РЕАКТОР-КОНДЕНСАТОР ДЛЯ СИНТЕЗА МОЧЕВИНЫ Российский патент 2020 года по МПК C07C273/04 B01J19/00 B01J19/18 B01J19/20 

Область техники

Изобретения относится к оборудованию для синтеза мочевины. В частности, изобретение относится к совмещенному реактору-конденсатору для синтеза мочевины.

Уровень техники

Обычно мочевину синтезируют в реакции аммиака с двуокисью углерода, включающей первую и высоко экзотермическую стадию получения карбамата аммония и слабо эндотермическую стадию конверсии карбамата аммония в мочевину и воду.

Реакционная система представляет собой парожидкостную гетерогенную систему, в которой реагенты постепенно переводятся из паровой фазы в жидкую фазу. Принято, что перенос тепла и массы реагентов между фазами критически важны при определении скорости конверсии.

Секция синтеза установки получения мочевины обычно включает реактор синтеза мочевины, десорбер (отпарной аппарат) и конденсатор, образующие контур высокого давления. В реакторе получается раствор, содержащий, в основном, мочевину, карбамат аммония, непрореагировавший аммиак и воду. Этот раствор направляется в десорбер, в котором карбамат разлагается, и аммиак в большей части удаляется, возможно с использованием десорбирующей среды (для отпарки), например двуокиси углерода, с получением отделенного раствора и газовой фазы, содержащей аммиак и двуокись углерода. Газовая фаза затем конденсируется, образуя пар обычно под давлением от 3 до 6 бар, и возвращается в реактор.

Десорбированный (подвергшийся отпариванию) раствор из находящейся под высоким давлением секции синтеза, как правило, направляется в секцию регенерации, в которой вода удаляется, и получается поток рециклированного карбамата, который направляется обратно в контур высокого давления (например, в конденсатор).

Для повышения конверсионного выхода в предшествующем уровне основное внимание уделялось конструкции контура синтеза и связанного с ним оборудования. Например, известно разделение реактора на камеры (отсеки) с помощью перфорированных листов (так называемых ситчатых тарелок), обеспечивающих разбиение газообразного СО₂ на малые пузырьки, чтобы максимизировать площадь контакта в газожидкостной системе и увеличить перенос массы и тепла.

Известно также объединение функций реактора и десорбера или конденсатора в одном устройстве.

В ЕР 2602245 раскрыто совмещенное устройство в виде вертикальной емкости, содержащей первую и вторую отдельные реакционные зоны, соответственно, получения карбамата аммония из аммиака и двуокиси углерода, и конверсии этого карбамата в мочевину и воду, а также включающее зону десорбции.

Однако в таком реакторе необходимы теплообменные змеевики для отвода тепла из первой реакционной зоны и подвода тепла во вторую реакционную зону, что является источником затрат, так как змеевики подвергаются воздействию агрессивной окружающей среды и должны изготавливаться из дорогого материала, например высокосортной стали. Кроме того, змеевики уменьшают доступный объем, и они очень неудобны для проверки с использованием обычных технологий неразрушающего контроля.

В большинстве современных установок получения мочевины в качестве десорбирующей среды используется двуокись углерода для максимизации удаления аммиака, непрореагировавшего в процессе синтеза под высоким давлением.

В приведенной выше технологии с использованием СО₂ для десорбции секция синтеза изобарическая, так как реактор и десорбер действуют при одинаковом давлении, и циркуляция внутри секции синтеза под высоки давлением происходит за счет гравитации. Для обеспечения статического напора, достаточного для создания стабильной циркуляции потока, оборудование должно размещаться на разных высотах, что приводит к компоновке, значительно развитой в высоту, как правило, вплоть до 60 м, и, следовательно, к удорожанию. Например, реактор, установленный над десорбером, требует дорогой крепежной конструкции. Следовательно, современная технология CO₂-десорбции по-прежнему имеет недостаток, заключающийся в необходимости конструкции, вносящей значительный вклад в общие инвестиционные затраты.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения состоит в усовершенствовании вышеупомянутого прототипа. В частности, задачей изобретения является обеспечение эффективной и экономически целесообразной компоновки оборудования в контуре синтеза под высоким давлением.

Эти задачи решаются в совмещенном реакторе и конденсаторе (реактор-конденсатор) для синтеза мочевины из аммиака и двуокиси углерода, включающем конденсационную секцию, соединенную с реакционной секцией, содержащей по меньшей мере один направленный в конденсационную секцию вход для газового потока, содержащего аммиак и двуокись углерода, и для раствора, содержащего жидкий аммиак и/или рециклированный карбамат аммония, и при этом исходящий поток конденсата из конденсационной секции направляется в реакционную секцию, отличающуюся тем, что реакционная секция содержит группу камер (отсеков), и тем, что реакционная секция содержит группу смесителей, включающую по меньшей мере по одному смесителю внутри каждой из камер.

