РЕАКТОР ДЛЯ ДВУХФАЗОВЫХ РЕАКЦИЙ, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ СИНТЕЗА МОЧЕВИНЫ ПРИ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИИ И ТЕМПЕРАТУРЕ Российский патент 1999 года по МПК B01J10/00 C07C273/04 

Изобретение относится к реактору для двухфазных реакций, в частности для синтеза мочевины при высоком давлении и температуре, такого типа, который включает практически цилиндрический вертикальный внешний корпус, множество установленных друг над другом ситчатых тарелок, размещенных горизонтально с интервалом относительно друг друга в корпусе, и по меньшей мере одно отверстие для жидкого потока, размер которого определен в соответствии с размером каждой из ситчатых тарелок.

Настоящее изобретение относится также к модернизации in situ реакторов для двухфазных реакций, в частности для синтеза мочевины при высоком давлении и температуре.

В приведенном ниже описании и последующей формуле изобретения термин модернизация in situ следует понимать как обозначающий модификацию на месте уже существующего реактора с целью улучшения его эксплуатационных характеристик и достижения, например, более высокой производительности и/или увеличенного выхода продукта конверсии и/или снижения энергетических затрат.

Другими терминами в данной области, обозначающими модернизацию такого типа, являются "модификация" или "реконструкция".

При проведении двухфазных реакций при высоких давлении и температуре, например при синтезе или гидролизе мочевины, существует необходимость в увеличении выхода продукта во время конверсии в реакторах для синтеза с целью повышения их производительности и снижения энергетических затрат в установке, в составе которой работают указанные реакторы.

Для достижения указанной цели все более широкое применение находят синтезные реакторы, имеющие вертикальный цилиндрический корпус, содержащий множество установленных друг над другом горизонтальных ситчатых тарелок, размещенных с определенным интервалом между ними.

Реакционный продукт, например мочевину, получают введением в гомогенный контакт содержащих аммиак и диоксид углерода (CO₂) жидкой и газообразной фазы, движущихся в корпусе снизу вверх.

Функция ситчатых тарелок состоит в смешении указанных фаз с целью упростить их вхождение в гомогенный контакт и, следовательно, обеспечить массо- и теплообмен, необходимые для конверсии реагентов, аммиака и CO₂ в мочевину.

В зависимости от используемых ситчатых тарелок в соответствии с известным уровнем техники различают в основном два типа синтезных реакторов для двухфазных реакций.

Реактор первого типа, как показано на фиг. 1, имеет множество установленных друг над другом ситчатых тарелок, проходящих горизонтально по всему поперечному сечению реактора, в которых предусмотрено множество отверстий для прохождения двухфазного потока газа и жидкости.

Поскольку жидкая и газообразная фазы перемещаются через одни и те же отверстия, происходит чередующееся прохождение газа и жидкости с пульсацией потока, которая препятствует гомогенному смешению газа и жидкости. Результатом этого являются низкие коэффициенты массо- и теплопереноса и, следовательно, низкий выход конверсии.

В другом случае, как показано на фиг. 3, синтезный реактор имеет множество установленных друг над другом горизонтальных ситчатых тарелок, размещенных с определенным интервалом между ними. Между внешней кромкой каждой из тарелок и внутренней стенкой реактора предусмотрена кольцевая апертура.

Однако даже в этом случае невозможно добиться целевого гомогенного смешения между жидкой фазой и газообразной фазой, поскольку жидкость истекает преимущественно вдоль периферийных апертур, тогда как газ проявляет тенденцию к коалесценции в центральной части реактора.

Поскольку в таких реакторах не обеспечивается эффективный гомогенный контакт между реагентами, при помощи известных реакторов не представляется возможным добиться оптимальных обмена между материалами и теплообмена, что является основным условием достижения оптимального выхода продукта конверсии. Следовательно, известные реакторы работают с гораздо более низкой, чем позволяет их потенциал, производительностью, обусловливающей высокие энергозатраты установок, в которых функционируют указанные реакторы, например, для получения мочевины.

Техническая проблема, лежащая в основе настоящего изобретения, состоит в создании синтезных реакторов, способных работать с высоким выходом продукта конверсии и обеспечивающих тем самым достижение более высокой производительности и значительно более низких энергетических затрат, чем те, которые характерны для реакторов установок в соответствии с описанным выше известным уровнем техники.

Для решения вышеуказанной проблемы согласно настоящему изобретению предлагается реактор указанного типа, отличающийся тем, что отверстия для жидкого потока, размеры которых определены в соответствии с размерами по меньшей мере двух смежных ситчатых тарелок, взаимно смещены.

В приведенном ниже описании и в последующей формуле изобретения под понятие "взаимно смещенные отверстия" обозначает множество отверстий, по существу предназначенных для пропускания жидкой фазы, проекция которых не совмещается с отверстиями, размеры которых определены в соответствии с размерами смежных ситчатых тарелок.

Было установлено, что в реакторе по настоящему изобретению жидкая фаза истекает предпочтительно вдоль практически зигзагообразной траектории потока, которая пересекает по существу вертикальный путь движения газообразной фазы.

Такое решение позволяет обеспечить непрерывное смешение упомянутых фаз по всему пути движения потока, определяемому между смежными сетчатыми тарелками. Тем самым обеспечивается предпочтительное повышение гомогенности контакта между реагентами, благодаря чему возрастают коэффициенты массо- и теплообмена между жидкостью и газом.

