РЕАКТОР ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ СИНТЕЗА МЕЛАМИНА Российский патент 2019 года по МПК B01J10/00 B01J19/24 B01J3/04 B01J4/00 C07D251/56 C07D251/60 

Область техники

Настоящее изобретение относится к реактору высокого давления для синтеза меламина.

Уровень техники

Процессы синтеза меламина из мочевины обычно разделяют на каталитические процессы, проходящие при низком давлении, как правило, менее 1 МПа, и некаталитические процессы, проходящие при высоком давлении, как правило, выше 7 МПа. Эти процессы хорошо описаны в литературе (см., например, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 6 изд., том 21, стр. 205).

Один из известных процессов синтеза при высоком давлении, описанный, например, в US 6815545, содержит, в основном, три этапа: эндотермическую реакцию конверсии мочевины в меламин внутри первого реактора, называемого первичным реактором; второй этап удаления двуокиси углерода (СО₂) введением газообразного аммиака, и конверсии побочных продуктов в меламин внутри второго реактора, называемого вторичным реактором или стриппинг-реактором; и третий этап, в ходе которого газы, отделенные в верхней части первичного реактора и стриппинг-реактора, отводятся для промывания или мокрой очистки мочевиной, перед возвратом для повторного использования в установку получения мочевины.

Установка, в которой осуществляется этот процесс, обычно содержит первичный реактор, вторичный реактор и скруббер, выполненные в виде отдельных корпусов цилиндрической формы. Расплав мочевины подается в первичный реактор, где проводится первая стадия реакции, представляющая собой эндотермическую реакцию конверсии в меламин; продукт, выходящий из этого реактора, направляется во второй реактор, где он подвергается процессу очистки от содержащихся в нем газов с использованием газообразного аммиака. Жидкий меламин сохраняется внутри этого вторичного реактора некоторое время выдержки (время созревания меламина) для конверсии побочных продуктов, сформировавшихся внутри первичного реактора, в меламин. Жидкий продукт, выходящий из вторичного реактора (расплав меламина), может быть направлен для дальнейшей очистки.

Поток отходящих газов, выделяющихся внутри первичного реактора и внутри вторичного реактора, содержит в основном аммиак и СО₂ с небольшими количествами меламина. Этот поток отходящих газов подвергается промывке расплавом мочевины внутри скруббера. При этом расплав мочевины нагревается в процессе промывки перед его подачей в первичный реактор; отходящие газы с выхода скруббера, освобожденные от меламина, отводятся и, например, подвергаются повторному использованию для синтеза мочевины.

Давление обычно составляет примерно от 70 до 250 бар (7-25 МПа), как правило, примерно 100-120 бар (10-12 МПа).

Устройство известного первичного реактора описано в US 6815545. Реактор в основном содержит: вертикальный цилиндрический корпус; центральную трубу; пучок нагревательных трубок, расположенных кольцом вокруг центральной трубы. Сырье мочевины подводится в дно центральной трубы. Соответственно, в данном известном реакторе поток сначала поднимается по центральной трубе и затем спускается по расположенной вокруг центральной трубы кольцевой области, где установлены нагревательные трубки.

Первичные реакторы такой конструкции широко используются, однако обладают рядом недостатков.

Внешний диаметр пучка трубок почти равен диаметру корпуса реактора, т.е., всего устройства. Поскольку пучок трубок требуется извлекать для периодического обслуживания, в такой конструкции необходим полностью открываемый фланец с трубной решеткой, имеющей практически такой же диаметр, что и реактор. Поэтому трубная решетка обладает большой толщиной, весом и высокой стоимостью. Следует отметить, что реактор работает при высоком давлении (обычно более 100 бар) и, поэтому большой фланец и проем дороги в изготовлении, и могут возникнуть проблемы с герметичностью.

