Способ концентрирования раствора мочевины и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК C07C273/04 B01D1/22 

317

Изобретение относится к технологии получения мочевины из аммиака и диоксида углерода, в частности к способу получения концентрированного раствора мочевины и к устройству для осуществления способа.

Целью изобретения является сокращение поверхности теплообмена в теп- лообменной аппаратуре на стадии выпаривания воды из раствора мочевины.

На чертеже схематически представлена часть зоны нагрева первой ступени выпаривания раствора, с перегородками трубки трубчатой системы, разрез.

В зону нагрева входит внешний кожух 1, трубка 2 трубчатой системы, перегородки 3, центральное отверстие 4, отверстия 5 вблизи периферии, бортики 6, выступающие вниз, в газовые прокладки 7. Жидкая фаза стекает в направлении, указанном стрелками 8, а газовая фаза движется в направлении, обозначенном стрелками 9.

Направляемый на концентрирование раствор мочевины подают на пластины распределения потока жидкости для образования пленки, движущейся вниз внутри трубок 2.

В устройстве в каждом из отсеков обеспечивается протекание реакции между газовой смесью (аммиак, двух- окись углерода и водяной пар) и водным раствором (разбавленный раствор карбамата).

В результате выделяется значительное количество тепла, после чего осуществляется разделение жидкой и газообразной фаз и отдельный перевод каждой из фаз в следующий отсек.

Газовую смесь подают в нижнюю часть аппарата и она течет сквозь жидкую фазу вверх до перегородки. В этот момент газовая смесь блокируется и образуется газовая подушка. Перегородка содержит несколько отверстий, в результате чего газовая смесь проходит сквозь перегородку через эти отверстия. Однако время, требуемое для прохождения газовой смеси через эти отверстия, больше, чем время, не обходимое для достижения перегородки газовой смесью. Когда газовая смесь накапливается прямо под перегородкой, образуется газовая подушка. При этом число отверстий без обода, выступающего книзу (поз. 9), равно числу труб и размещение этих отверстий идентично размещению, труб -с целью обеспече

5

5

0

5

0

S

0

5

ния прохождения газовой смеси через эти отверстия вдоль наружной стороны труб. Эта первая группа отверстий отличается от второй группы отверстий, у которых обод выступает книзу (поз. 8), с целью пропускания конденсата и/или раствора карбамата сквозь них. Так как каждая труба из связки труб проходит сквозь отверстия первой группы, их размещения должны соответствовать друг другу. При необходимости некоторые отверстия из первой группы могут быть заглушены.

Следовательно, число отверстий первой группы должно быть по меньшей мере равно числу труб связки труб. В частности, если имеется десять перегородок и каждая перегородка содержит одно отверстие, тогда все эти десять отверстий должны быть размещены в том же самом положении с целью обеспечения прохождения одной трубы сквозь них от верха до нижней части. В этом случае одна труба соответствует десяти отверстиям. Однако девять из этих отверстий или меньше могут быть заглушены. В этом случае одно отверстие (когда 9 заглушены) будет соот- ветствовать одной трубе. Поэтому число отверстий должно по крайней мере соответствовать числу труб.

Пример. Приведенные данные относятся к установке производительностью 1500 т/день. Количества выражены в килограммах в час.

В сектор высокого давления установки подают 35414 кг аммиака и 45863 кг углекислого газа. Давление . в секторе высокого давления, который включает в себя зону синтеза, первую стадию разложения, зону конденсации и скрубберную зону для инертных газов, составляет 140 кг/см2. Давление на второй стадии разложения и в зоне нагрева первой стадии выпаривания равно 17,7 кг/см2. Давление на третьей стадии разложения равно 3,9 кг/см2. Газовую смесь с второй стадии разложения, содержащую 14139 кг углекислого газа, 8711 кг аммиака и 3301 кг воды, направляют на первую стадию выпаривания в нижнюю часть зоны нагрева,, окружающую трубчатую систему.

Зона нагрева вокруг трубок разделена на десять секций с помощью перегородок. Эти перегородки снабжены отверстиями, предусмотренными поочередно в центре или по периферии, причем

вокруг этих отверстий имеются бортики, выступающие вниз. Эти отверстия служат для пропускания снизу вверх потока жидкой фазы через секции. Газовая смесь, содержащая аммиак,углекислый газ и водяные пары, последовательно проходит через верхние секции через зазоры между трубками и перегородками. Кроме того, между трубками в последовательных перегородках предусмотрено наличие в уменьшающемся количестве дополнительных отверстий для газового потока.

Температура такой газовой смеси составляет 158,6°С, ее точка росы, равна 143,4°С. Благодаря теплообмену между этой смесью и 86623 кг раствора мочевины, стекающей в виде пленки сверху вниз по трубкам, температура которых составляет и которые содержат 63525 кг мочевины, 210 кг биу- рета, 28 кг углекислого газа, 377 кг аммиака и воду (остальное), такая газовая смесь охлаждается и конденсируется. Конденсацию и абсорбцию газовой смеси продолжают с использованием 20944 кг карбаматного раствора, выходящего с третьей стадии разложения, содержащего 4294 кг углекислого газа, 7400 кг аммиака, 9229 кг воды и 21 кг мочевины, который далее направляют в .третью секцию зоны нагрева при 47 С. 47079 кг карбаматного раствора с (температурой 93,, содержащего 18427 кг углекислого газа, 16102 кг аммиака, 12529 кг воды и 21 кг моче- - вины, отводят из верхней секции зоны нагрева. Из этой же секции отводят 45 кг газовой смеси, которая все еще содержит 6,3 кг углекислого газа, 9,1 кг аммиака, 0,8 кг водяного пара и инертный газ (остальное).

Из нижней части трубчатой системы отводят 67833 мг концентрированного раствора мочевины при 122,5 С. Этот раствор содержит 63144 кг мочевины, 264 кг Пиурета, 0,02 кг углекислоты, 4,7 кг аммиака и 4420 кг воды.

Таким образом, выпариваемый раствор мочевины в виде пленки пропускают сверху вниз по внутренней поверхности трубок трубчатой системы, а конденсирующийся газовый поток и водный раствор карбамата направляют в межтрубное пространство в разные точки по высоте аппарата.

При осуществлении предлагаемого способа тепло, необходимое для испарения воды, поставляется в виде теп0

5

0

5

0

S

0

S

0

5

ла, образующегося при реакции образования карбамата из аммиака и двуокиси углерода в присутствии воды. Однако |в том случае, когда реагенты, находят щиеся в кожухе теплообменника,т.е. газовая смесь, содержащая аммиак, двуокись углерода и пары воды, а также раствор, содержащий воду, например разбавленный раствор карбамата, вступают в реакцию в нисходящем потоке в кожухе, как это происходит в известном способе, невозможно обеспечить хорошее смачивание внешней поверхности трубок теплообменника, в результате чего нельзя обеспечить постоянного выделения тепла, и теплообмен между раствором мочевины, подлежащим концентрированию, и раствором карбамата, образующегося на поверхности трубок в кожухе теплообменника, становится нерегулярным и неоптимальным по своим параметрам.

Эту проблему можно преодолеть с использованием изобретения, пропуская подлежащий концентрированию раствор мочевины в виде нисходящего потока через трубки теплообменника в газовую смесь, содержащую аммиак, двуокись углерода и пары воды, и раствор, содержащий воду, в виде восходящего потока через кожух, обеспечивая при этом невозможность образования обрат ного потока реакционной смеси в кожухе .

Невозможность образования обратного потока обеспечивают посредством газовой подушки в каждом из отсеков и отдельного пропускания жидкой фазы и газовой фазы из одного отсека в следующий в виде восходящего потока. Ввиду наличия ободов 6,располагающихся в нисходящем направлении в верхней части отсека, выше жидкости образуется газовая подушка (позиция 7). Газовую смесь пропускают в следующий отсек через отверстия 9 отдельно от жидкости, которую пропускают через отверстия 8.

Для производства мочевины в объеме 1500 т/сут, поверхность теплообмена в соответствии с известным способом должна составлять 1487 м2. Однако, если стадию концентрирования осуществлять по изобретению, пропуская раствор мочевины в виде восходящего потока через трубки теплообменника, а генерирующую теплогазовую смесь вместе с водным раствором в виде нисходящего потока, то для достижения той же са-

мой концентрации раствора по отмечен- ным выше причинам требуется площадь поверхности теплообмена, равная 3187 м2.

Таким образом, проведение процес са с использованием на первой стадии выпаривания предлагаемого аппарата обеспечивает хорошее смачивание наружной поверхности трубок, что улучшает теплообмен и позволяет сократить необходимую поверхность теплообмена.

Формула изобретения

1. Способ концентрирования раствора мочевины выпариванием содержащейся в нем воды путем пропускания раствора мочевины в виде пленки по внутренней поверхности трубок вертикальной трубчатой системы выпарного аппарата при получении необходимого для выпаривания количества тепла за счет конденсации в зоне нагрева газовой смеси, содержащей аммиак, углекислый газ и водяные пары, которую подают противотоком к раствору мочевины в межтрубное пространство вблизи одного из концов трубок трубчатой системы при подаче раствора мочевины с другого конца трубок и подводе водного раствора карбамата в мектрубное пространство в точке, расположенной между местом ввода раствора мочевины в трубки трубчатой системы и местом ввода газовой смеси в межтрубное пространство аппарата, отличающийся тем, что, с целью уменьшения металлоемкости оборудования при сокращении поверхности теплообмена, конденсирующуюся газовую смесь подают в нижнюю часть зоны нагрева, разделенную горизонтальными перфорированными перегородками на ряд секций,

5

0

расположенных одна над другой, причем газовый поток и образующийся конденсат направляют в вышерасположенные секции через разные отверстия в перегородке, что предотвращает возможность возврата газовой смеси или конденсата из верхней секции в нижнюю.

2. Устройство для концентрирования раствора мочевины, содержащее вертикальный тепломассообменный аппарат, включающий камеру нагрева, вертикальные теплообменные трубы, присоединенные к верхней и нижней трубным решеткам и размещенные в камере нагрева, и штуцер подвода раствора мочевины, отличающееся тем, что, с целью сокращения металлоемкости оборудования, аппарат снабжен средством для образования пленки в трубах и горизонтальными перегородками, размещенными в камере нагрева одна над другой с образованием секций, штуцерами подвода и отвода газовой смеси и конденсата, при этом в перегородках выполнены основные и дополнительные отверстия, а штуцер подвода раствора мочевины расположен над верхней трубной решеткой. 3. Устройство по п,2, о тли- чающееся тем, что теплообменные трубы размещены в основных отверстиях перегородок с зазйром.

4.Устройство попп.2иЗ, о т - 5личающееся тем, что дополнительные отверстия выполнены с от- бортовкой, направленной вниз.

5.Устройство по пд.2 - 4, о т - Оличающееся тем, что дополнительные отверстия выполнены в перегородках поочередно в центре и по периферии .

5

Раствор карбаната

Газовая смесь

Раствор

карйащ/па

тзобья смесь

Жидкая фвза

Газовал фаза

ДыЭ

концентрированный ,, раствор мчейимб/

Изобретение касается производства мочевины, в частности ее концент- рирования в определенном устройстве. Цель - снижение металлоемкости оборудования и сокращение поверхности теплообмена. Концентрирование растворов мочевины ведут упариванием с пропусканием раствора в виде пленки по внутренней поверхности трубок вертикальной трубчатой системы выпарного аппарата. Тепло, необходимое для выпаривания, получают за счет конденсации в зоне нагрева газового потока (NHj, СО и водяные пары), подаваемого противотоком к раствору мочевшдо в межтрубное пространство вблизи одного из концов трубок трубчатой системы. Раствор мочевины подают с другого конца трубок в межтрубное пространство в точке, расположенной между вводом раствора мочевины в трубки трубчатой системы и местом ввода газового потока в межтрубное пространство аппарата. При этом конденсирующуюся газовую смесь подают в нижнюю часть зоны нагрева, разделенную перфорированными перегородками на ряд секций, расположенных одна над другой. Газовый поток и образующийся конденсат направляют в расположенные выше секции через разные отверстия в перегородке, что предотвращает возможность возврата газовой смеси или конденсата из верхней секции в нижнюю. Используемый массообменный аппарат включает камеру нагрева, вертикальные теплообменные трубы, присоединенные к верхней и нижней трубкам решетки и размещенные в камере нагрева, штуцер для подвода раствора моче вины, средство для образования пленки и горизонтальные перегородки, размещенные в камере нагрева одна над другой с образованием секций, штуцеры подвода и отвода газовой смеси и конденсата. Перегородки выполнены с основнымии дополнительными отверстиями. Штуцер подвода раствора мочевины расположен над верхней трубной решеткой. При этом лучше, когда теплообменные трубы размещены в основных отверстиях перегородок с зазором, а дополнительные отверстия выполнены с отбортовкой, направленной вниз, с от- верстиями, расположенными поочередно в центре и на периферии. В этом слу- чае достигается хорошее смачивание наружной поверхности трубок, что улучшает теплообмен и сокращает поверхность теплообмена. 2 с. и 3 з.п. . ф-лы, 1 ил. i с оо с& со со СП см