专利名称：制备尿素的方法
技术领域：
本发明涉及用氨和二氧化碳制备尿素的方法。
将氨和二氧化碳在合适的压力(例如125-350大气压)和合适的温度(例如170-250℃)下，通入合成区时，首先按下列反应式生成氨基甲酸铵
然后所生成的氨基甲酸铵，再按下列平衡反应式，通过脱水作用，生成尿素
生成尿素的转化率，除其他因素外，还取决于温度和所应用的过量的氨。所得到的反应产物是一种主要含有尿素、水、氨基甲酸铵和游离氨的溶液。必须将氨基甲酸铵和氨从该溶液中除去，在大多数情况下，还将除去的氨基甲酸铵和氨合回完成区。
例如在European Chemical News，Urea Supplement，1969年1月17日第17-20页和Nitrogen，143号，1983年5-6月第32-38页中叙述了一种叫做“施塔米卡本二氧化碳汽提工艺过程＂的广泛应用的制备尿素的方法。在此工艺过程中，将在高压和高温下，在合成区形成的尿素合成溶液，在合成压力下，进行汽提处理，此汽提处理的方法是，将所形成的尿素合成溶液在提供热量的情况下与相反方向流动的二氧化碳气进行逆流接触，从而使在该溶液中存在的大部分的氨基甲酸铵分解为氨和二氧化碳。将这些分解产物从溶液中驱出并将其与少量的水蒸汽和用来进行汽提的二氧化碳一起放出。将汽提过程中得到的气体混合物，在合成压力下操作的缩合区中，充分地进行缩合，然后再用经此法进一步处理含有尿素的溶液所得到的水溶液来进行吸收，将所释放出来的缩合热用来产生水蒸汽或用来加热工艺过程的流体。
为了得到进行缩合作用的最佳NH3/CO2比，将此工艺过程所需要的大部分的或全部的新加入的氨气也通入缩合区。将所形成的氨基甲酸铵水溶液和未缩合的气体混合物，从缩合区加入合成区，用来形成尿素。此时，气体混合物的进一步缩合作用，提供了将氨基甲酸铵转化为尿素所需的热量。
然后将汽提过的尿素合成溶液膨胀至一低压，并制成一种可以进一步加工成为固体尿素的尿素溶液或熔体。
在上述工艺过程中，合成区除含有液相外，还含有由比较大量的氨、二气化碳以及以前在反应组分中部分地以杂质形式存在的惰性气体，但是，如果应用不锈钢设备而此种设备又用氧气来保持在钝化状态的情况下时，则此种惰性气体也可能是以前以空气形式通入系统中的。将此种气体混合物从合成区放去，然后将所夹带的氨和二氧化碳在一分离区中进行回收，例如将此气体用一种稀氨基甲酸铵溶液来洗涤。最后将该惰性残留气体排入大气。
众所周知，含有氨基甲酸铵的溶液是高度腐蚀性和浸蚀性的。因此，在尿素合成的高压部分输送此种溶液时，通常是利用自然循环来进行的，也就是说，可将汽提区设置在低于合成区和缩合区的高度来实现此种自然循环。这样就可以消除使用泵的必要性，而此种泵必须在极端苛刻的条件下操作，同时又是许多事故的来源。也可以利用比重将惰性气体分离区中所形成的液体或溶解的氨甲基酸铵循环到缩合区或合成区的较下部分。为此，可将分离区设置在高于合成区的高度。由于目前的操作容量是每天1000-1500吨或大于1000-1500吨，这也就是说，装置是相当高的，在大多数的情况下，高度至少在地面以上40至45米。这就需要很重的支承结构，而在更换设备构件时则用很多的劳力和时间。
已经有人建议(见美国专利第4,208,347号)，可在一种二段反应区中，用高NH3/CO2摩尔比，来制备尿素，其中第一段高于第二段，并将第一段放出的物料通入第二段的底部。将尿素合成溶液从第二段的上部放出，并在二个串联的洗提区中进行处理，以分解氨基甲酸铵，将第一汽提区得到的气相直接通入反应区的第一段，并将第二汽提区得到的气相，在一个缩合区中缩合后，也以氨基甲酸铵溶液的形式通入反应区的第一段。在该反应区的第一段所需要的热量，是由来自第一汽提区的气体混合物的缩合作用来提供的。在第二段中，尿素的形成是通过加入额外量的液态NH3来促进的，从而将水束缚住并使平衡向右移动。根据此种技术条件，这些措施避免了必须占用很大的空间，和使用通常将反应器设置在高于处理合成反应区流出物的设备所需要的麻烦的架子。但是，此种实施方案要用很多的劳力和需要许多设备。此外，反应器的结构复杂，因此是很昂贵的。
