本发明是关于一种由氨和二氧化碳来制备脲素的方法。 在一个适当的压力（例如125-350大气压）和合适的温度下（例如170-250℃），向合成区加入氨和二氧化碳，首先按照下式进行反应，生成氨基甲酸铵：
由生成的氨基甲酸铵接着经过脱水，按下式可逆反应形成脲素：
脲素转换发生的程度是取决于温度和使用过量的氨。作为反应产物的溶液，其主要含有脲素、水、氨基甲酸铵和游离氨。氨基甲酸铵和氨要从上述溶液中移去，基本上再被加回到合成中。合成区可由用于铵酸酯和脲素形成的分区来组成，但这些分区也可以提供在一个装置内。
在1969年1月17日，欧洲化学报道的脲素增刊上（第17-20页），介绍了一种实际使用中广泛已采用的脲素制造方法。在此方法里，对在高温和压力下在合区成形成的脲素合成溶液进汽提吸处理，也就是在合成压力下，把该溶液同气体二氧化碳逆式接触并同加热，其结果为，存在于溶液中的大部分甲胺酸酯分解成为氨和二氧化碳，这些分解产物以气态的形式从溶液中排除掉，并且连同少量的水汽和用来汽提的二氧化碳一起被放出。用于汽提处理的热量由15-25巴的高压蒸汽的冷凝所获得，该汽提是发生在立式热交换器管子壳程上的。
在汽提处理中获得的气体混合物通到一个第一冷凝区，它其中的大部分被冷凝和吸收在一个水溶液里，这所说的水溶液是含脲素溶液被进一步处理所得到的，基于这些，把这样生成的甲铵酸酯水溶液和未冷凝的气体温合物送到合成区来用作于脲素合成。在这里，甲铵酸酯转换成脲素所需热量可由进一步冷凝这些气体混合物来得到。
随后，汽提后的脲素合成液扩张到一个低压，例如3-6巴，并且蒸汽加热，以便从脲素溶液里移去氨和二氧化碳以及仍然部分存在的甲铵酸酯。在一个第二冷凝区里，这些操作中所获得的气体混合物（其中也含有水蒸汽），在一个水溶液里并且在低压下进行冷却和吸收，那所得到的稀甲铵酸酯溶液回到合成脲素的高压部位，最终再引入到合成区里。那余下的含脲素溶液进一步在压力下进行缩减，并且形成了脲素溶液或熔体（他们可以加工成固体脲素）。为了这个目的，脲素水溶液通常在二个蒸汽级里进行蒸发，并且这样得到的脲素熔体被加工成小颗粒，或者脲素溶液直接进行结晶。冷凝由蒸发或结晶过程中所得的气体，得到称为工艺冷凝物（process condensate），所说的气体中除了含有水蒸汽外，特别还含有氨，二氧化碳以及带走的细微脲素液滴。工艺冷凝物中的一部分在第二冷凝区用作为气体混合物的吸收剂。余下的可以在高压蒸汽处理下分介成氨和含脲素的二氧化碳，并且连同已存在的氨和氧化碳一起对这些分解产物进行再生处理。
早已有人提出在这方法里装一个附加分解级，将仍然还存在于汽提后的脲素合成溶液里的那部分甲铵酸酯量，在12-25公斤/厘米2压力下进行下分解（参见美国专利4354040）。而这样一个附加分解级的一个缺点是，这个附加分解级排出来的含脲素溶液里，没有转换成脲素的氨和二氧化碳的摩尔比率，相对来说太高了。结果，该比例同样在气体混合物里也是相当高的，这气体混合物是存在第二个附加分解级的甲铵酸酯分解产生的。为了将这气体混合物完全冷凝成自由晶体甲铵酸酯溶液，需要大量的水，或者含水吸收剂，这些水或吸收剂最后被回到合成区，并且对氨和二氧化碳转换成脲素产生不利影响。如果出现上面描述的过程的情况，那么合成所需要的那部分的二氧化碳要被供应给最后分解级，在这个级里所获得的气体混合物里，可得到一个NH3/CO2的摩尔比，该比例在通常条件下是很适用于完全冷凝的。然而，在这冷凝中，它属于这分解级的低温水平下释放出冷凝热，因此，返释放出来的热几乎不能派任何用途，反而要用冷却水来消除它。
