CN106061597A - 用于高压合成三聚氰胺的组合式反应器 - Google Patents

Abstract

用于从尿素高压合成三聚氰胺的反应器及相关方法，包括：在由反应器主体内部的壳体界定的第一腔室内部将尿素转化成粗三聚氰胺的一次步骤；和在同一反应器主体内部的第二反应腔室内部将所述粗三聚氰胺熔体汽提的二次步骤，所述第二反应腔室与所述第一腔室共轴并位于所述第一腔室外部。

Description

用于高压合成三聚氰胺的组合式反应器

技术领域

本发明涉及从尿素合成三聚氰胺。本发明特别涉及用于高压合成三聚氰胺的反应器和相关方法。

背景技术

用于从尿素合成三聚氰胺的工艺通常分为低压催化工艺(通常低于1MPa)和高压非催化工艺(通常高于7MPa)。这些工艺在文献(参见例如乌尔曼化学工业百科全书(Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry)，第六版，卷21，第205页)中是公知的。

如在例如US 6815545中所述，已知的高压合成工艺之一主要包括三个步骤：吸热反应，其在第一反应器(被称为一次反应器)内部将尿素转化成三聚氰胺；第二步骤，其在第二反应器(被称为二次反应器或汽提反应器)内部用于通过引入气态氨而除去二氧化碳(CO₂)并减少副产物(其被转化成三聚氰胺以使转化率增加)的含量；第三步骤，在第三步骤期间，在一次反应器和二次反应器的顶部分离的气体(被称为“尾气”)在被运送至尿素工厂之前送去利用尿素进行清洗或洗涤。

利用这个工艺操作的设备布局通常如下：

所述设备包括一次反应器、二次反应器和洗涤器，这些被形成为分开的圆柱形主体。液态尿素或尿素熔体被供应至进行第一反应阶段的一次反应器，该第一反应阶段即为转化成三聚氰胺的吸热转化；所述反应器的流出物被送至第二反应器，在此借助于气态氨对所述流出物中包含的气体进行汽提工艺。通常将液态三聚氰胺在该二次反应器内部保持一定的停留时间(三聚氰胺的熟化(ageing))从而使得在一次反应器内部形成的副产物被转化成三聚氰胺。来自二次反应器的液态流出物(三聚氰胺熔体)可以被送去进行随后的进一步净化步骤。

在一次反应器内部和二次反应器内部所释放的气体形成主要包含氨和CO₂及少量三聚氰胺的所谓尾气流；在洗涤器内部，利用尿素熔体对所述尾气流进行清洗。因此，尿素熔体在被供应至一次反应器之前被加热；在洗涤器出口处的尾气(其不含三聚氰胺)被送走并且例如被回收用于尿素合成。

压力一般在70bar(巴)与250bar(7-25MPa)之间，通常大约为100-120bar(10-12MPa)。

在US 6,815,545中描述了已知的一次反应器构造。该反应器包括：竖直的圆柱形主体；壳体内部的共轴管道，在顶部是开口的；一系列加热主体，被布置在所述管道周围从而向吸热反应提供热量。所述加热主体例如是被供以液化盐的竖直插管。将尿素供给至中心管的底部使得转化反应在所述管道内部开始并在反应器的环形段中完成；粗三聚氰胺几乎完全充满反应器，而尾气在顶部分离。用于收集三聚氰胺的集管通常位于反应器的顶部、在管道上方。

在US 7,041,822中描述了二次反应器的例子。其基本上是圆柱形的竖直反应器，具有：合适的入口，其用于从一次反应器提供的粗三聚氰胺并用于气态氨(汽提剂)流；和出口，其用于处理过的(经汽提的)三聚氰胺和尾气。US7,311,759描述了洗涤器(也基本形成为竖直的且轴对称的圆柱形主体)的例子，使尾气和尿素逆流。

