一种卧式甲铵冷凝器及尿素合成高压圈设备及工艺的制作方法

本发明属于尿素生产领域，具体涉及一种卧式甲铵冷凝器及使用了所述卧式甲铵冷凝器的尿素高压圈生产设备和生产工艺。

背景技术：

1、尿素是一种主要的氮肥来源和重要的化工原料，尿素生产需要大量的煤炭、天然气等化石能源，对环境造成较为严重的污染，尿素生产工艺技术流派主要是：意大利斯那姆的氨气提法、荷兰斯塔米卡邦的二氧化碳气提法、日本东洋的aces改良二氧化碳气提法，后来斯塔米卡邦开发的2000+tm工艺,日本东洋开发的aces21工艺，国内五环工程公司开发的高效合成低能耗尿素工艺（zl200910060466.x）

2、1、斯那姆的氨气提法汽提塔材质要求高、流程长、蒸汽消耗较低；

3、2、荷兰斯塔米卡邦的工艺流程短、条件温和、高压部分材质要求低，投资较低，蒸汽消耗较高，二氧化碳气提法在增加中压系统以后蒸汽消耗可以做到比氨气提法更低；

4、3、日本东洋开发的aces工艺设计蒸汽消耗最低，但由于只注重外部操作条件（压力、温度、nh3/co2）的利用而忽视合成塔内在技术的开发研究，使操作条件极度苛刻而操作弹性不够，装置很难在设计条件下稳定运行，最终只能降低操作条件、牺牲转化率、增加蒸汽消耗，即使降低操作条件操作压力仍然较高，高压气提塔管内介质的沸点比常规二氧化碳气提法高约6℃，气提塔运行寿命要减少5年以上，aces21工艺由于增加了冷凝合成塔，降低了高压圈的的操作压力和nh3/co2 ,增加了合成塔的容积余量，所以装置运行稳定性增加，但蒸汽消耗也增加，也失去了工艺竞争优势；

5、4、斯塔米卡邦的2000+tm工艺大幅度降低了装置的土建和设备投资费用，土建框架降到38.5米，但中压蒸汽消耗仍然较高约860kg，外送部分低压蒸汽，蒸汽净耗值660kg，co2转化率约60%，需用加氧量较低的双相钢高压设备，否则副产蒸汽减少，蒸汽净耗增加，池式冷凝反应器u型管为防止间隙腐蚀需深孔焊接，管板与u型管连接的每个焊口需加工出一个凸台以减小焊口应力，u型管与厚管板的接焊技术要求高，制造难度大；并且管板的碳钢部分冲涮腐蚀严重，设备运行寿命远低于设计要求；u型管结构布管密度高，布管区域容积占比低，尿素生成量较少，溶液的沸点低，换热面的传热温差小，传热效率低。

6、5、斯塔米卡邦的cn202110739056专利将外置管箱改成内置多个小管箱堆叠的管束结构，管箱壁厚大大减薄可全为不锈钢材料，解决了管箱的冲涮腐蚀问题，但焊接结构仍然需要深孔焊接，布管密度没有改变，布管区域的容积占有率仍然较低，液体循环强度低，传热温差和传热系数相对较低，需要的换热面积较大；另外管箱是用螺栓紧固的带盖板的封闭箱体，紧固件之间必然存在间隙，是否也会存在间隙腐蚀而发生紧固松动是需要时间来证明的问题，并且制造难度和要求相对较高。

7、6、五环工程公司开发的高效合成低能耗尿素工艺（zl200910060466.x）,该工艺中压蒸汽消耗仍然较高约750kg，副产部分低压蒸汽外送，净消耗为600~650kg，副产的低压蒸汽不是每个工厂都有用场，co2转化率只能达到平衡转化率的90%，土建框架比原来降低25米，降到48米，高压冷凝器换热管热侧温度较低约170℃，传热温差小，换热面积相对较大。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供为解决上述问题，本发明提供了一种卧式甲铵冷凝器及及使用了所述卧式甲铵冷凝器的尿素高压圈生产设备和生产工艺。

