三聚氰胺和尿素生产的一体化方法与流程

三聚氰胺和尿素生产的一体化方法
1.本发明涉及三聚氰胺和尿素生产的一体化方法。
发明领域
2.具体地说，本发明属于在一体化装置中一体化工艺技术生产三聚 氰胺和尿素的技术领域。
3.众所周知，在尿素和三聚氰胺领域，需要提供一体化方法，其中 合成三聚氰胺产生的排出气被送到尿素装置/过程，在其中它们被用作 生产至少一部分尿素的原料。
4.三聚氰胺生产工艺可以是催化型或非催化型，因此，三聚氰胺合 成产生的排出气料流的压力范围为2-120巴。排出气料流可以是无水 的，也可以含有高达35wt％的水。
5.通常，生产尿素的工艺包括尿素合成工段、一或多个分解工段、 尿素浓缩工段和工艺水处理工段。
6.术语“尿素合成工段”是指在120-220巴、优选130-200巴、更 优选135-175巴的压力范围内操作的工段。
7.术语“分解工段”是指在低于合成压力的压力下操作的一或多个 工段，其中尿素与氨基甲酸铵分离，在所述工段的出口处获得比入口 处更浓的尿素溶液和液相或气相的氨基甲酸铵料流。
8.发明背景
9.尿素通过两个连续反应生产。
10.在第一反应中，按照以下放热反应生成氨基甲酸铵：
11.(a)2nh3 co2→
h2n-co-onh4δh＝-117kj/mol
12.在第二反应中，氨基甲酸铵随后按照以下吸热平衡反应脱水生成 尿素：
13.(b)δh＝ 15.5kj/mol
14.按照以下总反应由尿素生成三聚氰胺：
15.(c)
16.当尿素生产和三聚氰胺生产整合一体化时，尿素装置合成工段生 产的至少部分尿素被送至三聚氰胺装置的三聚氰胺合成工段。尿素转 化为三聚氰胺(反应c)产生的由氨和二氧化碳组成的排出气料流作 为原料从三聚氰胺装置循环到尿素装置、更具体地说是尿素合成工段。
17.由三聚氰胺合成过程产生的氨和二氧化碳之间的化学计量比与合 成尿素所需的化学计量比相同，即2:1的比例。因此，三聚氰胺合成 过程产生的排出气特别适合用作尿素合成的原料。
现有技术
18.为了满足有效一体化尿素和三聚氰胺生产工艺的需要，提出了各 种解决方案，即
将三聚氰胺合成过程中获得的排出气即nh3和co2用作尿素生产过程的原料。
19.ep1716111中描述了一体化方法的第一个实例。根据该文献中描 述的方法(图1和2)，将三聚氰胺合成过程产生的排出气送入尿素 装置的排出气冷凝工段17。来自三聚氰胺合成过程的排出气料流和来 自尿素装置尿素回收工段16的氨基甲酸铵料流34都被送入该工段。 三聚氰胺排出气通过传热至冷却料流42而发生冷凝。然后将得到的氨 基甲酸铵料流通过工段19送至尿素合成工段15，在工段19中料流在 高于合成压力的压力下被压缩。
20.ep3083571中描述了三聚氰胺和尿素合成一体化方法的第二个实 例，且涉及具有单个低压分解工段的co2汽提过程的特定工艺。如 ep3083571图1所示，来自三聚氰胺的排出气的压力与尿素合成工段 的操作压力相同，并在高压氨基甲酸铵冷凝工段(hpcc)中冷凝。 在图4的实施方案中，增加了用于氨基甲酸铵(carbcond)的冷 凝器，其接收来自三聚氰胺装置的排出气和来自尿素回收工段 (lprec)的氨基甲酸铵。通过向冷却液传热进行冷凝。在图6的实 施方案中，增加了预蒸发器(pre-evap)，其接收来自三聚氰胺装 置的排出气和来自尿素回收工段(lprec)的氨基甲酸铵。在此情况 下，通过传热至来自lprec的尿素溶液进行冷凝。图8显示了一个 实施方案，其中，对于图6的配置，增加了蒸发器(闪蒸(flash))， 其蒸汽与来自三聚氰胺装置的排出气和来自尿素回收工段(lprec) 的氨基甲酸铵一起进入预蒸发器(pre-evap)，通过传热至来自尿 素回收工段(lprec)的尿素溶液进行冷凝。最后，在图10的实施 方案中，高压洗涤器(hpscr)从图8的配置中去除，来自尿素反应 器的蒸汽与来自三聚氰胺装置的排出气和来自尿素回收工段 (lprec)的氨基甲酸铵一起进入预蒸发器(pre-evap)，通过传 热至来自lprec的尿素溶液进行冷凝。
