生产脲的方法与流程

本发明涉及生产脲的方法。

背景技术：

脲合成(h2n-co-nh2)需要两种重要的反应物，即co2和氨(nh3)。

用于生产所需的氨的氨合成或脲合成在此可以基于蒸汽重整，蒸汽重整提供合成氨所需的氢气或合成脲所需的co2。通常利用洗涤法去除在此产生的co2，其中在负载了co2的洗涤剂再生时通常产生co2。为此通常在比较低的压力下加热负载的洗涤剂，从而由于在合成脲时所需的co2压缩而产生高的能量需求。

氨和co2是用于合成脲的主要反应物。通常利用供应空气的atr重整装置生产氨，其中将所产生的h2和n2混合，随后经过变换反应器和甲烷化反应器将全部co转化成甲烷。然后将co2和甲烷与h2-n2混合气分离。然后压缩h2-n2混合气，并且在氨反应器中使其转化。在替代性的布置方案中，通过使来自蒸汽重整装置的氢气与来自空气分离单元的氮气反应，可以产生氨。该布置方案除了需要空气分离单元之外，还需要传统的制氢设备。在送入氨反应器之前将氢气和氮气混合并且压缩。第二种布置方案的优点在于氨合成气中的惰性物质含量少。

然后加入co2将所产生的氨转化成脲。在这两种布置方案中产生的co2通常不足以使产生的氨完全转化。因此，若存在，均要从外部来源输入co2。

技术实现要素：

在此背景下，本发明的目的在于改善上述类型的方法。

通过根据本发明的方法实现该目的。

根据本发明，生产脲(h2n-co-nh2)的方法包括以下步骤：

-通过部分氧化使含甲烷及优选脱硫的原料气流(尤其是具有天然气或ch4)与氧气反应生成具有氢气和一氧化碳的合成气流，

-在水煤气变换反应中使合成气流的一氧化碳与水反应生成二氧化碳和氢气，

-将合成气流至少分成第一和第二合成气支流，

-利用变压吸附法从第一合成气支流中分离出氢气，及

-利用变温吸附法从第二合成气支流中分离出二氧化碳，

-从第一合成气支流中分离出的氢气(h2)与氮气(n2)反应生成氨(nh3)，及

-氨与从第二合成气支流中分离出的二氧化碳(co2)反应生成脲。

然后优选使用部分氧化法(pox)来产生合成气。在此不仅可以使用基于催化剂的pox，也可以使用不需要催化剂也可完成的pox。

原料气流优选具有在合成气生产步骤中转化成具有h2和co的合成气的一种或多种以下组分或烃类：天然气、ch4、h2o、co2。

在部分氧化过程中，优选经过预先纯化的、尤其是经过脱硫的原料气流(见下)尤其是以亚化学计量比在放热过程中反应，所述原料气流例如具有天然气或ch4，或更高级烃类，如石脑油、lpg、油，或炭。反应产物主要是形成合成气的物质氢气和一氧化碳，它们根据下式获得。

cnhm+(n+x)/2o2→(n-x+y/2)co+(m-y)/2h2+(x-y/2)co2+y/2h2o

在部分氧化过程中也可以加入水蒸汽作为反应物。

对通过pox产生的合成气流实施所述水煤气变换反应，其中根据

co+h2o←→co2+h2

使在合成气中所含的co与水反应生成二氧化碳和氢气，这在此是特别有利的，因为一方面需要氢气用于合成氨，并且需要co2用于合成脲。

根据本发明的一个实施方案，在分离时以至少20巴、优选至少30巴、特别优选至少50巴的高压提供分离出的二氧化碳。

根据本发明的一个实施方案，至少以化学计量比提供分离出的二氧化碳以使氨转化成脲，从而使氨(nh3)完全转化成脲。

根据本发明的一个实施方案，在用于分离出co2的变温吸附中在一个循环时间内使得来自第二合成气支流的co2吸附在吸附器上，接着使其解吸，其中循环时间优选小于360分钟，更优选小于240分钟，特别优选小于180分钟。

根据本发明的一个实施方案，为了从第一合成气支流分离出氢气，在变压吸附中使得在第一合成气支流中所含的co2和co(以及尤其是ch4)在第一压力下吸附在吸附器上，其中优选在低于第一压力的第二压力下使吸附器再生，使得吸附的co2和co(以及尤其是ch4)解吸，例如利用氢气吹洗吸附器以去除解吸的co2和co(以及尤其是ch4)，产生相应的废气。

根据本发明的一个实施方案，使用变压吸附的废气作为燃料，其中优选燃烧废气以加热原料气流和/或产生水蒸汽和/或使水蒸汽过热。此外还可以燃烧废气产生能量，或者任选将其重新压缩并送回pox。

根据本发明的一个实施方案，同样对在变温吸附中产生的具有h2和co(以及尤其是ch4)的废气实施变压吸附，从而额外提供用于产生氨的氢气，其中优选对来自变温吸附的废气连同第一合成气支流一起实施所述变压吸附，和/或将来自变温吸附的废气与在变压吸附中产生的(具有co2和co以及尤其是ch4的)废气混合并用作燃料。

根据本发明的一个实施方案，在co2与氨反应生成脲的上游，优选借助催化氧化，在纯化步骤中去除在(于变温吸附中分离出的)co2中所含的杂质(例如为h2、ch4和/或co的形式)。

根据本发明的一个实施方案，在水煤气变换反应的上游和/或下游冷却合成气流，其中优选使用水冷却合成气流产生工艺蒸汽。

根据本发明的一个实施方案，在变温吸附中使用在冷却过程中产生的热量以使吸附器再生。

根据本发明的一个实施方案，通过低温分离空气产生pox所需的氧气，在该分离过程中额外产生氮气，其与氢气反应生成氨。

根据本发明的一个实施方案，在部分氧化的上游引导原料气流通过吸附装置，在吸附装置中吸附一种或多种尚在原料气流中的硫化合物，并且在此情况下从原料气流去除。

根据本发明的一个实施方案，在水煤气变换反应的下游并且在变压吸附及变温吸附的上游将合成气流或两股合成气支流干燥。

根据本发明的另一方面，推荐生产脲的设备。

所述生产脲的设备具有：

-pox反应器，其构造用于通过部分氧化使含甲烷及优选经过脱硫的原料气流与氧气反应生成具有氢气和一氧化碳的合成气流，

-位于pox反应器下游的水煤气变换反应器，其构造用于在水煤气变换反应中使合成气流的一氧化碳与水反应生成二氧化碳和氢气，其中所述设备还构造用于将来自水煤气变换反应器的合成气流至少分成第一和第二合成气支流，

-变压吸附装置，其构造用于对第一合成气支流实施变压吸附，其中从第一合成气支流分离出氢气，及

-变温吸附装置，其构造用于对第二合成气支流实施变温吸附，其中从第二合成气支流分离出二氧化碳，

-氨反应器，其构造用于使从第一合成气支流分离出的氢气与氮气反应生成氨，及

-脲反应器，其构造用于使氨与从第二合成气支流分离出的二氧化碳反应生成脲。

此外在其他实施方案中还通过根据本发明的方法的相应实施方案描述根据本发明的设备的特征。就此而言，所述设备优选各自构造用于实施根据本发明的方法的各个实施方案的相应方法步骤。

下面依照附图图示说明本发明的实施例，阐述本发明的其他特征和优点。

附图说明

图1所示为根据本发明的生产脲的方法的示意图；及

图2所示为从在根据本发明的方法中产生的合成气分离出co2和h2的示意图。

具体实施方式

图1所示为生产脲的设备或方法的示意图。

在此，例如具有ch4的原料气流ng(例如为天然气的形式)在转化成(具有h2和co的)合成气s之前通过部分氧化20实施脱硫30，然后借助部分氧化20在存在氧气以及尤其是水蒸汽w的情况下反应生成合成气流s，其具有h2和co以及尤其是ch4、h2o和co2。

然后对合成气流s实施水煤气变换反应40(见上)，并用水进行冷却，其中可以产生所述水蒸汽w。原则上也可以在下述的变温吸附51中使用在冷却合成气s时产生的热量以使吸附器再生(参见图2)。

此外还对合成气流s实施干燥，其中随后分离(50)合成气流s的氢气和二氧化碳，使氢气与氮气反应(60)生成氨，最后使二氧化碳与所产生的氨反应生成脲。

通过低温分离10空气l产生用于pox20的氧气，其中还获得合成氨60所需的氮气。

根据图2，优选分离50氢气和二氧化碳，从而将经变换的合成气流s分成第一和第二合成气支流s′、s″，其中对第一合成气支流s′实施变压吸附51，从第一合成气支流s′分离出氢气，对第二合成气支流s″实施变温吸附52(见上)，其优选至少部分间接地例如通过不与吸附器直接接触的载热介质进行加热和/或冷却，从第二合成气支流s″分离出二氧化碳。该变温吸附的循环时间通常很短，在2至6小时的范围内。然后使分离出的氢气与氮气一起反应生成氨60，其又与分离出的co2反应生成脲70。优选将来自变温吸附52的co2v在脲合成70的上游进一步纯化53，从而尤其是去除其中所含的杂质，例如h2、ch4和co、甲醇。

在变压吸附51以从第一合成气支流s′分离出氢气时，使在第一合成气支流中所含的co2和co以及任选存在的其他成分(例如ch4)在第一压力下吸附在吸附器上，优选在低于第一压力的第二压力下使吸附器再生，使吸附的成分解吸，吹洗吸附器以去除解吸的成分产生废气a。在变压吸附51中优选使用多个吸附器，尤其是两个或四个吸附器，从而尽可能始终有一个吸附器以吸附模式工作，从而可以准连续地输出氢气。

可以使用来自变压吸附51的废气a例如作为燃料，例如可以燃烧废气a以加热原料气流ng和/或产生水蒸汽和/或使水蒸汽过热。

在变温吸附52时使co2在低的第一温度下吸附在吸附器上，并且在较高的第二温度下解吸，为此提供所需的能量e。可以将在吸附co2时产生的具有h2和co的残余气或废气a′与第一合成气支流s′一起送入变压吸附51中，或者可以与来自变压吸附51的废气a混合并且与其一起用作燃料。

由于根据本发明分离出co2，其在分离之后有利地以优选至少20巴的高压存在，从而可以节省掉否则必需的相应地为了合成脲而压缩co2的能量。其原因特别是在于，在变温吸附中通过加热吸附器进行再生，从而使得相比较而言在变压吸附中再生时产生的压力损失是可以避免的。

此外，在通过催化氧化使co2纯化53的情况下有利地不冷却来自变温吸附的co2，这是因为其必须具有相应地提高的温度以进行催化氧化。

通过使用相应地设计的催化氧化，可以补偿在解吸时产生的组成波动，从而确保尽可能均匀的co2品质。例如可以如下方式匹配调节系统，考虑催化氧化的需氧量，并且始终保持co2中的氧浓度尽可能恒定，例如低于0.7体积％，尤其是低于0.6体积％或者尤其是＜0.35体积％。该调节方法对于脲设备的稳定性和能量效率是有利的。为了调节co2中的o2含量，可以预测由于加热使可燃成分解吸的情况。然后可以据此调节空气量。也可以例如额外地测量和调节co2中的o2含量。

因此，本发明能够将已知的技术例如pox、asu(低温分离空气)、变压吸附和变温吸附整合成一个设备概念或方法概念，其可以为脲合成提供充足的co2，从而使所产生的氨能够完全转化，其中以高的压力水平提供所需的co2，从而可以省略掉成本高昂的额外压缩。

附图标记

10分离空气

20pox

30脱硫

40水煤气变换反应和合成气冷却

50分离h2和co2

51变压吸附

52变温吸附

53co2纯化

60合成氨

70合成脲

a，a′废气

e用于加热的能量

l空气

ng原料气

s合成气

s′第一合成气支流

s″第二合成气支流

r经变换的合成气回流

v在变温吸附下游的含有杂质的co2

w水蒸汽