2、本发明的目的是以下述方式实现的：

3、一种卧式甲胺冷凝器，包括壳体11，所述壳体11顶部设置气体出口管19，壳体11一端设置液相出口管18，壳体11内部设置至少一段换热管排12，液体出口管18和换热管排12之间设置折流挡板17，换热管排12两侧沿冷凝器轴向设置导流板14，换热管排12下方设置气体分布器15，气体分布器15下方设置液体分布器16，气体分布器15通过气相进口管151连接到壳体11外部；液体分布器16通过液相进口管161连接到壳体11外部；所述换热管排12包括用于通入冷却水的进水管1214和用于排出热水汽的汽水出口管1215；进水管1214联通一组与进水管1214垂直的进口联箱管1212，汽水出口管1215连接一组与汽水出口管垂直的出口联箱管1213；进口联箱管1212与出口联箱管1213平行且一一对应，对应的进口联箱管1212和出口联箱管1213通过一组换热管1211连接；换热管1211与进口联箱管1212、出口联箱管1213对应的引出管口对接焊；进口联箱管1212与进水管1214的引出管口对接焊，出口联箱管1213与汽水出口管1215的引出管口对接焊。

4、所述的卧式甲胺冷凝器，所述换热管1211为u形管或s形管；为s形管时，s形管联通的进口联箱管1212和出口联箱管1213位于换热管1211两侧；为u形管时，u形管联通的进口联箱管1212和出口联箱管1213位于换热管1211同一侧，每侧设置一组对应的进水管1214和汽水出口管1215，对应的进口联箱管1212和出口联箱管1213交错设置，同一段换热管排12的u形管不同层或列交错设置，相邻层或列u形管朝向相反。

5、一种尿素合成高压圈设备，包括卧式合成反应器3、气提分解塔4、高压洗涤器5、高压甲铵泵6、二氧化碳压缩机7、高压液氨泵8、高压液氨预热器9，中压闪蒸精馏塔40，中压尿液循环泵21、低压蒸汽饱和器30、循环热水泵31，还包括卧式甲胺冷凝器103；所述气提分解塔4下方设置气提塔气相进口41及气提塔液相出口44，汽提塔液相出口44通过管道连接中压闪蒸精馏塔40的液尿进口401，气提分解塔4上方设置气提塔气相出口43及气提塔液相进口42；二氧化碳压缩机7通过管道连接气提塔气相进口41，气提塔气相出口43通过管道连接卧式甲铵冷凝器的气体进口管151，卧式甲铵冷凝器的气相出口管19连接卧式合成反应器3的气体进口管151，卧式合成反应器3的气相出口管19通过管道连接高压洗涤器的洗涤器气相进口管51，高压洗涤器5的洗涤器液相出口管53通过管道连接卧式甲铵冷凝器的液相进口管161，高压洗涤器5的洗涤器液相进口管52通过管道连接高压甲铵泵6，高压洗涤器5的洗涤器气相出口管54连接后续的中压吸收系统；高压液氨泵8连接液氨预热器9，液氨预热器9的出口通过管道连接卧式甲铵冷凝器103的液相进口161，卧式甲铵冷凝器的液相出口18连接卧式合成反应器3的液相进口管161，卧式合成反应器3液相出口管18通过管道连接气提塔液相进口42，气提塔液相出口44通过管道连接后续中压系统。

6、一种两级串联的co2气提法尿素合成高压圈设备，包括两个上下串联的卧式甲胺冷凝器，其中在下方的为二级甲胺冷凝器，在上方的为一级甲胺冷凝器，所述二级甲胺冷凝器的气相出口连接一级甲胺冷凝器的气体进口管，所述一级甲胺冷凝器的液相出口连接二级甲胺冷凝器的液相进口管。

