(57)【要約】  本発明は、尿素の製造をより効率的に行う方法及び装置を提供する。本発明では、ストリッパーから得られる尿素合成液から未反応物を除去する前に、その尿素合成液を合成圧力から減圧し、得られたガス液混合物をストリッパーからの分解ガスにより加熱した上で、精製システムに導入する。ガス液混合物の分解ガスによる加熱は、シェルアンドチューブ熱交換器を用いて行うこととし、チューブ側に分解ガスを導入しつつ、シェル側にガス液混合物を導入する。
2017043390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リアクターで二酸化炭素とアンモニアをアンモニア過剰の条件で反応させて、尿素、アンモニウムカーバメイト、水、未反応アンモニア及び未反応二酸化炭素を含む合成混合物を得る合成工程；
前記合成混合物を加熱することで前記アンモニウムカーバメイトを分解し、少なくとも一部の原料二酸化炭素を助剤としてストリッピングすることで、アンモニア及び二酸化炭素を含む分解ガスと、アンモニア、二酸化炭素、水及び尿素を含む尿素合成液とを得る分解工程；
前記尿素合成液を減圧し、ガス液混合物を得る減圧工程；
前記ガス液混合物を前記分解ガスで加熱する加熱工程；
加熱された前記ガス液混合物からアンモニア、二酸化炭素及び水を含む未反応物を分離して尿素水溶液を得るとともに、分離された未反応物を回収する精製工程；
前記ガス液混合物を加熱した分解ガスを、前記精製工程で回収された未反応物の少なくとも一部とともにコンデンサーで凝縮させて、凝縮液を得る凝縮工程；並びに
前記凝縮液を前記リアクターに導入する凝縮液導入工程；
を有し、
前記加熱工程において、シェルアンドチューブ熱交換器のチューブ側に前記分解ガスを導入しつつ、シェル側に前記ガス液混合物を導入する尿素製造方法。
【請求項２】
前記ガス液混合物に含まれるアンモニア及び二酸化炭素の濃度を、それぞれ１０〜１５重量％とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記凝縮工程において、気泡塔タイプの縦型凝縮反応器を用いて尿素の一部を合成する請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記加熱工程において、前記分解ガスを前記シェルアンドチューブ熱交換器のチューブ側ノズルのうち上方にあるノズルより導入する請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記凝縮液導入工程において、原料としてリアクターに導入するアンモニアの少なくとも一部を駆動流体としたエジェクターを用いる請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記凝縮液中のＮ／Ｃを２．５〜３．５とし、前記合成混合物中のＮ／Ｃを３．０〜４．０とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記加熱工程において、前記シェルアンドチューブ熱交換器のチューブ側に、前記分解ガスと共に、前記精製工程で得られた未反応物の３０重量％を超えない量を導入する請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
二酸化炭素とアンモニアをアンモニア過剰の条件で反応させて、尿素、アンモニウムカーバメイト、水、未反応アンモニア及び未反応二酸化炭素を含む合成混合物を得るリアクター；
前記合成混合物を加熱することで前記アンモニウムカーバメイトを分解し、少なくとも一部の原料二酸化炭素を助剤としてストリッピングすることで、アンモニア及び二酸化炭素を含む分解ガスと、アンモニア、二酸化炭素、水及び尿素を含む尿素合成液とを得るストリッパー；
前記尿素合成液を減圧し、ガス液混合物を得る制御弁；
前記ガス液混合物を前記分解ガスで加熱するシェルアンドチューブ熱交換器；
