專利名稱：由脲定量生產氨的方法
技術領域：
本發明一般涉及生產氨的方法。本發明特別涉及將含水脲加入到反應器中以定量生產氨的方法。
背景技術：
已經有描述使用脲的含水混合物進行氣態氨的生產，其中脲的濃度至多為脲在水中的等摩爾濃度，典型地在40wt％～50wt％的濃度下。例如，參見Young美國專利No.5,252,308(1993年10月12日)，Cooper等人美國專利No.6,077,491(2000年6月20日)，和2001年9月12日提交的系列號為09/951,287的共同受讓的美國專利申請，這些文獻的各自公開內容在此引入作為參考。
共同發明人也描述了采用供給熔融脲進行氣態氨的生產。參見2001年9月12日提交的系列號為09/951,287的共同受讓的美國專利申請。
發明內容
所公開內容的一個方面是提供一種由脲定量生產氣態氨的方法。該方法包括如下步驟向反應器中加入含有至少77wt％脲的濃縮的含水脲，和向反應器中加入單獨補充的供給水，以形成含水脲反應混合物；加熱該含水脲反應混合物；和從反應器中抽出含有氨的氣相產物。
通過如下詳細描述，結合附圖和所附的權利要求，對本領域技術人員來說，更多的方面和優點是顯然的。雖然本發明易受各種形式的實施方案的影響，應理解，以下描述具體的實施方案所公開的內容是說明性的，而不是將本發明限制為在此所述的具體實施方案。
圖1說明以濃縮的脲溶液作為進料的工藝中能量的節省，以能量的節省對加入到反應器中的(包括含脲物流和水流如蒸汽注入)脲的重量百分比作圖，其中能量的節省以相對于使用40wt％脲作為進料時的脲水解反應器所要求的能量數量的百分比來表示。
圖2是根據所公開的采用濃縮的含水脲進行脲水解工藝的框圖。
圖3是對40wt％，50wt％和55wt％脲溶液，以計算的露點溫度作為壓力的函數所作的圖。
圖4說明根據所公開內容的脲水解設備的一個實施方案。
圖5說明在受控的和恒定的濃度下制備含水脲溶液的連續顆粒脲溶解系統。
圖6相似于圖5中所描述的系統，也是連續脲溶解系統，區別在于提供另外的保持罐，以固定使用溢流的混合罐的液面。
圖7說明具有混合罐和保持罐的間歇式脲溶解系統。
具體實施例方式
本發明一般涉及由加入到反應器中濃縮的含水脲定量生產氨的方法，和用于溶解脲和進行反應的相關方法和設備。
所公開內容的一個方面是由脲連續、定量地生產氣態氨的方法。該方法包括如下步驟在水中溶解脲以形成濃縮的含水脲；向反應器中連續加入該濃縮的含水脲；向該反應器中連續加入單獨補充的供給水，以形成含水脲反應混合物；加該熱含水脲反應混合物；和從該反應器中連續抽出含有氨的氣相產物。
濃縮的含水脲具有至少77wt％，優選大于77wt％，例如80wt％的脲濃度，以由該方法獲得的效率而受益。相似地，脲的濃度小于100％，優選95wt％或更小，更優選90wt％或更小(熔融的(100％濃度)脲的使用已經在系列號為09/951,287的共同受讓的美國專利申請中公開并要求權利)。例如，88wt％或更小的脲濃度對于采用常壓儲罐是有利的。
用于本方法的濃縮的含水脲可以按需要制備，或可以制備一定體積的濃縮的含水脲并貯存，用于以后的使用。優選，制備至少小體積(相對于反應器的生產量)的濃縮的含水脲并貯存，用于響應需求的波動。優選加熱貯存的濃縮的含水脲溶液以防止固體脲的沉淀，例如加熱到大于其飽和溫度(隨選擇的濃度而變化)，但優選小于約140℃的溫度，以抑制貯存期間的大量水解。
可以使用如科里奧利力(Coriolis force)質量流量計(如購自科羅拉多州波爾得的Micro Motion公司的MICRO MOTION科里奧利計)和溫度傳感器一起監測加入到反應器中濃縮的含水脲的濃度以計算其密度和濃度。