7、所述的一种两级串联的co2气提法尿素合成高压圈设备，其特征在于：所述甲胺冷凝器为权利要求1-2所述的卧式甲胺冷凝器。

8、所述的一种两级串联的co2气提法尿素合成高压圈设备，包括立式合成塔1、气提分解塔4、高压洗涤器5、高压甲铵泵6、二氧化碳压缩机7、高压液氨泵8、高压液氨预热器9，中压闪蒸精馏塔40，中压尿液循环泵21，一级甲胺冷凝器101、二级甲胺冷凝器102，气提分解塔4下方设置气提塔气相进口41及气提塔液相出口44，汽提塔液相出口44通过管道连接中压闪蒸精馏塔40的液尿进口401，气提分解塔4上方设置气提塔气相出口43及气提塔液相进口42；立式合成塔1下方设置合成塔气相进口111及合成塔液相进口112，立式合成塔1上方设置合成塔气相出口114，合成塔中部设置合成塔液相出口113；二氧化碳压缩机7通过管道连接气提塔气相进口41和合成塔气相进口111，气提塔气相出口43通过管道连接二级甲铵冷凝器102的气体进口管151，合成塔气相出口管114和二级甲铵冷凝器102的气相出口管19通过管道连接一级甲铵冷凝器101的气体进口管151，一级甲铵冷凝器101的气相出口管19通过管道连接高压洗涤器的洗涤器气相进口管51，高压洗涤器5的洗涤器液相出口管53通过管道连接一级甲铵冷凝器101的液相进口管161，高压洗涤器5的洗涤器液相进口管52通过管道连接高压甲铵泵6，高压洗涤器5的洗涤器气相出口管54连接后续的中压吸收系统；高压液氨泵8连接高压液氨预热器9，液氨预热器9通过管道连接二级甲铵冷凝器102的液相进口161，一级甲铵冷凝器101的液相出口18通过管道连接二级甲铵冷凝器102的液相进口161,二级甲铵冷凝器102的液相出口18连接立式合成塔1的合成塔液相进口112，合成塔液相出口113通过管道连接气提塔液相进口42，气提塔液相出口44通过管道连接后续中压系统。

9、所述的一种两级串联的co2气提法尿素合成高压圈设备，包括卧式合成反应器3、气提分解塔4、高压洗涤器5、高压甲铵泵6、二氧化碳压缩机7、高压液氨泵8、高压液氨预热器9，中压闪蒸精馏塔40，中压尿液循环泵21，其特征在于：包括一级甲铵冷凝器101、二级甲铵冷凝器102；所述气提分解塔4下方设置气提塔气相进口41及气提塔液相出口44，汽提塔液相出口44通过管道连接中压闪蒸精馏塔40的液尿进口401，气提分解塔4上方设置气提塔气相出口43及气提塔液相进口42；二氧化碳压缩机7通过管道连接气提塔气相进口41，气提塔气相出口43通过管道连接二级甲铵冷凝器102的气体进口管151和卧式合成反应器3的气体进口管151，卧式合成反应器3的气相出口管19和二级甲铵冷凝器102的气相出口19和通过管道连接一级甲铵冷凝器101的气体进口管151，一级甲铵冷凝器101的气相出口管19通过管道连接高压洗涤器的洗涤器气相进口管51，高压洗涤器5的洗涤器液相出口管53通过管道连接一级甲铵冷凝器101的液相进口管161，高压洗涤器5的洗涤器液相进口管52通过管道连接高压甲铵泵6，高压洗涤器5的洗涤器气相出口管54连接后续的中压吸收系统；高压液氨泵8连接液氨预热器9，液氨预热器通过管道连接二级甲铵冷凝器102的液相进口161，一级甲铵冷凝器101的液相出口18通过管道连接二级甲铵冷凝器102的液相进口161,二级甲铵冷凝器102的液相出口18连接卧式合成反应器3的液相进口管161，卧式合成反应器3液相出口管18通过管道连接气提塔液相进口42，气提塔液相出口44通过管道连接后续中压系统。

10、一种使用如权利要求7所述的两级串联的co2气提法尿素合成高压圈设备的尿素合成高压圈工艺，所述工艺包括以下步骤：

11、s1、高压甲胺泵6输出的氨基甲酸铵由洗涤器液相进口管52进入高压洗涤器5，与高压洗涤器的填料段中分散的二氧化碳和氨充分接触，绝大部分的二氧化碳和氨冷凝成氨基甲酸铵溶解在下行的氨基甲酸铵溶液中，未冷凝的的二氧化碳和氨由洗涤器气相出口管54排出，通过管道进入后续中压系统；填料段流出的氨基甲酸铵溶液经洗涤器液相出口53流出，然后通过一级甲铵冷凝器101的液相进口管161进入液体分布器16；