加熱された前記ガス液混合物からアンモニア、二酸化炭素及び水を含む未反応物を分離して尿素水溶液を得るとともにとともに、分離された未反応物を回収する精製システム；
前記ガス液混合物を加熱した後の分解ガスを、前記精製システムで得られた未反応物の少なくとも一部とともに凝縮させて、凝縮液を得るコンデンサー；並びに
前記凝縮液を前記リアクターに導入する凝縮液導入ライン；
を有し、
前記シェルアンドチューブ熱交換器は、そのチューブ側に前記分解ガスが導入され、シェル側に前記ガス液混合物が導入されるように構成されている尿素製造装置。
【請求項９】
前記コンデンサーは、気泡塔タイプの縦型凝縮反応器である請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記分解ガスは、前記シェルアンドチューブ熱交換器のチューブ側ノズルのうち上方にあるノズルより導入可能である請求項８又は９に記載の装置。
【請求項１１】
前記凝縮液導入ラインには、原料としてリアクターに導入するアンモニアの少なくとも一部を駆動流体としたエジェクターが接続されている請求項８〜１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記シェルアンドチューブ熱交換器のチューブ側に、前記分解ガスと共に、前記精製システムで得られた未反応物の一部を導入可能である請求項８〜１１のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、尿素の製造方法及び製造装置に関する。より詳しくは、本発明は、尿素の製造をより効率的に行う方法及び装置である。
【背景技術】
【０００２】
尿素の製造に関しては、まず、下記式（１）で示すように、アンモニア（ＮＨ３）と二酸化炭素（ＣＯ２）を反応させてアンモニウムカーバメイト（ＮＨ２ＣＯＯＮＨ４）とし、さらに、下記式（２）で示すように、アンモニウムカーバメイトの脱水反応により尿素（ＮＨ２ＣＯＮＨ２）と水（Ｈ２Ｏ）とする手法が採られている。
２ＮＨ３＋ＣＯ２→ＮＨ２ＣＯＯＮＨ４    （１）
ＮＨ２ＣＯＯＮＨ４→ＮＨ２ＣＯＮＨ２＋Ｈ２Ｏ    （２）
いずれの反応も平衡反応であるが、式（１）の反応は発熱反応であるのに対して、式（２）の反応は吸熱反応であることから、原料であるアンモニアと二酸化炭素から尿素を効率よく製造することは難しく、そのための工夫が種々検討されている。【０００３】
特許文献１には、合成系に戻す水の量を減らすことを目的にした技術が記載されている。この技術では、ストリッパーからの液を中圧と低圧の２段で処理して、残留する未反応物を除去する。膨張弁１７にてストリッパーからの液を１２〜３０ｂａｒに減圧してガスと液の混相の流体を得る。その流体は気体／液体分離器６（ｇａｓ−ｌｉｑｕｉｄ  ｓｅｐａｒａｔｏｒ  ６）に導入されてガスと液に分離され、分離された液のみが更に減圧されて横型の凝縮反応器である第一凝縮帯域３（ｆｉｒｓｔ  ｈｉｇｈ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ  ｚｏｎｅ  ３）のチューブ側に導入され、そしてその液は第一凝縮帯域３（ｆｉｒｓｔ  ｈｉｇｈ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ  ｚｏｎｅ  ３）でストリッパーからの分解ガス等の凝縮熱で加熱された後に排出される。この凝縮熱で加熱された液も、また別の気体／液体分離器７（ｇａｓ−ｌｉｑｕｉｄ  ｓｅｐａｒａｔｏｒ  ７）に導入されてガスが分離され、その液がコンタクトゾーン８（ｃｏｎｔａｃｔ  ｚｏｎｅ  ８、中圧分解塔に相当）に導入されて、気体／液体分離器６（ｇａｓ−ｌｉｑｕｉｄ  ｓｅｐａｒａｔｏｒ  ６）で分離されたガスを使って断熱条件で未反応物をストリッピングされる。コンタクトゾーンからの液３５はさらに減圧され、気体／液体分離器９（ｇａｓ−ｌｉｑｕｉｄ  ｓｅｐａｒａｔｏｒ  ９）に導入されて分離され、分離された液は熱交換器１０（低圧分解塔に相当）に導入される。各気体／液体分離器７及び９と熱交換器１０からのガスはライン４４より導入される水に吸収されて凝縮されることで回収液となり、合成系（第一凝縮帯域３（ｆｉｒｓｔ  ｈｉｇｈ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ  ｚｏｎｅ  ３））に戻される。【０００４】
