用於製備尿素的方法

2023-12-01 02:57:51 1

專利名稱：用於製備尿素的方法
技術領域：
本發明涉及一種由氨和二氧化碳製備尿素的工藝。
尿素可通過將過量氨與二氧化碳一起在合適的壓力(例如12-40MPa)和合適的溫度(例如160-250℃)下引入合成區而製成，首先根據以下反應導致形成氨基甲酸銨
所形成的氨基甲酸銨根據以下的平衡反應隨後脫水導致形成尿素
理論上可得到的氨和二氧化碳至尿素的轉化由平衡的熱力學位置決定且例如取決於NH3/CO2比率(N/C比率)、H2O/CO2比率和溫度。
在合成區中氨和二氧化碳至尿素的轉化過程中，反應產物由合成反應器得到，該產物是一種基本上由尿素，水，氨基甲酸銨和未結合氨組成的尿素合成溶液。
除了前述尿素合成溶液，可能在合成區中出現未轉化的氨和二氧化碳與惰性氣體的氣體混合物，該氣體混合物也稱為合成氣體。存在其中的惰性氣體可例如源自將空氣加入成套設備以提高成套設備耐腐蝕性的體系。例如，惰性氣態組分可通過原料(NH3和CO2)供給至合成區。氨和二氧化碳從合成氣體中被除去並優選返回至合成區。
合成區可包括用於形成氨基甲酸銨和尿素的單獨的區。但這些區也可整合在單個裝置中。合成可在單個反應器或在兩種反應器中進行。如果採用兩種反應器，第一反應器例如可用基本上新鮮的原料操作，而第二反應器使用從例如尿素回收中完全或部分再循環的原料操作。
在合成反應器中氨基甲酸銨至尿素和水的轉化可通過保證反應器中的反應混合物具有足夠長的停留時間而進行。停留時間一般來說長於10min，優選長於20min。停留時間一般來說短於3小時，優選短於1小時。
實際上，各種工藝用於製備尿素。最初，尿素在所謂的常規高壓尿素成套設備中製備，它在20世紀六十年代末被在所謂的尿素汽提成套設備中進行的工藝接替。
常規高壓尿素成套設備理解為一種尿素成套設備，其中沒有轉化成尿素的氨基甲酸銨的分解和常規過量氨的排出在明顯低於合成反應器自身壓力的壓力下進行。在常規高壓力尿素成套設備中，合成反應器通常在溫度180-250℃和壓力15-40MPa下操作。在常規高壓尿素成套設備中，在壓力1.5-10MPa下膨脹、分解和縮合之後，沒有轉化成尿素的原料作為氨基甲酸銨物流返回至尿素合成。另外，在常規高壓尿素成套設備中，氨和二氧化碳直接加料到合成反應器。在常規高壓尿素工藝中，尿素合成中的N/C比率是3-5。
最初，這些常規尿素成套設備設計為所謂的′一次通過′工藝。在此，未轉化的氨用酸(例如硝酸)中和並轉化成銨鹽(例如硝酸銨)。沒有多久，這些常規一次通過尿素工藝被替代為常規再循環工藝，其中未轉化氨和二氧化碳作為氨基甲酸銨物流返回至合成反應器。在回收部分中，將未轉化氨和二氧化碳從得自合成反應器的尿素合成溶液中除去，在該工藝中水溶液中的尿素析出。然後，水溶液中的該尿素在蒸發部分中通過減壓蒸發水而轉化成尿素。有時，尿素-水混合物利用結晶技術而分離。
尿素汽提成套設備理解為一種尿素成套設備，其中沒有轉化成尿素的氨基甲酸銨的分解和常規過量氨的排出主要在幾乎基本等於合成反應器自身壓力的壓力下進行。該分解/排出在汽提區中在有或者沒有通入汽提氣體的情況下進行。在汽提工藝中，二氧化碳和/或氨可在這些組分加入合成反應器之前用作汽提氣體。這種汽提在安裝在合成反應器下遊的汽提塔中進行；其中，來自合成反應器的尿素合成溶液在加熱的同時用汽提氣體進行汽提。在此也可使用熱汽提。熱汽提是指，氨基甲酸銨被分解，且所存在的氨和二氧化碳僅利用加熱而從尿素溶液中去除。汽提也可在兩種或多種步驟中進行。在已知的工藝中，純粹熱汽提的第一步驟之後是一個在進一步加熱情況下的CO2汽提步驟。離開汽提塔的包含氨和二氧化碳的氣流通過或不通過高壓氨基甲酸鹽冷凝器返回至反應器。使用汽提劑對尿素合成溶液進行汽提可在一個以上的汽提塔中進行。
