本发明涉及由氨和二氧化碳制备尿素的方法。
在适当的压力(如12-14MPa)和适当的温度(如160-250℃)下，在 合成区，根据下面反应式可以通过使氨和二氧化碳反应来制备氨基 甲酸铵：
随后使生成的氨基甲酸铵根据下述平衡反应脱水生成尿素：
这些反应进行的程度尤其取决于反应温度和压力和过量氨的 量。作为反应产物，可得到主要由尿素、水、氨基甲酸铵和游离氨 组成的溶液。为获得理想的尿素生产，必须将氨基甲酸铵和氨从反 应产物中脱除并最好循环回到合成区。除了反应产物溶液外，在合 成区还会形成一种气体混合物。这种气体混合物主要含有氨和二氧 化碳，但可能还包含少量的氮、氧或其它惰性气体。优选将氨和二 氧化碳从该气体混合物中脱除并循环回到合成区。实际上，所指合 成区可以包括许多用来形成氨基甲酸铵和尿素的单独的区。这些单 独的区可以独立部件的形式构成装置，或者可以合并到一个单独的 压力容器中。
实际上，在尿素的工业生产装置中，已经采用了许多不同的方 法。在20世纪60年代，通常在采用所谓的传统高压法的装置中生 产尿素，然而到了20世纪60年代末，这些传统的高压装置开始被 采用所谓的尿素汽提法的装置所替代。
采用传统高压法的尿素装置被认为是这样一种装置：其在比合 成反应器本身的压力要低得多的条件下，分解未转化的氨基甲酸铵 并分离存在的过量氨。在传统的高压尿素装置中，合成反应器通常 在温度为180-250℃和压力为15-40MPa的条件下操作，同时将氨和 二氧化碳直接加料至合成反应器。在这种传统的高压方法中，加料 至反应器的氨和二氧化碳的摩尔比(N/C比)通常保持在3-6的范围 内。
相反，尿素汽提装置可以认为是这样一种装置：其在压力近似 等于合成反应器压力的条件下，将大部分的未转化氨基甲酸铵分解 并且脱除大部分的过量氨。在安装在合成反应器下游的一个或多个 汽提器中进行这种分解和脱除。尽管可以采用热汽提，但通常将反 应产物加料至一个或多个汽提器，其中热量和汽提气体一起使氨基 甲酸铵分解并且从所述溶液中脱除大部分的二氧化碳和氨。所述汽 提气体通常为二氧化碳，但也可采用单独的氨或氨与二氧化碳的混 合物。来自汽提器的气流主要含有氨和二氧化碳，并且通常被送料 至高压氨基甲酸盐冷凝器从而生成可以送料返回合成反应器的氨基 甲酸铵溶液。
通常通过泄料流除去在尿素合成工段形成的未反应的气体混合 物。除了可冷凝的氨和二氧化碳外，这种气体混合物(反应器尾气)还 可含有惰性气体，如氮气、氧气和任选的氢气。这些惰性气体可以 初始的反应气体进料的微量组分的形式和用来提供防腐保护的补充 空气的形成进入反应器。根据所选的工艺路线，可以马上从反应器 的正下游或高压氨基甲酸盐冷凝器的下游，将这种气体混合物从所 述系统脱除出来。
在放空惰性气体之前，在如操作压力等于或接近合成压力的高 压涤气器中，可以吸收可冷凝的组分(氨和二氧化碳)。在这种高压的 涤气器中，优选来自反应器尾气的可冷凝组分(氨和二氧化碳)被吸收 进入低压氨基甲酸盐流。从高压涤气器中出来的含有吸收的氨和二 氧化碳的氨基甲酸盐流可随后通过高压氨基甲酸盐冷凝器返回合成 反应器。也可将换热器加入可以单独使用或与吸收组合使用的涤气 器中。反应器、高压涤气器、汽提器和高压氨基甲酸盐冷凝器是尿 素汽提装置高压工段中最重要的部分。
