CN104619406B - 用于液体制粒特别是尿素制粒的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于液相制粒的方法和装置，其中产生所述液相的多分散液滴流，多分散液滴流与凝固空气接触沿基本垂直的制粒通道下行运动，且其中在所述多分散流内，小尺寸液滴凝固产生固体颗粒，并通过与其它液滴碰撞生长所述固体颗粒；在一些实施方案中，可用常规方法生长由所述新制粒方法获得的产物。

Description

用于液体制粒特别是尿素制粒的方法和装置

应用领域

本发明涉及用于液体制粒的方法和装置。优选应用的代表是尿素制粒。

现有技术

已知在尿素合成设备中，需要将液体尿素(常称为熔融尿素)转化为固体产物。

一种已知技术包括在流化床中制粒，其中有利地在床中通过适合的喷嘴喷洒液体尿素，所述床是由流态化空气流保持在流化床条件中的固态尿素颗粒形成。通过使沉积在颗粒本身表面的液体凝固逐步增加颗粒的尺寸。

然而，已知常规流化床制粒工艺不仅需要随时间供给液体尿素，还需要供给固相尿素。所述固相由起到凝固过程起始核心作用的晶种组成。

最常用的晶种生成方法包括在适当的筛选和研磨之后将部分成粒产物再循环，以提供晶种。还已知使用部分可用(available)液体生成所述晶种。这种解决方案包括例如通过合适的制片机生成固体小片形式的晶种，在制片机中，液滴沉积在长的冷却传送带上。然而，所有这些需要一系列额外的机器。具体而言，制片机非常大且十分昂贵。

用于将液体尿素转化为固体产物但与制粒不同的另一技术的代表是所谓的造粒(prilling)。在造粒法中，将所述液体尿素供给至多孔转篮，其在塔内部产生基本单分散的液滴流。所述液滴因重力而沿塔落下，通过逆流气流凝固，产生称为球粒(prill)的固体颗粒。不计统计偏差，所述单分散流液滴基本具有同一尺寸；由塔产生的固体球粒的尺寸相当于液滴的尺寸，即其是由所述篮的孔的尺寸决定。

已知造粒法易于产生不是非常令人满意的易碎产物。这是由于液滴的凝固过程在球粒中留下一定的孔隙率。所述易碎性可导致产品在运输、储藏等期间破碎，特别是如果所述产品是体状(bulk form)时。

由于上述理由，现有技术不太令人满意，并且有强烈的动机去寻找能克服这些限制的新方法。

以类似的方式，在其它液体例如硝酸铵、硫酸铵的制粒工艺中遇到已概述的关于尿素的问题。

发明内容

本发明提供用于液相制粒特别是尿素制粒的新方法和相关设备。本发明旨在将液体流例如熔融尿素转化为具有最优尺寸和物理特征的固体产物，从而克服现有技术的上述缺陷。

由液相制粒法完成所述目的，其中生成所述液相的液滴多分散流，其与凝固空气接触沿基本竖直的制粒通道下行运动，且在所述多分散流内，小尺寸液滴凝固产生固体颗粒，并且所述固体颗粒通过与其它液滴碰撞而生长。

术语多分散流指最初喷洒在空气中的液滴流包括直径在最小直径和最大直径之间的一定范围内变化的液滴。优选地，所述流包括可变直径在0.1mm(100μm)和约2.5mm之间，更优选地在0.2mm和2mm之间的液滴。

这种液滴流可例如由喷嘴阵列产生。所述喷嘴具有直径不同的孔口，从而产生所需的多分散流。

逐步凝固的所述液相液滴处于气力输送(pneumatic transportation)条件下。术语气力输送指所述液滴分散在空气中，不考虑液滴和空气之间的相对速度。例如，沿制粒通道的“真空度”与流化床相比大得多，即所述固相比在流化床中稀薄(rarefied)得多。穿过所述制粒通道的流中的真空度是例如大于0.9且通常接近于1。