Преимущество реактора по настоящему изобретению состоит в том, что обеспечивается высокий выход продукта конверсии, оптимизация его производительности и сводятся к минимуму энергетические затраты установки, в которой работает такой реактор.

В предпочтительном варианте выполнения предлагаемого реактора по меньшей мере одну из смежных ситчатых тарелок разделяют на множество перфорированных секторов и смежных с ними неперфорированных секторов.

В предпочтительном варианте эти перфорированные и неперфорированные секторы проходят по меньшей мере по одной ситчатой тарелке между кромкой, смежной с отверстием для потока жидкости, и противоположной кромкой, смежной с внутренней стенкой корпуса.

Благодаря такой особой конструкции ситчатых тарелок можно дополнительно повысить эффективность смешения между газообразной фазой и жидкой фазой и, таким образом, повысить производительность реактора.

Фактически наличие у тарелок неперфорированных секторов упрощает пенетрацию жидкой фазы, перетекающей с одной тарелки на другую вдоль фактически зигзагообразного пути движения потока, в газообразную фазу, поток которой проходит вдоль реактора по практически вертикальной траектории.

Когда жидкая фаза движется по ситчатой тарелке, она практически разделяется на множество потоков, которые пересекают потоки газообразной фазы, выходящие из перфорированных секторов тарелки. Эти газообразные потоки, в свою очередь, вызывают всасывание жидких потоков, движущихся рядом с ними.

Результатом наличия множества чередующихся жидких и газообразных потоков, находящихся в непосредственном контакте между собой, является увеличение поверхности обмена между фазами во время их перемещения с одной тарелки на последующую, что вызывает, таким образом, увеличение плотности контакта между реагентами и усиливает массо- и теплообмен.

Следовательно, результатом разделения по меньшей мере одной ситчатой тарелки на перфорированные и неперфорированные секторы является более быстрое и более гомогенное смешение жидкой фазы с газообразной фазой.

Было установлено также, что оптимальное смешение достигается в том случае, когда перфорированные и неперфорированные секторы являются по существу прямолинейными, параллельными и предпочтительно равными по ширине.

В предпочтительном варианте в реакторе по настоящему изобретению отверстия для жидкого потока выполнены в диаметрально противоположных частях смежных тарелок, что позволяет довести до максимума длину пути при перемещении потока жидкой фазы между смежными ситчатыми тарелками и повысить плотность контакта между реагентами.

В соответствии с другим предметом настоящего изобретения предлагается также способ модернизации in situ реактора для двухфазных реакций, в частности для синтеза мочевины при высоком давлении и температуре, в котором происходит параллельное истечение газовой фазы и жидкой фазы.

В первом варианте способа по настоящему изобретению предусмотрена модернизация in situ реактора для двухфазных реакций, в частности для синтеза мочевины, при высоком давлении и температуре, в котором происходит параллельное истечение газовой фазы и жидкой фазы и который включает вертикальный цилиндрический корпус, в котором имеется множество установленных друг над другом ситчатых тарелок, размещенных горизонтально по всему поперечному сечению корпуса с определенным интервалом между ними. В данном случае способ отличается тем, что он включает стадию выполнения по меньшей мере в двух смежных ситчатых тарелках соответствующих взаимно смещенных отверстий для жидкого потока.

Во втором варианте способа по настоящему изобретению предусмотрена модернизация in situ реактора для двухфазных реакций, в частности для синтеза мочевины, при высоком давлении и температуре, в котором происходит параллельное истечение газообразной фазы и жидкой фазы и который включает вертикальный цилиндрический корпус, в котором имеется множество установленных друг над другом горизонтальных ситчатых тарелок, размещенных с определенным интервалом между ними, причем между внешней кромкой каждой из указанных тарелок и внутренней стенкой корпуса образована по крайней мере одна апертура. В этом случае способ отличается тем, что он включает стадию частичного перекрывания апертур в соответствии с размерами по меньшей мере двух смежных тарелок посредством отражательных пластин, причем отражательные пластины определяют размеры соответствующих взаимно смещенных отверстий для жидкого потока.

В третьем варианте способа по настоящему изобретению предусмотрена модернизация in situ реактора для двухфазных реакций, в частности для синтеза мочевины, при высоком давлении и температуре, в котором происходит параллельное истечение газообразной фазы и жидкой фазы и который включает вертикальный цилиндрический корпус, в котором имеется множество установленных друг над другом горизонтальных ситчатых тарелок, размещенных с определенным интервалом между ними, причем между внешней кромкой каждой из указанных тарелок и внутренней стенкой корпуса образована по крайней мере одна апертура. В этом случае способ отличается тем, что он включает стадии перекрывания апертур в соответствии с размерами по меньшей мере двух смежных тарелок посредством отражательных пластин и выполнения в указанных смежных ситчатых тарелках соответствующих взаимно смещенных отверстий для жидкого потока.

В предпочтительном варианте способ по настоящему изобретению дополнительно включает стадию образования по меньшей мере в одной из смежных ситчатых тарелок множества смежных перфорированных и неперфорированных секторов.

