專利名稱：一種新的尿素合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種尿素合成方法,M地說是對傳統(tǒng)尿素合成系統(tǒng)的改進(jìn)方法。
背景技術(shù)：
尿素的合成^^應(yīng)分為兩步首先是液氨和氣體二氧化碳的合成反應(yīng)生成液體 氨基曱酸銨(一般簡稱曱銨)，其反應(yīng)式為
2NH3(液)+C02(氣戶NH4COONH2 (液) 隨后是氨基甲酸銨脫水生成水和尿素，其反應(yīng)式為
NH4COONH2 (液)CO(NH2)2(液)+H20(液) 眾所周知，第一步的合成反應(yīng)纟睹易完成，反應(yīng)條件相對要求不高，而第二 步脫水反應(yīng)則必須在高壓的合成塔中完成，并且需要足夠的停留時間予以保證。 現(xiàn)有的尿素合成系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)高的尿素生產(chǎn)效率，即高的二氧化碳轉(zhuǎn)化率， 普遍采用的方法有
1、 ft^應(yīng)物料在高壓條件下盡可能地停留時間加長，通#尿素合成塔的周 圍增加高壓設(shè)備(汽提器、冷凝器、分離器等)，加大循環(huán)流程，加大各種反應(yīng) 物和反應(yīng)生成物的接觸才幾會。例如CN1139669A，CN1180071A,CN1290693A, CN85106856A等專利。
2、 在合成塔內(nèi)部增加各種內(nèi)件，加強(qiáng)氣、液的^/^過程、防止液氣的返混。 例如CN2415033Y, CN2463044Y， CN1157581A, CN2522419Y， CN2675672Y, CN2698786Y等專利。
3、 改善物料iiA合成塔的條泮，使物料在合成塔內(nèi)的流動^f牛盡可能適應(yīng)于 尿素生成的要求。例如CN1224635，CN1157581等專利。
以上所述的各種工藝改進(jìn)和設(shè)備改進(jìn)，雖然各自獨立i械出了各自的觀點， 有些工藝方法互有借用，但一個共同之處就是，大家都認(rèn)識到，在反應(yīng)過程中， 盡量^^應(yīng)物之間加強(qiáng)擴(kuò)散，混合均勻，并JL^合成塔中停留期間，盡可能使整 個橫截面上的濃度、密度、溫度、流速均勻，這樣一方面可以保證^jS屯i,另 一方面可以防止氣液的分離，從而防止物料的返混，即防止可i^gjl的進(jìn)行， 最終保證較高的反應(yīng)效率，即高的二氧化碳轉(zhuǎn)化率。
實際上，在氨基甲酸銨合成及氨基曱酸銨脫7jc生成尿素的高壓條件下，液氣 的混合問題一直是人們追求的目標(biāo)，但也是一直困擾該項技術(shù)發(fā)展的瓶頸所在。 為了追求較高的尿素合成工藝的效率，人們不得不將重心放在了提高反應(yīng)壓力、 延長工藝流程、增加高壓設(shè)備以增加反應(yīng)物在高壓情況下的接觸機(jī)會和停留時間，
這一切均是建立以增加投資、提高運行和維護(hù)使用成本為代價。在合成塔中增加 各種內(nèi)件以提高物流的混合強(qiáng)度、P方止氣液分離、防止生成物的返混、氣液進(jìn)料 盡量均布，都對合成效率的提高起到了一定的作用，但都是非常有限的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)背景技術(shù)所述，本發(fā)明的主要內(nèi)容在于提供一種新的尿素合成方法，它 是在現(xiàn)有尿素合成塔的物料進(jìn)口處設(shè)置高壓液氣管式快速^^反應(yīng)器，將尿素合 成塔的功能進(jìn)行分解，使三種物料(氣t氧^f灰，液錢，液體甲銨)的混合 及反應(yīng)在高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器中徹底完成，而尿素合成i割又完成甲銨脫 水生成尿素的過程。將長期以來困拔尿素合成效率的很多問題徹底地予以解決。
在"fi^運行的系統(tǒng)中，僅增加一臺高壓設(shè)備，即高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器 (2),投資比起其它各種工藝流程來說要小得多，并且流程簡單，設(shè)備的維護(hù)使 用費用也很小。
