CN1079696C - 尿素合成反应器原位现代化方法及尿素合成反应器 - Google Patents

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Abstract

一种尿素高压高温合成反应器的原位现代化的一种方法，反应器是气相和液相在其内并行流动的类型，并包括一个垂直管状壳体(2)，壳体(2)内支承多个水平多孔板(6a-6f)的要求采取至少在这些多孔板(6a-6f)中的一个板设置多个在其顶部有多个孔(11)的结构上独立的顶盖(8)的步骤，与板构成若干横向孔(13)。因此，孔(11)与横向孔(13)分别规定了气相和液相的最佳通路，实现紧密混合。

Description

尿素合成反应器原位现代化方法及尿素合成反应器
一般地说，本发明涉及尿素高压高温合成反应器原位现代化方法。
本发明也涉及特别但不是唯一可用上述方法实现的尿素高压高温合成反应器。
在下面的叙述和随后的权利要求书中，术语原位(in-situ)现代化意指在现场(on-site)对原有反应器进行改进以改善其性能，例如，获得更高的生产能力和/或更大的反应率和/或降低能耗。
在这方面的术语中，现代化也称为“改型”或“翻新”。
在尿素高压高温合成领域中，越来越感觉到对于提高合成反应器反应率以提高它们的生产能力和降低尿素工厂能耗的要求。
为满足上述要求，越来越多地使用了由一个垂直管状壳组成的合成反应器，在管状壳内支承多个相互保持间隔的叠置水平多孔板。
在反应器内自下而上并流的氨水(NH3)和二氧化碳(CO2)组成的液相与气相的紧密接触产生尿素。
多孔板的功能是混合上述两相促使它们紧密接触因而进行把反应物NH3和CO2反应成尿素所必需的质量和热的交换。
按所用多孔板的不同，现有技术的合成反应器主要有两种类型。
第一种类型反应器包括许多叠置的，水平伸展遍布反应器整个横截面的多孔板，多孔板内限定有多个用作液相和气相两相流动的通道的孔。
由于液相和气相通过相同的孔流通，因此，液相和气相交替脉冲地流过通道，妨碍了液相和气相的紧密混合。这样使质量和热交换系数低，因而反应率低。
第二种类型反应器包括多个叠置的，相互保持间隔的水平多孔板。每个多孔板周边与反应器内壁之间构成一个环形孔。
然而，即便在这种情况，也不可能实现液相和气相之间所需要的紧密混合，因为液相优先沿上述周边环形孔流动，而气相倾向于聚合在反应器的中心部分。
由于不能保证反应物之间的有效紧密接触，因此，现有技术反应器不能实现最佳的质量和热交换，而这是实现最佳反应率的基本条件。因此，上述反应器在远低于其潜在生产能力情况下工作，造成尿素工厂高的能耗。
为克服上述缺点，本申请人的美国专利5304353叙述了由于使用特殊形状的多孔板实现液相和气相均匀混合而可以以高反应率工作的一种尿素合成反应器。
在上述现有技术反应器中，用美国专利5304353中叙述的新概念板替代原有多孔板，虽然对于反应率来说是有益的，但需要高的投资成本，在经济上不见得是合理的。
本发明的目的是提高上述现有技术合成反应器的反应率，改进生产能力，降低尿素工厂的能耗，同时使必要的投资成本保持最低。
为实现本发明的上述目的，按照本发明提供了一种尿素高压高温合成反应器进行原位现代化的方法反应器是液相和气相并流的类型，并包括一个垂直管状壳，管状壳内支承多个叠置的水平延伸多孔板。这种方法的特征在于：它包括至少在上述一个多孔板上设多个在结构上独立的顶盖的步骤，上述顶盖的顶部有多个孔，支承在距上述多孔板预定距离处，这样，就与上述多孔板构成多个横向孔，上述孔与上述横向孔分别限定了气相和液相的最佳通路。
在下面的叙述和随后的权利要求书中，术语“顶盖”意指适当形状的，实质上中心凹入的覆盖元件，这就构成了一个接收来自多孔板的气相和液相流的室。
已经发现，在这个室内，两相流发生分离。气相聚集在这个室的顶部，然后按毛细管方式分布，从顶盖的孔中通过，而液相则不同，它通过多孔板与顶盖之间限定的环形孔从室内流出。
此外，在距多孔板预定距离的适当多孔顶盖的排列可使气相和液相最佳分离。事实上，他们沿着孔和上述环形孔限定的分离的最佳通道跨越顶盖，然后混合成一种连续、均匀、精细分布的流动。
这样，就可以实现来自多孔板的气相和液相流的最佳混合。因此，有利于提高反应物之间的紧密接触，导致提高液相和气相之间的质量与热交换系数。
因此，本发明的这种方法可以实现反应率的提高，合成反应器生产能力的改进和尿素工厂能耗的降低，并尽可能使用原有多孔板作为顶盖的支承。
为了获得气相在液相中的最佳再分布，顶盖上的孔径应在2-6mm之间。
确实，已经观察到直径在上述范围的孔使得气相以小直径气泡形式在液相中再分布，促进了两相的紧密接触。
为了获得来自多乳板的液相的最佳流动，同时避免敢相夹杂液相，横向孔的开度以在50-150mm范围为好。
在一个最佳实施例中，顶盖实际上是平行六面体，横截面呈倒转的字母U的形式。此外，它们宜以相互距离在10-40mm之间设置在多孔板上。
因此，可以实现底下多孔板的最佳覆盖，形成液相和气相分离的最佳通道而使上述相最佳分离，同时保证多孔以便实现气相在液相的最佳分布。
按照一个替代方案，顶盖实际上是不规则四边形横截面，以便有助于气相流入孔中。
因此，顶盖厚度明显小于它以可拆卸方式固定在其上的多孔板的厚度。这不可以用冲压方法加工小直径孔的顶盖，生产成本低。
按照本发明的另一方面，提供了一种尿素高压高温合成反应器，反应器是气相和液相发生并流的类型，它包括：
一个实际上是圆柱形的垂直外壳，
在上述壳体内的，用作液相和气相通道的，相互保持间隔的叠置水平延伸的多孔板，其特征在于，它至少在上述一个多孔板上包括多个结构上独立的在顶部有多个孔的顶盖，上述顶盖支承在距上述多孔板预定距离处，因而构成多个横向孔，上述孔与上述横向孔分别限定了气相和液相最佳通道。
下面参照附图，通过非限定实例的本发明现代化方法实施例，说明本发明的特点和优点，附图中：
图1示出现有技术的一个尿素高压高温合成反应器的纵向截面图；
图2示出按照本发明现代化方法对图1的尿素合成反应器进行改进而得到的一个反应器的纵向截面图；
图3示出图2中某些零件的放大截面图；
图4示出图2中的反应器沿A-A线的放大图；
图5示出按本发明现代化方法对一个传统的尿素高压高温合成反应器进行改进获得的另一个反应器的纵向截面图。
现在参照示于图1的一个尿素高压(100-300bar)高温180～220℃)合成反应器说明本发明的方法。
上述反应器在图中以标号1表示，包括在其端部分别有作为反应物NH3和CO2进口的孔3和作为反应产物出口的孔4的一个管状壳体2。反应物以液相和气相形式穿越反应器1。
在壳体2中邻近孔3处设有一个转向器5以偏转进入反应器1的反应物流。
标号6a-6f表示若干相互保持间隔的叠置水平多孔板。多孔板6a-6f分别有许多孔，均用标号7指示，预定直径在3-12mm之间。
多孔板沿反应器高度分布，其功能是使气相以小直径气泡群分布，以提高氨水和CO2之间的质量和热交换表面面积。
在图1的反应器中，多孔板6a-6f水平延伸遍布整个壳体2的横截面。
图1中，箭头F1+g指示通过多孔板6a-6f的反应物通道。由于液相和气相交替通过孔7，反应器1中的气相和液相流动实际上是具有脉冲运动的活塞型。
图2表明了按本发明现代化方法对图1的反应器进行改进而得到的一个完整的高压高温尿素合成反应器。
在上述图中，在反应器1中结构上及功能上与图1中相当的零件以相同的标号指出，不进一步叙述。
按照本发明的方法，至少在多孔板6a-6f中的一个板上设多个顶盖8，顶盖8以可拆卸的方式，借助于特殊支杆9支持在距多孔板6a-6f一个预定距离上而固定，以此使图1的反应器1现代化。可用已知的惯用固定方式，例如螺栓，把支杆9分别固定到顶盖8和多孔板6a-6f上。
在图2的实例中，顶盖8实际上呈平行六面体形式，包括其上有多个标号为11的预定直径在2.5～2mm之间的孔的一个上壁10和四个向下延伸的侧壁12。