21.现有技术的缺陷
22.如上所述，氨基甲酸铵生成反应是一个放热反应，为尿素生产过 程提供热量。
23.在尿素装置中，无论采用何种技术，nh3和co2均被送入尿素合 成工段，在合成工段中生成氨基甲酸铵，然后，以nh3和co2为原料 生成氨基甲酸铵反应(a)产生的热量被用于尿素脱水反应(b)。
24.当送入尿素合成工段的一部分由nh3和co2组成的原料被三聚氰 胺装置排出气冷凝得到的氨基甲酸铵(h2n-co-onh4)替代时，显然 尿素合成工段缺少反应(a)产生的部分热量。
25.此外，如前所述，在现有技术所述的工艺中，从三聚氰胺装置进 入氨基甲酸铵排出气的冷凝热完全消散于冷却液中，或传递到尿素合 成工段下游的尿素溶液中。
26.因此，现有技术提出的一体化工艺的主要缺陷与以下事实有关： 排出气冷凝成氨基甲酸铵所回收的热量根本没有传递到尿素合成工 段。
27.尿素装置与三聚氰胺装置的一体化工艺，将氨基甲酸铵代替nh3和co2送入尿素合成工段，使得，如前所述，从反应(a)产生的部 分热量缺失，从而导致尿素合成工段的蒸汽消耗量增加。蒸汽消耗的 增加量相当于反应(a)产生热的缺少量，现有技术提出的工艺情况下， 反应(a)产生的热被耗散或传递到尿素合成工段的下游。
28.因此，本发明的目标是确定一个一体化方法，同时提供三聚氰胺 的生产和尿素的生产，并将三聚氰胺合成过程中产生的排出气高效再 循环至尿素合成工段。
29.因此，本发明的进一步目标是确定一个一体化方法，能同时提供 三聚氰胺生产和尿素生产，克服上述现有技术的缺陷。
30.发明概述
31.这些和其它目标通过根据本发明的一体化方法实现。
32.因此，本发明涉及如权利要求1所述的尿素和三聚氰胺生产的一 体化方法。
33.更具体地说，本发明涉及尿素和三聚氰胺生产的一体化方法，包 括以下步骤：
34.i)将来自三聚氰胺合成过程的排出气料流(11)送入与排出气 相同压力下操作的部分冷凝和热回收步骤，获得氨基甲酸铵部分液体 料流(13)；
35.ii)将氨基甲酸铵部分液体料流(13)完全冷凝，获得氨基甲酸 铵液体料流(15)；
36.iii)在压力等于或高于尿素合成压力(130-200巴)下将步骤ii) 获得的氨基甲酸铵液体料流(15)压缩，获得压缩的氨基甲酸铵液体 料流(16)；
37.iv)将来自步骤iii)的压缩的氨基甲酸铵液体料流(16)与来自 三聚氰胺合成过程的排出气料流(11)接触，随后进行热交换，其中 送入的排出气料流(11)部分冷凝产生的热量被传递到压缩的氨基甲 酸铵液体料流(16)；和
38.v)将步骤iv)中获得的所述压缩和加热的氨基甲酸铵液体料流 (20)作为尿素合成过程的反应物送入。
39.因此，根据本发明的用于尿素和三聚氰胺生产的一体化方法得以 解决上述问题和尿素合成工段所有热平衡问题。
附图说明
40.图1是本发明方法的第一个实施方案的示意图；
41.图2是本发明方法的第二个实施方案的示意图；
42.图3是本发明方法的第三个实施方案的示意图；
43.图4是本发明方法的第四个实施方案的示意图。