Другой недостаток состоит в том, что пучок нагревательных трубок сложен в изготовлении и поэтому дорог; в частности, нагревательные трубки представляют собой трубки с байонетным креплением (с двойной стенкой), для которых требуется двойная трубная пластина с круговой закраиной, причем одна из пластин имеет большую толщину.

Третий недостаток состоит в том, что впускной патрубок для мочевины, расположенный по центру нагревательного пучка, должен иметь возможность отсоединения и повторного присоединения в процессе обслуживания. Однако доступ к этому впускному патрубку для мочевины затруднен, из-за чего отсоединение и обратное присоединение этого патрубка приводит к длительному дополнительному простою; сложность доступа к соответствующему фланцевому соединению затрудняет выполнение соединения надлежащим образом, что повышает риск протечки через уплотнения. Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение направлено на преодоление недостатков и проблем, указанных выше.

Эта задача решается в реакторе и способе для синтеза меламина из мочевины в некаталитическом процессе при высоком давлении, в соответствии с приложенной формулой.

Реактор имеет вертикальный корпус, по меньшей мере одно впускное отверстие для расплава мочевины и центральную трубу, и отличается тем, что эта центральная труба разделяет внутреннюю область реакции и периферийную область реакции, а группа нагревательных элементов расположена внутри центральной трубы.

В предпочтительном варианте, центральная труба ограничена оболочкой, желательно, цилиндрической, которая окружает группу нагревательных элементов. Эта оболочка может быть сформирована в виде оболочки низкого давления, расположенной внутри реактора. Внешняя оболочка реактора может быть сформирована в виде корпуса высокого давления, поскольку она выдерживает высокое рабочее давление процесса.

Центральная труба разделяет внутреннюю область реакции и периферийную область реакции, которые связаны друг с другом и внутри которых сформирован циркулирующий поток. Периферийная область имеет в поперечном сечении форму круглого венца и может быть снаружи ограничена корпусом самого реактора (корпус высокого давления), либо, возможно, другой оболочкой внутри корпуса реактора.

Согласно изобретению, желательно, чтобы нагревательные элементы не устанавливались в периферийной области вокруг центральной трубы; таким образом, в этой области отсутствуют какие-либо нагревательные элементы.

Согласно изобретению, нагревательные элементы размещаются в центре реактора, т.е., во внутренней области, а не в периферийной области вокруг трубы. Предпочтительно, группой нагревательных элементов является пучок трубок, присоединенных к трубной пластине на дне реактора, в которые подается подходящий теплоноситель.

В предпочтительном варианте выполнения, реактор имеет распределитель для сырья мочевины, который соединяется с упомянутым впускным отверстием для расплава мочевины и выполнен с возможностью подачи мочевины в периферийную область реакции. Более предпочтительно, распределитель обеспечивает однородность и осевую симметрию потока мочевины, подводимого в периферийную область.

В предпочтительном варианте выполнения распределитель имеет тороидальную форму и содержит большое число распределительных отверстий, распределенных по его окружности. Эти отверстия предпочтительно направлены так, чтобы способствовать смешиванию расплава мочевины с потоком, выходящим из внутренней области реакции. Более предпочтительно, чтобы распределитель размещался вокруг по основанию или вокруг по нижней части центральной трубы.

В предпочтительном варианте выполнения, нижний конец центральной трубы отделен промежутком от основания группы нагревательных элементов, образуя тем самым проход для циркуляции жидкости. В более предпочтительном варианте, центральная труба располагается по высоте внутри реактора ниже нагревательных элементов.

При такой геометрии, внутри центральной трубы устанавливается нисходящий поток мимо нагревательных элементов, а восходящий поток рециркуляции устанавливается в окружающей кольцевой области, где нагревательные элементы отсутствуют. Таким образом, в подогреваемой области реакции имеет место нисходящий поток, также как и в существующих реакторах, т.е., сохраняются условия процесса, знакомые специалистам, что является преимуществом. В то же время, конструкция устройства согласно изобретению, обладает преимуществом, обусловленным расположением нагревательных трубок в центральной части реактора.

