专利名称：制备尿素的方法
技术领域：
本发明涉及一种由氨和二氧化碳制备尿素的方法，这一制备过程全部或者部分通过使用合成反应器(下文中也简称作″反应器″)、冷凝器、洗涤段或″洗涤器″和分解段或″汽提塔″进行，在操作过程中气体混合物排放所经由的汽提塔的出口功能性地连接到冷凝器的进口和反应器的进口上，而冷凝器的出口则功能性地连接到洗涤器的进口上，并且所获得的反应混合物通过使用原料中的一种进行逆流汽提。
在基于汽提原理的方法中，尿素可以通过在适当的压力(例如12-40MPa)和适当的温度(例如160-250℃)下将过量的氨与二氧化碳一起引入到合成反应器(下文简称为″反应器″)或合成区中来制备，这首先会根据以下反应生成氨基甲酸铵
然后，所述氨基甲酸铵根据以下平衡反应失水生成尿素
理论上讲，氨和二氧化碳转化为尿素时可达到的转化率是由平衡的热力学状态决定的并且取决于例如NH3/CO2的比例(N/C比)，H2O/CO2的比例和温度。
氨和二氧化碳在合成区转化为尿素的过程中，从合成反应器中获得反应产物，该产物是尿素合成液，主要由尿素、水、氨基甲酸铵和游离氨组成。
除尿素合成液之外，在合成反应器中还可能放出未转化的氨和二氧化碳连同惰性气体在一起的气体混合物，该气体混合物亦称合成气。在这里存在的惰性气体可能来源于例如为了提高装置的耐腐蚀性而向装置中添加空气的系统。例如，气态的惰性组分可以通过原材料(NH3和CO2)而供料到合成反应器中。氨和二氧化碳从合成气中脱除并优选返回到合成反应器中。
合成反应器可以包括独立的用于生成氨基甲酸铵和尿素的区域。但是，这些区域也可以集成在单一设备中。所述合成可以在单一反应器中或者在两个反应器中进行。如果使用两个反应器，则第一个反应器，例如可以使用实际上新鲜的原料操作，而第二个反应器使用的原料则完全或者部分是由例如尿素回收部分循环回来的。
在合成反应器中氨基甲酸铵向尿素和水的转化可以通过确保反应混合物在反应器中有足够长的停留时间来实现。所述停留时间一般说来将比10分钟长，优选长于20分钟。所述停留时间一般说来将比3小时短，优选短于1小时。
根据汽提原理操作的尿素生产装置被认为是这样一种尿素装置，在该装置中，没有转化为尿素的氨基甲酸铵的分解以及通常过量的氨的排出主要地在基本上等于合成反应器压力的压力下进行。这种分解/排出在合成反应器下游的汽提塔中通过加热以及加入或者不加入汽提气来进行。在汽提过程中，二氧化碳和/或氨可以在其被加入到合成反应器中之前作为汽提气使用。在这里也可以使用热汽提，这意味着氨基甲酸铵仅仅被提供的热量分解，并且存在的氨和二氧化碳从尿素溶液中除去。汽提可以分为两步或多步进行。在已知的方法中，首先进行纯粹的热汽提步骤，之后通过进一步加热而进行CO2汽提步骤。从汽提塔排出的含氨和二氧化碳的气流不管是否通过冷凝器都返回到反应器中。
在尿素汽提装置中，合成反应器的操作温度为160-240℃，优选170-220℃。合成反应器的压力为12-21MPa，优选12.5-19.5MPa。在尿素汽提装置中，合成反应器中的N/C比为2.5-4。
通过汽提工艺制备尿素时经常使用的实施方案是StamicarbonCO2汽提工艺，参见Uhlmann的工业化学百科全书，A27卷，1996年，344-346页。
在汽提操作之后，汽提后的尿素合成液的压力降低到尿素回收部分中的较低压力下，并且溶液通过蒸发进行浓缩，之后释放出尿素，低压的氨基甲酸铵物流循环回合成反应器中。根据所述方法，该氨基甲酸铵可以在单一工序中回收或者在于不同压力下操作的多个工序中回收。
在汽提处理中获得的大部分的气体混合物在冷凝器冷凝并与该方法所需的氨一起被吸附，之后，所得的氨基甲酸铵转移到用于生成尿素的合成反应器中。在标准的StamicarbonCO2汽提装置中，在高压下操作的氨基甲酸盐冷凝器通常设计为所谓的″降膜″冷凝器。在这里，液体以薄膜形式沿该热交换器管的内表面流下，而汽提气则以逆流方式流动通过所述液体。
对于氨基甲酸盐冷凝器的改进设计是所谓的″潜管冷凝器″，如NL-A-8400839中所述。与传统的降膜冷凝器相比，这类冷凝器的优点在于液体一般说来具有较长的停留时间，从而导致在冷凝器中有额外的尿素生成，这在没有任何显著投资的情况下增加了装置总的生产能力。潜管冷凝器(在水平放置时亦称″池冷凝器″)可以水平或者垂直放置。
EP-A-1036787描述了一种用于使尿素装置更现代化的方法，其中现有的降膜冷凝器被改造成潜管冷凝器。为此，对于液相需安装溢流堰，以便使装置在操作时冷凝器中充满液体。液体经由溢流堰通向合成反应器。通过将气流从汽提塔引入到冷凝器的底部并通过顶部进行排料，整个操作以潜管冷凝器的方式进行。这种方法的主要优点在于在该方法中改进了传热。因此，尿素反应可以自发开始，使装置的温度另有提高(由于该组成而提高约170℃-183℃)或者使蒸汽压力更高或装置负荷更高。也可能实现这些优点的组合。
使用潜管冷凝器的一个已知的缺陷是由该方法所引起的通过冷凝器的压降大于使用降膜冷凝器时的压降。气体混合物进行潜没冷凝时经受的压降将至少等于气体鼓泡时所通过液柱的高度。这通常意味着压降为10-15米液柱。但是，现有装置合成回路中的推动力，也就是说，连接高压设备并且由汽提塔-冷凝器-反应器-汽提塔组合所形成的回路中的推动力只有8-10米液柱。因为气体在冷凝器中的压降大于合成回路中的推动力，因此从冷凝器中排出的气相不再能参与这一主循环。
在EP-A-1036787中，这一问题是通过将来自于冷凝器的气体通过高压洗涤器而解决的。在高压洗涤器中，从冷凝器排出通过高压洗涤器的可冷凝组分被吸收在来自于尿素回收部分的氨基甲酸盐物流中。在这里，未冷凝的惰性气体排放到大气中。然而这意味着，来自于冷凝器的气体没有返回到合成反应器中，并且因此空气/氧气没有作为缓蚀剂供料给反应器。因此，EP-A-1036787提议将来自于汽提塔的一部分气流通过反应器，而其余的通过冷凝器。
然而，对所述工艺进行控制以使来自于汽提塔的气流实现适当的分配是一件很关键的事情。当从汽提塔供料给合成反应器的气体太少时，放热的氨基甲酸盐形成反应就不能提供充分的热以保持反应器的温度。反应器的温度将因此而降低到太低的水平。这对于氨基甲酸盐的失水动力学来说具有显著的副作用，从而导致尿素合成的转化率太低。它也使汽提塔和冷凝器的负荷过高。此外，不能由汽提塔向合成反应器提供充分的气体的相当大的风险就是不能向反应器供给充分的氧气，其风险是在反应器中造成腐蚀。
如果有太多的气体从汽提塔供料给合成反应器，则从反应器流向高压洗涤器的气流将会增加，这可能会导致洗涤器超负荷，从而将很快地使反应器的压力增加到不希望的高压下，从安全的角度来看这是不希望的。另外，如果有太多的气体从汽提塔供料到合成反应器，伴随着的是提供给冷凝器的气体减少，这样从冷凝器中蒸发出来的蒸汽就较少。因此，太多的气体进入反应器会对该方法的经济产生不利影响。