特許文献２には、ストリッパーから出る尿素合成液が気泡塔タイプの縦型凝縮反応器のチューブ側に導入されて加熱される方法が記載されている。この方法は、従来技術と比較し伝熱性能が良いこと、及び高温度レベル（１７０〜１８０℃）で尿素合成液を加熱できることから、伝熱面積を大幅に減少させることを特徴としている。ただし、中圧分解工程以降の未反応物の除去については特に言及していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】欧州特許出願公開第０２１２７４４号明細書
【特許文献２】特開２００３−１０４９４９号公報
【特許文献３】特開２００２−１４５８５０号公報
【特許文献４】特開昭６１−１０９７６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の技術では、気体／液体分離器６（ｇａｓ−ｌｉｑｕｉｄ  ｓｅｐａｒａｔｏｒ  ６）でガスを分離された液は第一凝縮帯域３に導入される。実施例において、気体／液体分離器６からの流体は第一凝縮帯域３のチューブ側に導入される。シェル側においてはストリッパーからの分解ガスが凝縮され、滞留された凝縮液の一部が尿素となる。第一凝縮帯域３のチューブ側に流される流体に、減圧により発生したガスが多量に存在すると、チャンネル部で気液が上下に分離してしまうため、各チューブへの均等分配が難しい。また、チューブ内でも気液が上下に分離してしまい伝熱性能が低下するので、気体／液体分離器６でガスを分離し、減圧により発生したガスは分離しておくことが必須である。【０００７】
また、気体／液体分離器６からのガスを接触帯域に導入して気体／液体分離器７（ｇａｓ−ｌｉｑｕｉｄ  ｓｅｐａｒａｔｏｒ  ７）からの液が断熱ストリッピングされる。気体／液体分離器６（ｇａｓ−ｌｉｑｕｉｄ  ｓｅｐａｒａｔｏｒ  ６）からのガスは、アンモニア、二酸化炭素、および水からなるが、アンモニア、二酸化炭素の濃度は高い。気体／液体分離器７（ｇａｓ−ｌｉｑｕｉｄ  ｓｅｐａｒａｔｏｒ  ７）から出る尿素水溶液は、さらに未反応物を分解除去されているため、残留するアンモニア及び二酸化炭素の濃度は低くなる。この尿素水溶液とアンモニア及び二酸化炭素が多く含まれるガスとを断熱で接触させた場合、アンモニア、二酸化炭素が尿素水溶液に容易に溶解することが考えられる。即ち、液をストリッピングして液中に含まれる未反応のアンニア及び二酸化炭素を除去する効果は期待できないだけでなく、反対に尿素水溶液中に含まれる未反応物が増加することになり、下流での未反応物の分離・回収の負荷が上がり、未反応物を回収する際に必要な水の量が増えてしまう問題がある。【０００８】
さらに、分解ガス２５とカルバミン酸塩溶液（回収液）４７の全量とを第一コンデンサーで凝縮させ、気液分離した液は加熱される。更に第二コンデンサー（ｓｅｃｏｎｄ  ｈｉｇｈ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ  ｚｏｎｅ  ４）のチューブ側で第一凝縮帯域のシェル側のガス液混合物（ｇａｓ−ｌｉｑｕｉｄ  ｍｉｘｔｕｒｅ）が凝縮される凝縮熱によりスチームが発生する。この構成により第一凝縮帯域のシェル側ではオフガスが多く発生し、シェル内で流体は気液が上下に分離しやすくなるためガス相及び液相それぞれを抜き出す配管２９及び３０が必要となる。第二凝縮帯域のチャンネル部でガスと液とが異なる配管から導入されるため、そのガスと液とを均一に混合させるためにチャンネル部に混合するのに十分な容量を要する。【０００９】