補充的供給水(如工藝用水)可以是任何形式，優選以蒸汽(如飽和蒸汽)注入，以提高本方法的效率。
催化劑可用于在此所述的脲水解方法中。催化劑可以加入到濃縮的含水脲進料和反應器中的一個或多個中。催化劑優選是分散的或溶解的固體。優選的催化劑包括多元酸、多元酸的銨鹽及其混合物，例如，磷酸二氫銨和磷酸氫二銨的混合物。
已知某些酸和強堿可促進脲的水解反應(參見Chao，脲，其性能和制造，臺灣臺北，p97-118(1967))，導致反應速率顯著加快。例如，氫氧化鈉(一種強堿)的加入可增加水解速率，但導致碳酸鈉作為副產物而形成。因此，如果使用的氫氧化鈉，就必須將其作為反應物連續加入，并將碳酸鈉作為副產物而除去，使該工藝得以持續。也可以使用酸催化劑，如選自多元酸、多元酸的銨鹽及它們的組合。在一個實施方案中，酸催化劑選自磷酸、磷酸二氫銨、磷酸氫二銨及它們的組合。
可以使用各種控制工藝的方法以生產氨。參見系列號為09/951,287的共同受讓的美國專利申請，其中用于控制脲水解工藝的方法十分類似于本領域的一種通常的技術。一般地，本申請公開的方法包括如下步驟在反應器中加熱含水脲，抽出氣相產物以保持反應器中的溫度在選擇的范圍之內，并保持反應器中的壓力在選擇的范圍之內。在優選的方法中，溫度是在約155℃～約175℃的范圍內和壓力是在約80磅/平方英寸～約200磅/平方英寸的范圍內。在一個有利的實施方案中，控制工藝以生產具有恒定氨濃度的氣態產物流，例如通過將溫度控制在恒定設定點和將壓力控制在恒定設定點。保持此恒定溫度和壓力而不考慮生產速率(例如氨的需求)。
包括氨的氣態產物流可用于任何工藝，優選用于其中存在的二氧化碳氣體不是破壞性的工藝中。因此，在一個實施方案中，該方法包括將含有氨的氣態流加入到廢氣調節設備中，例如用于一個或多個SCR、SNCR或微粒去除操作。
可能由于需要將貯存和裝卸系統保持在高溫下，因此迄今為止，未設想使用在大于等摩爾濃度的濃溶液中的含水脲。各種濃度含水脲的飽和溫度見下表1。
表1溫度，℃wt％脲040.0120 51.9240 62.5560 71.5180 80.00100 88.00在此使用的術語″飽和溫度″定義為當脲的水溶液在冷卻中首先形成可見的固體晶體時的溫度(因此相應于在所述溫度下的飽和溶液)。一般地，飽和的脲溶液的溫度和濃度直接相關，這樣在更高溫度下飽和濃度增加。
令人驚奇的是，發現與典型的40wt％～50wt％的含水脲水解工藝相比，濃縮的含水脲溶液的使用具有顯著的優點和效率，主要由于用來蒸發加入到水解反應器中的過量水(由稀的含水進料中的進料溶液提供)所需要的能量被節省了。例如，圖1說明使用更濃的脲溶液作為進料時，工藝中的能量的節省。該圖以能量的節省對加入到反應器中脲的重量百分比(包括含脲物流和水流如蒸汽注入)作圖，其中能量的節省以相對于使用40wt％脲作為進料時的脲水解反應器所需的能量的百分比來表示，直到維持水解反應所需的約76wt％的理論等摩爾上限。圖1僅呈現反應器的能量需求。
此外，與系列號為09/951,287的共同受讓的美國專利申請中公開的一種或多種熔融脲工藝相比，濃縮的含水脲溶液的使用也具有優點和效率。可以將濃縮的含水脲溶液在比純熔融脲所要求的溫度低得多的溫度下提供到脲水解反應器中。這避免了潛在的脲熱解反應，以及當采用熔融材料加工時遇到的操作難度。
所公開內容的另一方面是連續溶解脲的方法和與此相關的設備。該方法包括如下步驟測量脲溶解罐中的液面；傳遞液面控制信號到固體脲流量控制器；以與控制信號成比例的速率下(如，在與正常或標稱滿液面水平差成比例的速率下)質量計量脲加入罐中；計量成比例量的水加入罐中；加熱溶解罐的內容物以提供溶解(對于脲是吸熱的)所需熱量，優選提供所需的任何熱量以使罐中溫度大于濃縮的水溶液的飽和溫度。脲和水兩者的質量流量因此保持在固定水平下并因此確定含水脲溶液的濃度。
