(zhuǎn)化成銨鹽(例如硝酸銨)。沒有多久，這些常規(guī)一次通過尿素工藝被替代為常規(guī)再循環(huán)工藝，其中未轉(zhuǎn)化氨和二氧化碳作為氨基甲酸銨物流返回至合成反應(yīng)器。在回收部分中，將未轉(zhuǎn)化氨和二氧化碳從得自合成反應(yīng)器的尿素合成溶液中除去，在該工藝中水溶液中的尿素析出。然后，水溶液中的該尿素在蒸發(fā)部分中通過減壓蒸發(fā)水而轉(zhuǎn)化成尿素。有時(shí)，尿素-水混合物利用結(jié)晶技術(shù)而分離。
尿素汽提成套設(shè)備理解為一種尿素成套設(shè)備，其中沒有轉(zhuǎn)化成尿素的氨基甲酸銨的分解和常規(guī)過量氨的排出主要在幾乎基本等于合成反應(yīng)器自身壓力的壓力下進(jìn)行。該分解/排出在汽提區(qū)中在有或者沒有通入汽提氣體的情況下進(jìn)行。在汽提工藝中，二氧化碳和/或氨可在這些組分加入合成反應(yīng)器之前用作汽提氣體。這種汽提在安裝在合成反應(yīng)器下游的汽提塔中進(jìn)行；其中，來自合成反應(yīng)器的尿素合成溶液在加熱的同時(shí)用汽提氣體進(jìn)行汽提。在此也可使用熱汽提。熱汽提是指，氨基甲酸銨被分解，且所存在的氨和二氧化碳僅利用加熱而從尿素溶液中去除。汽提也可在兩種或多種步驟中進(jìn)行。在已知的工藝中，純粹熱汽提的第一步驟之后是一個(gè)在進(jìn)一步加熱情況下的CO2汽提步驟。離開汽提塔的包含氨和二氧化碳的氣流通過或不通過高壓氨基甲酸鹽冷凝器返回至反應(yīng)器。使用汽提劑對(duì)尿素合成溶液進(jìn)行汽提可在一個(gè)以上的汽提塔中進(jìn)行。
在尿素汽提成套設(shè)備中，合成反應(yīng)器在溫度160-240℃，優(yōu)選在溫度170-220℃下操作。合成反應(yīng)器中的壓力是12-21MPa，優(yōu)選12.5-19.5MPa。在尿素汽提成套設(shè)備中的合成區(qū)中的N/C比率是2.5-4。
通過汽提工藝制備尿素的常用實(shí)施方案是Stamicarbon CO2汽提工藝，描述于European Chemical News，Urea Supplement(1969/1/17，頁數(shù)17-20)。在汽提操作中得到的大部分氣體混合物與該工藝所需的氨一起在高壓氨基甲酸鹽冷凝器中被冷凝和吸附，然后將在此形成的氨基甲酸銨物流返回至合成區(qū)用于形成尿素。
高壓氨基甲酸鹽冷凝器可例如設(shè)計(jì)為描述于NL-A-8400839的所謂的潛管冷凝器。潛管冷凝器可放在水平或垂直位置中。但特別有利的是在水平潛管冷凝器(所謂的池冷凝器；參見例如Nitrogen No 222，七月-八月，1996，29-31頁)中進(jìn)行冷凝，這是因?yàn)榕c該冷凝器的其它設(shè)計(jì)相比，液體通常在池冷凝器中具有較長的停留時(shí)間。這導(dǎo)致形成額外的尿素，升高沸點(diǎn)，這樣含尿素的氨基甲酸銨溶液和冷卻介質(zhì)之間的溫差增加，導(dǎo)致較好的熱傳遞。
在汽提操作之后，汽提的尿素合成溶液的壓力在尿素回收中減至低水平且溶液通過蒸發(fā)而濃縮，然后尿素被釋放且低壓氨基甲酸銨物流被再循環(huán)至合成部分。取決于該工藝，該氨基甲酸銨可在單個(gè)或多個(gè)在不同壓力下操作的工藝步驟中回收。
在尿素工藝中，廢氣作為副產(chǎn)物在該成套設(shè)備的各種場(chǎng)所形成。這些廢氣基本上是被氨和二氧化碳污染的惰性氣體，其惰性組成組分被排放至大氣。在從成套設(shè)備中去除之前，這些廢氣應(yīng)該尤其首先去除氨。
廢氣通常是在稱作吸收器中的吸收步驟清除，其中尤其氨借助一種合適的氨溶劑如水或弱氨工藝?yán)淠?，在有或者沒有通過例如熱交換器去除的熱的情況下從廢氣中去除。廢氣在各種壓力水平下形成。氨有利地在盡可能高的壓力下從這些廢氣中被吸附。