特許文献２に記載された方法では、コンデンサー（縦型凝縮反応器）のチューブ側はスチーム発生と尿素合成液の加熱の二流体を流すことになり、チャンネル部の構造が複雑となる。また、シェル側ではストリッパーからのガスを凝縮し、その液を滞留して尿素を一部反応せしめ尿素合成液とするが、このコンデンサーからは、凝縮しきれないガスを分離し下流側に流し回収系で回収される。回収系の未反応物の分離・回収の負荷を低減するためにはこのガスは少ない方が好ましいが、そのためにコンデンサーのシェル側温度は高くするには限度がある。その温度は１７０〜１８０℃とあり、それ以上まで上げると先の通り下流へのガスの量が増加するので好ましくなく、加熱源としての温度レベルには限界がある。【００１０】
また、ストリッパーからの混合ガスの凝縮熱を直接未反応アンモニア及び二酸化炭素の分離工程の熱源に使うことにより、伝熱面積が大幅に削減することが期待できるが、気泡塔タイプの縦型凝縮反応器にスチーム発生と尿素水溶液の直接加熱を同時に行うのは困難であり、その困難を克服できたとしてもシェル側温度の制限から、伝熱面積の削減には限界がある。【００１１】
以上のように、従来の方法における尿素の製造効率は必ずしも十分ではなく、尿素の製造をより効率的に行う方法の開発が望まれていた。【００１２】
そこで、本発明は、尿素の製造をより効率的に行う方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、従来技術の問題点を検討した結果、ストリッパーから得られる尿素合成液から未反応物を除去する前に、その尿素合成液を合成圧力から減圧し、得られたガス液混合物をストリッパーからの分解ガスにより直接加熱してできるだけ高い温度にする方法を見出した。そして、このような構成とすることで、ストリッパーからのガスは一部凝縮したガス液混合物としてコンデンサーに導入され、コンデンサーでの除去熱量が小さくなって回収系に吸収溶媒として導入する水の量が減るため、合成系の尿素反応効率が向上し、尿素製造設備の効率を上がるとともに、コンデンサーの大きさを小さくできる。【００１４】
すなわち、本発明に係る尿素製造方法は、
リアクターで二酸化炭素とアンモニアをアンモニア過剰の条件で反応させて、尿素、アンモニウムカーバメイト、水、未反応アンモニア及び未反応二酸化炭素を含む合成混合物を得る合成工程；
前記合成混合物を加熱することで前記アンモニウムカーバメイトを分解し、少なくとも一部の原料二酸化炭素を助剤としてストリッピングすることで、アンモニア及び二酸化炭素を含む分解ガスと、アンモニア、二酸化炭素、水及び尿素を含む尿素合成液とを得る分解工程；
前記尿素合成液を減圧し、ガス液混合物を得る減圧工程；
前記ガス液混合物を前記分解ガスで加熱する加熱工程；
加熱された前記ガス液混合物からアンモニア、二酸化炭素及び水を含む未反応物を分離して尿素水溶液を得るとともに、分離された未反応物を回収する精製工程；
前記ガス液混合物を加熱した分解ガスを、前記精製工程で回収された未反応物の少なくとも一部とともにコンデンサーで凝縮させて、凝縮液を得る凝縮工程；並びに
前記凝縮液を前記リアクターに導入する凝縮液導入工程；
を有し、
前記加熱工程において、シェルアンドチューブ熱交換器のチューブ側に前記分解ガスを導入しつつ、シェル側に前記ガス液混合物を導入する。【００１５】
また、本発明に係る尿素製造装置は、
二酸化炭素とアンモニアをアンモニア過剰の条件で反応させて、尿素、アンモニウムカーバメイト、水、未反応アンモニア及び未反応二酸化炭素を含む合成混合物を得るリアクター；
前記合成混合物を加熱することで前記アンモニウムカーバメイトを分解し、少なくとも一部の原料二酸化炭素を助剤としてストリッピングすることで、アンモニア及び二酸化炭素を含む分解ガスと、アンモニア、二酸化炭素、水及び尿素を含む尿素合成液とを得るストリッパー；
前記尿素合成液を減圧し、ガス液混合物を得る制御弁；
前記ガス液混合物を前記分解ガスで加熱するシェルアンドチューブ熱交換器；
加熱された前記ガス液混合物からアンモニア、二酸化炭素及び水を含む未反応物を分離して尿素水溶液を得るとともに、分離された未反応物を回収する精製システム；