侧壁12高度最好在50～100mm范围，以促使气相聚集在顶盖8中实现气相与液相的最佳分离。
顶盖8的侧壁12和多孔板6a-6f之间构成沿侧壁12整个长度延伸，其开口最好在60-130mm之间的各相应横向孔13。
把气相从液相分离出来的室14设在顶盖8和多孔板6a-6f之间，如箭Fg和F1所指示的，孔11和横向孔13分别规定了气相和液相的最佳通道。
图3更好地示出顶盖8在多孔板6a-6f上的这种特殊安排，放大示出了图2中反应器1的某些零件，在图4中示出了沿图2的A-A线的反应器横截面。
在本发明的一个替换的实施例中，顶盖8可以有其他和不同的结构，其中：有不规则四边形或三角形横截面的平行六面体，圆柱形成具有球形顶盖，和具有半圆形横截面的平行六面体。
在另一个实施例(未示出)中，顶盖8至少可以设在上述多孔板6a-6f的一个板上，并直接彼此接触。在这种特殊情况，作为液相通道的横向孔设在顶盖中邻近多孔板处。
在图5中，指出了按本发明方法现代化的另一个完整的尿素高压高温合成反应器实例。
在上述图中，在结构上和功能上与图1相当的反应器1零件用相同的标号指出，不进一步叙述。
在图5这个实例中，多孔板6a-6f的直径小于壳体2的内径，因此，在每个多孔板6a-6f的周边16和壳体2之间构成一个环形孔18。
图5的多孔板6a-6f也设有一个沿这个板整个周边16下伸的圆环19。
在图5中，箭头F1+g，Fg和F1分别表示两相流，气相和液相在反应器1的通路。
本发明的尿素合成反应器的工作如下。
参照图2和图5，箭头F1+g表示的气相和液相两相流通过进口孔3进入到反应器1中。气相和液相在壳体2内并流，经活塞流穿过多孔板6a-6f而局部混合在一起。
在上述多孔板6a-6f的出口，如分别表示液相和气相最佳通路的箭头F1和Fg所指示的那样，两相流被分离。
特别是液相，一旦进入由顶盖8和多孔板6a-6f构成的室14内，即偏转成一个连续而均匀的流动通过横向孔13和通道15进入下一个多孔板。气相则聚集在上述室14的顶部，然后通过孔11流出，并按毛细方式以小气泡群在来自通道15的液相中再分布。
与现有技术多孔板的脉冲流特点不同，这种气相流入液相是连续，均匀而精细分布的，因而促进了两相的最佳混合。
因此，可以增加反应物之间的紧密接触，进而提高这种改进的反应器的反应率和生产能力并降低能耗。
在下面提示的实例中，仅用表示特征的和非限定实例比较用本发明的方法现代化的一个反应器可实现的反应率和现有技术反应器的一个反应器的反应率。
实例1
用本发明的方法现代化的一个反应器可实现的反应率与图1所示的一个传统反应器可实现的反应率进行比较。
所考虑的两个反应器尺寸如下：
壳体内径：2.3m
有效高度：35.0m
工作状态如下：
压力：152ata(绝对大气压)
温度：190℃
克分子比，NH3/CO2：3.6
          H2O/CO2：0.7
传统反应器包括10个沿反应器有效高度分布的并水平延伸遍布整个横截面的多孔板。
在现代化的反应器中，多孔板上设有5个矩形截面的，相互间隔为20mm的平行六面体顶盖，因此实现了类似于图2和图4所示的结构。顶盖包括具有许多3mm孔的一个上壁和向下延伸高度为70mm的相对的侧壁。顶盖距多孔板有适当间距，构成开度为60mm的各个横向孔。
借助化学反应器工程(Chemical Reactor Engineering)1992年47卷9/11，6/8期(Vol.47no9/11，6/8 1992)M.Dente等人的文章“尿素合成的气-液反应器”(Gas-Liguid Reactor in the Synthesis of Urea)中叙述的合成动力学模型，确定反应器产出的尿素中CO2(按克分子百分比)的反应率。
确定的反应率如下：
传统反应器：60.0％
现代化的反应器：63.0％
