CN107922318A - 用于合成尿素的反应器‑冷凝器 - Google Patents

Abstract

一种用于由氨和二氧化碳合成尿素的组合式反应器和冷凝器，包括耦接于反应段的冷凝器段，所述反应段包括定向至所述冷凝器段的多个输入端以用于包括氨和二氧化碳的气态流以及用于含有氨基甲酸铵和液态氨的溶液，其中，冷凝器段的流出物被送至所述反应段；所述反应段包括多个区室和多个混合器，且每个所述区室内均包含至少一个混合器。

Description

用于合成尿素的反应器-冷凝器

技术领域

本发明涉及尿素合成设备领域。本发明尤其涉及用于合成尿素的组合式反应器-冷凝器。

背景技术

尿素通常是由氨与二氧化碳的反应合成的，其涉及快速且高度放热的氨基甲酸铵生成步骤，以及氨基甲酸铵转化为尿素和水的轻度吸热步骤。

该反应体系是一个汽液非均相体系，其中，反应物从气相逐步传递到液相。普遍认为，反应物在各相之间的热-质传递对决定转化率是至关重要的。

尿素装置的合成段通常包括尿素反应器、汽提塔和形成高压回路的冷凝器。反应器产出的溶液主要包含尿素、氨基甲酸铵、未转化的氨和水。该溶液被送到汽提塔，在此氨基甲酸盐被分解并最大程度地脱除氨，可能借助于诸如二氧化碳之类的汽提介质，得到贫化液(stripped solution)和含有氨和二氧化碳的气相。随后使所述气相冷凝，产生通常在3至6巴压力下的蒸汽，并返回到反应器中。

来自高压合成段的贫化液一般被送到回收段，在此去除水并产生再循环的氨基甲酸盐流，然后送回至高压回路(例如至冷凝器)。

为了提高转化产率，现有技术关注于合成回路和相关设备的设计上。例如，已知的，通过多孔板(所谓的筛板)将反应器分成若干个区室，如此可以使气态CO₂分散为小气泡，从而最大化气液体系的接触面积，并增强传质和传热。

还已知的是，将反应器和汽提塔的功能或反应器和冷凝器的功能组合到一个设备中。

EP2602245公开了一种以竖直容器形式的组合设备，该容器包括第一分离反应区和第二分离反应区，分别用于由氨和二氧化碳形成氨基甲酸铵和用于将所述氨基甲酸盐转化为尿素和水，并且还包括汽提区。

然而，这种反应器必然需要换热线圈以移除第一反应区的热量并向第二反应区提供热量，这是成本的来源，因为线圈暴露在侵蚀性环境中并且必须由昂贵的材料(如高合金钢)制成。此外，线圈减少了可用的内部体积，而且难以通过常规的非破坏性技术进行检查。

大多数现代的尿素装置使用二氧化碳作为汽提介质，用以最大限度地回收在高压合成中未转化的氨。

在上述CO2汽提技术中，由于反应器和汽提塔在同一压力下工作，因此合成段是等压的，并且高压合成段内的循环是由重力推动的。为了提供足够的静压头以保证稳定的循环流动，设备必须放置在不同的高度，从而导致海拔显著提高的布局，通常高达60米，因此是昂贵的。例如，反应器安装在汽提塔以上，需要昂贵的支撑结构。因此，现代CO2汽提技术仍存在着要求对整体投资成本产生重要影响的结构的缺陷。

发明内容

本发明的目的是对以上所述的现有技术进行改进。本发明目的尤其在于高压合成回路设备的高效和经济的布局。

以上目的通过一种用于由氨和二氧化碳合成尿素的组合式反应器和冷凝器得以实现，该组合式反应器和冷凝器包括耦接于反应段的冷凝器段，所述反应段包括定向至所述冷凝器段的至少一个输入端以用于包括氨和二氧化碳的气态流以及用于含有液态氨和/或再循环的氨基甲酸铵的溶液，其中，冷凝器段的冷凝流出物被输送至所述反应段，其特征在于，所述反应段包括多个区室，并且所述反应段包括多个混合器，每个所述区室内均包含至少一个混合器。

包括氨和二氧化碳的所述气态流优选来自汽提塔，优选为使用二氧化碳作为汽提介质的CO2汽提塔。

所述混合器优选为旋转叶轮形式。在优选的实施例中，所述叶轮安装在贯穿所述反应段的公共单轴上。所述轴例如由所述反应器顶部上的发动机驱动。

在优选的实施例中，所述叶轮中的一个还为所述流出物提供推力，从而允许该流体通过所述反应段。该叶轮也可以叫做驱动叶轮。所述驱动叶轮给予所述流出物穿过所述反应段所必要的压头。当反应段为竖直布设并且因此流出物必须克服重力而向上流动时，尤其优选设置所述驱动叶轮。

