浓缩尿素溶液的方法

专利名称：浓缩尿素溶液的方法
技术领域：
本发明是涉及一种将水从尿素溶液中蒸发出来而使尿素溶液浓缩的方法。
在用二氧化碳和过量氨制备尿素中，在合成区中，首先在125-350巴的压力和相应的170-250℃的温度下，形成一种含有氨基甲酸铵和游离氨的尿素合成溶液。将氨基甲酸铵分解为氨和二氧化碳，并将该分解产物，以及在该溶液中存在的一部分氨和水，在几个步骤中，从该溶液中除去。最后可得到在水中的尿素溶液，此种尿素水溶液含有大约70-75％(重量)的尿素，而其中仍然还有氨和二氧化碳存在。此种溶液不适合作为肥料或用于制造树脂。通常，首先必须将其加工成为固体尿素。在将其加工成为固体尿素时，可利用蒸发作用，将至少是大部分的在该溶液中仍然存在的大约25-30％的水以及氨和二氧化碳除去，或使尿素从该溶液中结晶出来并将该结晶熔融，然后即可将所得到尿素熔体转化为尿素颗粒。由于将尿素曝露在高温下，可使尿素分解并形成缩二脲，而在将尿素用做肥料或用于制造树脂时，此种缩二脲都是不希望存在的，通常，尿素溶液的蒸发作用，是在减压下进行的，以便避免过高的蒸发温度。此外，在经济核算的前题下，几乎所有的蒸发过程，都是在二个或几个步骤中进行的，在第一个或前几个步骤中，在中等程度的减压下，将所存在的大部分水除去，随后，在最后一个步骤中，在高度减压下，继续进行蒸发作用，直至形成一种含有低于0.5％(重量)的水的实际上是无水的尿素熔体。但是，也可以将第一个蒸发步骤中所得到的溶液，通常此溶液的尿素浓度为90-97％(重量)，在例如一种造粒工艺过程中进行加工，而不必进一步浓缩。
在进行蒸发时，几乎都是应用蒸发器，其中，把要浓缩的溶液通过一种垂直管束的管子，而进行蒸发所需要的热量则是通过在管束周围所提供的壳空间中的低压水蒸汽的冷凝作用来提供的。
已经有人建议利用可由尿素合成过程中所得到的气态和液态工艺过程流所产生的热来浓缩尿素溶液，可参看例如未预先公开的荷兰专利申请8602770。在所述专利申请中所叙述的方法是涉及一种尿素合成的方法，其中，在一合成区中，在125-350巴压力下，首先形成一种尿素合成溶液，此尿素合成溶液除含有尿素和水外，还含有氨基甲酸铵和游离氨；将此种尿素溶液在几个分解步骤中进行处理，其中包括在合成压力或较低压力下的第一步骤和在4-40巴压力下的第二步骤，来将氨基甲酸铵分解；并将该分解产物，以及所存在的一定量的水和游离氨，从该溶液中除去；和最后将剩余的溶液在二个蒸发步骤中进行浓缩。在第一蒸发步骤中所需要的热量，是由在4-40巴压力下的第二分解步骤中得到的气体混合物的缩合作用提供的，此种气体混合物是在将汽提过的尿素合成溶液进行膨胀并连续地将该膨胀后的反应混合物与来自第一分解步骤的正在被缩合以产生氨基甲酸铵的气体混合物进行热交换后形成的。
当进行缩合作用所释放出来的热量，不够供应此蒸发步骤所需要的热量时，那么可通过辅助性的低压水蒸汽的冷凝作用来提供所需要的另外一部分热量。
在进行尿素合成中，为了进行不发生事故的操作和为了得到高质量的最后产品，最好是将从第一蒸发步骤放出来的尿素溶液的温度和浓度保持在一预定的固定值，例如浓度为95％(重量)，温度为130℃。一般来说，在蒸发步骤中的尿素溶液的浓度和/或温度的增减，可通过调节提供给此蒸发步骤的热量来调整。如果，在将尿素溶液蒸发时，应用含有NH3、CO2和H2O的气体混合物的缩合作用所提供的热量，和由低压水蒸汽的冷凝作用所提供的补充热量，根据上述荷兰专利申请8602770的建议，则是将水蒸汽量限制在一最小量，于是，调整热量的供应就必须通过调节被缩合的气体混合物的量来进行。在实践中，这也就是说，必须改变通入汽提区中的水蒸汽的水蒸汽压。此种作法的缺点是，蒸发步骤中的扰动会影响在高压部分的尿素合成的工艺过程操作，从而导致不稳定的装置操作。