本发明的目的是提供一种方法，此法避免了上述的缺陷，并大大地改进了高大的尿素生产装置，而不需要应用泵来将尿素合成溶液泵出反应区或将氨基甲酸铵泵出缩合区。根据本发明，通过一套措施，可达到此目的。为此，将缩合区设置在高于尿素溶液进入汽提区的入口的高度。将反应区和汽提区设置在相同的高度或者是实际上是相同的高度，而最好是在装置的最下部。使液相利用比重从缩合区经反应区流入汽提区，液相流动的驱动力是由缩合区和尿素合成溶液进入汽提区的入口之间的高度差产生的。此外，在反应器中形成尿素所需要的热量，是由使汽提区所放出的一部分含有NH3和CO2的气体混合物在此区中形成氨基甲酸铵时所产生的。
因此，本发明涉及一种制备尿素的方法，其中，在一反应区中，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，在NH3/CO2摩尔比为2.5-3.5的情况下，形成一种含有氨基甲酸铵和游离氨的尿素合成溶液，在一汽提区中，由于提供热量和使尿素合成溶液与相反方向流动的作为汽提气的二氧化碳进行逆流接触，而使在尿素合成溶液中存在的至少一部分氨基甲酸铵分解，将氨基甲酸铵分解产物和一部分过量的氨以及该汽提气，以气体混合物的形式从汽提区放出，将所得到的一部分该气体混合物通入一缩合区，在此缩合区中，该气体混合物缩合为一种含有氨基甲酸铵的混合物，然后，将该含有氨基甲酸铵的混合物通入反应区，并将汽提过的尿素合成溶液加工成为一种尿素溶液或固体尿素。
本法的特征在于，利用比重使含有氨基甲酸铵的溶液流出缩合区而进入反应区，并从反应区流入设置在相同的高度或实际上是相同的高度的汽提区；和在反应区中形成尿素所需要的热量，是由从汽提区放出的一部分气体混合物的缩合作用产生的。
由于缩合区、反应区和汽提区均在相同的压力下操作，同时又由于连接缩合区和反应区的管线以及连接反应区和汽提区的管线均充满液体，所以这些设备部件将起到在相同的高度具有相同的压力的连通容器的作用。如果将缩合区的出口设置在高于汽提区的尿素合成溶液的入口的足够高的高度处，则尽管反应区中的液面高于汽提区的入口，该液体仍然可利用比重而从缩合区经反应区流入汽提区。
在反应区中形成尿素所需要的热量，可用各种不同的方式获得，例如利用水蒸汽盘管供应的热量，但是，鉴于结构上的问题，此种加热方法是有困难的，或者是提供一小部分工艺过程所需要的CO2，但是，此种方法会影响汽提区中的汽提效率。一种特别适合的方法是，在反应区中提供一部分从汽提区中放出的含有NH3、CO2和H2O的气体混合物，并使其在反应区中缩合。
由于在所述实施方案中，在反应区底部的压力高于汽提区顶部的压力，并将在汽提步骤中所得到的气体混合物从汽提区中放出，所以必须将此种气体混合物在通入反应区的较下部分之前，将其提高到一较高的压力。此种压力增加最好是用本工艺过程所需要的液态氨驱动的喷射器来进行，于是具有运动部件的设备就不会受到腐蚀性和侵蚀性的气体混合物的影响。
在操作本系统的比较高的压力下，从汽提区放出的气体混合物的密度是比较高的，所以气体混合物的性能越来越接近液体的性能。已经发现，喷射器的挟带效应随着在较高的压力下的驱动介质与被驱动的介质之间的密度差变小而增加。此外，在压头和抽吸流量不变的情况下，就需要很小的驱动介质的入口压力。
根据一种优选的实施方案，将液态氨加热至高于它的临界温度，来降低液态氨的密度。将液态氨加热可通过，例如与氨基甲酸铵溶液进行热交换来实现，此种氨基甲酸铵溶液是在将NH3和CO2从合成区和/或缩合区放出来的惰性气体中洗出来时所得到的。