44.三聚氰胺装置的排出气由nh3和co2组成。根据三聚氰胺装置所 采用的技术，其含水量为0-35wt％，压力为2-120巴。
45.排出气进行冷凝是必要的，因为可利用的排出气压力低于尿素合 成压力。
46.在一个实施方案中，根据本发明的方法还包括步骤i)之后的步骤 i')，其中将来自步骤i)的氨基甲酸铵部分液体料流(13)加热氨(17)， 随后作为反应物(18)送入尿素合成过程。
47.步骤i’)可与步骤ii)重合，用于氨基甲酸铵部分液体料流(13) 的全部冷凝，具体地说，在此实施方案中，氨基甲酸铵部分液体料流 (13)的全部冷凝是通过向氨料流(17)传热而实现，从而获得氨基 甲酸铵液体料流(15)和加热的氨料流(18)，随后作为反应物(18) 送入尿素合成过程。
48.或者，氨基甲酸铵部分液体料流(13)的完全冷凝步骤ii)可以 通过将热量传递到冷却液(21)来实施，从而获得氨基甲酸铵液体料 流(15)。
49.最后，氨基甲酸铵部分液体料流(13)全部冷凝的步骤ii)可通 过以下手段实施：
[0050]-第一次部分热传递到氨料流(17)，获得加热的氨料流(18)，随后 作为反应物(18)送入尿素合成过程，和仍为部分液体的氨基甲酸铵 料流(14)；和
[0051]-仍为部分液体的氨基甲酸铵料流(14)第二次热传递到冷却液(21)， 从而获得氨基甲酸铵液体料流(15)。
[0052]
在冷凝压力下，nh3和co2冷凝所需的水可能已存在于上述三聚 氰胺过程产生的排出气中。
[0053]
nh3和co2冷凝所需的水取决于冷凝压力和氨/二氧化碳比，更具 体地说，冷凝所需的水随冷凝压力增加和nh3/co2比率增加而减少。
[0054]
对于nh3/co2＝2的比率，随压力增加，冷凝所需的水为：
[0055]
p＝20巴(表压)水20.0wt％
[0056]
p＝30巴(表压)水16.4wt％
[0057]
p＝40巴(表压)水14.2wt％
[0058]
对于nh3/co2＝3的比率，随压力增加，冷凝所需的水为：
[0059]
p＝20巴(表压)水19.3wt％
[0060]
p＝30巴(表压)水14.8wt％
[0061]
p＝40巴(表压)水10.4wt％
[0062]
因此，在无水排出气或含水量低于获得排出气全冷凝所需量的情 况下，根据本发明的方法还包括将来自尿素装置的含水料流(12)送 入排出气料流。含水料流(12)优选来自尿素过程一个分解工段的氨 基甲酸铵水溶液或来自尿素过程工艺水处理工段的氨基甲酸铵水溶 液。
[0063]
如前所述，根据本发明的方法还可包括步骤i')，其中氨料流用 来自步骤i)的氨基甲酸铵部分液体料流预热，且预热的氨料流被送去 合成尿素，而氨基甲酸铵部分液体料流将氨预热后，就被送入根据本 发明方法的冷凝步骤ii)。
[0064]
本发明的另一个目标涉及尿素生产装置和三聚氰胺生产装置一体 化设备，包括一个热回收区块(1’)，其通过管线(13’)连接到冷 凝区块(2’)，然后通过管线(15’)连接压缩区块(3')，然后通 过供料管线(16')连接到热回收区块(1')，所述热回收区块(1') 由来自三聚氰胺生产装置的排出气供料管线(11')供料并且包括适合 将压缩和加热的氨基甲酸铵料流送入尿素装置合成工段的出料管线 (20')。
[0065]
热回收区块(1')通过供料管线(13')连接到冷凝区块(2')， 然后连接到压缩区块(3')，然后通过供料管线(16')连接到热回 收区块(1')。
[0066]
所述设备包括冷凝区块(2')，就排出气和氨基甲酸铵料流的流 动方向而言，其位于热回收区块(1')的下游并通过管线(13')连接， 且位于压缩区块(3')的上游并通过管线(15')连接。
[0067]
在本说明书中，术语“上游”或“下游”总是指排出气和氨基甲 酸铵料流的流动方向。
[0068]
下面参考图1描述本发明方法的目标：
[0069]
将来自三聚氰胺装置的排出气(11)送入热回收单元(1)，该单 元是在来自三聚氰胺装置的排出气压力下操作的。离开热回收区块 (1’)的排出气经部分冷凝得到的氨基甲酸铵部分液体料流(13)在 冷凝区块(2)中完全冷凝，然后氨基甲酸铵液体料流(15)在压缩区 块(3)中于压力等于或大于尿素合成压力下进行压缩，并作为压缩的 氨基甲酸铵液体料流(16)送回到同一热回收区块(1’)，其中进行 热交换并使进料中排出气料流(11)部分冷凝所产生的热量传递到压 缩的氨基甲酸铵液体料流(16)中。然后，压缩并加热的氨基甲酸铵 液体料流(20)离开热回收区块(1’)，被送入尿素装置的尿素合成 工段。
[0070]
在冷凝区块(2’)中可通过传热到氨料流(17)或冷却液(21) 或者氨料流(17)和冷却液(21)来进行完全冷凝。
[0071]
图1和图2示出了一个实施方案，其中进入冷凝器区块(2’)的 料流可以是氨料流(17)或冷却液料流(21)。
[0072]
根据本发明方法的步骤i)和iv)在热回收区块(1’)中进行： 彼时进行形成上述氨基甲酸铵的反应(a)，同时由氨基甲酸铵形成反 应通过排出气部分冷凝获得的热传递给液态并压缩的氨基甲酸铵料 流，由此将其加热并送入尿素合成反应。
[0073]
采用本发明的方法，未用新鲜nh3和co2进料提供给尿素合成反 应的热量其后通过将液相送入的氨基甲酸铵料流进行预热且也可通过 将送入尿素合成工段的氨料流预热来部分提供给尿素合成工段。
[0074]
如前所述，在冷凝压力下，nh3和co2冷凝所需的水已存在于来 自三聚氰胺过程的排出气中，或者，在无水排出气或含水量低于获得 排出气全冷凝所需量的情况下，根据本发明的方法可包括送入冷凝步 骤ii)上游的来自尿素装置的含水料流，也包括送入来自尿素装置的 含水料流(12)的步骤。
[0075]
此实施方案示于图2，其中表示了向冷凝器(2’)上游送入的辅 助料流(12)，其提供了排出气完全冷凝所需的水。
[0076]
来自尿素装置的辅助含水料流(12)可以是来自尿素过程分解工 段之一的氨基甲酸铵水溶液，或是来自尿素过程的工艺水处理工段的 氨基甲酸铵水溶液，其中三聚氰胺合成产生的排出气再循环至尿素装 置。
[0077]
图1和图2中所示的根据本发明的工艺料流程可以有进一步变体， 例示于图3。
[0078]
在图3的示意图中，氨料流(17)在预热器(4')中用来自热回 收(1')氨基甲酸铵部分液体料流(13)预热，然后将预热的氨料流 (18)送入尿素合成工段。离开预热器(4')的仍为部分液体的氨基 甲酸铵料流(14)随后被送入冷凝器(2')，其中它将热量传递到冷 却液(21)，从而形成氨基甲酸铵液体料流(15)，类似于图1所示。
[0079]
因此，根据本发明的设备还可以包括预热器(4’)，相对排出气 和氨基甲酸铵料流的料流向，其位于热回收区块(1’)的下游，并通 过管线(13’)连接所述热回收区块(1’)以送入部分冷凝的氨基甲 酸铵料流，所述预热器(4’)通过适于提供氨料流的管线(17’)送 料并且包括适于将所述预热器(4’)中预热的氨料流送入尿素合成段 的出料管线(18’)以及适于向冷凝区块(2’)送入氨基甲酸铵部分 液体料流的出料管线(14’)。
[0080]
根据本发明的设备还可以包括一个适于向热回收块(1')的上游 (图4)或下游(图2)(相对于排出气和氨基甲酸铵料流的流动方向) 送入含水料流的供料管线(12')。
[0081]
此外，在根据本发明的设备中，适于送入含水料流的供料管线 (12’)可以连接于预热器(4’)的上游或下游(图4)和冷凝器(2’) 的上游。
[0082]
通过图1和图2二者所示的工艺流程(其中还提供了上述辅助料 流(12))，通过排出气冷凝从氨基甲酸铵形成反应中回收的热量被 分为两股料流：
[0083]-预热的氨料流(18)和压缩并加热的氨基甲酸铵液体料流(20)， 二者都被送入尿素合成段；或者
[0084]-冷却液(22)和压缩并加热的氨基甲酸铵液体料流(20)，所 述氨基甲酸铵料流(20)被送入尿素合成段。
[0085]
优选第一个解决方案，因其涉及排出气冷凝热的完全回收，因此 所述热量被传递到尿素合成段。
[0086]
通过图3和图4所示的工艺流程(其中还提供了上述辅助料流 (12))，通过排出气冷凝从氨基甲酸铵形成反应中回收的热量分为 三股料流，即两者均供给尿素合成段的预热氨料流(18)和压缩并加 热的氨基甲酸铵液体料流(20)以及冷却液(22)。
[0087]
因此，在包括预热氨料流(17)的实施方案中，根据本发明的方 法具有将氨料流(17)预热和消除或最小化传热到冷凝区块(2')中 冷却液(21)的进一步优点。此方法的特征还在于具有更大的多用途 性，通过压缩并加热的氨基甲酸铵液体料流(20)和预热的氨料流(18) 向尿素合成反应提供热量。
[0088]
如前所述，在无水排出气或含水量低于获得冷凝所需量的情况下， 辅助料流(12)提供全部冷凝所需的水。此料流(12)可送入到氨料 流预热步骤i')之前或之后根据本发明方法步骤i)送入的排出气料流 中。即，此进料发生在用所述排出气料流(11、13)加热氨料流(17) 的步骤i')的上游或下游，和冷凝步骤ii)的上游。
[0089]
根据前述的本发明方法的所有实施方案能够以特别有效的方式将 通过来自“三聚氰胺合成装置”的排出气冷凝而获得的氨基甲酸铵的 形成热再循环到尿素合成工段的显著优点。
[0090]
因此，根据本发明的方法，当尿素合成工段至少部分送入来自三 聚氰胺过程的排出气时能使该工段的蒸汽消耗量减少。
[0091]
尿素合成工段蒸汽消耗量不增加得以有进一步优点，在三聚氰胺 装置实施之前已有尿素装置的情况下，无需对现有设备进行改造。因 与三聚氰胺装置一体化使蒸汽消耗量的增加实际上需要增加尿素合成 工段中设备的交换表面而增加投资成本。根据本发明的方法，通过减 少蒸汽消耗能使尿素合成工段的变化最小化或不变。
[0092]
以下通过本发明的非限制性实施例提供根据本发明方法实施方案 的实例，
[0093]
实施例1
[0094]
根据本发明方法的一个实例是用于将生产能力为180吨/天的三聚 氰胺装置与容量为2000吨/天的尿素装置一体化。
[0095]
来自三聚氰胺装置的排出气具有以下重量组成：nh
3 43％、co
2 37％、h2o 20％，排出气料流的温度约为160℃，压力约为20巴(表 压)。
[0096]
将排出气料流送入第一个交换器或热回收区块(1')，在其中部 分冷凝，冷凝热(相当于约1535000kcal/h)被传递到来自压缩区块 (3')的液体并压缩的氨基甲酸铵料流。然后将部分冷凝的排出气料 流(或部分液态的氨基甲酸铵料流)送入预热器(4’)，在预热器(4’) 中进一步将部分冷凝的排出气料流进行冷凝，将热量传递至高压氨料 流，然后送入尿素装置合成工段。由于排出气进一步冷凝，42000kg/h 的高压氨料流(160巴)从初始温度20℃预热至最终温度144℃。
[0097]
已确证，通过上述排出气冷凝传递到氨的热量约为6826000 kcal/h。离开预热器(4’)的氨基甲酸铵部分液体料流随后在热交换 器或冷凝器(2’)中用冷却液完全冷凝，获得氨基甲酸铵液体料流。
[0098]
如上所述，压缩区块(3)中冷凝的排出气料流或氨基甲酸铵液体 料流的压力升高至160巴(表压)后，被送至热交换器或热回收区块 (1’)，在其中其接收通过排出气部分冷
凝所释放的相当于约1535000 kcal/h的热量。
[0099]
在本实施例中，从排出气冷凝所回收的并传递至尿素合成反应的 热量是传递至预热的氨料流和预热压缩的氨基甲酸铵液体料流的热量 之和，二者均被送至尿素合成反应。
[0100]
用所述氨基甲酸铵料流和所述氨料流送入尿素合成工段的热量相 当于1535000 6826000＝8361000kcal/h。
[0101]
尿素合成中使用的蒸汽通常为22巴(表压)的饱和蒸汽，潜热 约为450kcal/kg。
[0102]
通过将氨和氨基甲酸铵料流传递的热量转化为饱和蒸汽，可获得 以下结果：
[0103][0104]
因此，通过采用本专利申请的工序/设备策划目标，本实施例能够 在尿素合成工段节省约19180kg/h蒸汽。
[0105]
实施例2
[0106]
根据本发明方法的第二个实施例是将日产能力为180吨的三聚氰 胺装置与日产能力为3000吨的尿素装置一体化。
[0107]
来自三聚氰胺装置的排出气具有以下重量组成：nh
3 43％、co
2 37％、h2o 20％，排出气料流的温度约为160℃，压力约为20巴(表 压)。
[0108]
将排出气料流送入第一个交换器或热回收区块(1')，在其中部 分冷凝，冷凝热(相当于约1535000kcal/h)被传递到来自压缩区块 (3')的液体并压缩的氨基甲酸铵料流。然后将部分冷凝的排出气料 流(或部分液态的氨基甲酸铵料流)送入预热器(4’)，在预热器(4’) 中进一步将部分冷凝的排出气料流进行冷凝，将热量传递至高压氨料 流，然后送入尿素装置合成工段。由于排出气进一步冷凝，71000kg/h 的高压氨料流(160巴)从初始温度20℃预热至最终温度132℃。
[0109]
通过上述排出气冷凝传递到氨的热量证明约为9704000kcal/h。 离开预热器(4’)的氨基甲酸铵料流完全冷凝，因此无需使用冷却液 来完成冷凝。
[0110]
如上所述，压缩区块(3')中的冷凝排出气料流或氨基甲酸铵料 液体流的压力升高至160巴(表压)后，被送至热交换器或热回收区 块(1’)，在其中其接收通过排出气部分冷凝所释放的相当于约1535000kcal/h的热量。
[0111]
在本实施例中，从排出气冷凝所回收的并传递至尿素合成反应的 热量是传递至预热的氨料流和预热压缩的氨基甲酸铵液体料流的热量 之和，二者均被送至尿素合成反应。
[0112]
用所述氨基甲酸铵料流和所述氨料流送入尿素合成工段的热量相 当于1535000 9704000＝11239000kcal/h。
[0113]
在本实施例中，排出气料流11所包含的所有热量与两股氨基甲酸 铵和氨料流一起传递至尿素合成反应。
[0114]
尿素合成中使用的蒸汽通常为22巴(表压)的饱和蒸汽，潜热 约为450kcal/kg。
[0115]
通过将氨和氨基甲酸铵料流传递的热量转化为饱和蒸汽，可获得 以下结果：
[0116][0117]
通过采用本专利申请的工序/设备策划目标，本实施例能够在尿素 合成工段节省约24975kg/h蒸汽。