尿素制备的方法和装置与流程

本发明涉及用于由氨和二氧化碳制备尿素的方法和装置。

背景技术

用于尿素制备的方法一般包括合成步骤、分解步骤和冷凝步骤。在合成步骤中，由氨(NH3)和二氧化碳(CO2)合成尿素而生成尿素合成溶液。具体地，如式(1)所示，通过氨(NH3)和二氧化碳(CO2)的反应生成氨基甲酸铵(NH2COONH4)。此外，如式(2)所示，通过氨基甲酸铵的脱水反应生成尿素(NH2CONH2)和水(H2O)。

2NH3 CO2→NH2COONH4 (1)

NH2COONH4→NH2CONH2 H2O (2)

尽管两个反应都是平衡反应，但是因为式(2)的反应比式(1)的反应慢，所以式(2)的反应是决定速率的。

在分解步骤中，将在合成步骤中得到的尿素合成溶液加热以使尿素合成溶液中含有的氨基甲酸铵分解成氨和二氧化碳。结果，得到含有氨和二氧化碳的气体混合物以及具有更高尿素浓度的尿素合成溶液。在冷凝步骤中，在分解步骤中得到的气体混合物在冷却下的吸收介质中冷凝。通常使用水作为用于冷却的冷却介质，并且主要利用水气化的潜热来冷却气体混合物。

JP10-182587A(对应于EP 0834501 A2、EP 1035111 A1、EP 1035112 A1、US 5936122 A和US 6200540 B1)公开了一种涉及使用包括U形管作为冷却管的立式浸没式冷凝器的冷凝步骤，其中将冷却介质进料至立式浸没式冷凝器的管侧。通常，浸没式冷凝器是指其中工艺流体在壳侧流动(换句话说，将在分解步骤中得到的气体混合物供应至处理侧)并且其中冷却介质在管侧流动的冷凝器。使工艺流体在壳侧流动可以延长工艺流体在冷凝器中的停留时间。这对于促进冷凝器中的尿素生成反应是有效的。

JP2003-104949A(对应于EP 1279663 A1和US 6518457 B1)也公开了一种包括U形管作为冷却管的立式浸没式冷凝器。此文献公开了一种通过在一部分U形管中产生低压蒸汽并且通过在其余U形管中加热由汽提器(分解步骤)得到的尿素合成溶液来回收冷凝的热量的方法。WO 2013/165246公开了类似的技术，尽管在此文献中公开了卧式浸没式冷凝器。WO 2006/118071(对应于EP 1876171 A1和US 2009/062566 A1)也公开了一种包括U形管的立式浸没式冷凝器。在此文献中，从U形管排出含有锅炉水和蒸汽的流体。

引用清单

专利文献

专利文献1：JP10-182587A

专利文献2：JP2003-104949A

专利文献3：WO 2013/165246

专利文献4：WO 2006/118071

发明概述

技术问题

尽管已经如上所述常规地研究了在浸没式冷凝器中的热量回收，但是一直关注用于使工艺流体流动的方法和装置，而不是使冷却介质流动的方法和装置。

在浸没式冷凝器中，理想的是不仅促进在分解步骤中得到的气体混合物的冷凝，而且促进尿素生成反应。从促进浸没式冷凝器中的尿素生成的观点来看，浸没式冷凝器的操作温度优选较高，而从促进气体吸收的观点来看，该操作温度优选较低。因此，需要将浸没式冷凝器的整个内部保持在最佳的操作温度。由于此原因，需要降低在浸没式冷凝器中的温度分布。

在将水以与在浸没式冷凝器的管侧产生的蒸汽的量相当的量(质量流量)供应至管侧作为冷却介质的情况下，水(液体)在管的入口处流动，而主要是蒸汽(气体)在出口处流动。在此情况下，通过在管出口的水气化的潜热的冷却效果小于在管入口的冷却效果。因此，管入口附近与管出口附近之间的换热量不同。结果，在这些区域之间产生温差，这增加了在浸没式冷凝器中的温度分布。

本发明的一个目的是提供能够减少在浸没式冷凝器中的温度分布的用于尿素合成的方法和装置。

问题的解决方案

本发明的一个方面提供了一种用于尿素制备的方法，所述方法包括：

合成步骤，即，由氨和二氧化碳合成尿素而生成尿素合成溶液；

分解步骤，即，通过加热在所述合成步骤中生成的所述尿素合成溶液，使氨基甲酸铵分解，并且将含有氨和二氧化碳的气体混合物与所述尿素合成溶液分离，以得到尿素浓度比在所述合成步骤中得到的所述尿素合成溶液高的尿素合成溶液；