所述制粒通道基本从对应于液滴的进入区(admission zone)的进口段延伸至运送固体产物的出口段。

供给至该过程的液相可视需要包含添加剂。例如可在熔融尿素制粒中提供添加剂的加入。

现将列出本发明的其它优选特征。

可以沿所述制粒通道通过透气壁供给至少部分空气。所述渗透壁至少限定所述通道的起始部分。

在一些实施方案中，将全部液相供给(full liquid phase supply)以所述多分散液滴流形式引入所述制粒通道的头段(即起始段)中。

在其它实施方案中，将所述液相供给的第一部分引入所述制粒通道的头段中，并将所述液相的剩余部分侧向引入所述通道的至少一个中间段中。这可用除了头喷嘴之外的侧喷嘴阵列来完成。

根据所需颗粒直径，沿所述通道侧向供给部分液相是适当的。一般而言，通过所述头喷嘴供给全部液相使得能获得高达特定最大直径的颗粒；对于较大直径，还应使用侧喷嘴。例如，在尿素制粒中，优选具有侧喷嘴以获得尺寸为约3mm或更大的颗粒。

在一些实施方案中，空气基本下行运动，因此空气和液滴基本上是同向流动。将所述液滴优选以比空气速度大的高速喷洒在所述制粒通道中。在一些优选实施方案中，将二次冷却空气流基本上引入所述制粒通道的终端部分。引入所述二次空气使得能改善所述制粒通道终端部分内的冷却，其中由于与液相的热交换，(被引入上游头段的)一次凝固空气有相对高的温度。

在其它实施方案中，空气基本上行运动，即相对于液滴流反向流动。更优选地，随着流从所述制粒通道下端截面进入，将大部分凝固空气引入所述制粒通道中，并且通过限定所述通道上部的多孔壁引入小部分所述凝固空气。

限定制粒通道的壁可以是圆柱形的(或多边形的)，即具有基本恒定的横截面，或是圆锥形的，即具有增大或减小的横截面。

在空气下行的实施方案中，所述壁优选是略微圆锥形的，且开口朝向底部，即所述壁的底部横截面比顶部横截面大。另一方面，在空气上行的实施方案中，优选基本圆锥形的壁(相比下行空气的情况，锥度角更大)，所述壁开口朝向顶部。

换言之，由壁形成的圆锥形根据空气流的方向(上行或下行)开口朝向顶部或底部。所述实施方案还应用于有多边形壁的变体。

可以以适合的条件(criteria)沿所述制粒通道供应空气。在一些实施方案中，可优选在凝固过程开始的接近于喷嘴的液体进入区附近供给更大量的空气。然后可沿所述制粒通道降低空气流速。在这种情况下，所述流速可按线性方式或按照不同规律降低。

另一优选方面包括再引入(再循环)细固体颗粒，可以用已知洗涤器(scrubber)处理的灰尘除外。术语细颗粒(fine particle)指在所述制粒通道末端没有达到所需最小尺寸(例如小于2mm)的颗粒。将所述细颗粒(技术文献中简称为细粒(fines))与较大颗粒分离，并再引入制粒通道中。优选地，通过气力输送再引入所述细粒。应注意，所述细粒的再循环是优选但可选的特征，因为其对于本发明的方法并不是必要的。

该尺寸的阈值取决于于所需产物。一般而言，由直径为至少2-2.5mm的颗粒给出最终产物。可以用筛进行颗粒与细颗粒之间的分离。

本发明的另一目的是如所附权利要求书所述的制粒装置。

所述制粒基本以下面的方式发生。多分散流内部的较小液滴(直径接近多分散流中的最小尺寸，例如几百微米)快速凝固，而较大液滴，由于与空气接触凝固减慢。由此形成的固体颗粒与属于多分散流的其它液滴(以非弹性方式)碰撞，所述其他液滴仍处于液态且一般尺寸较大，并以高速运动。在制粒通道中下行运动期间，固体颗粒例如嵌入较大液滴，其进而凝固，依此类推，获得颗粒。

应注意到所述制粒工艺是自维持的，无需从外部引入固体晶种，即无需外部供给固相且无需预制粒。

将所述细颗粒(灰尘除外)再引入制粒通道中，以通过与其它液滴接触而生长。因此，再引入所述制粒机的细颗粒易于扩大，形成较大尺寸的固体颗粒。单一颗粒可经过制粒通道中的几条通路，直到其形成至少所需最小尺寸的固体颗粒。