在尿素汽提装置中，合成反应器通常在160-240℃、优选在170- 220℃的温度和12-21MPa、最好12.5-19MPa的压力下操作。在尿素 汽提装置中，蒸汽消耗为每吨尿素约925公斤蒸汽。在汽提装置的 合成中N/C比通常维持在2.5-5之间。所述合成可以在一个或两个反 应器中进行。采用两个反应器时，第一个只使用新鲜的初始进料， 第二个可以只使用新鲜的初始进料或更优选全部或部分使用来自冷 凝器或尿素回收单元的循环的进料流。
尿素汽提装置的一个常用方案称为Stamicarbon CO2汽提法，在 European Chemical News，Urea Supplement(1969年1月17日，17-20 页)上对其进行了描述。在这个可以结合一个或多个汽提器的方法中， 在等于或接近合成压力的条件下，通过使溶液与二氧化碳气体逆流 接触并同时加热所述混合物，对来自反应器的尿素合成溶液进行汽 提。这种汽提处理使存在的大部分的氨基甲酸铵分解为氨和二氧化 碳。随后，这些分解产物和其它的二氧化碳以及少量的水蒸汽一起 以气体形式从溶液中脱除并排出。在高压氨基甲酸盐冷凝器中，从 汽提器中脱除的大部分的气体混合物被冷凝和吸收，从中使高压氨 基甲酸铵流返回合成反应器。随后将经汽提的尿素合成溶液加料至 尿素回收单元。
优选将高压氨基甲酸盐冷凝器设计为如NL-A-8400839中所述的 所谓的潜管冷凝器。将来自高压涤气器的气体混合物和稀释的氨基 甲酸盐溶液导入管壳式换热器的壳程空间。随后通过在管中流动的 介质如水移走溶解和冷凝释放的一部分热量，从而生成低压蒸汽。 这种潜管冷凝器可以水平或垂直放置。然而，水平放置潜管冷凝器(所 谓的槽式(pool)冷凝器；例如参见Nitrogen，第222期，1996年7-8 月，29-31页)尤其有利从而可提供所述液体较长的停留时间。与其它 冷凝器设计相比，在槽式冷凝器中获得的较长停留时间增加了尿素 的生成量。尿素量的增加提高了所述溶液的沸点，使所述溶液与冷 却介质之间保持的温差变大，并增强了传热效率。在槽式冷凝器中 形成的尿素量通常为尿素的理论形成量的至少30％。
在尿素回收单元中，使汽提过的尿素合成溶液的压力降低，蒸 发大部分的剩余溶剂从而回收所需的尿素产物。根据从汽提器脱除 的氨基甲酸盐的数量，尿素的回收可以在一个或多个压力步骤中进 行。在尿素回收单元中减压脱除的氨基甲酸盐导致低压氨基甲酸盐 流，这种流体优选通过高压涤气器循环至合成反应器。在高压涤气 器中，这种低压氨基甲酸盐流用于洗涤从合成工段排出的气体混合 物中的未转化的氨和二氧化碳。
在槽式冷凝器中，来自汽提器的气流被冷凝至来自高压涤气器 的氨基甲酸盐流。由于在槽式冷凝器中形成尿素，因此在槽式冷凝 器中得到尿素合成溶液。将从槽式冷凝器排出的尿素合成溶液与反 应需要的氨一起转移至合成反应器。通常将合成反应器和槽式冷凝 器放置于汽提器的上面，从而可以利用重力将高压汽提器尾气循环 至所述反应器。
根据本发明，人们已经发现：通过使用潜管冷凝器如高压氨基 甲酸盐冷凝器以及通过喷射泵将尿素合成溶液从潜管冷凝器转移至 合成反应器，可以获得改进的方法。优选将槽式冷凝器用作潜管冷 凝器并将反应所需的氨用来推动喷射泵。采用喷射泵导致另外 0.25MPa的压头，这样槽式冷凝器和合成反应器可以安装在地面上。 这不仅从操作和维持的容易程度来看是有利的，而且还涉及高压、 抗腐蚀管线的较低投资。