所描述的装置(即，一次反应器、二次反应器和洗涤器)由于严格的操作条件因而昂贵，严格的操作条件需要高质量的材料(例如，镍合金)和相对复杂的结构设计。在各因素中，存在三个分开的圆柱形主体，这增加了设备的成本。每个圆柱形主体需要其各自的地基且连接管道(也由高质量的材料制成)的成本高。包括分开的反应器的所述构造的另一个缺点在于：在一次反应器内部和二次反应器内部都部分地释放尾气，因此需要有必须连接至洗涤器入口上游的两个管道，因此产生了更加复杂的管道系统。

为了减少该成本，WO 2011/161215公开了一种组合式反应器，所述组合式反应器在单个加压主体中组合了一次反应器、二次反应器和洗涤器的功能。所述组合式反应器主要由水平的圆柱形主体(其合并了一次反应器段和二次反应器段)和竖塔拱顶(用作洗涤器)形成。

该组合式反应器提供了将三个加压装置组合成单个设备的优点。然而，其具有许多缺点和劣势。

第一个缺点在于以下事实：所述组合式反应器不再具备传统装置的轴对称性，特别是在一次反应器段和二次反应器段。这导致需要仔细重新设计严格依赖流体动力学的合成工艺以及所述装置的实际形式。众所周知，三聚氰胺合成工艺非常复杂，并且转换成完全不同的几何形状会增加与流体动力学和工艺方面相关的成本。

此外，水平主体在地面上会具有大的“占地面积”。竖直装置通常是优选的，因为地基更简单并且它们更好地利用了工厂的可用区域。这在改造现有设备(其中新型或改进型装置必须被布置在可用空间中或被布置在已有装置所占用的空间中)的情况下非常重要。一般来说，在工厂中可用的空间很小，因此，水平反应器的解决方案可能不实用。

另一个不利条件在于以下事实：拱顶必须具有与水平主体的直径相当的大直径，从而确保低的气体流速。因此，实现水平主体与拱顶之间的连接的成本高，考虑到高的操作压力时特别如此。必须在水平主体中制作大尺寸的开口，并且所述开口需要合适的加固。所有这些增加了制造成本，因此部分抵消了通过用单个装置代替三个装置所获得的节约。

因为在水平容器的顶部收集来自二次反应器的气体输出，且然后水平传送直到它们到达供顶入口，所以尾气的流动并非完全令人满意，因此在所述气体在洗涤器段内部的分布不均匀。

US 3,432,274和US 5,489,339公开了用于在高压下合成三聚氰胺的反应器，其中反应区域彼此上下布置。

发明内容

本发明目的在于，通过提供能够在单个加压主体内部满足一次反应和二次反应以及气体的洗涤(在某些情况下)而没有上文进一步讨论的缺点的组合式三聚氰胺反应器，来克服这些缺点。

本发明的根本理念是在竖直反应器内部在一次腔室外侧并周围该一次腔室提供共轴的二次反应腔室。此外，反应器的顶部可以被配置用作洗涤器，由此产生在单个竖直反应器中的三个主要构件的组合。以这种方式，保持了已被证明是有效的竖直延伸的反应器和轴对称性。

所述目的以根据所附权利要求1的用于使用高压非催化工艺从尿素合成三聚氰胺的反应器实现，所述反应器包括竖直反应器主体，还包括：

壳体，与所述竖直主体共轴并位于所述竖直主体内部，所述壳体在所述反应器内部界定了彼此共轴的第一反应腔室(5,6)和第二反应腔室，所述第二反应腔室共轴地围绕所述第一腔室布置；

至少一个尿素熔体入口，被设置成将尿素熔体引入所述第一反应腔室中；

至少一个路径，用于将来自所述第一腔室的流出物供应至所述第二腔室中；

至少一个入口，被设置成将气态氨引入所述第二反应腔室中；以及

至少一个集管，用于收集来自所述第二反应腔室的液化三聚氰胺。

第一反应腔室和第二反应腔室还分别被称为内反应腔室和外反应腔室。

优选地，反应器包括与所述壳体共轴并位于所述壳体内部的中心管道，所述中心管道界定所述第一反应腔室的内部区域和边缘区域。在这种情况下，更优选地，所述至少一个尿素熔体入口被设计成将尿素熔体引入所述第一反应腔室的所述内部区域。