在尿素汽提成套設備中，合成反應器在溫度160-240℃，優選在溫度170-220℃下操作。合成反應器中的壓力是12-21MPa，優選12.5-19.5MPa。在尿素汽提成套設備中的合成區中的N/C比率是2.5-4。
通過汽提工藝製備尿素的常用實施方案是Stamicarbon CO2汽提工藝，描述於European Chemical News，Urea Supplement(1969/1/17，頁數17-20)。在汽提操作中得到的大部分氣體混合物與該工藝所需的氨一起在高壓氨基甲酸鹽冷凝器中被冷凝和吸附，然後將在此形成的氨基甲酸銨物流返回至合成區用於形成尿素。
高壓氨基甲酸鹽冷凝器可例如設計為描述於NL-A-8400839的所謂的潛管冷凝器。潛管冷凝器可放在水平或垂直位置中。但特別有利的是在水平潛管冷凝器(所謂的池冷凝器；參見例如Nitrogen No 222，七月-八月，1996，29-31頁)中進行冷凝，這是因為與該冷凝器的其它設計相比，液體通常在池冷凝器中具有較長的停留時間。這導致形成額外的尿素，升高沸點，這樣含尿素的氨基甲酸銨溶液和冷卻介質之間的溫差增加，導致較好的熱傳遞。
在汽提操作之後，汽提的尿素合成溶液的壓力在尿素回收中減至低水平且溶液通過蒸發而濃縮，然後尿素被釋放且低壓氨基甲酸銨物流被再循環至合成部分。取決於該工藝，該氨基甲酸銨可在單個或多個在不同壓力下操作的工藝步驟中回收。
在尿素工藝中，廢氣作為副產物在該成套設備的各種場所形成。這些廢氣基本上是被氨和二氧化碳汙染的惰性氣體，其惰性組成組分被排放至大氣。在從成套設備中去除之前，這些廢氣應該尤其首先去除氨。
廢氣通常是在稱作吸收器中的吸收步驟清除，其中尤其氨藉助一種合適的氨溶劑如水或弱氨工藝冷凝物，在有或者沒有通過例如熱交換器去除的熱的情況下從廢氣中去除。廢氣在各種壓力水平下形成。氨有利地在儘可能高的壓力下從這些廢氣中被吸附。
在Stamicarbon CO2汽提工藝中，例如，來自反應器的氣流，合成氣體，在洗滌器中在高壓力(＞10MPa)下使用源自該成套設備的低壓部分的氨基甲酸銨溶液進行洗滌。在高壓洗滌器中形成氨基甲酸銨物流，該物流通常進入高壓冷凝器和廢氣的未冷凝物流。在排放至大氣之前，來自高壓洗滌器的廢氣通過吸收步驟在中壓下操作的吸收器中脫除剩餘的氨。′在中壓下′是指在壓力例如0.3-0.6MPa下。
廢氣通過吸收步驟純化的其它例子包括′自汽提工藝′，描述於Uhlmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry，Vol A 27，頁數346-348，1996，其中來自成套設備的高壓部分的廢氣最終也在中壓下操作的吸收器中洗滌。同樣，在描述於Uhlmann’s Encyclopedia ofIndustrial Chemistry，Vol A 27，頁數348-349，1996的ACES工藝中，由高壓洗滌器排放至中壓分解階段的包含不可冷凝組分的廢氣最終在中壓下操作的吸收器中洗滌。
根據目前的技術狀態，來自成套設備的高壓部分的廢氣通過控制閥進入中壓吸收器。嚴重缺陷在於，有可能被回收的能量在該工藝中損失。
另外，帶有氨的氣流在所有的尿素成套設備中在例如0.1MPa-0.3MPa的明顯較低的壓力下，但主要在大氣壓下釋放。一個例子是在蒸發部分的濃縮區中的廢氣。在蒸發部分中，尿素溶液在減壓下通過蒸發而濃縮，在該工藝中形成一種被氨汙染的水蒸氣流，從中可冷凝的組分在冷凝器中冷凝。但剩餘的廢氣仍然包含氨。其它例子是用於氨水或用於尿素溶液的常壓貯槽的廢氣、在尿素成套設備的結晶部分中的篩分設備和離心機的廢氣等。這些物流的缺陷是其低壓(例如大氣壓)，因為低壓不利於吸收工藝。
因為經濟和環境原因更加要求在將其排放至大氣之前清除這些低壓的帶氨氨流。在此，在合適的溶劑如水或弱氨水中的吸收同樣是合適的清除技術。這樣的吸收通常在低壓下操作的吸收器中進行且可進一步利用熱交換器通過直接或間接冷卻而優化。′在低壓下′是指在壓力0.1MPa至0.3MPa下但幾乎主要在大氣壓下。
已經發現，前述缺陷可通過使用由高壓合成部分的廢氣驅動的噴射器提高几乎在大氣壓下的尿素成套設備中釋放的廢氣的壓力並將所述廢氣供給至中壓吸收器而消除。在幾乎以大氣壓釋放的廢氣的壓力增加0.15MPa-2MPa，優選0.2-0.5MPa。
高壓廢氣的膨脹能量在此通過吸入並壓縮低壓廢氣而用於噴射器。結果，低壓廢氣達到較高壓力水平，從而氨在溶劑中的吸收得到促進。這樣限制了尿素成套設備的總氨損失。
另外，本工藝提供的優點在於，將供給至兩個吸收步驟的廢氣合併，使得吸收被結合在設備的單個部件中，導致尿素成套設備的投資下降。
另外，本工藝通過使用由合成部分的廢氣驅動的噴射器提高几乎在大氣壓下操作的吸收器的廢氣壓力並將所述廢氣供給至中壓吸收器而非常適用於提高和優化現有的尿素成套設備。幾乎在大氣壓下操作的吸收器的廢氣壓力在此增加0.15MPa-2MPa，優選0.2-0.5MPa。
本發明可應用於所有的現有尿素工藝，即常規尿素工藝和尿素汽提工藝二者，因為各種壓力水平的廢氣物流和不必要的能量損耗及不好的吸收結果出現在所有的這些工藝中。
其中可應用本發明的常規尿素工藝的實例是所謂的′一次通過′、常規『再循環』和熱再循環工藝。
其中可應用本發明的尿素汽提工藝的實例是CO2汽提工藝、氨汽提工藝、自汽提工藝、ACES(用於節約成本和節能的高級工藝)工藝、IDR(等壓-雙重-再循環)工藝和HEC工藝。
本發明通過以下實施例說明。
實施例在容量為1500MT/天的尿素成套設備中，在大氣壓下得到的廢氣使用一種由合成氣體驅動的噴射器壓縮，這樣該壓縮氣體在現有的0.4MPa吸收器中被吸收。結果，大氣吸收器變成多餘。原來在該成套設備中有兩個排放點一個在0.4MPa吸收器，另一個在大氣吸收器。由於本工藝，消除了一個排放點。
工藝在以下條件下進行作為噴射器推進劑的合成氣體流速1429千克/小時壓力14MPa溫度112℃所要壓縮的氣體(在先供給至大氣吸收器)流速807千克/小時壓力大氣壓溫度114℃通過噴射器在0.4MPa吸收器的入口壓縮的氣體流速2636千克/小時壓力0.4MPa
溫度106℃已經發現，應用本工藝導致來自該特殊排放點的氨損失為2.45kg/小時。
帶兩個排放點的1500MT/天成套設備的氨損失總計為4.2kg/小時。
權利要求
1.由氨和二氧化碳製備尿素的方法，特徵在於在用於製備尿素的成套設備中，幾乎以大氣壓釋放的廢氣被一個由來自高壓合成的廢氣驅動的噴射器壓縮並供給至中壓吸收器。
2.根據權利要求1的方法，特徵在於幾乎以大氣壓釋放的廢氣的壓力增加0.15-2MPa。
3.根據權利要求2的方法，特徵在於幾乎以大氣壓釋放的廢氣的壓力增加0.2-0.5MPa。
4.通過使用由來自合成部分的廢氣驅動的噴射器提高几乎在大氣壓下操作的吸收器的廢氣的壓力並將所述廢氣供給至中壓吸收器而用於提高和優化現有的尿素成套設備的方法。
5.根據權利要求4的方法，特徵在於來自幾乎在大氣壓下操作的吸收器的廢氣的壓力增加0.15-2MPa。
6.根據權利要求4的方法，特徵在於來自幾乎在大氣壓下操作的吸收器的廢氣的壓力增加0.2MPa-0.5MPa。
全文摘要
由氨和二氧化碳製備尿素的方法，其中在尿素成套設備中幾乎以大氣壓釋放的廢氣通過一個由來自高壓合成的廢氣驅動的噴射器壓縮並供給至中壓吸收器。廢氣的壓力增加0.15－1MPa。
文檔編號C07C273/04GK1479720SQ01820062
公開日2004年3月3日 申請日期2001年11月23日 優先權日2000年12月5日
發明者J·H·梅森, K·約恩克爾斯, J H 梅森, 骺碩 申請人:Dsmip財產有限公司