在本发明的一个优选实施方案中，从汽提器排出的气流和反应 器尾气在潜管冷凝器中冷凝，所得的尿素合成溶液随后通过喷射泵 从潜管冷凝器转移至所述反应器。尤其优选将槽式冷凝器用作潜管 冷凝器，同时优选用反应所需的氨推动喷射泵。优选采用二氧化碳 气体的汽提器来汽提从反应器排出的尿素合成溶液。可以将来自汽 提器和反应器的气流单独加入槽式冷凝器或合并并且以单流的形式 加入槽式冷凝器。在这个优选的实施方案中，可以有利地将高压涤 气器安装在从槽式冷凝器排出的泄料流中。这个高压涤气器优选用 作绝热吸收器或换热器。也可将吸收器和换热器组合使用。
在本发明的另一个优选的实施方案中，可以将反应器、槽式冷 凝器和高压涤气器的功能组合在一个或两个高压容器中，涉及这些 工艺步骤的容器的功能部分通过这些高压容器中的低压内件 (internal)(设计用于小压差)来进行隔离。通过减少高压管线的数量， 这些实施方案提供了其它实践上的益处，即大大减少涉及高压管线 的基本投资以及大大降低管线和设备之间的泄漏敏感的高压连接数 而使设备可靠性增强。这些其它的实施方案的实例有：
-组合槽式冷凝器与水平反应器
-将涤气器并入槽式冷凝器
-将涤气器并入反应器
-将涤气器、槽式冷凝器和反应器组合成单个高压容器。
本发明非常适于减少能量消耗的设备结构和组合体。例如，如 果在汽提处理后的第一解离步骤的尾气(即来自解离处理单元的部分 尾气)和尿素装置的蒸发单元之间采用换热器，人们惊奇地发现：尿 素生产的总的蒸汽消耗降至每生产一吨尿素约564公斤蒸汽。可以 通过组合使用槽式冷凝器和高压二氧化碳汽提器以及氨推动的喷射 泵来获得这种协同效应，所述氨推动的喷射泵安装在形成理论可能 总量至少30％尿素的工艺点上。本领域的技术人员应认识到更可能 在已公开的实施方案的变例中获得这些协同效应，例如使一部分二 氧化碳进料通过反应器，或通过优化惰性泄料流的位置和设计。这 类变例将受到现场参照物和条件的影响(更易于操作、较低投资、较 小的能耗)，它在项目的设计阶段由本领域的技术人员采用常规优化 法来实施。
人们还发现本发明可以用来改进和优化现有的尿素装置。通过 加入潜管冷凝器，优选槽式冷凝器和喷射泵，使常规高压尿素装置 和尿素汽提装置获得良好的消除影响生产因素主要为消除瓶颈因素 (debottlenecked)的效果。
以下将参照图1和图2，对本发明作进一步的描述，其中图1代 表本领域的现状，图2说明了本发明的一个实施方案。
图1：图示根据Stamicarbon CO2汽提法的尿素汽提装置的一部 分
图2：图示根据本发明通过加入槽式冷凝器和喷射泵，对 Stamicarbon CO2汽提法进行改进的尿素汽提装置的一部分。
在图1中，R代表Stamicarbon CO2汽提装置中的一个反应器， 其中二氧化碳和氨被转化为尿素。将从反应器排出的尿素合成溶液 (USS)转移至二氧化碳汽提器(S)，其中通过采用二氧化碳进行汽提， 将USS转化为气流(SG)和液流(SUSS)。从二氧化碳汽提器排出的气 流主要由氨和二氧化碳组成，而SUSS为经汽提的USS。将包含经 汽提的尿素合成溶液SUSS的流体转移至尿素回收单元(UR)，在那里 尿素(U)被回收，水(W)被排出。在UR中，可以获得低压氨基甲酸铵 流(LPC)，将该流加入高压涤气器(SCR)。在这个涤气器中，使LPC 与来自反应器(RG)的气流接触，该气流主要由氨和二氧化碳组成， 但也含有存在于二氧化碳和氨加料流中的惰性组分(不可冷凝组分如 氮、氧和可能的氢)。将来自SCR的富氨基甲酸盐流(EC)转移至高压 氨基甲酸盐冷凝器(C)，在那里借助EC使SG流冷凝下来。随后使所 得高压氨基甲酸盐流(HPC)返回至反应器。在这个实施例中，新鲜的 氨只是送至高压氨基甲酸盐冷凝器(C)，但显然还可以送至 R→S→C→R回路或R→SCR→C→R回路的不同点上。