По меньшей мере в одной из смежных ситчатых тарелок предпочтительно предусмотреть смежные перфорированные и неперфорированные секторы с возможностью перекрывания в определенных секторах предусмотренных в ней отверстий.

Способ по настоящему изобретению дополнительно включает в качестве альтернативного варианта стадию установки в корпусе по меньшей мере одной ситчатой тарелки, в которой предусмотрено множество смежных перфорированных и неперфорированных секторов.

Отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения более подробно представлены ниже в описании вариантов его выполнения, не ограничивающих объем изобретения, со ссылками на прилагаемые чертежи.

Настоящее описание относится, в частности к синтезу мочевины, при высоком давлении и температуре. Однако очевидно, что приведенное ниже описание применимо также в отношении двухфазных реакций других типов, таких как реакция гидролиза мочевины.

На фиг. 1 в продольном сечении представлен известный реактор для двухфазной реакции, в частности для синтеза мочевины, при высоком давлении и температуре.

На фиг. 2 показан поперечный разрез реактора по фиг. 1 по линии А-А.

На фиг. 3 в продольном сечении представлен известный реактор для двухфазных реакций, в частности для синтеза мочевины, при высоком давлении и температуре.

На фиг. 4 показан поперечный разрез реактора по фиг. 3 по линии В-В.

На фиг. 5 в продольном сечении представлен реактор для двухфазных реакций, в частности для синтеза мочевины, при высоком давлении и температуре по настоящему изобретению. На фиг. 5 в продольном сечении показан также реактор, представляющий собой модификацию реакторов по фиг. 1 и 3, модернизированных в соответствии с другим предметом настоящего изобретения.

На фиг. 6 представлен поперечный разрез по линии C-C реактора по настоящему изобретению по фиг. 5. На фиг. 6 представлен также поперечный разрез по линии C-C по фиг. 5 реактора, представляющего собой модификацию реактора по фиг. 1.

На фиг. 7 представлен поперечный разрез по линии C-C по фиг. 5 реактора, представляющего собой модификацию реактора по фиг. 3.

На фиг. 8 представлен поперечный разрез другого варианта выполнения реактора по настоящему изобретению по линии C-C по фиг. 5. На фиг. 8 представлен также поперечный разрез по линии C-C по фиг. 5 еще одного варианта реактора, представляющего собой модификацию реактора по фиг. 1.

На фиг. 9 представлен поперечный разрез по линии C-C по фиг. 5 другого варианта реактора, представляющего собой модификацию реактора по фиг. 3.

На фиг. 1-4 под общей позицией 1 обозначен реактор, который прежде всего пригоден для синтеза мочевины при высоком давлении (100-300 бар) и температуре (180-220^oC).

Реактор 1 включает вертикальный цилиндрический корпус 2, на концах которого имеются патрубки 3 и 4 соответственно для ввода холодных и возвращаемых в процесс реагентов, включая аммиак и CO₂, и для удаления реакционных продуктов. Реагенты проходят по реактору 1 в форме жидкой фазы и газообразной фазы.

Реакторы 1 такого типа, как на фиг. 3, обычно снабжены двумя независимыми выпускными патрубками (не показаны) для раздельного отвода соответственно жидкой и газообразной фазы.

В корпусе 2 вблизи патрубка 3 предусмотрен отражатель 5 для отклонения потока реагентов, входящего в реактор 1.

Позициями 6a-6e обозначено множество установленных с определенным интервалом друг над другом горизонтальных ситчатых тарелок. Тарелки 6a-6e снабжены соответствующим множеством отверстий заданного размера, например 3-12 мм, которые во всех случаях обозначены позицией 7.

Как правило, ситчатые тарелки распределяют по всей полезной высоте H реактора; их функция состоит в распределении газообразной фазы в виде массы пузырьков малого диаметра для увеличения поверхности массо- и теплообмена между аммиаком и CO₂.

В примере на фиг. 1 ситчатые тарелки 6a-6e размещены горизонтально по всему поперечному сечению корпуса 2.

В примере на фиг. 3 диаметр указанных ситчатых тарелок 6a-6e меньше внутреннего диаметра корпуса 2, что определяет между внешней кромкой 8 каждой тарелки 6a-6e и внутренней стенкой 9 корпуса 2 кольцевую апертуру 10.

Ситчатые тарелки 6a-6e на фиг. 3 также снабжены кольцевым выступом 11, направленным вниз и проходящим вдоль всей внешней кромки 8 тарелки.

На фиг. 1 стрелками F показан путь движения потоков реагентов через ситчатые тарелки 6a-6e. Поведение газообразной фазы и жидкой фазы в реакторе 1 подобно их поведению в реакторе с поршневым потоком, поскольку жидкость и газ не могут одновременно проходить через отверстия 7, а поочередно проталкиваются через них.

На фиг. 3 стрелками Fg и F1 указаны соответственно пути истечения газообразной фазы и жидкой фазы в реакторе 1.

На фиг. 5 общей позицией 1 обозначен реактор, который прежде всего пригоден для синтеза мочевины при высоком давлении и температуре по настоящему изобретению.

На этом чертеже детали реактора 1, которые конструкционно и функционально эквивалентны деталям по фиг. 1-4, обозначены теми же позициями и в дальнейшем не описаны.