Газовый поток, содержащий аммиак и двуокись углерода, предпочтительно поступает из десорбера (отпарного аппарата), в частности из СО₂-десорбера, в котором двуокись углерода используется в качестве десорбирующей среды.

Смесители предпочтительно имеют вид вращающихся крыльчаток. В предпочтительном варианте выполнения крыльчатки смонтированы на общем одном валу, проходящем через реакционную секцию. Вал приводится в движение, например, электродвигателем, установленным наверху реактора.

В предпочтительном варианте выполнения одна из крыльчаток создает также тягу (смещающее усилие) для исходящего потока, так чтобы обеспечивать поток через реакционную секцию. Эта крыльчатка может быть названа приводной крыльчаткой. Приводная крыльчатка создает тягу для исходящего потока, необходимую для прохода по реакционной секции. Обеспечение приводной крыльчатки особенно предпочтительно при вертикальном расположении реакционной секции, то есть за счет нее исходящий поток должен направляться вверх против гравитации.

Тяга, создаваемая приводной крыльчаткой, позволяет согласно изобретению устанавливать совмещенный реактор и конденсатор на уровне земли (нулевой отметке). Соответственно, изобретение позволяет избежать дорогой установки реактора над другим оборудованием и значительно снизить стоимость системы.

Более предпочтительно, камеры располагаются последовательно от входного края до выходного края реакционной секции, при этом входной край находится ближе к конденсационной секции, и приводная крыльчатка располагается у входного края реакционной секции. Например, в вертикальной компоновке приводная крыльчатка - самая нижняя.

Предпочтительно приводная крыльчатка, при ее наличии, также монтируется на общем валу с другими крыльчатками.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения реактор включает эжектор, принимающий на первый вход газовый поток, содержащий аммиак и двуокись углерода, и на второй вход раствор, содержащий аммиак и/или карбамат аммония. При этом эжектор действует как смеситель фаз перед их поступлением в конденсационную секцию.

Эжектор может быть выполнен также с возможностью повышения давления газового потока за счет использования энергии жидкого раствора. Например, жидкий раствор подается через насос высокого давления, и насос высокого давления предназначен для доставки жидкости к эжектора под давлением, значительно более высоком, чем давление газового потока, так чтобы жидкость могла быть движущей средой для газа.

В некоторых вариантах выполнения эжектор размещается внутри совмещенного реактора-конденсатора, предпочтительно в конденсационной секции. Преимущество размещения в конденсационной секции состоит в том, что существенно уменьшается толщина корпуса эжектора, так как он не должен противостоять всему давлению, превышающему атмосферное, что еще больше снижает стоимость.

Камеры реакционной секции могут разделяться, например, сегментными перегородками или тарелками. В предпочтительном варианте имеется четыре камеры, каждая из которых снабжена соответствующей вращающейся крыльчаткой.

Используется конденсатор предпочтительно кожухотрубного типа, более предпочтительно с U-образными трубами.

Согласно различным вариантам выполнения изобретения конденсационная секция и реакционная секция могут располагаться вертикально или горизонтально, что будет объяснено далее. Реакционная секция и конденсационная секция могут быть соединены друг с другом непосредственно. Более предпочтительно они размещаются в одном резервуаре высокого давления или в двух резервуарах высокого давления, соединенных фланцем.

Изобретение имеет следующие преимущества: конденсация и синтез объединены в одном устройстве; введение специальных смесителей в каждую из камер обеспечивает то, что каждая камера действует как корпусной реактор с непрерывным перемешиванием, обладающий улучшенным переносом тепла и массы и, следовательно, повышенной конверсионной эффективностью. Приведенные преимущества достигаются с простым оборудованием, без необходимости в таких элементах, как внутренние змеевики. Эжектор улучшает также перемешивание газовой и жидкой фаз и в то же время может повысить давление газового потока. Кроме того, как упоминалось выше, наличие тяговой крыльчатки позволяет восстановить давление внутри реактора и монтировать оборудование на уровне земли без необходимости в дорогостоящих крепежных конструкциях.

Другим предметом изобретения в соответствии с прилагаемой формулой изобретения является установка синтеза мочевины. Предпочтительно установка представляет собой установку с СО₂ десорбцией.

Краткое описание чертежей

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

на фиг. 1 - схематическое представление совмещенного реактора-конденсатора для синтеза мочевины согласно первому варианту выполнения изобретения;

на фиг. 2 - второй вариант выполнения изобретения;

на фиг. 3 - третий вариант выполнения изобретения.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 схематически изображен совмещенный реактор-конденсатор, включающий, в основном, реакционную секцию 2, конденсационную секцию 3, эжектор 4 и бак 5. Как секция 2, так и секция 3 установлены вертикально, и реакционная секция 2 находится выше конденсационной секции 3.

Реакционная секция 2 содержит группу камер 2А, 2В, 2С и 2D, разделенных перегородками или тарелками 6. В каждой камере имеется соответствующая крыльчатка 7А, 7В, 7С и 7D. Крыльчатки смонтированы на общем валу 8 и получают энергию от двигателя 9, установленного наверху ректора 1.

Нижняя крыльчатка 7А, находящаяся вблизи конденсационной секции, предназначена для создания аксиальной тяги для текучей среды, обеспечивая тем самым движущую силу для восходящего потока через вертикальную реакционную секцию.

Конденсационная секция 3 содержит пакет U-образных труб 10. Для упрощения изображена только одна труба.

В эжектор 4 поступает первый входной поток 11 газообразной двуокиси углерода и аммиака (например, из десорбера) и второй входной поток 12 аммиака и рециклированного карбамата (приходящего, например, из секции регенерации). Как правило, газовый поток 11 находится под давлением от 130 до 160 бар и при температуре от 100 до 200°С; поток 12 карбамата находится под давлением от 150 до 250 бар и при температуре от 30 до 100°С.

В эжекторе 4 газовый поток 11 приводится в непосредственный контакт с потоком 12 жидкости для создания выходного потока, представляющего собой двухфазную смесь, в которой газ полностью распылен в жидкости (дисперсный поток). Эта двухфазная смесь направляется в трубы трубного пучка 10 через подающий отсек 13. Кроме того, в эжекторе 4 давление газового потока 11 возрастает за счет использования энергии потока 12 жидкости, что способствует его прохождению по пучку 10.

В трубном пучке 10 двухфазная смесь частично конденсируется; тепло конденсации используется для образования потока 15, который накапливается в паросборнике 5. Уровень воды 14 в паросборнике регулируется подачей конденсата 16 пара, при необходимости.

В трубном пучке 10 большая часть аммиака и двуокиси углерода, содержащихся в смеси, преобразуется в карбамат; конверсия регулируется воздействием на регулятор давления, установленный в паросборнике 5.

Поток 17, исходящий из трубного пучка 10, еще содержит некоторое количество аммиака и двуокиси углерода в газовой фазе. Это связано с наличием образующего поверхностный слой воздуха, вдуваемого вместе с потоком 11, а также с необходимостью подачи некоторого количества газообразного диоксида углерода в реактор, поскольку тепло, выделяемое при конденсации двуокиси углерода, компенсирует эндотермическую реакцию дегидратации карбамата.

Этот исходящий поток 17 поступает в реакционную секцию 2 и проходит через камеры 2А - 2D (стадии реакции). Нижняя крыльчатка 2А предназначена для создания аксиальной тяги для потока 17, обеспечивая восходящий поток. Благодаря наличию крыльчатки каждая камера действует как корпусной реактор с непрерывным перемешиванием.

Выходом из реакционной секции 2 служит поток 18, представляющий собой, в основном, раствор, состоящий из мочевины, воды, карбамата и некоторого количества непрореагировавшего аммиака. Этот раствор направляется в десорбер высокого давления (не показан), выдающий газовый поток 11.

Для приема потока 18 может быть обеспечен сепаратор, разделяющий газовую и жидкую компоненты. Жидкие компоненты обычно направляются в десорбер высокого давления, в то время как газовые компоненты могут быть направлены в газоочиститель (не показан) для вымывания остаточного аммиака слабым водным раствором, например, рециклированного карбамата 12.

На фиг. 2 представлен второй вариант выполнения, в котором конденсационная секция 3 расположена горизонтально. В этом варианте выполнения эжектор 4 помещен внутри емкости конденсационной секции, в подающем отсеке 13.

На фиг. 3 представлен третий вариант выполнения с горизонтальной схемой размещения реакционной секции 2 и конденсационной секции 3. В данном варианте выполнения крыльчатку 7А можно не использовать, так как потоку через реактор нет необходимости преодолевать высоту реакционной секции.

Совмещенный реактор согласно настоящему изобретению может быть введен в контур синтеза мочевины, например путем соединения его с десорбером. Поэтому изобретение может быть полезно в новых установках получения мочевины, а также при модернизации существующих установок.

Изобретение относится к совмещенному реактору-конденсатору (1) для синтеза мочевины из аммиака и двуокиси углерода. Реактор-конденсатор (1) включает конденсационную секцию (3), соединенную с реакционной секцией (2), и содержит по меньшей мере один направленный в конденсационную секцию вход для газового потока (11), содержащего аммиак и двуокись углерода, и для раствора (12), содержащего жидкий аммиак и/или карбамат аммония, причем обеспечивается направление исходящего потока (17) конденсационной секции в реакционную секцию. Реакционная секция содержит группу камер (2А-2D) и группу смесителей (7А-7D), включающую по меньшей мере по одному смесителю внутри каждой из камер, причем смесители представляют собой вращающиеся крыльчатки (7А-7D). Также предложена установка для синтеза мочевины из аммиака и двуокиси углерода. Изобретение позволяет обеспечить эффективную и экономически целесообразную компоновку оборудования в контуре синтеза под высоким давлением. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Совмещенный реактор-конденсатор (1) для синтеза мочевины из аммиака и двуокиси углерода, включающий конденсационную секцию (3), соединенную с реакционной секцией (2), и содержащий по меньшей мере один направленный в конденсационную секцию вход для газового потока (11), содержащего аммиак и двуокись углерода, и для раствора (12), содержащего жидкий аммиак и/или карбамат аммония, причем обеспечивается направление исходящего потока (17) конденсационной секции в реакционную секцию, отличающийся тем, что реакционная секция содержит группу камер (2А-2D) и группу смесителей (7А-7D), включающую по меньшей мере по одному смесителю внутри каждой из камер, причем смесители представляют собой вращающиеся крыльчатки (7А-7D).

2. Реактор по п. 1, в котором крыльчатки смонтированы на общем одном валу (8), проходящем через реакционную секцию.

3. Реактор по п. 1 или 2, в котором одна (7А) из крыльчаток выполнена с возможностью сообщения аксиальной тяги исходящему потоку конденсационной секции, действуя как приводная крыльчатка для продвижения потока через реакционную секцию.

4. Реактор по п. 3, в котором приводная крыльчатка (7А) установлена на общем валу.

5. Реактор по любому из предыдущих пунктов, включающий эжектор (4), действующий как смеситель фазы газового потока, содержащего аммиак и двуокись углерода, и фазы раствора, содержащего карбамат аммония, перед их поступлением в конденсационную секцию.

6. Реактор по п. 5, в котором эжектор (4) выполнен с возможностью повышения давления газового потока, содержащего аммиак и двуокись углерода.

7. Реактор по любому из предыдущих пунктов, в котором реакционная секция включает группу сегментных перегородок или тарелок (6), разделяющих камеры.

8. Реактор по любому из предыдущих пунктов, в котором реакционная секция включает по меньшей мере четыре камеры.

9. Реактор по любому из предыдущих пунктов, в котором конденсационная секция имеет кожухотрубный тип.

10. Реактор по п. 9, в котором конденсационная секция включает пучок (10) U-образных труб.

11. Реактор по любому из пп. 1-10, в котором конденсационная секция и реакционная секция расположены по одной из следующих компоновок: конденсационная секция и реакционная секция обе вертикальны, при этом реакционная секция расположена над конденсационной секцией; конденсационная секция горизонтальна, а реакционная секция вертикальна; конденсационная секция и реакционная секция обе горизонтальны.

12. Установка для синтеза мочевины из аммиака и двуокиси углерода, содержащая секцию синтеза, включающую десорбер и совмещенный реактор-конденсатор (1), включающий конденсационную секцию (3), соединенную с реакционной секцией (2), и по меньшей мере один направленный в конденсационную секцию вход для газового потока (11), поступающего от десорбера и содержащего аммиак и двуокись углерода, и для раствора (12), содержащего жидкий аммиак и/или карбамат аммония, причем обеспечивается направление исходящего потока (17) конденсационной секции (3) в реакционную секцию (2), и реакционная секция (2) совмещенного реактора-конденсатора содержит группу камер (2А-2D) и группу смесителей (7А-7D), включающую по меньшей мере по одному смесителю внутри каждой из камер, причем смесители представляют собой вращающиеся крыльчатки (7А-7D).

13. Установка по п. 12, в которой одна (7А) из крыльчаток выполнена с возможностью сообщения аксиальной тяги исходящему потоку конденсационной секции, действуя как приводная крыльчатка для продвижения потока через реакционную секцию и обеспечивая должный напор для циркуляции текучей среды в секции синтеза, а совмещенный реактор-конденсатор (1) установлен на нулевой отметке.