由所述驱动叶轮产生的压头允许本发明的所述组合式反应器和冷凝器安装在地平面处。因此，本发明避免了反应器在其它设备上方的昂贵安装并且显著减少了系统成本。

更优选的，所述各个区室从所述反应段的输入端至输出端串联地布置，所述输入端在所述冷凝器段附近，而且所述驱动叶轮布置在所述反应段的所述输入端处。例如，在竖直布置中，所述驱动叶轮是最低的。

优选的，当设有所述驱动叶轮时，所述驱动叶轮也安装在其它叶轮的公共轴上。

根据另一优选实施例，所述反应器包括喷射器，该喷射器接收：包括氨和二氧化碳的气态流的第一输入以及包括氨和/或氨基甲酸铵的溶液的第二输入，并且该喷射器用作进入所述冷凝段之前的相混合器。

所述喷射器还可设计用于使用液体溶液的能量来增加所述气体流的压力。例如，所述流体溶液通过高压泵供给，并且高压泵设计用于在充分高于所述气态流的压力下输送液体至所述喷射器，使得所述液体能够作为所述气体的动力介质。

在一些实施例中，所述喷射器收容在所述组合式反应器-冷凝器内部，优选在所述冷凝器段内。收容在冷凝器段内的优点在于，喷射器本体由于其无需承受大气的全部压力因此厚度显著减小，并且成本进一步降低。

反应段的各个区室例如可以通过多个分段的折流板或塔盘来界定。优选的实施例具有四个区室，每个区室配置有各自的旋转叶轮。

所述冷凝器优选为壳管型(shell-and-tube type)，更有选具有多个U形管。

根据本发明的不同实施例，所述冷凝器段和所述反应段可以竖直或水平地设置，将解释如下。所述反应段和所述冷凝器段可以直接彼此耦接。更优选的，所述反应段和所述冷凝器段设置在同一压力容器中或者在通过法兰连接的两个压力容器中。

本发明具有以下优点：冷凝和合成集成在单个设备中；每个区室中设有专门的混合器，使得每个区室作为一个连续的搅拌釜反应器工作，从而有利于热质传递并进而提高转化产率。以上优点是通过简单的设备实现的，无需诸如内部线圈的部件。喷射器还增加了气相和液相之间的混合，并同时可以增加气体流的压力。此外，如上所述，推力叶轮的存在允许恢复反应器内部的压力，并允许将设备安装在地平面处，无需昂贵的支撑结构。

本发明的目的还在于如所附的权利要求书的用于合成尿素的装置。优选该装置为CO2汽提装置。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的用于合成尿素的组合式反应器-冷凝器的示意图。

图2示出了本发明的第二实施例。

图3示出了本发明的第三实施例。

具体实施方式

图1是组合式反应器-冷凝器1的示意图，该组合式反应器-冷凝器1基本上包括反应段2、冷凝段3、喷射器4和罐5。段2和段3均竖直地设置，并且反应段2位于冷凝段3上方。

反应段2包括由折流板或塔盘6分隔的多个区室2A、2B、2C和2D。每个区室具有各自的叶轮7A、7B、7C和7D。这些叶轮安装在公共轴8上并由安装在反应器1顶部上的发动机9供能。

冷凝段附近的下叶轮7A设计用于给流体提供轴向推力，从而为通过竖直反应段2的上升流提供动力。

冷凝段3包括一束U形管10。为了清楚，图中仅示出了一个管。

喷射器4接收气态的二氧化碳与氨的第一输入流11(例如来自汽提塔)以及氨与再循环的氨基甲酸盐的第二输入流12(例如来自回收段)。通常，气体流11的压力为130～160巴，温度为100～200℃；氨基甲酸盐流12的压力为150～250巴，温度为30～100℃。

喷射器4紧密地接触气体流11和液体流12，以实现输出流为两相混合物，其中气体完全分散到液体中(分散流)。该两相混合物借助进料区13定向进入到管束10的各个管中。喷射器4还利用液体流12的能量增大了气体流11的压力，以便于通过管束10。

所述两相混合物在管束10中部分冷凝，冷凝热用于产生由蒸汽鼓5收集的蒸汽15。蒸汽鼓15的中水位14在适当时由送入蒸汽凝结水16来控制。

混合物中所含的大部分氨和二氧化碳在管束10中转化为氨基甲酸盐；该转换被控制作用在安装在蒸汽鼓(steam drum)5中的压力控制器上。

来自管束10的输出流17仍含有气相的一些氨和二氧化碳。这是由于存在与气流11一起喷射的钝化空气，还由于需要向反应器中输送一些气态的二氧化碳，因为所述二氧化碳冷凝所释放的热量将补偿氨基甲酸盐脱水的吸热反应。