冷凝步骤，即，利用包括包含U形管在内的壳管式换热结构的浸没式冷凝器，在壳侧的吸收介质中吸收并且冷凝在所述分解步骤中得到的所述气体混合物中的至少一部分，并且利用在所述冷凝期间产生的热量在管侧产生蒸汽；

再循环步骤，即，将在所述冷凝步骤中由所述壳侧得到的液体中的至少一部分再循环到所述合成步骤；以及

供水步骤，即，以在所述浸没式冷凝器中产生的蒸汽的产生速率的三倍以上的质量流量将水供应至所述浸没式冷凝器的管侧。

本发明的另一个方面提供了一种用于尿素制备的装置，所述装置包括：

合成反应器，所述合成反应器被配置成由氨和二氧化碳合成尿素而生成尿素合成溶液；

分解器，所述分解器被配置成通过加热由所述合成反应器生成的所述尿素合成溶液，使氨基甲酸铵分解，并且将含有氨和二氧化碳的气体混合物从所述尿素合成溶液中分离，以得到尿素浓度比由所述合成反应器得到的所述尿素合成溶液高的尿素合成溶液；

浸没式冷凝器，所述浸没式冷凝器包括壳管式换热结构，所述壳管式换热结构含有U形管，所述浸没式冷凝器被配置成在壳侧的吸收介质中吸收并且冷凝由所述分解器得到的所述气体混合物中的至少一部分，并且利用在所述冷凝期间产生的热量在管侧产生蒸汽；

再循环装置，所述再循环装置用于将液体中的至少一部分再循环到所述合成反应器，所述液体由所述浸没式冷凝器的壳侧得到；以及

供水装置，所述供水装置用于将水以在所述浸没式冷凝器中产生的蒸汽的产生速率的三倍以上的质量流量供应至所述浸没式冷凝器的管侧。

发明的有益效果

本发明提供了能够减少在浸没式冷凝器中的温度分布的用于尿素合成的方法和装置。

附图简述

[图1]图1是示意性示出一种用于尿素制备的装置的一个实例的工艺流程图。

[图2]图2是示意性示出一种浸没式冷凝器的冷却系统(蒸汽系统)的一个实例的工艺流程图。

实施方案描述

根据本发明的用于尿素制备的方法包括合成步骤、分解步骤、冷凝步骤和再循环步骤。可以视情况将作为原料的氨和二氧化碳从外部供应至这些步骤中的一个或多个。用于尿素制备的方法还包括供水步骤。

合成步骤

在合成步骤中，由氨和二氧化碳合成尿素，从而生成尿素合成溶液。在合成步骤中，还由来自之后将会描述的冷凝步骤的再循环液中含有的氨基甲酸铵合成尿素。

合成步骤中的操作压力一般为130巴(绝对压力，其也适用于以下描述)至250巴，优选140巴至200巴。合成步骤的操作温度一般为160℃至200℃，优选170℃至190℃。

分解步骤

在分解步骤中，加热在合成步骤中生成的尿素合成溶液。因此，使在合成步骤中得到的尿素合成溶液中含有的氨基甲酸铵分解，并且将含有氨和二氧化碳的气体混合物从尿素合成溶液中分离以得到尿素浓度比在合成步骤中得到的尿素合成溶液高的尿素合成溶液。在分解步骤中得到的气体混合物在下文中可以被称为：“分解器出口气体”。

对于在分解步骤中的加热，可以采用具有较高温度的加热介质，例如中压蒸汽。在此情况下，作为热源使用的中压蒸汽冷凝生成蒸汽冷凝液。

中压蒸汽的压力一般为12巴至40巴，优选14巴至25巴。在用于尿素制备的装置中，中压蒸汽通常作为汽轮机的背压蒸汽适当地产生。备选地，可以从用于尿素制备的装置外部供应中压蒸汽。

分解步骤的操作温度一般为150℃至220℃，优选160℃至200℃。

具体地，在合成步骤中得到的尿素合成溶液含有尿素、氨、二氧化碳、氨基甲酸铵和水组成。通常在基本上等于合成步骤中的压力的压力下加热尿素合成溶液。因此，氨、二氧化碳和氨基甲酸铵作为含有氨、二氧化碳和水(蒸汽)的气体混合物分离。