本发明目的是提供一种制备脲素的方法，并且它避免了上述方法的缺陷。根据本发明，如果气体混合物和余留溶液是汽提过的脲素合成溶液膨胀获得的，对他们进行一个特殊的处理，便可达到本发明目的。由于二氧化碳汽提处理的结果，这汽提过的脲素合成溶液含有相当多的二氧化碳。因此，由该溶液膨胀所得的气体混合物也含有相当多的二氧化碳。当这气体混合物同余留溶液接触时，在仍存在于余留溶液里的甲铵酸酯量已经分解并且由此形成的气体被分离以后，在溶液里的NH3/CO2比率便大大地减少，而在气体混合物里却增加了。作为这个处理的结果，在后续分解级里也可获得气体混合物，这没有进一步来正确测量，例如额外二氧化碳的增加，并且也没有过度大量的水的增加。这里的气体混合物可在相对高的温度下进行冷凝，这样的冷凝热具有有效的使用价值。
因此本发明是关于一种制备脲素的方法，其中：
在一个NH3/CO2摩尔比一直到4∶1，温度至少为175℃以及在相应压力下，在合成区的一个高压部位生成一个含有甲铵酸酯和游离氨的脲素合成溶液。
在一个第一分解级里，处在合成压力或微低点的压力下，甲铵酸酯部分通过用二氧化碳汽提处理（同时也供应热量）得到分解。这样获得的气体混合物至少是有部分冷凝的，并且不管该气体混合物的冷凝部分还是没冷凝部分都返到合成区里。
在至少二个另外的分解级里，仍然还存在的那部分甲铵酸酯被分解，而且由此形成的气体混合被分离，在第一个另外的分解级里，维持一个12-30巴的压力并且提供热量。
进一步处理余留的含脲素溶液，即蒸发余留溶液为浓的脲素溶液，如需要的话，也可成固体脲素。
这个方法的特征在于，汽提过的肠素合成溶液膨胀到适当压力形成的气体混合，这里压力是等于或者高于另外的分解级的第一个级里的压力，上述的气体混合物被引入到一个接触区，同一溶液直接接触，该溶液是指，分解那部分仍存在于余留溶液的甲铵酸酯，并分离由此形成的气体以后余留的溶液，接着余留气体混合物从接触区里排除出来和进行冷凝，该冷凝物被返回到脲素合成的高压部位。
那部分仍然存在于膨胀汽提过的脲素合成溶液里的甲铵酸酯，它的分解可以用加热溶液来完成。最好是，在一个第一冷凝区里，通入这种上面所说的溶液间接地同冷凝气体混合物进行热交换，从而分解上说的甲铵酸酯。如果在第一冷凝区选择如此的条件，以至于从由冷凝制得的甲铵酸酯中制备到大量的脲素，例如在这样反应条件下可以获得至少是平衡量的30%。另外所释放出来的热量是在如此一个温度水平，以致于仍存在于汽提过的脲素合成溶液里的大部分甲铵酯被分解成和二氧化碳。通常多余的热量也将是可用的。在一个第二高压冷凝区里借助于这热量把锅炉供水排去，并变成4-9巴的低压蒸汽。我们可以借助于在这第二高压冷凝区里的蒸汽压力来控制需要被冷凝的气体混合物的量和供给合成区的量。这在一定范围内提供了控制合成区里温度的可能性。据本发明，余留液体在引入同气体混合物直接接触以前，该气体混合物是由汽提过的脲素合成溶液膨胀至12-30巴压力时得到的，作为在第一冷凝中，同冷凝气体混合物进行热交换结果，即由甲铵酸酯分解形成的气体混合物从余留溶液里分离出来。在进一步分解级里的第一级里所得到的溶液，有一个相当高的NH3/CO2摩尔比，这比汽提过的脲素合成溶液的NH3/CO2比要来得高。如果溶液是同丰富的二氧化碳气体混合物溶液膨胀得到的，这溶液的NH3/CO2摩尔比下降到如此一个值，以致于进一步分解级中甲铵酸酯分解所得到的气体混合物，在没有过量水的提供下，它能够被冷凝，能够组合和冷凝下面这些气体混合物，他们是在第一冷凝区里间接热交换形成的气体混合物，是余留在第一冷凝区里的气体混合物和直接接触后余留的气体混合物。最好是使用甲铵酸酯溶液进行冷凝，该溶液是在如1-10巴的压力下进行操作的分解级里，对汽提过的脲素合成溶液进行处理得到的。然后甲铵溶液首先进行到12-30巴压力范围的主要压力下停止，这压力范围有泵来控制。这样可获得一个范围在145-110℃的冷凝热，这比上面提到的方法（根据美国专利4354040）中的温度要明显得高。而冷凝所释放出来的热可以利用，例如，释放热同要被蒸汽的脲素溶液进行热交换。如果这要被蒸发的脲素溶液逆流的通过冷凝气体混合物，并且在介于要被蒸发的溶液的供给处和待冷凝的气体混合物的供给处之间的附近，提供甲铵酸酯溶液，那么脲素溶液能够浓缩，例如，在温度介于85到130℃之间时，可以从约70%重量浓度浓缩到约95%重量浓缩。这些值大体上与我们上面已讨论过的，《欧洲化学报导》报导的工艺中，主要在第一蒸发级获得的浓度相一致。
同已知方法相比较，本发明的方法具有这样的优点，即不需要大大超量的水来用于气体混合物的冷凝（这气体混合物是在这几个分解级里得到的），这对合成效率来说是极其有利的。因为没有二氧化碳来提供到低压级，这在合成中所需的二氧化碳总量能用来汽提处理，在同时，这二氧化碳的冷凝热也可有效地用作为加热汽提过的脲素合成溶液和蒸汽形成。为了甲铵酸酯的进一步量的分解，为了在12-30巴压力下操作的分解级中，排出由此分解而生成的气体混合物，并不需要另外的高压蒸汽量，这就象已知方法一样，但是所使用的热量不过是由于汽提处理这些甲铵酸酯分解中获得气体混合物的热容所组成的。另外，在12-30巴压力操作的，从分解级所得的气体混合物热容量能合适地用在脲素溶液的浓缩，即通过蒸发得到95%重量浓度的脲素溶液。
我们将参照附图和实施例来阐明本发明，但这并不是对本发明加以限制。
在图1里，1代表合成区，2为汽提区，3和4分别代表第一和第二高压冷凝压，5为洗涤区，6，7和9为分离液体和气体的装置。8代表用于液体和气体接触的区，10表示一个热交换器，11表示一个在低压下操作的甲铵酸酯冷凝区。12和13分别代表第一和第二浓缩级的加热区，14和15分别表示用于分离浓缩形成的水蒸汽的辅助装置，16为一个甲铵酸酯用泵，17，17a，18和18a为膨胀阀。
在一个压力为125-250巴，一个温度为175-220℃和NH3/CO2摩尔比为3.2的情况下，例如，在140巴，183℃和NH3/CO2摩尔比为3.2下，形成在脲素合成1里的脲素合成溶液，其中除了含有脲素和水以外，还含有游离氨和未转化的氨基甲酸铵，把所说的脲素合成溶液经过21供入到汽提区2。通过22，二氧化碳逆流于脲素合成溶液进入汽提区2，这二氧化碳已在一个压缩装置（没有显示出）里压缩成合成压力，并且如有必要可在二氧化碳里加入钝化空气。汽提区2最好设计成一个垂直壳管式热交换器。在汽提中所需的热量是通过高压蒸汽冷凝得到的，例如14-40巴在壳层热交换器中排出的气体混合物和用于汽提处理的二氧化碳经过23进入第一冷凝区3，在图里一个平行潜管冷凝器，表示该冷凝区3，其中所说的排出的气体混合物除了含有氨和二氧化碳外，还含有平衡量的水蒸汽。这样在第一冷凝区3里，他们被部分冷凝成一个甲铵酸酯溶液。一个稀释甲铵酸酸酯溶液经过26供应到第一冷凝区3，该稀释溶液是从合成区1经过28，把氨和二氧化碳洗涤去除惰性气体和所获得的。在这个稀释溶液形成的过程中放出的热量用来预热由27提供的液体氨。为了这个目的，安装一个热交换器19，这样洗涤区5释放出的热可通过回路20被送到该热交换器19里。在反应混合物的第一冷刻区3里选择这样一个滞留时间，使得在这里区里，从甲铵酸酯至少也制得30%的脲素平衡量，这脲素平衡量能够在通常条件下形成，例如重量百分比20%是从甲铵酸酯形成的。第一冷凝区3释放出的热能够用来分解仍然还存在于汽提过的脲素合成溶液中的另外的甲铵酸酯量。为了该目的，借助于阀17，从汽提区2排出的溶液经过24膨胀到一个12-30巴的压力，例如29.5巴，由此形成的混合物引入到气液分离器6里。由此形成的液相，经过25被排出，它是一个也含有缩二脲，氨和二氧化碳的主要是脲素水溶液，一个含有主要是氨，二氧化碳和水蒸汽的混合物的气相经过34被排出。通过25从气液分离器6排出的液相紧接着经过膨胀阀17a进入第一冷凝区，并同第一冷凝区3形成的甲铵酸酯进行热交换，此时压力是等于或低于膨胀发生的压力，结果存在于膨胀汽提过的脲素合成溶液当中另外量的甲铵酸酯被分解成氨和二氧化碳。也可能借助其它生产，用水蒸汽或水来排出第一冷凝区3释放的热量，因而由此转变成低压蒸汽。提供给第一冷凝区3的未冷凝部分的气体混合物和第一冷凝区3形成的甲铵溶液分别通过29和30，从第一冷凝区里排出来，并且进入到第二高压冷凝区4。在这区4里，由经过29提供的气体混合物中的甲铵酸酯溶液进一步冷凝。而由此释放的热量用水来去除，这样水便转变成4-9个巴的低压蒸汽。在第二高甲铵酸酯冷凝区4得到的甲铵酸酯溶液，连同气体混合物未冷凝部分所得到的甲铵酸酯溶液一起途经31通回到合成区1里。
气液混合物从第一高压冷凝区3经32排出，进到气液分离器7，该混合物是在区3热交换所得的。由此产生的气相经过36被排出，这气相是一气体混合物，它含有，二氧化碳和水蒸汽;同样由此产的液相（一个含甲铵酸酯的脲素溶液）经过33被排出。在图中表示的实施例中，经过33获得的液相在接触区8里同途经34从气液分离器中排出的气相接触，通过富二氧化碳中的气体混合物来排出过量存在于液相中的氨，结果从相对含氨少的接触区里，经过35可获得一个液相。由接触区8排出的含脲素溶液（仍含有甲铵酸酯）经过35和膨胀18进入到气液分离器，在里面溶液的压力减至1-10巴，例如5巴。一个含脲素溶液从上面分离中通过40被排出。仍存在于所说溶液中的甲铵酸酯在热交换器10中进行分解，在这儿是用低压蒸汽来加热的，然后脲素溶液经过41和膨胀阀18a被供入到第一浓缩的加热区12。例如，这加热区12可以设计成一个垂直的管壳式换热器。然后需浓缩的脲素溶液通过管子被导入。
气液分离器9中得到的气相是一个气体混合物，它含有氨，二氧化碳和水蒸汽，在热交换器10中得到的气体混合物是含有氨，二氧化碳和水蒸汽，把上述的气相同上述的气体混合物混合，并通过42排出，这里混合后的气体混合物具有NH3/CO2摩尔比为介于2.0和4.5之间，例如4.1它通过43进入到低压冷凝区11，并且在这个区里用由44供应的水溶液进行冷凝，例如工艺冷凝。低压冷凝区11中获得的甲铵酸酯通过45进入到加热区12的壳程。另外，含有氨，二氧化碳和水蒸汽的气体混合物也被加到这壳程里，这气体混合物是由气流36和37组合而得到的。在区12里，冷凝气体对于需被蒸发的脲素溶液作逆向流动。
用通过45提供的甲铵酸酯溶液对经38提供的气体混合物进行冷凝，在此过程中，所释放出的热能满足这第一浓缩级所需的热量，在第一浓缩级里，由41供过来的脲素重量含量为70-75%的脲素溶液被浓缩到85-95%。在第一浓缩级12热交换器的壳程里，由气体混合物冷凝所得到的甲铵酸酯溶液经过46被排出，并且借助于甲铵酸酯的泵16使其达到合成压力，然后经过47被送到洗涤区5。浓缩的脲素混合物的水蒸汽和经过48从第一浓缩级排出水蒸汽通过49，在水蒸汽分离器14里被分离去，那浓缩3的脲素溶液通过50进入到第二浓缩级13的加热区。实质上无水脲素熔融的混合物和在此形成的水蒸汽通过51进入到水蒸汽分离器15，通过该装置水蒸汽经过52被排除掉，同时实质上无水脲素熔融物经过53排出。
实例
使用业已描述的方法，在具有每天生产量为1000吨;和具有三个分解级的工厂里，根据在图里描述的实施例来制备脲素，这里给出的量用每小时公斤来表示。提供在工厂的高压部分的压力为139巴，经过在膨胀阀17至29.5巴，经过膨胀阀17a，在第二分解级达18.5巴，和在最后分解级为5巴。对于高压冷凝区3，加入含有温度为40℃的23，611公斤NH3，温度为117℃，含有13，598公斤CO2、11，727公斤的NH3和6，077公斤的H2O的31，402公斤的甲铵酸酯溶液。反应区1温度为183℃和NH3/CO2摩尔比为3.2。对于汽提区2，加入118，548公斤的脲素合成溶液，该溶液是同时在供热下用30，556公斤CO2汽提的。通过24，从汽提区里排出这溶液，该溶液是含有41，876公斤脲素，13，445公斤CO2，11，608公斤NH3和18，640公斤H2O。而含有36，005公斤CO2，25，990公斤NH3和1，540公斤H2O的气体混合物经过23排出。接着，汽提过的脲素合成溶液的压力减至29.5巴。其结果，在气液分离6里获得一重量为4，444公斤的气体混合物，该气体含有3.561公斤CO2，730公斤NH3和153公斤的H2O，然后它们通过它34被排出。此外，还存有81.124公斤液相，该相含有41，876公斤脲素，9，883公斤CO2，10，878公斤NH3和18，487公斤的H2O。
经过23从汽提区排出的气体混合物在第一高压冷凝区部分地冷凝，得到79，713公斤的甲铵酸酯溶液。混合物在这个区里的停留时间是如此来选择，使得在该溶液里形成15，943公斤脲素，并这溶液还含有23，194公斤CO2，28，980公斤NH3和11，596公斤H2O经过29排出的进一步没冷凝的气体混合物部分在第二高压冷凝区4再冷凝，以致提供给合成区1一种溶液和一种气体混合物，该溶液含有33，752公斤CO2，41，419公斤NH3，12，250公斤H2O和15，943公斤脲素，该气体混合物含有6，600公斤CO2，15，222公斤NH3和451公斤H2O。
在第一高压冷凝区3里，用液流25来放出区里释放出的热，在这个流相里存在的甲氨酸酯发生进一步分解，成为NH3和CO2。在获得的反应混合物，在压力18.5巴和温度155℃下经过一个气液分离器以后，经过36获得一个气流和经过33得到一个溶液，该气流含有7，559公斤CO2，5，374公斤NH3和1，472公斤H2O，该溶液除有41，667公斤脲素外，还含有2，478公斤CO2，5，622公斤NH3和16，952公斤H2O在接触区8，溶液与由34排出的气流进行逆向接触。通过该接触以后，经过37得到一个气流，该气流含有3.006公斤CO2，1，536公斤NH3和470公斤H2O。并且温度为154℃，经由35得到一个除含有41，667公斤脲素的溶液，还含有3，033公斤CO2，4，816公斤NH3和16，634公斤H2O。
因为在溶液中还仍然存在氨基甲酸酯的分解，还需在5巴压力下进一步对脲素溶液里行处理。经过43，得到一个含2，368公斤CO2，2，781公斤NH3和1，289公斤H2O的气体混合物。为了冷凝这些气体混合物，通过44来提供含有665公斤CO2和2，035公斤NH3的处理冷凝物5，546公斤。从10获得的脲素溶液是具有温度130℃，含有41，667公斤脲素，665公斤CO2，2，035公斤NH3和15，345公斤H2O，把该脲素溶液途经41和膨胀阀18a进到第一蒸发级的加热区12。在膨胀阀18a处膨胀期间，溶液温度下跌到75℃。用于浓缩所需的热是这样获得的，即在加热区12的壳程里，组合的气流36和37逆流于脲素溶液的冷凝所得到的，利用通过45提供的在低压级得到的甲铵酸酯溶液组成，这利用的溶液含有3.033公斤CO2，4，816公斤NH3和4，134公斤水并且温度为50℃。从加热区12，排出气液混合物至气液分离器41中，在0.38巴压力和温度为130℃下，经过50由上述分离器得到一个重量为43，872公斤的水的脲素溶液，其中含有脲素41，667公31斤，H2O2，194公斤和NH312公斤。
每吨脲素的生产，需要提供给汽提区2温度为211℃和压力为19.6巴的饱和蒸汽437公斤。在第二高压冷凝区4，5巴的低压蒸汽4，445公斤用于一吨脲素生产，在这量当中，热交换器10使用82公斤，第二浓缩级的加热区13使用63公斤，那余下的便借助于蒸汽喷射器用着于在水蒸汽分离器14和15由以及废水净化厂（不显示出）中维持的所需的真空。