12、s2、高压液氨泵8输出的液氨经过液氨预热器预热至90℃左右与一级甲铵冷凝器101的出液合并通过液相进口管161进入二级甲铵冷凝器102，二级甲铵冷凝器102的反应条件设置为压力14.0~15.5mpa左右，温度180~190℃，二级甲铵冷凝器102内的换热管排产生148~160℃的饱和蒸汽，二级甲铵冷凝器102内根据装置能力大小设置1~2段换热管排，2300t/d左右的尿素装置设置1段换热管排，4500t/d左右的尿素装置设置2段换热管；从气提塔气相出口42排出的二氧化碳和氨气由二级甲铵冷凝器102的气体进口管151进入二级甲铵冷凝器102；通过布置在换热管排12下方的气体分布器15喷出，在换热管排12下方，从导流板外侧返回的液体与从液体分布器16出来的液体汇合，使液体分布器出来的液体温度迅速升高，液体与气体在导流板内侧往上流动，气体二氧化碳和氨以气泡的形式在溶液中上升至顶部的气相空间，气泡在上升过程中气体不断的溶于液相并生成氨基甲酸铵，液相中的部分氨基甲酸铵同时脱水生成尿素。

13、s3、在s2中氨基甲酸铵脱水生成尿素的转化率只能达到平衡转化率的80%左右，反应后的液相包括生成的尿素、水、未反应完的氨基甲酸铵和过量氨，所述液相从二级甲胺冷凝器102的液相出口管18流出，为达到最高平衡转化率98~99%的目标，从卧式甲铵冷凝102反应器出来的液体进入卧式合成反应器3继续脱水反应，由于反应是吸热的，为了使后续的反应温度不降低甚至更高，从汽提塔出来的10%左右份额的气体通过岔路管道由气相进口管151进入卧式合成反应器3的气体分布器15，从气体分布器15喷出的气体再经多层气体分布板喷射与液体充分接触冷凝，同时使液体温度升高至185~190℃，卧式合成反应器3的出液条件优选为压力14.0~15.5mpa，温度185~190℃，氨和二氧化碳摩尔比为3.0~3.5，水碳比0.5~0.8。

14、s4、在s2和s3中未冷凝的氨和二氧化碳气体合并通过一级甲铵冷凝器101的气相进口151进入一级甲铵冷凝器101，通过布置在换热管排12下方的气体分布器15喷出，在换热管排12下方，从导流板外侧返回的液体与从液体分布器16出来的液体汇合，使液体分布器出来的液体温度迅速升高，液体与气体在导流板内侧往上流动，气体二氧化碳和氨以气泡的形式在溶液中上升至顶部的气相空间，气泡在上升过程中气体不断的溶于液相并生成氨基甲酸铵，液相中的部分氨基甲酸铵同时脱水生成尿素，一级甲铵冷凝器101的反应条件设置为压力14.0~15.5mpa左右，温度170~180℃，一级甲铵冷凝器101富余的冷凝热用于加热中压闪蒸罐出来的尿素溶液，将尿素溶液加热到155~160℃后回到中压闪蒸罐下部进行气液分离，一级甲铵冷凝器101内只设一段换热管排，在一级甲铵冷凝器101中氨基甲酸铵脱水生成尿素的转化率只能达到平衡转化率的60%左右；

15、s5、在s4中未冷凝的氨和二氧化碳气体通过洗涤器气相进口51进入高压甲铵洗涤器5，在填料段与冷的氨基甲酸铵溶液相遇，绝大部分的二氧化碳和氨冷凝成氨基甲酸铵溶解在下行的氨基甲酸铵溶液中，未冷凝的的二氧化碳和氨由冷凝器气相出口管54排出，通过管道进入后续中压系统；

16、s6、s3中卧式合成反应器3中反应后的液相包括生成的尿素、水、未反应完的氨基甲酸铵和过量氨，所述液相从液相出口管18流出，由气提塔液相进口43流入气体分解塔，进行气提分解。

17、与现有技术相比，本发明在尿素生产过程中所需压力较低，反应条件温和，转化率高，蒸汽消耗低，设备体积较小，设计4500t/d大型尿素装置高压圈设备的最长长度不超28米。