CN1100717A - 含有二氧化碳气提步骤的尿素生产的改进工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的尿素生产方法及以 Stamicarbon工艺为基础的现存尿素设备的改进方 法。

Description

本发明涉及一种改进的尿素生产工艺，以及一种改造现存尿素生产设备的方法，在现存的尿素生产设备中，离开尿素合成反应器的反应混合物与二氧化碳一起输入汽提步骤（Stamicarbon工艺）。

本发明亦涉及一套用于实现上述工艺的设备。

人们共知，常常需要提高现存设备的尿素生产能力。

为实现这一目的，迄今人们已提出了各种不同的增加尿素生产能力的方法，诸如本申请人提交的欧洲专利申请EP-A-0479103中描述的。

EP-A-0479103公开了一种工艺，其中高纯氨和二氧化碳在第一高产率“单程”反应器中反应，如此得到的反应混合物馈入回收工段，在现存的常规类型的反应器中，进行着纯度较低的反应物，实际上由回收工段循环来的（回收混合物）之间的合成反应。

在共同申请的瑞士申请01477/92-0，提高依据Stamicarbon工艺（STC），即包括有一个CO₂汽提工段，的现存设备的尿素生产能力和减少其能源消耗的问题是如下解决的，在绝热条件下（在所谓的“Vulcan”式反应器中）在第一高产率反应器中进行尿素合成，蒸馏离开Vulcan反应器的反应混合物，以便获得分别循环至Vulcan反应器本身和现存低产率反应器的未反应氨和氨基甲酸酯。

该工艺在当时看起来是令人满意的，似乎不可能进行进一步的改进。

然而，经过继续研究和实验，本申请人能够开发一种新的更加完善的改进工艺，其适用于现存以完全循环工艺为基础的设备，目的在于显著地提高尿素生产能力和减少能源消耗。

因此，本发明的目的在于提供一种生产尿素的改进工艺，其允许获得高的转化率，投资和操作费用减少，更好的设备使用性和现有设备的更充裕的过载界限，和相当的工厂去瓶颈作用。

按照本发明，实现上述目的的生产尿素工艺包括以下步骤：

-在第一反应区反应氨和二氧化碳;

-用离开该第一反应区的第一反应混合物中的二氧化碳进行气体汽提，以获得纯化的尿素溶液和未反应氨和二氧化碳气体;

-将该纯化尿素溶液馈入第一尿素回收工段;

-在氨基甲酸酯冷凝器中于一预定压力下冷凝该未反应氨和二氧化碳气体;

-在第二反应区反应氨和二氧化碳;

其特征在于它进一步包括以下步骤：

a）在基本上等于氨基甲酸酯冷凝器的压力下输送离开该第二反应区的第二反应混合物至第一氨基甲酸酯分解处理单元，以便从包括尿素的液流中分离未反应的氨和二氧化碳的气体第一料流;

b）循环未反应氨和二氧化碳气体的第一料流至该氨基甲酸酯冷凝器;

c）输送包括尿素的液流至第二氨基甲酸酯分解处理单元，以从纯化尿素溶液中分离出未反应氨和二氧化碳气体的第二料流;