本发明的实质性优点是其不需要供给固体核心(晶种)，另一方面，供给固体核心(晶种)是在现有技术的制粒机包括有流化床的那些制粒机中发生。该方法通过仅供给(熔融的)液体和空气维持，所述液体和空气是该方法本身仅有的输入物。因此，用于产生晶种的大型昂贵设备(如制片机)不是必要的。此外，另一方面，该方法不会产生如在流化床中发生的过大尺寸的颗粒，且研磨设备也不是必要的。

用上行空气的实施方案通常允许实现更紧凑的装置。

在产品质量方面，本发明能获得具有高硬度和良好尺寸均匀性的颗粒。申请人已注意到，本发明的方法产生相比常规球粒尺寸较大，且硬度与由流化床方法产生的颗粒相同的固体颗粒。

现将参考一些示例性实施方案并借助附图来说明本发明的优点。

图1示意性示出根据本发明多个实施方案之一的实施制粒工艺的装置，其中空气在制粒通道内下行。

图2示出图2装置的变体，其中用侧喷嘴引入一部分液体。

图3示出另一可能实施方案的装置，其中空气在制粒通道内上行。

图4示出图3的变体，其中用侧喷嘴引入一部分液体。

图5示意性例示出由液滴多分散流形成固体颗粒的方法，如例如在图1-4中的装置中发生的。

图6和7为了比较，分别示出现有技术的通过制粒和造粒形成颗粒的方法。

详细说明

图1方案示出竖直的制粒机1，对其供给例如由熔融尿素组成的液相2和空气3。在该实施例中，液相2来自按照多种已知技术中的一种制造的尿素设备。根据所需产物，所述液相2可含有添加剂(如有必要)。

将液相2供给至头喷嘴4阵列，所述头喷嘴阵列在制粒机内进行喷洒，产生基本由顶部导向底部的高速多分散液滴流。在一些实施方案中，将其它头喷嘴5置于喷嘴4旁，用于细粒的再循环，如将在下文中描述的。

液滴射流(jet)沿着基本从制粒机1顶部延伸至由虚线7表示的出口截面的制粒通道6。应注意所述线7是虚线，并不对应于实体壁。在该实施例中，所述制粒通道由通过透气壁8界定的柱来表示。所述壁8的代表是例如金属丝布(metal wire cloth)或网格或多孔板或等同物。所述壁8优选是圆柱形或多边形或略微圆锥形。

首先将空气3供给壁8和外壁之间的环形间隙15，在附图中，所述外壁由制粒机1的外壳表示。所述间隙的底部由底壁15a封闭。

所述间隙15中的空气通过渗透壁8分布在柱6中。

在图1中，空气下行运动，即从壁8出来的空气向下流动，穿过截面7，到达制粒机的下部。在下文将描述的其它实施方案(例如图3)中，空气沿通道6上行运动。

有利的是，液相液滴从嘴4的排出速度(expulsion speed)大于空气进入速度；然后在柱6内，有喷洒于缓慢空气上的快液滴射流。

由喷嘴4产生的液滴流基本分散于空气中。术语气力输送用来表示分散于空气中的这种状态。

箭头9指从制粒通道6出来的固体材料。筛10分离出所需尺寸(例如大于2mm且小于4mm)的颗粒11和由线12表示的细颗粒(细粒)。

颗粒11代表制粒产物。在一些应用中，可以用已知技术使离开该过程的颗粒11进行进一步生长。

优选将细颗粒12(灰尘除外)再引入制粒机1中。在图1的实施例中，这借助运输空气13(例如通过喷射器)发生。线14将随着运输空气13携带的细粒12供给至各喷嘴5阵列。

优选在用于使灰尘受潮的洗涤器16中处理从制粒机1抽出的空气。在所述洗涤器16中，使来自制粒机1下部的含尘空气与含尿素的液体溶液接触，从而溶解灰尘并获得液体再循环溶液17和纯化的空气18。按照已知技术在尿素设备中再循环溶液17。