Размерами по меньшей мере двух смежных ситчатых тарелок 6a-6e реактора 1 по фиг. 5 определяются размеры соответствующих отверстий 12a-12e для истечения жидкости, смещенных относительно друг друга таким образом, чтобы обеспечить преимущественную траекторию потока жидкой фазы по существу зигзагообразной конфигурации, как показано стрелками F1.

Cитчатые тарелки 6a-6e закреплены в корпусе обычным путем; на практике обеспечивают по существу их плотное прилегание к внутренней стенке 9, исключая небольшой зазор в несколько миллиметров, гарантирующий пассивацию против коррозии. В свою очередь каждое отверстие 12a-12e для потока жидкости предпочтительно определяется частями, которые расположены диаметрально противоположно отверстиям 12a-12e для потока жидкости, выполненным в смежных тарелках 6a-6e.

В предпочтительном варианте отверстия 12a-12e для потока жидкости имеют форму практически кругового сегмента, как показано на фиг. 6. По другому варианту эти отверстия для потока жидкости могут быть выполнены с помощью одной или нескольких апертур по существу многоугольной, круглой или эллипсоидной формы.

Газообразную фазу, которая проходит в корпусе 2 по принципу прямотока вдоль вертикальной траектории истечения (на фиг. 5 показана стрелкой Fg), распределяют пропусканием через отверстия 7 в виде массы мелких пузырьков b, которые пересекают путь движения потока жидкости, определяемый между смежными ситчатым тарелками, и которые одновременно смешиваются с ней.

Таким образом можно повысить гомогенность контактирования между реагентами и, следовательно, добиться высокого выхода конверсии с одновременным доведением до максимума производительности реактора и сведением к минимуму энергетических затрат установки для получения мочевины.

Наиболее удовлетворительные результаты были получены при площади поперечного сечения отверстий 12a-12e для истечения жидкости в пределах от 1 до 10% от площади поперечного сечения корпуса 2.

В соответствии с одним из вариантов выполнения реактора по настоящему изобретению (не показан) отверстия 12a-12e для истечения жидкости, размеры которых согласуются с размерами смежных ситчатых тарелок 6a-6e, могут располагаться поочередно соответственно вблизи продольной оси корпуса и между внешней кромкой 8 тарелок и внутренней стенкой 9 корпуса.

В этом последнем случае достигают радиального центробежного/центростремительного движения жидкой фазы.

На фиг. 5 также представлен реактор, прежде всего пригодный для синтеза мочевины при высоком давлении и температуре и представляющий собой модификацию реактора соответственно по фиг. 1 и 3, модернизированного в соответствии еще с одним предметом настоящего изобретения.

В соответствии с первым вариантом этого способа по настоящему изобретению модернизация реактора 1 по фиг. 1 состоит в выполнении по меньшей мере в двух смежных ситчатых тарелках 6a-6e соответствующих отверстий 12a-12e для истечения жидкости, взаимно смещенных таким образом, чтобы обеспечить преимущественную траекторию потока жидкой фазы практически зигзагообразной конфигурации (показано на фиг. 5 стрелками F1).

Каждое из отверстий (12a-12e) для жидкого потока по фиг. 6 предпочтительно выполняют путем удаления периферийной части тарелки между внутренней стенкой 9 корпуса и внешней кромкой 8 тарелки.

В соответствии со вторым вариантом способа по настоящему изобретению модернизация реактора 1 по фиг. 3 заключается в том, что по меньшей мере две смежных кольцевых апертуры 10 частично перегораживают отражательными перегородками 13, определяющими соответствующие отверстия 12a-12e для жидкого потока, которые взаимно смещены таким образом, чтобы обеспечить преимущественно зигзагообразную траекторию потока, как это описано выше.

Указанный вариант прежде всего пригоден в случае кольцевых апертур 10, ширина которых достаточна для того, чтобы часть апертуры 10, не перегороженная отражательной перегородкой 13, определяла отверстия 12a-12e для истечения жидкости.

В данном случае под понятием достаточной ширины подразумевается ширина апертур 10 не менее 4 см.

Как показано на фиг. 7, в предпочтительных отражательных перегородках 13 предусмотрено множество отверстий, во всех случаях обозначенных позицией 14, которые увеличивают площадь поверхности для прохода газовой фазы в соответствии с размерами смежных тарелок 6a-6e.

Отражательные перегородки 13 закрепляют на корпусе 2 обычным известным методом между ситчатыми тарелками 6a-6e и корпусом 2 с возможностью их демонтажа.

В предпочтительном варианте отверстия 12a-12e для истечения жидкости, модифицированные вышеописанным способом, предусмотрены в диаметрально противоположных секторах смежных тарелок 6a-6e.

Когда ширина апертур 10 составляет менее 4 см, предпочтительно использовать третий вариант способа по настоящему изобретению, в котором предусмотрена модернизация in situ реактора по фиг. 3 посредством первой стадии, когда кольцевые апертуры 10, размеры которых определены в соответствии с размерами по меньшей мере двух смежных тарелок 6a-6e, перекрывают отражательными перегородками 13, и второй стадии, когда в смежных тарелках 6a-6e соответствующие взаимно смещенные отверстия 12a-12e для истечения жидкости выполняют таким образом, чтобы обеспечить преимущественно зигзагообразную траекторию потока жидкой фазы в указанном корпусе.

