CN110775986A - 一种尿素催化水解制氨设备及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种尿素催化水解制氨设备及其制备方法，该设备包括原料溶解罐、原料储存罐、原料溶解泵、原料输送泵、反应器、盘管式换热器、产品气罩筒、产品气分离挡板、喷淋器及汽水分离器等。所述产品气罩筒设置在U型盘管式换热器的外周，形成套筒式结构；所述产品气分离挡板设置在产品气罩筒的正上方。该喷淋器设置在产品气分离挡板的上方，且位于产品气罩筒与反应器内壁面之间的空间内。由于本发明设置了产品气罩筒、产品气分离挡板以及汽水分离器，同时采用均相催化剂、原料喷淋以及间接加热相结合的工艺方法，有效增强了反应器内的料液扰动，使传热、传质能力显著增强，具有反应速度快，原料转化率高等优点，从而进一步降低能耗，提高了设备的利用率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用尿素制氨的工艺方法及设备，尤其涉及尿素催化水解制氨的方法及设备，属于化工材料制备技术领域。
背景技术
尿素水解反应器是火电厂烟气脱硝液氨改尿素工程的核心设备，其性能决定了改造后脱硝系统的控制品质、能耗和运行的可靠性。目前商业化应用的烟气脱硝水解制氨方法主要有尿素普通水解和尿素催化水解制氨方法，普通水解技术存在反应速度慢、响应时间长、体积较大(原带缓冲罐)以及腐蚀严重等不足和缺陷。已有的尿素催化水解是在普通水解技术的基础上，添加一种催化剂，可以大幅度提高反应速度、降低腐蚀、减小体积、降低能耗、提高尿素利用率而倍受关注。国内大部分厂家都采用了尿素催化水解技术，但是此尿素催化水解方法均采用的是液相全混反应，且只是利用了简单的盘管换热器，通过盘管进行换热，属于静态混合反应，因此不能进行充分换热和最大限度的利用能源，从而造成投资和能耗会较高，所以尿素催化水解技术有待进一步技术改进。
发明内容
针对现有技术的不足和缺陷，本发明的目的是提供一种新型的尿素催化水解制氨设备及制备方法，使其进一步降低能耗，节约能源，加快反应速度，提高设备的利用率。
本发明的技术方案如下：
一种尿素催化水解制氨设备，该设备包括原料溶解罐、原料储存罐、原料溶解泵、原料输送泵、反应器、疏水箱和减温减压器；在反应器内布置有U型盘管式换热器，U型盘管式换热器中的蒸汽出口管道分成两路，一路进入原料储存罐中的盘管式换热器，换热器的出口与疏水箱连接；另一路与原料溶解罐底部的蒸汽入口连接；其特征在于：所述设备还包括安装在反应器内部的产品气罩筒和产品气分离挡板；所述产品气罩筒设置在U型盘管式换热器的外周，形成套筒式结构；所述产品气分离挡板设置在产品气罩筒的正上方。
上述技术方案中，其特征在于：所述产品气罩筒的高度与U型盘管式换热器同高；所述产品气分离挡板的截面积与产品气罩筒的截面积相同。
本发明设备的另一技术特征是：所述设备包括喷淋器，该喷淋器设置在产品气分离挡板的上方，且位于产品气罩筒与反应器内壁面之间的空间内；所述的原料储存罐出口通过管路和原料输送泵与所述的喷淋器的进口相连通。
本发明设备的又一技术特征是，其特征在于：在反应器的顶部出口设置有汽水分离器。
本发明提供的一种尿素催化水解制氨方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)在反应器内装填以磷酸盐为载体的酸性液态催化剂，将质量百分含量为30％～70％、温度为40℃～80℃的尿素料液由原料溶解泵输送到尿素储存罐中，再由原料输送泵经喷淋器喷洒到产品气罩筒与反应器内壁之间的空间内；
2)将压力为0.6～0.8MPa、温度为160～180℃的蒸汽经减温减压后送入反应器中对尿素料液进行加热，并进行催化水解反应，反应压力为0.35Mpa～0.55Mpa，反应温度为130℃～145℃；
3)反应后生成含氨气和二氧化碳混合的产品气体，该产品气体经产品气分离挡板进行第一次气液分离，分离后的产品气体经汽水分离器从反应器顶部的出口流出；
4)经产品气分离挡板分离后的热液滴与喷淋器喷淋下来的冷的尿素料液混合，在反应器中形成扰动式的催化水解反应，如此反复循环；