按照本发明的反应器的反应率提高了3个百分点在尿素合成领域是一个相当可观的成果，因为这使得要返回到反应器的未反应产物减少7-10％，导致合成反应器生产能力的显著提高，以及尿素工厂能耗的降低。
从以上叙述可清楚地看到本发明实现的许多优点，包括：反应率的提高，合成反应器生产能力的改进，尿素工厂能耗的降低，以及由于使用原有多孔板支撑这个顶盖，其投资成本很低。
很显然，这些优点可经这类反应器的现代化中提供完全新型尿素合成反应器而实现。

Claims (16)

1.一种对尿素高压高温合成反应器的原位现代化方法，反应器是气相和液相在其内并流类型，并包括一个垂直管状壳体(2)，上述管状壳体(2)内支承多个叠置的水平延伸多孔板(6a-6f)，其特征在于，它包括至少在上述多孔板(6a-6f)的一个上设多个在结构上独立的顶盖(8)的步骤，上述顶盖(8)的顶部有许多孔(11)，支承在距上述多孔板(6a-6f)预定距离处，这样，就与上述多孔板(6a-6f)构成多个横向孔(13)，上述孔(11)和上述横向孔(13)分别限定了气相和液相的最佳通路。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于上述顶盖(8)实际上是平行六面体。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于上述顶盖(8)实际上有一个不规则四边形横截面。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于上述顶盖(8)以10-40mm之间的一个预定距离支承在上述至少一个多孔板(6a-6f)上。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于上述顶盖(8)以可拆卸的方式固定在上述多孔板(6a-6f)上。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于上述孔(11)直径在2~6mm范围。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于上述横向孔(13)的开口在50~150mm范围。
8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于上述顶盖(8)包括多个向下延伸，高度在50-100mm范围的侧壁(12)。
9.一种尿素高压高温合成反应器，是气相和液相并行流动的类型，包括：
实际上是圆柱形的一个垂直外壳(2)，
在上述壳(2)内相互保持间隔作为液相和气相通道的叠置水平延伸多孔板(6a-6f)，
其特征在于，它还包括至少在上述多孔板(6a-6f)中的一个板上设置的多个结构上独立的在其顶部有多个孔(11)的顶盖(8)，上述顶盖(8)支承在距上述多孔板(6a-6f)一个预定距离处，这就构成多个横向孔(13)，上述盖(8)和上述横向孔(13)分别规定了气相和液相的最佳通道。
10.按照权利要求9所述的反应器，其特征在于上述顶盖(8)实际上是平行六面体。
11.按照权利要求10所述的反应器，其特征在于上述顶盖(8)实际上有一个不规则四边形横截面。
12.按照权利要求9所述的反应器，其特征在于上述顶盖(8)支承在至少一个上述相互保持间隔的多孔板(6a-6f)上。
13.按照权利要求12所述的反应器，其特征在于上述顶盖(8)以可拆卸方式固定在上述多孔板(6a-6f)上。
14.按照权利要求9所述的反应器，其特征在于上述孔(11)有一个在2-6mm范围的直径。
15.按照权利要求9所述的反应器，其特征在于上述横向孔(13)的开口在10-40mm的范围。
16.按照权利要求9所述的反应器，其特征在于上述顶盖(8)包括许多向下延伸其高度在50-100mm之间的侧壁(12)。
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