更有利地，所述边缘区域在内侧由中心管道界定并且在外侧由壳体界定。

优选地，所述第二腔室基本是环形的。优选地，所述壳体是圆柱形的，因此所述第二(外)腔室基本上是圆柱形的且环绕所述第一(内)腔室。更优选地，反应器主体、中心管道(其中所提供的)和第二壳体是圆柱形的并彼此共轴。

所述第二腔室因为被供应以气态氨而用作二次汽提反应器。因此，第一腔室和第二腔室分别被定义为一次转化段和二次汽提段。

所述壳体将反应器的内部基本上分成两个相通的段：壳体内部的一次段和由所述第二反应腔室形成的二次段或汽提段。

一次段基本包括彼此相通的两个区域：中心管道内部的区域(所述反应在这里开始)和管道和壳体之间的区域(在这里，优选安装加热主体并且完成反应，并且在顶部收集粗三聚氰胺)。

由于所述两个段彼此相通，所以在第一段(第一反应腔室)中合成的粗三聚氰胺流入第二段(第二反应腔室)中。

在优选的实施方式中，所述内部壳体向上延伸至比所述管道的高度更高的高度，并且所述壳体的边缘作为用于向所述第二反应腔室供料的溢流分配器。

优选地，反应器包括在管道与壳体之间容置于所述区域中的加热主体，从而向大量三聚氰胺熔体供热并保持反应器内部的高温，从而为将尿素转化成三聚氰胺的吸热反应供能。

加热主体可以由流体所流经的管道组成。在优选实施方式中，所述加热主体包括热流体(例如液化盐)所流经的插管。在其他实施方式中，它们可以包括传统的管束或其他等同装置。对本发明来说，加热主体的具体形式并不重要。

优选地，反应器包括气态氨分配器，被配置成在所述第二腔室的基部以分布式的方式引入氨。例如，氨分配器可以形成为位于第二腔室的基部的环形体。

反应器还有利地包括适于从所述第二腔室的底部(更优选以分布式方式)收集液化三聚氰胺的集管。

因此，所设计的反应器提供了将通常分别分配给一次反应器(将尿素转化成三聚氰胺)和二次反应器(用氨的CO₂汽提)的功能组合在一起的主要优点，同时保持了具有轴对称性的竖直设计。以这种方式，保持甚至进一步改善了与轴对称工艺相关的众所周知的流体动力学。

本发明的优点是排除了压力装置(即，二次反应器)，这靠新装置外径的较小增加而得到，同时总高度基本保持与单个一次反应器的高度相同。例如，根据本发明，组合了所述两个反应器的装置的内径仅仅比根据现有技术的一次反应器的直径大了约20％。此外，第二壳体不会受到显著的压差，并且虽然由质量高的材料制成，但可以具有较小厚度，因此不存在高成本。因此，可以说，根据本发明的组合式反应器的成本稍微大于常规的一次反应器的成本，但提供了很大的优点：去除了二次反应器和相关的地基以及用于将三聚氰胺从第一反应器转移至二次反应器的管道系统(也由质量高材料制成)。尾气收集管道系统也被简化，因为肯定是从单个反应器而不是从两个反应器收集气体。

从工艺的观点来看，本发明还具有重要的优点。在优选实施方式中的一个中，从内壳体的顶边缘溢流的三聚氰胺进入第二腔室。这意味着三聚氰胺从一次反应区域至二次反应区域的转移均匀并以轴对称方式进行。在传统的一次反应器中，三聚氰胺从单个点排出，造成反应器内部的局部干扰。因此，能够理解的是，由于本发明，改善了尿素向三聚氰胺的一次转化的操作条件并特别地实现了反应器内部的条件的更好的均匀性。