将控制反应区中的温度所需要的从汽提区放出来的那部分气体混合物通入有许多间隔的反应区的底部，并使其在反应区中上升，从而在反应器中形成一种均匀的温度。通入反应区的气体混合物的量应该是由于释放出缩合热而使所需要的反应温度达到的量。此数量可达到，例如从汽提区放出的总气体混合物数量的15-25％。但是，此数量并不是关键性的。可将在反应区中未缩合任何部分的气体混合物，与来自汽提区的剩余的气体混合物一起通入缩合区。
使汽提处理中所得到的气体混合物在缩合区中进行缩合时也发生由氨基甲酸铵形成尿素的反应是有利的。由于有比较大量的尿素和水存在，这些尿素和水是做为在汽提处理过程中所得到的气体混合物的缩合作用中所形成氨基甲酸铵的溶剂，所以缩合和溶解热就成为可利用的温度高于不应用这些溶剂时的热量。这也就是说，在汽提处理中所得到的气体混合物的缩合作用是在一种可使释放出来的热消耗掉的温度下进行的，如果形成，例如3-5巴的低压水蒸汽，则相当小的热交换表面就能够满足要求，亦可产生，例如5-10巴的高压水蒸汽，或直接将所释放出来的热用来加热工艺过程的流体。
本发明的工艺过程提供的主要优点是大大地降低了装置的高度。除了改进了高大的尿素生产装置外，也显著地降低了安装成本和更换部件的成本。
下文将通过参看附图
和实例来说明本发明，但是所提供的附图和实例不能限制本发明。
在附图中，A表示反应区，B表示汽提区，C表示缩合区和D表示分离区。在这些区中的压力可在125至350巴之间，例如140巴。将本工艺过程中所需要的NH3和CO2量，加入在高压下操作的上述这些区中。此外，将在本工艺过程中的其他阶段得到的氨基甲酸铵溶液循环至此高压段。液态NH3是经管线1加入的，用作汽提气的CO2是经管线2加入的，用来将NH3和CO2从惰性气体中洗出的氨基甲酸铵溶液是经管线3加入的。将一定量的由一部分经管线6和通过管线8的来自汽提区的气体混合物和经管线10由反应区放出来的仍然含有NH3和CO2的惰性气体组成的气体混合物经管线9加入缩合区C。此外，经管线12，将经管线11从分离区D放出的氨基甲酸铵溶液和洗涤惰性气体所得到的经管线13提供的氨基甲酸铵溶液加入缩合区中，经管线12通入缩合区的氨基甲酸铵溶液是经过喷射器E后通入的，喷射器E是由经管线1提供的并在分离区D中加热的一部分液态NH3驱动的。惰性气体的排出阀是用5表示。
经管线14，将缩合区C中形成的氨基甲酸铵溶液加入反应区A的较下部分，此种氨基甲酸铵向上流入有许多间隔的反应区，从而形成尿素。形成尿素所需要的热是通过一部分在汽提区B中所得到的含有NH3和CO2的气体混合物的缩合作用产生的，并将其经管线6、7、喷射器F和管线15加入反应区的较下部分。该气体混合物的压力是在喷射器F中提高的，此喷射器F是由已加热至高于其临界温度，例如155℃的热液态氨来驱动的，以便克服在反应区中的液体压头的阻力。在合成区中的尿素合成溶液，利用比重，经管线16，流入汽提区B的顶部，此汽提区是设置在实际上与合成区相同的高度，将合成作用所需要的CO2量，作为汽提气通入汽提区的较下部分。将汽提过的尿素合成溶液经管线4放出。
现在应用下列实施例来说明本发明。
在附图中，在用示意图表示的日生产能力为1000吨的尿素生产装置中，反应器和汽提设备是设置在地平高度。反应器和汽提器的高度，大约分别为18米和11米。在高于地面20米的平面上，设置了一套水平安装的氨基甲酸铵缩合器，此种缩合器是属于浸没式缩合器设计并且有大约3米的直径。将NH3和CO2从惰性气体中洗出的分离区部分也设置在此高度。因此尿素生产装置的总高度，低于25米。
装置压力相当于137.3巴。物料量用公斤/小时表示。