前記ガス液混合物を加熱した後の分解ガスを、前記精製システムで得られた未反応物の少なくとも一部とともに凝縮させて、凝縮液を得るコンデンサー；並びに
前記凝縮液を前記リアクターに導入する凝縮液導入ライン；
を有し、
前記シェルアンドチューブ熱交換器は、そのチューブ側に前記分解ガスが導入され、シェル側に前記ガス液混合物が導入されるように構成されている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、尿素の製造をより効率的に行う方法及び装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る尿素製造装置の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に係る尿素製造装置の構成例を図１に示す。図１に示す装置は、リアクターＡと、ストリッパーＢと、シェルアンドチューブ熱交換器Ｃと、精製システムＤと、コンデンサーＥを有している。
【００１９】
リアクターＡでは、アンモニア（ＮＨ３）と二酸化炭素（ＣＯ２）を反応させてアンモニウムカーバメイトを生成させ、さらにアンモニウムカーバメイトの脱水反応により尿素と水を生成させる（尿素合成工程）。尿素合成工程は、得られる合成混合物の平衡圧力の関係からアンモニア過剰にて行われる。尿素合成工程におけるＮＨ３成分とＣＯ２成分のモル比（Ｎ／Ｃ）は、３．０〜４．０とすることが好ましく、３．５〜４．０とすることがより好ましい。
【００２０】
なお、ＮＨ３成分は、実際に存在するアンモニアに加え、アンモニウムカーバメイトに転化したアンモニアおよび尿素に転化したアンモニアも含む。したがって、ＮＨ３成分のモル量は、尿素のモル量の２倍と、アンモニウムカーバメイトのモル量の２倍と、アンモニアのモル量との合計値である。また、ＣＯ２成分は、実際に存在する二酸化炭素に加え、アンモニウムカーバメイトに転化した二酸化炭素および尿素に転化した二酸化炭素も含む。したがって、ＣＯ２成分のモル量は、尿素のモル量と、アンモニウムカーバメイトのモル量と、二酸化炭素のモル量との合計である。
【００２１】
尿素合成工程で行われる２段階の反応はいずれも平衡反応であるため、この尿素合成工程において、尿素（微量のビウレットを含む）、アンモニウムカーバメイト、水、未反応アンモニア及び未反応二酸化炭素を含む合成混合物が得られる。合成混合物に含まれるアンモニウムカーバメイトは次の分解工程で分解することになり、また未反応原料は分離する必要があるので、リアクターＡでの尿素への反応率が高いほど好ましく、そのためリアクターＡでは、一般には高温（１７５〜２００℃）・高圧（１３０〜２００ｂａｒ）で運転される。
【００２２】
原料であるアンモニアは、アンモニア導入ライン１を通じてリアクターＡ内に導入される。原料である二酸化炭素は、二酸化炭素導入ライン２及び２ａを通じてリアクターＡ内に導入される。二酸化炭素及びアンモニアの一部は、後述するコンデンサーＥから凝縮液導入ライン７ａ及び原料導入ライン１ａを通じても供給される。凝縮液導入ライン７ａは、原料としてアンモニア導入ライン１から導入されるアンモニアの少なくとも一部を駆動流体としたエジェクター１２が接続されている。エジェクター１２の設置は必須ではないが、リアクターＡの圧力はコンデンサーＥの圧力より高いため、原料としてリアクターに導入するアンモニアの少なくとも一部を駆動流体としたエジェクター１２を設置することが好ましい。なお、コンデンサーＥとリアクターＡの圧力差の分だけ高い位置に設置しても同じ効果が得られるが、エジェクター１２を利用することで運転がより安定する。
【００２３】