Смешивание двух текучих сред обеспечивается благодаря осевой симметрии конструкции внутри кольцевой полости.

На верхнем конце периферийной области реакции предпочтительно устанавливается отражатель в форме круглого венца. Этот отражатель предотвращает вихревые движения на открытой поверхности текучей среды внутри реактора и направляет поток во внутреннюю область, содержащую пучок нагревательных трубок. В некоторых предпочтительных вариантах выполнения, с этим отражателем может быть связан коллектор для жидкого меламина.

Изобретение также относится к способу синтеза меламина из мочевины при высоком давлении, в соответствии с формулой изобретения.

Способ включает стадию первичной реакции, на которой поток мочевины преобразуется в меламин в ходе эндотермической реакции внутри вертикального реактора, и которая осуществляется установлением циркулирующего потока жидкой массы, содержащей меламин и мочевину. Данный поток содержит нисходящий поток в в целом колоннообразной области в центре реактора, непосредственно нагреваемый находящимися там нагревательными элементами, и не нагреваемый восходящий поток в периферийной области вокруг этой колонны, не имеющей нагревательных элементов, куда вводится сырье мочевины. Термин "не нагреваемый" означает, что в периферийной области восходящего потока отсутствуют нагревательные элементы, например, нагревательные трубки.

Изобретение имеет следующие преимущества. Группа нагревательных элементов отличается простотой, большей компактностью, простотой изготовления и, поэтому, дешевле, чем в обычных реакторах, благодаря расположению в центре реактора. Фактически, нагревательные элементы расположены в области, имеющей в целом цилиндрическую форму, в центре реактора, вместо кольцевой области с внешним диаметром, равным диаметру самого реактора.

При использовании, например, нагревательных элементов в виде трубок, трубная решетка имеет меньший диаметр и меньшую толщину, а корпус реактора дешевле, поскольку фланцевое соединение с трубной решеткой требует частично открытого проема, вместо полностью открытого. Благодаря использованию предложенной конструкции, упрощается периодическая операция разборки нагревательного пучка, поскольку больше нет необходимости в разборке и восстановлении соединений с линией подачи расплава мочевины. Соответственно, сокращается время простоя установки. Благодаря использованию более простого и малогабаритного нагревательного пучка, разработка и изготовление реакторов большого размера становится менее сложной задачей.

В некоторых вариантах выполнения, реактор в соответствии с изобретением может также включать вторую реакционную камеру, также называемую вторичной камерой, для очистки жидкого меламина от газа аммиаком и (или) секцию для мокрой очистки газов.

Изобретение будет далее рассмотрено более подробно с использованием представленного далее предпочтительного варианта выполнения, описанного на частном примере, не ограничивающем изобретения.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг. 1 схематически представлено поперечное сечение первичного реактора для синтеза меламина при высоком давлении, в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения;

на фиг. 2 представлена версия реактора, показанного на фиг. 1, в соответствии с другим вариантом выполнения изобретения.

Подробное описание осуществления изобретения

На фиг. 1 показан пример реактора, имеющего вертикальный корпус 1, впускное отверстие 2 для расплава мочевины и пучок нагревательных трубок 3 внутри центральной трубы/канала 7, ограниченной цилиндрической оболочкой 4.

Трубки 3 прикреплены к трубной решетке 5, расположенной на дне реактора.

Корпус 1 и оболочка 4 в целом обладают осевой симметрией; предпочтительно, корпус 1 и оболочка 4 имеют цилиндрическую форму.

Оболочка 4 может быть названа внутренней оболочкой низкого давления. В процессе работы она остается погруженной в жидкий меламин и не подвержена воздействию существенных перепадов давления.

Верх оболочки 4 предпочтительно располагается ниже верха труб 3, как это показано на чертеже.