图2图示了在Stamicarbon CO2汽提装置中并入槽式冷凝器(PLC) 和另外的喷射泵(J)从而获得本发明的一些益处的一种可能的方法。 在图2中，R代表一个反应器，其中二氧化碳和氨被转化为尿素。使 从反应器排出的尿素合成溶液(USS)通过二氧化碳汽提器(S)，在那里 通过用二氧化碳进行汽提，将USS转化为气流(SG)和液流(SUSS)。 从二氧化碳汽提器排出的气流(SG)主要由氨和二氧化碳组成，而SUSS 为经汽提的USS。将含有经汽提的尿素合成溶液SUSS的流体转移 至解离处理单元(D)，在那里将SUSS转化为尿素溶液(USOL)和主要 由来自解离的氨和二氧化碳组成的气体混合物(DG)。将USOL转移 至蒸发单元(E)，在那里回收尿素(U)并排出水(W)。在低压处理单元(LD) 中将气体混合物DG冷凝下来。从LD获得低压氨基甲酸铵流(LPC)， 随后将其送至涤气器(SCR)。在涤气器中，使LPC与来自槽式冷凝器 (PLC)的气流(PG)接触，PG主要由氨和二氧化碳组成，但也含有来 自二氧化碳和氨加料流的惰性组分(不可冷凝组分)，使LPC与反应 器尾气(RG)一起通过槽式冷凝器加入PG中。使来自SCR的富氨基 甲酸盐流(ELC)返回槽式冷凝器，在那里借助ELC将SG和RG流冷 凝下来。使所得的尿素合成溶液(含有大比例的、在槽式冷凝器中形 成的尿素)通过氨推动的喷射泵(J)返回所述反应器。将新鲜的氨通过 泵(P)和加热器(H)送至喷射泵(J)。在LD中，使从涤气器排出的SCG 气体混合物(主要由惰性气体和一些氨和二氧化碳组成)冷凝下来，然 后从所述系统中排出惰性气体。为在最后获得最佳的N/C比，可以 将氨或二氧化碳按需要送入LD中。为降低装置的能耗，例如，可以 将在槽式冷凝器(PLC)的冷凝过程中释出的热量用于解离处理单元。 相似地，例如在低压处理单元(LD)中由冷凝释出的热量可以用于蒸 发单元(E)。
参照下面的实施例，对本发明的优点作进一步的说明。
实施例1
在图2所示的尿素装置中，根据以下所述的方法，将氨和二氧 化碳转化为尿素。在含有46060公斤二氧化碳、230公斤水、1468 公斤氮和215公斤氧的二氧化碳加料流中，将37869公斤送至二氧 化碳汽提器(S)，8191公斤送至反应器(R)。该二氧化碳加料的温度为 120℃，压力为14MPa。将含有35609公斤氨和143公斤水的氨加料 流分为两个流体，将其中较小的流体(1940公斤)送至低压处理单元 (LD)，而33669公斤则送至氨加热器(H)。在这个加热器中，将氨从 40℃加热至135℃并送至喷射泵(J)用作推动气体。往喷射泵供应来自 槽式冷凝器(PLC)的尿素合成溶液，该溶液含39070公斤尿素、125 公斤缩二脲、53815公斤氨、54419公斤二氧化碳和35087公斤水， 其借助氨驱动气体而从喷射泵转移到反应器。加入反应器的总的流 体(HPC)具有下列组成：39070公斤尿素、125公斤缩二脲、87484公 斤氨、54419公斤二氧化碳以及35222公斤水。