本发明的目的是提供一种制备尿素的方法，在此法中，通过含有NH3、CO2和H2O的气体混合物的缩合作用，非常经济地满足了第一蒸发步骤所需要的热量，而不需要辅助性的水蒸汽加热。通过在一种压力下，只产生那么多的可使缩合作用温度始终保持高于将尿素溶液蒸发的温度所需要的氨基甲酸铵分解气体并实际上将它们完全缩合，从而提供足够的热量来达到一种预定的最后浓度和最后温度，即可达到本发明的目的。如果在缩合过程中，在一个最合适的地方，还加入水或一种氨基甲酸铵水溶液，则可使压力保持在一最低值。
因此，本发明是涉及一种将水从尿素溶液中蒸发出来而使尿素溶液浓缩的方法，在此法中，首先在一合成区中，在125-350巴的压力和相应的170-250℃的温度下，用二氧化碳和过量的氨气，形成一种含有氨基甲酸铵和游离氨的尿素合成溶液，在一第一分解步骤中，在合成压力或较低的压力并同时提供热量的情况下，将一部分氨基甲酸铵分解，和将所得到的气体混合物，在第一缩合区中至少部分地缩合，并将该缩合液和任何未缩合的部分送回合成区，在一个或几个进一步分解步骤中，将另一部分仍然存在的氨基甲酸铵分解和将所形成气体混合物分离，将进一步分解步骤的第一步分解步骤中的压力保持在4-40巴并提供热量，将剩余的含有尿素的溶液，在至少二个步骤中通过蒸发作用来进行浓缩，在第一蒸发步骤中，利用在进一步分解步骤的第一步分解步骤中所得到的气体混合物在进行缩合时所释放出来的热量。
本发明的特征在于，将进一步分解步骤的第一步分解步骤中的压力调至最低值，在此压力下，将该气体混合物实际上完全缩合，所释放出来的热量足以使在第一蒸发步骤中的尿素溶液达到所需要的最后浓度和温度。
较好的是，希望从第一蒸发步骤中放出来的尿素溶液具有浓度为94-96％(重量)和温度为129-131℃，因为具有此种浓度的溶液，可以在转化为一种实际上是无水熔体或将此种无水熔体直接进行一种制粒过程所需要的增加真空度的条件下，毫无问题地进行蒸发。在进一步分解步骤的第一步分解步骤中的压力，通常可选择在15至22巴之间，而较好的是大约18巴，于是在将所形成的气体混合物进行缩合作用时，就可以释放出足够高的温度的足够大的热量。由于最好是使缩合作用所释放出来的热量成为可利用的温度尽可能高的热量，所以在气体混合物进行缩合时，尽可能地将压力保持在等于进一步分解步骤的第一步分解步骤的压力下。
为了保证缩合气体的温度始终高于被浓缩的尿素溶液的温度，应使被浓缩的溶液与缩合气体混合物之间的热交换，以相反方向流动的逆流方式来进行。参看

图1就会更加明白了，图1是一种Q-T图(Q＝传递给被浓缩的尿素溶液的热量；t＝缩合气体混合物的温度)。
在图1中，曲线a表示在无水存在的情况下，气体混合物的缩合曲线，曲线b是在有水存在的情况下，气体混合物的缩合曲线，而遚是被浓缩的尿素溶液的蒸发曲线。在将水溶液，在温度实际上相当于w点的温度的部位，加入缩合气体混合物，于是缩合作用就按曲线UVWX进行，在被蒸发的尿素溶液和缩合气体混合物之间的温度差始终足以保证进行良好的热传递。
根据图2和实例可详细地说明本发明，但是，图2和实例并不能限制本发明。
根据图2实施本发明的方法时，1表示合成区，2表示第一分解步骤，例如汽提区，3表示第一缩合区，而4表示洗涤塔。5、8和10表示膨胀阀，6表示加热区，7和9表示气-液分离器，11表示被蒸发的尿素溶液的储罐。12和13分别表示第一和第二蒸发步骤，14表示第二缩合区，而15表示在第一蒸发步骤中，在进行热交换时所得到的氨基甲酸铵溶液的储罐。16表示泵送氨基甲酸铵溶液的泵，17表示液体喷射器。
