专利名称：包括两个分开的反应区的尿素合成方法
技术领域：
本发明涉及一种包括两个分开的反应区的尿素合成方法。
特别是，本发明涉及一种高转化率的尿素合成方法，包括在基本上相同的高压下以至少两个分开的步骤进行氨和二氧化碳的反应，然后进行尿素从含有未反应的产物的混合物中的分离，并且使其循环到至少一个反应步骤中。
尿素是一种广泛使用的工业产品，特别是用作一种化肥，它还用于制药领域和聚合物领域(脲甲醛树脂)。
用于制备尿素的所有工业方法实际上都基于按下列完整反应的直接合成(I)该反应以两个不同的反应步骤进行，生成作为中间体的氨基甲酸铵NH2＋CO2(NH2)COONH4(1a)(1b)在第一步(1a)中，存在放热反应，在室温下该反应的平衡移向右侧(生成氨基甲酸铵)，然而该反应为达到平衡需要高压，在进行后续步骤(1b)所需的高温下，高压有利于得到令人满意的产率。在第二步(1b)中，存在吸热反应，该反应对于该方法的工业应用来说只有在高温下(＞150℃)才达到令人满意的速率，然而在185℃时平衡状态下在试剂的化学计量混合物中CO2的转化率不大于53％。这样的不令人满意的转化率可以通过提高NH3/CO2比值而方便地提高，但加入水后会进一步地降低。后者还对该方法的总的动力学有不利影响。
一般地，上述两个反应步骤在同一反应器中同时进行，从而反应混合物含有尿素、水、氨、二氧化碳和氨基甲酸铵，在反应器的不同部位，这些成分的相对浓度取决于对该反应有影响的各种热力学和动力学因素。
这类的制备尿素的方法已经在本领域的专业文献中有详细地描述。一种制造尿素的最常用的方法的详细报导可以在例如“Encyclo-pedia of Chemical Technology“Ed.Kirk-Othmer，Wiley Interscience，third ed.(1983)，vol.23，pages 551-561中找到。
在制造尿素的工业方法中，合成通常在一个被供给NH3、CO2和碳酸铵(氨基甲酸酯(NH4)2CO3的一种不稳定前体)的水溶液和/或来自未转化试剂回收物流的氨基甲酸酯的反应器中进行，温度在170和200℃之间，压力至少130ata，以使通常产生液相，以进料物流的和计算的NH3/CO2摩尔比在2.5和4.5之间。加入反应器中的H2O/CO2摩尔比一般在0.5和0.6之间。在这些条件下，从反应器排出的产物相对CO2进料转化率在50和65％之间。除了生成的水和加入的过量NH3外，反应器流出物还含有大量的未转化的CO2，主要是以未转化的氨基甲酸铵形式存在。
尿素从这些产物中的分离是在高温和减压条件下几个操作区中进行的，在这些区域中氨基甲酸铵进行分解成为NH3和CO3(制得的可用于循环到反应器中的产物)并且反应水进行蒸发，以最终得到高纯度的尿素用于后续的造粒步骤。
用于所述氨基甲酸盐的分离和循环的区域的投资费用对最终产品的成本有相当大的影响。由于CO2和NH3同时存在，全部CO2和部分NH3由该区制得，作为铵盐(碳酸盐和/或碳酸氢盐和/或氨基甲酸盐，取决于温度)用于循环，使得需要用水作溶剂除去它们以避免盐的沉淀和随之而来的有关的管线的堵塞。然而，水向反应器中的循环可以降低转化率，这是由于水对反应(1b)的不利影响所致。为了更清楚地解释上述现象，应当指出，循环到反应器中的水量一般近似等于反应过程中制得的量，这样使反应器内部的水量加倍。从而，由于高浓度的水从反应区的开始处进一步增加到反应器内部区域中的最大值，常规的反应器是特别不利的，反之亦然，如果使水的浓度尽可能地降低会更有利于残余氨基甲酸盐的转化。按照上述普通方案操作的已知方法例如在US4092358，US4208347，US4801745和US4354040中有记载。
为了提高二氧化碳成为尿素的转化率，已经提出了包括至少两个反应区的尿素合成方法，所述区是相互分开的并在不同的温度和压力条件下操作。例如已公开的欧洲专利申请544056描述了一种方法，其中有两个独立的反应区，两个区都被供入氨和二氧化碳，其中之一按常规方式操作，另一个在更高的温度和压力下操作，所述温度和压力分别为大于200℃和300巴。虽然这确实使单程总转化率提高，但在第二个反应区中使用这样高的压力和温度产生所涉及的设备的安全和腐蚀问题，这样需要较大的投资和较高的维护费用。
因此，人们对尿素的生产方法提出了更高的要求，既有增加的产量又有低的能耗和投资及维护费用，特别是如果我们考虑有这样广的用途和有相应的低附加值的产品，实际上需要有大尺寸的设备，该设备能够生产日产高达2000吨尿素，其中在产率和/或单元能耗方面的改进既使是不很显著，也可提供大的经济效益。
申请人现在已经发现一种克服上述常规工业方法的困难和局限的方法，该方法还不需要使用非常高的压力，CO2成为尿素的转化率达到65％以上，并且一般在70和85％之间，这取决于操作条件和所用的设备设计方案。
从而本发明涉及一种由氨和二氧化碳合成尿素的改进的方法，其中生成氨基甲酸铵作为中间体，该方法包括(a)在一个反应步骤中，使氨和二氧化碳在90至250ata的总压力下反应，NH3/CO2以其自身或以氨基甲酸铵形式存在的摩尔比在2.1和10之间，优选在2.1和6.0之间，生成含尿素、氨基甲酸铵、水和氨的第一液体混合物；(b)将所述第一液体混合物送至至少一个分解一汽提步骤；(c)在所述分解一汽提步骤中加热所述第一液体混合物，基本上在前面步骤(a)中所用的同样的压力下操作，以实现至少一部分含于其中的氨基甲酸铵分解，生成含氨和二氧化碳的第一气体混合物，和含尿素、水、氨和未分解的部分氨基甲酸铵的第二液体混合物；(d)将至少一部分所述第一气体混合物送至至少一个冷凝步骤，该步骤基本上在与步骤(a)相同的压力下操作，并使所输送的混合物冷凝，生成含氨基甲酸铵、水和氨的第三液体混合物；(e)将所述第三液体混合物和第一气体混合物的剩余部分送至反应步骤(a)；(f)在一个或多个后续的分解、冷凝和分离步骤中回收含于第二液体混合物中的尿素以得到基本上纯的尿素并再用于未转化的氨和二氧化碳(以其本身的形式或氨基甲酸铵的形式)的合成中；其特征在于上述反应步骤(a)在至少两个不同的区域中进行，所述区域相互连通并且基本上保持在相同压力下，其中第一个区域在170和230℃之间的温度操作，生成所述第一液体混合物和第二气体为主的混合物，该气体混合物主要含有氨、水、二氧化碳和可能有的惰性气体，并且第二区域在比第一区域低的温度下操作，使得相对于上述第一液体混合物的重量，至少5％的第二气态为主的混合物，优选等于或大于10％重量，更优选在20-40％的重量从第一区送至第二区，在第二区中随后生成含有氨、氨基甲酸铵和可能有的尿素的另一种液体混合物，该混合物再从第二区被送入第一反应区。
在说明书和权利要求中所用的术语“连通”与本发明方法的两个不同的区域或设备有关，意思是大量的物料连续地或逐步地在相互之间进行交换，所述交换直接通过一个或多个一个连接管线或者间接地通过由连接管线和其它设备构成的路线进行。
按照本发明的方法，该方法通常在一种适当的设备中连续进行，新鲜的氨和二氧化碳被连续地加入所述设备中以平衡相应量的反应物，所述反应物是为生成在该设备的最后分离和造粒区的出口处得到的尿素所消耗的。与含有氨、水、氨基甲酸铵和二氧化碳的腐蚀性混合物接触的整个设备按照这种设备的一般设计规则由耐腐蚀金属或合金制成或衬有所述金属或合金。