关于这个方面，还应注意的是，具有分开的反应器的现有技术设备具有来自一次反应器的三聚氰胺输出，所述三聚氰胺输出被运送至开口，然后在二次反应器内部被再次分布。在本发明的新配置中，三聚氰胺已被均匀分布并以相对于位于用作二次反应器的腔室的底部的氨分配器完全对称的方式分布。这从工艺的观点来看产生了更高的效率。

另一优点在于尾气出口，所述尾气出口通常在装置的顶部并且是完全对称的。从第一腔室和第二腔室出来的尾气在反应器的顶部被收集。因此，存在来自装置的单一尾气输出流。

在优选的实施方式中，反应器还包括位于所述反应器的顶部(即，上述一次段和二次段上方)中的洗涤器段。所述洗涤器段收集从下面的段出来的气体并被供以尿素熔体，例如部分原料尿素。在与气体逆流接触之后，所述尿素熔体在洗涤器的基底部收集并被运送至第一反应腔室。优选地，反应器包括平的通气道，其界定了洗涤器段的底部、使得气体上升并收集尿素熔体。

洗涤器段还可以被包含在同一外壳体内部。在一些实施方式中，具有锥形过渡部的洗涤器段可以具有较小的直径。然而，可以优选保持一次段和二次段的壳体的直径，以得到低气体流速的优点。

从洗涤器向一次段的尿素供料优选在反应器外部进行。

洗涤器段的添加具有以下优点：将三个装置组合成一个；去除用于洗涤器、各个地基和连接管道系统的成本；同时保持组合式反应器的竖直设计和轴对称性。

尾气从一次段和二次段向洗涤器的流动的轴对称性是本发明的另一个优点。

概括来说，在包括组合了一次反应器和二次反应器和还组合了洗涤器的本发明的各种实施方式中，实现以下优点：相对简单的反应器设计；竖直配置，其节省空间并通常允许在替换现有竖直反应器的情况下使用现有地基；工艺流体动力学的基本轴对称性，其在复杂的反应诸如三聚氰胺的合成(在其中，所需工艺条件的局部方差可能减少效率和/或形成不被期望的副产物)中特别有利。本发明还帮助确保稳定的反应并限制副产物的形成。

本发明的另一方面涉及根据所附权利要求的三聚氰胺合成方法。所述方法包括：在反应器主体内部的一次转化步骤，产生原尿素熔体；和在所述反应器主体内部的第二反应腔室内部汽提所述原尿素熔体的二次步骤，所述第二反应腔室围绕所述第一腔室周围被共轴布置。

借助下面关于一些优选实施方式的详细的描述，优点将更加清楚地显现。

附图说明

图1是第一实施方式中的组合式反应器的横截面图；

图2是包括根据图1所示组合式反应器的设备的简化图；

图3是还包括洗涤器段的第二实施方式中的组合式反应器的横截面图；

图4是包括根据图3所示组合式反应器的设备的简化图。

具体实施方式

图1示出用于使用高压非催化工艺从尿素合成三聚氰胺的组合式反应器R，其主要包括：竖直主体1、中心管道2，中心管道2外部的多个加热管3，以及与加热管3共轴并位于加热管3外部的壳体4。

中心管道2和壳体4都优选为圆柱形。

壳体4限定了第一内反应腔室，该第一内反应腔室由通过中心管道2界定的内部区域5和位于中心管道2外部的、容置加热管3的边缘区域6构成。在所述壳体4和反应器主体1的壁之间界定具有基本环形形状的第二外反应腔室7。

因此，外腔室7共轴地围绕内腔室5布置。

反应器R包括用于尿素熔体9的至少一个入口8，所述至少一个入口8被设计成将尿素熔体引入由中心管道2界定的内部区域5中。反应器还包括被容置在环形腔室7的底部处并与供应气态氨的管线11连接的环形分配器10。