将液态氨经管践18、喷射器17和经管线19从洗涤塔4通入的氨基甲酸铵一起，经管线20，通入第一缩合区3中。经管线21，还将来自汽提区2的气体混合物加入此区。此种气体混合物是在将尿素合成溶液从合成区1，经管线22，通入汽提区2，在同时提供热量的情况下得到的，该尿素合成溶液与经管线27通入此区的二氧化碳的流动方向相反。此第一缩合区可，例如，设计成为一种直立的管式换热器形式。将此区中在形成氨基甲酸铵时所释放出来的热量，利用锅炉进水放出，从而将此种锅炉进水转化为4-5巴的低压水蒸汽。该汽提区也可以设计成为一种直立的管式换热器形式。将汽提处理所需要的热量以，例如，15-30巴的高压水蒸汽的形式加入。将第一缩合的区3中所形成的氨基甲酸铵溶液和未缩合的气体一起，经管线23，通入合成区1。在此区中，氨和二氧化碳进一步的缩合作用，产生氨基甲酸铵，并产生足够的热量来提供将氨基甲酸铵转化为尿素的吸热反应所需要的热量。将合成区中未缩合的气体，此种气体混合物含有与新加入的氨和二氧化碳，和任选的用作钝化作用的空气或氧气，一起引入工艺过程中的惰性气体，经管线24，通入洗涤塔4，在洗涤塔4中，用经管线26加入的氨基甲酸铵将存在于气体中的氨和二氧化碳洗出。经管线15将惰性气体排入大气。
将汽提过的尿素溶液从汽提区2放出并经管线28、膨胀阀5送入气-液分离器7，在膨胀阀5中将压力降至4-40巴，例如大约18巴，而在经过加热区6时，在此加热区6中就将反应混合物加热至130-180℃，例如大约165℃，通过热交换，就使仍然存在的一部分氨基甲酸铵分解。从该气-液分离器，经管线29，将所形成的主要是氨、二氧化碳和水蒸汽的气相放出，和经管线30，将剩余的液相放出。利用膨胀阀8，将液相的压力降至1-10巴，例如大约7巴，并将所得到的气-液混合物通入气-液分离器9。将在气-液分离器9中所得到主要是氨、二氧化碳和水蒸汽的气相，经管线31，通入第二缩合区14，在此第二缩合区14中，将此气体混合物，例如利用经管线41通入的工艺过程缩合液，缩合为氨基甲酸铵溶液。利用冷却水将缩合作用所释放出来的热量放出。在气-液分离器9中所得到的液相，经管线32和膨胀阀10流入储罐11，在经过膨胀阀后，该溶液即被膨胀至1个大气压或较低的压力，例如0.6巴。从此储罐将所得到的含有例如大约70％(重量)尿素，并仍然含有氨和二氧化碳的溶液，经管线35，通入第一蒸发步骤12。然后，将例如已浓缩至尿素含量超过90％(重量)的尿素溶液，通入第二蒸发步骤13。这二个蒸发步骤的加热区，例如，可设计成为垂直的管式换热器形式。将此二蒸发步骤中所得到的含有少量的液体尿素、氨和二氧化碳的水蒸汽分别经管线39和40，在冷凝后，送入一个装置(图中未示出)来提高工艺过程缩合液的浓度，其情况与经管线38从储罐11放出来的气相相同。
在第二蒸发步骤13中进行蒸发所需要的热量是由低压水蒸汽的冷凝作用提供的。在第一蒸发步骤中进行蒸发所需要的热量是由经管线29从气-液分离器7放出的气体混合物的缩合作用提供的。为此，将此种气体混合物通入第一蒸发步骤12的管式换热器的壳的一侧，在此换热器中，同时还经管线33，从第二缩合区14通入氨基甲酸铵溶液。从而，提高了被缩合的气体混合物的露点。氨基甲酸铵溶液还作为被缩合的气体混合物的缩合和分解介质。将气-液混合物通过加热区，其流动方向与被蒸发的尿素溶液的流动方向相反。将在缩合作用过程中形成的氨基甲酸铵，在第一蒸发器的壳的一侧，经管线36，通入储罐15，用泵16使其压力提高到合成压力，然后，再经管线26，通入洗涤塔4的上部，用来从已从合成区1，经管线24，放出的含有惰性气体的气体混合物中除去氨和二氧化碳。
经管线37，将蒸发出来的尿素溶液放出。
实例应用所述的工艺过程，根据实施图2装置的方法，在日生产能力为1500吨的装置中制备尿素。所应用的物料的数量均用公斤/小时表示。在装置的高压部分所用的压力为137.3巴。在反应区中的温度为183℃。
