[发明专利]高能效的尿素生产方法

说明书

本发明涉及尿素的生产，特别是由氨和二氧化碳作起始原料的高能效的尿素合成方法。

在熟知的工艺中，工业上的尿素生产过程主要是基于在高温(例如175-250℃)、高压(例如12-25MPa)下，由氨和二氧化碳合成氨基甲酸铵，上述反应是按照下列放热反应进行的：

        然后，在同一反应段内并在同样的条件下按照下列吸热反应脱水成尿素：

这一反应与氨基甲酸铵的形成是连续进行的。

然而，在所述条件下，第一步反应很快并且有强烈地向右移动的倾向，而氨基甲酸铵的脱水反应很慢，并且为部分向右移动。氨基甲酸铵向尿素转变的程度取决于所规定的操作条件，在反应器中的停留时间以及氨对于氨和二氧化碳之间化学计量比的过量情况。

为了获得较高的尿素转化率并限止其它有害副产品如缩二脲及其同系物的形成，在工业生产过程中反应段内NH₃/CO₂的摩尔比维持在2.5～5之间。

于合成段所得的流出物，实际上包括有尿素溶液，水，未转化的氨基甲酸铵以及游离氨。

含于所述流出物中的游离氨以及氨基甲酸铵必须分离出来，并循环进入合成段使之全部转变为尿素，使得从工厂车间排放的实际上仅仅是按照下列总反应式进行反应的产品尿素和其化学计量的水：

根据该反应式，氨基甲酸铵脱水时，每一摩尔的尿素伴随着有一摩尔水的生成。在某些成功的工业方法中，如以Snamprogetti各义登记注册的英国专利GB2087381以及以Montedison名义登记注册的美国专利4208347等，已开始对未转化的氨基甲酸铵实施最初的回收工作，在同样压力条件下，在用作为合成器的初级分解器中通过热流质(通常是采用中等压力的蒸气)的热传递来加热溶液，使部分未转化的氨基甲酸铵热分解成尿素，并释放出部分溶解的游离氨，较好地是在一个垂直的热交换器中进行，这样尿素溶液作为薄膜形式流动，以利两相之间的质量传递(mass transfes)。

利用气态的氨气流注入初级分解器的底部可任意地使氨基甲酸铵的分解更加顺利。此外，流出物中含有的过量的氨可以被用作自身反萃剂。

在这些方法中包括具有相同压力下的初级分解步骤作为合成反应，氨基甲酸铵分解所产生的蒸汽通常进入合成段进行再循环利用。该循环既可以直接在气相中进行以维持反应器的热能量，也可分别地回收部分产生自于分解器中气相冷凝放出的热量，并制造出可供工厂立间其它工序使用的蒸气，然后向反应器中注入作为混合相的循环气流。

从这个初级分解步骤中，得至了尿素溶液，其含有降低量的氨基甲酸铵以及过量的游离氨。

在以Montedison名义登记注册的欧洲专利98396中提出了初级氨基甲酸铵分解步骤之后过量氨的除去步骤，该步骤是在相同压力下作为合成段进行的，其包括在一个薄膜交换器中用二氧化碳气流进行逆流汽提，利用限于管束上部的蒸汽的冷凝同时供给交换器的壳层热量。因此在管束下部的操作是在绝热条件下进行的。然而，从本项专利的描述中暴露出这样一个问题，即残留游离氨除去过程所需的绝热部分造成尿素溶液中残留的氨基甲酸铵的含量升高，从而严重影响了随后的工序，使之不得不在能量不充足的情况下回收氨基甲酸铵，因而大大增加了能耗。

在Stamicarbon名义登记注册的欧洲专利213669中提出离开反应段，在反应压力下用部分注入的二氧化碳对尿素溶液进行绝热反萃取，而不对其进行初级热分解处理。但这种处理仅限于流出物的一小部分(30-50％)，对大部分(50-70％)流出物还需使用外部的热量供应，用二氧化碳进行常规的反萃取。

在这个过程中，仅有少部分可以进入随后的氨基甲酸铵中压分解步骤，在易控制的温度水平下回收的冷凝热量也仅能用于这一小部分，大部分则直接进入低压热分解步骤，在这里大部分流出物冷凝释放出的热量须在一个较低的温度下进行回收，而这样的温度在工厂生产中是不易获得的，必须用冷凝水进行处理，从而增加了整个生产过程中的能耗。这种通过以正确地保持那些沿着各自途径流动的平行气流的分割的办法也是很难实施的。