经管线1，将温度为79.5℃、压力为151.3巴的含有71公斤水的液态NH323,765公斤通入分离区D中的换热器，与在NH3和CO2从惰性气体中洗出时所形成的并具有165℃的氨基甲酸铵进行热交换。于是液态氨的温度就升至155℃。将此量中的16,760公斤的液态氨通入喷射器E，此喷射器E即经管线11从分离区D吸入含有13,462公斤NH3、14,057公斤CO2、2126公斤尿素、6946公斤H2O和27公斤惰性气体的36637公斤的氨基甲酸铵溶液，然后将该混合物经管线12通入缩合区C。在此缩合区中，经管线6、8和9还通入来自汽提区B的数量为76,382公斤的气体混合物，其中含有29905公斤NH3、42976公斤CO2、2601公斤H2O和901公斤惰性气体。此外，在缩合区C中，经管线10，还通入来自反应区A的7751公斤的气体混合物，其中含有3909公斤NH3、3454公斤CO2、273公斤H2O和115公斤惰性气体。在反应区A中，经管线14，通入119890公斤的温度为179℃的含有37095公斤NH3、28448公斤CO2、35024公斤尿素和19308公斤H2O和15公斤惰性气体的溶液。将8777公斤的来自汽提区B的温度为187℃的气体混合物，经喷射器F吸入，并在139巴的压力下，通入反应区。此种气体混合物含有3436公斤NH3、4938公斤CO2、299公斤H2O和103公斤惰性气体。此喷射器是用7005公斤的压力为151.3巴和温度为155℃的液态氨来驱动的。反应区的温度为136℃。经管线16，将含有45195公斤尿素、145公斤缩二脲、37766公斤NH3、22356顲O2和22456公斤H2O以及4公斤惰性气体的127921公斤尿素合成溶液，通入汽提区B，进行汽提并同时提供热量和通入含有137公斤H2O和1009公斤惰性气体的165℃的31800公斤CO2。经管线4，即可得到含有42365公斤尿素、203公斤缩二脲、6002公斤NH3、7120公斤CO2、18864公斤H2O和9公斤惰性气体的74562公斤汽提过的尿素合成溶液。为了进行汽提处理，每生产1吨尿素就需要压力为26巴的785公斤低压水蒸汽。在缩合区中，应用压力为4.5巴的1150公斤低压水蒸汽，可得到1吨的尿素。
权利要求
1.制备尿素的方法，其中在一反应区中，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，在NH3/CO2摩尔比为2.5-3.5的情况下，形成一种含有氨基甲酸铵和游离氨的尿素合成溶液；在一汽提区中，由于提供热量和使尿素合成溶液与相反方向流动的作为汽提气的二氧化碳进行逆流接触，而使在尿素合成溶液中存在的至少一部分氨基甲酸铵分解，将氨基甲酸铵分解产物和一部分过量的氨以及该汽提气，以气体混合物的形式从汽提区放出；将所得到的一部分气体混合物通入一缩合区，在此缩合区中，该气体混合物缩合为一种含有氨基甲酸铵的混合物；然后将该含有氨基甲酸铵的混合物通入反应区，并将汽提过的尿素合成溶液加工成为一种尿素溶液或固体尿素。本法的特征在于，利用比重使含有氨基甲酸铵的溶液流出缩合区而进入反应区，并从反应区流入设置在相同的高度或实际上是相同的高度的汽提区；和在反应区中形成尿素所需多的热量，是由从汽提区中放出的至少一部分气体混合物的缩合作用产生的。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，将从汽提区放出的剩余部分的气体混合物，应用一种用超临界状态的氨驱动的喷射器通入反应区的较下部分。
3.根据实例和附图所叙述和说明的制备尿素的方法。
4.应用权利要求1和/或2的方法所得到的尿素溶液或固体尿素。
全文摘要
制备尿素的方法，其中
文档编号C07C273/04GK1035109SQ8910072
公开日1989年8月30日 申请日期1989年2月3日 优先权日1988年2月8日
发明者基斯·扬卡斯 申请人:斯塔米卡本公司