リアクターＡで得られた合成混合物は、合成混合物ライン３ａを通じてストリッパーＢに導入される。ストリッパーＢでは、合成混合物を加熱することでアンモニウムカーバメイトをアンモニア及び二酸化炭素に分解し、さらに少なくとも一部の原料二酸化炭素を助剤としてストリッピングすることで、アンモニア及び二酸化炭素を含む分解ガスを分離する（分解工程）。ただし、ストリッパーＢでアンモニア及び二酸化炭素の全てを合成混合物中の尿素と水から分離することはできないので、アンモニア、二酸化炭素、水及び尿素を含む尿素合成液が得られることになる。二酸化炭素はアンモニアと反応したアンモニウムカーバメイトとして尿素合成液に含まれており、通常、ストリッパーＢからの尿素合成液はアンモニウムカーバメイトとしてのアンモニアも含めてアンモニアを１０〜１５重量％程度含んでいる。
【００２４】
ストリッピングの助剤となる二酸化炭素は、二酸化炭素導入ライン２及び２ｂを通じてストリッパーＢ内に導入される。ストリッパーＢ内は、ストリッパー加熱媒体導入ライン２１から導入される加熱媒体により加熱され、当該加熱媒体はストリッパー加熱媒体排出ライン２２から排出される。加熱媒体としては、通常、スチーム（水蒸気）が用いられる。スチームの圧力は、例えば２０ｂａｒに設定される。
【００２５】
ストリッパーＢで得られた尿素合成液は、ストリッパーＢの底部に接続された尿素合成液ライン４ａから排出され、制御弁１１により減圧されてガス液混合物となる（減圧工程）。制御弁１１では、通常１５〜２０ｂａｒに減圧され、１３０〜１４０℃のガス液混合物が得られる。ガス液混合物に含まれるアンモニア及び二酸化炭素の濃度は、それぞれ１０〜１５重量％とすることが好ましい。
【００２６】
得られたガス液混合物を、ガス液混合物ライン４ｃを通じてシェルアンドチューブ熱交換器Ｃに導入し、またストリッパーＢで分離された分解ガスを、分解ガスライン４ｂを通じてシェルアンドチューブ熱交換器Ｃに導入することで、ガス液混合物を分解ガスで加熱する（加熱工程）。こうすることで、ガス液混合物に残存するアンモニウムカーバメイトを、アンモニア及び二酸化炭素に分解することができる。通常、この工程によりガス液混合物を１５０〜１６５℃まで加熱する。
【００２７】
本発明では、この加熱工程において、シェルアンドチューブ熱交換器Ｃのチューブ側に分解ガスを導入しつつ、シェル側にガス液混合物を導入する。高い圧力の分解ガスを熱シェルアンドチューブ熱交換器Ｃのシェル側に流すためには、シェルアンドチューブ熱交換器Ｃ全体の設計圧力を高くする必要があるので、ここでは高い圧力の分解ガスをチューブ側に流す。分解ガスは、チューブ入口Ｃｉから導入され、ガス液混合物の加熱に利用された上で、チューブ出口Ｃｏから排出されるが、加熱効率の観点から、分解ガスをシェルアンドチューブ熱交換器Ｃのチューブ側ノズルのうち上方にあるノズルより導入することが好ましい。
【００２８】
シェルアンドチューブ熱交換器Ｃは、縦型でもよく横型でもよいが、設置面積が少なくコンパクトに設置できることから縦型が好ましい。縦型のシェルアンドチューブ熱交換器を採用する場合は、直管チューブを採用して分解ガスを上方から下方へ流すようにすることが好ましい。そうすることで、凝縮した液はチューブの内壁面を流下し、ガスも同じ方向を流れるため、チューブ内を流れている流体が気液分離してしまう可能性を低減できる。なお、縦型のシェルアンドチューブ熱交換器を採用する場合、ガス液混合物をシェル側ノズルのうち下方にある入口ノズルより導入（下方から上方に流す）することが好ましい。一方、横型のシェルアンドチューブ熱交換器を採用する場合は、Ｕ−チューブを採用することでチャンネル部（フランジ）を減らせることから安価であるという特徴があり、特にチューブ内でのガス液の分離が顕著でない場合には、好適に用いることが可能である。この場合、例えば、チューブ側ノズルのうち上方にあるノズルを分解ガスのガス入口ノズルとし、下方にあるノズルをガス及び凝縮液を排出する出口ノズルにして、チューブ内で凝縮した液が重力により排出する構造とする。一方、シェル側にガス液混合物を導入する際は、シェルの底部、チューブ側出口に近いノズルから導入し、加熱されて発生したガスとシェル導入時に含まれていたガスの排出はシェル上部のノズルから、液は入口ノズルと反対のシェル底部からそれぞれ排出する。
【００２９】