在另一個連續溶解的實施方案中，提供另外的保持罐，通過使用溢流工藝固定主混合罐的液面。因此，在這樣的方法中包括如下步驟測量脲保持罐中的液面；傳遞液面控制信號到固體脲流量控制器；在與控制信號成比例的速率下質量計量脲加入到脲溶解罐中；計量成比例數量的水加入溶解罐中；加熱混合罐的內容物以提供溶解(對于脲是吸熱的)所需的熱量，優選為使罐中溫度大于濃縮的含水溶液的飽和溫度而提供所需的任何熱量；并加熱該保持罐中的內容物以使罐中溫度大于濃縮的含水溶液的飽和溫度。
所公開內容的另一個方面是間歇溶解脲的方法，以及與其相關的設備。該方法包括如下步驟測量脲保持罐中的液面；響應于該脲保持罐中液面，從混合罐排出含水脲進入該脲保持罐中達到預設的液面；向該脲混合罐中加入固定質量的脲；向該脲混合罐中加入固定質量的水；加熱混合罐中的內容物以提供溶解(對于脲是吸熱的)所需的熱量，優選為使罐中溫度大于濃縮的含水溶液的飽和溫度而提供所需的任何熱量；攪拌該脲混合罐中的內容物，并加熱該脲混合罐中的內容物。可以對裝有所需濃度的含水脲的混合罐進行操作。
實施例提供如下實施例以說明本發明，但并非要限制本發明的范圍。
實施例1和2分別將濃縮的含水脲與低濃度的含水脲和熔融脲的使用進行比較。
實施例1此實施例將用于脲水解以生產氣態氨的80wt％濃縮的含水脲原料與40wt％含水脲原料的使用進行了定量比較。以100lb/hr(45kg/hr)的氨生產速率作為比較的基礎。比較是基于采用恒定溫度和恒定壓力控制方法，該方法如在系列號為09/951,287的共同受讓的美國專利申請中所述，并基于使用MAP/DAP(磷酸二氫銨/磷酸氫二銨)催化劑的催化的脲水解。
如下所述，在由脲水解生產氣態氨的方法中，作為進料溶液，80wt％含水脲的使用有利地與40wt％含水脲的使用進行比較。由于必須要蒸發的″過量水″較少，因此為維持反應器的操作所需的能量要少得多。總體工藝系統(包括溶解系統和水解系統)有更高的能量效率，可以使溶解設備相對更小(對于相同數量的脲固體，其體積更小)，產物氣體體積更小(存在更少的水蒸汽)，使得更小直徑的排出管線得以實現并節省用于管線材料的費用，保溫加熱器(tracing)和保溫材料的節省，以及相關的操作成本的下降。
圖2以框圖說明本工藝的總體概念，包括散裝固體脲顆粒運送到使用位置，固體脲顆粒卸到貯存裝置(通常采用筒倉)中，固體脲顆粒傳送到進料斗和質量計量系統，脲溶解子系統設計為在恒定的和受控的濃度下制備含水脲，用于貯存或喘震所需含水脲溶液的子系統，和脲水解子系統設計以生產用于外部工藝的含氨的氣態混合物。如圖所示，工藝中的某些步驟要求熱量輸入。
下表2總結了定量比較的結果。
表2使用的脲進料濃度 80wt％含水脲40wt％含水脲蒸汽消耗200磅/平方英寸(1380kPa)脲溶解器 40lb/hr(18kg/hr)20lb/hr(9kg/hr)反應器加熱蒸汽 191lb/hr(87kg/hr) 519lb/hr(235kg/hr)注入蒸汽132lb/hr(60kg/hr)0lb/hr(0kg/hr)總蒸汽 364lb/hr(165kg/hr) 539lb/hr(244kg/hr)水消耗 44lb/hr(20kg/hr)265lb/hr(120kg/hr)反應器中的總水 176lb/hr(80kg/hr) 265lb/hr(120kg/hr)反應器換熱器表面積 24.15ft2(2.24m2) 65.57ft2(6.1m2)產物氣體質量氨 