d）冷凝该未反应氨和二氧化碳气体的第二料流，和循环如此获得的冷凝液至该氨基甲酸酯冷凝器。

在第一反应区的尿素合成可在目前STC工厂使用的工艺条件下进行，如压力130-200巴，温度180-200℃。

氨基甲酸酯冷凝步骤，离开该反应区的反应混合物的CO₂汽提步骤和在该回收工段的尿素回收步骤可按在STC工厂中使用的已知的工艺条件下进行。

优选地，在第二反应区的尿素合成在高产率“单程”反应器中进行，压力240-260巴，温度190-200℃。

可部分除去反应热的“单程”反应器特别适于改进含有CO₂汽提步骤的尿素生产设备。

最优选地，“单程”反应器包括两个部分：可除去反应热的初级工段和常规类型的第二工段。

对于本发明的目的，在能源回收方面的特别优点当“初级反应器”是所谓的“釜”形反应器时得以实现。

根据本发明，离开高产率反应区的反应混合物输至氨基甲酸酯分解处理单元，以从含尿素液流中分离未反应氨和二氧化碳气体。

更特别地，该反应混合物顺序输至二个氨基甲酸酯分解处理单元。

第一氨基甲酸酯分解处理在高压分解器中进行，其压力基本上与存在于氨基甲酸酯冷凝器中的压力相等，该冷凝器安装在第一反应区的上流。

该压力优选为140-150巴。

更有利的是，得到可直接循环至上述氨基甲酸酯冷凝器中的未反应氨和二氧化碳气体的第一料流，并在第一反应区进一步反应。

离开第一氨基甲酸酯分解器的溶液的第二氨基甲酸酯分解处理在第二氨基甲酸酯分解器中进行，其压力为6-18巴，最优选8-14巴。

这样，在离开尿素回收工段的氨基甲酸酯水溶液的协助下，得到第一次被冷凝的未反应氨和二氧化碳气体的第二料流，然后也循环至氨基甲酸酯冷凝器。

第二氨基甲酸酯分解处理亦产生纯化的尿素溶液，其可以馈至尿素回收工段的低压蒸馏器或者在真空工段的精处理前收集在低压蒸馏器下流的一容器中。

有利的是，在汽提处理单元的二氧化碳/尿素摩尔比可通过向第一氨基甲酸酯分解处理单元馈入至多20%的离开第一尿素合成反应器的反应混合物流而调节至适宜的值。

优选地，10-15%的离开第一尿素合成反应器的反应混合物流旁通经过CO₂汽提处理单元和直接馈入第一氨基甲酸酯分解处理单元。

按照本发明的进一步的方面，在经过广泛研究后发现，有可能采一种简单而安全的方法令人惊异地提高现存包括CO₂汽提步骤的尿素生产设备的生产能力。

当要求提高现存设备的生产能力20%以上时，为了实现减少投资和操作费用，改善设备使用性和现存设备的更充裕的过载界限，和提高其工厂去瓶颈作用，使用高效平行反应器的概念。

这种概念对现在尿素生产设备的应用包括：

-尿素合成反应器;

-位于该尿素合成反应器上流的氨基甲酸酯冷凝器;

-位于该尿素合成反应器下流的二氧化碳汽提塔;

-将离开该第一反应器的第一反应混合物馈入二氧化碳汽提塔的机构;

-从离开二氧化碳汽提塔的第一反应混合物中分离尿素的尿素回收工段;

根据本发明，这种概念通过含有以下步骤的改进方法而进行：

a）提供与馈入高纯氨和二氧化碳的机构相连的第二尿素合成反应器;

b）提供第二尿素回收工段，其包括在该第二尿素合成反应器下流的顺序的第一和第二氨基甲酸酯分解器;

c）提供管路机构，用于将离开该第一氨基甲酸酯分解器顶端的未反应氨和二氧化碳循环至该氨基酸酯冷凝器;

d）提供冷凝离开该第二氨基甲酸酯分解器的未反应氨和二氧化碳气体的机构;

e）提供将如此得到的冷凝物循环至该氨基甲酸酯冷凝器的机构。

更特别地，在“单程”型无循环的附加的高产率反应器（75%）中获得所要求的生产能力的30-50%。

最优选地，该反应器在操作时伴随反应热的部分除去，并含有二部分：伴随反应热除去的初级工段，和常规的第二工段。

本发明的进一步的方面和优点通过如下优选但不是限制性的描述将更加明显，其实施方案参照附图进行。

附图中，

图1表示现有技术中包括CO₂汽提步骤的尿素生产装置的示意图。

图2表示按照本发明的第一实施方案改进的图1所示的尿素生产装置的示意图。

图3表示按照本发明的第二实施方案改进的图1所示的尿素生产装置的示意图。

图1所示的尿素生产装置含有尿素合成反应器201-D，向其中用常规压缩机104-J/JS和102-J馈入纯氨（NH₃）和二氧化碳（CO₂）。

更特别地，氨首先用管道117馈入氨基甲酸酯冷凝器202-C，同时二氧化碳通过管道107馈入汽提塔201-C，然后在进入尿素合成反应器201-D之前，用管运201馈入氨基甲酸酯冷凝器202-C。

向汽提塔201-C中也通过管道207馈入离开尿素合成反应器201-D的反应混合物。

104代表常规尿素回收工段，其包括带有相关分离器301-E的低压蒸馏器301-C，二个带有相关分离器401-F和402-F的真空蒸发器401-C或402-C，以及氨真空浓缩工段50。