本發(fā)明的尿素合成系統(tǒng)，主要由尿素合成塔(l)，高壓液氣管式快速混合 反應(yīng)器(2 )，液氨供應(yīng)系統(tǒng)(3 ) , 二氧化碳供應(yīng)系統(tǒng)(4 )和甲##應(yīng)系統(tǒng)(5 ) 組成。其中液氨供應(yīng)系統(tǒng)(3)由柱塞式液氨泵和供應(yīng)管路構(gòu)成，甲^#應(yīng)系統(tǒng) (5)由柱塞式曱銨泵和供應(yīng)管路構(gòu)成，二氧化碳供應(yīng)系統(tǒng)(4)由離心式二氧化 碳壓縮機(jī)和供應(yīng)管路構(gòu)成，尿素合成塔(1)是目前尿素合成工藝中廣泛使用的高 壓容器，高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器(2)是一種專利產(chǎn)品(專利申請?zhí)?200610065020.2 ),是本發(fā)明的核心設(shè)備，也是本發(fā)明能夠?qū)嵤┑那疤帷?br> 本發(fā)明尿素合成的具體流程如下
1、 將液體的氨和液體的甲銨在高壓液氣管式快速〉'^^反應(yīng)器中霧化成100 ~ 250jam的霧滴；
2、 然后與氣體二氧化碳混合成為均勻的兩相流；
3、 隨之進(jìn)入尿素合成塔，完成曱銨脫水生成尿素。
其中，物料的引入高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器的順序可做如下變化 方案l:將氣體二氧化碳與液氨引入高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器(2),使 氣體二氧化碳均勻地分布在液氨之中，然后在合成塔中再與液體的甲銨實現(xiàn)二次混合。
方案2:將氣體二氧化碳與液體的曱銨引入高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器 (2)，使氣體二氧化碳均勻地分布在液體的曱銨之中，然后在合成塔中再與液氨 實現(xiàn)二次混合。
方案3:將氣體二氧化碳與液體的甲銨及液氨同時引入高壓液氣管式快速混 合反應(yīng)器(2),使液體的氨和液體的甲銨和氣體二氧化碳混合成為均勻的兩相流 后在ii^尿素合成塔，徹底地解決液氣的混合問題。
如果將高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器(2 )安a尿素合成塔內(nèi)，就可以將它變?yōu)橐粋€低壓容器，但隨之而來，就需要對合成塔內(nèi)部進(jìn)行一定的改造。
目前，實際運行的水溶液全循環(huán)法尿素工藝(國內(nèi)大約有250套在運行)， 是將三種物料(液氨、液^J^曱酸銨、氣體二氧化碳)直接引4素合成塔中， 生產(chǎn)每。緣素所需的三種物料流量為波氨1333.75Kg (2.27M3)，液^tj^甲 酸銨1275.5Kg(1.16M3),氣體二氧化碳743.37Kg(1.71 M3)?？梢钥闯鋈绻麅H 用 一種液體介質(zhì)和氣體二氧^^混合，當(dāng)然應(yīng)該首選液氨；如果將兩種液體介質(zhì) 和氣體二氧化碳混合，所iiJij的效果最佳；提高反應(yīng)效率及二氧化碳轉(zhuǎn)化率的多 少，取決于參加混合的液體介質(zhì)的數(shù)量及種類。
作為典型情況，我們對采用方案3時的水溶液全循環(huán)法工藝流程的工藝##: 進(jìn)行以下描述。
通常情況下，對于生產(chǎn)每^^素來講，i^l素合成塔(1)的介質(zhì)錄為 從液氨泵(3 )來的液氨參數(shù)為壓力220Kg/cm2，流量1333. 75Kg，密度
587. 5Kg/m3，濃度訓(xùn)。
從二氧4城壓縮機(jī)來的氣^氧化碳#^:為壓力220Kg/cm2,流量743. 37Kg,
密度435Kg/W，其中:二氧化碳735.06 Kg,水0. 279 Kg,氧氣2，89Kg,氮氣5. 14Kg。
從曱銨泵來的液體甲銨參數(shù)為壓力220Kg/cm2,流量1275. 5Kg，密度 1100Kg/m3,其中尿素2. 5Kg， 二氧化碳437. 63 Kg,氨523. 84 Kg，水311.53Kg。 從尿素合成塔(1)頂部流出的物料參數(shù)為
尿素IOIO. 04Kg， 二氧化碳433.84Kg,液氨1286.73Kg, 水613.98Kg， 氧 氣2. 89 Kg,氮氣5. 14 Kg(