新鲜的氨和二氧化碳可被直接供给该反应步骤，但被优选至少部分用作一个或多个喷射器中的驱动流体，以提供使流体循环所需的推进力，所述流体有如从汽提步骤(c)排出的第一气体物流和/或来自冷凝步骤(d)的氨基甲酸铵。
作为一种选择方案，或者还与在喷射器中的使用同时，新鲜的氨或二氧化碳可以全部或部分被用作汽提塔中的汽提流体和/或被直接送入冷凝器。
正如已经指明的，按照本发明，反应步骤(a)在两个处于基本上相同的90和250ata之间，优选130和180ata之间的压力条件下操作的不同的区中进行。本发明及权利要求中所用术语“基本上相同的压力”意思是允许小的压差，但是相对于总压不很显著。这包括例如这样小的压差，它可以通过布置该设备和所感兴趣的区域在不同的高度，和/或通过喷射器来补偿。
在本发明的方法中，在反应步骤(a)中，在氨相对于制造氨基甲酸铵和随后的尿素(摩尔比2/1)所需的二氧化碳的化学计量比过量的情况下操作，离开第一反应器的物流和一般来说大部分在该方法中生成的液体物流通常含有过量的氨。在描述过程中，关于这些液体物流和混合物(或还有两相的)的组成，按常规认为，全部二氧化碳以氨基甲酸铵的形式存在，而且剩余的过量的氨作为溶液中的游离氨或更简单地作为氨存在。
另外，为简化本说明书，术语“液体”一般是本发明方法的物流或混合物，所述物流或混合物是由单一液相组成或者是由液相为主(大于50％重量)的混合的液体一蒸汽相组成。
在本方法中，含氨基甲酸铵的液体物流优选全部处在等于或大于130℃的温度。
最后，按照本发明，术语“气态的”用于基本上不存在液相的那些物流或混合物，而术语“气态为主的”指的是一种反应混合物或物流，其含义应当被解释为气体和液体仍在平衡中存在，但气相大于50％重量，优选大于70％重量，所述值是相对于所感兴趣的混合物的总重(或总的质量流速，在连续过程中的物流的正常情况下)而言的。
按照本方法，前面提到的两个反应区中的第一个在170和230℃之间的温度下，优选在190和210℃之间的温度下操作，从未转化成尿素的循环的氨基甲酸盐和来自处于下游的分离步骤的过量氨得到的不同物流，新鲜反应物进料物流(后者可能与循环物流预混合)，以及来自第二反应区的另外的液体物流优选被加入该第一反应区。在总进料中的氨/二氧化碳摩尔比优选在2.1和6.0之间，更优选在2.5和4.5之间。第一反应区(或主反应器)中的条件引起与液相混合的数量可观的汽相的生成，该汽相集中在反应器的上部，顶部主要由气相组成，该气相被送入第二反应区。
除了较高的操作温度外，第一反应区基本上类似于一个常规方法中合成尿素用的常规反应器。该反应器一般设有几块选自本领域中各种已知类型的板以实现最佳的流动状态。从而该反应器可被细分成几个反应区，这些反应区相互适当地连通，优选呈串联形式，还可能在不同高度有不同的进料物流。
步骤(a)的第一区中所产生的热以及反应器的热级一般可以通过对反应器中的二氧化碳和/或氨物流的热级的作用和/或根据汽提塔、冷凝器和反应器之间的这些进料物流之间的分隔和/或根据冷凝器中回收的热量来控制。
该第一反应器必须有一定的持液量，以使平均停留时间在几分钟和几十分钟之间，优选在5和40分之间，从而使通过氨与二氧化碳的反应生成的氨基甲酸铵脱水成为尿素。
按照本发明，第二反应区在低于第一反应区的温度操作，一般在140和200℃之间，优选在150和185℃之间，两区之间的温差优选在5和60℃之间。离开第一区顶部的以气体为主的第二气体物流进入第二反应区，该物流主要由氨、水、二氧化碳和可能的惰性气体如氮气、氩气、和少量氧气构成，所述惰性气体的引入是按照本领域中公知的来限制设备的腐蚀。本发明的范围内还包括向第二反应区加入部分氨和二氧化碳反应物的可能性，这部分反应物是为补偿转化成尿素的那些所需的，还包括加入部分或全部离开步骤(c)的汽提塔的上述第一气态混合物的可能性。在该第二反应区中的氨/二氧化碳摩尔比一般取决于在第一反应区中的反应器的操作条件，该操作条件决定了加到该第二区中的气态为主的物流的组成。这些摩尔比可以在相当宽的范围内改变，这取决于设备的运行状况，所述摩尔比优选在第二反应器的总进料中在2.1和7.0之间。
本方法的步骤(a)的第二反应区一般由一个设有上面提到的相同的防腐措施的反应器构成。该区可以例如由一个与第一反应器分开的第二反应器组成，而且该反应器前面在来自第一反应器的进料管路上设有一个冷凝器，或者该区可以包括一个产生蒸汽或加热一种不同的液体或气体物流的冷凝器—换热器，所述冷凝器—换热器还可以与步骤(d)的相同冷凝器相重合。
在本发明的一个具体的实施方案中，第二反应区在一个位于第一反应器顶部的换热器一分凝器中实现以实际上形成一单个的设备。该换热器一分凝器与位于下方的主反应器通过一个构件分开，该构件由例如一个隔板或叠板构成，该板设有适于允许汽相从第一反应区通向第二反应区并收集在该第二反应区中生成的液体的装置。所述液体通过适当的循环管路被送入下面的主反应器，而且优选被加入其下部。
按照本发明的方法，在该第二区中按照反应(1a)优选在比第一区低的温度下生成氨基甲酸铵，而且还可能按照反应(1b)生成部分尿素，这取决于第二反应器的操作条件。从而生成一种含有氨基甲酸铵和由于过量地存在于进料中而剩余的氨的液体混合物，该混合物还优选含有所生成的尿素和相应的水。然后该液体混合物被输送并再被引入第一反应区，优选被加入其下部。它还可能与来自步骤(a)的下游段的循环液体物流混合后再被引入。
在第二反应区中使用一种前面有一个换热器/冷凝器的反应器可以显著提高在该辅助反应器中的尿素(和氨基甲酸盐)的生成量，所述换热器/冷凝器被供给来自第一反应器的以气体为主的物流；这种作为位于主反应器上游的单个冷凝器的辅助反应器或者有有限的停留时间且其中进行非常快的反应的反应器的供选择的使用提高了氨基甲酸盐的生成量在两种情况下离开反应步骤(a)并被供入汽提塔的液体混合物由于主反应器的较高的热级由一种有低浓度的氨基甲酸盐的物流组成。
按照本发明，关链在于将适当量的在第一反应区中生成的气态为主的混合物送入第二反应区。这种输送可以根据合成循环和过程设计方案的操作条件以各种方式进行。特别是，例如该气态混合物可在第一区中已经与离开该反应步骤的第一液体混合物分开，并从第一反应器的顶部进入第二区。或者所述第一液体混合物和上述气体为主的混合物可以被看作一种来自第一反应区的单一的两相混合物，随后被分离成两个相(液相和气相，例如在一种适当的相分离器中)，并分别被送入第二反应区和上述分解一汽提步骤(c)。在后面的情况下，两相的分离还可以在相同的分解一汽提步骤的入口处进行，利用如汽提塔的顶部作为相分离器，两相混合物被加入其中。
在本发明的方法中，富集在必须被排出的惰性产品中的第三气体物流可以从第二反应区的顶部分出。在惰性产品被排出前，该气态物流经过冷凝，以回收含于其中的氨和二氧化碳，所述氨和二氧化碳再直接循环到两个反应区之一中，所述冷凝过程还可以在一个相分离器的帮助下进行。
在另一种形式的实施方案中，该第三气体物流被来自步骤(f)的回收的含水物流逆流洗涤，从而产生一个主要含被排放的惰性产物的气相，和一个常规加入冷凝器中的液体物流。
在另一种形式的实施方案中，第三气体物流作为一种汽提剂被再循环并加入进行步骤(f)所需的设备之一中，所述设备例如尿素的浓缩和提纯段或氨基甲酸盐的分解段，可在中等或低压下进行。
分解一汽提步骤(c)一般在一个汽提塔中进行，该汽提塔一般在高压下由蒸汽间接加热。汽提塔的温度一般在160℃和220℃之间，而压力等于或稍低于反应器的压力，以使得通过喷射器和/或设备的不同高度定位能使分解产物(第一气体物流)循环到反应器中。
在上述条件下，氨基甲酸铵倾向于迅速分解生成氨和二氧化碳，它们通过汽提同时从液相中被除去，而在反应器中已生成的尿素基本上保持不变。所述汽提可以使用新鲜的氨或二氧化碳作为载气进行。在文献中描述了利用上述原理合成尿素的方法各种实例。如，美国专利3356723，STAMICARBON，描述了使用二氧化碳作为汽提气。另一方面，GB1016220，SNAMPROGETTI描述了使用氨用于同样目的。
在本发明的一个优选实施方案中，使用过量存在于离开反应器的物流中的相同的氨作为载气进行分解一汽提步骤。如在美国专利3876696，SNAMPROGETTI中可以找到关于该优选技术的详情，其内容包括在此作为参考。这后一种技术被称为“自身汽提”。
按照本发明，分解一汽提步骤还可以在两个串联的设备(汽提塔)中进行，所述设备可以是不同类型的并在相互不同的条件下操作，例如按GB1581505中所述，其内容被包括在此作为参考。
按照本发明，从分解和汽提步骤(c)得到含有氨、二氧化碳和水的第一气体混合物，其中相对于气体混合物总量的水含量通常在0.0和15％(重)之间，优选在0.5和10.0％(重)之间。该含水量与按照上述方法在高压下进行汽提操作通常得到的含水量大致相同。
步骤(c)还可以使用作为汽提气的适当量的在步骤(a)中在第一或第二反应区生成的气体混合物来进行。例如，被送到步骤(c)的作为汽提剂的气体混合物的量可以是可从第一反应区得到的气体混合物的一部分，其余部分被单独送入第二反应区，或者所述气体混合物可以是取自第二反应区的顶部的含惰性气体的气体物流。
按照本发明的一个具体的实施方案，全部所述取自第一反应区的第二气体为主的混合物在被加入第二反应区之前经过所述分解一汽提步骤。在这种情况下，优选第二反应区与冷凝步骤(d)的冷凝器重合。来自第一反应区的气体混合物和在分解一汽提步骤中生成的气体混合并一起进入该冷凝器一第二反应器。出人意料的是，通过按该具体实施方案进行本发明的方法，除了增加了反应物的转化率外，得到另一种优点，即改进了分解一汽提步骤的效率，此离开汽提塔的底部的第二液体混合物含有低含量、优选少于5％(重)的未反应的氨基甲酸铵。从而，分离步骤(f)按操作成本和投资来说比常规方法中的相应步骤低得多，而且使氨基甲酸盐循环到反应步骤中所需的水量减少。
分解一汽提步骤(c)一般在有降液膜的管束装置中进行。优选使离开反应器的混合物与至少一部分来自汽提塔的下游步骤的第四液体混合物一起进入该设备的顶部并在管束的壁上形成降膜。其它已知的适合于该目的的设备也可被用于本发明的方法中。
本方法的冷凝步骤(d)一般在一种适宜的冷凝器中进行，例如在管束冷凝器中进行，其中冷凝热被用于加热其它流体。该冷凝热优选被用于产生蒸汽，但还可被用于直接供热给在中等或低压状态的氨基甲酸铵的后续分解步骤之一。该冷凝步骤可以在已知方法中所用的普通条件下(温度、压力和组成)进行，只要这些条件能防止在冷凝器中和/或离开冷凝器的管路中形成氨基甲酸铵固体皮或沉积即可。冷凝一般在高于140℃的温度下进行，优选在150和180℃之间的温度下进行，压力稍低于反应器的压力。
按照本发明的一个实施例，并非全部来自汽提步骤(c)的第一气体混合物被送入冷凝器(d)，而是一部分，优选5-50％(重)被送入反应步骤(优选送入在较高温度下操作的第一反应区)以便有助于该反应器的热函控制。
离开步骤(d)的冷凝器的第三液体混合物以及需要时部分离开汽提塔的未冷凝的气体混合物一般在步骤(e)中通过(液体混合物的)喷射器或落差进行向反应步骤(a)的输送。补偿所感兴趣的物流的循环的压差足够小以致不需机械推动装置。喷射器优选使用氨作驱动流体。上述混合物优选被送入步骤(a)的第一反应区。
按照本方法的步骤(f)，在以中等(15-25ata)和/或低(3-8ata)压下操作的后续(氨基甲酸铵的)分解和分离段中进行尿素与仍处在离开分解一汽提步骤的第二液体物流中的氨和氨基甲酸铵的分离。为了实现本发明的目的，该分离步骤(f)可以通过本领域的专业文献中所述的任何方法来进行，只要该方法能得到循环的液体物流，该物流含有氨基甲酸铵和氨的水溶液，而且还可能得到一种主要由氨构成的物流，该物流一般被再压缩并被加入新鲜进料氨物流中。
适合于本发明目的的分解、分离和提纯段为例如上面提到的文献“Encyclopedia of Chemical Technology”的
图1-5中所图示的那些。
从基本上全部剩余的氨基甲酸铵和氨中在分解和汽提步骤中在中等和低压下分离出的尿素随后进行最后的真空(高达0.1ata)脱水步骤，该步骤除去水并且另一方面完成氨基甲酸铵的分离，得到废水和基本上纯的尿素，该尿素被送至普通的造粒过程等。在NH3和CO2的最后的杂质分离和循环后，如此产生的废水从设备中排出。
按照本发明的一个优选的实施方案，含有来自步骤(f)的不同子步骤(氨基甲酸盐在中等或低压下分解、氨基甲酸盐的再冷凝、尿素的脱水、废产物的提纯)的氨基甲酸铵(和/或二氧化碳的其它构成形式)的不同的物流一起加到上述循环物流中，该物流在再次压缩后全部或部分加入冷凝步骤(d)中，该步骤还可如上所述与第二反应区重合。冷凝步骤(d)和反应步骤(a)的第二区之间的重合显然是指用于此目的的设备的物理的重合，从技术角度来看，该两步骤的意义和效果是完全不同的。
在本发明的一个优选的实施方案中，所述循环液体混合物的50-100％(重)与来自第一反应区的第一液体混合物一起加入分解一汽提步骤(c)中。这种方式大大降低存在于反应混合物中的水量，进一步提高一次通过转化率。
按照尿素的分离和提纯的特定形式的实施方案，本发明的范围还包括，循环的氨和二氧化碳可以以碳酸铵，碳酸氢铵或氨基甲酸铵，或者它们的混合物形式存在，这取决于混合物的温度和压力。
按照本发明的过程，能够显著提高二氧化碳成为尿素的转化率，在最适宜条件下，转化率可以达到70和85％之间。出人意料的是这不是在非常高的压力下操作实现的，而是简单方便地在两个不同的且相通的区中进行该反应，这两个区在不同的温度下但在基本相同的压力下操作。本方法的另一个优点是在高压汽提操作(步骤(c))中蒸汽消耗较少，这归因于在离开反应步骤的第一液体混合物中氨基甲酸盐相对尿素的量较少。
另外，本方法的一个优点是能够用常规的、已存在的设备进行一些简单的改进后容易和出人意料地进行。