在分解步骤中，可以采用其中仅进行加热的分解方法。然而，为了促进分解，可以采用其中除了加热以外还供应二氧化碳气体并且使其与尿素合成溶液接触的汽提法。

冷凝步骤

在冷凝步骤中，使用包括壳管式换热结构的浸没式冷凝器。壳管式换热结构包括U形管。通常，有多个U形管，所述多个U形管形成所谓的多管式换热结构。在换热结构的壳侧，在吸收介质中吸收并且冷凝所述分解步骤中获得的气体混合物(分解器出口气体)中的至少一部分，即一部分或全部。利用在冷凝期间产生的热量，在管侧产生蒸汽。

此处，可以产生蒸汽，例如低压蒸汽。当考虑冷凝温度时，低压蒸汽应具有在此压力下水的饱和温度低于冷凝步骤中的工艺流体的温度的压力。考虑到利用在用于尿素制备的方法的另一步骤中产生的低压蒸汽，低压蒸汽的压力优选在一定程度上较高。从这样的观点来看，中压蒸汽的压力一般为3巴至9巴，优选4巴至7巴。当使用低压蒸汽作为用于加热另一流体的热源时，低压蒸汽冷凝，这生成蒸汽冷凝液。

作为吸收介质，可以适当地使用在尿素制备工艺的领域中公知的吸收介质，比如水(其可以含有尿素、氨、二氧化碳和氨基甲酸铵)。

当特别地考虑在反应和冷凝之间的平衡时，在冷凝步骤中在壳侧得到的液体的温度一般为100℃至210℃，优选160℃至190℃。合成步骤、分解步骤和冷凝步骤在基本上相同的压力下操作，因为尿素制备中的高压过程(包括合成步骤、分解步骤和冷凝步骤)不导致除了压力损失之外的压力降低。注意，对于之后将描述的再循环，进行通过喷射器等的加压。

更具体地，将在分解步骤中分离的气体混合物(分解器出口气体)引入到冷凝步骤中，在那里气体混合物与在冷却下的含有水的吸收介质接触，并且在那里气体混合物冷凝。在冷凝步骤中，一部分氨和一部分二氧化碳变为氨基甲酸铵(参见式(1))，并且还进行尿素合成反应(参见式(2))。

当气体混合物在冷凝步骤中冷凝时，产生大量热量。为了有效地使用所产生的热量，进行热量回收。也就是说，利用在冷凝期间产生的热量，在管侧产生蒸汽。出于此目的，用于尿素制备的方法包括将水(液体)供应至浸没式冷凝器的管侧的供水步骤。

未在浸没式冷凝器的壳侧冷凝的气体在根据需要减压后可以在吸收介质(液体)中进行吸收和冷凝，同时可以冷却吸收介质。由此，可以得到含有氨和二氧化碳的回收液体。可以根据需要对回收液体进行加压，然后可以将其返回至高压过程(包括合成步骤、分解步骤和冷凝步骤)，一般返回至冷凝步骤。由此，可以回收未反应的氨和未反应的二氧化碳。作为吸收介质，可以适当地使用在尿素制备方法的领域中公知的吸收介质，比如水(其可以含有尿素、氨、二氧化碳和氨基甲酸铵)。

供水步骤

在供水步骤中，将水(液体)供应至浸没式冷凝器的管侧。在此操作中，所供应的水的质量流量为在浸没式冷凝器的管侧产生的蒸汽的量(基于质量计的产生速率)的三倍以上，优选八倍以上。因此，在U形管出口处的冷却介质(由水和蒸汽制成的气液两相流)中的水(液体)的比率可以保持较高。结果，可以减小在U形管入口附近的换热量和在U形管出口附近的换热量之间的差异。因此，可以减少在浸没式冷凝器中的温度分布。当所供应的水的质量流量超过在浸没式冷凝器的管侧产生的蒸汽的量的25倍时，即使进一步提高水的质量流量，也难以预期进一步减少温度分布的效果。

从高效换热的观点来看，供应至浸没式冷凝器的管侧的水在U形管入口的流速优选为0.3m/s以上，更优选0.8m/s以上。然而，随着流速设定得越高，在管内部的压力损失可能变得越大，并且在管入口附近的水压可能变得高于在出口附近的水压，这可能倾向于造成入口附近和出口附近之间的换热量的差异。因此，流速优选为4.0m/s以下。

优选的是利用泵对将要供应至浸没式冷凝器的管侧的水进行加压。因此，易于将大量的水(在管侧的出口处为气液两相流)进料至管侧。还易于为U形管提供适当的压力损失，以及将水均匀地分配至多个U形管(防止沟流)。特别地，在立式浸没式冷凝器中，U形管垂直地延伸，因此必要的是气液两相流应朝下流动。在这样的情况下，利用泵的加压是有效的。