100lb/hr(45kg/hr) 100lb/hr(45kg/hr)二氧化碳 129lb/hr(59kg/hr) 129lb/hr(59kg/hr)水 123lb/hr(56kg/hr) 212lb/hr(96kg/br)重量百分比氨 28wt％ 23wt％二氧化碳 37wt％ 29wt％水 35wt％ 48wt％總反應物體積 29.78ACFM 39.09ACFM(0.84m3/min) (1.1m3/min)使用的蒸汽對包括脲溶解和脲水解步驟兩者的完全含水脲水解系統進行能量平衡計算。蒸發水解反應器中過量水(由進料溶液提供)所需的能量是對比分析中的最顯著差異。因此，當制備和使用40wt％脲時，在溶解步驟中消耗了20lb/hr的200磅/平方英寸蒸汽和在脲水解步驟中消耗了519lb/hr，總計539lb/hr。當制備和使用80wt％脲作為進料溶液時，溶解步驟使用40lb/hr的200磅/平方英寸蒸汽，191lb/hr用于水解反應器的輔助加熱器，和將132lb/hr蒸汽直接注入反應混合物以提供補充的工藝用水和用于平衡產物氣體混合物，總計364lb/hr。因此，即使在溶解步驟中使用了較多的能量，但此數量相對較小，在完全系統使用濃縮的含水脲節省了175lb/hr200磅/平方英寸的蒸汽，降低了32.5％。該計算假定在55℃下提供工藝用水。
脲溶解步驟檢查將固體脲顆粒溶解以制備含水脲進料溶液的工藝步驟，在這兩種情況下176lb/hr的脲必須溶解以支持在100lb/hr速率下氨的生產。此步驟要求265lb/hr的工藝用水以制備40wt％的溶液，但僅需44lb/hr的工藝用水用于制備80wt％的溶液。然而，脲溶解工藝必須在各濃度的飽和溫度以上的安全和可控的溫度下進行操作。因此，在此計算中，假定對于40wt％脲的情況下飽和溫度為50F°(10℃)，而對于80wt％脲的情況下的飽和溫度為194F°(90℃)。能量平衡導致對于40wt％脲的情況下需要約20lb/hr的200磅/平方英寸蒸汽，對于80wt％的情況下需要約40lb/hr。要求的傳熱面積(溶解176lb/hr脲并加熱到規定的溫度)對于40wt％的情況是0.25ft2(0.023m2)，而對于80wt％的情況是0.87ft2(0.081m2)，與溫度的差異一致。
設備尺寸是由于溶解脲以制備濃的混合物和稀的混合物間存在的差異而受到影響的另一個因素。用于比較的最簡單的基礎是單罐間歇混合器。固體脲可以在一噸(2,000磅；907kg)的超大包裝中獲得，它可以有利地用于溶解系統，并因而假定為尺寸基礎。溶解罐有利地裝配有電機驅動的攪拌器。罐體積必須有用于過量體積的合理余量足以容納獲得的一批溶液。因此，假定在一批的液面以上另外增加1.5ft(0.46m)的容器高度是足夠的。下表3中是合適的溶解罐性能，用于比較。
表3
2,000磅間歇溶解罐80wt％情況40wt％情況直徑 3.5ft(1.07m) 4ft(1.22m)高度 5ft(1.52m)7.5ft(2.29m)體積 34ft3(0.96m3) 72ft3(2.04m3)表面積74.2ft2(6.89m2)110.4ft2(10.26m2)(正圓形圓筒體)混合器功率3.91hp(2.92kW)7.12hp(5.31kW)由此，可以看出對于80wt％的情況，溶解罐的實際尺寸更小，并且溶解器使用的混合能量也更少。更小的和能量更有效的設備的購買和操作也更便宜。另一方面，濃縮的含水脲必須在高溫下貯存。假定在50F°(10℃)的環境溫度下，40wt％的溶液將沒有熱量流失到環境中，然而對于在至少約194F°(90℃)的溫度下貯存的80wt％的溶液來說，例如在使用2.5英寸(6.35cm)的保溫層時，將有約13,245英國熱量單位/小時(3.88kW)的熱損失，或在使用2英寸(5.08cm)的保溫層時，有15,923英國熱量單位/小時(4.67kW)的熱損失。因此，溶解步驟的比較具有對于80wt％脲溶液有利的因素，并且，如下所述，當考慮到水解步驟中的能量節省時，對于80wt％脲溶液所要求的額外蒸汽消耗就顯得相對不重要了。