在EP-A-1036787中，来自于汽提塔的气流向反应器与向冷凝器的分配是通过安装在氨基甲酸盐冷凝器和高压洗涤器之间的一个单一的阀控制的(参见图3和5；控制阀45)。对于分配问题的这一解决方案具有几个重要的缺陷1.为了保持冷凝器中的液位低于溢流堰，通过该控制阀的压降一般说来将需要在0.1-0.3MPa之间。这是因为，如果通过控制阀没有压降，则氨基甲酸盐冷凝器与反应器将形成连通容器，两个容器中的液位将倾向于处于相同的高度。换句话说，如果没有这个控制阀，则冷凝器中的液位将升高并进入到将冷凝器与洗涤器连接起来的管路中，即直到高度几乎相当于反应器中的液位高度。那么，很显然，需要通过这个控制阀产生一个压降，这个压降相当于一方面反应器中液位与另一方面冷凝器中希望的液位之间的液体高度。考虑到尿素制备工业装置中的高度差，这个压降等于0.1-0.3MPa(约10-30米液柱)。由于管路中的摩擦产生的汽提塔与反应器之间以及汽提塔与冷凝器之间的压降与前述冷凝器与高压洗涤器之间的管路中通过控制阀的压降相比非常低。实际上这暗示着通过这单一的控制阀控制汽提气的分配将形成开/停转换；那么，来自于汽提塔的气流或者完全流向反应器，或者完全流向冷凝器。这将导致工艺不稳定，对装置的安全、经济和生产方面具有非常不利的副作用。
2.前述控制阀的状态和通过前述控制阀的压降影响着处于所述冷凝器溢流堰后面的溢出室中的液位(参见图3和4；板41)。
应该意识到，溢流液形成尿素合成循环系统反应器-汽提塔-冷凝器-反应器主回路的一部分。这一循环回路中的流动完全基于地心引力。因此，溢出室中的液位影响着该回路中可利用的引力推动力当液位下降时，该一合成循环回路中可利用的压降将降低。考虑到工艺的动态性能，控制阀位置的变化将导致合成循环回路中的流动特性无序，对于装置的安全、经济和生产方面产生严重的消极后果。
本发明的目的在于提供一种制备尿素的改进方法和装置，其中气流从汽提塔分配到反应器和/或从汽提塔分配到冷凝器的前述分配问题完全得到解决或者解决到相当的程度。
根据本发明，现在已经意外地发现，通过一个或多个位于汽提塔出口与冷凝器进口和/或反应器进口之间功能连接的非公共部分中的调控元件来完全或者部分控制气流从汽提塔到冷凝器和反应器的分配可以有效地解决前述问题。
在本发明的第一实施方案中，调控元件位于汽提塔出口与冷凝器进口之间功能连接的非公共部分中。
在本发明的第二实施方案中，调控元件位于汽提塔出口与反应器进口之间功能连接的非公共部分中。
在本发明的第三实施方案中，也就是优选的实施方案中，在汽提塔出口与冷凝器进口之间以及在汽提塔出口与反应器进口之间功能连接的非公共部分中同时提供调控元件。用这样的方式，从汽提塔分配到冷凝器和反应器中的气流可以根据本领域技术人员公知或者可以由本领域技术人员确定并按常规的方式利用的其他工艺条件得以最准确地控制。
本领域技术人员在进行处理时对可以用于本发明的调控元件可以有自己的选择范围。适当的调控元件包括处于功能连接管中的控制阀(亦称调节阀)、截止阀和限定的或者校准的节流孔板。也可以在管路的适当位置上使用泵和/或压缩机以便形成使汽提塔的气流按希望的方式分配到冷凝器和/或反应器的压差。如果使用多个调控元件，则它们可以是相同的类型也可以是不同的类型。例如，可以同时在从汽提塔到冷凝器的管路中和从汽提塔到反应器的管路中安装各自大小适当的节流孔板以确保压力降并由此确保在所有条件下气流在这两个管路中的分配。作为替换手段，也可以在上述两个管路中安装可调节的能使该方法的实施方案具有最大弹性的调压阀，在这种情况下，投资费用原则上将会比较高。也可以，例如只在汽提塔与反应器之间的管路中安装调压阀，而在汽提塔与冷凝器之间的管路中安装节流孔板，由此获得操作灵活性与投资费用之间的折中。