所述输出流17进入反应段2，并经过各个区室(反应阶段)2A-2D。下叶轮2A被设计为向所述流17提供轴向推力，从而允许向上流动。每个区室由于各自的叶轮而作为连续搅拌釜反应器。

反应段2的输出为流18，流18本质上是尿素、水、氨基甲酸盐和一些未转化的氨的溶液，并被送入产生气态流11的高压汽提塔(未示出)。

可以提供分离器来接收流18，并使气态组分和液态组分分离。液态组分通常被送到高压汽提塔，而气态组分可以送到洗涤器(未示出)从而用富含水的溶液(如回收氨基甲酸盐12)来洗涤残余氨。

图2示出了冷凝段3水平布置的第二实施例。在本实施例中，喷射器4位于冷凝段的容器之内，在进料区13中。

图3示出了反应段2和冷凝段3均为水平布置的第三实施例。在本实施例中，可以省略驱动叶轮7A，因为通过反应器的流体不必克服反应段的高度。

本发明的组合式反应器可插入尿素合成回路中，例如通过与汽提塔连接。因此，本发明可用于新的尿素装置，也可用于现有装置的改造。

Claims (14)

1.一种用于由氨和二氧化碳合成尿素的组合式反应器和冷凝器(1)，包括耦接于反应段(2)的冷凝器段(3)，所述反应段(2)包括定向至所述冷凝器段的至少一个输入端以用于包括氨和二氧化碳的气态流(11)以及用于含有液态氨和/或氨基甲酸铵的溶液(12)，其中，冷凝器段的流出物(17)被送至所述反应段，其特征在于：

所述反应段包括多个区室(2A-2D)；

所述反应段包括多个混合器(7A-7D)，每个所述区室内包含至少一个混合器。

2.根据权利要求1或2所述的反应器，其中，所述混合器为旋转式的叶轮(7A-7D)。

3.根据权利要求3所述的反应器，其中，所述叶轮安装在贯穿所述反应段的单个的公共轴(8)上。

4.根据权利要求2或3所述的反应器，其中，所述叶轮中的一个(7A)适用于向所述冷凝器段的所述流出物提供轴向推力，从而作为通过所述反应段的所述流的驱动叶轮。

5.根据权利要求4所述的反应器，其中，所述驱动叶轮(7A)也安装在所述公共轴上。

6.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其中，还包括喷射器(4)，所述喷射器(4)作为包括氨和二氧化碳的所述气态流和含有氨基甲酸铵的所述溶液在进入所述冷凝段之前的相混合器。

7.根据权利要求6所述的反应器，其中，所述喷射器(4)设计用于提高包括氨和二氧化碳的所述气态流的压力。

8.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其中，所述反应段包括多个分段的折流板或塔盘(6)，用于界定出所述多个区室。

9.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其中，所述反应段包括至少四个区室。

10.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其中，所述冷凝器段是壳管型。

11.根据权利要求10所述的反应器，其中，所述冷凝器段包括U形管束(10)。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的反应器，其中，所述冷凝器段和所述反应段根据以下方式之一设置：所述冷凝器段和所述反应段均为竖直的，所述反应段设置于所述冷凝器段之上；所述冷凝器段为水平的，所述反应段为竖直的；所述冷凝器段和所述反应段均为水平的。

13.一种用于由氨和二氧化碳合成尿素的装置，包括合成段，所述合成段包括汽提塔和组合式反应器和冷凝器(1)，所述组合式反应器和冷凝器(1)包括耦接于反应段(2)的冷凝器段(3)并包括至少一个输入端，所述输入端定向至所述冷凝器段，以用于来自所述汽提塔并包括氨和二氧化碳的气态流(11)并用于包含液态的氨和/或氨基甲酸铵的溶液(12)，其中，所述冷凝器段(3)的流出物(17)被送至所述反应段(2)，其中：

所述组合式反应器和冷凝器的所述反应段(3)包括多个区室(2A-2D)；

所述反应段包括多个混合器(7A-7D)，每个所述区室内包括至少一个混合器。

14.根据权利要求13所述的装置，其中：

所述叶轮中的一个(7A)适用于向所述冷凝器段的所述流出物提供轴向推力，从而用作通过所述反应段的所述流的驱动叶轮，并在所述合成段内为流体循环提供适合的压头，并且

所述组合式反应器和冷凝器(1)安装在地平面处。