从而本发明的另一个目的涉及一种用于对现有的以氨和二氧化碳为原料中间生成氨基甲酸铵的尿素生产方法的改进方法，该方法用高压合成段操作，包括一个第一尿素合成反应器，该反应器用过量的氨，在90和250ata之间的压力下操作，生成含有尿素、水、氨和氨基甲酸铵的输出液体物流；一个在所述液体物流中的氨基甲酸铵的分解步骤和如此生成的位于所述反应器下游的含二氧化碳和氨的气体物流的分离步骤(汽提)；和一个离开所述分解一汽提步骤的气体物流的冷凝器，生成含有作为循环产物加入所述第一反应器的氨基甲酸铵的液体物流；其特征在于它包括下述操作(i)设置一个用于以二氧化碳和过量的氨为原料生成氨基甲酸铵和可能的尿素的第二反应器，该反应器在基本上与上述第一反应器相同的压力下操作，操作温度优选在140和200℃之间，更优选在140和185℃之间，而且该第二反应器还可以与上述现有的氨基甲酸盐冷凝器重合；(ii)设置适当的构件和连接管路，用于从上述第一反应器的顶部输送物料到第二反应器，并将物料从第二反应器相应地输送至第一反应器；(iii)建立所述第一和第二反应器的操作条件，使第二反应器的温度低于第一反应器的温度，优选低于5-60℃，在第二反应器中生成与液相混合的汽相；(iv)将含有二氧化碳和氨的气体或气体为主的物流从第一反应器顶部输送入第二反应器，相对于上述离开第一反应器的液体物流重量，所述气体物流的重量为至少5％，优选等于或高于10％，更优选在20和40％之间，在该第二反应器中随后生成含氨基甲酸铵和优选还有尿素的液体混合物，该混合物被送入第一反应器，优选将其从下部加入。
上述的用于改进现有的尿素生产方法的方法(一般在专业领域中用术语“改装”表示)实际上导致一种包括两个不同的反应区的方法，该方法基本上类似于本发明的方法。从而所有不同形式的实施方案，和先前限定的优选的条件应当被有根据地看作上面“改装”方法的一种描述。
按照本发明的改进的方法通过四个附图来进一步阐述，其中图1是本发明方法的一个优选的实施方案的示意图，其中反应步骤在两个单独的反应器中进行，这两个反应器通过构件相互连通以利于质量交换。
图2是本发明方法的一个优选实施方案的示意图，其中反应步骤是在细分成两个区的单个设备中进行，所述两区相互连接以利于质量交换。
图3是本发明方法的一个优选的实施方案的示意图，其中反应步骤在两个反应器中进行，其中之一还是离开高压汽提塔的气体的冷凝器；图4是本发明方法的一个优选实施方案的示意图，它基本上类似于前面的图3的方法，不同的是离开第一(主)反应器的气体在进入第二反应器之前经过一个高压汽提塔，而不是被直接加入第二反应器。
在上述图中，虚线表示用于本发明的方法的该实施方案的可供选择的并不相互排斥的可能方案。在上述图中没有示出不影响充分理解所图示的方法的功能部件如泵、阀和其它设备。按照本发明选用于生产尿素的实施方案中的设备种类和配置实际上基于常规设备的通常设计标准，而且是本领域的普通技术人员所熟知的。本发明的方法决不应当被认为限制到仅用于描述功能的附图所示的方案。
图1表示借助于溢流管4连接到汽提塔S1的反应器R1。汽提塔下部连接到尿素的的分离提纯段P，管路5离开该段，使氨基甲酸盐循环。管路5可以通过管路5C直接连到冷凝器C2，或者通过管路5b间接连接，或者可以借助管路5a连接管路4。几种同时连接也是可能的，使管路5的物流分流。纯尿素管路15和废水管路14也离开相同段P。汽提塔S1借助管路7以及喷射器E1(由来自管10b的氨物流驱动)和管7a和7b从上部连接冷凝器C2。汽提塔S1还可以借助管7a、7c和16直接连到反应器R1(有气体物流7的分流)，在这些管间可能设置有由来自管10c的氨物流驱动的喷射器E3。管8表示冷凝器的出口管，管8后面是管11，这两个管之间可能设有喷射器E2，该喷射器也与管10连接，所述管10输送新鲜的(管2)和循环的(管9)氨，循环的氨来自尿素的分离和提纯段P。管11连到一个相分离器FS2，气体管11b从上部离开，液体管11a从下部离开。新鲜二氧化碳的管1在接到来自分离器FS2的管11b后可直接进入反应器(管1a)，或者它可以连接冷凝器(管1b)或汽提塔底部(管1c)，或者还可连接一个以上所述装置，形成分流。管11a连接来自第二反应器R2的管17，形成反应器R1的液体进料管18a。反应器的气体进料管18b汇集(可能的)物流1a、11b和16。
离开反应器R1的顶部的管3连接冷凝器C3且随后(管3a)连接相分离器FS1，反应器R2借助于管19(气体)和3b(液体)从所述分离器进料。管17通过一个溢流管离开反应器R2，并在连接循环液体物流形成管18a后返回第一反应器R1。管12离开反应器R2的顶部并连接冷凝器C1，该冷凝器经管12a排出惰性产物并使冷凝液经管13循环，管13连接上述来自分离器FS1的管3b形成反应器R2的液体进料管20。
就反应器R1的连接和其下游段(汽提塔、氨基甲酸盐的循环和尿素的提纯)来说，图2所示的与图1相同的构件具有相同的含义。然而，在这种情况下，反应器R1被构造成在上部直接与分凝器C3-R2相连，与其形成一单个设备。分凝器同时具有冷凝器C3和第二反应器R2的功能，并且通过开在叠板中的通道3连通R1，所述叠板收集冷凝液，并借助返回管17连接R1，该管17与前面的图1中的管17有基本上相同的含义，但在这种情况中，该管没有连接循环液体管11a。从而在这种情况中，反应器R1接收分开的两个管17和11a，但是这些管连接形成单个液体进料管(与图1的管18a类似)显然也被包括在本发明的范围内。
分凝器C3-R2还可能通过管11c接收一部分来自相分离器FS2的气体物流。
管12离开分凝器C3-R2的顶部并连接冷凝器C1，冷凝器C1通过管12a放出惰性产物并使冷凝液通过管13循环，该管13直接连到分凝器C3-R2的上部。
图3表示本发明的一个具体的实施方案，其中第二反应器由来自高压汽提塔的气体的相同冷凝器构成。该图表示的反应器R1通过管3从顶部连接冷凝器一反应器R2-C2，并通过溢流管4从底部连接汽提塔S1。汽提塔S1从底部连接尿素的分离和提纯段P，管5从该段P离开用于氨基甲酸盐的循环。管5可以通过管5C直接连接冷凝器一反应器R2-C2，或者通过管5b间接地连接，或者它可以借助管5a连接管4。几个同时连接也是可能的，形成管5的物流的分流。纯尿素管15和废水管14也离开相同段P。汽提供S1通过管7、喷射器E1(由来自管10b的氨物流驱动)和管7a及7b从顶部连接冷凝器一反应器R2-C2。管7b是管7a、来自反应器R1的顶部的管3、以及分别输送新鲜二氧化碳和来自处于中等或低压段(段P)的循环的氨基甲酸盐的可能的管1b和5b这些管的集合。冷凝器一反应器R2-C2也可以借助管3-3a直接与反应器R1相连。
汽提塔S1也可以借助管7c和16直接与反应器R1相连(有气体物流7的分流)，在管7c和16之间可能有由来自管10c的氨物流驱动的喷射器E3。管8为冷凝器一反应器R2-C2的出口管，后面接着管11，管8和11之间可能有喷射器E2，该喷射器还连接输送新鲜氨(管2)和来自尿素的分离和提纯段P的循环的氨(管9)的管10。管11连接一个相分离器FS2，气体管11b(可能含有惰性产物)从顶部离开该分离器，连接冷凝器一分离器C1，而且液体管11a从底部离开，连接来自惰性产物分离器C1的管13形成输送液体进入反应器R1的管18a。形成惰性产物的泄料的气体混合物(物流)借助管12a除去。可供选择的是，该气体混合物借助管12b被送入段P中的残留的氨基甲酸盐的分解步骤之一，在那里它用作汽提剂(按照已知的SNAMPROGETTI技术)。然后惰性产物直接从段P排出。
新鲜二氧化碳管1可以直接加入反应器(管1a)或者可以连接冷凝器(管1b)或汽提塔底部(管1c)或者也可以连接所述一个以上这些装置，形成分流。