根据本发明，优选照原样操作的潜管冷凝器用作冷凝器。这种冷凝器可以是原始的如NL-A-8400839中所述的潜管冷凝器，或者是水平设计或者是垂直设计，也可以是如EP-A-1036787中所述被改造成潜管冷凝器的降膜冷凝器。如果希望的话，可以照原样使用这种降膜冷凝器，但是该设计并不是优选的。
要注意，调控元件也可以如EP-A-1036787所述，存在于冷凝器出口和洗涤器进口之间的功能连接中。这一调控元件可以与以上定义的本发明的调控元件一起使用以便实现气流在汽提塔-冷凝器以及汽提塔-反应器之间的精确分配。
在本发明的第四实施方案中，反应器、冷凝器和冷凝器出口与洗涤器进口之间的功能连接要设计得使反应器和冷凝器起到两个连通容器的作用，其中反应器、冷凝器以及冷凝器顶部出口处的液位处于相同的高度。这可以通过除去EP-A-1036787中描述的冷凝器中的溢流堰(41)以及冷凝器出口与洗涤器之间连接中的调控元件来实现。本领域技术人员应当清楚，在这样形成的连通容器系统中可能存在微小的高度差，这是由于液体和气体之间的密度差以及气体负荷中的微小差别造成的。
来自于冷凝器的气体将通过管路离开冷凝器进入到洗涤器中，在这一管路中在液位形成的位置上会发生气/液分离。这一液位很大程度上是由反应器中溢流堰的高度决定的。气/液分离装置优选处于冷凝器通向洗涤器的出口中，位于或者邻近于存在有液位的位置上。原则上任何的气/液分离装置均适合于此目的。考虑到成本，使用沉降槽或者旋流分离器可能是有利的。也可以使用其他具有特定优点的分离装置，但总的来说会产生较高的投资费用。
有利的是，优选当冷凝器是照原样操作的潜管冷凝器以及气流通过顶部离开该冷凝器时，使气流在穿过高压洗涤器之前进行额外的涤气步骤。该额外的涤气步骤更详细的内容参见同时提交的连案荷兰专利申请1019080，其内容在此引入作为参考。
以上在各种实施方案中描述的方法就此而论不是限定性的，并且可以很容易地由本领域技术人员在不背离本发明原理的情况下进行改性，所述方法还非常适合于改进并优化现有的尿素装置，借此所述的优点也将变得显而易见。
此外，如上所述的发明可以同时在新的和现有的尿素汽提工艺中实施。可以在其中实施本发明的尿素汽提工艺的实例是StamicarbonCO2汽提工艺，氨解吸工艺，自汽提工艺，ACES工艺(对于成本与节能来说是比较高级的工艺)，IDR(等压双循环)工艺和HEC工艺。
因此，本发明涉及一种用于改进和/或优化尿素装置的方法，所述尿素装置基本上包括合成反应器、冷凝器、洗涤器和汽提塔，其中在操作过程中气体混合物排放所经由的汽提塔的出口功能性地连接到冷凝器的进口与反应器的进口上，其中冷凝器的出口功能性地连接到洗涤器的进口上，其中得到的反应混合物在汽提塔中用原料中的一种进行逆流汽提，其中气流从汽提塔到冷凝器和反应器中的分配完全或者部分由一个或多个存在于汽提塔出口与冷凝器进口和/或反应器进口之间功能连接的非公共部分中的调控元件控制。优选的实施方案基本上与上述关于根据本发明制备尿素的优选实施方案相同。