5)加热后的余热蒸汽从反应器出来分两路：一路进入原料储存罐对尿素料液进行间接换热，保持尿素料液温度在40℃～80℃之间，另一路进入原料溶解罐用来溶解尿素，使罐内的温度保持在40℃～80℃。
本发明所述方法中，其特征在于：所述酸性催化剂为磷酸二氢铵和磷酸氢二铵混合物，其装填量5％/m3～15％/m3。
本发明所述方法中，其另一技术特征是：步骤5)中进入原料储存罐的余热蒸汽占余热蒸汽总热量的30％～50％，进入尿素溶解罐的余热蒸汽占蒸汽总热量的50％～70％。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：①本发明采用了U型盘管式换热器外四周布置有产品气罩筒，产品气罩筒高度与U型盘管式换热器高度同高，在U型盘管式换热器四周温度高，催化剂聚集在换热器周围，在此处与尿素快速反应生成产品气氨气和二氧化碳，产品气往外扩散，产品气罩筒外温度低，热流体往上流动，冷流体往下流动，增加溶液扰动，有利于反应更快进行。②在所述U型盘管式换热器和产品气罩筒上部设置产品气分离挡板，此过滤挡板在换热器正上方，其截面积与产品气罩筒截面积相同，产生的产品气夹杂液态物质上升通过挡板可以过滤掉一部分液态物质，进行气液一次分离。③在产品气和反应器中间上方设置喷淋器，此喷淋器位置高于产品气分离挡板，尿素溶液从喷淋器喷出之后通过产品气降落到水解器底部，在此过程中尿素溶液接受一部分热量，缩短受热时间，加速反应。
附图说明
图1是本发明提供的一种新型尿素催化水解制氨设备实施例的结构原理示意图。
图中：1-原料溶解罐；2-疏水箱；3-原料储存罐；4-原料溶解泵；5-原料输送泵；6-减温减压器；7-喷淋器；8-U型盘管式换热器；9-产品气罩筒；10-汽水分离器；11-反应器；12-产品气分离挡板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构、原理和工作过程作进一步的说明。
图1是本发明提供的一种新型尿素催化水解制氨设备实施例的结构原理示意图，该设备含有原料溶解罐1、疏水箱2、原料储存罐3、原料溶解泵4、原料输送泵5、反应器11、减温减压器6、喷淋器7、U型盘管式换热器8、产品气罩筒9、产品气分离挡板12、汽水分离器10以及相应的管道和阀门；所述产品气罩筒9通过焊接方式与反应器11相连接；所述的产品气分离挡板12固定在反应器内壁面上；所述产品气罩筒9设置在U型盘管式换热器8的外周，形成套筒式结构；所述产品气分离挡板12设置在产品气罩筒9的正上方。优选地，所述产品气罩筒9的高度与U型盘管式换热器8同高；所述产品气分离挡板12的截面积与产品气罩筒的截面积相同。
在U型盘管式换热器8外周布置产品气罩筒9，U型盘管式换热器8和产品气罩筒9上部设置产品气分离挡板12；因U型盘管式换热器8的四周温度高，催化剂聚集在换热器周围，在此处与尿素快速反应生成产品气氨气和二氧化碳；产品气往外扩散，产品气罩筒外部温度低，冷热流体混合，可增加料液的扰动，有利于反应更快进行。在所述此时产生的产品气夹杂液态物质上升通过分离挡板可以过滤掉一部分液态物质，进行气液一次分离。
所述喷淋器7设置在产品气分离挡板12的上方，且位于产品气罩筒与反应器内壁面之间的空间内；所述的原料储存罐3出口通过管路和原料输送泵5与所述的喷淋器7的进口相连通。喷淋器7的位置高于产品气分离挡板12，尿素溶液从喷淋器喷出之后通过产品气降落到反应器底部，在此过程中尿素溶液接受一部分热量，缩短受热时间，加速反应。
所述的汽水分离器10固定在反应器出口处，其目的是是产品气进行气液二次分离。汽水分离器10可采用波纹式汽水分离器。
U型盘管式换热器8中的蒸汽出口管道分成两路，一路进入原料储存罐3中的盘管式换热器，换热器的出口与疏水箱2连接；另一路与原料溶解罐1底部的蒸汽入口连接。
本发明的工艺过程如下：
1)反应器内装填以磷酸盐为载体的酸性液态催化剂，装填量5％/m3～15％/m3；尿素装入溶解罐1内，并用除盐水进行溶解，靠蒸汽进行加热溶解；由原料溶解泵4输送到尿素储存罐3中，再由输送泵5经喷淋器7喷洒到反应器11中，尿素溶液给料质量百分含量为30％～70％，温度为40℃～80℃；
2)将压力为0.6～0.8MPa,温度为160～180℃的蒸汽通过减温减压器(6)减温减压后进入U型盘管式换热器8中，对反应器内的尿素料液进行间接加热，反应器内的压力0.35Mpa～0.55Mpa，反应温度130℃～145℃；
3)加热后的余热蒸汽从反应器出来分两路：一路进入原料储存罐3进行间接换热，保温尿素溶液温度在40℃～80℃之间，另一路与原料溶解罐1底部的蒸汽入口连接用来溶解尿素，温度在40℃～80℃；原料储存罐3中的盘管式换热器的出口与疏水箱2连接，回收疏水；
4)在反应器11内进行催化水解反应，催化剂在U型盘管式换热器8管壁附近与尿素溶液反应，反应后生成的产品气氨气和二氧化碳，产品气往外扩散，喷淋器7喷淋下来的冷流体进入到产品气罩筒9外，热流体往上流动，冷流体往下流动，增加溶液扰动，有利于反应更快进行。
5)产品气所夹带的液滴经过产品气分离挡板12通过重力作用进行第一次气液分离，当在反应器出口经过汽水分离器10时进行第二次气液分离，二次分离后从反应器出口流出产品气。
下面举出几个具体实施例，以对本发明做进一步的说明；
表1：结构参数
表2：反应工艺参数
续上表
Claims (7)
1.一种尿素催化水解制氨设备，该设备包括原料溶解罐(1)、原料储存罐(3)、原料溶解泵(4)、原料输送泵(5)、反应器(11)、疏水箱(2)和减温减压器(6)；在反应器内布置有U型盘管式换热器(8)，U型盘管式换热器(8)中的蒸汽出口管道分成两路，一路进入原料储存罐(3)中的盘管式换热器，换热器的出口与疏水箱(2)连接；另一路与原料溶解罐(1)底部的蒸汽入口连接；其特征在于：所述设备还包括安装在反应器内部的产品气罩筒(9)和产品气分离挡板(12)；所述产品气罩筒(9)设置在U型盘管式换热器(8)的外周，形成套筒式结构；所述产品气分离挡板(12)设置在产品气罩筒(9)的正上方。
2.如权利要求1所述的一种尿素催化水解制氨设备，其特征在于：所述产品气罩筒(9)的高度与U型盘管式换热器(8)同高；所述产品气分离挡板(12)的截面积与产品气罩筒的截面积相同。
3.如权利要求1所述的一种尿素催化水解制氨设备，其特征在于：所述设备包括喷淋器(7)；该喷淋器(7)设置在产品气分离挡板的上方，且位于产品气罩筒与反应器内壁面之间的空间内；所述的原料储存罐(3)出口通过管路和原料输送泵(5)与所述的喷淋器(7)的进口相连通。
4.如权利要求1、2或3所述的一种尿素催化水解制氨设备，其特征在于：在反应器的顶部出口设置有汽水分离器(10)。
5.采用如权利要求1～4任一权利要求所述设备的一种尿素催化水解制氨方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)在反应器内装填以磷酸盐为载体的酸性液态催化剂，将质量百分含量为30％～70％、温度为40℃～80℃的尿素料液由原料溶解泵(4)输送到尿素储存罐(3)中，再由原料输送泵(5)经喷淋器(7)喷洒到产品气罩筒(9)与反应器内壁之间的空间内；
2)将压力为0.6～0.8MPa、温度为160～180℃的蒸汽经减温减压后送入反应器(11)中对尿素料液进行加热，并进行催化水解反应，反应压力为0.35Mpa～0.55Mpa，反应温度为130℃～145℃；
3)反应后生成含氨气和二氧化碳混合的产品气体，该产品气体经产品气分离挡板(12)进行第一次气液分离，分离后的产品气体经汽水分离器(10)从反应器顶部的出口流出；
4)经产品气分离挡板(12)分离后的热液滴与喷淋器喷淋下来的冷的尿素料液混合，在反应器中形成扰动式的催化水解反应，如此反复循环；
5)加热后的余热蒸汽从反应器出来分两路：一路进入原料储存罐(3)对尿素料液进行间接换热，保持尿素料液温度在40℃～80℃之间，另一路进入原料溶解罐(1)用来溶解尿素，使罐内的温度保持在40℃～80℃。
6.如权利要求5所述的一种尿素催化水解制氨方法，其特征在于：所述酸性催化剂为磷酸二氢铵和磷酸氢二铵混合物，其装填量5％/m3～15％/m3。
7.如权利要求5所述的一种尿素催化水解制氨方法，其特征在于：步骤5)中进入原料储存罐(3)的余热蒸汽占余热蒸汽总热量的30％～50％，进入尿素溶解罐(1)的余热蒸汽占蒸汽总热量的50％～70％。
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