将这种总的流体与少 量二氧化碳加料流一起送入反应器，在温度183℃和压力14MPa的 条件下形成尿素。所得尿素合成溶液(USS)含有69465公斤尿素、222 公斤缩二脲、68692公斤氨、39100公斤二氧化碳和44302公斤水， 并且在二氧化碳汽提器(S)中用上述37869公斤二氧化碳进行汽提。 二氧化碳汽提器中的平均温度为184℃，压力为14MPa。将经汽提的 尿素合成溶液(SUSS)(组成为：64141公斤尿素、240公斤缩二脲、15012 公斤氨、17636公斤二氧化碳、37972公斤水、24公斤氮和7公斤氧) 送至解离处理单元(D)。在解离处理单元(D)中，将经汽提的尿素合成 溶液在温度135℃和压力0.33MPa下分为气流(DG)和含有62575公 斤尿素、240公斤缩二脲和19227公斤水的尿素溶液(USOL)。所述 气流(DG)含有42公斤尿素、17816公斤氨、18752公斤二氧化碳、18296 公斤水、24公斤氮和7公斤氧，并且被送至低压处理单元(LD)，在 那里它与少量的氨加料流(1940公斤)以及来自高压涤气器的气流 (SCG)一起转化为低压氨基甲酸盐流(LPC)。将从解离处理单元(D)排 出的尿素溶液转移至蒸发单元(E)，在那里它被分成62575公斤尿素 (U)、240公斤缩二脲和19227公斤水(W)。蒸发器温度为133℃，其 压力为0.03MPa。从尿素反应器排出的反应器尾气(RG)具有以下组 成：1505公斤氨、1154公斤二氧化碳、114公斤水、261公斤氮和38 公斤氧。来自二氧化碳汽提器(SG)的气体含有56690公斤氨、63219 公斤二氧化碳、4927公斤水、1183公斤氮和170公斤氧。该流与反 应器尾气(RG)合并并在槽式冷凝器(PLC)中进行冷凝。槽式冷凝器的 温度为173℃，压力为14MPa。将从槽式冷凝器排出的尿素合成溶液 通过喷射泵转移至反应器。槽式冷凝器的尾气(PG)含有2979公斤氨、 10455公斤二氧化碳、239公斤水、1444公斤氮和208公斤氧，并且 在高压涤气器中被低压氨基甲酸盐流(LPC)所吸收。所述低压氨基甲 酸盐流含有42公斤尿素、18046公斤氨、22690公斤二氧化碳和18321 公斤水。将来自高压涤气器的气流(SCG)送至低压处理单元(LD)并使 高压氨基甲酸盐流(ELC)返回槽式冷凝器。所述气流(SCG)含有229 公斤氨、3937公斤二氧化碳、24公斤水、1444公斤氮和208公斤氧。 将氮和氧作为惰性气体从低压处理单元(LD)放空。高压氨基甲酸盐 流(ELC)含有42公斤尿素、20795公斤氨、29207公斤二氧化碳和18535 公斤水。
在这个实施例中，尿素反应器中的N/C比为3.1，尿素反应器中 二氧化碳转化率为56.6％，槽式冷凝器中二氧化碳转化率为34.4％。 高压蒸汽消耗固定在每生产一吨尿素需910公斤蒸汽。
实施例2
