专利名称:用二氧化碳和氨制造尿素的方法
本发明论及用二氧化碳和氨制造尿素的方法，该方法分几级压缩二氧化碳，以达到生成尿素的压力，在各级压缩间，使二氧化碳受到冷却，并使尿素合成溶液加工成尿素水溶液或尿素固体。
在工业上应用的方法中，需要高压气态二氧化碳，可用离心式压缩机和/或往复式压缩机，分几步压缩二氧化碳，使其达到所要的压力。例如，用气态二氧化碳和液态氨合成尿素时，合成是在高于125巴的压力下进行的，通常，在逐步增加压力下至少分四级压缩气态二氧化碳，以达到所要的压力。每级压缩都会产生热量。若要限制压缩所需的能量，以免压缩机零件因过热而损坏，则必须去除压缩过程释放的热量。
实际上现在通常已采用如下方法使冷却水在各中间压力下通过各加压工序的中间冷却器，用间接热交换方法去除释放的热量。冷却水的温度升高后即排出或使其重复使用，例如，可在冷却装置中冷却。在这种方法中，在各加压工序的热交换过程中被冷却水吸收的热量是废弃的。
在制造尿素的过程中，先在合适的压力(如125-350巴)和合适的温度(如170-250℃)下，用液态氨和气态二氧化碳生成氨基甲酸铵，然后，使生成的氨基甲酸铵脱水而制成尿素。该方法得到的反应产物实质上是一种溶液，该溶液含有尿素、水、氨基甲酸铵和游离氨。从溶液中除去氨基甲酸铵和氨。然后将剩余的含尿素的溶液加工成尿素溶液或尿素固体。
在“欧洲化学通报”1969年1月17日的尿素增刊17-20页中，介绍了一种常用的尿素制造方法。该方法先在高压和高温下，在合成区中生成尿素合成溶液，然后在合成压力下，使该溶液与气态二氧化碳对流接触以进行汽提处理，同时传递热量，结果使溶液中所含的甲氨酸盐基本上分解成氨和二氧化碳，从溶液中除去气态分解产物，并带走少量水蒸气以及用于汽提的二氧化碳。除采用二氧化碳(如上述刊物中所述)外，还能用气态氨、一种惰性气体或至少上述两种气体的混合物，例如，用在处理过程中因加热释放的气体混合物来进行汽提处理。在进行汽提处理的立式换热器的管际空间中，通过15-25巴的高压蒸气冷凝可获得汽提所需的热量。
在第一冷凝区，汽提中得到的气体混合物大部分冷凝下来，并被新的液态氨和进一步处理含尿素溶液所得到的一种水溶液所吸收，在此过程中生成的甲氨酸盐水溶液以及未冷凝的气体混合物通过合成区，以生成尿素。该冷凝区中释放的热量和溶液用装有水的蒸发器带走，使水变成低压蒸气，该低压蒸气可用于合成尿素的别的工序。
接着，使汽提过的尿素合成溶液膨胀至低压，例如，2-6巴，并用低压蒸气加热，以便从溶液中除去在部分存在于汽提过的尿素合成溶液中以甲氨酸盐形式存在的剩余的氨和二氧化碳。在这些工序中得到的气体混合物(还含有水蒸气)在低压下操作的第二冷凝区中冷凝，并被吸收在水溶液中，在该过程中生成的甲氨酸盐稀溶液用泵送回合成尿素的高压区，最后使其通入合成区。其余的含尿素溶液再次降压并浓缩成尿素溶液或尿素熔体，该尿素熔体可进一步加工成固体尿素。为此，通常以两步蒸发，使尿素水溶液脱水，同时传递热量，得到的尿素熔体可加工成颗粒状，或使尿素溶液结晶。在生成所谓的中间冷凝物的同时，蒸发或结晶过程中得到的蒸气混合物(除含水蒸气以外，还含有氨、二氧化碳及夹带的尿素微粒)被冷凝。部分中间冷凝物可用作第二冷凝区中气体混合物的吸收剂。其余的中间冷凝物用高压蒸气处理，以使其中所含的尿素分解成氨和二氧化碳，并通过解吸而传递热量，回收这些分解产物以及原有的氨和二氧化碳。在粒化装置中，尿素熔体变成粒状，由于用洗涤液去除由粒化装置排出的空气中夹带的尿素粉尘，从而生成了废液流。为进一步处理这些废液流，又需要热量。