在一些实施方案中，可以将较大流速的空气送入相当于凝固过程开始的液滴入口区。例如，参见图1，可以制造渗透壁8，从而相较于靠近出口截面7的下部区域，在喷嘴4附近获得较大的空气流速。

为了改善冷却，可将新鲜冷却空气流(又称为二次空气)供给到通道6下部。例如，可选地可由壁将间隙15分开，获得用于一次凝固空气3进入的上间隙和供有基本专用于冷却该流的二次空气的下间隙。用于冷却但不用于制粒的所述二次空气还可以通过具有适合的孔或缝的壁供给。

图2示出图1装置的变体，其中液相2分为两个流20和21。所述流20供给至头喷嘴4；所述流21被导向沿通道6分布的侧喷嘴25。线22、23和24表示例如通过壁8周围的分布器供给至多个侧喷嘴阵列。

侧喷嘴25可以是常规喷嘴。用侧喷嘴的实施方案有利于获得相关尺寸(例如3mm以上)的颗粒。

在从建设性角度看是优选的一些实施方案中，渗透壁8具有多边形横截面(例如有6或8条边)，和容置侧喷嘴25的支柱(upright)。

图3示出空气在制粒通道6内上行运动的变体。在这种情况下，将空气3供给至制粒机1下部中，并从上部出来，以供给至洗涤器16(如果有的话)。如附图中所见，空气3从下截面7进入柱6，并向上升。

在该实施例中，渗透壁8(以及间隙15)仅限定通道6的上部。剩余部分由无孔壁30限定。空气流31有利地通过渗透壁8供给，从而在邻近喷嘴4的用于引入液体的区域中有额外的新鲜空气流。优选地，流3含有大部分(例如2/3)的总空气供给(流3和31)。

在类似图3的实施方案中，液滴和空气逆流。作为非限制性实施例，液体的相对速度可为约10m/s，且空气的上行速度可为约6m/s，将液体减慢至4m/s。这样，在制粒机内的停留时间增加。因此，对于同样的直径，与图1或图2的配置相比，类似图3实施例的配置的高度低得多。

图4与图3类似，空气3由底部进入，并在制粒机中上行运动；在图4中，与图2相似，也用侧喷嘴25分布液体。

图5示意性地示出颗粒形成方法。为了比较，图6和7示出用于形成用流化床系统(图6)和造粒塔(图7)获得的颗粒(生长)的已知方法。

图5示出属于由喷嘴4产生的多分散流的小尺寸液滴100(例如小于500微米)。所述液滴与空气接触，快速凝固，产生小固体颗粒101。同时，其它较大液滴仍处于液态。该固体颗粒易于在流中减慢，并与液滴例如较大较快的液滴102碰撞，形成较大固体103。由此形成的固体103进而与甚至更大的液滴104碰撞，依此类推获得如图5的顺序所示的颗粒。

本领域技术人员可理解该方法与现有技术完全不同。常规流化床制粒(图6)由固体晶种200起始，如图6中所述，于固体晶种200上沉积并凝固液层201，引起由图6的顺序所示的生长。另一方面，造粒方法(图7)用大小与所需固体基本相同的液滴300起始。通过与空气接触，液滴开始凝固，首先围绕液体核心302形成薄固体壳301；继续凝固到达核心，生成固体，然而所述固体已证明是多孔且易碎的。另一方面，本发明获得具有与来自流化床的颗粒相同的机械性质的固体，同时本发明还具有较简易设备的优点且无需晶种。

在包括侧喷嘴的实施方案中，如图2和图4中，图5的方法基本发生在制粒机1的上部。在制粒机下部中，预先形成的固体颗粒(用前述图5的方法形成)被由侧喷嘴喷洒的液滴击中，进行使液层沉积于颗粒上并凝固增加其直径的生长过程。换言之，图6的形成过程基本在制粒机下部获得。在只用头喷嘴引入熔融物的实施方案中，例如图1或图3中，只进行图5的形成过程。