在图2所示的尿素装置中，根据以下所述方法将氨和二氧化碳 转化为尿素。在含有46060公斤二氧化碳、230公斤水、1468公斤 氮和215公斤氧的二氧化碳加料流中，将37849公斤送至二氧化碳 汽提器(S)，8210公斤送至反应器(R)。该二氧化碳加料的温度为120 ℃，压力为17.2MPa。将含有35613公斤氨和143公斤水的氨加料流 送至氨加热器(H)。在这个加热器中，将氨从40℃加热至135℃并送 至喷射泵(J)用作推动气体。将尿素合成溶液从槽式冷凝器(PLC)加入 该喷射泵，该溶液的组成为：42412公斤尿素、136公斤缩二脲、56257 公斤氨、35128公斤二氧化碳和32464公斤水，并借助氨推动气体， 将其从喷射泵送至反应器。加入反应器的总的流体(HPC)具有下列组 成：42412公斤尿素、136公斤缩二脲、91869公斤氨、35128公斤 二氧化碳以及32606公斤水。将这种总的流体与少量二氧化碳加料 流一起送入反应器，在温度191℃和压力17.5MPa的条件下形成尿 素。所得尿素合成溶液(USS)含有67160公斤尿素、215公斤缩二脲、 76147公斤氨、24471公斤二氧化碳和39930公斤水，并且在二氧化 碳汽提器(S)中用上述37849公斤二氧化碳进行汽提。二氧化碳汽提 器中的平均温度为183℃，压力为17.2MPa。将经汽提的尿素合成溶 液(SUSS)(组成为：64165公斤尿素、218公斤缩二脲、19906公斤氨、 22010公斤二氧化碳、32267公斤水、25公斤氮和7公斤氧)送至解 离处理单元(D)。在解离处理单元(D)中，将经汽提的尿素合成溶液和 在温度155℃和压力0.18MPa下，分为气流(DG)和含有62601公斤 尿素、218公斤缩二脲和19227公斤水的尿素溶液(USOL)。所述气 流(DG)含有20770公斤氨、23126公斤二氧化碳、12582公斤水、25 公斤氮、7公斤氧和41公斤尿素，并且被送至低压处理单元(LD)， 在那里它与来自高压涤气器的气流(SCG)一起转化为低压氨基甲酸盐 流(LPC)。在该实施例中没有氨被送至低压处理单元(LD)。将从解离 处理单元(D)排出的尿素溶液转移至蒸发单元(E)，在那里它被分成 62601公斤尿素(U)、218公斤缩二脲和19227公斤水(W)。蒸发单元 温度为133℃，其压力为0.03MPa。从尿素反应器排出的反应器尾气 (RG)具有以下组成：1647公斤氨、665公斤二氧化碳、168公斤水、 262公斤氮和38公斤氧。来自二氧化碳汽提器(SG)的气体含有57938 公斤氨、42502公斤二氧化碳、6955公斤水、1182公斤氮和170公 斤氧。该流与反应器尾气(RG)合并并在槽式冷凝器(PLC)中进行冷 凝。槽式冷凝器的温度为185℃，压力为17.2MPa。将从槽式冷凝器 排出的尿素合成溶液通过喷射泵转移至反应器。槽式冷凝器的尾气 (PG)含有5422公斤氨、3810公斤二氧化碳、370公斤水、1443公斤 氮和208公斤氧，并且在高压涤气器中被低压氨基甲酸盐流(LPC)所 吸收。所述低压氨基甲酸盐流含有21184公斤氨、23436公斤二氧化 碳、12597公斤水和41公斤尿素。将来自高压涤气器的气流(SCG)送 至低压处理单元(LD)并使高压氨基甲酸盐流(ELC)返回槽式冷凝器。 所述气流(SCG)含有413公斤氨、309公斤二氧化碳、13公斤水、1443 公斤氮和208公斤氧。将氮和氧作为惰性气体从低压处理单元(LD) 放空。高压氨基甲酸盐流(ELC)含有41公斤尿素、26193公斤氨、26936 公斤二氧化碳和12953公斤水。
在这个实施例中，尿素反应器中的N/C比为4.0，尿素反应器中 二氧化碳转化率为66.8％，槽式冷凝器中二氧化碳转化率为47％。高 压蒸汽消耗固定在每生产一吨尿素需564公斤蒸汽。