本发明目的在于提供一种经济地回收热量的方法，这种热量是在气态二氧化碳经多级压缩而达到尿素合成压力时释放的。二氧化碳经一级或多级压缩后，用一种流动的冷却介质使其间接冷却，由冷却介质吸收的热量可用于需要热量的加工步骤中，从而可达到本发明的目的。
因此，本发明是有关用二氧化碳和氨制造尿素的方法，该方法分几级压缩二氧化碳以达到生成尿素的压力，在各级压缩之间，使二氧化碳冷却，并使尿素合成溶液加工成尿素水溶液或尿素固体。该方法特征为至少一部分加压工序中释放的热量被冷却介质所带走，带走的这部分热量可用于尿素制造过程别的需要热量的工序中。
可方便地将冷却介质送入多个平行流动的压缩机的中间冷却器中，当中间冷却器的冷却介质流温度升高时，可分别将其排出或合成一股液流排出。也可用独立的冷却回路来冷却在各步压缩之间的二氧化碳。在此情况下，用于冷却回路的冷却介质流，例如可从通常的主冷却介质流获得，并且温度已升高的冷却介质流可以单股液流或合成一股液流排出。但是，也可能为如下情况，即至少有一条冷却回路是闭合回路，其一端与待冷却的二氧化碳进行热交换，另一端与被加热的工艺流程物流或一种能量转换介质热交换。
一种特别合适的冷却介质是液态氨，因为氨是合成尿素的一种原料，制造过程中所需的部分热量最好通过预热氨而得到。若用液态氨作冷却介质，应使氨在尿素合成压力下引进，若如此要求，则先加较高的压力，再与经压缩的气态二氧化碳进行热交换。由于热交换的结果，氨将全部蒸发或部分蒸发，这取决于二氧化碳压缩机中液态氨的加入温度和状态。接着，最好将加热过的氨流全部或部分送入冷凝区，在该区凝聚的气态氨和气态二氧化碳不会生成尿素。在热交换过程中，由于液态氨吸收了热量，从而全部或部分变成气相，在该区能释放大量的热，例如，能生成大量的低压蒸气或生成一种压力较高的低压蒸气。
在各加压工序中释放的热量也能用锅炉给水(作冷却介质)回收，在此过程中，水可变成低压蒸气。
该冷却回路用水作冷却介质(水中可加或不加降蒸气压的试剂)，或用至少含一种高沸点化合物的液体作冷却介质，也能非常方便地回收释放的热量，这对于采用闭合冷却回路时尤其是这样。在该闭合回路中，也能用含氟和/或含氯的链烷烃类物质作冷却介质。
将作为降蒸气压试剂的二元醇类，如1，2-亚乙基二醇、丙二醇，例如加到水中，结果在热交换过程中，冷却介质的压力会低于经压缩的二氧化碳的压力。由于冷却介质的蒸气压降低，无论在何种情况下(即使在发生渗漏的情况下)，均可防止二氧化碳与冷却介质混杂。
合适的高沸点化合物(该化合物能用来带走压缩过程释放的热量)可以是环氧四氟乙烷聚合物等。这些化合物其沸点高达490℃，已知其商品名称为“氟利昂E”。此外，在热交换中，能用作冷却剂的合适的低沸点含氟和含氯链烷烃是，例如，CCl3F、CCl2F2、CClF3、CHClF2、C2Cl3F3、C2Cl2F4、C2ClF5。若闭合回路中循环的冷却介质不能全部吸收压缩过程释放的热量，例如二氧化碳的温度比较高，则可用冷却水使二氧化碳的温度进一步降到下一级压缩所要的进气温度。
吸收的热量可全部或部分用于如下几方面
a、生成机械能，
b、生成电能，
c、加热和/或蒸发液态氨，
d、加热和/或分解甲氨酸盐，
e、蒸发尿素溶液和/或，
f、进一步处理中间冷凝物和/或合成尿素得到的废液流。
当然，在回收压缩所释放的热量时，可能至少采用两个独立的冷却回路，因而可能至少采用两种不同的冷却剂。
现在，将通过附图和实施例来进一步说明本发明，然而，它们并非来用限制本发明。
图1中的示意图说明，在四级压缩机中压缩二氧化碳，压缩过程释放的热量是通过氨带走的。