可以进行由浸没式冷凝器的管侧得到的流体的气液分离以得到蒸汽(蒸汽流)和水(水流)的气液分离步骤。此外，可以将在气液分离步骤中得到的水供应至浸没式冷凝器的管侧。简而言之，可以将水与从U形管排出的流体分离，并且可以将水返回至U形管。对于此返回，可以使用前述泵。

作为供应至浸没式冷凝器的U形管以产生蒸汽的水，可以使用蒸汽冷凝液，尤其是低压蒸汽冷凝液。作为蒸汽冷凝液，在根据需要减压或加压之后，可以使用通过在用于尿素制备的装置中的合适蒸汽的冷凝形成的蒸汽冷凝液。供应至U形管的低压蒸汽冷凝液的压力与在冷凝步骤中产生的低压蒸汽的压力处于同一水平。低压蒸汽冷凝液的温度与在冷凝步骤中产生的低压蒸汽的温度处于同一水平，并且一般为134℃至175℃，优选144℃至165℃。

再循环步骤

将在冷凝步骤中由壳侧得到的液体(已经吸收了分解器出口气体中的至少一部分的吸收介质)送回至合成步骤。由此，将未转化为尿素的未反应的氨和未反应的二氧化碳循环通过合成步骤、分解步骤和冷凝步骤。在用于使在冷凝步骤中得到的冷凝液再循环的方法之一中，在下方布置用于进行合成步骤的合成反应器，并且在合成反应器上方设置用于进行冷凝步骤的浸没式冷凝器，从而利用重力使冷凝液再循环。在另一个再循环方法中，利用喷射器对在冷凝步骤中得到的冷凝液进行加压以使冷凝液再循环，其中使用要供应至合成反应器的原料氨作为喷射器的驱动流体。利用重力的再循环方法和利用喷射器的再循环方法可以组合使用。

其他

本发明特别地在使用立式浸没式冷凝器的情况下有效。在使用U形管的立式浸没式冷凝器中，U形管的前一半通道(从入口到U形部分的通道)和U形管的后一半通道(从U形部分到出口的通道)位于相同的水平高度。与前一半通道相比，后一半通道的冷却介质中的蒸汽的比率较高。因此，在水平方向上可能产生温差，这倾向于造成较大的在浸没式冷凝器内部的温度分布。本发明可以减少这样的温度分布。

当使用U形管时，浸没式冷凝器仅需要一个管板。这在经济方面是有利的。另外，从容易维护的观点来看，在立式浸没式冷凝器中，管板优选地不设置在U形管的上侧，而是设置在其下侧。

因为在冷凝步骤中也进行尿素合成反应，所以可以在单一压力容器中进行冷凝步骤和合成步骤。换言之，可以使用其中集成有浸没式冷凝器和合成反应器的单一压力容器。

工艺实施例

以下将参照附图详细地描述本发明，但是本发明不限于此。

如图1所示，视情况利用泵(未示出)对原料氨进行加压，并且经由管线101、102和103将其供应至合成反应器A。将原料二氧化碳经由管线105和106供应至合成反应器A。在换热器(氨预热器)E中利用加热介质加热原料氨(管线101)。作为加热介质，可以使用合适的流体，比如蒸汽或蒸汽冷凝液。例如，将由浸没式冷凝器C得到的蒸汽(管线202)作为加热介质供应至换热器E，以使得可以由换热器E得到通过此蒸汽的冷凝形成的蒸汽冷凝液。可以采用已经以此方式加热的原料氨(管线102)作为喷射器D的驱动流体。

将尿素合成溶液经由管线110从合成反应器A送至分解器B。在分解器B的加热段(换热结构)中通过加热介质加热尿素合成溶液。可以使用合适的流体比如蒸汽或蒸汽冷凝液作为加热介质。典型地，可以使用中压蒸汽作为加热介质，并且可以从加热段中取出通过中压蒸汽的冷凝而形成的蒸汽冷凝液。将二氧化碳作为汽提气经由管线105和管线107供应至分解器B的底部。

将分解器出口气体经由管线112从分解器B引入到浸没式冷凝器C。从管线111取出与分解器出口气体分离的尿素合成溶液。可以通过以下方式得到产物尿素：视情况在尿素制备领域中公知的步骤比如纯化、浓缩和造粒中处理管线111的液体。