有利地，如图所示，壳体4在反应器内部一直延伸到比管道2的高度更高的高度，优选是几乎到反应器的顶部，留下顶部腔室12用于分离在反应期间释放的气体。

壳体4可以被定义为低压壳体，因为其不会受到内部与外部之间明显的压差。因此，所述壳体4可以形成为具有小厚度，因此成本低并且重量小。

管道2的顶部13是开口的，使得液态三聚氰胺可以从区域5通到区域6，使得在第一反应腔室内部形成流通。有利地，如图1中箭头所示，冲击偏转板13a设置在管道2的开口上方，从而将液体运送至区域6中。在一些实施方式中，还可以在管道2中设置横向开口，从而它们使得三聚氰胺流入所述区域6中。

在正常操作条件下，液态三聚氰胺充入反应器R，到达图中以线14所示的水平，并流过壳体4的顶边缘15，因此进入到环形腔室7中。可以使边缘15适当地成形为有利于液体的溢流。

在所述环形腔室7内部，由于通过环形分配器10均匀供应的逆流气态氨流而对液态三聚氰胺进行汽提。由此得到的经汽提的三聚氰胺16在腔室7的底部被从反应器排出；在该工艺期间释放并包含CO₂和氨的气体收集在腔室12内部并从管线17排出。所述气体可以被供应至传统的洗涤器。

如图1所示，反应器R主要设置有：一次转换段，对应于壳体4内部的腔室5和6；以及二次汽提段，由环形腔室7组成。所述腔室5和6和所述腔室7经由壳体4的顶边缘15彼此相通。

由于汽提段(其根据本发明与一次转换段共轴并在一次转换段外部)的布置，这两个段可以组合成单个主体，同时保持竖直配置和轴对称性。应注意的是，腔室5、6与腔室7之间液体的流动以及从分配器10供应汽提氨都以基本轴对称的方式进行。因此，反应器内部的流体动力学条件也基本轴对称，因此，改善了化学反应的转化效率和稳定性。

图2示出将根据图1的反应器R并入三聚氰胺设备中的例子。

从反应器R流出的尾气7流被运送至单独的洗涤器S的底部，在那里，用原料尿素U(例如具有高纯度(例如99.5％或更高)的尿素熔体)对所述气体进行洗涤。所述洗涤器S可以是传统的洗涤器。

所述设备包括用于使尿素流通的泵18。离开洗涤器S的部分尿素经由管线19在所述洗涤器内部再循环，并且剩余的尿素形成用于组合式反应器R的原料流9。

例如将离开洗涤器的尾气20流回收利用以生产尿素。

图3示出以RS表示的组合式反应器的例子，所述组合式反应器还包括洗涤器段。

反应器RS的底部基本上如图1所示形成；顶部包括用作洗涤器的段21。所述段21经由具有用于收集液相的板23的通气道22与底部相通。

在操作期间，来自腔室5、6和7的气体经由通气道22被运送至洗涤器段21；部分液态尿素24被供应到洗涤器的顶部，其在那里与所述气体形成逆流。新鲜的尿素U也被供应至洗涤器21的顶部从而进行尾气的最终洗涤。在板23上收集液态尿素且液态尿素沿管线25(可选地经由泵26)返回至反应腔室5。该图还示出交换器27，用于冷却被供应至洗涤器段的尿素。

能够注意的是，来自反应器RS的顶部的尾气流与图2中的流20对应，所述流20由在所述段21内部已经经受洗涤工艺的气体形成。

图4示出包括根据图3的组合式洗涤器/反应器RS的设备的视图。

Claims (19)