Благодаря способу модернизации по настоящему изобретению при низких капитальных затратах можно добиться увеличения выхода продукта конверсии и производительности модернизированного реактора при одновременном снижении энергетических затрат установок для получения мочевины.

В предпочтительном варианте как внешнюю кромку 8 тарелок 6a-6e по фиг. 6 и 7, так и внешнюю кромку 15 отражательных перегородок 13 по фиг. 7 снабжают кольцевым выступом 11 известного типа, направленным вниз. Совместно с ситчатой тарелкой 6a-6e и необязательно с отражательной перегоредкой 13 этот кольцевой выступ 11 образует газосборную камеру 16, что способствует непрерывному прохождению газообразной фазы через отверстия 7 и необязательно 14.

Было также установлено, что наличие кольцевого выступа 11 упрощает перемещение потока жидкой фазы между отверстиями 12a-12e для истечения жидкости преимущественно по зигзагообразной траектории.

В зависимости от размеров синтезного реактора любой специалист в данной области техники обычно достаточно легко может определить оптимальную высоту кольцевого выступа 11. Как правило, высота кольцевого выступа 11 составляет от 100 до 300 мм.

В предпочтительном варианте выполнения реактора по настоящему изобретению по меньшей мере у двух смежных ситчатых тарелок, например тарелок 6b и 6c, нижняя ситчатая тарелка (6c) разделена на перфорированные секторы 17, между которыми предусмотрены неперфорированные секторы 18, как показано на фиг. 8.

Перфорированные секторы 17 и неперфорированные секторы 18 проходят на ситчатой тарелке 6c между кромкой 19, смежной с отверстием 12c для истечения жидкости, и противоположной кромкой 20, смежной с внутренней стенкой 9 корпуса 2.

Таким образом, жидкая фаза и газообразная фаза, истекающие в реакторе, самопроизвольно делятся на множество чередующихся потоков, что позволяет фазам быстрее и более гомогенно смешиваться, что, следовательно, повышает производительность синтезного реактора.

Возможность такого чередования потоков обусловлена наличием неперфорированных секторов 18, вдоль которых истекает жидкая фаза и которые перемежаются с перфорированными секторами 17, через которые истекает газообразная фаза.

Чтобы упростить прохождение жидкой фазы к самым удаленным от центра секторам, примыкающие к ним секторы скашивают в продольном направлении возле кромки 19, как показано на фиг. 8 позициями 21.

Для достижения оптимального смешения перфорированные секторы 17 и неперфорированные секторы 18 выполняют по существу прямолинейными, совместимыми с круговой формой ситчатой тарелки 6c, параллельными и равными по ширине.

Такое разделение ситчатых тарелок 6a-6e на перфорированные секторы 17 и неперфорированные секторы 18 целесообразно осуществлять с помощью способа модернизации по настоящему изобретению, который может включать стадию создания по меньшей мере у одной из смежных ситчатых тарелок, например у тарелки 6c, множества перфорированных секторов 17 и смежных с ними неперфорированных секторов 18, как показано на фиг. 8 и 9.

Перфорированные секторы 17 и смежные неперфорированные секторы 18 предпочтительно создавать селективным перекрытием отверстий в тарелке 6c.

В другом варианте способ модернизации по настоящему изобретению может включать стадию снабжения корпуса 2 ситчатой тарелкой 6c со множеством перфорированных секторов 17 и смежных с ними неперфорированных секторов 18.

Выполненные таким образом перфорированные секторы 17 и неперфорированные секторы 18 имеют такие же конструкционные и функциональные характеристики, которые описаны выше со ссылкой на вариант выполнения реактора по настоящему изобретению.

При помощи реактора 1 для синтеза мочевины по фиг. 5 также целесообразно осуществлять способ, дающий увеличение выхода продукта конверсии и производительности уже существующего реактора, в котором происходит параллельное истечение газообразной фазы и жидкой фазы, причем этот реактор имеет вертикальный цилиндрический корпус, в котором предусмотрено множество установленных с определенным интервалом друг над другом горизонтальных ситчатых тарелок, в каждой из которых размер по меньшей мере одного отверстия для истечения жидкости определяется соответственно размером каждой из указанных ситчатых тарелок согласно описанному ниже.

На первой стадии жидкую фазу направляют внутри корпуса снизу вверх вдоль по существу зигзагообразной траектории жидкого потока, создаваемой между отверстиями.

На второй стадии газообразную фазу направляют внутри корпуса снизу вверх вдоль по существу прямолинейной траектории газового потока, создаваемой между ситчатыми тарелками и пересекающей траекторию потока жидкости.

На третьей стадии между ситчатыми тарелками осуществляют непрерывное смешение жидкой фазы с газообразной фазой, истекающими по пересекающимся траекториям потоков жидкости и газа.

Такой способ позволяет повысить гомогенность контактирования и увеличить коэффициенты массо- и теплопереноса между жидкостью и газом.

Реактор для двухфазных реакций по настоящему изобретению целесообразно применять даже для таких реакций, как гидролиз мочевины при высоких давлении и температуре.

Особые конструкционные характеристики реактора по настоящему изобретению дают возможность выделить мочевину, содержащуюся в жидкой фазе в водном растворе, путем воздействия на технологические параметры, такие как давление, температура, продолжительность пребывания, с использованием соответствующих инертных газов (паров) для отдува из раствора.

