專(zhuān)利名稱(chēng)：從氨和二氧化碳合成尿素的方法及其生產(chǎn)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用氨和二氧化碳作為原料制備尿素的方法。該發(fā)明也涉及對(duì)實(shí)施該方法特別有用的反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
已知從氨和二氧化碳合成尿素是經(jīng)過(guò)氨基甲酸鹽(carbamate)的制備，因此需要使尿素與反應(yīng)混合物分離，并將未反應(yīng)的氨基甲酸鹽返回到尿素合成反應(yīng)器。
典型的尿素合成是在氨基甲酸鹽溶液存在下，用液態(tài)氨和氣態(tài)二氧化碳進(jìn)行反應(yīng)，壓力為120×102-400×102KPa，溫度為150-220℃，其中反應(yīng)劑和返回的氨基甲酸鹽溶液順流從反應(yīng)器底部注入，而帶有氨基甲酸鹽的尿素和過(guò)量反應(yīng)劑從反應(yīng)器頂部回收，隨后進(jìn)行處理以分離尿素。
反應(yīng)劑順流給入反應(yīng)器的方法有幾個(gè)缺點(diǎn)，原因都是降低反應(yīng)產(chǎn)率。實(shí)際上，因?yàn)橐簯B(tài)氨和氣態(tài)二氧化碳生成尿素，而由液態(tài)氨、氣態(tài)二氧化碳和返回的氨基甲酸鹽溶液組成的起始反應(yīng)混合物密度，朝著反應(yīng)器頂部方向增加。這種尿素生成作用阻礙反應(yīng)混合物的上升，并促進(jìn)反混產(chǎn)生，對(duì)反應(yīng)產(chǎn)率有不利影響。此外，由于尿素生成造成的反應(yīng)劑濃度降低，就不能使最終反應(yīng)階段尿素產(chǎn)率增加。必須考慮到作為反應(yīng)劑的CO2給料含有一定量的惰性氣體，應(yīng)該將其除去。因順流操作，整個(gè)反應(yīng)器都會(huì)存在CO2和NH3飽和的氣相，這種氣相會(huì)達(dá)到反應(yīng)器頂部，且因?yàn)榇薈O2不參加反應(yīng)，CO2濃度越高反而使反應(yīng)效率越低。
發(fā)明公開(kāi)現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的，且作為本發(fā)明第一個(gè)目的是，一種從CO2和NH3開(kāi)始制備尿素的方法，它不存在上述先有技術(shù)方法的缺點(diǎn)。本發(fā)明另一個(gè)目的是，本發(fā)明方法可以有效采用的一種反應(yīng)器。要達(dá)到本發(fā)明的這些目的，采用的尿素合成方法是從氨和二氧化碳開(kāi)始，在壓力為120×102-400×102KPa和溫度為140-215℃條件下在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，其中氣態(tài)CO2在反應(yīng)器底部給入，而液態(tài)氨和返回的氨基甲酸鹽水溶液是從反應(yīng)器頂部給入，并沿反應(yīng)器下降，與上升的CO2逆流接觸。反應(yīng)器的行為類(lèi)似于吸附塔。該反應(yīng)器優(yōu)選安裝有促進(jìn)下降液相和上升氣相良好混合的器件，該器件由充填型材料或類(lèi)似于蒸餾塔盤(pán)的裝置組成。更優(yōu)選，液體-蒸氣接觸促進(jìn)器由沿反應(yīng)器軸排列的基本上是圓筒型的底開(kāi)口盤(pán)組成，該盤(pán)其側(cè)面設(shè)置孔或開(kāi)口使液體通過(guò)，而上底面由網(wǎng)或多孔板組成，使氣態(tài)CO2在克服下降液體密封壓力后向上升。