对于尿素制粒，熔融物2的尿素浓度优选等于96％或更高，而固体颗粒浓度更高，例如99.8％或99.9％。在本发明的一些实施方案中，可得到较低浓度的第一熔融尿素流，所述较低浓度应理解为浓度小于99％但仍是高浓度，例如约95％或更高，可得到的第二流甚至具有更高的浓度，99％以上，优选>99.5％(例如99.7％)。在这种情况下，将所述第一流有利地供给头喷嘴4，而浓度为99％以上的第二流有利地供给侧喷嘴25。

Claims (20)

1.液相制粒方法，其中产生所述液相的多分散液滴流，其与凝固空气接触沿竖直的制粒通道下行运动，其中在所述多分散液滴流内，小尺寸液滴凝固产生固体颗粒，并通过与其它液滴碰撞生长所述固体颗粒，其中所述液相包括尿素，并且

其中将部分所述液相供给引入所述制粒通道的头段，并将所述液相的剩余部分引入所述通道的至少一个中间段。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述液相是尿素溶液。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述液相的多分散液滴流包含特征尺寸或直径在0.1mm和2.5mm之间的范围内变化的液滴。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述液相的多分散液滴流包含特征尺寸或直径在0.2mm和2mm之间的范围内变化的液滴。

5.如权利要求1所述的方法，其中沿所述制粒通道通过透气壁供给至少部分空气，以及所述透气壁至少界定所述通道的起始部分。

6.如权利要求1所述的方法，其中下行运动的凝固空气沿所述制粒通道与所述液滴同向流动。

7.如权利要求6所述的方法，其中除所述凝固空气之外，将二次冷却空气流引入所述制粒通道的终端部分。

8.如权利要求1所述的方法，其中上行运动的凝固空气沿所述制粒通道相对于所述液滴逆向流动。

9.如权利要求8所述的方法，其中随着凝固空气流从所述制粒通道的下端截面进入，将所述凝固空气的大部分引入所述制粒通道中，并且通过限定所述通道上部的透气壁引入所述凝固空气的小部分。

10.如权利要求1所述的方法，其中对在所述制粒通道的末端获得的固体材料进行筛选，获得尺寸大于等于预定阈值的固体颗粒和尺寸小于所述阈值的细固体颗粒，并且将所述细固体颗粒再引入至所述制粒通道。

11.如权利要求10所述的方法，其中用气力输送将所述细固体颗粒再引入至所述制粒通道中。

12.如权利要求1所述的方法，其中在洗涤器中处理从所述制粒通道抽出的含尘空气，获得再循环溶液。

13.如权利要求2所述的方法，其中供给至所述制粒通道头段的所述尿素溶液的浓度为95％或更高。

14.如权利要求13所述的方法，其中将第二熔融尿素流引入所述制粒通道的中间段，所述第二熔融尿素流的浓度为大于99％。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述第二熔融尿素流的浓度为99.7％。

16.用于根据权利要求1所述的方法进行液相制粒的装置，包括：

为管式且竖直的壁，其限定所述装置内的制粒柱；

供应有至少部分所述液相的头喷嘴阵列，所述头喷嘴位于所述柱的顶部，并设置成产生多分散液滴流，其在柱内下行运动；

用于在所述制粒柱中分布凝固空气的器件；

并且所述进行液相制粒的装置至少包括第二补充侧喷嘴阵列，所述侧喷嘴设置成沿所述柱侧向注射一定量的液相。

17.如权利要求16的装置，其中至少所述管式且竖直的壁的上部是透气壁，并将至少部分所述凝固空气供给至所述管式且竖直的壁和外壁或壳之间的间隙，使得空气通过所述透气壁在柱内出现。

18.如权利要求17所述的装置，其中所述透气壁的至少一部分由细金属网格或金属丝布或多孔板制成。

19.如权利要求16所述的装置，其中所述管式且竖直的壁具有多边形截面，所述管式且竖直的壁包括多个面和支撑支柱，所述侧喷嘴安装于所述支柱上。

20.如权利要求16所述的装置，所述管式且竖直的壁为圆柱形或圆锥形或锥形。