Этого можно достичь в реакторе 1 по фиг. 5, если направить жидкую фазу снизу вверх по практически зигзагообразной траектории потока, создаваемой между отверстиями 12a-12e для потока жидкости, с одновременным гидролизом мочевины, содержащейся в жидкой фазе, с использованием в газообразной фазе инертного газа (пара) для отдува из раствора, например, водяного пара при высоком давлении и температуре, подаваемого снизу вверх по практически прямолинейной траектории потока, создаваемой между ситчатыми тарелками 6a-6e и пересекающей траекторию жидкости.

Таким образом, между ситчатыми тарелками 6a-6e происходит непрерывное смешение жидкой фазы (раствора, содержащего мочевину) с газообразной фазой (инертным паром для отдува из раствора), истекающими по упомянутым пересекающимся траекториям потоков жидкости и газа, благодаря чему повышается плотность их контактирования и увеличиваются коэффициенты массо- и теплопереноса, способствующие реакции гидролиза мочевины.

В нижеприведенном примере, не ограничивающем объем изобретения, сопоставляются данные выхода продукта конверсии, полученные с применением реактора по настоящему изобретению или модернизированного способом по настоящему изобретению и известного реактора.

Пример 1
В установке для получения мочевины выход продукта конверсии, полученный с применением реактора по настоящему изобретению или модернизированного способом по настоящему изобретению, сопоставляли с выходом продукта конверсии, полученным с применением известного реактора (фиг. 1 и 2).

Оба рассматриваемых реактора характеризовались следующими размерами: внутренний диаметр корпуса - 2,3 м; полезная высота - 35,0 м.

Процесс проводили при следующих условиях: давление - 155 ата; температура - 190^oC молярное соотношение NH₃/CO₂ = 3,3; H₂O₂/CO₂ = 0,6.

Известный реактор имел 10 ситчатых тарелок, распределенных вдоль полезной высоты реактора и проходящих горизонтально по всему поперечному сечению корпуса.

По размерам ситчатых тарелок реактора по настоящему изобретению определяли размеры отверстий для истечения жидкости, как показано на фиг. 5 и 6, которые имели форму кругового сегмента и площадь которых составляла 5% от площади поперечного сечения корпуса. Вдоль внешней кромки каждой из ситчатых тарелок предусматривали также кольцевой выступ, направленный вниз и равный 200 мм.

Далее с помощью объединенной кинетической модели, описанной в публикации "Gas-Liquid Reactor in the Synthesis of Urea", M.Dente и др., Chemical Reactor Engineering, том 47, N 9/11, 6/8, 1992, определяли выход продукта конверсии (в мол.%) CO₂ в мочевину, отводимую из реактора.

Выход продукта конверсии в известном реакторе 60%, в реакторе по настоящему изобретению 63%.

3%-ный прирост выхода в реакторе по настоящему изобретению следует рассматривать как значительное улучшение, поскольку при синтезе мочевины такой прирост позволяет уменьшить количество возвращаемых в реактор 20 непрореагировавших продуктов приблизительно на 7-9% в сравнении с обычным для известного уровня техники, что позволяет значительно повысить производительность синтезного реактора и снизить энергетические затраты установки для получения мочевины.