由氨和氨基甲酸鹽水溶液組成的液態(tài)反應(yīng)劑，可以通過(guò)反應(yīng)器上部單一管線，或通過(guò)分開(kāi)管線給入反應(yīng)器。后一情況，氨基甲酸鹽優(yōu)選在比液態(tài)氨低的位置給入，液態(tài)氨在反應(yīng)器上部可行位置給入。
根據(jù)本發(fā)明的方法，其中反應(yīng)是在一反應(yīng)器中進(jìn)行，其中氣態(tài)反應(yīng)劑對(duì)液態(tài)反應(yīng)劑逆流給入，具有以下超過(guò)常規(guī)方法的優(yōu)點(diǎn)-CO2是最輕相，向上升到反應(yīng)器頂部，而NH3和氨基甲酸鹽混合物是最重相，且因尿素生成有增加其密度的傾向，向下降到反應(yīng)器底部，因此避免產(chǎn)生所不希望反混的任何風(fēng)險(xiǎn)；-反應(yīng)總是在存在過(guò)量任一種反應(yīng)劑的條件下進(jìn)行，因此相對(duì)產(chǎn)率增加。實(shí)際上，逆流操作使同過(guò)量氨的反應(yīng)在反應(yīng)器上部進(jìn)行；同過(guò)量CO2的反應(yīng)在反應(yīng)器下部進(jìn)行，CO2是另一種反應(yīng)劑。與順流進(jìn)行的同樣反應(yīng)比較，尿素合成反應(yīng)的反應(yīng)平衡更多地向產(chǎn)物方向移動(dòng)；-因?yàn)椋缟纤鯟O2往往含有一定量惰性氣體，后者在反應(yīng)器上部積累，應(yīng)當(dāng)由此除去，為了提高反應(yīng)產(chǎn)率，CO2中惰性氣體濃度應(yīng)當(dāng)降低到盡可能低的水平。通過(guò)逆流操作，反應(yīng)器上部存在富氨液相，或甚至只含液態(tài)氨的液相，以致可能得到實(shí)際上不存在CO2的氨飽和惰性氣體混合物；-根據(jù)本發(fā)明，方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)器底部存在最大濃度CO2和最大系統(tǒng)壓力，因此，促進(jìn)其與溶液中尚存游離氨的反應(yīng)，由于反應(yīng)提高溶液溫度，尿素合成反應(yīng)再次得到促進(jìn)。
為了更好地實(shí)施逆流方法，反應(yīng)器可以安裝改進(jìn)下降液相和上升氣相密切接觸的器件。反應(yīng)器可以設(shè)置迫使液相和氣相經(jīng)過(guò)固定通道的內(nèi)部裝置，該裝置可以是充填型材料或折流板。
發(fā)明和附圖詳述參考附圖，就會(huì)更好的理解本發(fā)明，發(fā)明本身具體實(shí)施方案的如下說(shuō)明，使其優(yōu)點(diǎn)更清晰；總之，不應(yīng)該將該說(shuō)明和圖視為限制本發(fā)明的范圍。


圖1是實(shí)施本發(fā)明方法有用的反應(yīng)器示意圖。
圖2詳細(xì)描繪置于反應(yīng)器內(nèi)部，為改善本發(fā)明方法逆流操作的優(yōu)選裝置。
圖1中反應(yīng)器1包括一個(gè)豎直塔，根據(jù)進(jìn)行尿素合成工藝實(shí)踐該塔可以在高壓和高溫條件下操作。壓力和溫度值可以分別為120×102-140×102KPa和140-220℃。反應(yīng)器的體積要允許有足夠反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行尿素合成反應(yīng)。反應(yīng)時(shí)間取決于操作工藝條件，可以?xún)?yōu)選為15-90分鐘。CO2會(huì)包含少量不進(jìn)行反應(yīng)的氣體，如H2、N2、O2、CH4、CO、A，下文稱(chēng)作惰性氣體，經(jīng)管線2給入反應(yīng)器1的下部，管線2與獲得溶液3的出口距離，要容許溶液3與其中溶解的大部分氣體分離，并在反應(yīng)器底部上方湍流區(qū)完成尿素生成反應(yīng)。