脲水解步驟在80wt％脲的情況下，以總工藝用水與脲以1∶1的質量比，以與操作相等的速率向反應器中注入蒸汽。這樣，進料溶液中包含176lb/hr脲和44lb/hr液體水。因此，注入蒸汽流量設定在132lb/hr。由于在進料溶液中提供了過多的水，40wt％脲的情況并不得益于蒸汽的注入。事實上，在40wt％脲情況下蒸發所有額外水所需的能量造成了主要的能量差異。
在能量效率和所需的傳熱表面積方面，以100lb/hr氨對80wt％的情況的計算顯示出明顯的優點。在40wt％脲的情況下，反應器要求200磅/平方英寸的519lb/hr實用蒸汽和65.57ft2的傳熱表面積，而對80wt％脲的情況僅要求191lb/hr的實用蒸汽和24.15ft2的傳熱面積。當使用80wt％脲時，入口進料溶液具有更多的熱焓能，并且過量的工藝用水是通過向反應混合物中注入蒸汽而提供的。此外，不存在需要蒸發的過量液體水；反而，注入的蒸汽部分冷卻并冷凝以保持反應混合物濃度處于在平衡狀態，同時這將對混合物貢獻出冷凝熱和熱焓。
產物氣體流表2中的數值顯示在兩種情況下，均有100lb/hr氨和129lb/hr二氧化碳的氣體從水解反應器排出，但在平衡下排出的水蒸汽數量卻相當不同。對于40wt％脲進料的情況，水以212lb/hr排出，在產物氣體管線中335F°(168℃)和60磅/平方英寸(414kPa)壓力下，經計算總氣體流量實際為每分鐘39.09立方英尺(ACFM)。與80wt％脲的情況相比較，其中在相同條件下在29.78ACFM的總產物氣流中僅排出123lb/hr水蒸汽。因此，通過使用80wt％脲進料和補充的工藝用水以蒸汽注入到脲與水為1∶1的反應混合物中，使體積流量降低了將近25％。
另外，計算的產物氣體混合物的露點溫度依賴于產物流的組成，特別依賴于水蒸汽濃度。露點溫度是在恒定壓力下冷卻混合物時凝結形成第一滴液滴時的溫度。實際的要求是產物氣體流要保持在它的露點以上的溫度下，使得產物保持為氣態。在圖3中，對于40wt％、50wt％和55wt％脲進料溶液，將計算的露點溫度作為壓力的函數進行作圖。如圖所示，在關注的壓力范圍內，當脲的濃度增加時理論露點降低。具有更低的露點溫度是有利的，因為這樣可以相對更容易和更有效地在較低的溫度上使物流保持氣態。
實施例2系列號為09/951,287的共同受讓的美國專利申請描述了采用熔融脲的脲水解方法。相對于稀溶液(如40wt％或50wt％脲)，使用熔融脲具有一定的優點。然而，使用濃縮的含水脲原料相對于熔融的情況仍具有一定的優點。
如上所述，含80wt％脲的含水脲溶液要求至少80℃的溫度以避免晶體形成。脲溶液相對是穩定的，并且將它加熱到約90℃以上時并不導致任何顯著的反應(水解或熱解)。該溶液具有低粘度，并且當與液體接觸的表面保持在飽和溫度以上時，可采用通常的化學泵浦和計量設備。
