专利名称：用于制备尿素的方法
技术领域：
本发明涉及一种由氨和二氧化碳制备尿素的工艺。
尿素可通过将过量氨与二氧化碳一起在合适的压力(例如12-40MPa)和合适的温度(例如160-250℃)下引入合成区而制成，首先根据以下反应导致形成氨基甲酸铵
所形成的氨基甲酸铵根据以下的平衡反应随后脱水导致形成尿素
理论上可得到的氨和二氧化碳至尿素的转化由平衡的热力学位置决定且例如取决于NH3/CO2比率(N/C比率)、H2O/CO2比率和温度。
在合成区中氨和二氧化碳至尿素的转化过程中，反应产物由合成反应器得到，该产物是一种基本上由尿素，水，氨基甲酸铵和未结合氨组成的尿素合成溶液。
除了前述尿素合成溶液，可能在合成区中出现未转化的氨和二氧化碳与惰性气体的气体混合物，该气体混合物也称为合成气体。存在其中的惰性气体可例如源自将空气加入成套设备以提高成套设备耐腐蚀性的体系。例如，惰性气态组分可通过原料(NH3和CO2)供给至合成区。氨和二氧化碳从合成气体中被除去并优选返回至合成区。
合成区可包括用于形成氨基甲酸铵和尿素的单独的区。但这些区也可整合在单个装置中。合成可在单个反应器或在两种反应器中进行。如果采用两种反应器，第一反应器例如可用基本上新鲜的原料操作，而第二反应器使用从例如尿素回收中完全或部分再循环的原料操作。
在合成反应器中氨基甲酸铵至尿素和水的转化可通过保证反应器中的反应混合物具有足够长的停留时间而进行。停留时间一般来说长于10min，优选长于20min。停留时间一般来说短于3小时，优选短于1小时。
实际上，各种工艺用于制备尿素。最初，尿素在所谓的常规高压尿素成套设备中制备，它在20世纪六十年代末被在所谓的尿素汽提成套设备中进行的工艺接替。
常规高压尿素成套设备理解为一种尿素成套设备，其中没有转化成尿素的氨基甲酸铵的分解和常规过量氨的排出在明显低于合成反应器自身压力的压力下进行。在常规高压力尿素成套设备中，合成反应器通常在温度180-250℃和压力15-40MPa下操作。在常规高压尿素成套设备中，在压力1.5-10MPa下膨胀、分解和缩合之后，没有转化成尿素的原料作为氨基甲酸铵物流返回至尿素合成。另外，在常规高压尿素成套设备中，氨和二氧化碳直接加料到合成反应器。在常规高压尿素工艺中，尿素合成中的N/C比率是3-5。
最初，这些常规尿素成套设备设计为所谓的′一次通过′工艺。在此，未转化的氨用酸(例如硝酸)中和并转化成铵盐(例如硝酸铵)。没有多久，这些常规一次通过尿素工艺被替代为常规再循环工艺，其中未转化氨和二氧化碳作为氨基甲酸铵物流返回至合成反应器。在回收部分中，将未转化氨和二氧化碳从得自合成反应器的尿素合成溶液中除去，在该工艺中水溶液中的尿素析出。然后，水溶液中的该尿素在蒸发部分中通过减压蒸发水而转化成尿素。有时，尿素-水混合物利用结晶技术而分离。
尿素汽提成套设备理解为一种尿素成套设备，其中没有转化成尿素的氨基甲酸铵的分解和常规过量氨的排出主要在几乎基本等于合成反应器自身压力的压力下进行。该分解/排出在汽提区中在有或者没有通入汽提气体的情况下进行。在汽提工艺中，二氧化碳和/或氨可在这些组分加入合成反应器之前用作汽提气体。这种汽提在安装在合成反应器下游的汽提塔中进行；其中，来自合成反应器的尿素合成溶液在加热的同时用汽提气体进行汽提。在此也可使用热汽提。热汽提是指，氨基甲酸铵被分解，且所存在的氨和二氧化碳仅利用加热而从尿素溶液中去除。汽提也可在两种或多种步骤中进行。在已知的工艺中，纯粹热汽提的第一步骤之后是一个在进一步加热情况下的CO2汽提步骤。离开汽提塔的包含氨和二氧化碳的气流通过或不通过高压氨基甲酸盐冷凝器返回至反应器。使用汽提剂对尿素合成溶液进行汽提可在一个以上的汽提塔中进行。
在尿素汽提成套设备中，合成反应器在温度160-240℃，优选在温度170-220℃下操作。合成反应器中的压力是12-21MPa，优选12.5-19.5MPa。在尿素汽提成套设备中的合成区中的N/C比率是2.5-4。
通过汽提工艺制备尿素的常用实施方案是Stamicarbon CO2汽提工艺，描述于European Chemical News，Urea Supplement(1969/1/17，页数17-20)。在汽提操作中得到的大部分气体混合物与该工艺所需的氨一起在高压氨基甲酸盐冷凝器中被冷凝和吸附，然后将在此形成的氨基甲酸铵物流返回至合成区用于形成尿素。
高压氨基甲酸盐冷凝器可例如设计为描述于NL-A-8400839的所谓的潜管冷凝器。潜管冷凝器可放在水平或垂直位置中。但特别有利的是在水平潜管冷凝器(所谓的池冷凝器；参见例如Nitrogen No 222，七月-八月，1996，29-31页)中进行冷凝，这是因为与该冷凝器的其它设计相比，液体通常在池冷凝器中具有较长的停留时间。这导致形成额外的尿素，升高沸点，这样含尿素的氨基甲酸铵溶液和冷却介质之间的温差增加，导致较好的热传递。
在汽提操作之后，汽提的尿素合成溶液的压力在尿素回收中减至低水平且溶液通过蒸发而浓缩，然后尿素被释放且低压氨基甲酸铵物流被再循环至合成部分。取决于该工艺，该氨基甲酸铵可在单个或多个在不同压力下操作的工艺步骤中回收。
在尿素工艺中，废气作为副产物在该成套设备的各种场所形成。这些废气基本上是被氨和二氧化碳污染的惰性气体，其惰性组成组分被排放至大气。在从成套设备中去除之前，这些废气应该尤其首先去除氨。
废气通常是在称作吸收器中的吸收步骤清除，其中尤其氨借助一种合适的氨溶剂如水或弱氨工艺冷凝物，在有或者没有通过例如热交换器去除的热的情况下从废气中去除。废气在各种压力水平下形成。氨有利地在尽可能高的压力下从这些废气中被吸附。
在Stamicarbon CO2汽提工艺中，例如，来自反应器的气流，合成气体，在洗涤器中在高压力(＞10MPa)下使用源自该成套设备的低压部分的氨基甲酸铵溶液进行洗涤。在高压洗涤器中形成氨基甲酸铵物流，该物流通常进入高压冷凝器和废气的未冷凝物流。在排放至大气之前，来自高压洗涤器的废气通过吸收步骤在中压下操作的吸收器中脱除剩余的氨。′在中压下′是指在压力例如0.3-0.6MPa下。
废气通过吸收步骤纯化的其它例子包括′自汽提工艺′，描述于Uhlmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry，Vol A 27，页数346-348，1996，其中来自成套设备的高压部分的废气最终也在中压下操作的吸收器中洗涤。同样，在描述于Uhlmann’s Encyclopedia ofIndustrial Chemistry，Vol A 27，页数348-349，1996的ACES工艺中，由高压洗涤器排放至中压分解阶段的包含不可冷凝组分的废气最终在中压下操作的吸收器中洗涤。
根据目前的技术状态，来自成套设备的高压部分的废气通过控制阀进入中压吸收器。严重缺陷在于，有可能被回收的能量在该工艺中损失。
另外，带有氨的气流在所有的尿素成套设备中在例如0.1MPa-0.3MPa的明显较低的压力下，但主要在大气压下释放。一个例子是在蒸发部分的浓缩区中的废气。在蒸发部分中，尿素溶液在减压下通过蒸发而浓缩，在该工艺中形成一种被氨污染的水蒸气流，从中可冷凝的组分在冷凝器中冷凝。但剩余的废气仍然包含氨。其它例子是用于氨水或用于尿素溶液的常压贮槽的废气、在尿素成套设备的结晶部分中的筛分设备和离心机的废气等。这些物流的缺陷是其低压(例如大气压)，因为低压不利于吸收工艺。
因为经济和环境原因更加要求在将其排放至大气之前清除这些低压的带氨氨流。在此，在合适的溶剂如水或弱氨水中的吸收同样是合适的清除技术。这样的吸收通常在低压下操作的吸收器中进行且可进一步利用热交换器通过直接或间接冷却而优化。′在低压下′是指在压力0.1MPa至0.3MPa下但几乎主要在大气压下。
已经发现，前述缺陷可通过使用由高压合成部分的废气驱动的喷射器提高几乎在大气压下的尿素成套设备中释放的废气的压力并将所述废气供给至中压吸收器而消除。在几乎以大气压释放的废气的压力增加0.15MPa-2MPa，优选0.2-0.5MPa。
高压废气的膨胀能量在此通过吸入并压缩低压废气而用于喷射器。结果，低压废气达到较高压力水平，从而氨在溶剂中的吸收得到促进。这样限制了尿素成套设备的总氨损失。
另外，本工艺提供的优点在于，将供给至两个吸收步骤的废气合并，使得吸收被结合在设备的单个部件中，导致尿素成套设备的投资下降。
另外，本工艺通过使用由合成部分的废气驱动的喷射器提高几乎在大气压下操作的吸收器的废气压力并将所述废气供给至中压吸收器而非常适用于提高和优化现有的尿素成套设备。几乎在大气压下操作的吸收器的废气压力在此增加0.15MPa-2MPa，优选0.2-0.5MPa。
本发明可应用于所有的现有尿素工艺，即常规尿素工艺和尿素汽提工艺二者，因为各种压力水平的废气物流和不必要的能量损耗及不好的吸收结果出现在所有的这些工艺中。
其中可应用本发明的常规尿素工艺的实例是所谓的′一次通过′、常规‘再循环’和热再循环工艺。
其中可应用本发明的尿素汽提工艺的实例是CO2汽提工艺、氨汽提工艺、自汽提工艺、ACES(用于节约成本和节能的高级工艺)工艺、IDR(等压-双重-再循环)工艺和HEC工艺。
本发明通过以下实施例说明。
实施例在容量为1500MT/天的尿素成套设备中，在大气压下得到的废气使用一种由合成气体驱动的喷射器压缩，这样该压缩气体在现有的0.4MPa吸收器中被吸收。结果，大气吸收器变成多余。原来在该成套设备中有两个排放点一个在0.4MPa吸收器，另一个在大气吸收器。由于本工艺，消除了一个排放点。
工艺在以下条件下进行作为喷射器推进剂的合成气体流速1429千克/小时压力14MPa温度112℃所要压缩的气体(在先供给至大气吸收器)流速807千克/小时压力大气压温度114℃通过喷射器在0.4MPa吸收器的入口压缩的气体流速2636千克/小时压力0.4MPa
温度106℃已经发现，应用本工艺导致来自该特殊排放点的氨损失为2.45kg/小时。
带两个排放点的1500MT/天成套设备的氨损失总计为4.2kg/小时。
权利要求
1.由氨和二氧化碳制备尿素的方法，特征在于在用于制备尿素的成套设备中，几乎以大气压释放的废气被一个由来自高压合成的废气驱动的喷射器压缩并供给至中压吸收器。
2.根据权利要求1的方法，特征在于几乎以大气压释放的废气的压力增加0.15-2MPa。
3.根据权利要求2的方法，特征在于几乎以大气压释放的废气的压力增加0.2-0.5MPa。
4.通过使用由来自合成部分的废气驱动的喷射器提高几乎在大气压下操作的吸收器的废气的压力并将所述废气供给至中压吸收器而用于提高和优化现有的尿素成套设备的方法。
5.根据权利要求4的方法，特征在于来自几乎在大气压下操作的吸收器的废气的压力增加0.15-2MPa。
6.根据权利要求4的方法，特征在于来自几乎在大气压下操作的吸收器的废气的压力增加0.2MPa-0.5MPa。
全文摘要
由氨和二氧化碳制备尿素的方法，其中在尿素成套设备中几乎以大气压释放的废气通过一个由来自高压合成的废气驱动的喷射器压缩并供给至中压吸收器。废气的压力增加0.15－1MPa。
文档编号C07C273/04GK1479720SQ01820062
公开日2004年3月3日 申请日期2001年11月23日 优先权日2000年12月5日
发明者J·H·梅森, K·约恩克尔斯, J H 梅森, 骺硕 申请人:Dsmip财产有限公司