返回的氨基甲酸鹽溶液經(jīng)管線4給入反應(yīng)器上部。在比管線4更高的位置，經(jīng)管線5給入液態(tài)氨，管線5所處位置與氨基甲酸鹽進(jìn)口管線4的距離，要容許液態(tài)氨吸收惰性氣體所含大部分CO2，以便獲得實(shí)際上不含CO2的氣體混合物。在反應(yīng)器頂部裝有液位控制裝置6，其調(diào)節(jié)閥作用于反應(yīng)器底部出來(lái)的尿素溶液，并維持反應(yīng)器頂部液位，以保持溶液在反應(yīng)器內(nèi)部有足夠停留時(shí)間來(lái)生成尿素。在液封以上反應(yīng)器較高部分7，被從液相分離出的主要氨飽和惰性氣體所占據(jù)。這種氣相，經(jīng)裝在反應(yīng)器1頂部的壓力控制裝置9驅(qū)動(dòng)的壓力調(diào)節(jié)閥8，由反應(yīng)器排出，以保持所要求的操作條件。
因此，經(jīng)管線4進(jìn)入反應(yīng)器的液體靠重力沿箭頭10方向下移，而經(jīng)管線5給入的氨，同沿箭頭11向反應(yīng)器頂部移動(dòng)的，帶有惰性氣體的殘余CO2起反應(yīng)。液體沿反應(yīng)器下降過(guò)程，開(kāi)始生成尿素，游離氨則遇到濃度不斷提高的CO2，同時(shí)反應(yīng)熱使溶液加熱，因此促進(jìn)尿素合成反應(yīng)。
裝置12裝在反應(yīng)器內(nèi)部，改善下移液體和上升氣體之間的接觸。
圖2描繪一個(gè)裝置局部截面透視圖，該裝置特別適合于保證根據(jù)本發(fā)明方法在圖1反應(yīng)器1中實(shí)現(xiàn)逆流。
圖2中相應(yīng)于圖1的元件，由相同數(shù)字代號(hào)表示。圖2的裝置下文就稱(chēng)作“盤(pán)”。
如圖2所示，圓筒型盤(pán)12其底直徑相當(dāng)于反應(yīng)器或塔1內(nèi)徑的80-90％。圓筒型盤(pán)高度典型地要小于底直徑，但也要為至少250mm?？抗潭ㄔ诜磻?yīng)器或塔1內(nèi)壁上的板16，盤(pán)12保持其位置。盤(pán)12的圓筒部分設(shè)置許多孔14，液相穿過(guò)這些孔下移，而氣相則穿過(guò)盤(pán)12有孔水平部分15。穿孔的或包括適當(dāng)尺寸網(wǎng)的水平板15，會(huì)改善上升氣相17和下降液相18之間的分離。
減小成小氣泡的氣相，再分散到鋪在盤(pán)12上的液相中繼續(xù)上移，而液相通過(guò)反應(yīng)器內(nèi)壁和盤(pán)圓形邊緣之間空間下降，并經(jīng)側(cè)孔降到盤(pán)下邊的部分繼續(xù)下移。
實(shí)例下文列舉，本發(fā)明尿素合成法有關(guān)數(shù)據(jù)，并與常規(guī)順流尿素合成法有關(guān)數(shù)據(jù)比較。
以下反應(yīng)器操作條件對(duì)兩種情況是一樣的。
尿素產(chǎn)量1000t/d= 41667k/h反應(yīng)器頂部壓力=150×102KPa反應(yīng)器底部壓力=156×102KPaNH3/CO2摩爾比=3.5H2O/CO2=0.6在上述條件下獲得如下結(jié)果順流 逆流出口溫度 189 ℃ 192產(chǎn)率 62.70％67.89％產(chǎn)物組分NH342285kg/h 33.40％(重量) 37257kg/h 31.83％(重量)CO218173“ 14.36“ 14455“12.36“H2O24461“ 19.32“ 23531“20.16“尿素41667“ 32.92“ 41667“35.69“總計(jì)126586“ 100.00“ 116927“ 100.00“返回的氨基甲酸酯+NH3NH365896“ 68.62“ 60868“70.47“CO218173“ 18.62“ 14455“16.73“H2O11961“ 12.46“ 11048“12.80“總計(jì)96030“ 100.00“86371“100.00“以上表明，逆流生產(chǎn)方法達(dá)到較高產(chǎn)率，其中從反應(yīng)器底部出來(lái)的溶液承受較高壓力，且CO2分壓高改善其與殘余液態(tài)氨的反應(yīng)。