图4中的反应器R1通过管3从顶部连接到汽提塔S1的下部，并通过溢流管4从底部连至相同汽提塔S1的上部。汽提塔从底部连接尿素的分离和提纯段P，管5从该段离开用于氨基甲酸盐的循环，在本实施方案中，氨基甲酸盐通过管5与管4的连接返回汽提塔。纯尿素管15和废水管14也离开相同段P。汽提塔S1通过管7和7b从顶部连接到冷凝器一反应器R2-C2。管7b是管7和可能的分别输送新鲜二氧化碳和纯氨(新鲜的和回收的)的管1b和/或10C的集合管。连接R1和S1的管3也可以包括(管3a)一个喷射器E3，该喷射器由通过管10a进入的氨物流驱动。
管8为冷凝器一反应器R2-C2的出口管，该管连接一个相分离器FS2，气体管12a从顶部离开该分离器，输送可能的惰性产物。液体管8a从FS2底部离开走向反应器R1，可能通过一个由经过管10的氨驱动的喷射器E2。反应器R1的液体进料管18是有喷射器E2的管11和分别输送新鲜二氧化碳和纯氨的可能的管1a和10b的集合管。
参照图1、2、3和4描述了本发明的方法的几个实施方案，所述说明不以任何方式限制本发明的整个范围。
参照图1的方案，压缩到160-200ata的并经管2加入的新鲜氨与来自段P的回收的氨(管9)混合，所得到的物流部分通过管10被送到喷射器E2，并且部分送往喷射器E1(管10b)，在那里它用作来自汽提塔的管7的气体的驱动流体。可供选择的是，根据需要，氨可以全部或部分通过管10a加到汽提塔S1，在这种情况下，管10b(和相应的喷射器E1)可以没有。这是用氨进行汽提的情况。
离开喷射器E1(或如果没有E1时汽提塔)的气体物流7a被加入冷凝器C2(管7b)，可能部分或甚至全部加到本设备中的新鲜二氧化碳借助管1b加到所述气体物流7a中。
可供选择的是该物流7a可以被分流，50-70％的该物流与可能的新鲜二氧化碳一起被加到冷凝器C2(管7b)中，而且剩余部分(管7c)可能通过喷射器E3仍使用氨作驱动流体(管10c)被加入反应器R1。
在这种方案中，控制反应器R1中的热函平衡，反应器R1在相对高的温度(190-210℃)和140-160ata之间的压力下操作，并且优选需要一部分有较高热函量和/或含大量能生成氨基甲酸铵的游离CO2的循环气体物流进料。
优选地，来自管2和9的高达30％的氨经10b加到喷射器E1，50-90％经10加到喷射器E2，且其余部分经10c加入喷射器E3。在本发明方法的正常操作条件下，上述物流10、10b和10c所含的氨主要为液态。
新鲜的CO2(管1)可以根据反应器R1的热函需要借助于管1a和/或1b类似地输送，但还经管1c送至汽提塔S1，在这种情况下，它还被用作汽提剂。大部分经过压缩的新鲜二氧化碳优选被送至反应器(60-80％)(管1a)，并且部分被加入冷凝器C2(管1b)。
含于进料物流7b以及(可能的)5c中的氨和二氧化碳在冷凝器C2(主要由适当形状和尺寸的换热器组成)中反应，压力类似于或稍低于反应器的压力，最高的温度优选在150和185℃之间，该温度适合于得到主要含有氨基甲酸铵和氨以及较少量的水和可能的尿素的液体物流(第三液体混合物)。所述尿素可能已经在该冷凝步骤中少量地生成，因为操作条件已经适合于使前面提到的化学平衡(1b)偏向右侧移动。冷凝放出的热被用于产生蒸汽或用于加热在中等或低压下的后续的尿素提纯段的物流。在该冷凝器中产生的液体物流经管8和11加到反应器中，在所述管8和11之间优选设置喷射器E2。
物流11一般由混合的气—液相并以液相为主构成，并优选在分离器FS2中分成两相，气体物流11b和液体物流11a离开该分离器，所述液体物流在进入反应器R1之前与物流17汇合。
反应器的总进料由液体物流18a(包括来自R2的物流17)和气体物流18b组成。
反应器R1可以是常规方法中所用的类型，但优选被改进以促进液相和气相之间的流动和交换，在这种情况中所述流动和交换是重要的。R1一般被认为是主反应器，因为它的物流量和体积一般是R2的2或3倍。优选选择反应器的不同物流和热函平衡使逐步生成的大量的蒸汽相流向其上部。这可以通过选择基于可得到的平衡数据的参数和可能按照专家熟知的常用技术通过经验调整这些参数来得到。
借助溢流管T和管4从反应器R1排出的含有尿素、水、氨和氨基甲酸铵的液体物流被加入汽提塔S1中，用于按照常规设备中所用的普通技术分离未转化成尿素的部分氨基甲酸铵。
在一个优选的实施方案中，管4的物流与含有一部分(优选60-90％)来自尿素的分离和提纯段P的管5的回收的含水物流的管5a汇合并被加入(管4a)汽提塔。该回收物流的可能的其余部分经管5c直接地或经管5b间接地送到冷凝器C2。
在本发明的一个具体的实施方案中，汽提塔S1的进料4a在汽提塔本身的不同高度处被分流。
一种含有氨、水和二氧化碳的气体物流从反应器R1的顶部加入冷凝器C3，在此部分冷凝产生含有氨基甲酸铵和水的液相，所述气体物流优选为管4的流出物流的20-40％(重)。半液体混合物在相分离器FS1中被分成气体和液体组分，它们都被加入辅助反应器R2，该反应器在170和185℃之间的温度下绝热操作，停留时间优选在5和35分之间。在这些条件下，在反应器R2中生成氨基甲酸铵，所生成的氨基甲酸铵进一步反应得到大量的尿素，相对于来自R1的气体物流中的CO2量来说转化率高至70％。
从汽提塔顶部排出的气态物流7含有NH3和CO2，并有低的水含量，优选小于10％(重)，更优选小于5％(重)，将物流7使用NH3作动力流体通过喷射器E1送到冷凝器C2(管7a和7b)。从汽提塔S1的底部排出的物流6含有所有制得的尿素，所述物流6被送入后续的提纯和浓缩步骤，这些步骤在图1的方案中结合到一起为段P。上面已提到的NH3和回收的氨基甲酸盐物流来自该段，纯尿素通过管15且水通过管14排出。
图2所表示的是本发明的方法的一个具体的实施方案，其中两个反应区被包括在被分成两个相连通的部分的单一设备C3-R2中，而不是设置在两个确实分开的反应器中。本发明的方法可在图2所示的设备中进行，基本上与已在图1的设备中所述的优选特征和条件相同，只有冷凝器—分凝器C3-R2不同。
在第二反应区中使用“分凝器”作为低温换热器可以有各种有趣的优点。实际上分凝器能够从来自R1的反应产物中确实地、连续地除去其中生成的产物在这种特定情况中，氨基甲酸盐和可能的尿素为液态(比率明显取决于设备自身的操作条件)，NH3和CO2为气态，这样使下述情况成为可能—有利地移动反应发生的化学平衡—提高这些产品的生成速率分凝器优选直接装在主反应器的上部，与该反应器用一叠板分开，该板收集由分凝器冷凝的液体，然后将该液体送入主反应器，并且优选在底部加入。分凝器典型地由部分换热器—冷凝器组成，它使用竖直设置的管束以促进操作过程中生成的液相的排放。优选操作温度在150和170℃之间，接触时间较短，一般少于10分，优选在0.2和5分之间。
可供选择的是，除了图2所示的以外，分凝器还可以被供给部分CO2和/新鲜或循环的NH3。