本发明还涉及一种尿素装置，其包括基本上由合成反应器组成的高压区、冷凝器、洗涤器和汽提塔，其中在操作过程中气流排放所经由的汽提塔的出口功能性地连接到冷凝器的进口与反应器的进口上，其中冷凝器的出口功能性地连接到洗涤器的进口上，其中得到的反应混合物在汽提塔中用原料中的一种进行逆流汽提，其中在汽提塔出口与冷凝器进口和/或反应器进口之间功能连接的非公共部分中存在有一个或多个调控元件，它们基本上用于控制气流在汽提塔出口和冷凝器进口以及汽提塔出口与反应器进口之间的分配。尿素装置的优选实施方案基本上和以上描述的关于根据本发明制备尿素以及用于改进和/或优化尿素装置的方法的优选实施方案一致。
以下参考实施例来阐明本发明。
图1是根据目前工艺水平，例如如EP-A-1036787所述的尿素装置一部分的示意图。
图2是根据本发明的尿素装置一部分的示意图。
在图1中，R表示基本上如EP-A-1036787所述的反应器，二氧化碳和氨在其中转化为尿素。来自于反应器的尿素合成液(USS)通过CO2汽提塔(S)，在其中，通过用CO2对USS进行汽提而使USS转化为气流(SG)和液流(SUSS)。来自于CO2汽提塔的气流(SG)基本上由氨和二氧化碳组成，其部分返回到反应器(R)中，部分进入到冷凝器(C)中。含汽提后的尿素合成液的物流SUSS通过尿素回收段(UR)，其中尿素(U)被释放出来，水(W)被排卸掉(U和W未示出)。在UR中，得到低压氨基甲酸铵(LPC)物流，它被循环回高压洗涤器(SCR)中。在该(第一)洗涤器中，LPC与来自于反应器的气流(RG)接触，该气流基本上由氨和二氧化碳组成，但是还另外包含存在于二氧化碳原料和氨原料中的惰性组分(不凝的组分)。来自于SCR的富氨基甲酸盐的物流(EC)任选与可以来自于反应器的物流结合并通过氨驱动的喷射器到达高压氨基甲酸盐冷凝器(C)中，在这里，来自于汽提塔的SG物流通过EC冷凝。得到的高压氨基甲酸盐物流(HPC)返回到反应器中，而来自于冷凝器的气流(CG)却通过装有控制阀1的管路被供给高压洗涤器(SCR)，在这种情况下与来自于反应器的气流(RG)结合。在该实施例中，新鲜的氨通过喷射器供给高压氨基甲酸盐冷凝器(C)，但是当然也可以供料到R→S→C→R回路或者R→SCR→C→R回路中的其它地方。
图2示出根据本发明对目前工艺水平的改进方案，其中控制阀2安装在从汽提塔(S)到反应器(R)和冷凝器(C)的管路中通向反应器的非公共部分中，控制阀3安装在通向冷凝器的非公共部分中。
显然，在本说明书以及本领域技术人员专业知识的基础上，在本领域技术人员的知识范围内，可以对本发明及所述实施方案进行很多变化与改进。这些变化均在本发明的范围内并由以下的权利要求给以定义。
权利要求
1.一种由氨和二氧化碳制备尿素的方法，该制备方法全部或部分应用合成反应器、冷凝器、洗涤器和汽提塔进行，其中在操作过程中气流排放所经由的汽提塔的出口功能性地连接到冷凝器的进口和反应器的进口上，冷凝器的出口功能性地连接到洗涤器的进口上，获得的反应混合物在汽提塔中通过使用原料中的一种而进行逆流汽提，其特征在于气流从汽提塔向冷凝器和反应器中的分配完全或者部分由一个或多个存在于汽提塔出口与冷凝器进口和/或反应器进口之间功能连接的非公共部分中的调控元件控制。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于气流从汽提塔到冷凝器和反应器中的分配完全或者部分由存在于汽提塔出口和冷凝器进口之间功能连接的非公共部分中的调控元件控制。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于气流从汽提塔到冷凝器和反应器中的分配完全或者部分由存在于汽提塔出口和反应器进口之间功能连接的非公共部分中的调控元件控制。