Оболочка 4 также ограничивает в целом кольцевую область 8 снаружи трубы 7. Эта область 8 формирует периферийную область реакции вокруг центральной трубы 7. В примере, приведенном на фиг. 1, эта область 8 заключена между оболочкой 4 и цилиндрическим корпусом 1. Однако в других вариантах выполнения, внешняя периферийная граница этой области 8 может быть сформирована другой оболочкой низкого давления внутри корпуса 1.

Нижний край оболочки 4 отделен промежутком от трубной пластины 5, оставляя проход 9 для циркуляции жидкости.

Линия 2 подачи мочевины присоединена к тороидальному распределителю 10, имеющему вдоль своей окружности большое количество распределительных отверстий для мочевины. Такая конструкция и расположение распределителя 10, обеспечивают однородность подачи мочевины в кольцевую область 8.

Распределитель 10 мочевины, предпочтительно, располагается у основания трубы 7, как это показано на фиг. 1, в той же области, что и проход 9 для циркуляции жидкости. В некоторых вариантах (не показаны), тороидальный корпус распределителя 10 может располагаться по наружному диаметру корпуса 1 реактора, или снаружи самого реактора, для обеспечения к нему доступа снаружи.

В верхней части кольцевой области 8, предпочтительно, имеется диафрагма 6.

В нормальных условиях работы, реактор почти полностью заполнен жидкостью, достигающей уровня 11, показанного на чертежах. Линия 13 потока обозначает сырой меламин, выходящий через соответствующий коллектор 12. Линия 14 потока обозначает газы, в основном состоящие из аммиака и СО₂ (отходящие газы), удаляемые из верхней части реактора.

Стрелки на фиг. 1 обозначают установившийся внутри реактора циркулирующий поток, обладающий осевой симметрией. Внутри центральной трубы 7 формируется нисходящий поток, поступающий в основание кольцевой секции 8 через проход 9 и смешивающийся там с сырьем мочевины. Внутри кольцевой секции 8 устанавливается восходящий поток, поддерживаемый формированием пузырьков в жидкой фазе. Часть жидкой массы, выходящей сверху кольцевой секции 8, также и под действием отражателя 6, возвращается с нисходящим потоком обратно в трубу 7 через открытый верхний конец оболочки 4.

Конверсия мочевины в меламин происходит в областях 7 и 8 в соответствии с известной реакцией: мочевина → меламин+6NH₃+3СО₂ (отходящий газ).

Чертеж на фиг. 1 позволяет лучше оценить ряд преимуществ изобретения, в частности: диаметр фланца 5 относительно невелик, благодаря центральному расположению пучка 3 трубок; циркулирующий внутри реактора поток опускается внутри области с непосредственном соприкосновением с нагревательными элементами (т.е., внутри трубы 7) и поднимается вверх внутри кольцевой части 8.

Реактор в целом обладает радиальной симметрией относительно оси А. В частности, труба 7, кольцевая камера 8 и распределитель 10 обладают, в основном, радиальной симметрией относительно оси А. Поэтому реактор может считаться имеющим осевую симметрию, и осевую симметрию имеет, в основном, и поток жидкости.

На фиг. 1 представлен вариант выполнения, в котором меламин 13 отводится в определенной точке через коллектор 12.

В варианте выполнения, показанном на фиг. 2, коллектор для сбора сырого меламина предпочтительно сформирован над отражателем 6, обеспечивая равномерный сбор получаемого меламина по всей окружности реактора.

Более предпочтительно, реактор в этом варианте выполнения содержит коллектор 15 меламина, имеющий верхний периферийный край 16, расположенный над отражателем б. Меламин поднимается через коллектор 15 и, достигнув края 16, вытекает на отражатель 6, служащий для сбора меламина. В этом варианте выполнения, накопление меламина распределено и происходит симметрично относительно оси по контуру, сформированному, в данном случае, краем 16. При этом достигается преимущество, обусловленное симметрией потоков.

Изобретение относится к реактору для синтеза меламина из мочевины в некаталитическом процессе при высоком давлении, имеющему вертикальный корпус (1) реактора, по меньшей мере одно впускное отверстие (2) для расплава мочевины, группу нагревательных элементов (3) и центральную трубу (7), при этом центральная труба разделяет внутреннюю область реакции внутри трубы и периферийную область (8) реакции вокруг трубы, а группа нагревательных элементов (3) расположена во внутренней области реакции внутри центральной трубы. Изобретение также относится к способу синтеза меламина из сырья мочевины. Технический результат: предложен реактор для синтеза меламина из мочевины в некаталитическом процессе при высоком давлении, в котором используется компактная группа нагревательных элементов, простая в изготовлении, используется трубная решётка с меньшим диаметром, упрощается периодическая операция разборки нагревательного пучка. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Реактор для синтеза меламина из мочевины в некаталитическом процессе при высоком давлении, имеющий вертикальный корпус (1) реактора, по меньшей мере одно впускное отверстие (2) для расплава мочевины, группу нагревательных элементов (3) и центральную трубу (7), отличающийся тем, что центральная труба разделяет внутреннюю область реакции внутри трубы и периферийную область (8) реакции вокруг трубы, а группа нагревательных элементов (3) расположена во внутренней области реакции внутри центральной трубы.

2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что не содержит нагревательных элементов внутри периферийной области (8) реакции.

3. Реактор по п. 1, в котором впускное отверстие (2) для расплава мочевины соединено с распределителем (10), выполненным с возможностью введения мочевины в периферийную область (8) реакции.

4. Реактор по п. 3, в котором распределитель (10) проходит вокруг центральной трубы и имеет средства подачи мочевины, выполненные с возможностью по существу однородного и осесимметричного введения мочевины в периферийную область (8) реакции.

5. Реактор по п. 4, в котором распределитель (10) имеет в основном тороидальную форму.

6. Реактор по п. 1, в котором нижний конец центральной трубы (7) отделен промежутком от основания группы нагревательных элементов, образуя проход (9) для циркуляции жидкости между внутренней областью реакции и окружающей периферийной областью (8) реакции.

7. Реактор по п. 1, в котором центральная труба (7) проходит внутри реактора, не достигая высоты нагревательных элементов (3).

8. Реактор по п. 1, в котором центральная труба (7) ограничена в целом цилиндрической оболочкой (4).

9. Реактор по п. 1, в котором группой нагревательных элементов (3) является пучок трубок, присоединенных к трубной решетке (5) на дне реактора.

10. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что впускное отверстие (2) для мочевины находится у основания периферийной области (8) и приспособлено для подачи мочевины восходящим потоком, а проход (9) для циркуляции находится у основания центральной трубы (7), так что реактор работает с восходящим потоком в периферийной области (8) реакции и нисходящим потоком в центральной трубе (7), где установлены нагревательные элементы (3).

11. Реактор по п. 1, содержащий отражатель (6), имеющий форму круглого венца, расположенный поверх периферийной области (8) реакции и имеющий, предпочтительно, плоскую или усеченно-коническую форму.

12. Реактор по п. 11, содержащий коллектор (15) для сбора меламина, связанный с отражателем и выполненный с возможностью распределенного сбора меламина по окружности.

13. Способ синтеза меламина из сырья мочевины, включающий стадию первичной реакции, на которой мочевина преобразуется в меламин в вертикальном реакторе в ходе эндотермической реакции,

отличающийся тем, что стадию первичной реакции осуществляют в циркулирующем потоке жидкой массы, содержащей меламин и мочевину, включающем:

нисходящий поток через центральную часть (7) реактора, непосредственно нагреваемый нагревательными элементами (3), установленными в этой центральной части реактора и контактирующими с жидкой массой, и

восходящий поток в периферийной области (8) реакции, расположенной вокруг этой центральной части и не имеющей нагревательных элементов, причем сырье (2) мочевины вводится в периферийную область (8).

14. Способ по п. 13, в котором давление составляет по меньшей мере 70 бар и, предпочтительно, от 70 до 250 бар.