Изобретение относится к реактору для двухфазных реакций, в частности для синтеза мочевины при высоких давлении и температуре, а также к способу его модернизации. В реакторе происходит параллельное истечение газообразной фазы и жидкой фазы. Реактор включает практически цилиндрический вертикальный внешний корпус (2), в котором имеется множество установленных с интервалом друг над другом горизонтальных ситчатых тарелок (6а - 6е) и по меньшей мере одно отверстие (12а - 12е) для потока жидкости, размер которого определяется размером каждой из ситчатых тарелок. Отверстия (12а - 12е) для потока жидкости предпочтительно взаимно смещены для создания таким образом в реакторе предпочтительной по существу, зигзагообразной траектории потока жидкой фазы. Техническим результатом изобретения является 3%-ный прирост выхода продукта, который следует рассматривать как значительное улучшение, поскольку при синтезе мочевины такой прирост позволяет уменьшить количество возвращаемых в реактор непрореагировавших продуктов приблизительно на 7-9% в сравнении с обычным для известного уровня техники, что позволяет значительно повысить производительность синтезного реактора и снизить энергетические затраты установки для получения мочевины. 6 с. и 25 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Реактор для двухфазных реакций, в частности для синтеза мочевины при высоких давлении и температуре с параллельным истечением в нем газообразной фазы и жидкой фазы, который включает практически цилиндрический вертикальный внешний корпус (2), множество горизонтальных перфорированных тарелок (6а-6е), установленных с определенным интервалом друг над другом в корпусе (2), где каждая перфорированная тарелка (6а-6е) имеет по меньшей мере одно отверстие (12а-12е) для протекания жидкости, размер которого определяется размером каждой из перфорированных тарелок (6а-6е), отличающийся тем, что отверстия (12а-12е), принадлежащие по меньшей мере двум соседним перфорированным тарелкам и предназначенные для протекания жидкости, смещены относительно друг друга. 2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из смежных перфорированных тарелок (6а-6е) разделена на множество перфорированных секторов (17) и смежных с ними неперфорированных секторов (18). 3. Реактор по п. 2, отличающийся тем, что перфорированные секторы (17) и неперфорированные секторы (18) проходят по меньшей мере по одной перфорированной тарелке (6а-6е) между кромкой (19), смежной с отверстием (12а-12е) для протекания жидкости, и противоположной кромкой (20), смежной с внутренней стенкой (9) корпуса (2). 4. Реактор по п. 2, отличающийся тем, что перфорированные секторы (17) и неперфорированные секторы (18) выполнены практически прямолинейными и параллельными. 5. Реактор по п. 4, отличающийся тем, что перфорированные секторы (17) и неперфорированные секторы (18) имеют равную ширину. 6. Реактор по п. 3, отличающийся тем, что перфорированные секторы (17) или неперфорированные секторы (18), примыкающие к наиболее удаленным от центра перфорированным секторам (17) или неперфорированным секторам (18) по меньшей мере одной тарелки (6а-6е), скошены в продольном направлении на одном конце около кромки (19), смежной с отверстием (12а-12е) для протекания жидкости. 7. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что отверстия (12а-12е) для протекания жидкости выполнены в диаметрально противоположных частях смежных тарелок (6а-6е). 8. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что отверстия (12а-12е) для протекания жидкости имеют форму практически кругового сегмента. 9. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что отверстия (12а-12е) для протекания жидкости, размер которых соответствует размерам смежных перфорированных тарелок (6а-6е), образованы поочередно соответственно вблизи продольной оси корпуса (2) и между внешней кромкой (8) тарелок (6а-6е) и внутренней стенкой (9) корпуса (2). 10. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере две смежные перфорированные тарелки (6а-6е) имеют кольцевой выступ (11), направленный вниз и проходящий вдоль одной внешней кромки тарелок (6а-6е) и отверстий (12а-12е) для протекания жидкости. 11. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения отверстий (12а-12е) для протекания жидкости составляет 1-10% от площади поперечного сечения корпуса (2). 12. Реактор по п. 11, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения отверстий (12а-12е) для протекания жидкости составляет приблизительно 5% от площади поперечного сечения корпуса (2). 13. Способ модернизации in situ реактора для двухфазных реакций, в частности, для синтеза мочевины при высоких давлении и температуре, в котором происходит параллельное истечение газообразной фазы и жидкой фазы и который включает вертикальный цилиндрический корпус (2), где имеется множество установленных с определенным интервалом друг над другом перфорированных тарелок (6а-6е), проходящих горизонтально по всему поперечному сечению корпуса (2), отличающийся тем, что он включает стадию выполнения по меньшей мере в двух смежных перфорированных тарелках (6а-6е) соответственно взаимно смещенных отверстий (12а-12е) для протекания жидкости. 14. Способ модернизации in situ реактора для двухфазных реакций, в частности, для синтеза мочевины при высоких давлении и температуре, в котором происходит параллельное истечение газообразной фазы и жидкой фазы и который включает вертикальный цилиндрический корпус (2), где имеется множество установленных с определенным интервалом друг над другом горизонтальных перфорированных тарелок (6а-6е) и по меньшей мере одна апертура (10), расположенная между внешней кромкой (8) каждой из тарелок (6а-6е) и внутренней стенкой (9) корпуса, отличающийся тем, что включает стадию частичного перекрытия апертур (10) в соответствии с размерами по меньшей мере двух смежных перфорированных тарелок (6а-6е) посредством отражательных перегородок (13), определяющих взаимно смещенные отверстия (12а-12е) для протекания жидкости. 15. Способ модернизации in situ реактора для двухфазных реакций, в частности, для синтеза мочевины при высоких давлении и температуре, в котором происходит параллельное истечение газообразной фазы и жидкой фазы и который включает вертикальный цилиндрический корпус (2), где имеется множество установленных с определенным интервалом друг над другом горизонтальных перфорированных тарелок (6а-6е) и по меньшей мере одна апертура (10), размещенная между внешней кромкой (8) каждой из тарелок (6а-6е) и внутренней стенкой (9) корпуса, отличающийся тем, что включает стадии перекрытия апертур (10) в соответствии с размерами по меньшей мере двух смежных перфорированных тарелок (6а-6е) посредством отражательных перегородок (13) и выполнения в смежных тарелках (6а-6е) соответствующих взаимно смещенных отверстий (12а-12е) для протекания жидкости. 