4.根据权利要求1-3任何一项的方法，其特征在于气流从汽提塔到冷凝器和反应器中的分配完全或者部分由两个调控元件控制，其中第一个调控元件存在于汽提塔出口与冷凝器进口之间功能连接的非公共部分中，第二个调控元件存在于汽提塔出口与冷凝器进口之间功能连接的非公共部分中。
5.根据权利要求1-4任何一项的方法，其特征在于调控元件选自控制阀，截止阀，限定或者校准的节流孔板，泵和压缩机。
6.权利要求1-5任何一项的方法，其特征在于冷凝器是照原样操作的、水平或者垂直设计的潜管冷凝器，或者降膜冷凝器。
7.根据权利要求1-5任何一项的方法，其特征在于反应器、冷凝器和冷凝器出口与洗涤器进口之间的功能连接要设计得使反应器和冷凝器起到两个连通容器的作用，在反应器和冷凝器中的以及在冷凝器出口处的液位处于相同的高度。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于气/液分离装置安装在冷凝器通向洗涤器的出口中，位于或者邻近于存在有液位的位置上。
9.根据权利要求1-8任何一项的方法，其特征在于当冷凝器是照原样操作的潜管冷凝器时，从潜管冷凝器顶部出来的气流在通过洗涤器之前进行额外的洗涤步骤。
10.一种用于改进和/或优化尿素装置的方法，所述尿素装置基本上包括合成反应器、冷凝器、洗涤器和汽提塔，其中在操作过程中气流排放所经由的汽提塔的出口功能性地连接到冷凝器的进口与反应器的进口上，其中冷凝器的出口功能性地连接到洗涤器的进口上，其中得到的反应混合物在汽提塔中用原料中的一种进行逆流汽提，其特征在于气流从汽提塔到冷凝器和反应器的分配完全或者部分由一个或多个存在于汽提塔出口与冷凝器进口和/或反应器进口之间功能连接的非公共部分中的调控元件控制。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于它设计成包括一种或多种权利要求2-10中定义的特征。
12.一种尿素装置，其包括基本上由合成反应器组成的高压区、冷凝器、洗涤器和汽提塔，其中在操作过程中气流排放所经由的汽提塔的出口功能性地连接到冷凝器的进口与反应器的进口上，其中冷凝器的出口功能性地连接到洗涤器的进口上，其中得到的反应混合物在汽提塔中用原料中的一种进行逆流汽提，其特征在于在汽提塔出口与冷凝器进口和/或反应器进口之间功能连接的非公共部分中存在有一个或多个调控元件，它们基本上用于控制气流在汽提塔出口和冷凝器进口以及汽提塔出口与反应器进口之间的分配。
13.根据权利要求12的尿素装置，其特征在于它设计成包括一种或多种权利要求2-10中定义的特征。
全文摘要
本发明涉及一种由氨和二氧化碳制备尿素的方法，该方法应用合成反应器、冷凝器、洗涤器和汽提塔，其中在操作过程中气流排放所经由的汽提塔的出口功能性地连接到冷凝器的进口和反应器的进口上，冷凝器的出口功能性地连接到洗涤器的进口上，获得的反应混合物在汽提塔中通过使用原料中的一种而进行逆流汽提，其中气流从汽提塔向冷凝器和反应器的分配完全或者部分由汽提塔出口与冷凝器进口和/或反应器进口之间功能连接的非公共部分中存在的一个或多个调控元件控制。
文档编号C07C273/00GK1561330SQ02819456
公开日2005年1月5日 申请日期2002年9月26日 优先权日2001年10月1日
发明者K·乔科斯, J·H·米斯森 申请人:Dsm Ip财产有限公司