顯然，這種有利效果，在所有流體均向反應(yīng)器頂部移動(dòng)的方法中是得不到的。因此，重要的是強(qiáng)調(diào)，用本發(fā)明方法和設(shè)備獲得的較高產(chǎn)率也包含巨大優(yōu)點(diǎn)是，要返回的氨基甲酸鹽產(chǎn)率較低，上述實(shí)例中總計(jì)降低了10％以上，使能量節(jié)省并使該方法總體經(jīng)濟(jì)效益更好。
權(quán)利要求
1．一種從氨和二氧化碳開(kāi)始的尿素合成方法，在壓力為120×102-400×102KPa和溫度為140-215℃條件下進(jìn)行，其特征在于在一種反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，其中氣體CO2在反應(yīng)器底部給入，而液態(tài)氨和返回的氨基甲酸銨水溶液從反應(yīng)器頂部給入，并沿反應(yīng)器下降，與上升的氣態(tài)CO2逆流接觸。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的尿素合成方法，其特征在于氨和氨基甲酸銨溶液在不同高度分開(kāi)給入反應(yīng)器，氨在比氨基甲酸鹽溶液更高的高度給入。
3．用于實(shí)施權(quán)利要求1方法的反應(yīng)器，其特征在于它的形狀為一豎直塔，其下部有一進(jìn)口(2)用于給入可能含有惰性氣體的氣態(tài)二氧化碳，位于反應(yīng)器上部的進(jìn)口(5)用于給入氨，和位于反應(yīng)器上部的進(jìn)口(4)用于給入氨基甲酸銨溶液，但進(jìn)口(4)的位置低于氨給料進(jìn)口，出口管線(3)是尿素產(chǎn)品出路，和出口(8)是惰性氣體出路，該反應(yīng)器裝有保證下降液相和上升二氧化碳逆流接觸的器件。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的反應(yīng)器，其特征在于它裝有液位控制器(6)，作用于反應(yīng)器底部尿素溶液出口，以便使液相在反應(yīng)器內(nèi)保持足夠時(shí)間來(lái)完成反應(yīng)。
5．根據(jù)權(quán)利要求3和4的反應(yīng)器，其特征在于保證逆流接觸的器件，選自填充材料和分隔反應(yīng)器內(nèi)部容積的折流板。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的反應(yīng)器，其特征在于逆流接觸促進(jìn)器是由沿反應(yīng)器軸排列的基本上是圓筒形底開(kāi)口盤(pán)(12)組成，該盤(pán)其側(cè)表面設(shè)置孔或開(kāi)口使液體通過(guò)，而上底面包括網(wǎng)或穿孔板，使氣態(tài)CO2克服下降液體封閉壓力后上升。
全文摘要
一種從氨和二氧化碳開(kāi)始的尿素合成方法,是在壓力為120×10
文檔編號(hào)B01J10/00GK1231657SQ97198138
公開(kāi)日1999年10月13日 申請(qǐng)日期1997年7月22日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月23日
發(fā)明者V·拉加納 申請(qǐng)人:西爾特克-尼吉有限公司