如果將三種物料經(jīng)過高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器(2 )的混合;s^應(yīng)，然后 進(jìn)入尿素合成塔(1),從尿素合成塔(1)頂部流出的物料參數(shù)為
尿素1027. 8-1045. 55Kg, 二氧化碳407. 8-420. 82Kg， 液氨 1266. 6-1276. 67Kg, 水619. 31-624， 63Kg, 氧氣2. 89Kg， 氮氣5.14 Kg。
比較兩種方法流程，安裝高壓液氣管式快速混洽反應(yīng)器(2)以后，從尿素合 成塔(1)流出的##:中,增加重量的有尿素(17. 76-35. 51 Kg)、水(5. 33-10.65 KgJ ,減少重量的有二氧化石友(13.02-26. 03 Kg)、液氨(10. 06-20. 13 Kg )， 重量沒有變化的有氧氣、氮氣。由于有效產(chǎn)品尿素的增加，提高了尿素合成塔 的使用效率，因此可以提高生產(chǎn)能力(1.76-3. 52%)。同時由于液氨的減少 (0.8-1.6%),降低了循環(huán)液氨的流量，因此也就降低了循環(huán)液氨泵的能耗。
由于高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器(2 )將it^v尿素合成塔(1)的三種物料 (氣體二氧化碳，液體氮，液體甲銨)變成為一種完全均勻的液氣混合物，使前 面所述的二氧化碳與液氨生成液體曱銨的化學(xué)^會很快完成，并放出大量的熱 量，使ii7v合成塔(1)的物料溫^本上很接近平衡溫度(185-188°C)，使整 個合成塔(1)的反應(yīng)^f牛十分類似于UT:〖等溫合成塔的條件。UTI等溫合成塔的 二氧化碳轉(zhuǎn)化率理論上可以iiJij 76%,采用本發(fā)明的方法二氧化碳理論轉(zhuǎn)化率可 以保證iiJij 70-72%。 j情況下，水溶液全循環(huán)法工藝流程的二氧化-炭轉(zhuǎn)化率運 衧值為63-68%,因此可以說，利用本發(fā)明的方法可以使二氧化破轉(zhuǎn)化率提高3~ 6%。在我們進(jìn)行的才對以實驗中，僅將氣體二氧化碳與液氨引入高壓液氣管式快速 混合反應(yīng)器(2),實施方案見附圖1，結(jié)果尿素合成塔(1)出口的二氧化碳轉(zhuǎn) 化率就提高了 4. 7%。在使部分氣體二氧化碳與液氨引入高壓液氣管式快速混合反 應(yīng)器(2 )后，尿素合成塔(1 )出口的二氧化碳轉(zhuǎn)化率提高.了 3. 2%。之所以可以使二氧化碳轉(zhuǎn)化率有如此幅度的提高，其主要原因有以下三點1、 在尿素合成塔(l)內(nèi)存在少量二氧化碳與液觸成液體曱銨的化學(xué)^， 而主要存在液體曱銨脫水生成尿素的分解反應(yīng)。這樣為該反應(yīng)從時間和空間上提 供了必要的保證。2、 由于將甲*成這一放熱反應(yīng)快速完成，在尿素合成塔(1)的底部一開 始就能保iiE^高的溫度，這就為甲銨脫水生成尿素這樣一個吸熱反應(yīng)提供了有利 的條件。3、 由于itA^素合成塔(1)內(nèi)的物料的溫度、密度、濃度、《ui4在整個塔 的橫截面上均是比較均勻的，因此避免了物料的返混和可逆反應(yīng)的發(fā)生。由于采用了上述凌支術(shù)方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和效杲1、 由于采用了高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器(2 )，可以在高壓情況下(20MPa) 使ifA^素合成塔的物料霧化成100 ~ 250 |i m的霧滴(而不是液滴)后和氣體二 氧化碳混合成為均勻的兩相流，成為一種完全均勻的液氣混合物，解決了塔內(nèi)的 混合問題。2、 由于itA合成塔的各種物料成為均勻的兩相^^，在整個合成塔的任一橫 截面上，反應(yīng)物、中間產(chǎn)物、生成物的流動速度、濃度、蒼沐密度和溫度非常均 勻的，氣液的分布也非常均勻，避免了液氣的密度差造成的返混問題并最大限度 阻止逆反應(yīng)的發(fā)生徹底地解決了物料的返混問題。3、 由于ii^合成塔的各種物料成為均勻的兩相誶u^， 4緣素合成塔內(nèi)的物料 混合過程和甲銨生成過程大大縮短，合成塔內(nèi)M上不再為物料的混合M應(yīng)付 出空間，將變成為真正的合成塔，所完成的任務(wù)M上只有氨基曱酸銨脫水生成 尿素的過程，徹底保證了氨基甲酸銨脫7jc生成尿素的時間和空間，使甲銨脫水生成尿素的過程大大延長，提高合成塔的反應(yīng)效率，最終提高二氧化碳的轉(zhuǎn)化率， 理論上可以提高3 ~ 6%，達(dá)到節(jié)能和提高產(chǎn)量的目的。