シェルアンドチューブ熱交換器Ｃで加熱されたガス液混合物は、ガス液混合物ライン５ａを通じて精製システムＤに導入される。精製システムＤでは、ガス液混合物からアンモニア、二酸化炭素及び水を含む未反応物を分離して尿素水溶液を得るとともに、分離された未反応物が回収される（精製工程）。
【００３０】
精製システムＤでは、ガス液混合物をアンモニア、二酸化炭素及び水を含む未反応物を分離するのに適した圧力まで下げて、さらにスチームにて加熱することで実質的な尿素水溶液を得る。一般に、ガス液混合物に残留するアンモニアと二酸化炭素の量の合計が約１５重量％以上の場合には、例えば特許文献２または４に記載されるような１５〜２０ｂａｒの中圧分解塔と２〜５ｂａｒの低圧分解塔の２段階システムとし、残留量の合計が１５重量％未満の場合には低圧分解塔のみのシステムとする。
【００３１】
精製システムＤでは、ガス液混合物に残留するアンモニアと二酸化炭素を除去するが、その際に必要な熱は、後述するコンデンサーＥで発生したＬＰスチームを利用することができる。ＬＰスチームの圧力は、コンデンサーＥの運転温度から決定される。合成系の運転圧力が高いほどコンデンサーＥの温度が高くなるので、発生するＬＰスチームの圧力も高くなるが、一般的には４〜６ｂａｒ（１５１〜１６４℃）である。精製システムＤでは、このＬＰスチームを加熱に使うが、中圧分解塔及び低圧分解塔（特に中圧分解塔）で上げられる温度には限界があり、スチームの飽和温度とプロセス温度の差を１０℃とすると、５ｂａｒのＬＰスチームの場合で中圧分解塔を１４１℃まで、６ｂａｒのＬＰスチームの場合で１５４℃まで上げるのが適当である。さらに温度を上げることはできるが、加熱器の伝熱面積が大きくなり経済的な点から採用されない。中圧分解塔の温度を上げると、中圧分解塔から出る尿素水溶液に含まれる未反応残留物のアンモニウムカーバメイト、アンモニアが減少し、下流の低圧分解塔の負荷が下がる。
【００３２】
精製システムＤで得られた尿素水溶液は、わずかにアンモニア及び二酸化炭素を含む。尿素水溶液は、尿素水溶液ライン６ａを通じて尿素濃縮工程に送られ、真空の状態での加熱により濃縮してもよい。濃縮された尿素水溶液は製品化工程に送られ、最終的な製品である固体尿素を製造してもよい。
【００３３】
中圧分解塔及び低圧分解塔で分離されたアンモニア及び二酸化炭素は、それぞれの中圧吸収器及び低圧吸収器にて溶媒としての水に吸収させることで回収する。低圧吸収器で得られた回収液は、圧力がより高い条件では吸収能力があるので、中圧吸収器に送られ吸収溶媒として使われる。中圧吸収器において中圧分解塔で分離されたアンモニア及び二酸化炭素を吸収して得られた回収液は、必要な圧力まで昇圧された上で、コンデンサーＥに送られる。コンデンサーＥに回収液として送られる水は少ないほど尿素への転化率が上がることから、低圧吸収器に送られる水の量は少ない方が好ましい。低圧吸収器に送られる水を減らすには、低圧分解塔で分離する未反応物を少なくすることが有効であるが、そのため中圧分解塔での未反応物の分離を多くするのが好ましく、それは中圧分解塔での温度を上げることで達成される。中圧分解塔の温度を上げて未反応物をできる限り除去することは、尿素合成には好都合であり、尿素合成工程で発生したスチームを使わずに中圧分解塔を加熱する方法が採られることもある。
【００３４】
精製システムＤで回収された未反応物（回収液）は、回収未反応物ライン６ｂ及び６ｃを通じてコンデンサーＥに導入される。また、シェルアンドチューブ熱交換器Ｃにおいてガス液混合物の加熱に利用した分解ガス（一部が凝縮したガス液混合物になっている）は、分解ガスライン５ｂを通じてコンデンサーＥに導入される。コンデンサーＥでは、未反応物及び分解ガスを冷却媒体により冷却して凝縮させることで、凝縮液が得られる（凝縮工程）。コンデンサーＥで得られる凝縮液中のＮ／Ｃは、２．５〜３．５とすることが好ましく、２．８〜３．２とすることがより好ましい。
【００３５】
コンデンサーＥでアンモニア及び二酸化炭素は反応してアンモニウムカーバメイトになり、さらにアンモニウムカーバメイトの一部は脱水反応により尿素となることから、コンデンサーＥで凝縮された凝縮液は一定時間（例えば２５分）滞留させることが好ましい。コンデンサーＥとしては、滞留時間が十分取れることから、気泡塔タイプの縦型凝縮反応器（凝縮器とも呼ぶ）を用いることが好ましい。この縦型凝縮反応器としては、例えば特許文献３に開示されているコンデンサーを好適に利用できる。
【００３６】
コンデンサーＥの冷却媒体としては、例えば水を用いることができる。コンデンサー冷却媒体導入ライン３１に水を供給することで、コンデンサー冷却媒体排出ライン３２からＬＰスチーム（４〜６ｂａｒ）が排出される。前述のように、ＬＰスチームは、中圧分解塔及び低圧分解塔の加熱に利用されるのが一般的である。
【００３７】
コンデンサーＥからの凝縮液は、まだ未反応原料を多く含んでいることから、凝縮液導入ライン７ａ及び原料導入ライン１ａを通じてリアクターＡに導入される。前述のとおり、リアクターＡの圧力はコンデンサーＥの圧力より高いため、原料としてリアクターに導入するアンモニアの少なくとも一部を駆動流体としたエジェクター１２が設置されていることが好ましい。コンデンサーＥで発生するオフガス（凝縮しなかったガスで、主にアンモニア、二酸化炭素及びイナートからなる）は、オフガスライン７ｂを通じて精製システムＤに送られる。
【００３８】
なお、精製システムＤで回収された未反応物（回収液）の一部は、回収未反応物ライン６ｄを通じて、ストリッパーＢからの分解ガスとともにシェルアンドチューブ熱交換器Ｃに導入することもできる。こうすることで、シェルアンドチューブ熱交換器Ｃにおいて、アンモニア及び二酸化炭素の凝縮が容易に進む。回収液の分配割合に関しては、回収液全体の３０重量％を超えない量をシェルアンドチューブ熱交換器Ｃに導入することが好ましく、２０重量％を超えない量とすることがより好ましい。回収液をシェルアンドチューブ熱交換器Ｃに多く導入すると、コンデンサーＥから出るオフガスが多くなる傾向が見られる。また、すべての回収液をコンデンサーＥに導入し、コンデンサーＥ上部のスクラバー（充填層）にてオフガスを洗浄し、オフガスに含まれるアンモニア及び二酸化炭素の一部を溶解させた回収液をシェルアンドチューブ熱交換器Ｃに送る方法も考えられる。
【００３９】
以上のような本発明によれば、ストリッパーＢから排出される尿素合成液に残留する未反応物を効率よく分離することができる。また、コンデンサーＥを小さくすることができ、中圧分解塔でできるだけ多くの未反応物を除去することで、精製システムＤで必要とする水を少なくすることができる。その結果、尿素の製造をより効率的に行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００４０】
Ａ    リアクター
Ｂ    ストリッパー
Ｃ    シェルアンドチューブ熱交換器
Ｃｉ  チューブ入口
Ｃｏ  チューブ出口
Ｄ    精製システム
Ｅ    コンデンサー
１    アンモニア導入ライン
１ａ  原料導入ライン
２    二酸化炭素導入ライン
２ａ  二酸化炭素導入ライン
２ｂ  二酸化炭素導入ライン
３ａ  合成混合物ライン
４ａ  尿素合成液ライン
４ｂ  分解ガスライン
４ｃ  ガス液混合物ライン
５ａ  ガス液混合物ライン
５ｂ  分解ガスライン
６ａ  尿素水溶液ライン
６ｂ  回収未反応物ライン
６ｃ  回収未反応物ライン
６ｄ  回収未反応物ライン
７ａ  凝縮液導入ライン
７ｂ  オフガスライン
１１  制御弁
１２  エジェクター
２１  ストリッパー加熱媒体導入ライン
２２  ストリッパー加熱媒体排出ライン
３１  コンデンサー冷却媒体導入ライン
３２  コンデンサー冷却媒体排出ライン
【図１】
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【国際調査報告】
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