尿素回收工段104的特征如常规并在现有技术中是公知的，不作进一步的详细描述。

在操作中，包含在离开反应器201-D中的尿素溶液中的大部分氨基甲酸酯和一部分氨在201-C中汽提并循环至反应器中，同时得到离开汽提塔201-C的含有相对低CO₂（7÷7%重量）和NH₃（5÷8%重量）残留物的尿素溶液。

该溶液在尿素回收工段104中处理，此处其在301-C中于3÷4巴（绝对压力）下蒸馏，如此得到的气体送至冷凝器302-C，产生氨基甲酸酯溶液，该溶液用泵301-J/JS循环至尿素合成反应器201-D。

CO₂的等压汽提法的主要技术特征总结如下：

合成压力：  约140÷145巴（绝对）

反应器中的NH₃/CO₂摩尔： 约2.8÷3.0

反应器中的H₂O/CO₂摩尔： 约0.4÷0.5

反应器中的温度：  约185℃

产率：  约57÷58%

蒸气消耗：  约900÷1000kg/MT尿素

按照示于图2的本发明的第一实施方案，一高效反应器ROT和提纯离开尿素回收工段DIST的尿素溶液的一尿素回收工段平行地联接至现存尿素合成反应器201-D上。

反应器ROT通过压缩机KA-1馈入高纯二氧化碳，通过泵PA-1A/1S馈入高纯氨，然后通过管道108联接至尿素回收工段DIST。

有利地，反应器ROT为“单程”高产率型，并可部分除去反应热。

“单程”反应器ROT包括二部分：所谓“釜”形的初级工段R-1，其除去反应热和常规的第二工段R-2。

尿素回收工段DIST优选含有通过管110顺序联接的至少二个氨基甲酸酯分解器E-1和E-2。

最有利地，第一氨基甲酸酯分解器E-1在基本上等于汽提塔201-C中的压力下操作，而第二氨基甲酸酯分解器E-2在约10巴（绝对）压力下操作。

按照本发明的一个方面，离开氨基甲酸酯分解器E-1，包含未反应氨和二氧化碳气体的第一料流通过管路111直接循环至在相同压力下操作的氨基甲酸酯冷凝器202-C。

离开氨基甲酸酯分解器E-2的顶部包含未反应氨和二氧化碳气体的第二料流首先在E-3中冷凝，然后通过管路112和泵301-J/JS循环至氨基甲酸酯冷凝器202-C中。

从氨基甲酸酯分解器E-2的底部得到纯化的尿素溶液，该溶液可通过管道113馈至尿素回收工段104的低压蒸馏器301-C，或通过管道M直接收集在贮罐302-F中。

在第一例中，离开氨基甲酸酯分解器E-2的尿素溶液与离开汽提塔201-C的尿素溶液一起在低压蒸馏器301-C中作进一步处理。

按照示于图3的本发明的第二实施方案，现存尿素合成反应器201-D通过旁路管道BP联连至尿素回收工段DIST′，该工段在这种情况下包括两个专门为承担新的负荷而设计的氨基甲酸酯分解器E′-1，E′-2。

在该实施方案中，离开塔E′-2的纯化尿素溶液可馈入低压蒸馏器301-C中，或旁路通过该蒸馏器并直接收集在贮罐302-F中。

本发明的进一步的特征和优点由下列给出的非限制性实施例将很明显，其中说明了对现存具有CO₂汽提步骤的1500MT尿素生产设备的改进。

实施例1

改进的目标是通过平行于现存反应器增加一新的“单程”型反应器，提高现存设备的生产能力由1500MTD至2250MTD。

在此考虑的情况下，适宜地的生产能力分布如下：

现存反应器：  1500MTD尿素

新反应器：  750MTD尿素

总和：  2250MTD尿素

反应器的操作条件为：

a）参考情况

现存反应器（201-D）：

能力：  1500MTD

NH₃/CO₂摩尔： 2.85

H₂O/CO₂摩尔： 0.40

产率：  57%

P： 140巴（绝对）

T：  183℃

b）新条件

b.1现存反应器（201-D）

能力：  1500MTD

NH₃/CO₂摩尔： 3.0

H₂O/CO₂摩尔： 0.53

产率：  57%

P：  145巴（绝对）

T：  185℃

b.2新反应器（ROT）

能力：  750MTD

NH₃/CO₂摩尔： 3.6

H₂O/CO₂摩尔： 0

产率：  75%

P：  242巴（绝对）

T：  193℃

平行操作的二反应器的平均重量产率为：

(1500×57+750×75)/2250 ＝63%

即，比参考情况高出6个百分点。

这相应于120÷150kg/MT尿素的较低的比蒸汽消耗量，尽管生产能力提高了。

实施例2

实施例1中，现存设备在新的操作条件下的生产能力是1500MTD尿素，即，等于设计值。

这种情况下，现存的汽提塔在进行尿素溶液汽提时比设计值具有较少量的CO₂气体（约为设计值的83%），平衡将如氨基甲酸酯溶液。

这一较少量的CO₂总是足够在汽提塔201-C中达到一种好的操作性能。

在任何情况下，按照图3所示的实施方案，可能接近或基本上在汽提塔201-C中得到设计的二氧化碳/尿素比率。

这种情况下，上述提及的设计比率是通过将离开现存反应器201-D的反应混合物流的约17%馈入与汽提塔201-C旁通的氨基甲酸酯分解器E′-1。

反应混合物的这一等分部分通过管路BP送至新的尿素回收回段DIST′的氨基甲酸酯分解器E′-1，用于氨基甲酸酯分解处理。

由于旁通，所有现存的合成，汽提和尿素回收工段将在非常接近或基本上在设计条件下运行，从而避免对这些工段造成任何超负荷。

Claims (21)

1、一种制备尿素的方法，包括如下步骤：

-在第一反应区(201-D)使氨和二氧化碳反应；

-用离开该第一反应区(201-D)的第一反应混合物中的二氧化碳进行气体汽提，以获得纯化的尿素溶液和未反应氨和二氧化碳气体；

-将该纯化尿素溶液馈入第一尿素回收工段(104)；

-在氨基甲酸酯冷凝器(202-C)中于预定压力下冷凝该未反应氨和二氧化碳气体；

-在第二反应区(ROT)使氨和二氧化碳反应；

其特征在于它进一步包括以下步骤：

a)在基本上等于氨基甲酸酯冷凝器的压力下输送离开该第二反应区(ROT)的第二反应混合物至第一氨基甲酸酯分解处理单元，以从包括尿素的液流中分离未反应的氨和二氧化碳气体的第一料流；

b)循环未反应氨和二氧化碳气体的第一料流至该氨基甲酸酯冷凝器(202-C)；

c)输送包括尿素的液流至第二氨基甲酸酯分解处理单元，以从纯化尿素溶液中分离出未反应氨和二氧化碳气体的第二料流；

d)冷凝该未反应氨和二氧化碳气体的第二料流，和循环如此获得的冷凝液至该氨基甲酸酯冷凝器(202-C)。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于该第一氨基甲酸酯分离处理单元在140-150巴的压力下进行处理。

3、根据权利要求1的方法，其特征在于该第二氨基甲酸酯分离处理单元在6-18巴的压力下进行处理。

4、根据权利要求1的方法，其特征在于在第二反应区（ROT）中的尿素合成通过具有部分除去反应热的高产率“单程”反应器在240-260巴的压力下和在190-200℃温度下进行。

5、根据权利要求1的方法，其进一步包括将由该第二氨基甲酸酯分解处理单元得来的纯化尿素溶液馈入该尿素回收工段（104）的低压蒸馏器（301-C）中的步骤。

6、根据权利要求5的方法，其特征在于由该第二氨基甲酸酯分解处理单元得来的纯化尿素溶液馈入下流的该尿素回收工段（104）的低压蒸馏器（301-C）中。

7、根据权利要求1的方法，其进一步包括以下步骤：将离开该第一反应区的部分第一反应混合物送至该第一和第二氨基甲酸酯分解处理单元。

8、一种制备尿素的设备，其含有：

-尿素合成反应器（201-D）;

-位于该尿素合成反应器（201-D）上流的氨基甲酸酯冷凝器（202-C）;

-位于该尿素合成反应器（201-D）下流的二氧化碳汽提塔（201-C）;

-一种将离开该第一反应器（201-D）的第一反应混合物馈入二氧化碳汽提塔（201-C）的机构（207）;

-由离开二氧化碳汽提塔（201-C）的第一反应混合物分离尿素的第一尿素回收工段（104）;

-与该第一反应器（201-D）并行的第二尿素合成反应器（ROT）;

-由离开第二尿素合成反应器（ROT）的第二反应混合物中分离未反应氨和二氧化碳的第二尿素回收工段（DIST），该工段（DIST）顺序包括至少第一（E-1）和第二（E-2）氨基甲酸酯分解器;

-将离开第一氨基甲酸酯分解器（E-1）的未反应氨和二氧化碳气体循环至该氨基甲酸酯冷凝器（202-C）的机构（111）;

-冷凝离开第一氨基甲酸酯分解器（E-1）的未反应氨和二氧化碳的机构（E-3）;

-循环如此获得的冷凝物至该氨基甲酸酯冷凝器（202-C）的机构（112，301-J/JS）。

9、根据权利要求8的设备，其特征在于该第二尿素合成反应器（ROT）为“单程”高产率型，并可部分除去反应热。

10、根据权利要求9的设备，其特征在于该第二尿素合成反应器（ROT）含有可除去反应热的初级工段（R-1）和常规类型的第二工段（R-2）。

11、根据权利要求10的设备，其特征在于该初级工段（R-1）为所谓的“釜”形。

12、根据权利要求8的设备，其进一步包括将第一尿素合成反应器（201-D）联接至该第一氨基甲酸酯分解器（E-1）的管路（BP）。

13、根据权利要求8的设备，其进一步包括将第二氨基甲酸酯分解器（E-2）联接至第一尿素回收工段（104）的低压蒸馏器（301-C）的管路（113）。

14、根据权利要求8的设备，其进一步包括将第二氨基甲酸酯分解器（E-2）联连至位于第一尿素回收工段（104）的低压蒸馏器（301-C）的下流的该尿素回收工段（104）的管路（M）。

15、一种改进现存尿素生产设备的方法，包括：

-尿素合成反应器（201-D）;

-位于该尿素合成反应器（201-D）上流的氨基甲酸酯冷凝器（202-C）;

-位于该尿素合成反应器（201-D）下流的二氧化碳汽提塔（201-C）;

-将离开该第一反应器（201-D）的第一反应混合物馈入二氧化碳汽提塔（201-C）的机构（207）;

-由离开二氧化碳汽提塔（201-C）的第一反应混合物中分离尿素的尿素回收工段（104）;

其特征在于其含有如下步骤：

a）提供与馈入高纯氨和二氧化碳的机构（PA-1A/1S，KA-1）相连的第二尿素合成反应器（ROT）;

b）提供第二尿素回收工段（DIST），其包括在该第二尿素合成反应器（ROT）下流的顺序的至少第一（E-1）和第二（E-2）氨基甲酸酯分解器;

c）提供管路机构（111），用于将离开该第一氨基甲酸酯分解器（E-1）顶端的未反应氨和二氧化碳气体循环至该氨基甲酸酯冷凝器（202-C）;

d）提供冷凝离开该第二氨基甲酸酯分解器（E-2）的未反应氨和二氧化碳气体的机构（E-3）;

e）提供将如此得到的冷凝物循环至该氨基甲酸酯冷凝器（202-C）的机构（112，301-J/JS）。

16、根据权利要求15的方法，其特征在于该第二尿素合成反应器（ROT）为“单程”高产率型。

17、根据权利要求16的方法，其特征在于该第二尿素合成反应器（ROT）含有可除去反应热的初级工段（R-1）和常规类型的第二工段（R-2）。

18、根据权利要求17的方法，其特征在于该初级工段（R-1）为所谓的“釜”形。

19、根据权利要求15的方法，其特征在于其进一步含有将该第一尿素合成反应器（201-D）联接至该第一氨基甲酸酯分解器（E-1）的步骤。

20、根据权利要求15的方法，其特征在于该第二氨基甲酸酯分解器（E-2）与位于低压蒸馏器（301-C）的上流的尿素回收工段（104）相联接。

21、根据权利要求15的方法，其特征在于该第二氨基甲酸酯分解器（E-2）与位于低压蒸馏器（301-C）下流的尿素回收工段（104）相联接。

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