4、 由于采用了高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器(2),就可以將尿素合成塔的 悉阡管口由三個減少為一個或二個，從而解決尿素造粒塔進(jìn)料口的開孔困難，減 小尿素合成塔的制造和維護(hù)使用成本。 5、 由于采用了高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器(2 )，徹底地解決了高壓情況 下的液氣^給問題，如果獻(xiàn)艮據(jù)尿素的合成*合理地設(shè)計出配套的尿素合成塔， 就有可能簡化目前"fi4使用的某些流程，減少高壓設(shè)備的數(shù)量，在實現(xiàn)相同二氧 化破轉(zhuǎn)化車的備件下，節(jié)省投資，減少整個工藝流程的維護(hù)使用成本。6、 由于采用了高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器(2),將反應(yīng)物料的混合和反 應(yīng)集中在這一關(guān)鍵的設(shè)備上，減少參數(shù)調(diào)節(jié)的數(shù)量和環(huán)節(jié)，從而容易⑩ij系統(tǒng)的 平衡和穩(wěn)定，便于操作和維持生產(chǎn)的長周期運行。


.圖1將氣體二氧化碳與液氨引入高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器(2)示意2將氣體二氧化碳與液體的甲銨引入高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器(2 ) 示意圖 、圖3將氣體二氧化碳與液體的甲銨及液氨同時引入高壓液氣管式快速混合反 應(yīng)器(2)圖4將氣體二氧化碳與液氨引入高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器(2)，而將 混合反應(yīng)器(2)安^合成塔內(nèi)，從而使》V給反應(yīng)器(2)變成一臺^f緣設(shè)備的 流程示意5將氣體二氧化碳與液體的曱銨引入高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器(2), 而將混合反應(yīng)器(2)安^合成塔內(nèi)，從而使混合反應(yīng)器(2)變成一臺^^設(shè) 備的流程示意6將氣體二氧化碳與液體的曱銨及液氨同時引入高壓液氣管式快速混合反 應(yīng)器(2 )，而將混合反應(yīng)器(2 )安M合成塔內(nèi)，從而使混合反應(yīng)器(2 )變成 一臺低壓設(shè)備的流程示意7為本發(fā)明的流程示意圖具體實施方式
由圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7示出，采用了高壓液氣管式快 速混合反應(yīng)器2，使i^A^素合成塔1的三種物料液體氨3，氣體二氧化碳4， 液體曱銨5或其中任意二種物料成為一種完全均勻的液氣混合物后再i4^合成 塔。高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器2，能夠?qū)⒁后w的氨和液體的曱銨單獨或同時 霧化成100 ~ 250 nm的霧滴(而不是液滴)后和氣體二氧化碳混合成為均勻的兩 相流，徹底地解決進(jìn)入合成塔的液氣混合問題，從而實現(xiàn)本發(fā)明的各項效果。高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器2通過法蘭21、法蘭ll、高壓金屬墊12與合 成塔l相聯(lián)接；通過法蘭23、法蘭31、高壓金屬墊32與液氨供應(yīng)管路3相聯(lián)接； 通過法蘭24、法蘭41、高壓金屬墊42與氣體二氧化碳供應(yīng)管路4相聯(lián)接；通過 法蘭25、法蘭51、高壓金屬墊52與液體甲銨供應(yīng)管路5相聯(lián)接。由于高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器2的混合效果對于壓力沒有限制，因此，