参照图3，按照本发明的尿素合成方法用主反应器R1和汽提塔S1进行，操作条件基本上与图1所示的前面说明的相同。然而在该情况中，过程设计大大简化和有利，这归因于该实施方案所需的低的投资费用，因为一般用于来自汽提塔的气体的冷凝的相同的换热器—冷凝器可被供给从主反应器分出的气体为主的混合物。在这种方式中，所得的反应器—冷凝器R2-C2有本发明的第二反应区的功能，然而同时保持来自汽提塔的气体的冷凝步骤(d)的功能。反应器—冷凝器R2-C2的优选操作条件是温度在150和170℃之间，压力基本上等于或稍低于反应器R1的压力，有限的接触时间，一般少于10分钟，且优选在0.2和5分之间。
现在参照图4阐明本发明的另一个实施方案。通过溢流管4从底部离开反应器R1的富含尿素的液体混合物被送入汽提塔S1，在这里提供高压蒸汽用于加热。主要含有从汽提塔S1排出的氨和二氧化碳的气体物流7在反应器—冷凝器R2-C2中冷凝(操作温度在150和170℃之间，而且压力基本上等于或稍低于反应器R1的压力，在换热器中产生低压蒸汽)，并被送入相分离器FS2，该分离器还可以被外部水冷却。含惰性产物的气体物流12a被分离且排出或送入另一步骤(该图中未示出)用于回收含于其中的氨和二氧化碳，留下的富含氨基甲酸盐的相通过管8a从FS2的底部排出。物流8a可以通过重力循环到反应器中，或者可能借助于由进料气优选来自管10的氨驱动的喷射器E2循环到反应器中。设有喷射器的管11收集来自管1a的新鲜二氧化碳，以及可能有的来自管10b的更多的氨，这样形成反应器R1的进料管18。
从反应器R1的顶部排出主要含氨、二氧化碳和少量水(总量优选为液体物流4重量的20-40％)的气体物流3，所述反应器在相对高温(190-210℃)和在140-160ata的压力下操作，生成两相反应混合物。物流3可能通过喷射器E3被送入汽提塔S1的下部，在其中它被用作与液体物流4逆流的汽提液。出人意料的是，这提高了分解—汽提步骤(c)的效率并使从汽提塔排出并送往尿素提纯和浓缩段P的含尿素液体物流6中的氨基甲酸盐含量降至几乎为零。还可以将新鲜二氧化碳经物流1c有利地供给汽提塔。
按照本发明的该特定实施方案，从段P的处理中回收的含水混合物5一般量比较小，并且方便地与排出反应器R1的物流4一起完全循环到汽提塔S1中。
然而并不限制权利要求的整个范围的实施方案的一些实际例子提供了对本发明的目的和优点的较好的阐述。
在下面的例子中，给出关于基本组分尿素、水、氨和二氧化碳的各种物流的组成，后者还包括以氨基甲酸铵、碳酸铵或碳酸氢铵形式存在于液体物流中的二氧化碳和氨。实施例1一种按照本发明的尿素合成方法有自汽提步骤(c)并包括相应于两个单独的反应器的不同的反应区。参照图1所示。
将735kg/h新鲜CO2和605kg/h新鲜NH3(含有共13kg/h惰性产物)从管1b和10b分别加入冷凝器C2，该冷凝器在150ata和约155℃操作。来自汽提塔S1的气体物流通过管7被加入C2。C2入口处的物流7b组成如下NH3＝1066kg/hCO2＝902kg/hH2O＝40kg/h惰性产物＝13kg/h总共＝2021kg/hC2的流出物8(通过中间喷射器E2)被送入相分离器FS2，在这里气体物流11b和液体物流11a被分开并分别通过管18a和18b加入主反应器(初步)R1。
从反应器R1的溢流管排出的温度在199℃(反应器的操作温度)的液体物流4含有所有制得的尿素，其特征是尿素＝100kg/hH2O＝339kg/hNH3＝461kg/h总共＝1967kg/h在上述条件下，反应器R1中的混合物包括大量的汽相，该相产生从R1流出的气体物流3，组成如下
NH3＝376kg/hCO2＝212kg/hH2O＝52kg/h惰性产物＝13kg/h总共＝653kg/h该物流被送入换热器—冷凝器C3，然后通过FS1和管19和3b-20送入在约152ata和181℃(与R1的差＝18℃)操作的辅助反应器R2，其中产生含氨基甲酸铵和尿素的混合物。
借助溢流管从R2排出的液体物流17组成如下NH3＝219kg/hCO2＝60kg/hH2O＝113kg/h尿素＝207kg/h总共＝599kg/h从反应器R2的顶部排出的气体物流12含有全部惰性产物，该产物在经过冷凝器C1后被排出(管12a)。冷凝的部分借助管13循环到R2。这些物流有下述组成，单位为kg/h物流 1212a 13NH3564016CO23 - 3H2O 5 1 4惰性产物 1313-总共 775423离开汽提塔S1底部的富含尿素的物流6(温度为205℃)被送至后面的尿素的提纯和浓缩段P，该段在该具体情况下主要由处于中等和低压下的典型的分离段组成，并且例如前面提到的“Encyclo-pedia of Chemical Technology”的第561页概述了常规的SNAMPRO-GETTI尿素生产法浓缩段。物流6的组成如下NH3＝250kg/hCO2＝75kg/hH2O＝449kg/h尿素＝1000kg/h总共＝1774kg/h富含氨基甲酸盐的含水物流5从提纯和浓缩段P被回收，具体组成为H2O＝150kg/hCO2＝75kg/hNH3＝100kg/h总共＝325kg/h该物流全部被重新经管5a送入汽提塔S1，汇合到离开反应器的物流4中。
同时一种150kg/h的氨物流从相同段P通过管9被回收，该物流作为喷射器E2的动力流体被送往冷凝器C2(通过管10)。
上述的尿素合成方法特点是CO2成为尿素的转化率，即摩尔比(制得的尿素)/(加入的CO2总量)等于0.82。从反应器R1排出并送往汽提塔的液体物流特征是摩尔比尿素/CO2＝4.8；这个比值出人意料地高于在常规设备中的相似物流一般得到的约1.6的比值。实施例2
按照本发明的尿素合成方法以这样的方式操作，尿素的生成反应主要在一单个设备中进行，该设备包括主反应器和一个冷凝器一分凝器，它们相互连通但由一叠板分开。新鲜的氨用作步骤(c)的汽提气。参照图2所示。
将743kg/h新鲜CO2物流从管1b加入冷凝器C2，该冷凝器在150ata和约164℃操作。
将631kg/h新鲜NH3物流从管10a加入汽提塔S1，该汽提塔在150ata和约205℃底部温度下操作。
管1b和10a不断输送总共13kg/h惰性产物。
在C2入口处的物流7b组成如下NH3＝1088kg/hCO2＝904kg/hH2O＝41kg/h惰性产物＝13kg/h总共＝2046kg/h有相同总流速的流出物8被直接送往主反应器(初步的)R1而不经过任何其它的喷射器或相分离器。
从反应器R1的溢流管排出的温度为198℃(反应器的操作温度)的液体物流4含有全部所制得的尿素，而且其特征是尿素＝1000kg/hH2O＝337kg/hCO2＝168kg/hNH3＝468kg/h总共＝1973kg/h
在上述条件下，反应器R1中的混合物包括大量的汽相，该相产生从R1经叠板流出的气体物流3，该物流形成冷凝器—分凝器—C3-R2的进料，并且组成如下NH3＝349kg/hCO2＝166kg/hH2O＝48kg/h惰性产物＝13kg/h总共＝576kg/h分凝器—分凝器C3-R2在155℃操作，同时产生氨基甲酸盐并重新得到蒸汽。被收集在叠板底部的混合物有下列组成NH3＝307kg/hCO2＝166kg/hH2O＝47kg/h总共＝520kg/h含有所有惰性产物的气体物流经管12离开C3-R2的顶部，该物流与少量的氨一起在通过冷凝器C1后被排出(管12a)。冷凝后的部分借助管13被循环到R2中。
离开汽提塔S1的底部的富含尿素的物流6(温度为205℃)被送入后续的尿素的提纯和浓缩段P。
该物流6组成为NH3＝10kg/hCO2＝8kg/hH2O＝296kg/h尿素＝1000kg/h
总共＝1314kg/h仍存在的少量氨和二氧化碳被容易地回收并循环到反应步骤中。
上述尿素的合成方法特点是CO2转化成尿素的转化率即摩尔比(制得的尿素)/(加入的CO2总量)等于0.81。从反应器R1排出的并送往汽提塔的液体物流特点是摩尔比尿素/二氧化碳＝4.4。虽然比在前面的实施例1中得到的值低，但这个比值仍出人意料地一般比在常规设备中相似物流得到的约为1.6的值高。另外，在这种具体情况中，为进行本方法所需的设备得到明显简化。实施例3按照本发明的尿素合成方法以这样的方式操作，尿素的生成反应在两个不同的区中进行。所述第二个区在较低温度下操作，主要生成氨基甲酸盐，并基本上与收集来自汽提塔的气体的冷凝器重合。步骤(c)在自汽提条件下进行。参照图3所示。
含有总共13kg/h惰性产物的743kg/h新鲜CO2和631kg/h新鲜NH3(后者用作喷射器E2的流体)被分别从管1b和10b加入反应器—冷凝器R2-C2，该冷凝器在150ata和约155℃操作。来自初步反应器R1的管的气体物流被加入相同的反应器—冷凝器R2-C2并含有NH3＝349kg/hCO2＝166kg/hH2O＝48kg/h惰性产物＝13kg/h总共＝576kg/h
R2-C2的流出物被送往(无中间喷射器E1)相分离器FS2，然后经连接管18的管13和11a送入初步反应器R1，该物流组成如下NH3＝1054kg/hCO2＝860kg/hH2O＝59kg/h尿素＝60kg/h总共＝2033kg/h含有全部惰性产物的气体物流经管12离开FS2顶部，并且与少量NH3一起在通过冷凝器C1后被排出(管12a，在130℃)。冷凝的部分借助先前提到的管13被循环到R1中。
从反应器R1的溢流管排出的温度在198℃的(反应器的操作温度)液体物流借助管4被送入汽提塔S1。该物流含有所有制得的尿素并且特征是尿素＝1000kg/hH2O＝337kg/hCO2＝168kg/hNH3＝468kg/h总共＝1973kg/h在上述条件下，反应器R1中的混合物包括大量的汽相，该相产生有上述组成的气体物流3，该物流3被送往反应器—冷凝器R2-C2。
离开汽提塔S1的底部的富含尿素的物流6(在205℃的温度)被送往后续的尿素的提纯和浓缩段P，在该具体情况中，该段主要由在中等和低压下的典型的分离段和浓缩段组成，例如在先前提到的“Encyclopedia of Chemical Technology”的561第提供了以常规的SNAMPROGETTI尿素方法为特征的概述。物流6组成如下NH3＝450kg/hCO2＝75kg/hH2O＝445kg/h尿素＝1000kg/h总共＝1970kg/h从提纯和浓缩段P回收的富含氨基甲酸铵的含水物流5组成如下H2O＝150kg/hCO2＝75kg/hNH3＝250kg/h总共＝475kg/h该物流还通过管5a被送往汽提塔S1，汇入离开反应器的物流4。
从相同的段P经管9同时回收一种200kg/h的氨物流，该物流汇入来自管2的新鲜氨并经喷射器E1被送往冷凝器C2。
上述的尿素合成方法的特点是CO2转化成尿素的转化率即摩尔比(制得的尿素)/(加入的CO2总量)等于0.81。从反应器R1排出的并送往汽提塔的液体物流特点是摩尔比尿素/CO2＝4.4。而且在这种情况下，能够大大减化进行本方法所需的设备，并且大大提高转化率。实施例4
参照图4所示，4580kg/h和452kg/h的二氧化碳和氨(有总量为13kg/h的惰性产物)分别经管1a和10(后者包括喷射器E2)被送往反应器。
汽提塔S1在约149ata和约205℃的底部温度操作(供给约83000KCal/h的高压蒸汽)；从汽提塔S1顶部排出的气体物流7(863kg/h)被送往反应器—冷凝器R2-C2，该反应器—冷凝器在上述压力(或稍低压力，归因于所用的设备和管的压力损失)和约145℃(产生等于约278000KCal/h的低压蒸汽)操作。在冷却到100℃的分离器FS2的上出口处，得到惰性产物12a物流，组成如下NH3＝6kg/h惰性产物(N2＋O2)＝13kg/h总共＝19kg/h该物流被送往后续的回收步骤(未考虑平衡)。
在分离器FS2底部的含氨基甲酸盐的液体物流8a组成如下CO2＝220kg/hNH3＝630kg/hH2O＝32kg/h惰性产物＝0.3kg/h总共＝882.3kg/h该物流经喷射器E2被送往反应器R1以便转化成尿素。
为此目的的反应器在203℃和等于150ata的压力下操作。在这样的条件下反应器中生成有用量的蒸汽。
经反应器底部从溢流管排出的液相4组成如下尿素＝774kg/h
CO2＝71kg/hNH3＝293kg/hH2O＝224kg/h总共＝1362kg/h该相被送往汽提塔S1，与经管3从相同反应器顶部排出的气相逆流接触，所述气相组成如下CO2＝149kg/hNH3＝343kg/hH2O＝42kg/h惰性产物＝13kg/h总共＝547kg/h实际上不含氨基甲酸铵的物流6从汽提塔底部排出，该物流组成如下尿素＝779kg/hCO2＝5kg/h上述方法的各种变化和改进是可能的，虽然在此没有具体提到或描述，但本领域的普通技术人员仍可得到，并应当将其看作构成本发明的一个必要部分。
权利要求
1.一种尿素合成方法，从氨和二氧化碳生成作为中间体的氨基甲酸铵，包括(a)在一个反应步骤中使氨和二氧化碳反应，总压在90和250ata之间，NH3/CO2以其自身或氨基甲酸铵形式存在的摩尔比在2.1和10之间，优选在2.1和6.0之间，生成含尿素、氨基甲酸铵、水和氨的第一液体混合物；(b)将所述第一液体混合物送到至少一个分解一汽提步骤；(c)在所述分解一汽提步骤中加热所述第一液体混合物，所述步骤在与前述步骤(a)中所用的基本相同的压力下操作以使至少一部分氨基甲酸铵分解成氨和二氧化碳，并同时使所述液体混合物进行汽提生成含氨和二氧化碳的第一气体混合物和含尿素、水、氨和未分解的部分氨基甲酸铵的第二液体混合物；(d)将至少一部分所述第一气体混合物送到至少一个冷凝步骤，该步骤基本在与步骤(a)的相同压力下操作，并使所输送的混合物冷凝生成含氨基甲酸铵、水和氨的第三液体混合物；(e)将所述第三液体混合物和其余部分的第一气体混合物送至反应步骤(a)；(f)在一个或多个后续的分解、冷凝和分离步骤中回收含于第二液体混合物中的尿素以得到基本上纯的尿素并再用于未转化的氨和二氧化碳(以其自身或氨基甲酸铵形式)的合成中；其特征在于上述反应步骤(a)在至少两个不同的区中进行，所述区域相互连通并基本上保持相同的压力，其中第一个区域在170和230℃之间的温度操作，生成第一液体混合物和主要含有氨、水、二氧化碳和可能的惰性气体的第二气体为主的混合物，并且第二区域在比第一区域低的温度下操作，使得相对于上述第一液体混合物的重量，至少5％的第二气态为主的混合物，优选等于或大于10％被从第一区送至第二区，在第二区中随后生成含氨、氨基甲酸铵和可能有的尿素的另一种液体混合物，该混合物再从第二区送至第一反应区。
2.按权利要求1的方法，其特征是冷凝步骤(d)在一个冷凝器中进行，该冷凝器在140和180℃之间的温度操作。
3.按权利要求1或2的方法，其特征是在步骤(a)中，该从第一区送至第二反应区的第二气体为主的混合物为第一液体混合物的重量的20-40％。
4.按前述权利要求中任何一项的方法，其特征在是在步骤(a)中，压力在130至180ata范围内。
5.按前述权利要求的任何一个的方法，其特征是含氨基甲酸铵的任何液体混合物的温度保持在高于130℃。
6.按前述权利要求的任何一个的方法，其特征是所述第一反应区在190和210℃之间的温度下操作，总进料中氨/二氧化碳摩尔比在2.5和4.5之间。
7.按前述权利要求的任何一个的方法，其特征是所述第二反应区在140和200℃之间的温度下操作，优选在150和185℃之间的温度下操作，相对第一区的温差在5和60℃之间。
8.按前述权利要求的任何一个的方法，其特征是在所述第二反应区中生成尿素。
9.按前述权利要求的任何一个的方法，其特征是第一液体混合物和第二气体为主的混合物被看作来自第一反应区的单一两相混合物，并且随后被分离并分别输送至第二反应区和分解—汽提步骤(c)。
10.按前述权利要求的任何一个的方法，其特征是是第一反应区包括一个第一反应器和第二反应区包括一个第二反应器，在该反应器前面的来自第一反应器的气体为主的混合物进料管上有一个冷凝器。
11.按权利要求10的方法，其特征是第二反应器中的平均停留时间为在3和35分钟之间且温度为在160和185℃之间。
12.按前述权利要求1至8之任何一个的方法，其特征是第一反应区包括一个第一反应器和第二反应区包括一个优选设在第一反应区顶部的一个换热器一分凝器。
13.按权利要求12的方法，其特征是所述换热器—分凝器在底部设有与下面的第一反应器连通的叠板。
14.按前述权利要求12或13的方法，其特征是在分凝器中的接触时间在0.2和5分钟之间，温度在150和170℃之间。
15.按前述权利要求1至9的任何一个的方法，其特征是第一反应区包括一个第一反应器和第二反应区包括由一个换热器—冷凝器组成的第二反应器。
16.按权利要求15的方法，其特征是所述换热器—冷凝器与冷凝步骤(d)的冷凝器重合，并在150和170℃之间的温度下操作，接触时间在0.2和5分之间。
17.按前述权利要求的任何一个的方法，其特征是分解—汽提步骤(c)在一个汽提塔中进行，该塔在160和220℃之间的温度操作且借助于高压蒸汽间接加热。
18.按前述权利要求的任何一个的方法，其特征是分解一汽提步骤(c)在两个串联设备中进行，所述设备可能是不同类型的并在相互不同的条件下操作。
19.按前述权利要求的任何一个的方法，其特征是分解—汽提步骤的进料在汽提塔的不同高度处分流。
20.按前述权利要求的任何一个的方法，其特征是分解一汽提步骤(c)在“自身汽提”条件下进行。
21.按前述权利要求1至19的任何一个的方法，其特征是分解—汽提步骤(c)包括一个汽提塔，来自反应步骤(a)的气体混合物优选从第二反应区被优选从底部加入该汽提塔作为汽提剂。
22.按前述权利要求1至19的任何一个的方法，其特征是分解一汽提步骤(c)包括一个汽提塔，所述来自反应步骤(a)的第一反应区的所述第二气体为主的混合物在进入第二反应区之前从底部加入所述汽提塔作为汽提剂。
23.按权利要求22的方法，其特征是所述第二反应区与冷凝步骤(d)的冷凝器重合，而且在150和170℃之间的温度操作，接触时间在0.2和5分之间。
24.按前述权利要求22或23的任何一个的方法，其特征是离开汽提塔的所述第二液体混合物含有25％以下的氨基甲酸盐。
25.按前述权利要求的任何一个的方法，其特征是在步骤(c)中制得的第一气体混合物的水含量占该混合物总重的0.5和10％之间。
26.按前述权利要求的任何一个的方法，其特征是在步骤(c)中制得的第一气体混合物的5-50％被直接送入反应步骤(a)，优选送入第一反应区。
27.按前述权利要求的任何一个的方法，其特征是在回收和提纯尿素的步骤(f)中，产生一种含氨基甲酸铵、水和氨的液体循环物流。
28.按前述权利要求的任何一个的方法，其特征是来自步骤(f)的至少一部分优选50-100％循环液体混合物被加入分解一汽提步骤(c)。
29.改进现有的制备尿素的方法，由氨和二氧化碳作原料生成氨基甲酸铵中间体，在高压合成段操作，包括—一个第一尿素合成反应器，在过量的氨存在下操作，压力在90和250ata之间，生成含尿素、水、氨和氨基甲酸铵的液体流出物流；—一个在所述液体物流中的氨基甲酸铵的分解步骤和含如此生成的二氧化碳和氨的气体物流的分离步骤(汽提)，所述步骤设在所述反应器的下游，和—一个离开所述汽提步骤的气体物流冷凝器，生成含有被加入所述第一反应器作为循环产物的氨基甲酸铵的液体物流，其特征是它包括下述条件(i)设立一个由二氧化碳和过量氨作原料生成氨基甲酸铵和可能有的尿素的第二反应器，该反应器在与上述第一反应器基本相同的压力下操作，优选在140和200℃之间的温度，更优选在140和185℃之间的温度操作，而且该反应器还可以与上述原有的氨基甲酸盐冷凝器重合；(ii)设立适合于将物料从上述第一反应器顶部输送到第二反应器并相应地将物料从第二反应器送至第一反应器的构件和连接管；(iii)设立所述第一和第二反应器的操作条件使得第二反应器的温度比第一反应器的温度低，优选低5至60℃，在第一反应器中生成与液相混合的汽相；(iv)含有二氧化碳和氨的气体或以气体为主的物流从第一反应器的顶部送至第二反应器，其量相对于上述离开第一反应器的液体物流的重量至少5％，优选等于或高于10％，更优选在20和40％之间，随后在第二反应器中生成含有氨基甲酸铵和优选同时含有尿素的液体混合物，该混合物被送往第一反应器，优选从下部加入。
30.按权利要求29的方法，其特征是第二反应器前面设有一个冷凝器，该冷凝器处在来自第一反应器的气体为主的混合物的进料管上。
31.按权利要求30的方法，其中在第二反应器中的平均停留时间在5和35分之间并且温度在160和185℃之间。
32.按权利要求29的方法，其特征是第二反应器是一种换热器—分凝器，优选设在第一反应器的顶部并在底部设有一叠板，该板与下面的第一反应器相通。
33.按权利要求32的方法，其特征是在换热器—分凝器中的接触时间在0.2和5分之间，温度在150～170℃。
34.按权利要求29的方法，其特征是第二反应器是一种换热器—冷凝器，优选与离开汽提步骤的气体物流的冷凝器重合，在150和170℃之间的温度操作，并且接触时间在0.2和5分之间。
全文摘要
由氨和二氧化碳合成尿素的方法，包括在至少两个不同操作区进行的反应步骤，基本在相同压力，不同的温度操作，温差优选在5～60℃，还包括一个后续的未转化反应物的分离步骤，从较高温度的第一区被送往较低温度的第二区，含尿素和/或氨基甲酸铵的液体物流被从第二区送往第一区，所述气体物流相对于从第一区流向后续分离步骤的物流优选为至少5％(wt)。离开所述反应步骤的物流中的尿素/(尿素+氨基甲酸盐)比值大于70％。
文档编号B01J12/02GK1139669SQ9610068
公开日1997年1月8日 申请日期1996年1月24日 优先权日1995年6月30日
发明者C·列沙里 申请人:斯南普罗吉蒂联合股票公司