在Stamicarbon CO2汽提工藝中，例如，來自反應(yīng)器的氣流，合成氣體，在洗滌器中在高壓力(＞10MPa)下使用源自該成套設(shè)備的低壓部分的氨基甲酸銨溶液進(jìn)行洗滌。在高壓洗滌器中形成氨基甲酸銨物流，該物流通常進(jìn)入高壓冷凝器和廢氣的未冷凝物流。在排放至大氣之前，來自高壓洗滌器的廢氣通過吸收步驟在中壓下操作的吸收器中脫除剩余的氨?！湓谥袎合隆涫侵冈趬毫?.3-0.6MPa下。
廢氣通過吸收步驟純化的其它例子包括′自汽提工藝′，描述于Uhlmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry，Vol A 27，頁數(shù)346-348，1996，其中來自成套設(shè)備的高壓部分的廢氣最終也在中壓下操作的吸收器中洗滌。同樣，在描述于Uhlmann’s Encyclopedia ofIndustrial Chemistry，Vol A 27，頁數(shù)348-349，1996的ACES工藝中，由高壓洗滌器排放至中壓分解階段的包含不可冷凝組分的廢氣最終在中壓下操作的吸收器中洗滌。
根據(jù)目前的技術(shù)狀態(tài)，來自成套設(shè)備的高壓部分的廢氣通過控制閥進(jìn)入中壓吸收器。嚴(yán)重缺陷在于，有可能被回收的能量在該工藝中損失。
另外，帶有氨的氣流在所有的尿素成套設(shè)備中在例如0.1MPa-0.3MPa的明顯較低的壓力下，但主要在大氣壓下釋放。一個(gè)例子是在蒸發(fā)部分的濃縮區(qū)中的廢氣。在蒸發(fā)部分中，尿素溶液在減壓下通過蒸發(fā)而濃縮，在該工藝中形成一種被氨污染的水蒸氣流，從中可冷凝的組分在冷凝器中冷凝。但剩余的廢氣仍然包含氨。其它例子是用于氨水或用于尿素溶液的常壓貯槽的廢氣、在尿素成套設(shè)備的結(jié)晶部分中的篩分設(shè)備和離心機(jī)的廢氣等。這些物流的缺陷是其低壓(例如大氣壓)，因?yàn)榈蛪翰焕谖展に嚒?br> 因?yàn)榻?jīng)濟(jì)和環(huán)境原因更加要求在將其排放至大氣之前清除這些低壓的帶氨氨流。在此，在合適的溶劑如水或弱氨水中的吸收同樣是合適的清除技術(shù)。這樣的吸收通常在低壓下操作的吸收器中進(jìn)行且可進(jìn)一步利用熱交換器通過直接或間接冷卻而優(yōu)化。′在低壓下′是指在壓力0.1MPa至0.3MPa下但幾乎主要在大氣壓下。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，前述缺陷可通過使用由高壓合成部分的廢氣驅(qū)動(dòng)的噴射器提高幾乎在大氣壓下的尿素成套設(shè)備中釋放的廢氣的壓力并將所述廢氣供給至中壓吸收器而消除。在幾乎以大氣壓釋放的廢氣的壓力增加0.15MPa-2MPa，優(yōu)選0.2-0.5MPa。
高壓廢氣的膨脹能量在此通過吸入并壓縮低壓廢氣而用于噴射器。結(jié)果，低壓廢氣達(dá)到較高壓力水平，從而氨在溶劑中的吸收得到促進(jìn)。這樣限制了尿素成套設(shè)備的總氨損失。
另外，本工藝提供的優(yōu)點(diǎn)在于，將供給至兩個(gè)吸收步驟的廢氣合并，使得吸收被結(jié)合在設(shè)備的單個(gè)部件中，導(dǎo)致尿素成套設(shè)備的投資下降。
另外，本工藝通過使用由合成部分的廢氣驅(qū)動(dòng)的噴射器提高幾乎在大氣壓下操作的吸收器的廢氣壓力并將所述廢氣供給至中壓吸收器而非常適用于提高和優(yōu)化現(xiàn)有的尿素成套設(shè)備。幾乎在大氣壓下操作的吸收器的廢氣壓力在此增加0.15MPa-2MPa，優(yōu)選0.2-0.5MPa。
本發(fā)明可應(yīng)用于所有的現(xiàn)有尿素工藝，即常規(guī)尿素工藝和尿素汽提工藝二者，因?yàn)楦鞣N壓力水平的廢氣物流和不必要的能量損耗及不好的吸收結(jié)果出現(xiàn)在所有的這些工藝中。
其中可應(yīng)用本發(fā)明的常規(guī)尿素工藝的實(shí)例是所謂的′一次通過′、常規(guī)‘再循環(huán)’和熱再循環(huán)工藝。
其中可應(yīng)用本發(fā)明的尿素汽提工藝的實(shí)例是CO2汽提工藝、氨汽提工藝、自汽提工藝、ACES(用于節(jié)約成本和節(jié)能的高級(jí)工藝)工藝、IDR(等壓-雙重-再循環(huán))工藝和HEC工藝。
本發(fā)明通過以下實(shí)施例說明。
實(shí)施例在容量為1500MT/天的尿素成套設(shè)備中，在大氣壓下得到的廢氣使用一種由合成氣體驅(qū)動(dòng)的噴射器壓縮，這樣該壓縮氣體在現(xiàn)有的0.4MPa吸收器中被吸收。結(jié)果，大氣吸收器變成多余。原來在該成套設(shè)備中有兩個(gè)排放點(diǎn)一個(gè)在0.4MPa吸收器，另一個(gè)在大氣吸收器。由于本工藝，消除了一個(gè)排放點(diǎn)。
工藝在以下條件下進(jìn)行作為噴射器推進(jìn)劑的合成氣體流速1429千克/小時(shí)壓力14MPa溫度112℃所要壓縮的氣體(在先供給至大氣吸收器)流速807千克/小時(shí)壓力大氣壓溫度114℃通過噴射器在0.4MPa吸收器的入口壓縮的氣體流速2636千克/小時(shí)壓力0.4MPa
溫度106℃已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用本工藝導(dǎo)致來自該特殊排放點(diǎn)的氨損失為2.45kg/小時(shí)。
帶兩個(gè)排放點(diǎn)的1500MT/天成套設(shè)備的氨損失總計(jì)為4.2kg/小時(shí)。
權(quán)利要求
1.由氨和二氧化碳制備尿素的方法，特征在于在用于制備尿素的成套設(shè)備中，幾乎以大氣壓釋放的廢氣被一個(gè)由來自高壓合成的廢氣驅(qū)動(dòng)的噴射器壓縮并供給至中壓吸收器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，特征在于幾乎以大氣壓釋放的廢氣的壓力增加0.15-2MPa。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，特征在于幾乎以大氣壓釋放的廢氣的壓力增加0.2-0.5MPa。
4.通過使用由來自合成部分的廢氣驅(qū)動(dòng)的噴射器提高幾乎在大氣壓下操作的吸收器的廢氣的壓力并將所述廢氣供給至中壓吸收器而用于提高和優(yōu)化現(xiàn)有的尿素成套設(shè)備的方法。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，特征在于來自幾乎在大氣壓下操作的吸收器的廢氣的壓力增加0.15-2MPa。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，特征在于來自幾乎在大氣壓下操作的吸收器的廢氣的壓力增加0.2MPa-0.5MPa。
全文摘要
由氨和二氧化碳制備尿素的方法，其中在尿素成套設(shè)備中幾乎以大氣壓釋放的廢氣通過一個(gè)由來自高壓合成的廢氣驅(qū)動(dòng)的噴射器壓縮并供給至中壓吸收器。廢氣的壓力增加0.15－1MPa。
文檔編號(hào)C07C273/04GK1479720SQ01820062
公開日2004年3月3日 申請(qǐng)日期2001年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月5日
發(fā)明者J·H·梅森, K·約恩克爾斯, J H 梅森, 骺碩 申請(qǐng)人:Dsmip財(cái)產(chǎn)有限公司