在缩合区中加入35660公斤NH3，其中含有107公斤H2O，并已预热至77℃，和含有28373公斤CO2、26995公斤NH3、13450公斤H2O和24公斤尿素的68892公斤的氨基甲酸铵。在汽提区中加入193678公斤尿素合成溶液，并用含有45862公斤CO2和其余的主要是空气和惰性气体的47906公斤气体混合物来进行汽提处理。从汽提区中得到一种含有63,525公斤尿素、208公斤缩二脲、19730公斤CO2、17741公斤NH3、32342公斤H2O和19公斤惰性气体组分的一种溶液。在提供热量的过程中，同时将汽提过的尿素溶液的压力降低，剩余的溶液即被进一步浓集成为一种大约是75％(重量)的尿素溶液。此种溶液含有63525公斤尿素、208公斤缩二脲、34公斤CO2、400公斤NH3和22272公斤水。此溶液的温度是95℃。在0.33巴压力下，将此溶液通入管式换热器的管子的顶部。用有出口的垂直挡板将该换热器的壳空间分成10个间隔。将在提供热量的过程中，并同时将汽提过的尿素合成溶液的压力降低所得到的气体混合物，在换热器的壳空间的下面通入第一间隔。将含有24公斤尿素。5717公斤CO2、8299公斤NH3和8972公斤水的温度为46℃的氨基甲酸铵溶液通入壳空间的第三间隔。为了将尿素溶液浓缩至温度为130℃的95％(重量)的溶液，需要11685×106千卡的热量。此热量是通过将汽提过的尿素溶液膨胀到17.9巴的压力，并将温度为185℃的含有16320公斤CO2、10881公斤NH3、3939公斤H2O和其余是惰性气体的总量为31159公斤的气体混合物进行缩合来提供的，为了进行该气体混合物的缩合操作，利用了氨基甲酸铵。换热器的壳间的压力是根据所放出来的尿素溶液的最后浓度和压力来控制的。从换热器壳空间的最后一个间隔的顶部，将含有29895公斤CO2、18413公斤NH3、12840公斤水和24公斤尿素放出，同时还放出一种除惰性气体外，还有1142公斤CO2、768公斤NH和14公斤水的气体混合物。从换热器的底部，得到温度为130℃的含有62980公斤尿素、268公斤缩二脲、3公斤NH3和3336公斤水的尿素溶液。
权利要求
1.将水从尿素溶液中蒸发出来而使尿素溶液浓缩的方法，在此法中，首先在一合成区中，在125-350巴的压力和相应的170-250℃的温度下，用二氧化碳和过量的氨气，形成一种含有氨基甲酸铵和游离氨的尿素合成溶液，在一第一分解步骤中，在合成压力或较低的压力并同时提供热量的情况下，将一部分氨基甲酸铵分解，和将所得到的气体混合物，在第一缩合区中至少部分缩合，并将该缩合液和任何未缩合的部分送回合成区，在一个或几个进一步分解步骤中，将另一部分仍然存在的氨基甲酸铵分解和将所形成的气体混合物分离，将进一步分解步骤的第一步分解步骤的压力保持在4-40巴并提供热量，将剩余的含有尿素的溶液，在至少二个步骤中通过蒸发作用来进行浓缩，在第一蒸发步骤中，利用在进一步分解步骤的第一步分解步骤中所得到的气体混合物在进行缩合时所释放出来的热量，本发明的特征在于，将进一步分解步骤的第一步分解步骤的压力调至最低值，在此压力下，将该气体混合物实际上完全缩合，所释放出来的热量足以使第一蒸发步骤中的尿素溶液达到所需要的最后浓度和温度。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，从第一蒸发步骤中放出的尿素溶液的浓度为94-96％(重量)，温度为129-131℃。
3.根据权利要求1和2中的任何一项权利要求的方法，其特征在于，将进一步分解步骤的第一步分解步骤中的压力选择在15-22巴范围内，而较好的是大约18巴。
4.根据附图和实例所述叙和说明的浓缩尿素溶液的方法。
5.根据权利要求1-3的方法所得到的浓尿素溶液。
全文摘要
将水从尿素溶液中蒸发出来而使尿素溶液浓缩的方法，在此法中，首先，
文档编号C07C273/16GK1035110SQ8910071
公开日1989年8月30日 申请日期1989年2月2日 优先权日1988年2月4日
发明者基斯·扬卡斯 申请人:斯塔米卡本公司