相比而言，在熔融脲方法中，熔融脲必須在合理的安全范圍內保持在大于熔點(132.7℃)的溫度下。為做到這一點，例如，帶蒸汽夾套的設備和管線，和可控調節的蒸汽系統均處于約135℃～約145℃的溫度范圍內以保持脲的熔融狀態。即便在此溫度范圍內，仍可發生熔融脲到分解產物的一些反應。如果固體脲中不存在痕量的水，根據公開的研究，脲的熱分解或熱解在約143℃下開始，溫度越高進行越快。因此，在脲熔體中可有氨霧存在，這就需要處理裝置如洗煙塔。此外，進料系統中熔融脲中的反應所釋放的任何氣體都可引起問題，例如使其更難以抽出。熔融脲更高的溫度(相對于濃縮的含水脲情況)要求更高壓力的實用蒸汽。由于存在向環境散失熱量的更大的驅動力，所以更高的溫度還要求更多的保溫材料。另外，當熔融脲冷卻到凝固點時，在冷卻點形成的固體脲可快速堵塞工藝設備和管線系統，使操作不能繼續。對比起來，當濃縮的含水脲溶液冷卻到飽和溫度和該溫度以下時，形成結晶脲的似泥漿的混合物，其仍保持為流體并可抽出。因此，在濃縮的含水脲的情況下，由于溫度上的偏離所產生的相對后果更容易控制。
實施例3采用恒溫和恒壓控制方法，該方法在系列號為09/951,287的共同受讓的美國專利申請中描述，將濃縮的(81wt％)含水脲溶液加入到MAP/DAP-催化的反應系統中，并注入蒸汽的單獨物流以連續生產氣態氨。將含有氨的產物氣體加入到硫酸洗滌塔中。反應器的操作條件見下表4。
表4條件數值(大約)催化劑％MAP 16.654催化劑％DAP 55.397反應器％水20.881wt％脲流120lb/hr(54.5kg/hr)脲泵壓力 100磅/平方英寸
(689kPa)脲質量流量計溫度193F°(89.4℃)蒸汽產生流量211lb/hr(95.7kg/hr)在出流量計之后的蒸汽溫度286F°(141℃)反應器壓力 90磅/平方英寸(620kPa)反應器溫度 323F°(162℃)注入蒸汽與81wt％脲流之比0.77注入蒸汽流 92lb/hr(41.7kg/hr)反應器加熱蒸汽流123lb/hr(55.8kg/hr)實施例4圖4說明根據公開內容的脲水解設備的實施方案。在此系統中，從外部工藝接收的氨的需求速率信號10可以是，例如與燃料燃燒速率成比例的、在煙道氣流的一個或多個位置中檢測到的NOx濃度、或與工藝中氨需求相關的許多其它類似測量。將氨需求速率信號10連接到脲水解控制系統12作為主要的工藝程序控制輸入。隨著需求速率信號10的變化，控制系統12由如下方式響應使濃縮的含水脲14的輸入以及通過加熱器20向反應器容器16中輸入的能量(如熱量)產生成比例的變化。改變含水脲進料流量會帶來反應混合物22的脲濃度變化，該濃度的變化隨后改變反應速率。在大約數分鐘之后，脲濃度將達到平衡，新的反應速率將等于需求速率。在變化期間保持恒定的溫度和壓力會保持催化劑的組成以及特別是水的含量恒定。
在用于此實施方案的優選控制系統中，將氨需求信號10輸入到工藝控制系統12。響應于需求速率信號10，通過計量泵24、質量流監測器(FE)28、質量流控制器(FIC)30和響應于流量控制器30輸出的質量控制設備，如流量控制閥32，將具有已知恒定濃度的濃縮的含水脲14連續泵入到反應器中。需求速率信號10為脲流量控制器30提供設定點，通過流量監測器26監測輸送到反應器中的質量流，從而使流量控制器30調節流量控制閥32以與需求匹配。
使用單獨的質量流傳感器(FE)38、流量比控制器(FlC)40和流量控制閥42，以相對于濃縮的含水脲14的質量流量基本恒定的質量比率提供蒸汽形式的工藝用水34。出于實際目的，該工藝蒸汽管線可具有關閉閥44和壓力指示器(Pl)48。
對反應物22補充的熱量輸入可以通過加熱器20而實現，例如使用浸入液體反應物22或與液體反應物22熱接觸的管式換熱盤管50(如用電的或采用傳熱流體如蒸汽，如圖4所示)，如上所述。如圖所示，如果使用蒸汽34，通過質量流傳感器(FE)52、流量控制器(FlC)54、響應于氨需求信號10的流量控制閥58和裝配有適當的疏水器62的蒸汽冷凝液出口60來控制蒸汽流量，從而實現對熱量輸入的調節。溫度傳感器，如熱電偶(TE)64可用于提供通過溫度控制器(TlC)68對反應物22溫度的修整控制。出于實際的目的，供給到加熱盤管50的蒸汽可裝配關閉閥70和壓力指示器72。
反應器容器16中的操作壓力由壓力傳送器(PT)74監測，而且可通過產物氣體80排出管線82上安裝的可調節流裝置(如控制閥78)而改變并由壓力控制器(PlC)84控制。在本發明的最優選實施方案中，操作這樣的壓力控制閥78以在反應器容器16中保持選擇的基本恒定的壓力而并不受氨需求速率信號10的支配。這樣，壓力控制閥78通常是關閉的(例如，當系統離線或等待時)和按需要立即向上游(根據氣體流動方向)控制開啟控制閥78，以排出產物氣體80，使反應器容器16中和排出管線82中保持基本恒定的壓力。用于監測溫度、壓力、反應混合物22的液面、反應混合物22的pH、反應混合物22的電導率、產物氣體80的質量流的其它控制傳感器(例如，帶有流量指示器(Fl)90的質量流量監測器(Pl)88)或其它測量值以各種方式可有價值地加強工藝控制。
實施例5圖5顯示的是一個連續的顆粒脲溶解系統。該系統用于在受控和恒定濃度下，在攪動的罐內混合器中基本恒定的體積內，固體脲和工藝用水以固定的比例和能充分保持含水脲溶液的液體總量的結合速率下通過連續的質量流制造含水脲溶液。工藝熱量通過圍繞包含在罐混合器中的含水溶液的夾套提供，并可以通過帶有換熱器的含水脲的循環回路進行補充。加熱溶解罐的內容物以提供溶解(對于脲是吸熱的)所需的熱量，并提供使罐中溫度大于濃縮的含水溶液飽和溫度必需的任何熱量。當從罐中抽出含水脲溶液以滿足外部工藝應用中對氨的需求時，液面位置傳感器將控制信號傳送到固體脲顆粒(例如)的流量控制器，同時脲顆粒的質量計量，以與正常的、標稱為滿液面的液面差成比例的速率開始。當提供固體脲時，測量和控制它的質量流量，同時它的質量流變送器將設定點的信號傳送到流量控制器，該流量控制器對工藝用水量成比例的增加進行調節。脲和水兩者的質量流因此保持在固定比例上，并因此確定了含水脲溶液的濃度。
實施例6圖6顯示的是相似于圖5所述系統的連續脲溶解系統。區別在于提供另外的保持罐以使采用溢流的混合罐的液面固定。加熱保持罐以提供使罐中溫度大于濃縮的含水溶液的飽和溫度所需的任何熱量。安裝兩個罐使得混合罐中的內容物可由重力排入保持罐中。脲水解工藝從保持罐中抽取料液，且保持罐中的液面驅動溶解工藝控制系統。
實施例7圖7顯示的是帶有混合罐和保持罐的間歇脲溶解系統。在此系統中，將固定的并稱重的固體脲和預定進料的工藝用水的一起加入到混合罐中。可操作裝有所需濃度的含水脲的混合罐，在該情況下優選加熱以提供罐中溫度大于其飽和溫度所必需的任何熱量。提供間歇順序控制器通過標準循環按步驟間歇工藝。當保持罐中的液面下落到預定位置時，液面開關啟動配料程序。首先，混合罐中的脲水溶液全部或分部分地排入保持罐中。優選加熱保持罐以提供使罐中的溫度大于其飽和溫度必需的任何熱量。然后，將一批固體脲和工藝用水加入混合罐，加熱并攪拌混合物直到脲溶解和溶液達到預定的溫度。
由于本發明范圍內的改進對本領域普通技術人員是顯然的，因此，以上描述僅用于清楚的理解，而不應當理解為不必要的限制。
權利要求
1.一種從脲連續地、定量地生產氣態氨的方法，包括如下步驟在水中溶解脲以形成包括至少77wt％脲的濃縮的含水脲；向反應器中連續加入所述濃縮的含水脲；向所述反應器中連續加入單獨補充供給的水，以形成含水脲反應混合物；加熱該含水脲反應混合物以水解脲；和從所述反應器中抽出含有氨的氣相產物。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述濃縮的含水脲包括大于77wt％的脲。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述濃縮的含水脲包括至少80wt％的脲。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述濃縮的含水脲包括88wt％或更少的脲。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述補充供給的水是蒸汽的形式。
6.如權利要求1所述的方法，包括以每摩爾脲至少1摩爾水的量向所述反應器中連續加入所述濃縮的含水脲進料和所述單獨供給的水。
7.如權利要求6所述的方法，其中加入到反應器中的水與脲的質量比是1或更小。
8.如權利要求7所述的方法，其中加入到反應器中的水與脲的質量比小于0.82。
9.如權利要求8所述的方法，其中加入到反應器中的水與脲的質量比小于0.67。
10.如權利要求9所述的方法，其中在所述反應混合物中水與脲的質量比小于0.54。
11.如權利要求1所述的方法，進一步包括向所述濃縮的含水脲進料和所述反應器的一個或多個中加入催化劑的步驟。
12.如權利要求1所述的方法，其中所述催化劑選自由多元酸、多元酸的銨鹽及其混合物所組成的組中。
13.如權利要求12所述的方法，其中所述催化劑選自由磷酸、磷酸二氫銨、磷酸氫二銨及其結合物所組成的組中。
14.如權利要求13所述的方法，包括加熱在所述反應器中的所述含水脲以使所述反應器中的溫度保持在約155℃～約175℃的范圍內，而不考慮對氨需求的變化。
15.如權利要求14所述的方法，進一步包括抽出所述氣相產物以使所述反應器中的壓力保持在約80磅/平方英寸～約200磅/平方英寸的范圍內的步驟，而不考慮對氨需求的變化。
16.如權利要求15所述的方法，包括控制溫度到恒定的設定點和控制壓力到恒定的設定點的步驟。
17.如權利要求1所述的方法，進一步包括將含有氨的所述氣流加入到煙道氣調節設備的步驟。
18.如權利要求1所述的方法，進一步包括在將所述濃縮的含水脲加入到所述反應器之前貯存該濃縮的含水脲。
19.如權利要求18所述的方法，進一步包括加熱所述貯存的濃縮的含水脲達到大于其飽和溫度并小于約140℃的溫度。
20.一種從脲連續地、定量地生產氣態氨的方法，包括如下步驟在水中溶解脲以形成包括至少77wt％脲的濃縮的含水脲；在大于其飽和溫度和小于約140℃的溫度下貯存至少一部分所述濃縮的含水脲溶液；向反應器中連續加入所述濃縮的含水脲；向所述反應器中連續加入單獨補充供給的水，以在所述反應器中形成包括每摩爾脲至少1摩爾水的反應混合物；加該熱含水脲反應混合物達到約155℃～約175℃范圍內的恒定溫度以水解脲；和從所述反應器中抽出含有氨的氣相產物以在所述反應器中保持約80磅/平方英寸～約200磅/平方英寸的恒定壓力。
全文摘要
公開了從脲連續、定量生產氣態氨的方法和設備，該方法包括如下步驟在水中溶解脲以形成包括至少77wt％脲的濃縮的含水脲；向反應器中連續加入該濃縮的含水脲；向該反應器中連續地加入單獨補充供給的水以形成含水脲反應混合物；加熱該含水脲反應混合物；和從該反應器中連續地抽出含有氨的氣相產物。還公開了用于連續和間歇溶解脲以形成含水脲溶液的方法和設備。
文檔編號C01C1/00GK1708456SQ200380102279
公開日2005年12月14日 申請日期2003年11月7日 優先權日2002年11月21日
發明者布爾頓·布魯克斯, 沃爾特·A·杰斯普, 布賴恩·W·麥克阿瑟 申請人:劍米索恩公司