在从管线120引入的吸收液(吸收介质)中吸收并且冷凝引入到浸没式冷凝器C中的分解器出口气体。所得液体经由管线121流动至喷射器D，在那里对液体进行加压，并且将液体经由管线103再循环至合成反应器A。从管线122取出未冷凝的气体。当在吸收介质中吸收气体时并且当同时冷却吸附介质(未示出)时，可以将管线122中的气体作为回收液回收。作为吸收介质，可以适当地使用在尿素制备工艺的领域中公知的吸收介质，比如水(其可以含有尿素、氨、二氧化碳和氨基甲酸铵)。回收液可以根据需要进行加压，并且可以用作冷凝器C中的吸收介质。

将蒸汽冷凝液作为冷却介质(水)从管线201引入到浸没式冷凝器C的管侧中。通过与在浸没式冷凝器C的壳侧的流体的换热来加热蒸汽冷凝液，并且产生蒸汽。

用于将由浸没式冷凝器C的壳侧得到的液体中的至少一部分再循环到合成反应器A的再循环装置包括管线121、103和喷射器D。

将参照图2描述浸没式冷凝器的冷却系统。当将水从管线201供应至浸没式冷凝器C的管侧时，一部分水变成蒸汽，并且从管线202取出气液两相流。在气液分离器F中进行气液两相流的气液分离，使得气液两相流被分离为蒸汽冷凝液(管线203)和蒸汽(管线204)。利用泵G对管线203的蒸汽冷凝液进行加压，并且将其返回至管线201。因为从管线204取出蒸汽，所以将补充水从管线205供应至冷却系统。在图2中，将补充水供应至气液分离器F。

用于将水以蒸汽产生速率的三倍以上的质量流量供应至浸没式冷凝器C的管侧的供水装置包括管线201、202、203和205，气液分离器F，以及泵G。这些管线和设备被设计为使得可以将水以蒸汽产生速率的三倍以上的质量流量供应至浸没式冷凝器C的管侧。

例如，管线204的蒸汽可以被供应至汽轮机H或消耗蒸汽的另一设备I，或者可以在根据需要减压之后被排放至大气。可以将蒸汽从产生蒸汽的另一设备J供应至管线204。消耗蒸汽的另一设备I和产生蒸汽的另一设备J可以存在于用于尿素制备的装置中，或者可以存在于用于尿素制备的装置之外。存在于用于尿素制备的装置中且消耗蒸汽的另一设备I的实例包括氨预热器E。存在于用于尿素制备的装置之外且产生蒸汽的另一设备J的实例包括氨制备设备。

可以控制在浸没式冷凝器C的管侧产生的蒸汽的压力，以使得可以根据用于尿素制备的装置的负荷(设备负荷)调整在浸没式冷凝器C中的换热量，换言之，以使得可以调整在壳侧的温度，同时将过量的蒸汽冷凝液供应至浸没式冷凝器C的管侧。其具体工艺的实例如下所示。

·增加或减少从产生蒸汽的另一设备J供应至管线204的蒸汽的量。

·增加或减少从管线204供应至消耗蒸汽的另一设备I的蒸汽的量。

·增加或减少从管线204供应至汽轮机H的蒸汽的量。

·增加或减少从管线204排放至大气的蒸汽的量。

例如，如图2所示，优选的是设置专用泵G，其仅用于将水供应至浸没式冷凝器的管侧。在此情况下，在正常操作期间，因为蒸汽冷凝液除了送入浸没式冷凝器以外没有送入其他位置，所以供应至浸没式冷凝器的蒸汽冷凝液(管线201)的流速不变。换言之，可以防止由于供应至除了浸没式冷凝器以外的任何其他位置的蒸汽冷凝液的流速波动而引起的供应至浸没式冷凝器的蒸汽冷凝液的流速波动。因此，可以可靠地从浸没式冷凝器除去热量。为了促进在浸没式冷凝器中的尿素合成反应，浸没式冷凝器的温度是尿素制备过程中的一种重要参数。当作为冷却介质供应至浸没式冷凝器的蒸汽冷凝液的流速不变时，容易保持浸没式冷凝器的温度不变。然而，可以进行排污(放空，blowdown)以防止一些成分在包括管线201、202和203的供水装置中积聚。在不稳定的操作中，除了排污以外，还可以进行将水递送至除了浸没式冷凝器以外的设备。

附图标记列表

A 合成反应器

B 分解器

C 浸没式冷凝器

D 喷射器

E 换热器(氨预热器)

F 气液分离器

G 泵

H 汽轮机

I 消耗蒸汽的另一设备

J 产生蒸汽的另一设备