1.用于使用高压非催化工艺从尿素合成三聚氰胺的反应器，包括竖直反应器主体(1)，其特征在于，包括：

内反应腔室(5,6)和外反应腔室(7)，所述外反应腔室共轴地围绕所述内反应腔室布置；

至少一个尿素熔体入口(9)，被设置成将尿素熔体引入所述内反应腔室中；

至少一个路径，被设置成将来自所述内腔室的流出物供给至所述外腔室中；

至少一个氨入口(11)，被设置成将气态氨引入所述外反应腔室(7)中，以及

至少一个三聚氰胺集管，用于收集来自所述外反应腔室的液态三聚氰胺。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，包括与所述竖直主体(1)共轴并位于所述竖直主体内部的壳体(4)，其中，所述壳体(4)在所述反应器内部界定了所述内反应腔室(5,6)和所述外反应腔室(7)。

3.根据权利要求2所述的反应器，所述外反应腔室(7)被界定在所述反应器的所述壳体(4)与所述主体(1)之间。

4.根据权利要求3所述的反应器，包括与所述壳体(4)共轴并位于所述壳体(4)内部的中心管道(2)，所述中心管道(2)界定了所述内反应腔室的内部区域(5)和边缘区域(6)。

5.根据权利要求4所述的反应器，所述尿素熔体入口(9)被设计成将尿素熔体引入所述内反应腔室的所述内部区域(5)中。

6.根据前述权利要求的任一项所述的反应器，所述壳体是圆柱形的。

7.根据权利要求4至6的任一项所述的反应器，其中，所述中心管道(2)与所述内反应腔室的所述边缘区域(6)相通，所述边缘区域(6)在内侧由所述中心管道(2)界定并且在外侧由所述壳体(4)界定，并且所述边缘区域(6)与所述外腔室(7)相通。

8.根据权利要求7所述的反应器，其中，所述壳体(4)向上延伸至比所述中心管道(2)的高度更高的高度，并且所述壳体(4)的顶边缘(15)作为用于向所述外反应腔室(7)供料的溢流分配器。

9.根据权利要求4至8的任一项所述的反应器，包括被容置在所述内反应腔室的所述边缘区域(6)内部的加热装置(3)。

10.根据前述权利要求的任一项所述的反应器，所述内腔室是圆柱形的并且所述外腔室是围绕所述内腔室的环形腔室。

11.根据前述权利要求的任一项所述的反应器，包括分配器，所述分配器与所述至少一个气态氨入口(11)连接并被配置成允许以分布式方式将氨引入所述外腔室(7)内部。

12.根据权利要求11所述的反应器，所述分配器包括基本被容置在所述外腔室的基部的环形体(10)。

13.根据前述权利要求的任一项所述的反应器，用于液态三聚氰胺的所述集管被容置在所述外腔室的底部。

14.根据前述权利要求的任一项所述的反应器，其特征在于，还包括洗涤器段(21)，所述洗涤器段(21)在所述内腔室和所述外腔室的上方位于所述反应器的顶部，并被设置成收集来自所述腔室的气体。

15.用于使用高压工艺将尿素转化成三聚氰胺的设备，包括根据前述权利要求的任一项所述的至少一个反应器(R，RS)。

16.用于从尿素高压合成三聚氰胺的方法，包括：

-一次转化步骤，所述一次转化步骤在由反应器主体内部的壳体界定的第一腔室的内部进行，产生粗三聚氰胺熔体，

-在第二反应腔室的内部对所述粗三聚氰胺熔体的二次汽提步骤，所述第二反应腔室在所述反应器主体内部共轴地围绕所述第一腔室布置。

17.根据权利要求16所述的方法，用气态氨进行所述二次汽提。

18.根据权利要求16或17所述的方法，还包括对在所述一次步骤和二次步骤期间所产生的三聚氰胺尾气的洗涤步骤，所述洗涤步骤在位于所述共轴反应腔室上方且位于所述反应器主体内部的洗涤器段的内部进行。

19.根据权利要求16至18的任一项所述的方法，所述压力高于70bar并优选在70bar与250bar之间。