16. Способ по пп. 13, 14 или 15, отличающийся тем, что он дополнительно включает стадию размещения по меньшей мере на одной из перфорированных тарелок (6а-6е) множества перфорированных секторов (17) и смежных с ними неперфорированных секторов (18). 17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что перфорированные секторы (17) и неперфорированные секторы (18) выполнены с возможностью перекрытия в определенных зонах отверстий, имеющихся по меньшей мере в одной из смежных перфорированных тарелок (6а-6е). 18. Способ по пп. 13, 14 или 15, отличающийся тем, что он дополнительно включает стадию размещения в корпусе (2) по меньшей мере одной перфорированной тарелки (6а-6е), имеющей множество перфорированных секторов (17) и неперфорированных секторов (18). 19. Способ по п. 16 или 18, отличающийся тем, что перфорированные секторы (17) и неперфорированные секторы (18) проходят по меньшей мере по одной из смежных перфорированных тарелок (6а-6е) между кромкой (19), смежной с отверстием (12а-12е) для протекания жидкости, и противоположной кромкой (20), смежной с внутренней стенкой (9) корпуса (2). 20. Способ по п. 16 или 18, отличающийся тем, что перфорированные секторы (17) и неперфорированные секторы (18) выполнены практически прямолинейными и параллельными. 21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что перфорированные секторы (17) и неперфорированные (18) имеют равную ширину. 22. Способ по п. 19, отличающийся тем, что перфорированные секторы (17) и неперфорированные секторы (18), примыкающие к наиболее удаленным от центра перфорированным секторам (17) и неперфорированным секторам (18) по меньшей мере одной тарелки (6а-6е), скошены в продольном направлении на одном конце около кромки (19), смежной с отверстием (12а-12е) для протекания жидкости. 23. Способ по п. 13 или 15, отличающийся тем, что отверстия (12а-12е) для протекания жидкости выполнены в диаметрально противоположных частях перфорированных тарелок (6а-6е). 24. Способ по п. 13, отличающийся тем, что по меньшей мере на двух смежных тарелках (6а-6е) предусмотрен кольцевой выступ (11), направленный вниз и проходящий вдоль внешней кромки (8) тарелок (6а-6е) и отверстий (12а-12е) для протекания жидкости. 25. Способ по п. 13 или 15, отличающийся тем, что отверстия (12а-12е) для протекания жидкости выполнены за счет удаления соответствующих круговых сегментных участков по меньшей мере двух смежных перфорированных тарелок (6а-6е). 26. Способ по п. 14, отличающийся тем, что отверстия (12а-12е) для протекания жидкости определяются отражательными перегородками (13) в диаметрально противоположных секторах смежных тарелок (6а-6е). 27. Способ по п. 14, отличающийся тем, что по меньшей мере на двух смежных тарелках (6а-6е) и отражательных перегородках (13) предусмотрены соответствующие кольцевые выступы (11), направленные вниз и проходящие вдоль их внешних кромок (8, 15). 28. Способ по п. 15, отличающийся тем, что по меньшей мере на двух смежных тарелках (6а-6е) предусмотрены кольцевые выступы (11), направленные вниз и проходящие вдоль внешней кромки (8) отражательных перегородок (13) и отверстий (12а-12е) для протекания жидкости. 29. Способ увеличения выхода продукта конверсии и производительности реактора для двухфазных реакций, в частности, для синтеза мочевины при высоких давлении и температуре, в котором происходит параллельное истечение газообразной фазы и жидкой фазы и который включает вертикальный цилиндрический корпус (2), где имеется множество установленных с определенным интервалом друг над другом горизонтальных перфорированных тарелок (6а-6е) и по меньшей мере одно отверстие (12а-12е) для протекания жидкости, размер которого определяется размером каждой из перфорированных тарелок (6а-6е), отличающийся тем, что включает стадии принудительного истечения жидкой фазы мочевины в корпусе (2) снизу вверх по практически зигзагообразной траектории потока жидкости, определяемой отверстиями (12а-12е) для протекания жидкости, принудительного истечения газообразной фазы в корпусе (2) снизу вверх по практически прямолинейной траектории газового потока, определяемой перфорированными тарелками (6а-6е) и пересекающей траекторию потока жидкости, и осуществления между перфорированными тарелками (6а-6е) непрерывного смешения жидкой фазы с газообразной фазой, истекающими по пересекающимся траекториям потоков жидкости и газа, с повышением таким образом гомогенности контактирования и увеличением коэффициентов массо- и теплопереноса. 30. Способ удаления мочевины из жидкой фазы, содержащей мочевину в водном растворе, при помощи реактора для двухфазных реакций, в частности, для гидролиза мочевины при высоких давлении и температуре, в котором происходит параллельное истечение газообразной фазы и жидкой фазы и который включает вертикальный цилиндрический корпус (2), где имеется множество установленных с определенным интервалом друг над другом горизонтальных перфорированных тарелок (6а-6е) и по меньшей мере одно отверстие (12а-12е) для протекания жидкости, размер которого определяется размером каждой из перфорированных тарелок (6а-6е), отличающийся тем, что включает стадии принудительного истечения жидкой фазы, содержащей мочевину, в корпусе (2) снизу вверх по практически зигзагообразной траектории потока жидкости, определяемой отверстиями (12а-12е) для протекания жидкости, принудительного истечения в газообразной фазе инертного газа (пара) для отдува из раствора в корпусе (2) снизу вверх по практически прямолинейной траектории газового потока, определяемой перфорированными тарелками (6а-6е) и пересекающей траекторию потока жидкости, и осуществления между перфорированными тарелками (6а-6е) непрерывного смешения жидкой фазы с газообразной фазой, истекающими по пересекающимся траекториям потоков жидкости и газа, с повышением таким образом гомогенности их контактирования и увеличением коэффициентов массо- и теплопереноса, что позволяет упростить реакцию гидролиза мочевины. 31. Способ по п. 30, отличающийся тем, что инертный газ (пар) для отдува из раствора, содержащийся в газовой фазе, представляет собой водяной пар при высоких давлении и температуре.

Приоритет по пунктам:
11.05.94 по пп. 1, 7-10, 12-14, 23-25 и 29.