可以用于各種尿素合成工藝操作壓力^:。同時由于高壓液氣管式快速混合^器2的混合效果不受重力的影響，因此在安裝方位上、進(jìn)料方式上可以非常自由, 這樣無論是對老系統(tǒng)的改造或新系統(tǒng)的設(shè)計都提供了非常大的方便。
權(quán)利要求
1、一種新的尿素合成系統(tǒng)，主要由尿素合成塔(1)，高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器(2)，液氨供應(yīng)系統(tǒng)(3)，二氧化碳供應(yīng)系統(tǒng)(4)和甲銨供應(yīng)系統(tǒng)(5)組成，其特征在于尿素合成塔(1)的物料進(jìn)口處設(shè)置高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器(2)，液氨供應(yīng)系統(tǒng)(3)由柱塞式液氨泵和供應(yīng)管路構(gòu)成，甲銨供應(yīng)系統(tǒng)(5)由柱塞式甲銨泵和供應(yīng)管路構(gòu)成，二氧化碳供應(yīng)系統(tǒng)(4)由離心式二氧化碳壓縮機(jī)和供應(yīng)管路構(gòu)成。
2、 一種新的尿素合成方法，具體流程如下(1) 將液體的氨和液體的曱銨在高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器中霧化成 100 — 250jLim的霧滴； 、(2) 然后與氣體二氧化碳混合成為均勻的兩相流；(3 )隨之進(jìn)入尿素合成塔，完成曱銨脫水生成尿素。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所迷的尿素合成方法，其特征在于將氣體二氧化碳與液氨 引入高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器，使氣體二氧化碳均勻地分布在液氨之中， 然后在合成塔中再與液體的曱銨實現(xiàn)二次混合。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的尿素合成方法，其特征在于將氣體二氧化碳與液體 的甲銨引入高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器，使氣體二氧化碳均勻地分布在液 體的甲銨之中，然后在合成塔中再與液氨實現(xiàn)二次混合。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的尿素合成方法，其特征在于將氣體二氧化碳與液體 的甲銨及液氨同時引入高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器，使液體的氨和液體的 甲銨和氣體二氧化碳混合成為均勻的兩相流后再進(jìn)入尿素合成塔。
全文摘要
本發(fā)明提供一種新的尿素合成方法，在現(xiàn)有尿素合成塔的物料進(jìn)口處設(shè)置高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器，將液體的氨和液體的甲銨霧化成100～250μm的霧滴與氣體二氧化碳混合成為均勻的兩相流后再進(jìn)入尿素合成塔，完成甲銨脫水生成尿素。本發(fā)明從根本上改善了傳統(tǒng)的尿素合成流程。由于采用了高壓液氣管式快速混合反應(yīng)器，可保證在合成塔的任一橫截面上，反應(yīng)物、中間產(chǎn)物、生成物的濃度、密度、溫度都非常均勻，解決了物料的返混問題；同時縮短了反應(yīng)時間，使尿素合成塔中甲銨脫水生成尿素的時間和空間延長和加大，提高合成的效率，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率提高3～6％，達(dá)到節(jié)能和提高產(chǎn)量的效果。本發(fā)明的方法流程簡單，改造安裝費用低，節(jié)省投資，設(shè)備的維護(hù)使用費用低，適用于新系統(tǒng)的設(shè)計和老系統(tǒng)的改造，應(yīng)用前景廣闊。
文檔編號C07C273/04GK101148425SQ20061015297
公開日2008年3月26日 申請日期2006年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月22日
發(fā)明者劉孝弟, 崔曉蘭, 李兵科, 軍 王, 王文善 申請人:北京航天石化技術(shù)裝備工程公司