1、2、3和4表示四级压缩机的四个加压工序。在加压工序1中，二氧化碳(通常还含有少量含氧的气体，以使尿素合成设备中所用的结构材料保持钝态)，被压至压力为5巴左右。在2、3和4加压工序中，二氧化碳的压力分别增加到约20、80和高于120巴，例如，约160巴。5、6和7均表示冷却区，在各加压工序中经压缩的气态二氧化碳在这些冷却区中冷却。液态氨从贮器9经过10通到泵11，用泵11使液态氨的压力加到至少为125巴，例如，约160巴。由泵11压出的液流12分成三股单独的液流13、14和15。每股液流都通到分别属于一个加压工序的一个冷却区，液流13通到冷却区5，液流14通到冷却区6，液流15通到冷却区7。若如此要求的话，可将液态氨通过另一股液流16，直接送到尿素制造设备的高压冷凝区(该区未画出)。经各加压工序压缩后，各冷却区中二氧化碳的冷却程度取决于每单位时间流经冷却区的冷却介质的量，以及经压缩的二氧化碳和冷却剂之间的温度差。通过控制冷却剂的量和/或其温度，可调节二氧化碳的冷却程度，二氧化碳的冷却程度取决于下一个加压工序中所需要的进气温度。由于热交换，氨发生完全蒸发或局部蒸发。经热交换以后，分开的液流13、14和15合并成液流17，然后，该液流17通到未画出的高压冷凝区。合成尿素的汽提过程中得到的气体混合物在该区冷凝，释放的热量用于生成低压(如3-5巴)蒸气，然后该低压蒸气可用于别的工序。由于热交换而使氨的热含量增加，与至今常用的方法相比，该方法可生成大量低压蒸气。
在尿素制造设备启动过程中，为使氨通过冷却器19返回贮器9，设置了管道18。
图2是一种实施方案的示意图，该方法用加压水带走压缩产生的热量。图中采用与图1相应的参考数字表示相同的设备和液流。用20、23和26表示冷却回路;用21、24和27表示泵;22、25和28表示热交换器。在加压工序1、2和3中，压缩释放的热量是被回路20、23和26中用泵21、24和27进行循环的水带走的，在冷却区5、6和7中被水吸收的热量在热交换器22、25和28中转移给液态氨，液态氨是从贮器9流出，以平行流方式经13、14和15，通过各自的热交换器22、25和28。在该工序中，氨全部或部分蒸发。然后在尿素合成的高压冷凝区中用转移给氨的热量生成低压蒸气。
实例1
在制造工业级尿素时，按图1所示的方法，在一个四级离心式压缩机中压缩气态二氧化碳。每生产一吨尿素，在压缩机中加入774.8千克的气体混合物，该气体混合物含有744.9千克CO2、31.86千克N2和7.52千克O2。最初的三级加压工序中释放的热量是通过一部分合成尿素所需的液态氨带走的，气态二氧化碳被冷却至75℃。
分成三股平行液流的液态氨，其温度为40℃，压力为156.9巴。各条平行的氨液流分别流径最初三级加压工序的各个中间冷却器。从各中间冷却器流出的氨，其温度为160℃。下列的表1列出了各加压工序中，气态二氧化碳的压力和温度，氨的量以及待带走的热量。
表Ⅰ
从中间冷却器流出的氨通入合成尿素的高压甲氨酸盐冷凝区，并加入冷凝的汽提气体中。
由于氨中所含的热量较高，所以，在该区中，每吨尿素能额外生成171千克压力为4.5巴的低压蒸气。
实例2
按实例1所述的方法，压缩含有与例1相同组分的含二氧化碳的气体混合物。用部分尿素合成中所需的液态氨带走释放的热量，该液态氨的温度为70℃，压力为156.9巴。将流径最初三级加压工序的各中间冷却器的各条平行液流(共三条)逆流通入待冷却的气态二氧化碳中。将气态二氧化碳冷至90℃，而氨加热至170℃。
表Ⅱ列出各级加压工序中气态二氧化碳的压力和温度、氨的量以及待带走的热量。
表Ⅱ
从各中间冷却器流出的氨被送入汽提气体中，该气体在尿素合成的高压冷凝区中冷凝。
由于额外释放大量的热，生产每吨尿素能额外得到161千克压力为4.5巴的低压蒸气。
实例3
在一个四级压缩机中压缩含二氧化碳的气体混合物，该气体混合物的组成与实例1相同，同时按图2所示方法带走压缩产生的热量。在最初三级加压工序中，用水带走释放的热量。为此，每生产一吨尿素，在压力为6.2巴下的冷却回路20中要通入212千克的水，在压力为15.5巴的冷却回路23和26中，应分别通入245千克和276千克水。由于冷却区5、6和7中的水吸收了热量，结果在回路20中，水的温度可从80℃升至160℃，在回路23和26中，水的温度可从80℃升至200℃。被水吸收的热量可转移给液态氨，该液态氨在压力为156.9巴和温度为70℃下，以平流方式，通过热交换器22、25和28。为此，每生产一吨尿素，流经液流管道13、14和15的氨分别为118、131和148千克。这些氨加起来相当于制造尿素所需的氨总量的70%左右。氨吸热后全部蒸发。13、14和15三股液流合并成一股液流17后，气态氨的温度为167℃。氨在高压冷凝区中，可与汽提过程中得到的气体混合物一起冷凝，每吨尿素可额外回收161千克压力为4.5巴的低压蒸气。
权利要求
1、用二氧化碳和氨制造尿素的方法，该方法分多级压缩二氧化碳以达到生成尿素的压力，在各级压缩之间，使二氧化碳冷却并使尿素合成溶液加工成一种尿素水溶液或尿素固体，该方法特征为在加压工序间释放的热量，至少一部分被一种冷却介质所带走，带走的热量又可用于需要热量的别的工序中。
2、按权利要求
1的方法，其特征为在加压工序间，用多股平行流动的冷却介质冷却二氧化碳。
3、按权利要求
1的方法，其特征为在加压工序间，以多个独立的冷却回路冷却二氧化碳。
4、按权利要求
3的方法，其特征为各冷却回路的冷却介质流是由一条共有的主流道获得的。
5、按权利要求
3的方法，其特征为至少一个独立的冷却回路是闭合回路，该回路在在一端与待冷却的二氧化碳热交换，另一端与待加热的一种工艺过程物流或一种能量转移介质进行热交换。
6、按权利要求
3的方法，其特征为至少一个闭合回路所用的冷却介质是水，水中可含有一种降蒸气压的试剂或含一种液体，该液体至少由一种高沸点化合物组成。
7、按权利要求
3的方法，其特征为至少一个密闭回路用含氟和/或含氯链烷烃作冷却介质。
8、按权利要求
1的方法，其特征为在加压工序间待带走的热量中，至少一部分可用于加热一种经压缩的氨液流。
9、按权利要求
8的方法，其特征为至少部分加热过的氨流被送入冷凝的气态氨和二氧化碳不会转变成尿素的区域。
10、用二氧化碳和氨制造尿素的方法，其中该方法以多级压缩二氧化碳以达到生成尿素的压力，二氧化碳可由附图和实例中所叙述和说明的方法，在加压工序间受到冷却。
11、按上述权利要求
的任何一项或几项所述的方法制造尿素溶液和固体尿素。
勘误表
CPCH866061
文件名称 页 行 补正前 补正后
说明书 7 10 744.9 734.9
专利摘要
用二氧化碳和氨制造尿素的方法，该方法中，二氧化碳经多级压缩而达到生成尿素的压力，在各级压缩间，二氧化碳受到冷却。将尿素合成溶液加工成一种尿素水溶液或尿素固体。在各级加压工序间释放的热量，至少一部分被一种冷却介质所带走，带走的热量又可用于需要热量的别的工序中。在加压工序间，二氧化碳可由提供的冷却介质平流冷却或由多个独立的冷却回路冷却。
文档编号C07C273/00GK86101228SQ86101228
公开日1986年10月22日 申请日期1986年3月2日
发明者皮特勒斯·约翰尼斯·玛丽·范纳索, 安德烈亚斯·约翰尼斯·比尔曼斯, 马里奥·古斯塔夫·曼杰·蒂利·德库克 申请人:乌尼范公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan