專利名稱:用二氧化碳和氨制造尿素的方法
本發(fā)明論及用二氧化碳和氨制造尿素的方法，該方法分幾級壓縮二氧化碳，以達(dá)到生成尿素的壓力，在各級壓縮間，使二氧化碳受到冷卻，并使尿素合成溶液加工成尿素水溶液或尿素固體。
在工業(yè)上應(yīng)用的方法中，需要高壓氣態(tài)二氧化碳，可用離心式壓縮機(jī)和/或往復(fù)式壓縮機(jī)，分幾步壓縮二氧化碳，使其達(dá)到所要的壓力。例如，用氣態(tài)二氧化碳和液態(tài)氨合成尿素時(shí)，合成是在高于125巴的壓力下進(jìn)行的，通常，在逐步增加壓力下至少分四級壓縮氣態(tài)二氧化碳，以達(dá)到所要的壓力。每級壓縮都會產(chǎn)生熱量。若要限制壓縮所需的能量，以免壓縮機(jī)零件因過熱而損壞，則必須去除壓縮過程釋放的熱量。
實(shí)際上現(xiàn)在通常已采用如下方法使冷卻水在各中間壓力下通過各加壓工序的中間冷卻器，用間接熱交換方法去除釋放的熱量。冷卻水的溫度升高后即排出或使其重復(fù)使用，例如，可在冷卻裝置中冷卻。在這種方法中，在各加壓工序的熱交換過程中被冷卻水吸收的熱量是廢棄的。
在制造尿素的過程中，先在合適的壓力(如125-350巴)和合適的溫度(如170-250℃)下，用液態(tài)氨和氣態(tài)二氧化碳生成氨基甲酸銨，然后，使生成的氨基甲酸銨脫水而制成尿素。該方法得到的反應(yīng)產(chǎn)物實(shí)質(zhì)上是一種溶液，該溶液含有尿素、水、氨基甲酸銨和游離氨。從溶液中除去氨基甲酸銨和氨。然后將剩余的含尿素的溶液加工成尿素溶液或尿素固體。
在“歐洲化學(xué)通報(bào)”1969年1月17日的尿素增刊17-20頁中，介紹了一種常用的尿素制造方法。該方法先在高壓和高溫下，在合成區(qū)中生成尿素合成溶液，然后在合成壓力下，使該溶液與氣態(tài)二氧化碳對流接觸以進(jìn)行汽提處理，同時(shí)傳遞熱量，結(jié)果使溶液中所含的甲氨酸鹽基本上分解成氨和二氧化碳，從溶液中除去氣態(tài)分解產(chǎn)物，并帶走少量水蒸氣以及用于汽提的二氧化碳。除采用二氧化碳(如上述刊物中所述)外，還能用氣態(tài)氨、一種惰性氣體或至少上述兩種氣體的混合物，例如，用在處理過程中因加熱釋放的氣體混合物來進(jìn)行汽提處理。在進(jìn)行汽提處理的立式換熱器的管際空間中，通過15-25巴的高壓蒸氣冷凝可獲得汽提所需的熱量。
在第一冷凝區(qū)，汽提中得到的氣體混合物大部分冷凝下來，并被新的液態(tài)氨和進(jìn)一步處理含尿素溶液所得到的一種水溶液所吸收，在此過程中生成的甲氨酸鹽水溶液以及未冷凝的氣體混合物通過合成區(qū)，以生成尿素。該冷凝區(qū)中釋放的熱量和溶液用裝有水的蒸發(fā)器帶走，使水變成低壓蒸氣，該低壓蒸氣可用于合成尿素的別的工序。
接著，使汽提過的尿素合成溶液膨脹至低壓，例如，2-6巴，并用低壓蒸氣加熱，以便從溶液中除去在部分存在于汽提過的尿素合成溶液中以甲氨酸鹽形式存在的剩余的氨和二氧化碳。在這些工序中得到的氣體混合物(還含有水蒸氣)在低壓下操作的第二冷凝區(qū)中冷凝，并被吸收在水溶液中，在該過程中生成的甲氨酸鹽稀溶液用泵送回合成尿素的高壓區(qū)，最后使其通入合成區(qū)。其余的含尿素溶液再次降壓并濃縮成尿素溶液或尿素熔體，該尿素熔體可進(jìn)一步加工成固體尿素。為此，通常以兩步蒸發(fā)，使尿素水溶液脫水，同時(shí)傳遞熱量，得到的尿素熔體可加工成顆粒狀，或使尿素溶液結(jié)晶。在生成所謂的中間冷凝物的同時(shí)，蒸發(fā)或結(jié)晶過程中得到的蒸氣混合物(除含水蒸氣以外，還含有氨、二氧化碳及夾帶的尿素微粒)被冷凝。部分中間冷凝物可用作第二冷凝區(qū)中氣體混合物的吸收劑。其余的中間冷凝物用高壓蒸氣處理，以使其中所含的尿素分解成氨和二氧化碳，并通過解吸而傳遞熱量，回收這些分解產(chǎn)物以及原有的氨和二氧化碳。在粒化裝置中，尿素熔體變成粒狀，由于用洗滌液去除由?；b置排出的空氣中夾帶的尿素粉塵，從而生成了廢液流。為進(jìn)一步處理這些廢液流，又需要熱量。
本發(fā)明目的在于提供一種經(jīng)濟(jì)地回收熱量的方法，這種熱量是在氣態(tài)二氧化碳經(jīng)多級壓縮而達(dá)到尿素合成壓力時(shí)釋放的。二氧化碳經(jīng)一級或多級壓縮后，用一種流動的冷卻介質(zhì)使其間接冷卻，由冷卻介質(zhì)吸收的熱量可用于需要熱量的加工步驟中，從而可達(dá)到本發(fā)明的目的。
因此，本發(fā)明是有關(guān)用二氧化碳和氨制造尿素的方法，該方法分幾級壓縮二氧化碳以達(dá)到生成尿素的壓力，在各級壓縮之間，使二氧化碳冷卻，并使尿素合成溶液加工成尿素水溶液或尿素固體。該方法特征為至少一部分加壓工序中釋放的熱量被冷卻介質(zhì)所帶走，帶走的這部分熱量可用于尿素制造過程別的需要熱量的工序中。
可方便地將冷卻介質(zhì)送入多個平行流動的壓縮機(jī)的中間冷卻器中，當(dāng)中間冷卻器的冷卻介質(zhì)流溫度升高時(shí)，可分別將其排出或合成一股液流排出。也可用獨(dú)立的冷卻回路來冷卻在各步壓縮之間的二氧化碳。在此情況下，用于冷卻回路的冷卻介質(zhì)流，例如可從通常的主冷卻介質(zhì)流獲得，并且溫度已升高的冷卻介質(zhì)流可以單股液流或合成一股液流排出。但是，也可能為如下情況，即至少有一條冷卻回路是閉合回路，其一端與待冷卻的二氧化碳進(jìn)行熱交換，另一端與被加熱的工藝流程物流或一種能量轉(zhuǎn)換介質(zhì)熱交換。
一種特別合適的冷卻介質(zhì)是液態(tài)氨，因?yàn)榘笔呛铣赡蛩氐囊环N原料，制造過程中所需的部分熱量最好通過預(yù)熱氨而得到。若用液態(tài)氨作冷卻介質(zhì)，應(yīng)使氨在尿素合成壓力下引進(jìn)，若如此要求，則先加較高的壓力，再與經(jīng)壓縮的氣態(tài)二氧化碳進(jìn)行熱交換。由于熱交換的結(jié)果，氨將全部蒸發(fā)或部分蒸發(fā)，這取決于二氧化碳壓縮機(jī)中液態(tài)氨的加入溫度和狀態(tài)。接著，最好將加熱過的氨流全部或部分送入冷凝區(qū)，在該區(qū)凝聚的氣態(tài)氨和氣態(tài)二氧化碳不會生成尿素。在熱交換過程中，由于液態(tài)氨吸收了熱量，從而全部或部分變成氣相，在該區(qū)能釋放大量的熱，例如，能生成大量的低壓蒸氣或生成一種壓力較高的低壓蒸氣。
在各加壓工序中釋放的熱量也能用鍋爐給水(作冷卻介質(zhì))回收，在此過程中，水可變成低壓蒸氣。
該冷卻回路用水作冷卻介質(zhì)(水中可加或不加降蒸氣壓的試劑)，或用至少含一種高沸點(diǎn)化合物的液體作冷卻介質(zhì)，也能非常方便地回收釋放的熱量，這對于采用閉合冷卻回路時(shí)尤其是這樣。在該閉合回路中，也能用含氟和/或含氯的鏈烷烴類物質(zhì)作冷卻介質(zhì)。
將作為降蒸氣壓試劑的二元醇類，如1，2-亞乙基二醇、丙二醇，例如加到水中，結(jié)果在熱交換過程中，冷卻介質(zhì)的壓力會低于經(jīng)壓縮的二氧化碳的壓力。由于冷卻介質(zhì)的蒸氣壓降低，無論在何種情況下(即使在發(fā)生滲漏的情況下)，均可防止二氧化碳與冷卻介質(zhì)混雜。
合適的高沸點(diǎn)化合物(該化合物能用來帶走壓縮過程釋放的熱量)可以是環(huán)氧四氟乙烷聚合物等。這些化合物其沸點(diǎn)高達(dá)490℃，已知其商品名稱為“氟利昂E”。此外，在熱交換中，能用作冷卻劑的合適的低沸點(diǎn)含氟和含氯鏈烷烴是，例如，CCl3F、CCl2F2、CClF3、CHClF2、C2Cl3F3、C2Cl2F4、C2ClF5。若閉合回路中循環(huán)的冷卻介質(zhì)不能全部吸收壓縮過程釋放的熱量，例如二氧化碳的溫度比較高，則可用冷卻水使二氧化碳的溫度進(jìn)一步降到下一級壓縮所要的進(jìn)氣溫度。
吸收的熱量可全部或部分用于如下幾方面
a、生成機(jī)械能，
b、生成電能，
c、加熱和/或蒸發(fā)液態(tài)氨，
d、加熱和/或分解甲氨酸鹽，
e、蒸發(fā)尿素溶液和/或，
f、進(jìn)一步處理中間冷凝物和/或合成尿素得到的廢液流。
當(dāng)然，在回收壓縮所釋放的熱量時(shí)，可能至少采用兩個獨(dú)立的冷卻回路，因而可能至少采用兩種不同的冷卻劑。
現(xiàn)在，將通過附圖和實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，然而，它們并非來用限制本發(fā)明。
圖1中的示意圖說明，在四級壓縮機(jī)中壓縮二氧化碳，壓縮過程釋放的熱量是通過氨帶走的。
1、2、3和4表示四級壓縮機(jī)的四個加壓工序。在加壓工序1中，二氧化碳(通常還含有少量含氧的氣體，以使尿素合成設(shè)備中所用的結(jié)構(gòu)材料保持鈍態(tài))，被壓至壓力為5巴左右。在2、3和4加壓工序中，二氧化碳的壓力分別增加到約20、80和高于120巴，例如，約160巴。5、6和7均表示冷卻區(qū)，在各加壓工序中經(jīng)壓縮的氣態(tài)二氧化碳在這些冷卻區(qū)中冷卻。液態(tài)氨從貯器9經(jīng)過10通到泵11，用泵11使液態(tài)氨的壓力加到至少為125巴，例如，約160巴。由泵11壓出的液流12分成三股單獨(dú)的液流13、14和15。每股液流都通到分別屬于一個加壓工序的一個冷卻區(qū)，液流13通到冷卻區(qū)5，液流14通到冷卻區(qū)6，液流15通到冷卻區(qū)7。若如此要求的話，可將液態(tài)氨通過另一股液流16，直接送到尿素制造設(shè)備的高壓冷凝區(qū)(該區(qū)未畫出)。經(jīng)各加壓工序壓縮后，各冷卻區(qū)中二氧化碳的冷卻程度取決于每單位時(shí)間流經(jīng)冷卻區(qū)的冷卻介質(zhì)的量，以及經(jīng)壓縮的二氧化碳和冷卻劑之間的溫度差。通過控制冷卻劑的量和/或其溫度，可調(diào)節(jié)二氧化碳的冷卻程度，二氧化碳的冷卻程度取決于下一個加壓工序中所需要的進(jìn)氣溫度。由于熱交換，氨發(fā)生完全蒸發(fā)或局部蒸發(fā)。經(jīng)熱交換以后，分開的液流13、14和15合并成液流17，然后，該液流17通到未畫出的高壓冷凝區(qū)。合成尿素的汽提過程中得到的氣體混合物在該區(qū)冷凝，釋放的熱量用于生成低壓(如3-5巴)蒸氣，然后該低壓蒸氣可用于別的工序。由于熱交換而使氨的熱含量增加，與至今常用的方法相比，該方法可生成大量低壓蒸氣。
在尿素制造設(shè)備啟動過程中，為使氨通過冷卻器19返回貯器9，設(shè)置了管道18。
圖2是一種實(shí)施方案的示意圖，該方法用加壓水帶走壓縮產(chǎn)生的熱量。圖中采用與圖1相應(yīng)的參考數(shù)字表示相同的設(shè)備和液流。用20、23和26表示冷卻回路;用21、24和27表示泵;22、25和28表示熱交換器。在加壓工序1、2和3中，壓縮釋放的熱量是被回路20、23和26中用泵21、24和27進(jìn)行循環(huán)的水帶走的，在冷卻區(qū)5、6和7中被水吸收的熱量在熱交換器22、25和28中轉(zhuǎn)移給液態(tài)氨，液態(tài)氨是從貯器9流出，以平行流方式經(jīng)13、14和15，通過各自的熱交換器22、25和28。在該工序中，氨全部或部分蒸發(fā)。然后在尿素合成的高壓冷凝區(qū)中用轉(zhuǎn)移給氨的熱量生成低壓蒸氣。
實(shí)例1
在制造工業(yè)級尿素時(shí)，按圖1所示的方法，在一個四級離心式壓縮機(jī)中壓縮氣態(tài)二氧化碳。每生產(chǎn)一噸尿素，在壓縮機(jī)中加入774.8千克的氣體混合物，該氣體混合物含有744.9千克CO2、31.86千克N2和7.52千克O2。最初的三級加壓工序中釋放的熱量是通過一部分合成尿素所需的液態(tài)氨帶走的，氣態(tài)二氧化碳被冷卻至75℃。
分成三股平行液流的液態(tài)氨，其溫度為40℃，壓力為156.9巴。各條平行的氨液流分別流徑最初三級加壓工序的各個中間冷卻器。從各中間冷卻器流出的氨，其溫度為160℃。下列的表1列出了各加壓工序中，氣態(tài)二氧化碳的壓力和溫度，氨的量以及待帶走的熱量。
表Ⅰ

從中間冷卻器流出的氨通入合成尿素的高壓甲氨酸鹽冷凝區(qū)，并加入冷凝的汽提氣體中。
由于氨中所含的熱量較高，所以，在該區(qū)中，每噸尿素能額外生成171千克壓力為4.5巴的低壓蒸氣。
實(shí)例2
按實(shí)例1所述的方法，壓縮含有與例1相同組分的含二氧化碳的氣體混合物。用部分尿素合成中所需的液態(tài)氨帶走釋放的熱量，該液態(tài)氨的溫度為70℃，壓力為156.9巴。將流徑最初三級加壓工序的各中間冷卻器的各條平行液流(共三條)逆流通入待冷卻的氣態(tài)二氧化碳中。將氣態(tài)二氧化碳冷至90℃，而氨加熱至170℃。
表Ⅱ列出各級加壓工序中氣態(tài)二氧化碳的壓力和溫度、氨的量以及待帶走的熱量。
表Ⅱ

從各中間冷卻器流出的氨被送入汽提氣體中，該氣體在尿素合成的高壓冷凝區(qū)中冷凝。
由于額外釋放大量的熱，生產(chǎn)每噸尿素能額外得到161千克壓力為4.5巴的低壓蒸氣。
實(shí)例3
在一個四級壓縮機(jī)中壓縮含二氧化碳的氣體混合物，該氣體混合物的組成與實(shí)例1相同，同時(shí)按圖2所示方法帶走壓縮產(chǎn)生的熱量。在最初三級加壓工序中，用水帶走釋放的熱量。為此，每生產(chǎn)一噸尿素，在壓力為6.2巴下的冷卻回路20中要通入212千克的水，在壓力為15.5巴的冷卻回路23和26中，應(yīng)分別通入245千克和276千克水。由于冷卻區(qū)5、6和7中的水吸收了熱量，結(jié)果在回路20中，水的溫度可從80℃升至160℃，在回路23和26中，水的溫度可從80℃升至200℃。被水吸收的熱量可轉(zhuǎn)移給液態(tài)氨，該液態(tài)氨在壓力為156.9巴和溫度為70℃下，以平流方式，通過熱交換器22、25和28。為此，每生產(chǎn)一噸尿素，流經(jīng)液流管道13、14和15的氨分別為118、131和148千克。這些氨加起來相當(dāng)于制造尿素所需的氨總量的70%左右。氨吸熱后全部蒸發(fā)。13、14和15三股液流合并成一股液流17后，氣態(tài)氨的溫度為167℃。氨在高壓冷凝區(qū)中，可與汽提過程中得到的氣體混合物一起冷凝，每噸尿素可額外回收161千克壓力為4.5巴的低壓蒸氣。
權(quán)利要求
1、用二氧化碳和氨制造尿素的方法，該方法分多級壓縮二氧化碳以達(dá)到生成尿素的壓力，在各級壓縮之間，使二氧化碳冷卻并使尿素合成溶液加工成一種尿素水溶液或尿素固體，該方法特征為在加壓工序間釋放的熱量，至少一部分被一種冷卻介質(zhì)所帶走，帶走的熱量又可用于需要熱量的別的工序中。
2、按權(quán)利要求
1的方法，其特征為在加壓工序間，用多股平行流動的冷卻介質(zhì)冷卻二氧化碳。
3、按權(quán)利要求
1的方法，其特征為在加壓工序間，以多個獨(dú)立的冷卻回路冷卻二氧化碳。
4、按權(quán)利要求
3的方法，其特征為各冷卻回路的冷卻介質(zhì)流是由一條共有的主流道獲得的。
5、按權(quán)利要求
3的方法，其特征為至少一個獨(dú)立的冷卻回路是閉合回路，該回路在在一端與待冷卻的二氧化碳熱交換，另一端與待加熱的一種工藝過程物流或一種能量轉(zhuǎn)移介質(zhì)進(jìn)行熱交換。
6、按權(quán)利要求
3的方法，其特征為至少一個閉合回路所用的冷卻介質(zhì)是水，水中可含有一種降蒸氣壓的試劑或含一種液體，該液體至少由一種高沸點(diǎn)化合物組成。
7、按權(quán)利要求
3的方法，其特征為至少一個密閉回路用含氟和/或含氯鏈烷烴作冷卻介質(zhì)。
8、按權(quán)利要求
1的方法，其特征為在加壓工序間待帶走的熱量中，至少一部分可用于加熱一種經(jīng)壓縮的氨液流。
9、按權(quán)利要求
8的方法，其特征為至少部分加熱過的氨流被送入冷凝的氣態(tài)氨和二氧化碳不會轉(zhuǎn)變成尿素的區(qū)域。
10、用二氧化碳和氨制造尿素的方法，其中該方法以多級壓縮二氧化碳以達(dá)到生成尿素的壓力，二氧化碳可由附圖和實(shí)例中所敘述和說明的方法，在加壓工序間受到冷卻。
11、按上述權(quán)利要求
的任何一項(xiàng)或幾項(xiàng)所述的方法制造尿素溶液和固體尿素。
勘誤表
CPCH866061
文件名稱 頁 行 補(bǔ)正前 補(bǔ)正后
說明書 7 10 744.9 734.9
專利摘要
用二氧化碳和氨制造尿素的方法，該方法中，二氧化碳經(jīng)多級壓縮而達(dá)到生成尿素的壓力，在各級壓縮間，二氧化碳受到冷卻。將尿素合成溶液加工成一種尿素水溶液或尿素固體。在各級加壓工序間釋放的熱量，至少一部分被一種冷卻介質(zhì)所帶走，帶走的熱量又可用于需要熱量的別的工序中。在加壓工序間，二氧化碳可由提供的冷卻介質(zhì)平流冷卻或由多個獨(dú)立的冷卻回路冷卻。
文檔編號C07C273/00GK86101228SQ86101228
公開日1986年10月22日 申請日期1986年3月2日
發(fā)明者皮特勒斯·約翰尼斯·瑪麗·范納索, 安德烈亞斯·約翰尼斯·比爾曼斯, 馬里奧·古斯塔夫·曼杰·蒂利·德庫克 申請人:烏尼范公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan