CN103657498B - 生产车用尿素水溶液的装置以及其使用方法 - Google Patents

生产车用尿素水溶液的装置以及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种生产车用尿素水溶液的装置和其使用方法。所述装置包括带有搅拌器的用于溶解尿素颗粒的溶解设备，在所述溶解设备的上游设置有将尿素颗粒和去离子水独立引入所述溶解设备的加料设备，在所述溶解设备的下游设置有用于调节尿素水溶液性质的混合设备，所述搅拌器为设置有一个或多个带有叶片的搅拌轴。根据本发明的生产车用尿素水溶液的装置能够进行连续生产，并且产品质量稳定。

Description

生产车用尿素水溶液的装置以及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种化工设备，特别涉及一种生产车用尿素水溶液的装置。本发明还涉及使用这种装置生产车用尿素水溶液的方法。
背景技术
随着国内排放法规的要求越来越严格，重型发动机厂商基本上选择了选择性催化还原（SCR）的尾气处理技术，该技术要求使用车用尿素水溶液作为选择性催化还原反应的还原剂。车用尿素水溶液的标准很高，比如Na、Mg、Al、K、Ca、Fe等元素的含量不大于0.5ppm，Cr、Ni、Cu、Zn元素含量不大于0.2ppm。这不但要求严格控制去离子水和尿素等原材料的品质，而且对尿素水溶液的生产设备、灌装设备及生产环境的要求也达到了极其苛刻的程度。
在现有技术中，存在有两种生产车用尿素水溶液的方法，一种为间歇式、小批量的调合罐进行生产；另一种为依托尿素生产厂，直接采用高浓度尿素水溶液与去离子水在管线或调合罐内进行混合，混合完毕检验合格后，进行灌装。第一种方法要求人工将去离子水和尿素颗粒按照一定的比例进行混合、溶解，待检验合格之后进行灌装。这种方法设备开放，因此对整个车间的生产环境要求苛刻，易造成产品质量波动。人工加料也会造成产品质量不稳定。在这种方法中，还需要大量混合罐或大型混合罐，占地面积很大。另外，这种方法是间歇式生产，生产效率低。第二种方法必须依托尿素生产厂家，限制了尿素水溶液的地域布局，增大了尿素水溶液的运输成本。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种生产车用尿素水溶液的装置。这种生产车用尿素水溶液的装置能够进行连续生产，并且产品质量稳定。本发明还涉及使用这种装置的方法。
根据本发明的第一方面，提出了一种生产车用尿素水溶液的装置，包括带有搅拌器的用于溶解尿素颗粒的溶解设备，在溶解设备的上游设置有将尿素颗粒和去离子水独立引入溶解设备的加料设备，在溶解设备的下游设置有用于调节尿素水溶液性质的混合设备，其中，搅拌器为设置有一个或多个带有叶片的搅拌轴。
根据本发明的装置，加料设备、溶解设备和混合设备彼此连通，因此能够连续生产车用尿素水溶液，从而提高了生产效率。整个装置为密闭装置，避免了外界环境对产品质量的影响。本发明的装置还采用了加料设备，而非人工加料，这也保证了产品质量的稳定。
在一个实施例中，溶解设备和混合设备均为水平设置的筒状体，混合设备的内腔形成尿素水溶液混合腔，在混合腔内设置有混合器。在一个优选的实施例中，在溶解设备上还设置有加热设备。通过加热流体能够提高尿素颗粒的溶解速度。
在一个实施例中，搅拌轴沿流体流动方向而设置，并且搅拌轴从上游到下游依次为进料段、混合段和均匀段，其中处于进料段和均匀段的叶片为螺旋叶片，处于混合段的叶片为平直叶片。进入进料段的尿素颗粒和去离子水会被快速均匀地分散到叶片与叶片之间的间隔中，并且在螺旋叶片的推动力下，不断前进。混合段的平直叶片会改变了尿素水溶液的螺旋流动的状态，增加了其湍流度，提高尿素颗粒的溶解速度和效果。在另一个的实施例中，搅拌轴沿流体流动方向而设置，并且搅拌轴从上游到下游依次为进料段、混合段和均匀段，其中处于进料段和均匀段的叶片为第一螺旋叶片，处于混合段的叶片为第二螺旋叶片。具体来说，第二螺旋叶片与第一螺旋叶片的旋转方向相反。这种与进料段螺旋叶片方向相反的第二螺旋叶片使尿素水溶液的流向的改变更为激烈，增加了其湍流度，提高尿素颗粒的溶解速度和效果。在一个实施例中，进料段的叶片的数量和/或混合段的叶片的数量和/或均匀段的叶片的数量均为1-5片。
在一个实施例中，混合段的叶片上设置有孔。在搅拌轴的转动作用下，混合段同一叶片两侧流体会通过孔而发生混合，这进一步增加了流体的湍流度，提高尿素颗粒的溶解速度。在一个优选的实施例中，混合段的每个叶片的面积与叶片上的所有孔的横截面面积之和的比值为4:1～3:2。优选地，该比值为2:1。
在一个实施例中，进料段的轴向长度∶混合段的轴向长度∶均匀段的轴向长度等于在1:1:1-1:2:1.5之间。混合段和均匀段的长度较长，增加了尿素水溶液在溶解设备中的停留时间，有助于尿素颗粒的充分溶解。
在一个实施例中，多个搅拌轴为平行设置。平行设置的多个搅拌轴能够进一步提高流体的湍流度，从而提高尿素颗粒的溶解速度。在另一个实施例中，多个搅拌轴设置为相邻搅拌轴的进料段之间的距离大于均匀段之间的距离。这种设置，进入溶解设备的流体会由于搅拌轴的引导作用而产生分流，而后又混合到一起，这进一步提高了流体的湍流度，从而提高尿素颗粒的溶解速度。在一个具体的实施例中，相邻的搅拌轴之间设置成5～30度的角度。
在一个实施例中，混合器为设置有一个或多个带有螺旋叶片的沿流体流动方向而设置的混合轴。混合轴上的螺旋叶片能够进一步调节、均匀尿素水溶液，另外螺旋叶片还能够推动尿素水溶液离开生产车用尿素水溶液的装置。
在一个实施例中，在混合腔的外部设置有热交换夹套。热交换夹套的出口能与混合腔的入口相连通和/或与加料设备的去离子水的入口相连通。这样，去离子水在流经热交换夹套后会被加热，同时降低尿素水溶液的温度，有利于节能，在进入加料设备时，去离子水的温度已经较高，有助于溶解尿素颗粒。
根据本发明的第二方面，提出了使用上文所述的装置的方法，包括：
第一步骤：向加料设备中加入预定量的尿素颗粒和去离子水；
第二步骤：驱动搅拌器使得进入溶解设备内尿素颗粒溶解在去离子水中；
第三步骤：将尿素水溶液排入混合设备中并驱动混合器以将尿素水溶液调整到所预定标准。
在一个实施例中，在第一步骤中，去离子水与尿素颗粒的加入重量之比在67.5∶32.5到67.5∶270之间。
在一个实施例中，在第三步骤中，向热交换夹套中充入去离子水以将尿素水溶液的温度调整到所要求的温度。在此步骤中，不但降低了尿素水溶液的温度，并且提高了去离子水的温度，达到节能降耗的目的，而且有利于尿素水溶液的灌装和质量稳定。
在一个实施例中，热交换夹套内的去离子水的流向与混合腔内的尿素水溶液的流向为逆流。逆流能够使热交换夹套内的去离子水与混合腔内的尿素水溶液充分换热，以快速调节尿素水溶液的温度。
在一个实施例中，从热交换夹套排出的去离子水流入混合腔内或与第一步骤中的去离子水相混合后再加入到加料设备中。在一个优选的实施例中，从热交换夹套排出的去离子水的一部分流入混合腔内，同时另一部分与第一步骤中的去离子水相混合后再加入到加料设备中。这样，从热交换夹套排出的去离子水作为进料能够加快尿素颗粒的溶解速度，此外使从热交换夹套排出的去离子水流入混合腔内有助于快速调节尿素水溶液的浓度。
在本申请中，用语“上游”、“下游”以流体的流动方向为参考。
与现有技术相比，本发明的优点在于，本发明的装置中的加料设备、溶解设备和混合设备彼此连通，因此能够连续生产车用尿素水溶液，从而提高了生产效率。整个装置为密闭装置，避免了外界环境对产品质量的影响。本发明的装置还采用了加料设备，而非人工加料，这也保证了产品质量的稳定。本发明的搅拌轴以及其上的叶片的设计，有助于快速溶解尿素颗粒，提高生产效率。此外，本发明的装置和其使用方法具有产品质量稳定、占地面积小、生产便利等优点。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1是根据本发明的生产车用尿素水溶液的装置的框图；
图2是根据本发明的搅拌轴的第一实施例的结构图；
图3是根据本发明的搅拌轴的第二实施例的结构图；
图4是根据本发明的搅拌轴的第三实施例的截面图；
图5是根据本发明的混合设备的结构图。
在图中相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步说明。
图1示意性地显示了根据本发明的生产车用尿素水溶液的装置10（以下称之为装置10）的框图。装置10包括从上游到下游顺次连接的加料设备11、溶解设备12和混合设备13。其中加料设备11用于将尿素颗粒15和去离子水16独立地引入装置10中，溶解设备12用于将尿素颗粒溶解在去离子水中，混合设备13用于将尿素水溶液调节到所要求的品质并排出车用尿素水溶液产品17。在一个实施例中，加料设备11、溶解设备12和混合设备13通过管路（未示出）密封式连接在一起，使得装置10的内部与外界环境分开，避免了外界污染物对尿素水溶液的污染。这些设备将在下文中详细描述。
加料设备11能够根据设定计量自动加入尿素颗粒和去离子水，保证加入装置10内的尿素颗粒和去离子水的比例保持恒定，这有助于所生产的尿素水溶液的品质保持为恒定，并且降低了操作人员的工作强度。在一个实施例中，去离子水与尿素颗粒的加入重量之比在67.5∶32.5到67.5∶270之间。
下面来描述溶解设备12。溶解设备12外形为筒状体并且呈水平设置。在溶解设备12内设置有带有叶片的搅拌轴20，为了便于流体流动，搅拌轴20沿流体流动方向而设置。在溶解设备12上还可设置加热设备26，以提高尿素在去离子水中的溶解速度。图2显示了搅拌轴20的第一实施例，搅拌轴从上游到下游依次为进料段I、混合段II和均匀段III，并且进料段I和均匀段III的叶片21、22均选择为螺旋叶片，而混合段II的叶片为平直叶片23。进料段I的螺旋叶片21能够将进来的尿素颗粒和去离子水推到溶解设备12的内部，而混合段II的平直叶片23则会改变螺旋状运动的流体的流动状态，从而增加流体的湍流度，提高尿素颗粒的溶解速度，均匀段III的螺旋叶片22用于驱动流体离开溶解设备12。在一个实施例中，螺旋叶片21与螺旋叶片22的旋转方向为相同。在一个实施例中，进料段I的叶片21的数量、混合段II的叶片23的数量、均匀段III的叶片22的数量均为1-5片。
在平直叶片23上优选地还设置有孔24，如图2和4所示。在搅拌轴20的转动作用下，同一平直叶片23两侧流体会通过孔24而发生混合，这进一步增加了流体的湍流度。在一个具体的实施例中，每个平直叶片23的面积与其上的所有孔的横截面积之和的比值在3:1～1:2之间，优选地为1:1。
图3显示了搅拌轴20的第二实施例。在本实施例中，混合段II的叶片为螺旋叶片25，其他部分与搅拌轴20的第一实施例相同。优选地是，混合段II的螺旋叶片25设置为与进料段I的螺旋叶片21的旋转方向相反。这样能够更激烈地改变所进入的流体的流向，增加了其湍流度。同样地是，在螺旋叶片25上也设置有同样的孔24。应理解的是，任何提高流体湍流度的结构或装置均可用于搅拌轴20，例如但不限于可以将螺旋叶片25的数量设置为与螺旋叶片21的数量不相同。
将进料段I的轴向长度∶混合段II的轴向长度∶均匀段III的轴向长度设置在1:2:1。混合段II的长度最长使得流体在混合段II内的停留时间会最长，这有助于尿素颗粒的充分溶解。
为了进一步提高溶解设备12内的流体的湍流度，可在溶解设备12内平行设置多个搅拌轴，这些搅拌轴之间的距离规定为以不相互影响为准，如图4所示。还可以将多个搅拌轴成一定倾角设置，例如多个搅拌轴设置为相邻搅拌轴的进料段之间的距离大于均匀段之间的距离。这样，进入溶解设备12内的流体会受到倾斜的搅拌轴的引导作用而分流然后又混合，与前文所述的叶片一起能够进一步提高溶解设备12内、特别是混合段II内的流体的湍流度。在一个具体的实施例中，相邻的搅拌轴之间设置成5～30度的角度。
下面来描述混合设备13。图5示意性地显示了混合设备13的结构，混合设备13的壳体为水平设置的筒状体，其内腔形成尿素水溶液混合腔33，在混合腔33内还设置有混合器。在图5所示的实施例中，混合器选择为带有螺旋叶片31的混合轴32，以在进一步混合尿素水溶液的同时将尿素水溶液排出。在一个具体的实施例中，可以理解地是，混合轴32以及其上的叶片31均可以与前文所述的溶解设备12内的搅拌轴20以及其上的叶片相同。
为了将待排出的尿素水溶液的温度调节到所要求的值，在所述混合腔33的外部设置有热交换夹套34。热交换夹套34的出口管路上设置有三通，其中支路35与混合腔33的入口相连通，而支路36与加料设备11的去离子水的入口相连通，在支路35、36上分别设置有阀门，从而能根据需要将去离子水供入混合腔33或加料设备11，当然也可以同时供入混合腔33和加料设备11，如图1所示。
装置10的材料可以为不锈钢或高分子材料。例如，不锈钢牌号可为316L、316或304等，高分子材料为不含添加剂的聚乙烯、聚丙烯或聚四氟乙烯等。
下面来描述使用装置10制备车用尿素水溶液的方法。
首先，向加料设备11中加入预定量的尿素颗粒和去离子水。然后，驱动搅拌轴20使得进入溶解设备12内尿素颗粒溶解在去离子水中。在一个实施例中，搅拌轴20的转速为2000转/分钟～6000转/分钟之间。最后，将尿素水溶液排入混合设备13中并驱动混合器以将尿素水溶液调整到所预定标准。在此过程中，还向热交换夹套34内充入了去离子水以将尿素水溶液的温度降低到要预定的标准，例如将尿素水溶液的温度调整到20-30℃。还根据需要将离开热交换夹套34的去离子水供入混合腔33和/或加料设备11中。
实施例1：
将去离子水：尿素颗粒重量比为67.5:32.5的去离子水和尿素颗粒分别同时由加料设备11加入装置10中，将溶解装置12的搅拌轴20的转速调节为2500转/分钟。向热交换夹套34内充入温度为20℃去离子水以将最终车用尿素水溶液的温度控制在25℃，得到产品，分析结果见表1。
实施例2：
将去离子水：尿素颗粒重量比为67.5:67.5的去离子水和尿素颗粒分别同时由加料设备11加入装置10中，将溶解装置12的搅拌轴20的转速调节为3000转/分钟。向热交换夹套34内充入温度为25℃去离子水，同时打开支路35，向混合腔33中加入去离子水以将最终车用尿素水溶液的温度控制在30℃，得到产品，分析结果见表1。
实施例3：
将去离子水：尿素颗粒重量比为67.5:270的去离子水和尿素颗粒分别同时由加料设备11加入装置10中，将溶解装置12的搅拌轴20的转速调节为3200转/分钟。向热交换夹套34内充入温度为25℃去离子水，以将最终的车用尿素水溶液的温度控制在30℃，得到产品。同时打开支路36，将来自热交换夹套34的去离子水加入到加料设备11中以进行溶解，分析结果见表1。
实施例4：
将去离子水：尿素颗粒重量比为67.5:101的去离子水和尿素颗粒分别同时由加料设备11加入装置10中，将溶解装置12的搅拌轴20的转速调节为3200转/分钟。向热交换夹套34内充入温度为20℃去离子水，打开支路35同时打开支路36，来自热交换夹套34的去离子水的一部分进入混合腔33中以将车用尿素水溶液的温度控制在25℃，得到产品；另一部分去离子水加入到加料设备11中以进行溶解。分析结果见表1。
表1
项目 标准 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
尿素含量w/(%) 31.8-3.2 32.7 32.6 32.5 32.6
密度(20℃)/(Kg/m3) 1087.0-1093.0 1090.5 1090.4 1090.2 1089.8
折光率(20℃)/(nD) 1.3814-1.3843 1.3831 1.3826 1.3827 1.3825
不溶物/(mg/Kg)不大于 20 5.6 5.5 6.0 5.3
碱度(以NH3计)w/(%)不大于 0.2 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01
磷酸盐(以PO4 3-计)/(mg/Kg)不大于 0.5 0.09 0.11 0.10 0.09
铝/(mg/Kg)不大于 0.5 0.3 0.31 0.32 0.30
钙/(mg/Kg)不大于 0.5 0.10 0.11 0.10 0.10
铁/(mg/Kg)不大于 0.5 0.10 0.12 0.12 0.13
铬/(mg/Kg)不大于 0.2 0.17 0.15 0.17 0.16
钾/(mg/Kg)不大于 0.5 0.20 0.21 0.23 0.22
镁/(mg/Kg)不大于 0.5 0.10 0.12 0.10 0.13
钠/(mg/Kg)不大于 0.5 0.40 0.42 0.42 0.40
镍/(mg/Kg)不大于 0.2 0.15 0.15 0.15 0.13
铜/(mg/Kg)不大于 0.2 0.10 0.10 0.12 0.12
锌/(mg/Kg)不大于 0.2 0.05 0.05 0.05 0.06
甲醛/(mg/Kg)不大于 5 1.9 1.8 2.0 1.9
缩二脲/(mg/Kg)不大于 0.3 0.21 0.20 0.21 0.20
由表1可看出，根据本发明的生产车用尿素水溶液的装置10制备车用尿素水溶液的品质良好并且稳定。另外，由于本发明的生产车用尿素水溶液的装置10实现了连续操作。以生产10吨车用尿素产品为例，以现有技术中的小批量生产方法进行生产需要20小时，而使用本发明的装置和方法进行生产仅需要8小时，大大提高了生产效率。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (16)

1.一种生产车用尿素水溶液的装置，包括带有搅拌器的用于溶解尿素颗粒的溶解设备，在所述溶解设备的上游设置有将尿素颗粒和去离子水独立引入所述溶解设备的加料设备，在所述溶解设备的下游设置有用于调节尿素水溶液性质的混合设备，其中，所述搅拌器为设置有一个或多个带有叶片的搅拌轴，
所述搅拌轴沿流体流动方向而设置，并且所述搅拌轴从上游到下游依次为进料段、混合段和均匀段，其中处于所述进料段和均匀段的叶片为螺旋叶片，处于所述混合段的叶片为平直叶片，在所述混合段的叶片上设置有孔；
或所述搅拌轴沿流体流动方向而设置，并且所述搅拌轴从上游到下游依次为进料段、混合段和均匀段，其中处于所述进料段和均匀段的叶片为第一螺旋叶片，处于所述混合段的叶片为第二螺旋叶片，在所述混合段的叶片上设置有孔，
所述溶解设备和混合设备均为水平设置的筒状体，所述混合设备的内腔形成尿素水溶液混合腔，在所述混合腔内设置有混合器，
在所述混合腔的外部设置有热交换夹套，
所述热交换夹套的出口与所述混合腔的入口相连通和/或与所述加料设备的去离子水的入口相连通。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二螺旋叶片与所述第一螺旋叶片的旋转方向相反。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述混合段的每个叶片的面积与所述叶片上的所有孔的横截面面积之和的比值为4:1～3:2。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述比值为2:1。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述多个搅拌轴为平行设置。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述多个搅拌轴设置为相邻搅拌轴的进料段之间的距离大于均匀段之间的距离。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，相邻的搅拌轴之间设置成5～30度的角度。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述进料段的叶片的数量和/或所述混合段的叶片的数量和/或所述均匀段的叶片的数量均为1-5片。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述溶解设备上还设置有加热设备。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述混合器为设置有一个或多个带有螺旋叶片的沿流体流动方向而设置的混合轴。
11.一种使用根据权利要求1到10中任一项所述的装置的方法，包括：
第一步骤：向加料设备中加入预定量的尿素颗粒和去离子水；
第二步骤：驱动搅拌器使得进入溶解设备内尿素颗粒溶解在去离子水中；
第三步骤：将尿素水溶液排入混合设备中并驱动混合器以将尿素水溶液调整到所预定标准。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述第三步骤中，向所述混合设备的热交换夹套中充入去离子水以将尿素水溶液的温度调整到所要求的温度。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，从所述热交换夹套排出的去离子水流入混合腔内或与第一步骤中的去离子水相混合后再加入到加料设备中。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，从所述热交换夹套排出的去离子水的一部分流入混合腔内，同时另一部分与第一步骤中的去离子水相混合后再加入到加料设备中。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，热交换夹套内的去离子水的流向与混合腔内的尿素水溶液的流向为逆流。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述第一步骤中，去离子水与尿素颗粒的加入重量之比在67.5∶32.5到67.5∶270之间。
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